Fabrication of Polyphenol-Fe^(3)+ Hybrid Nanocoatings and their Applications

Abstract

나노코팅을 이용한 표면 개질은 다양한 물질 표면 성질을 제어할 뿐 아니라, 적용 목적에 따라 원하는 기능을 쉽게 부여할 수 있어 유용하게 사용되어 왔다. 하지만, 소재마다 표면의 화학적 성질이 다르기 때문에, 대다수의 코팅은 화학적 상호작용이 가능한 물질로 제한되며 낮은 상호작용으로 인한 일시적인 결합은 쉽게 탈락될 수 있다는 한계점이 있다. 이에 따라, 재료의 표면 성질에 무관하고 부착 능력이 우수한 나노코팅이 필요하다. 천연 폴리페놀인 탄닌산은 다량의 갈로일기를 함유하며, 이는 다양한 비공유성 및 공유성 상호작용이 가능하여 우수한 접착 능력을 갖는다. 또한 탄닌산은 3가 철 이온과 빠르게 배위 결합을 이루며 재료의 크기, 형태, 성질과 상관없이 재료 표면에 나노코팅층을 형성한다. 탄닌산-철 이온 나노코팅은 항균성, 친수성과 같은 표면 성질을 제어할 뿐 아니라 생체분자, 고분자 등 기능성 물질을 다양한 표면에 고정시키는 플랫폼으로서 적용된다. 더욱이 탄닌산-철 이온 나노코팅은 스프레이 코팅법을 이용하여 대면적의 물질에 적용할 수 있어 산업적 응용가치가 높다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고, 산 처리와 같은 물리화학적 자극에 대한 낮은 안정성과 생체적합성 측면에서 탄닌산-철 이온 나노코팅은 여전히 산업적 응용으로의 한계를 가지므로 이를 개선해야 할 필요가 있다. 본 논문에서는, 첫 번째로 탄닌산-철 이온 나노코팅을 기반으로 실리카를 형성한 유무기 하이브리드 나노코팅을 개발하여 물리화학적 자극에 대한 내구성을 향상시켰다. 실리카 하이브리드 코팅은 탄닌산-철 이온에 대한 분해 요소인 산과 과산화수소 뿐만 아니라 빠른 온도 변화, 열 처리, 기름 오염 등 물리화학적 자극에도 높은 내구성을 보였다. 또한 실리카 하이브리드 코팅은 초친수성 표면 성질을 나타내어 우수한 김 서림 방지 효과를 보였으며 안전고글 등 다양한 소재에 적용되었다. 두 번째로 생체 활성 물질인 난각막을 수용화한 후 탄닌산-철 이온 나노코팅에 결합시킴으로써 높은 생체적합성을 갖는 하이브리드 나노코팅을 개발하였다. 난각막 수용화물 하이브리드 나노코팅은 다양한 pH 범위에서 안정성을 보였다. 또한 표면에 노출된 난각막 수용화물은 동물세포인 HeLa 세포에 대한 높은 생존도와 부착성을 부여하였고, 이는 세포 기반 기술분야로의 높은 적용 가능성을 입증하였다.;Surface modification by nanocoating has been widely used to control the surface properties of material and to introduce the desired functionality according to the application purpose. However, several coating methods are limited to materials capable of chemical interaction with substrates because the chemical properties of the surfaces are different depending on materials. In addition, a temporary adhesion by low interaction can be easily eliminated. As a result, nanocoating with strong adhesion ability regardless of the surface properties of materials is required. Tannic acid (TA), a natural polyphenolic compound, consists with five galloyl groups which provide various covalent and non-covalent interactions to allow great adhesion. In addition, TA forms rapidly coordination bonds with iron ion (Fe3+), resulting the formation of nanocoating regardless of shapes or properties of the materials. TA-Fe3+ nanocoating can control the surface properties such as antibacterial and hydrophilicity, and also apply as a platform which immobilizes functional materials such as biomolecules and polymers to various substrates. Moreover, it can be applied to large area using a spray coating method, so having potential values of industrial applications. Despite of these advantages, in terms of low stability against physicochemical stimuli (e.g., acid treatment) and biocompatibility, TA-Fe3+ nanocoating has still limitations to industrial applications and needs to be improved. In this study, first, I developed organic-inorganic hybrid nanocoating by forming silica (SiO2) layers with TA-Fe3+ nanofilm, enhancing the physicochemical durability. The silica hybrid nanofilm showed significant durability against multiple deteriorative factors such as pH 2, sodium percarbonate as well as physicochemical stimuli such as rapid temperature changes, heat treatment, and oil contamination. In addition, the silica hybrid nanofilm showed great antifog effect by superhydrophilicity (water contact angle less than 5°) and was applied to diverse substrates including PET films, side view mirror, and safety goggles. Second, I developed hybrid nanocoating with high cytocompatibility by anchoring eggshell membrane hydrolysates (ESMH) on the TA-Fe3+ nanofilm. The ESMH was prepared by an enzymatic solubilization process of eggshell membrane (ESM). The ESMH hybrid nanocoating showed stability within various pH ranges, which was investigated at pH 2, 7.4, and 9.4. Furthermore, the exposed ESMH layers served as biocompatible environment for high viability and attachability to HeLa cells. These results demonstrated to be potential to cell-based technological applications.