이당류 템플릿을 활용한 강유전 다공성 스캐폴드의 제작 및 특성 분석과 바이오 인터페이스 소자로의 적용성 평가 = Fabrication and Characterization of Ferroelectric Porous Scaffolds using Sugar Templating and Evaluation of Their Applicability as Biointerface Devices

국문 초록 (Abstract)

다공성 고분자 구조체는 경량성, 기공 구조의 설계 유연성, 기계적 변형 가능성 등의 장점을 바탕으로 다양한 분야에서 주목받아왔다. 특히 P(VDF-TrFE)는 고분자 기반 압전 재료 중 우수한 분극 안정성과 기계적 순응성을 지니고 있어 다공성 구조와 결합될 경우 독립 구동형 플랫폼으로 확장될 잠재력이 크다. 그럼에도 불구하고 공정 민감성으로 인해 P(VDF-TrFE)를 이용해 3차원 다공성 구조를 확보하는 데에는 여전히 기술적 제약이 존재한다.
본 연구는 이러한 한계를 해결하기 위해 각설탕 템플릿을 이용한 안정적이고 재현성 높은 P(VDF-TrFE) 다공성 스캐폴드 제작 공정을 제안한다. 본 공정은 템플릿의 형태 안정성을 유지하면서도 고분자의 균일한 침투를 가능하게 하도록 용매 조성, 농도, 건조 및 열처리 조건 등 공정 조건을 체계적으로 조절한다. 제작된 다공성 스캐폴드는 템플릿에 사용되는 설탕 입자의 크기 및 고분자 용액의 농도를 조절함으로써 기공의 형상 및 분포, 상호연결성을 단계적으로 제어할 수 있으며 가장 안정적인 3차원 네트워크 구조가 형성되는 조건을 최적화한다. 이러한 구조적 제어는 기계적 강성, 유전 거동 등 스캐폴드의 기능적 특성에도 직접적인 영향을 주는 것으로 분석된다. 생체 인터페이스 소재로의 적용성을 평가하기 위해 표면 특성 향상을 위한 polydopamine 코팅을 진행하여 친수성 증가 및 세포 부착성 향상을 유도한다. 이후 초음파 기반의 기계적 자극과 결합하여 생성된 전기적 미세자극은 세포 이동 및 상처 폐쇄 속도의 향상에 기여하는 것으로 관찰된다.
본 연구에서 제시한 공정은 P(VDF-TrFE) 기반 다공성 스캐폴드를 안정적으로 제작할 수 있는 새로운 전략을 제시하며 구조-물성-전기적 응답을 통합적으로 설계할 수 있다는 점에서 향후 바이오 인터페이스뿐 아니라 환경 감응형 센서, 기계적 신호 변환 소재 등 다양한 기능성 고분자 플랫폼으로의 확장 가능성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• List of Tables iv
• List of Figures v
• 요약 x
• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Research background 5
• 2.1. Piezoelectricity 5
• 2.1.1. Fundamental theory of ferroelectricity and piezoelectric effect 5
• 2.1.2. Polymer-based piezoelectric materials 7
• 2.2. Porous structure and fabrication strategies 11
• 2.2.1. Overview of porous structure 11
• 2.2.2. Various fabrication methods for forming porous structures 11
• 2.3. Applications of porous polymer structures 15
• 2.4. Biointerface applications of porous piezoelectric scaffold 15
• 2.4.1. Advantages of porous structures in biological systems 16
• 2.4.2. Electrical stimulation and tissue regeneration 17
• Chapter 3. Experimental sections 20
• 3.1. Materials and preparation of sugar-templated ferroelectric porous scaffolds 20
• 3.2. Structural and morphological characterization methods 22
• 3.3. Mechanical and electrical measurement methods 22
• 3.4. Preparation of surface chemical modification via polydopamine coating 25
• 3.5. In vitro tests 25
• Chapter 4. Results and discussion 26
• 4.1. Fabrication and optimization of sugar-templated ferroelectric scaffolds 26
• 4.2. Phase and structural analyses of porous scaffolds 31
• 4.2.1. X-ray Diffraction (XRD) & Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) 31
• 4.2.2. Scanning Electron Microscopy (SEM) 33
• 4.2.3. Micro-Computed Tomography (Micro-CT) 37
• 4.3. Ferroelectric properties of porous scaffolds 41
• 4.3.1. Effective medium theory 41
• 4.3.2. Relative permittivity of porous structures 44
• 4.4. Mechanical characterization of porous scaffolds 47
• 4.5. Electrical properties of porous scaffolds 50
• 4.6. Effects of polydopamine coating 54
• 4.6.1. Surface morphological comparison according to polydopamine coating 54
• 4.6.2. FT-IR analysis of polydopamine-coated surface 56
• 4.6.3. Water contact angle and surface wettability 58
• 4.7. Biocompatibility and biointerface evaluation 60
• 4.7.1. Cytotoxicity and cell viability (CCK-8 assay) 60
• 4.7.2. Confocal fluorescence imaging of cell adhesion 63
• 4.7.3. Scratch test for cell migration under electrical stimulation 66
• Chapter 5. Conclusion 69
• References 72
• ABSTRACT 78