KR101298906B1 - 점착성 고분자-카테콜 접합체를 이용한 생체 모방형 다층 하이드로겔 코팅 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 카테콜기로 작용화된 친수성 고분자 접합체를 사용하여 다양한 고체 표면에 하이드로겔을 형성시키며 영구적으로 코팅하는 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 친수성 합성고분자, 다당류, 펩타이드 또는 단백질에 카테콜기를 포함하는 화학종과 공유결합으로 접합시키고 이를 녹인 코팅제로 다층 박막 적층방법을 기반으로 순차적으로 적층하여 원하는 두께를 갖는 표면 하이드로겔을 형성하는 코팅제형 및 코팅방법을 제공한다. 상기 표면 하이드로겔 코팅은 기판이나 기기의 소재와 상관없이 고착력이 우수한 다층 다성분 하이드로겔 피막을 형성시키며 전처리나 초도개질 등의 과정을 생략할 수 있어 공정을 단순화할 수 있고 다양한 분야에 응용 가능한 여러 기능성, 예를 들어 생체적합성, 혈액적합성, 점막접착성, 흡습 보습성, 표면 윤활성, 김서림 방지 효과, 약물담지능력, 항균효과 등을 부여하여 유용하게 사용될 수 있다.

Description

점착성 고분자-카테콜 접합체를 이용한 생체 모방형 다층 하이드로겔 코팅 방법 {Bio-inspired multilayer hydrogel coating with adhesive polymer-catechol conjugates}

본 발명은 다양한 고체 표면에 하이드로겔을 형성시켜 영구적으로 코팅하는 방법 또는 표면개질 방법에 관한 것이다.

일반적으로 표면 개질은 모든 산업전반에 걸쳐 활용되고 있으며, 표면의 화학적, 물리적 특성들을 변화시키거나 코팅제를 피복시킴으로써 다양한 용도의 기능성을 향상시키기 위하여 수행된다. 코팅의 한 가지 응용에서, 의료용 기기는 고분자, 금속, 세라믹, 복합재료 등 다양한 소재로 제작되며, 대부분 어떤 형태로든 생체 조직이나 생리적 유체와 접촉하게 된다. 따라서 의료용 기기의 표면은 생물학적 부작용을 유발시키지 않거나 최소화하도록 높은 생체적합성을 요구하고 있어 생체적합적 표면개질이 매우 중요하다.

현재까지 개발된 다양한 표면개질 방법 중 하이드로겔 코팅은 삼차원적 친수성 고분자 네트워크로 많은 양의 물 또는 수성 액체를 흡수하여 팽윤되며 자기 모양을 유지하는 특성을 가지고 있으나, 지금까지의 하이드로겔 코팅은 내구성과 결합력을 위해 초도(primer) 코팅이나 전처리 같은 여분의 과정이 필수적이므로 전체 공정이 단순하지 않으며 사용되는 가교제나 개시제는 유독성이고 코팅 두께의 조절에 한계가 있어 용도에 따른 표면특성을 정교하게 제어하기가 용이하지 않다는 문제점이 있다.

따라서 기존의 방법은 하이드로겔 코팅을 위해 목적으로 하는 기판의 소재에 따라 코팅 방법을 달리하여야 하며 코팅의 고착력의 증진을 위한 전처리 또는 초도 공정이 필요하며 여러 첨가물, 예를 들어 가교제, 개시제등이 추가되어 과정이 복잡하고 유독성이기 때문에 이를 좀 더 단순화하고 인체에 무해하며 기판의 종류와 상관없이 우수한 고착력을 가지고 피막의 두께를 정교하게 제어할 수 있는 코팅방법이 요구된다.

이에, 본 발명자들은 홍합접착 단백질로부터 고안된 카테콜기를 원하는 고분자와 화학적으로 공유결합 시켜 스스로 가교되어 하이드로겔을 형성할 수 있고 강한 점착성을 갖는 다양한 접합체 고분자를 합성하였으며, 이를 사용하여 기판의 종류와 상관없이 간단한 공정을 통하여 다층적이고 다성분의 하이드로겔 코팅을 형성시킴으로써 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 다양한 고체 표면에 하이드로겔을 형성시켜 영구적으로 코팅하는 방법 또는 표면개질 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 구체예에서, (a) 친수성 고분자에 카테콜기를 접합시키는 단계; (b) 상기 (a) 단계의 고분자-카테콜 접합체를 용해시켜서 코팅제를 제조하는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계의 코팅제를 기판에 적층시켜 하이드로겔을 형성시키는 단계를 포함하는 표면 하이드로겔 코팅 방법을 제공한다.

일 구체예에서, 상기 친수성 고분자는 곁가지로 일차아민기를 포함하는 폴리에틸렌이민(polyethylenimine), 폴리아릴아민(polyallylamine), 폴리프로필렌이민(polypropylenimine), 폴리아미도아민(polyamidoamine), 폴리비닐아민(polyvinylamines), 곁가지로 카르복시기를 포함하는 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 카보폴(Carbopol), 폴리이타콘산(polyitaconic acid), 곁가지로 하이드록시기를 포함하는 폴리비닐알코올(polyvinylalcohol), 히알루론산(hyaluronic acid), 알긴산(alginate), 헤파린(heparin), 황산화 헤파란(heparan sulfate), 황산콘트로이친(chondroitin sulfate), 후코이단(fucoidan), 녹말(starch), 셀룰로스(cellulose), 덱스트란(dextran), 키토산(chitosan), 폴리라이신(polylysine), 히루딘(hirudin), 삭사틸린(saxatilin), 알부민(albumin), 콜라겐(collagen), 젤라틴(gelatin) 또는 피브린(fibrin)이고, 친수성 고분자의 평균 분자량은 1,000 ~ 1,000,000 범위이며, 상기 카테콜기는 도파(dopa), 도파민(dopamine), 노르에피네프린(norepinephrine), 리토스퍼믹에시드(lithospermic acid), 카페인산(caffeic acid), 로즈마리산(rosmarinic acid), 살비아놀산(salvianolic acid) 또는 갈산(gallic acid)이다.

일 구체예에서, 상기 (a) 단계는 아민기와 카르복시기의 접합에 의한 아마이드 결합(amide bond)이 생성되는 반응 또는 하이드록시기와 아민기의 접합에 의해 카바메이트 결합(carbamate bond)이 생성되는 반응이고, 상기 고분자-카테콜 접합체의 카테콜 치환도는 5% 내지 50%이며, 특히 상기 고분자-카테콜 접합체의 카테콜 치환도가 10% 내지 30%인 것이 바람직하다.

일 구체예에서, 상기 (b) 단계는 트리스완충액 (Tris buffer), 인산완충식염수(phosphate buffered saline), 헤페스완충액(HEPES buffer), MOPS 완충액(MOPS buffer), 비신완충액(bicine buffer), 트리신완충액(tricine buffer) 또는 TES 완충액(TES buffer)인 염기성 완충액을 사용하고, 상기 염기성 완충액의 pH는 7.5내지 8.5이다.

일 구체예에서, 상기 (b) 단계는 디메틸설폭사이드(dimethylsulfoxide, DMSO), 다이메틸폼아마이드(dimethylformamide, DMF), 아세톤(acetone), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol) 또는 이소프로필알코올(isopropyl alcohol)인 유기용매를 사용하고, 헥사메틸렌다이아민(hexamethylenediamine), 에틸렌다이아민(ethylenediamine), 나트륨 과요요드산(sodium periodate), 과산화수소(hydrogen peroxide), 타이로시나아제(tyrosinase) 또는 겨자무과산화효소(horseradish peroxidase)를 추가로 사용한다.

일 구체예에서, 상기 (b) 단계의 고분자-카테콜 접합체의 용해 농도는 0.1wt% 내지 50wt%이고, (b) 단계의 코팅제 점성도는 역학점도(dynamic viscosity)로 100 cP 내지 100,000 cP이다.

일 구체예에서, 상기 (c) 단계의 기판은 폴리우레탄(polyurethane), 폴리다이메틸실록산(PDMS), 테플론(Teflon), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 실리콘(silicone), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride), 폴리카보네이트(polycarbonate), 생분해성 지방족 폴리에스테르계 고분자, 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite), 인산칼슘(calcium phosphate), 산화알루미늄(aluminum oxide), 산화티타늄(titanium oxide), 산화실리콘(silicon oxide), 산화철(iron oxide), 유리(glass), 석영(quartz), 금(gold), 백금(platinum), 텅스텐(tungsten), 은(silver), 구리(copper), 스텐리스 스틸(stainless steel), 코발트-크롬합금(cobalt-chromium alloy) 또는 니티놀(nitinol)이고, 적층은 침지단계, 반건조단계 및 세척단계로 구성된다.

본 발명의 일 구체예에서, (a) 서로 다른 2 이상의 친수성 고분자에 카테콜기를 접합시키는 단계; (b) 상기 (a) 단계의 서로 다른 2 이상의 고분자-카테콜 접합체를 용해시켜서 코팅제를 제조하는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계의 서로 다른 2 이상의 코팅제를 기판에 적층시켜 하이드로겔을 형성시키는 단계를 포함하는 표면 하이드로겔 코팅 방법을 제공한다.

본 발명의 일 구체예에서, 친수성 고분자에 카테콜기가 결합된 접합체를 제공하는데, 상기 친수성 고분자는 곁가지로 일차아민기를 포함하는 폴리에틸렌이민(polyethylenimine), 폴리아릴아민(polyallylamine), 폴리프로필렌이민(polypropylenimine), 폴리아미도아민(polyamidoamine), 폴리비닐아민(polyvinylamines), 곁가지로 카르복시기를 포함하는 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 카보폴(Carbopol), 폴리이타콘산(polyitaconic acid), 곁가지로 하이드록시기를 포함하는 폴리비닐알코올(polyvinylalcohol), 히알루론산(hyaluronic acid), 알긴산(alginate), 헤파린(heparin), 황산화 헤파란(heparan sulfate), 황산콘트로이친(chondroitin sulfate), 후코이단(fucoidan), 녹말(starch), 셀룰로스(cellulose), 덱스트란(dextran), 키토산(chitosan), 폴리라이신(polylysine), 히루딘(hirudin), 삭사틸린(saxatilin), 알부민(albumin), 콜라겐(collagen), 젤라틴(gelatin) 또는 피브린(fibrin)이고, 상기 카테콜기는 도파(dopa), 도파민(dopamine), 노르에피네프린(norepinephrine), 리토스퍼믹에시드(lithospermic acid), 카페인산(caffeic acid), 로즈마리산(rosmarinic acid), 살비아놀산(salvianolic acid) 또는 갈산(gallic acid)이다.

일 구체예에서, 상기 접합체의 카테콜 치환도는 5% 내지 50%이고, 특히 카테콜 치환도가 10% 내지 30%인 것이 바람직하다.

본 발명의 일 구체예에서, 친수성 고분자에 카테콜기가 결합된 접합체를 포함하는 코팅 조성물을 제공하는데, 상기 친수성 고분자는 곁가지로 일차아민기를 포함하는 폴리에틸렌이민(polyethylenimine), 폴리아릴아민(polyallylamine), 폴리프로필렌이민(polypropylenimine), 폴리아미도아민(polyamidoamine), 폴리비닐아민(polyvinylamines), 곁가지로 카르복시기를 포함하는 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 카보폴(Carbopol), 폴리이타콘산(polyitaconic acid), 곁가지로 하이드록시기를 포함하는 폴리비닐알코올(polyvinylalcohol), 히알루론산(hyaluronic acid), 알긴산(alginate), 헤파린(heparin), 황산화 헤파란(heparan sulfate), 황산콘트로이친(chondroitin sulfate), 후코이단(fucoidan), 녹말(starch), 셀룰로스(cellulose), 덱스트란(dextran), 키토산(chitosan), 폴리라이신(polylysine), 히루딘(hirudin), 삭사틸린(saxatilin), 알부민(albumin), 콜라겐(collagen), 젤라틴(gelatin) 또는 피브린(fibrin)이고, 상기 카테콜기는 도파(dopa), 도파민(dopamine), 노르에피네프린(norepinephrine), 리토스퍼믹에시드(lithospermic acid), 카페인산(caffeic acid), 로즈마리산(rosmarinic acid), 살비아놀산(salvianolic acid) 또는 갈산(gallic acid)이다.

일 구체예에서, 상기 접합체의 카테콜 치환도는 5% 내지 50%이고, 특히 카테콜 치환도가 10% 내지 30%인 것이 바람직하다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 코팅 조성물로 적층된 기판을 제공한다.

본 발명에 의한 하이드로겔 피막은 내구성과 안정성이 우수하며, 생체적합성, 혈액적합성, 점막접착성, 흡습 보습성, 표면 윤활성, 김서림 방지 효과, 약물담지능력, 항균효과 등의 기능성을 자유로이 부여할 수 있어 의료기기 용도 등의 여러 분야에 유용하게 사용될 수 있고, 본 발명에 따른 하이드로겔 코팅 방법은 쉽게 피막 두께를 제어할 수 있어 용도에 맞는 표면 특성을 제공할 수 있으며, 다층 다성분의 하이드로겔 피막을 형성시킴으로써 하나의 기판이나 기기에 두 가지 이상의 복합적인 기능성을 부여할 수 있다.

도 1은 합성고분자, 다당류, 펩타이드, 단백질의 아민기(NH₃ ⁺), 카르복시기(COO^-), 또는 하이드록시기(OH)를 이용하여 카테콜그룹을 포함하는 화학종과　공유결합으로 접합시켜 고분자-카테콜 접합체를 합성하는 개념도이다.
도 2는 합성한 고분자-카테콜 접합체로 카테콜의 접착능력을 기반으로 다층 박막 적층(Layer-by-layer, LbL) 방식을 이용하여 순차적으로 침지와 반건조를 반복하여 원하는 두께를 갖는 표면 하이드로겔을 형성시키는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 표면 하이드로겔 코팅 방법을 이용해 만들어진 PAA, 헤파린, 히알루론산, 알부민 코팅의 각 단면을 SEM을 통하여 관찰한 이미지이다.
도 4 는 본 발명의 표면 하이드로겔 코팅 방법을 이용해 만들어진 코팅의 두께를 적층 횟수에 따라 ellipsometry 장비로 측정한 그래프이다.
도 5 는 본 발명의 표면 하이드로겔 코팅 방법을 이용해 헤파린(heparin), 히알루론산(HA), 알부민(albumin) 카테콜 접합체로 PDMS　표면에 코팅 후 ATR-FTIR로 측정된 성분 분석 데이터이다.
도 6은 본 발명의 표면 하이드로겔 코팅 방법을 이용해 헤파린(heparin), 히알루론산(HA), 알부민(albumin) 카테콜 접합체로 테플론(Teflon)　표면에 코팅 후 ATR-FTIR로 측정된 성분 분석 데이터이다.
도 7은 본 발명의 표면 하이드로겔 코팅 방법을 이용해 헤파린(heparin), 히알루론산(HA), 알부민(albumin) 카테콜 접합체로 티타늄 옥사이드(titanium oxide)　표면에 코팅 후 ATR-FTIR로 측정된 성분 분석 데이터이다.
도 8은 본 발명의 표면 하이드로겔 코팅 방법을 이용해 헤파린(heparin), 히알루론산(HA), 알부민(albumin) 카테콜 접합체로 L605 alloy 표면에 코팅 후 ATR-FTIR로 측정된 성분 분석 데이터이다.
도 9는 형광염료로 표지된 알부민과 헤파린 카테콜 접합체를 사용하여 본 발명의 코팅방법으로 스텐리스 스틸 표면에 차례로 두 가지 성분 하이드로겔 코팅을 완성하고 코팅의 단면을 공초점 현미경으로 관찰한 이미지이다.
도 10은 헤파린, 히알루론산, 알부민 카테콜 접합체로 각각의 하이드로겔 코팅을 완성하고 인산완충식염수에 1시간 동안 침지시킨 후 건조상태와 팽윤상태 각각의 코팅 단면을 현미경으로 관찰한 결과이다.
도 11은 헤파린, 히알루론산, 알부민 카테콜 접합체로 각각의 하이드로겔 코팅을 완성하고 인산완충식염수에 1시간 동안 침지시킨 후 건조상태와 팽윤상태의 두께의 차이를 수치화한 그래프이다.
도 12는 실시간 형광이미징 장비를 통하여 본 발명의 코팅방법으로 표면 코팅된 알부민 하이드로겔 층의 형광을 시간별로 측정한 이미지이다.

이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1. 접합체의 제조

실시예 1-1. 합성고분자류 카테콜 접합체 합성 1- 폴리아크릴산( PAA )

증류수 200 ml에 폴리아크릴산(평균분자량 4.5 × 10⁵) 400 mg을 넣고 완전히 녹을 때까지 교반하였다. 이 수용액에 도파민 256 mg과　EDC 270 mg을 각각 순서대로 첨가하여 충분히 교반하고, 완전히 녹은 후 1노르말 염산 용액을 사용하여 반응혼합물을 pH 4 내지 pH 6으로 유지하였다. 3 시간 반응 후 1노르말 수산화나트륨 용액을 첨가하여 ph 7 부근으로 조정하여 반응을 끝내고, 반응이 종결된 용액을 dialysis tube (MWCO: 10,000)를 사용하여 증류수에 대하여 투석을 하였다. 이때 카테콜이 산화되는 것을 방지하기 위하여 질소퍼지(nitrogen purging)를 하며 저온실에서 투석을 실시하였다. 투석 3일후 정제된 용액을 회수하고 -70℃ 냉장고에 얼린 후 진공 건조 하여 폴리아크릴산-카테콜 접합체를 얻었다.

실시예 1-2. 합성고분자류 카테콜 접합체 합성 2 - 폴리비닐알코올( PVA )

디메틸설폭사이드 60 ml에 폴리비닐알코올(평균분자량 85,000~124,000; 98~99% hydrolyzed) 400 mg을 넣고 질소퍼지(nitrogen purging)를 하며 완전히 녹을 때까지 교반하였다. 이 용액에 CDI 74 mg을 디메틸설폭사이드 4 ml에 녹여 첨가하고 질소퍼지하며 상온에서 3시간 반응하였다. 이 반응액을 1:2의 비율로 부탄올 50 ml이 들어있는 코니컬 튜브에 넣고 원심 분리하여 침전물을 회수하였다. 이 침전물을 부탄올로 3번 세척하고 진공상태에서 1일 동안 건조하였다. 이렇게 얻어진 CDI로 활성화된 폴리비닐알코올 200mg 을 디메틸설폭사이드 50 ml에 녹이고 여기에 도파민 6.27 g을 첨가 후 50℃에서 3일 동안 반응시켰다. 반응을 종결시키고 부탄올로 침전시켜 정제 후 진공상태에서 3일 동안 건조시켜 폴리비닐알코올-카테콜 접합체를 얻었다.

실시예 1-3. 다당류 카테콜 접합체 합성 1 - 키토산( chitosan )

MES(2-[N-morpholino]ethanesulfonic acid)완충액(10 mM, pH 5.0) 10 ml 에 키토산 (평균분자량 5,000~10,000) 20 mg을 녹인 후 카페인산 22.4 mg을 넣고 완전히 녹을 때까지 교반하였다. 이 수용액에 EDC 24 mg을 첨가한 후 4 시간 반응시켰다. 반응이 종결된 용액을 dialysis tube (MWCO: 3,500)를 사용하여 증류수에 대하여 투석 하였다. 투석 3일후 정제된 용액을 회수하고 -70℃ 냉장고에 얼린 후 진공 건조하여 키토산-카테콜 접합체를 얻었다.

실시예 1-4. 다당류 카테콜 접합체 합성 2 - 헤파린( heparin )

헤파린(평균분자량 12,000) 734 mg 과 도파민 456 mg을 증류수 30 ml에 녹인 후 EDC 460 mg 첨가하여 2시간 반응시켰다. 이때 1노르말 염산 용액을 사용하여 반응혼합물을 pH 4 내지 pH 6으로 유지하였다. 반응이 종결된 용액에 NaCl 용액(30%) 10 ml을 첨가하고 과량의 에탄올을 섞어 반응이 진행된 헤파린을 침전시켰다. 침전된 헤파린을 다시 증류수에 녹이고 dialysis tube (MWCO: 5,000)를 사용하여 증류수에 대하여 투석 하였다. 투석 3일후 정제된 용액을 회수하고 -70℃ 냉장고에 얼린 후 진공 건조하여 헤파린-카테콜 접합체를 얻었다.

실시예 1-5. 다당류 카테콜 접합체 합성 3 - 히알루론산( hyaluronic acid , HA )

히알루론산(평균분자량 17,000) 513 mg과 도파민 456 mg을 증류수 25 ml에 녹인 후 EDC 461 mg 첨가하여 3시간 반응시켰다. 이때 1노르말 염산 용액을 사용하여 반응혼합물의 pH를 4 내지 6으로 유지하였다. 반응이 종결된 용액을 dialysis tube (MWCO: 5,000)를 사용하여 증류수에 대하여 투석 하였다. 투석 3일후 정제된 용액을 회수하고 -70℃ 냉장고에 얼린 후 진공 건조하여 히알루론산-카테콜 접합체를 얻었다.

실시예 1-6. 단백질류 카테콜 접합체 합성 - 알부민( albumin )

사람혈청알부민(human serum albumin) 1g을 MES완충액(10 mM, pH 5.0) 100 ml에 녹이고 카페인산 137 mg을 첨가하였다. 여기에 EDC 14.4 mg을 첨가하고 반응혼합물의 pH를 4 내지 6으로 유지하며 2 시간 반응시켰다. 반응이 종결된 용액을 dialysis tube (MWCO: 5,000)를 사용하여 증류수에 대하여 투석 하였다. 투석 3일후 정제된 용액을 회수하고 -70℃ 냉장고에 얼린 후 진공 건조하여 알부민-카테콜 접합체를 얻었다.

실시예 2. 카테콜 치환도 분석

수소자기공명장치(¹H NMR) 또는 비색법(colorimetry)으로 카테콜 치환도 (degree of substitution, DS)를 계산하였다(표 1). 비색법은 카테콜 분자의 산화에 따른 흡광도의 변화를 측정하는 방법으로 카테콜 접합체 고분자 수용액에 아질산염시약(nitrite reagent; 1.45 M sodium nitrite, 0.41 M sodium molybdate dihydrate)를 첨가한 후 과량의 수산화나트륨을 첨가하여 500 nm에서 흡광도를 측정하였다. 이때 도파민을 사용하여 검량선을 완성하고 최종 접합된 카테콜을 정량하였다.

	PAA	PVA	Chitosan	Heparin	Hyaluronic acid	Albumin
DS	14.3%	9.57%	17.5%	15.6%	10.7%	12.1%

실시예 3. 하이드로겔 코팅

실시예 3-1. PAA 하이드로겔 코팅

목적하는 기판(1 cm × 1 cm)에 PAA-카테콜 접합체 하이드로겔 코팅을 위하여, 먼저 기판을 증류수, 이소프로필, 에탄올로 각각 10분씩 초음파 처리하여 클리닝하였다. PAA-카테콜 접합체 고분자를 10wt%의 농도로 MOPS완충액(20 mM, pH 8.0)에 녹이고 헥사메틸렌다이아민 5wt%로 첨가하여 코팅용액을 완성하였다. 여기에 기판을 침지한 후 꺼내어 코팅액을 가볍게 털어낸 후 습도 80% 이상의 70℃ 오븐에 수직으로 세워 25분 동안 반건조시키고 꺼내어 증류수 세척을 수행하였다. 다시 오븐에 넣어 반건조시키고 이 과정을 원하는 두께의 하이드로겔 코팅을 얻을 때까지 반복하였다.

실시예 3-2. 헤파린 하이드로겔 코팅

목적하는 기판(1 cm × 1 cm)에 헤파린-카테콜 접합체 하이드로겔 코팅을 위하여, 먼저 기판을 증류수, 이소프로필, 에탄올로 각각 10분씩 초음파 처리하여 클리닝하였다. 헤파린-카테콜 접합체 고분자를 5wt%의 농도로 트리스완충액(10 mM, pH 8.5)에 녹여 코팅용액을 완성하고 여기에 기판을 침지한 후 꺼내어 코팅액을 가볍게 털어낸 후 습도 80% 이상의 65℃ 오븐에 수직으로 세워 20분 동안 반건조시키고 꺼내어 증류수 세척을 수행하였다. 다시 오븐에 넣어 반건조시키고 이 과정을 원하는 두께의 하이드로겔 코팅을 얻을 때까지 반복하였다.

실시예 3-3. 히알루론산 하이드로겔 코팅

목적하는 기판(1 cm × 1 cm)에 히알루론산-카테콜 접합체 하이드로겔 코팅을 위하여, 먼저 기판을 증류수, 이소프로필, 에탄올로 각각 10분씩 초음파 처리하여 클리닝하였다. 히알루론산-카테콜 접합체 고분자를 5wt%의 농도로 나트륨 과요요드산 용액(10 mM NaIO₄, 10 mM HEPES, 150 mM NaCl, pH 7.4)에 녹여 코팅용액을 완성하였다. 여기에 기판을 침지한 후 습도 80% 이상의 80℃ 오븐에 2시간 동안 넣어 두어 초벌코팅을 완성하였다. 증류수로 세척 후 다시 코팅용액에 침지 하고 코팅액을 가볍게 털어낸 후 오븐에 수직으로 세워 20분 동안 반건조시키고 꺼내어 증류수 세척을 수행하였다. 이 과정을 원하는 두께의 하이드로겔 코팅을 얻을 때까지 반복하였다.

실시예 3-4. 알부민 하이드로겔 코팅

목적하는 기판(1 cm × 1 cm)에 알부민-카테콜 접합체 하이드로겔 코팅을 위하여, 먼저 기판을 증류수, 이소프로필, 에탄올로 각각 10분씩 초음파 처리하여 클리닝하였다. 알부민-카테콜 접합체 고분자를 4wt%의 농도로 디메틸설폭사이드에 녹이고 에틸렌다이아민 3wt% 첨가하여 코팅용액을 완성하였다. 코팅용액에 기판을 침지한 채 100℃ 오븐에 2시간 동안 넣어 두어 초벌코팅을 완성하였다. 증류수로 세척 후 다시 코팅용액에 침지 하고 코팅액을 가볍게 털어낸 후 80℃ 오븐에 수직으로 세워 20분 동안 반건조시키고 꺼내어 증류수 세척을 수행하였다. 이 과정을 원하는 두께의 하이드로겔 코팅을 얻을 때까지 반복하였다.

실시예 4. 제조된 하이드로겔의 특성

실시예 4-1. 코팅된 하이드로겔 표면 분석

상기 코팅 방법으로 산화티타늄 표면에 PAA, 헤파린, 히알루론산, 알부민 카테콜 접합체를 사용하여 하이드로겔 코팅을 완성하였다. 20회의 반복 적층 후 SEM으로 단면의 이미지를 확인하였고(도 3), 적층 단계별로 ellipsometry로 각 적층 시 두께의 변화를 관찰하였다(도 4). 20회 적층 후 PAA, 헤파린, 히알루론산, 알부민 하이드로겔의 두께는 각각 평균 453 nm, 539 nm, 844 nm, 1248 nm를 보였다. 상기 코팅 방법으로 헤파린, 히알루론산, 알부민 카테콜 접합체를 사용하여 폴리다이메틸실록산(PDMS), 테플론(Teflon), 산화티타늄(titanium oxide), 코발트-크롬합금(L605 alloy)에 코팅한 후 ATR-FTIR 분광법(Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectroscopy)을 사용하여 적층된 성분을 확인하였다(도 5). 각 성분에 대하여 다양한 종류의 표면에 하이드로겔 코팅이 성공적으로 이루어 졌음을 확인할 수 있었다.

실시예 4-2. 다성분 하이드로겔 코팅

헤파린과 알부민 카테콜 접합체에 형광염료인 rhodamine B amine과 FITC를 표지시킨 후 상기 코팅방법을 사용하여 스텐리스 스틸 표면에 차례로 두 가지 성분 하이드로겔 코팅을 완성하였다. 먼저 상기 코팅방법을 통하여 알부민 코팅을 완성한 후 코팅된 스텐리스 스틸 기판을 헤파린 용액에 침지하여 2시간 반응시켜 두 성분의 접점을 강화시켰다. 이어 상기 코팅방법으로 헤파린 코팅을 수행하여 알부민/헤파린 다성분 하이드로겔 코팅을 완성하였다. 코팅을 공초점 현미경(confocal microscopy)으로 관찰하여 두 성분이 섞이지 않고 명확히 분리되어 적층됨을 확인할 수 있었다(도 6).

실시예 4-3. 코팅된 하이드로겔 팽윤 특성 확인

헤파린, 히알루론산, 알부민 카테콜 접합체에 형광염료인 rhodamine B amine과 FITC를 접합시킨 후 상기 코팅방법을 사용하여 스텐리스 스틸 표면에 각각의 하이드로겔 코팅을 완성하였다. 코팅된 기판의 건조상태와 인산완충식염수에 1시간 동안 침지시킨 후의 상태를 공초점 현미경(confocal microscopy)를 사용하여 비교하였다(도 7). 표면 코팅은 물을 흡수하여 헤파린, 히알루론산, 알부민 층의 두께가 각기 1.75배, 2.07배, 1.32배 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. 이는 표면 코팅 층이 하이드로겔의 팽윤 특성을 유지함을 증명하는 것이다.

실시예 4-4. 코팅된 하이드로겔 안정성 확인

형광염료인 FITC로 표지된 알부민-카테콜 접합체를 사용하여 상기코팅 방법으로 스텐리스 스틸 표면에 하이드로겔 층을 완성한 후 인산완충식염수에 침지하여 37℃ 5% CO₂ 배양기에 20일 까지 보관하며 코팅의 상태를 실시간 형광 이미징을 통하여 관찰하였다(도 8). 형광의 강도와 균일성을 판단하여 코팅된 하이드로겔 층은 상당히 안정적으로 코팅을 유지함을 확인할 수 있었다. 하지만 PAA 중의 카테콜 치환도가 10% 미만의 경우 상기와 같은 안정성은 없는 것으로 관찰되었다.

지금까지 예시적인 실시 태양을 참조하여 본 발명을 기술하여 왔지만, 본 발명의 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명의 범주를 벗어나지 않고서도 다양한 변화를 실시할 수 있으며 그의 요소들을 등가물로 대체할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 본질적인 범주를 벗어나지 않고서도 많은 변형을 실시하여 특정 상황 및 재료를 본 발명의 교시내용에 채용할 수 있다. 따라서, 본 발명이 본 발명을 실시하는데 계획된 최상의 양식으로서 개시된 특정 실시 태양으로 국한되는 것이 아니며, 본 발명이 첨부된 특허청구의 범위에 속하는 모든 실시 태양을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (27)

1. (a) 친수성 고분자에 카테콜기를 접합시키는 단계;
   (b) 상기 (a) 단계의 고분자-카테콜 접합체를 용해시켜서 코팅제를 제조하는 단계; 및
   (c) 상기 (b) 단계의 코팅제를 기판에 적층시켜 하이드로겔을 형성시키는 단계를 포함하는 표면 하이드로겔 코팅 방법으로,
   상기 (c) 단계의 기판은 폴리우레탄(polyurethane), 폴리다이메틸실록산(PDMS), 테플론(Teflon), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 실리콘(silicone), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride), 폴리카보네이트(polycarbonate), 생분해성 지방족 폴리에스테르계 고분자, 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite), 인산칼슘(calcium phosphate), 산화알루미늄(aluminum oxide), 산화티타늄(titanium oxide), 산화실리콘(silicon oxide), 산화철(iron oxide), 유리(glass), 석영(quartz), 금(gold), 백금(platinum), 텅스텐(tungsten), 은(silver), 구리(copper), 스텐리스 스틸(stainless steel), 코발트-크롬합금(cobalt-chromium alloy) 또는 니티놀(nitinol)인 것을 특징으로 하는 표면 하이드로겔 코팅 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 친수성 고분자는 곁가지로 일차아민기를 포함하는 폴리에틸렌이민(polyethylenimine), 폴리아릴아민(polyallylamine), 폴리프로필렌이민(polypropylenimine), 폴리아미도아민(polyamidoamine), 폴리비닐아민(polyvinylamines), 곁가지로 카르복시기를 포함하는 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 카보폴(Carbopol), 폴리이타콘산(polyitaconic acid), 곁가지로 하이드록시기를 포함하는 폴리비닐알코올(polyvinylalcohol), 히알루론산(hyaluronic acid), 알긴산(alginate), 헤파린(heparin), 황산화 헤파란(heparan sulfate), 황산콘트로이친(chondroitin sulfate), 후코이단(fucoidan), 녹말(starch), 셀룰로스(cellulose), 덱스트란(dextran), 키토산(chitosan), 폴리라이신(polylysine), 히루딘(hirudin), 삭사틸린(saxatilin), 알부민(albumin), 콜라겐(collagen), 젤라틴(gelatin) 또는 피브린(fibrin)인 것을 특징으로 하는 표면 하이드로겔 코팅 방법.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 친수성 고분자의 평균 분자량은 1,000 ~ 1,000,000 범위인 것을 특징으로 하는 표면 하이드로겔 코팅 방법.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 카테콜기는 도파(dopa), 도파민(dopamine), 노르에피네프린(norepinephrine), 리토스퍼믹에시드(lithospermic acid), 카페인산(caffeic acid), 로즈마리산(rosmarinic acid), 살비아놀산(salvianolic acid) 또는 갈산(gallic acid) 인 것을 특징으로 하는 표면 하이드로겔 코팅 방법.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 (a) 단계는 아민기와 카르복시기의 접합에 의한 아마이드 결합(amide bond)이 생성되는 반응 또는 하이드록시기와 아민기의 접합에 의해 카바메이트 결합(carbamate bond)이 생성되는 반응인 것을 특징으로 하는 표면 하이드로겔 코팅 방법.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 고분자-카테콜 접합체의 카테콜 치환도는 5% 내지 50%인 것을 특징으로 하는 표면 하이드로겔 코팅 방법.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 고분자-카테콜 접합체의 카테콜 치환도는 10% 내지 30%인 것을 특징으로 하는 표면 하이드로겔 코팅 방법.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 (b) 단계는 트리스완충액 (Tris buffer), 인산완충식염수(phosphate buffered saline), 헤페스완충액(HEPES buffer), MOPS 완충액(MOPS buffer), 비신완충액(bicine buffer), 트리신완충액(tricine buffer) 또는 TES 완충액(TES buffer)인 염기성 완충액을 사용하는 것을 특징으로 하는 표면 하이드로겔 코팅 방법.
9. 제 8항에 있어서,
   상기 염기성 완충액의 pH는 7.5내지 8.5인 것을 특징으로 하는 표면 하이드로겔 코팅 방법.
10. 제 1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 디메틸설폭사이드(dimethylsulfoxide, DMSO), 다이메틸폼아마이드(dimethylformamide, DMF), 아세톤(acetone), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol) 또는 이소프로필알코올(isopropyl alcohol)인 유기용매를 사용하는 것을 특징으로 하는 표면 하이드로겔 코팅 방법.
11. 제 1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 헥사메틸렌다이아민(hexamethylenediamine), 에틸렌다이아민(ethylenediamine), 나트륨 과요요드산(sodium periodate), 과산화수소(hydrogen peroxide), 타이로시나아제(tyrosinase) 또는 겨자무과산화효소(horseradish peroxidase)를 추가로 사용하는 것을 특징으로 하는 표면 하이드로겔 코팅 방법.
12. 제 1항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 고분자-카테콜 접합체의 용해 농도는 0.1wt% 내지 50wt%인 것을 특징으로 하는 표면 하이드로겔 코팅 방법.
13. 제 1항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 코팅제 점성도는 역학점도(dynamic viscosity)로 100 cP 내지 100,000 cP인 것을 특징으로 하는 표면 하이드로겔 코팅 방법.
14. 삭제
15. 제 1항에 있어서,
    상기 (c) 단계의 적층은 침지단계, 반건조단계 및 세척단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 표면 하이드로겔 코팅 방법.
16. (a) 서로 다른 2 이상의 친수성 고분자에 카테콜기를 접합시키는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계의 서로 다른 2 이상의 고분자-카테콜 접합체를 용해시켜서 코팅제를 제조하는 단계; 및
    (c) 상기 (b) 단계의 서로 다른 2 이상의 코팅제를 기판에 적층시켜 하이드로겔을 형성시키는 단계를 포함하는 표면 하이드로겔 코팅 방법으로,
    상기 (c) 단계의 기판은 폴리우레탄(polyurethane), 폴리다이메틸실록산(PDMS), 테플론(Teflon), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 실리콘(silicone), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride), 폴리카보네이트(polycarbonate), 생분해성 지방족 폴리에스테르계 고분자, 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite), 인산칼슘(calcium phosphate), 산화알루미늄(aluminum oxide), 산화티타늄(titanium oxide), 산화실리콘(silicon oxide), 산화철(iron oxide), 유리(glass), 석영(quartz), 금(gold), 백금(platinum), 텅스텐(tungsten), 은(silver), 구리(copper), 스텐리스 스틸(stainless steel), 코발트-크롬합금(cobalt-chromium alloy) 또는 니티놀(nitinol)인 것을 특징으로 하는 표면 하이드로겔 코팅 방법.
17. 삭제
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