Multifunctional Polyphenol-Based Hydrogels for Controlled Drug Delivery and Tissue Regeneration

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Hydrogels, characterized by their soft, hydrated polymer networks, have become versatile biomaterials for therapeutic delivery and tissue regeneration. Their three-dimensional architecture provides a biocompatible, moisture rich environment capable of hosting various therapeutic agents, from small molecules to proteins and cells. Yet, traditional hydrogels often exhibit mechanical fragility, rapid degradation, and poor control over release kinetics, limiting their long-term efficacy. To overcome these drawbacks, this dissertation presents polyphenol-based hydrogel systems engineered to achieve precise, controllable, and clinically applicable therapeutic functions.

Polyphenolic compounds such as tannic acid (TA) and polydopamine (PD) were introduced to enhance mechanical resilience and bio-functionality. These molecules, known for their strong adhesion, antioxidant properties, and reversible noncovalent bonding, establish dynamic, biocompatible networks without the need for toxic crosslinkers. Their natural origin and chemical versatility enable the construction of robust, responsive hydrogels that support biological integration. Through these interactions, this work aimed to create simple yet intelligent hydrogel platforms capable of disease specific, controlled drug delivery and regenerative functionality while ensuring safety and scalability for clinical use.

In the first part, an electro-responsive hydrogel HTZ, composed of hyaluronic acid (HA), tannic acid, and zinc ions (Zn²⁺) was developed for electrically modulated drug release and metronomic chemotherapy. The reversible network structure responded dynamically to alternating current (6 Vpp, 500 kHz), allowing fine control of drug diffusion. Doxorubicin (DOX) was incorporated via π–π stacking and electrostatic interactions, achieving a loading efficiency of over 95%. Electrical stimulation induced pulsatile, repeatable DOX release consistent with metronomic dosing, sustaining therapeutic levels while reducing systemic toxicity. In vitro and in vivo studies confirmed enhanced release under stimulation, prolonged intratumoral retention, tumor growth suppression, and downregulation of angiogenic markers (CD31, VEGFR2). The HTZ hydrogel preserved its structural integrity and functional performance after repeated activation, confirming consistent electro-responsiveness and stability.

In the second part, a multifunctional GTP hydrogel, composed of gelatin, tannic acid, and polydopamine, was designed as a bioactive and conductive scaffold for peripheral nerve regeneration. The GTP system meets key nerve guidance conduit (NGC) criteria, suitable elasticity, interconnected porosity, biodegradability, and neurocompatibility. Gelatin provides an ECM-like framework that promotes cellular attachment, while tannic acid reduces oxidative stress and inflammation through its antioxidant and adhesive roles. Polydopamine enhances both structural integrity and mild conductivity, enabling axonal signaling and communication. Additionally, curcumin (CUR), a natural anti-inflammatory and neuroprotective agent, was incorporated for sustained release and prolonged biochemical stimulation. In in vitro and in vivo peripheral nerve injury (PIN) models, the GTP@CUR hydrogel promoted neurite outgrowth, mitigated inflammation, and accelerated axonal regeneration, demonstrating excellent neuroregenerative potential through a simple, scalable, and biocompatible design.

In conclusion, the HTZ and GTP hydrogels demonstrate a unified strategy for creating multifunctional, biocompatible, and clinically translatable platforms that integrate controlled drug delivery and tissue regeneration. HTZ provides precise electrical modulation for sustained metronomic chemotherapy, while GTP expands polyphenol-based design into conductive and antioxidative scaffolds that enable continuous therapeutic release and neural repair. Composed entirely of naturally derived, FDA approvable materials, these systems embody the essential qualities of safety, simplicity, and scalability, establishing the groundwork for next generation smart hydrogels capable of tunable responsiveness and adaptive performance in precision therapy and tissue restoration.

국문 초록 (Abstract)

하이드로겔은 부드럽고 수화된 고분자 네트워크 구조를 특징으로 하며, 약물 전달과 조직 재생을 위한 다기능성 생체재료로 널리 활용되고 있으며, 하이드로겔의 3차원 구조는 생체적합성이 높고 수분이 풍부한 환경을 형성하여, 소분자 약물부터 단백질, 세포에 이르기까지 다양한 치료제를 안정적으로 담지할 수 있다. 그러나 기존의 전통적인 하이드로겔은 기계적 취약성, 빠른 분해, 방출 속도 제어의 어려움 등의 한계를 지니고 있어 장기적인 치료 효율을 제한한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 학위논문에서는 정밀하고 제어 가능한 임상 적용형 치료 기능을 구현할 수 있는 폴리페놀(polyphenol) 기반 하이드로겔 시스템을 제시하였다.

탄닌산(tannic acid, TA)과 폴리도파민(polydopamine, PD)과 같은 폴리페놀 화합물은 하이드로겔의 기계적 강도와 생체 기능성을 향상시키기 위해 도입되었다. 이들 분자는 강한 접착력, 항산화 특성, 가역적인 비공유결합 특성을 지니며, 독성 가교제 없이도 역동적이고 생체적합한 네트워크를 형성할 수 있다. 또한 천연 유래 물질로 구성되어 화학적 다양성과 생체 안전성을 동시에 확보할 수 있어 생체 내 통합에 유리하다. 이러한 상호작용을 바탕으로, 본 연구는 질환 특이적이고 제어 가능한 약물 전달과 조직 재생 기능을 동시에 수행할 수 있는 간단하면서도 지능적인 하이드로겔 플랫폼을 구축하고자 하였으며, 안전성과 확장성을 유지하면서 실제 임상 적용이 가능한 시스템을 개발하는 것을 목표로 하였다.

연구의 첫 번째 부분에서는 히알루론산(hyaluronic acid, HA), 탄닌산(TA), 그리고 아연 이온(Zn²⁺)으로 구성된 전기 반응성 하이드로겔 HTZ를 개발하여, 전기 자극을 이용한 약물 방출 제어와 메트로노믹 케모테라피(metronomic chemotherapy)를 구현하였다. 이 하이드로겔은 가역적이고 자극 반응적인 네트워크 구조를 형성하여 교류 전류(6 Vpp, 500 kHz)에 따라 약물 확산 속도를 정밀하게 조절할 수 있었다. 대표적인 항암제인 독소루비신(doxorubicin, DOX)은 π–π 상호작용과 정전기적 인력에 의해 하이드로겔 내에 포집되어 95% 이상의 높은 봉입 효율을 보였다. 전기 자극하 에서는 주기적이고 반복적인 DOX 방출이 유도되어, 메트로노믹 투여 원리에 부합하는 지속적 저용량 약물 방출이 이루어졌으며, 이를 통해 전신 독성을 최소화하면서 항암 효능을 유지할 수 있었다. In vitro 및 in vivo 실험 결과, 전기 자극 시 약물 방출이 현저히 증가하였고, 종양 성장 억제, 종양 내 약물 유지 시간의 연장, 혈관신생 관련 마커(CD31, VEGFR2)의 발현 감소가 확인되었다. 또한 반복적인 자극 후에도 HTZ 하이드로겔은 구조적 안정성과 기능적 성능을 유지하여, 전기 반응성과 장기적 안정성을 입증하였다.

연구의 두 번째 부분에서는 젤라틴(gelatin), 탄닌산(TA), 폴리도파민(PD)으로 구성된 다기능성 하이드로겔 GTP를 개발하여, 말초신경 재생(peripheral nerve regeneration)을 위한 생체활성 및 전도성 지지체로 설계하였다. GTP 시스템은 신경 유도관(nerve guidance conduit, NGC)에 요구되는 핵심 특성적절한 탄성, 영양소 및 성장인자 확산을 위한 다공성 구조, 생분해성, 그리고 신경적합성을 모두 충족하도록 설계되었다. 젤라틴은 세포 부착과 증식을 촉진하는 ECM 유사 환경을 제공하고, 탄닌산은 항산화 및 접착 특성을 통해 산화 스트레스와 염증 반응을 감소시켜 신경 조직 통합을 향상시켰다. 폴리도파민은 구조적 강도와 전도성을 동시에 부여하여 축삭 신호 전달을 가능하게 하였다. 또한 천연 폴리페놀 화합물인 커큐민(curcumin, CUR)을 하이드로겔 매트릭스에 도입하여 지속적인 약물 방출과 장기간의 생화학적 자극을 구현하였다. In vitro 및 in vivo 말초신경손상(peripheral nerve injury, PIN) 모델에서 GTP@CUR 하이드로겔은 신경돌기 성장 촉진, 염증 억제, 축삭 재생 및 재수초화(remyelination) 향상을 확인하였으며, 단순하면서도 생체적합한 구조를 통해 우수한 신경재생 효과를 입증하였다.

종합적으로, HTZ와 GTP 하이드로겔은 약물 전달과 조직 재생 기능을 하나의 플랫폼 안에서 통합적으로 구현할 수 있는 다기능성·생체적합성·임상 적용 가능한 하이드로겔 시스템의 전략을 제시한다. HTZ는 지속적 메트로노믹 항암치료를 위한 정밀한 전기 자극 기반 약물 방출 제어를 가능하게 하며, GTP는 폴리페놀 기반 설계를 확장하여 전도성과 항산화 특성을 겸비한 재생성 지지체로서 지속적 약물 방출과 신경 재생을 동시에 실현한다. 두 시스템은 모두 천연 유래이면서 FDA 승인 가능성이 높은 재료로 구성되어 있어 안전성, 단순성, 확장성 측면에서 임상 적용에 적합하며, 이를 통해 차세대 스마트 하이드로겔 플랫폼의 기반을 마련하였다. 이러한 하이드로겔 시스템은 조절 가능한 반응성과 기계적 안정성, 생물학적 적응성을 동시에 갖추어, 정밀 치료 및 조직 회복을 위한 유망한 임상용 생체재료로서의 가능성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• 목차 I
• List of Table XI
• List of Figures XII
• Abstract XXⅤ
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Hydrogels as Promising Biomaterials 2
• 1.2. Polyphenols as Functional Biomaterials 8
• 1.3. Polyphenol-Based Hydrogels: HTZ and GTP Systems 10
• 1.4. Clinical and Translational perspectives 11
• 1.5. References 13
• Chapter 2. Electrically Controlled Hyaluronic Acid-Based Hydrogel for Sustained and Repeatable Metronomic Chemotherapy 28
• 2.1. Abstract 29
• 2.2. Introduction 31
• 2.3. Materials and methods 36
• 2.3.1. Materials 36
• 2.3.2. Synthesis of the HTZ hydrogel and HA hydrogel 37
• 2.3.3. Synthesis of the HTZ@D 38
• 2.3.4. Physicochemical properties and morphology with HA, HTZ, and HTZ@D 39
• 2.3.5. Crosslinking rate of HTZ according to BDDE concentration 40
• 2.3.6. Swelling Test 41
• 2.3.7. Stability test 41
• 2.3.8. Rheological properties of HA, HTZ, and HTZ@D 42
• 2.3.9. Cyclic voltammetry (CV) 42
• 2.3.10. Cytotoxicity Assay 43
• 2.3.11. LED bulb conductivity test 43
• 2.3.12. The dox release profile of HTZ@D under electrical stimulation 44
• 2.3.13. Cell Culture 45
• 2.3.14. Preparation of PLA, HTZ, and HTZ@D Extracts 46
• 2.3.15. Electrical Stimulation Conditions 46
• 2.3.16. Cell Viability Assay 47
• 2.3.17. 2.3.17. Live/Dead Viability Assay 47
• 2.3.18. Fabricating electro-stimulation devices with 3D printers 48
• 2.3.19. Biocompatibility test 49
• 2.3.20. Animal Care 51
• 2.3.21. Pharmacokinetic study (PK) study 51
• 2.3.22. In vivo tumor growth inhibition effect 52
• 2.3.23. Flow cytometry analysis of in vivo immune response 53
• 2.3.24. Analysis of anti-angiogenesis in tumors 54
• 2.3.25. In vivo toxicity evaluation 54
• 2.3.26. Statistical analysis 55
• 2.4. Results and discussion 56
• 2.4.1. Preparation and characterization of HTZ and HTZ@D 56
• 2.4.2. Rheological property of HTZ@D hydrogel 68
• 2.4.3. Electro-responsive properties of HTZ@D 71
• 2.4.4. Anticancer effect of HTZ@D in vitro 75
• 2.4.5. Fabrication and release evaluation of an Implantable electrical delivery device 82
• 2.4.6. Long-term in vivo pharmacokinetic evaluation of electrically stimulated DOX release 84
• 2.4.7. Modulation of tumor immune microenvironment by electrically triggered metronomic chemotherapy 90
• 2.4.8. In vivo biocompatibility, organ safety, and systemic toxicity evaluation of electrically triggered metronomic chemotherapy 95
• 2.5. Conclusion 99
• 2.6. References 101
• Chapter 3. Implantable Polyphenol-Based Hydrogels with Tunable Biodegradation and Sustained Therapeutic Release for Nerve Regeneration 109
• 3.1. Abstract 110
• 3.2. Introduction 112
• 3.3. Materials and methods 120
• 3.3.1. Materials 120
• 3.3.2. Synthesis of the Gelatin Only hydrogel (GO) 121
• 3.3.3. Synthesis of the Gelatin-TA hydrogel (GT) 121
• 3.3.4. Synthesis of the Gelatin-TA-Poly dopamine hydrogel (GTP) 122
• 3.3.5. Preparation of GTP@C 123
• 3.3.6. Characterization of GT, GTP, and GTP@C 124
• 3.3.7. long term Stability test 125
• 3.3.8. The CUR release profile of GTP@C 126
• 3.3.9. Rheological properties of GO, GT, and GTP 126
• 3.3.10. Stress-Strain Properties of GO, GT, and GTP 127
• 3.3.11. ABTS radical scavenging assay 128
• 3.3.12. LED bulb conductivity test 129
• 3.3.13. The electrical conductivity 129
• 3.3.14. Cyclic voltammetry (CV) 130
• 3.3.15. Contact angle 130
• 3.3.16. Cell Culture 131
• 3.3.17. Cytotoxicity Evaluation of Hydrogel Extracts 131
• 3.3.18. CCK-8 assay for the 7day viability of PC12 cells in co-culture with GTP or GTP@C. 132
• 3.3.19. Evaluation of cell adhesion on GT, GTP, and GTP@C hydrogel surfaces. 133
• 3.3.20. Neurite Outgrowth Assay under NGF-β Stimulation 134
• 3.3.21. Intracellular Reactive Oxygen Species (ROS) generation assay 135
• 3.3.22. Evaluation of antioxidant and cytoprotective effects 136
• 3.3.23. Anti-Inflammatory Cytokine and Pro-Inflammatory Cytokines Quantification by ELISA 137
• 3.3.24. Statistical analysis 138
• 3.4. Results and discussion 140
• 3.4.1. Preparation and characterization of GTP@C 140
• 3.4.2. Rheological Behavior and Mechanical Durability of GTP@C 151
• 3.4.3. Biodegradation Profile and Sustained Curcumin Release of GTP@C 157
• 3.4.4. Antioxidative and Electrical Conductivity Properties of GTP@C 160
• 3.4.5. Cytotoxicity, Biocompatibility, and Cell Proliferation of GTP@C 164
• 3.4.6. Enhanced Nerve Regeneration and Anti-Inflammatory Effects Mediated by Sustained Curcumin Release from GTP@C 171
• 3.5. Conclusion 178
• 3.6. References 181
• 국문 논문제출서 192
• 국문 인준서 193
• 국문 초록 194