연구의 목적 및 내용 카테콜아민의 liquid/air계면, solid/liquid계면, solid/air계면에서의 화학적 거동양상을 연구하고, 이를 바탕으로 복합 계면에 맞는 의료응용기술 개발을 목표로 함.
연구결과...
연구의 목적 및 내용 카테콜아민의 liquid/air계면, solid/liquid계면, solid/air계면에서의 화학적 거동양상을 연구하고, 이를 바탕으로 복합 계면에 맞는 의료응용기술 개발을 목표로 함.
연구결과 Liquid/air계면에서의 catecholamine의 특이적 화학적 성질 규명 및 응용: - 외골격계인 곤충의 방어기작인 큐티클 층에 존재하는 카테콜아민 (catecholamine)의 liquid/air 계면상 특이적 화학반응을 모방하여 인공 큐티클 (artifacial cuticle) 형성에 성공함. (Seonki Hong, et al, Adv. Mater. 2014, p7581-7587) 폴리에틸렌이민 (polyethyleneimine)과 카테콜아민과의 가교반응으로 형성된 위 재료는 카테콜 (catechol) 작용기 때문에 접착력이 있고, 공기 중의 지속적 산화반응으로 self-sealing이 가능함을 밝힘. 카테콜 작용기에 하이드록실기가 하나 더 존재하는 갈롤 (gallol)류단분자의 경우, 산화반응을 더욱 촉진시켜, 기존 2시간 가량의 필름 형성 시간을 5분 내외로 단축시킴. (Younseon Wang et al, Adv. Mater. 2016, 9961-9968) - 앞서 밝힌 화학적 원리 및 재료를 기반으로, 개복수술 또는 복강경 수술에 적용 가능한 습식접착성 필름 (조직접착력 최대 2,200 Pa)을 개발함. 또한, 접착성 필름에 약물을 전사하여, 환부의 종류와 무관한 맞춤형 약물전달시스템으로 응용함. 체내 조직 모델의 접착력 및 생체적합성을 테스트하여 가장 우수한 물성을 나타내는 카테콜아민 후보군: 파이로카테콜(pyrocatechol)을 최종 선정함.
Solid/liquid계면에서의 catecholamine의 특이적 화학적 성질 규명 및 응용: - 카테콜아민 용액 (liquid)과 표면상에 고정화된 바나듐 이온 (vanadium ion, solid)을 활용하면, 전이금속과의 배위결합으로 하이드로젤 (hydrogel) 형성을 촉진시킴을 밝히고, 기존 카테콜아민계열 고분자의 하이드로젤화로 이용된 철 이온: Fe(III)과는 달리, 전이금속의 농도가 낮은 경우만 하이드로젤화가 진행되는 특이적 현상을 물리화학적으로 규명함. (Joseph Park et al. Chem. Mater. 2015, 27, 105-111) - 또한, 카테콜아민계의 대표적 고분자 키토산카테콜 (chitosan-catechol)을 활용하여, 혈관 (solid)과 혈액 (liquid) 계면 상에서 즉각적인 self-sealing이 가능한 무출혈 주사기를 개발함. (Mikyuong Shin et al. Nat Mater 2017, 16, 147–152.)
Solid/air계면에서의 catecholamine의 특이적 화학적 성질 규명 및 응용: - 카테콜아민으로 개질된 친수성 표면 (딱정벌레의 물 포집 기술 모방)에 pitcher plant가 가지고 있는 non-volatile surface lubricant 성질을 도입하여 solid/air 계면 상에서 작동하는 마이크로유체디바이스를 개발함. (Inseong You et al. ACS Nano 2014, 8, 9016–9024.)
연구결과의 활용계획 카테콜과 유사한 분자구조를 갖지만, 산화반응성이 월등히 우수한 갈롤(gallol) 유도체를 대체 재료로 활용할 경우, 카테콜이 갖는 단점 (늦은 산화반응성)이 보완된 무독성 의료접합소재로 활용될 수 있음. 갈롤 유도체는 또한 생체분자 (단백질, DNA, RNA, Peptides, 다당류)들과의 비공유적 상호작용 (non-covalent interaction)이 우수하기 때문에, 기존 대비 우수한 기계적 물성 (접착성)을 갖출 수 있기 때문에, 본 연구 주제인 카테콜화학 규명에서 터득한 노하우를 갈롤화학에 적용시켜, 차세대 의료소재 개발에 활용할 계획임.
( 출처 : 한글요약문 4p )
Abstract ▼
Purpose&contents The aim of this course is to investigate behavioral aspects of catecholamine at the liquid/air, solid/liquid, ...
Purpose&contents The aim of this course is to investigate behavioral aspects of catecholamine at the liquid/air, solid/liquid, and solid/air interfaces. The following investigation aims to develop medical application technology based on understanding of overall interfacial chemistry of catecholamine.
Result Identification of unique chemical properties of catecholamine at the Liquid/air interface: - Successful formation of artificial cuticle that was inspired by unique chemical properties of catecholamine at the liquid/air interface which is a similar defensive mechanism of cuticle layer for an exoskeleton insects. (Seonki Hong, et al, Adv. Mater. 2014, p7581-7587) The crosslinked product from polyethyeleimine and catecholamine has adhesive property due to functional group of catechol and this material is able to self-seal at the liquid/air interface by oxidation in the air. In case of functional group of gallol, which has an additional hydroxyl than catechol, stimulates faster oxidation reaction so that the formational time of film is shortened by 5 minute by gallol from 2 hours by catechol. (Younseon Wang et al, Adv. Mater. 2016, 9961-9968) - Wet-adhesive film (Max 2,200 Pa at tissue adhesion) that is suitable for laparotomic and laparoscopic surgeries was developed. Moreover, drug is loaded into the adhesive film and customed delivery is possible regardless of wound type. Pyrocatechol, one of catecholamine, was selected through examinations for tissue adhesion and bio-compatibility.
Identification of unique chemical properties of catecholamine at the Solid/liquid interface: - It was found that utilizing the solid/liquid interface of catecholamine liquid and solid surface immobilized vanadium ion stimulate formation of hydrogel by coordiation linkage. The unique phenomenon of hydro-gelation at limited concentration of transition metal was physicochemically identified which is distinctive from using iron (III) metal ions for hydro-gelation. (Joseph Park et al. Chem. Mater. 2015, 27, 105-111) - Complete prevention of blood loss with self-sealing haemostatic needle was developed by utilizing catecholamine polymers, chitosan-catechin, at the vessel solid and liquid blood interface. (Mikyuong Shin et al. Nat Mater 2017, 16, 147–152.)
Identification of unique chemical properties of catecholamine at the Solid/air interface: - Catecholamine modified hydrophilic solid surface from desert beetle and non-volatile surface lubricant from pitcher plant were utilized to develop microfluidical device that operates at solid/air interface. (Inseong You et al. ACS Nano 2014, 8, 9016–9024.)
Expected Contribution Some of the disadvantages of catechol such as slow oxidative reation rate or toxicity can be improved by utilizing gallol derivatives to overcome such limitations. Moreover, gallol derivatives have excellent non-covalent interactions between bio-polymers such as saccharide, protein, DNA, RNA and peptides that can have superior material properties. Therefore, this study was to apply chemical mechanisms of catechol to gallol to develop future materials in medical applications.
