KR20110134790A - Substrate having modified surface for cell adhesion and method for preparing the same - Google Patents

Substrate having modified surface for cell adhesion and method for preparing the same Download PDF

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KR20110134790A
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이해신
구숙희
유정기
홍선기
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한국과학기술원
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Abstract

PURPOSE: A substrate for cell adhesion having modified surface and a manufacturing method thereof are provided to improve cell adhesion about an artificial scaffold for tissue regeneration. CONSTITUTION: A substrate for cell adhesion having modified surface is selected from a group consisting of: an inorganic substance including glass, titanium, silicon, aluminum, gold, and the like; a polymer and poiycaprolactone including polydimethylsiloxane, polystyrene, polymethyl methacrylate, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polyurethane, cellulose, silicon rubber, and the like; and polymer nanofiber including Poly(L-lactic acid), poly(lactic-glycol acid), poly(vinylidene fluoride), polyacrylic acid, and the like.

Description

표면 개질된 세포부착용 기질 및 그 제조방법{Substrate Having Modified Surface for Cell Adhesion and Method for Preparing the Same}Substrate Having Modified Surface for Cell Adhesion and Method for Preparing the Same}

본 발명은 카테콜을 이용하여 표면 개질된 세포부착용 기질 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 세포부착용 기질을 카테콜 작용기를 함유하는 물질로 처리하여 표면을 개질시킴으로써 세포부착력을 향상시키는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a surface-adhered cell adhesion substrate using catechol and a method for producing the same. More specifically, a method for improving cell adhesion by treating a cell adhesion substrate with a substance containing a catechol functional group to modify the surface thereof. It is about.

생체조직의 대체품을 만들어 신체에 이식하여 신체의 결손 부위를 복원하는 것을 목적으로 하는 조직공학은 미래의 생명공학과 의과학을 선도해 나갈 신기술의 하나로서 큰 주목의 대상이 되고 있다. 일반적으로 조직공학의 기본 요소에는 조직을 만드는 세포와 세포를 지지하여 성장시키는 생체 재료인 스캐폴드(scaffold) 및 인체와 유사한 환경을 제공하는 성장인자나 기계적 자극 등이 있다. Tissue engineering aimed at restoring the defects of the body by making replacements of biological tissues and implanting them into the body is one of the new technologies that will lead the future of biotechnology and medical science. In general, basic elements of tissue engineering include scaffolds, which are tissues for making tissues, biomaterials that support and grow cells, and growth factors or mechanical stimuli that provide a human-like environment.

조직공학에서 생체조직을 재구축할 경우 생체 세포의 스캐폴드 기반재료는 생체세포의 기능 제어와 조직 형성 유도에 아주 중요한 역할을 한다. 스캐폴드의 표면 특성은 세포의 성장, 이동, 분화, 사멸 등에 중요한 역할을 하기 때문에 기반재료는 생체에 해가 없는 생체친화성, 새로운 생체조직의 형성, 재료가 분해 흡수되는 생체흡수성, 고도의 기계적 강도 및 다공질성 등을 구비해야 한다(Wozniak MA et al., Biochim Biophys Acta, 103:12999, 2004; Bettinger CJ et al., Angew Chem Int Ed, 48:5406, 2009). 따라서 표면 특성을 조절하는 것은 세포-물질 상호작용에 있어서 매우 중요한 단계이다(Chen H et al., Prog Polym Sci, 33:1059, 2008; Stevens MM et al., Science, 310:1135, 2005). 일반적으로는 생체비활성(bioinert) 및 생체활성(bioactive) 표면으로 분류될 수 있다. 생체비활성 표면의 경우, 세포의 부착을 매개하는 단백질의 흡착이 적은 표면으로, 혈액 응고가 없어야 하는 혈액 접촉 물질 등에 사용될 수 있다. 생체활성 표면의 경우, 세포의 성장을 촉진시킬 수 있는 표면으로, 일반적으로는 생체분자(단백질, 펩타이드, 탄수화물 등)를 표면에 고정화시키거나 흡착시키는 방법으로 제조된다. 많은 경우, 세포외 기질 단백질(콜라겐, 피브로넥틴, 라미닌 등)이나 이로부터 유도된 펩타이드(RGD 등)를 고정화함으로써 제조된다. 하지만 이러한 단백질 고정화의 경우, 복잡한 화학 반응을 거쳐야 할 뿐만 아니라, 화학 반응을 유도하기 위해서는 사용 가능한 기질에도 제한이 있다. 따라서 유기 용매를 사용하지 않으면서도 간단하게, 그리고 그 기질에도 제약이 없는 코팅 방법의 개발이 시급하다.In tissue engineering, the scaffold-based material of living cells plays an important role in controlling the function of living cells and inducing tissue formation. The scaffold's surface properties play an important role in cell growth, migration, differentiation, and death, so that the base material is biocompatible without harm to the body, formation of new tissue, bioabsorption and decomposition of the material. Strength and porosity, etc. (Wozniak MA et al., Biochim Biophys Acta, 103: 12999, 2004; Bettinger CJ et al., Angew Chem Int Ed, 48: 5406, 2009). Therefore, controlling surface properties is a very important step in cell-material interactions (Chen H et al., Prog Polym Sci, 33: 1059, 2008; Stevens MM et al., Science, 310: 1135, 2005). In general, they can be classified into bioinert and bioactive surfaces. In the case of a bioinactive surface, it is a surface having less adsorption of a protein that mediates cell adhesion and can be used for a blood contact material which should not have blood coagulation. In the case of a bioactive surface, a surface capable of promoting cell growth is generally prepared by immobilizing or adsorbing a biomolecule (protein, peptide, carbohydrate, etc.) to the surface. In many cases, they are prepared by immobilizing extracellular matrix proteins (collagen, fibronectin, laminin, etc.) or peptides derived therefrom (RGD, etc.). However, such protein immobilization requires not only complicated chemical reactions, but also limitations on the substrates available for inducing chemical reactions. Therefore, there is an urgent need to develop a coating method that is simple and has no limitation on the substrate without using an organic solvent.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 많은 연구자들이 홍합 접착제에 관심을 가지고 있다. 홍합의 경우, 바위 등의 무기 물질 뿐 아니라 고분자와 같은 유기 물질 등 지구상에 존재하는 대부분의 물질에 부착이 가능하기 때문에 그 접착 물질을 이용하면 다양한 물질의 표면을 개질시킬 수 있다. 홍합 접착 단백질을 살펴보면, 도파(DOPA, 3,4-dihydroxy-L-phenylalanine)를 많이 포함하고 있는데, 도파의 카테콜 그룹이 접착력에 크게 기여하고 있는 것으로 알려져있다. To address this problem, many researchers are interested in mussel adhesives. Mussels can be attached to most materials on the earth, such as inorganic materials such as rocks, as well as organic materials such as polymers, so that the adhesive materials can be used to modify the surface of various materials. Looking at the mussel adhesive protein, it contains a lot of dopa (DOPA, 3,4-dihydroxy-L-phenylalanine), the catechol group of the dopa is known to contribute significantly to the adhesion.

카테콜이란 벤젠고리에 OH기가 두 개 달린 화학구조이기 때문에 내열성이 있으며, 유기 및 무기표면에 상관없이 여러 가지 재료의 표면에 분자수준에서 강하게 접착한다고 알려져 있다. 홍합류는 도파라고 불리는 카테콜성 아미노산을 만들어 암반과 해저 등 여러 표면에 강하게 접착할 수 있다고 알려져 있다. 또한 일본에서 오래 전부터 이용해 오던 옻은 접착제로서도 이용되어 왔으며, 주성분인 우루시올(urushiol) 또한 카테콜성 분자이다. 이와 같이 자연계에는 카테콜기의 접착성을 이용한 접착 메커니즘이 존재하고 있으며, 많은 연구자들이 그 접착 메커니즘을 모방한 천연물 유래의 강력한 접착제 제조에 관심을 가지고 있다.Catechol is heat-resistant because it has a chemical structure with two OH groups in its benzene ring, and is known to adhere strongly at the molecular level to the surface of various materials regardless of organic and inorganic surfaces. Mussels are known to make catechol amino acids called dopas and adhere strongly to various surfaces such as rocks and seabeds. In addition, lacquer, which has been used for a long time in Japan, has been used as an adhesive, and urushiol, which is a main ingredient, is also a catechol molecule. As such, there exists an adhesive mechanism using adhesive properties of catechol groups, and many researchers are interested in producing a strong adhesive derived from natural products that mimic the adhesive mechanism.

이에, 본 발명자들은 카테콜을 이용한 표면 개질 방법을 개발하고자 예의 노력한 결과, 기존의 생체고분자 고정화 방법에 비해 간단한 방식으로 소수성 표면을 포함하는 다양한 인공물질의 표면 성질을 친수성으로 변환시켜 각 물질에 대한 세포부착력을 향상시키고, 세포 독성 및 면역반응 등의 부작용이 없어 조직재생을 위한 인공스캐폴드에 세포 부착 및 세포칩 등을 포함하는 세포 기반 디바이스 제작을 위한 세포 부착에 적용 가능성이 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
Accordingly, the present inventors have made efforts to develop a surface modification method using catechol, and as a result, the surface properties of various artificial materials including hydrophobic surfaces are converted to hydrophilic properties in a simple manner, compared to conventional biopolymer immobilization methods. Enhances cell adhesion, there are no side effects such as cytotoxicity and immune response, confirms the possibility of application to cell attachment for fabrication of cell-based devices including cell attachment to artificial scaffolds for tissue regeneration and cell chips, The present invention has been completed.

본 발명의 목적은 유·무기 기질 및 3차원 나노구조체를 포함하는 다양한 기질에 적용가능한 카테콜을 이용한 세포부착용 기질의 표면 개질 방법을 제공하는데 있다. An object of the present invention is to provide a method for surface modification of a cell adhesion substrate using catechol applicable to various substrates including organic and inorganic substrates and three-dimensional nanostructures.

본 발명의 다른 목적은, 상기 방법으로 제조된 표면 개질된 세포부착용 기질을 제공하는데 있다.
Another object of the present invention is to provide a substrate for surface modification cell adhesion prepared by the above method.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 세포부착용 기질을 카테콜 작용기를 함유하는 물질로 처리하여 세포부착용 기질의 표면을 개질시키는 것을 특징으로 하는 세포부착용 기질의 표면 개질 방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a method for surface modification of a substrate for cell adhesion, characterized in that the substrate for cell adhesion is modified by treating the substrate for cell attachment with a substance containing a catechol functional group.

본 발명은 또한, 상기 방법에 의해 그 표면이 카테콜기로 개질된 것을 특징으로 하는 표면 개질된 세포부착용 기질을 제공한다.The present invention also provides a surface-modified cell adhesion substrate, wherein the surface is modified by a catechol group by the above method.

본 발명은 또한, 상기 세포부착용 기질 위에 세포를 배양하는 것을 특징으로 하는 세포의 패터닝 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for patterning cells, wherein the cells are cultured on the cell adhesion substrate.

본 발명은 또한, 상기 세포부착용 기질 위에 세포를 배양하는 것을 특징으로 하는 세포의 부착 방법을 제공한다.
The present invention also provides a method for attaching cells, wherein the cells are cultured on the cell adhesion substrate.

본 발명에 따른 세포부착용 기질의 표면 개질 방법은, 기질의 제약이 없고 유기용매를 사용하지 않아, 세포 독성 및 면역반응 등의 부작용이 없어, 조직재생을 위한 인공 스캐폴드에 대한 세포부착력 향상 및 세포 기반 디바이스를 제작하는 데에 유용하다.
The surface modification method of the cell adhesion substrate according to the present invention is free from the limitations of the substrate and does not use an organic solvent, there are no side effects such as cytotoxicity and immune response, thereby improving cell adhesion to cells and artificial scaffolds for tissue regeneration. It is useful for building foundation devices.

도 1은 홍합유래 접착 물질인 폴리도파민을 이용하여 세포부착력을 향상시키는 방법에 대한 모식도이다.
도 2는 다양한 고분자 기질에 형성된 폴리도파민 필름을 확인하는 라만분광학 결과 및 물접촉각 측정 결과이다.
도 3은 폴리도파민 코팅 고분자 기질 위에서 배양된 MC3T3-E1 세포 형태 및 세포골격 염색 결과이다.
도 4는 폴리도파민을 처리하지 않은 고분자 기질과 비교된 폴리도파민 코팅 고분자 기질 위에서 배양된 MC3T3-E1의 세포생존력 결과이다.
도 5는 전기방사를 통해 제조된 폴리카프로락톤 나노섬유 기질의 주사전자 현미경 사진, 라만분광학 결과 및 물접촉각 측정 결과이다.
도 6은 폴리도파민 코팅 나노섬유 기질 위에서 배양된 HUVEC 세포 형태 및 세포골격 염색 결과이다.
도 7은 폴리도파민 코팅 고분자 기질 위에서 배양된 HUVEC 세포골격 염색 결과이다.
도 8은 폴리도파민을 처리하지 않은 나노섬유 기질과 비교된 폴리도파민 코팅 나노섬유 기질 위에서 배양된 HUVEC의 미토콘드리아 활성 결과이다.
도 9는 폴리도파민을 처리하지 않은 기질과 비교된 폴리도파민 코팅 기질 위에서 배양된 HUVEC의 미토콘드리아 활성 결과이다.
도 10은 미세유체소자를 이용하여 폴리도파민 미세패턴을 형성시키는 방법에 대한 모식도이다.
도 11은 폴리도파민 미세패턴의 광학현미경 사진 및 라만분광학 결과이다.
도 12는 폴리도파민 미세패턴 위에서 배양된 HT1080 세포의 세포골격 및 핵 염색 결과이다.
1 is a schematic diagram of a method for improving cell adhesion by using polydopamine, a mussel-derived adhesive material.
FIG. 2 shows Raman spectroscopy results and water contact angle measurement results confirming polydopamine films formed on various polymer substrates. FIG.
3 shows MC3T3-E1 cell morphology and cytoskeleton staining results cultured on a polydopamine coated polymer substrate.
FIG. 4 shows cell viability results of MC3T3-E1 cultured on polydopamine coated polymer substrates compared to non-polydopamine treated polymer substrates.
5 is a scanning electron micrograph, Raman spectroscopy results and water contact angle measurement results of the polycaprolactone nanofiber substrate prepared by electrospinning.
6 shows HUVEC cell morphology and cytoskeleton staining results cultured on polydopamine coated nanofiber substrates.
Figure 7 shows the results of HUVEC cytoskeleton staining cultured on a polydopamine coated polymer substrate.
FIG. 8 shows the mitochondrial activity of HUVECs cultured on polydopamine coated nanofiber substrates compared to non-polydopamine treated nanofiber substrates.
FIG. 9 shows the results of mitochondrial activity of HUVECs cultured on polydopamine coated substrates compared to non-polydopamine treated substrates.
10 is a schematic diagram of a method for forming a polydopamine fine pattern using a microfluidic device.
FIG. 11 shows optical micrographs and Raman spectroscopy results of polydopamine fine patterns.
12 shows cytoskeletal and nuclear staining results of HT1080 cells cultured on polydopamine micropatterns.

본 발명은 일 관점에서, 카테콜을 이용한 세포부착용 기질의 표면 개질 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for surface modification of a cell adhesion substrate using catechol in one aspect.

보다 구체적으로, 본 발명에 따른 세포부착용 기질의 표면 개질 방법은 세포부착용 기질에 카테콜 작용기를 함유하는 물질로 처리하여 세포부착용 기질의 표면 성질을 친수성으로 변환시키는 것을 특징으로 할 수 있다. More specifically, the surface modification method of the cell adhesion substrate according to the present invention may be characterized by converting the surface property of the cell adhesion substrate to hydrophilic by treating with a substance containing a catechol functional group in the cell adhesion substrate.

상기 카테콜 작용기를 함유하는 물질은 도파민, 노어에피네프린, 도파 및 그 중합체로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 세포부착용 기질은 유리, 타이타늄, 규소, 알루미늄 및 금 등을 포함하는 무기물질, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리스타이렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리에틸렌(PE), 폴리우레탄(PU), 셀룰로오스 및 실리콘 고무 등을 포함하는 고분자 및 폴리카프로락톤(PCL), 폴리락틱액시드(PLLA), 폴리(락틱-글리콜액시드)(PLGA), 폴리불화비닐리덴계 및 폴리아크릴산 등을 포함하는 고분자 나노섬유로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 한다.The material containing the catechol functional group may be selected from the group consisting of dopamine, norepinephrine, dopa, and polymers thereof, and the substrate for attaching the cell is inorganic including glass, titanium, silicon, aluminum, gold, and the like. Materials, polydimethylsiloxane (PDMS), polystyrene (PS), polymethylmethacrylate (PMMA), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene (PE), polyurethane (PU), cellulose and silicone rubber Selected from the group consisting of polymers and polymer nanofibers including polycaprolactone (PCL), polylactic acid (PLLA), poly (lactic-glycoside) (PLGA), polyvinylidene fluoride-based and polyacrylic acid It is characterized by.

본 발명에 있어서, 상기 세포부착용 기질은 조직공학용 지지체 또는 세포배양 용기 또는 세포 생착용 지지체인 것을 특징으로 한다. In the present invention, the cell adhesion substrate is characterized in that the support for tissue engineering or cell culture vessel or support for cell engraftment.

본 발명에 있어서, 도파민, 노어에피네프린, 도파 및 그 중합체의 중합 반응을 위한 인큐베이션 용액은 물, 염기 등을 모두 이용할 수 있으나, 바람직하게는 약염기를 띄는 완충용액일 수 있다. In the present invention, the incubation solution for the polymerization reaction of dopamine, norepinephrine, dopa, and polymers thereof may be water, a base, or the like, but may be a buffer solution having a weak base.

본 발명에 있어서, 단량체 용액의 농도, 인큐베이션 시간, 인큐베이션 온도 등과 같은 실험 조건의 조절을 통해 세포부착용 기질 위에 형성되는 카테콜을 함유하는 물질 필름의 두께를 조절할 수 있고, 표면 개질 과정은 벌크(bulk) 상태에서의 코팅 반응 및 미세유체소자를 이용한 마이크로(micro) 상태에서의 코팅 반응을 모두 포함한다.In the present invention, it is possible to adjust the thickness of the catechol-containing material film formed on the cell adhesion substrate by adjusting the experimental conditions such as the concentration of the monomer solution, the incubation time, the incubation temperature, the surface modification process is bulk It includes both the coating reaction in the) state and the coating reaction in the micro (micro) state using the microfluidic device.

본 발명은 다른 관점에서, 상기 방법에 의해 그 표면이 카테콜기로 개질된 것을 특징으로 하는 표면 개질된 세포부착용 기질에 관한 것이다.In another aspect, the present invention relates to a surface-modified cell adhesion substrate, wherein the surface is modified by a catechol group by the above method.

본 발명에 있어서, 상기 세포부착용 기질은 조직공학용 지지체, 세포배양 용기 또는 세포 생착용 지지체인 것을 특징으로 한다. In the present invention, the cell adhesion substrate is characterized in that the support for tissue engineering, cell culture vessel or support for cell engraftment.

본 발명은 또 다른 관점에서, 상기 세포부착용 기질 위에 세포를 배양하는 것을 특징으로 하는 세포의 부착 방법에 관한 것이다. In another aspect, the present invention relates to a method for attaching a cell, wherein the cell is cultured on the cell adhesion substrate.

본 발명에 있어서, 본 발명을 통해 부착력이 향상될 수 있는 세포의 종류로는 이미 확립되어 있는 세포주(cell line)뿐만 아니라 동물로부터 확보할 수 있는 줄기 세포(stem cell), 1차 세포(primary cell)를 포함하며, 동물의 종류 및 조직의 위치 등에 제한을 받지 않고, 세포 배지 및 배양 조건은 세포의 종류에 따라 결정된다. In the present invention, the types of cells that can improve adhesion through the present invention are not only cell lines already established, but also stem cells and primary cells that can be secured from animals. ), And is not limited to the type of animal and the location of the tissue, and the cell medium and culture conditions are determined according to the type of cells.

본 발명은 또 다른 관점에서, 카테콜 작용기를 함유하는 물질로 기질 표면이패턴상으로 개질되어 있는 것을 특징으로 하는 세포부착용 기질 및 상기 기질에 세포를 배양하는 것을 특징으로 하는 세포의 패터닝 방법에 관한 것이다. In still another aspect, the present invention relates to a cell adhesion substrate and a cell patterning method characterized by culturing cells on the substrate, wherein the substrate surface is modified in a pattern with a substance containing a catechol functional group. will be.

본 발명에서 카테콜 작용기를 패터닝하는 방법은 일 양태로, 세포부착용 기질에 카테콜 작용기를 함유하는 물질을 dot상으로 집적하여 개질하거나, 몰드나 미세유체소자를 이용하여 패턴상으로 개질할 수도 있다. 또한, 상기 방법으로 제조된 패턴 위에 세포를 배양하면 dot상으로 개질된 기질의 모양이나 몰드 모양과 동일하게 세포를 패터닝할 수 있다. In one embodiment, the method for patterning a catechol functional group may be modified by integrating a substance containing a catechol functional group on a cell attachment substrate in a dot shape or may be modified in a pattern using a mold or a microfluidic device. . In addition, when the cells are cultured on the pattern prepared by the above method, the cells can be patterned in the same manner as the shape of the substrate or the shape of the mold modified on the dot.

본 발명의 일 양태에서는, 폴리디메틸실록산 기질 위에 폴리디메틸실록산 몰드를 얹은 후, 도파민 용액을 주입하여 폴리도파민 미세패턴을 형성시키고, 상기 폴리도파민 미세패턴 위에 세포를 분주하여 배양함으로써, 폴리도파민 미세패턴 위에만 세포가 배양되는 것을 확인하였다 (도 10). In one aspect of the present invention, a polydimethylsiloxane mold is placed on a polydimethylsiloxane substrate, and then a dopamine solution is injected to form a polydopamine micropattern, and the cells are cultured by dispensing the cells on the polydopamine micropattern, thereby producing a polydopamine micropattern. It was confirmed that cells were cultured only in the stomach (FIG. 10).

상기와 같이 제조된 세포가 패터닝된 기질은 세포칩 등으로 유용하게 사용될 수 있다. The substrate prepared by patterning the cells as described above may be usefully used as a cell chip.

본 발명의 다른 양태에서는, 상기의 방법을 통하여 세포부착용 기질을 카테콜 작용기를 함유하는 물질로 코팅한 후, 동물세포를 배양하여 그 부착력을 측정하였다. 코팅하지 않은 세포부착용 기질을 대조군으로, 코팅한 세포부착용 기질을 실험군으로 비교하여 부착력의 향상 정도를 확인한 결과, 소수성 고분자와 같이 세포 부착력이 좋지 않은 세포부착용 기질의 경우, 폴리도파민 코팅 후에 세포 부착력이 매우 향상되는 것을 확인하였다. In another embodiment of the present invention, the cell adhesion substrate was coated with a substance containing a catechol functional group by the above method, and then animal cells were cultured to measure adhesion. As a control, the uncoated cell adhesion substrate was used as a control group, and the coated cell adhesion substrate was compared to the experimental group. As a result, the adhesion of the cell adhesion substrate, such as hydrophobic polymer, was poor. It was confirmed that it is very improved.

본 발명의 또 다른 양태에서는, 폴리도파민 코팅 세포부착용 기질 위에서 배양된 세포에 대한 세포독성 평가 및 세포골격 염색 결과를 측정한 결과, 세포 생존력이 증가하였고, 세포 부착의 향상을 입증하는 부착된 세포의 수가 두드러지게 증가하는 것을 확인함으로써 폴리도파민 층이 세포부착력을 향상시킬 뿐만 아니라 세포에서 무독성 하다는 것을 확인하였다.
In another embodiment of the present invention, the cytotoxicity evaluation and cytoskeleton staining results of the cells cultured on the polydopamine-coated cell adhesion substrate, the cell viability was increased, and the adhesion of the cells to demonstrate the improvement of cell adhesion By confirming that the number increased significantly, the polydopamine layer was confirmed to be non-toxic in the cells as well as to improve cell adhesion.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these examples are for illustrative purposes only and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these examples.

고분자 기질에 대한 표면 개질 및 세포 부착력Surface Modification and Cell Adhesion to Polymer Substrates

(1) 고분자 기질의 폴리도파민 코팅(1) polydopamine coating of polymer substrate

폴리에틸렌(CS Hyde Company, IL, U.S.A.), 폴리테트라플루오르데틸렌(Hanmi Rubber&Plastics, Korea), 실리콘 고무(Hanmi Rubber&Plastics, Korea) 및 폴리디메틸실록산(Sylgard 184, Dow Corning, MI, U.S.A.) 기질을 1cm x 1cm 크기로 자른 후, 에탄올을 이용하여 그 표면을 세척하였다. 이후 각 기질을 2mg/ml의 농도의 도파민 용액(10mM Tris buffer, pH 8.5)에 담궈 25℃, 100rpm의 속도로 진탕하였다. 16시간이 지난 후 물로 세척한 다음, 질소기체를 이용하여 건조시켰다. 폴리도파민의 형성 여부를 확인하기 위하여 라만 분광기(Raman spectroscopy) LabRAM HR UV/Uis/NIR(Horiba Jobin Yvon, France) 및 물 접촉각 분석기(Surface Electro Optics Co., Korea)를 이용하여 물 접촉각의 변화를 확인하였다.1 cm x substrates of polyethylene (CS Hyde Company, IL, USA), polytetrafluorodecylene (Hanmi Rubber & Plastics, Korea), silicone rubber (Hanmi Rubber & Plastics, Korea) and polydimethylsiloxane (Sylgard 184, Dow Corning, MI, USA) After cutting to 1 cm in size, the surface was washed with ethanol. Each substrate was then immersed in a dopamine solution (10 mM Tris buffer, pH 8.5) at a concentration of 2 mg / ml and shaken at 25 ° C. and 100 rpm. After 16 hours, the mixture was washed with water and dried using nitrogen gas. To determine the formation of polydopamine, the Raman spectroscopy LabRAM HR UV / Uis / NIR (Horiba Jobin Yvon, France) and the Water Contact Angle Analyzer (Surface Electro Optics Co., Korea) Confirmed.

그 결과, 도 2에 나타난 바와 같이, 카테콜 그룹에 대응하는 1350nm와 1600nm의 피크의 형성 (도 2A) 및 90°이상이던 물 접촉각이 폴리도파민 형성 후 물 접촉각이 50~70°로 변화 (도 2B)하는 것을 확인하였다.
As a result, as shown in Figure 2, the formation of the peaks of 1350nm and 1600nm corresponding to the catechol group (Fig. 2A) and the water contact angle that was more than 90 ° changes the water contact angle to 50 ~ 70 ° after polydopamine formation (Fig. 2B).

(2) 폴리도파민 코팅 고분자 기질에 대한 세포부착력 평가(2) Evaluation of Cell Adhesion to Polydopamine Coated Polymer Substrate

상기 폴리도파민 코팅 고분자 기질을 70% 에탄올로 소독한 다음, 24 well plate에 넣은 후, 각 well 마다 MC3T3-E1(ATCC, CRL-2593)과 rat pheochromocytoma PC12를 각각 3x104개의 세포를 포함하는 1ml의 세포 배지를 분주하였다. MC3T3-El과 rat pheochromocytoma PC12는 각각 10% 혈청(FBS: Fetal Bovine Serum)과 1% 페니실린/스트렙토마이신 항생제(Invitrogen, CA, U.S.A.)를 포함하는 alpha-MEM(Welgene, Korea) 배지와 MEM(Welgene, Korea) 배지를 사용하여 48시간 동안 배양 후, calcein AM(L3224, Invitrogen, CA, U.S.A.)을 이용하여 세포질을 염색하거나, 세포골격 조직을 관찰하기 위해 rhodamine-phalloidin(invetrogen, CA, U.S.A)를 이용하여 액틴 필라멘트(actin filament)를 염색한 후, laser scanning confocal microscope(LSM510, Carl Zeiss, Germany)를 이용하여 세포 부착력의 향상을 확인하였다. After disinfecting the polydopamine-coated polymer substrate with 70% ethanol and placing it in a 24 well plate, each well of 1 ml of MC3T3-E1 (ATCC, CRL-2593) and rat pheochromocytoma PC12 containing 3x10 4 cells each Cell medium was aliquoted. MC3T3-El and rat pheochromocytoma PC12 were treated with alpha-MEM (Welgene, Korea) medium and 10% serum (Ftal Bovine Serum) and 1% penicillin / streptomycin antibiotic (Invitrogen, CA, USA), respectively. , Korea) cultured for 48 hours using medium, and then stained cytoplasm with calcein AM (L3224, Invitrogen, CA, USA), or rhodamine-phalloidin (invetrogen, CA, USA) to observe cytoskeletal tissue. After staining the actin filament (actin filament) using a laser scanning confocal microscope (LSM510, Carl Zeiss, Germany) was confirmed to improve the cell adhesion.

그 결과, 도 3에 나타난 바와 같이, 전체의 projected area은 평균적으로 약 14배로 증가했다. 이는 폴리도파민은 다양한 비습윤 기질 위에서도 효과적으로 세포의 부착력을 향상시키고, 세포골격의 발달을 가속화시킨다는 것을 나타낸다.
As a result, as shown in FIG. 3, the total projected area increased by about 14 times on average. This indicates that polydopamine effectively enhances cell adhesion and accelerates the development of the cytoskeleton, even on various non-wetting substrates.

(3) 폴리도파민 코팅 고분자 기질에 대한 세포독성 평가(3) Cytotoxicity Evaluation on Polydopamine Coated Polymer Substrate

폴리도파민 코팅 고분자 기질과 코팅되지 않은 고분자 기질의 세포 생존력을 확인하기 위해 MTT 분석을 이용하였다. MTT 분석을 위해 MC3T3-E1과 PC12는 각각 3x104개의 세포를 각 well마다 분주하고, 48시간 동안 배양한 후, 100㎕의 MTT 용액(5mg/ml in PBS, pH7.4;Sigma, MO, U.S.A.)을 각 well마다 첨가하고 37℃에서 3시간 동안 배양하였다. 배지를 제거하고, 생성된 purple formazan을 400㎕의 DMSO(dimethylsulfoxide)로 녹여서 Victor3 microplate reader(PerkinElmer Inc., MA, U.S.A.)를 이용하여 595nm 파장에서 흡광도를 측정하였다. MTT assay was used to confirm cell viability of the polydopamine coated polymer substrate and the uncoated polymer substrate. For MTT analysis, MC3T3-E1 and PC12 each dispensed 3 × 10 4 cells in each well, incubated for 48 hours, and then 100 μl of MTT solution (5 mg / ml in PBS, pH7.4; Sigma, MO, USA). ) Was added to each well and incubated at 37 ° C. for 3 hours. The medium was removed, and the resulting purple formazan was dissolved in 400 μl of DMSO (dimethylsulfoxide) to measure absorbance at 595 nm using a Victor3 microplate reader (PerkinElmer Inc., MA, USA).

그 결과, 도 4에 나타난 바와 같이, 폴리도파민 코팅 고분자 기질의 세포 생존력이 폴리도파민 코팅되지 않은 고분자 기질보다 높은 것을 확인하였다.
As a result, as shown in Figure 4, it was confirmed that the cell viability of the polydopamine-coated polymer substrate is higher than the polydopamine-coated polymer substrate.

고분자 나노섬유 기질에 대한 표면 개질 및 세포 부착력 향상Improve surface modification and cell adhesion to polymer nanofiber substrates

(1) 고분자 나노섬유 기질의 형성 및 폴리도파민 코팅(1) Formation of Polymer Nanofiber Substrate and Polydopamine Coating

폴리카프로락톤(PCL, Mn=80,000;Sigma-aldrich, MO, U.S.A.)을 10wt%로 클로로포름/DMF(2:1 v/v) 용액에 녹인 후, 전기방사 공정을 통하여 고분자 나노섬유 기질을 제작하였다. 전기방사 공정조건은 다음과 같다: 전압, 30kV; 용액 주입 속도 10μl/min; 니들 크기, 21G; 공정시간 90분. After dissolving polycaprolactone (PCL, Mn = 80,000; Sigma-aldrich, MO, USA) at 10wt% in chloroform / DMF (2: 1 v / v) solution, a polymer nanofiber substrate was prepared through an electrospinning process. . The electrospinning process conditions are as follows: voltage, 30 kV; Solution injection rate 10 μl / min; Needle size, 21G; Process time 90 minutes.

상기 과정을 통해 제작된 고분자 나노섬유 기질은 실시예 1과 같은 방법을 이용하여 폴리도파민으로 코팅하였다 (도 5a). 폴리도파민의 형성 여부를 확인하기 위하여 라만 분광기(Raman spectroscopy) LabRAM HR UV/Uis/NIR(Horiba Jobin Yvon, France) 및 물 접촉각 분석기(Surface Electro Optics Co., Korea)를 이용하여 물 접촉각의 변화를 확인하였다.The polymer nanofiber substrate prepared through the above process was coated with polydopamine using the same method as in Example 1 (FIG. 5A). To determine the formation of polydopamine, the Raman spectroscopy LabRAM HR UV / Uis / NIR (Horiba Jobin Yvon, France) and the Water Contact Angle Analyzer (Surface Electro Optics Co., Korea) Confirmed.

그 결과, 도 5에 나타난 바와 같이, 카테콜 그룹에 대응하는 1350nm와 1600nm의 피크 형성 및 90°이상이던 물 접촉각이 폴리도파민 형성 후 물 접촉각이 34°로 변화하는 것을 확인하였다.
As a result, as shown in FIG. 5, it was confirmed that the water contact angle of 1350 nm and 1600 nm corresponding to the catechol group and the water contact angle of 90 ° or more changed to 34 ° after polydopamine formation.

(2) 폴리도파민 코팅 나노섬유 기질에 대한 세포부착력 평가(2) Evaluation of Cell Adhesion to Polydopamine Coated Nanofiber Substrate

상기 폴리도파민 코팅 나노섬유 기질을 70% 에탄올로 소독한 다음, 24 well plate에 넣은 후, 각 well마다 HUVEC(human umbilical vein endothelial cells) 3x104개의 세포를 포함하는 1ml의 세포 배지를 분주하였다. 상기 세포 배지는 2% 혈청(FBS: Fetal Bovine Serum) 및 VEGF, bFGF 등의 성장인자를 포함하는 EBM-2 (Lonza, Switzerland)이다. 이틀 동안의 배양 후 대조군으로 세포 부착을 증가시키는 것으로 알려진 젤라틴 0.2wt% 용액을 이용하여 젤라틴 코팅 나노섬유 기질과 폴리도파민 코팅 나노섬유 기질을 비교분석하였다. The polydopamine-coated nanofiber substrate was sterilized with 70% ethanol, placed in a 24 well plate, and 1 ml of cell medium containing 3 × 10 4 cells of human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) was dispensed for each well. The cell medium is EBM-2 (Lonza, Switzerland) containing 2% serum (FBS: Fetal Bovine Serum) and growth factors such as VEGF, bFGF. After two days of culture, gelatin-coated nanofiber substrates and polydopamine-coated nanofiber substrates were compared using a gelatin 0.2wt% solution known to increase cell adhesion as a control.

그 결과, 도 6에 나타난 바와 같이, 세포의 부착 정도가 젤라틴에 비해 폴리도파민이 세포부착력을 향상시키는 효과가 더욱 큰 것으로 나타났다. 이러한 결과는 폴리디메틸실록산, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리에틸렌 및 실리콘 고무 기질에서도 같은 경향을 나타냈다 (도 7).
As a result, as shown in Figure 6, the degree of adhesion of the cells compared to gelatin, polydopamine was found to have a greater effect of improving the cell adhesion. These results showed the same trend for polydimethylsiloxane, polytetrafluoroethylene, polyethylene and silicone rubber substrates (FIG. 7).

(3) 폴리도파민 코팅 나노섬유 기질에 대한 세포독성 평가(3) Cytotoxicity Evaluation on Polydopamine-Coated Nanofiber Substrates

폴리도파민 코팅 나노섬유 기질과 젤라틴 코팅 나노섬유 기질의 세포 생존력을 비교하여 확인하기 위해 MTT 분석을 이용하여 각각의 HUVECs의 미토콘드리아 활성을 측정하였다. MTT 분석을 위해 HUVECs 3x104개의 세포를 각 well마다 분주하고 48시간 동안 배양한 후, 100㎕의 MTT 용액(5mg/ml in PBS, pH7.4;Sigma, MO, U.S.A.)을 각 well마다 첨가 하고 37℃에서 3시간 동안 배양하였다. 배지를 제거하고, 생성된 purple formazan을 400㎕의 DMSO(dimethylsulfoxide)로 녹여서 Victor3 microplate reader(PerkinElmer Inc., MA, U.S.A.)를 이용하여 595nm 파장에서 흡광도를 측정하였다.The mitochondrial activity of each HUVECs was measured using an MTT assay to confirm cell viability of the polydopamine coated nanofiber substrate and the gelatin coated nanofiber substrate. For MTT analysis, HUVECs 3 × 10 4 cells were dispensed in each well and incubated for 48 hours, and then 100 μl of MTT solution (5 mg / ml in PBS, pH7.4; Sigma, MO, USA) was added to each well. Incubated at 37 ° C. for 3 hours. The medium was removed, and the resulting purple formazan was dissolved in 400 μl of DMSO (dimethylsulfoxide) to measure absorbance at 595 nm using a Victor3 microplate reader (PerkinElmer Inc., MA, USA).

그 결과, 도 8에 나타난 바와 같이, 폴리도파민 코팅 나노섬유 기질은 젤라틴 코팅 나노섬유 기질보다 더 높은 세포 생존력을 나타내는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 폴리디메틸실록산, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리에틸렌 및 실리콘 고무 기질에서도 같은 경향을 나타냈다 (도 9).
As a result, as shown in Figure 8, it was confirmed that the polydopamine-coated nanofiber substrate shows higher cell viability than the gelatin-coated nanofiber substrate. This result showed the same trend in polydimethylsiloxane, polytetrafluoroethylene, polyethylene and silicone rubber substrates (FIG. 9).

미세유체소자를 이용한 표면 개질 및 세포 패터닝Surface Modification and Cell Patterning Using Microfluidic Devices

(1) 미세유체소자를 이용한 폴리도파민 패터닝(1) Polydopamine Patterning Using Microfluidic Devices

채널 크기 100μm, 채널간 간격 120μm인 폴리디메틸실록산 몰드를 폴리디메틸실록산 기질 위에 얹은 후, 도파민 용액(2mg/ml in 10mM Tris buffer, pH 8.5)을 24시간 동안 주입하였다 (도 10). A polydimethylsiloxane mold having a channel size of 100 μm and an interchannel spacing of 120 μm was placed on the polydimethylsiloxane substrate, and then dopamine solution (2 mg / ml in 10 mM Tris buffer, pH 8.5) was injected for 24 hours (FIG. 10).

그 결과, 도 11에 나타난 바와 같이, 광학현미경(A) 및 라만분광학(B)으로 폴리도파민 미세패턴의 형성을 확인할 수 있었다.
As a result, as shown in FIG. 11, the formation of the polydopamine fine pattern was confirmed by an optical microscope (A) and Raman spectroscopy (B).

(2) 폴리도파민이 패터닝된 기질을 이용한 동물세포 패터닝(2) Animal cell patterning using polydopamine-patterned substrate

상기 방법으로 제조된 폴리도파민 미세패턴 위에 HT1080(한국세포주은행, cat. no. 10121) 세포를 3x104개/ml의 농도로 3ml 분주하고, 4일 동안 배양 하였다.HT1080 (Korea Cell Line Bank, cat. No. 10121) cells were dispensed in 3 ml at a concentration of 3x10 4 / ml on the polydopamine micropattern prepared by the above method, and cultured for 4 days.

그 결과, 도 12에 나타난 바와 같이, 폴리도파민 미세패턴 위에만 세포가 배양되는 것을 확인할 수 있었다.
As a result, as shown in Figure 12, it was confirmed that the cells are cultured only on the polydopamine fine pattern.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다. 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, those skilled in the art will appreciate that such specific embodiments are merely preferred embodiments and that the scope of the present invention is not limited thereby. something to do. Thus, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents. Simple modifications and variations of the present invention can be readily used by those skilled in the art, and all such variations or modifications can be considered to be included within the scope of the present invention.

Claims (12)

세포부착용 기질을 카테콜 작용기를 함유하는 물질로 처리하여 그 표면을 개질시키는 것을 특징으로 하는 세포부착용 기질의 표면 개질 방법.
A method for surface modification of a cell adhesion substrate, characterized in that the surface is modified by treating the cell adhesion substrate with a substance containing a catechol functional group.
제1항에 있어서, 상기 카테콜 작용기를 함유하는 물질은 도파민, 노어에피네프린, 도파 및 그 중합체로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 세포부착용 기질의 표면 개질 방법.
The method of claim 1, wherein the material containing the catechol functional group is selected from the group consisting of dopamine, norepinephrine, dopa, and polymers thereof.
제1항에 있어서, 상기 세포부착용 기질은 무기물질, 고분자 및 고분자 나노섬유로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 세포부착용 기질의 표면 개질 방법.
The method of claim 1, wherein the cell adhesion substrate is selected from the group consisting of inorganic materials, polymers, and polymer nanofibers.
제3항에 있어서, 상기 무기물질은 유리, 타이타늄, 알루미늄, 규소 및 금으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 세포부착용 기질의 표면 개질 방법.
The method of claim 3, wherein the inorganic material is selected from the group consisting of glass, titanium, aluminum, silicon, and gold.
제3항에 있어서, 상기 고분자는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리스타이렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리에틸렌(PE), 폴리우레탄(PU), 셀룰로오스 및 실리콘 고무로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 세포부착용 기질의 표면 개질 방법.
The method of claim 3, wherein the polymer is polydimethylsiloxane (PDMS), polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene (PE), polyurethane (PU), cellulose And silicone rubber, wherein the surface modification method of the cell adhesion substrate is selected from the group consisting of.
제3항에 있어서, 상기 고분자 나노섬유는 폴리카프로락톤(PCL), 폴리락틱액시드(PLLA), 폴리(락틱-글리콜액시드)(PLGA), 폴리불화비닐리덴계 및 폴리아크릴산으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 세포부착용 기질의 표면 개질 방법.
According to claim 3, wherein the polymer nanofibers in the group consisting of polycaprolactone (PCL), polylactic acid (PLLA), poly (lactic-glycol acid) (PLGA), polyvinylidene fluoride-based and polyacrylic acid Surface modification method of the substrate for cell adhesion, characterized in that selected.
제1항에 있어서, 상기 세포부착용 기질은 조직공학용 지지체, 세포배양 용기 또는 세포 생착용 지지체인 것을 특징으로 하는 세포부착용 기질의 표면 개질 방법.
The method of claim 1, wherein the cell adhesion substrate is a tissue engineering support, a cell culture vessel, or a cell engraftment support.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법에 의해 그 표면이 카테콜기로 개질된 것을 특징으로 하는 표면 개질된 세포부착용 기질.
Surface-modified cell adhesion substrate, characterized in that the surface is modified by a catechol group by the method of any one of claims 1 to 7.
제8항에 있어서, 상기 세포부착용 기질은 조직공학용 지지체, 세포배양 용기 또는 세포 생착용 지지체인 것을 특징으로 하는 표면 개질된 세포부착용 기질.
The surface-adhered substrate for cell adhesion according to claim 8, wherein the substrate for cell adhesion is a support for tissue engineering, a cell culture vessel, or a support for cell engraftment.
제8항에 있어서, 그 표면이 패턴 형태로 개질되어 있는 것을 특징으로 하는 표면 개질된 세포부착용 기질.
The surface-modified substrate for cell adhesion according to claim 8, wherein the surface is modified in the form of a pattern.
제10항의 세포부착용 기질 위에 세포를 배양하는 것을 특징으로 하는 세포의 패터닝 방법.
A cell patterning method comprising culturing a cell on the cell adhesion substrate of claim 10.
제8항의 세포부착용 기질 위에 세포를 배양하는 것을 특징으로 하는 세포의 부착 방법.



A cell attachment method comprising culturing a cell on the cell adhesion substrate of claim 8.



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