Synthesis and Application of Nanocomposites Derived from Commercial Bacterial Cellulose = 상업적인 박테리얼 셀룰로오스를 활용한 나노 구조체의 합성 및 응용에 대한 연구

국문 초록 (Abstract)

박테리아 셀룰로오스(Bacterial Cellulose, BC)는 1차원 나노파이버 구조와 고도의 나노다공성을 특징으로 하며, 고순도의 셀룰로오스 함량, 높은 기계적 강도, 우수한 생체적합성 및 수분 보유 능력을 갖추고 있어 바이오의료 소재, 고분자 복합체, 에너지 저장소자 등 다양한 분야에서 활발히 활용되고 있다. 본 연구에서는 이러한 BC의 구조적·화학적 특성을 기반으로 하여, 식품으로 상용화된 박테리얼 셀룰로오스인 나타드코코를 소재로 선택하고, 이를 각각 광열 치료용 생체 소재 및 고체 고분자 전해질로 개발하였다. 첫 번째로, 주사가 가능한 형태의 BC를 제조하고 여기에 프러시안 블루 나노입자(Prussian Blue Nanoparticles)를 성장시켜 복합체를 합성하였다. 해당 복합체는 암세포 주변에 직접 주사 방법을 통하여 투입된 후 광열 치료에 적용되어 높은 치료 효과와 함께 기존 PB NP 대비 현저히 낮은 세포 독성과 우수한 생체 안정성을 나타내었다. 두 번째로, BC 표면에 실리카(SiO2)를 코팅하고 고분자 전해질인 PEO와 결합하여 복합 고체 고분자 전해질을 제작하였다. 이 복합 전해질은 기존 PEO 대비 향상된 기계적 강도, 열적 안정성 및 리튬 덴드라이트 억제 능력을 보였으며, 리튬 금속 전지에서 장기적인 사이클 수명과 우수한 전기화학적 성능을 확인하였다. 본 연구는 저비용·친환경적인 BC를 기반으로 하여, 고성능의 바이오 치료 소재 및 에너지 저장 소재로서의 활용 가능성을 제시한 데 의의가 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Bacterial Cellulose (BC) is characterized by its one-dimensional nanofibrous structure and highly interconnected nanoporous network. With high purity, excellent mechanical strength, superior biocompatibility, and notable water retention, BC has been widely utilized in biomedical materials, polymer composites, and energy storage systems. In this study, we used nata de coco, a form of Bacterial Cellulose commercially available as a food product, to develop functional nanocomposites for photothermal therapy and solid-state polymer electrolytes. First, BC was processed into an injectable form, and Prussian Blue nanoparticles (PB NPs) were synthesized on its surface to fabricate a nanocomposite. This composite was administered via peritumoral injection and applied in photothermal therapy, exhibiting high therapeutic efficacy with significantly reduced cytotoxicity and improved biostability compared to bare PB NPs. Second, the BC surface was coated with silica (SiO₂) and combined with polyethylene oxide (PEO) to construct a composite solid polymer electrolyte. This hybrid electrolyte showed enhanced mechanical strength, thermal stability, and effective suppression of lithium dendrite growth compared to pristine PEO, leading to long-term cycling stability and improved electrochemical performance in lithium metal batteries. Overall, this study presents a cost-effective and eco-friendly strategy for developing high-performance BC-based materials for biomedical and energy storage applications.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Introduction of Bacterial Cellulose 1
• 1.2. Applications of BC 8
• 1.2.1. Biomedical applications of BC 8
• 1.2.2. Electrochemical applications of BC 15
• 1.3. Bacterial Cellulose nanocomposite 17
• 1.4. Commercial product of BC 22
• 1.5. Characterization of BC derived from Nata de Coco. 26
• 1.6. Dissertation overview 34
• 1.7. References 36
• Chapter 2. Multifunctional Bacterial Cellulose-Based Nanocomposites for Biomedical and Energy Applications 42
• 2.1. Part Ⅰ. Injectable biocompatible nanocomposites of Prussian Blue nanoparticles and Bacterial Cellulose as a safe and effective photothermal cancer therapy 42
• 2.1.1. Motivation 42
• 2.1.2. Experimental 45
• 2.1.3. Result and discussion 52
• 2.1.4. Conclusion 78
• 2.1.5. Reference 79
• 2.2. Part Ⅱ. High thermal stability and tensile-strength Bacterial Cellulose–silica–PEO composite solid polymer electrolyte for long-life and dendrite-free lithium metal batteries 85
• 2.2.1. Motivation 85
• 2.2.2. Experimental 89
• 2.2.3. Result and discussion 93
• 2.2.4. Conclusion 117
• 2.2.5. Reference 118
• Chapter 3. Conclusion 123
• 국문 초록 (Abstract in Korean) 125