Engineering Interfaces to Control Cell Adhesion and Prevent Biofouling in Biomedical Implants = 임플란트 표면에서의 세포 부착 조절 및 생물학적 오염 방지를 위한 인터페이스 설계

국문 초록 (Abstract)

이식형 및 조직 접촉형 생체재료의 장기적 성공은 재료의 벌크 조성보다는 그 표면 인터페이스에서 일어나는 생물학적 사건들에 의해 좌우된다. 금속, 세라믹, 고분자 소재가 임상에서 널리 사용되고 있음에도 불구하고, 초기 단백질 흡착과 조절되지 않은 숙주 반응에서 기인하는 만성 염증, 섬유성 피막 형성, 감염으로 인해 이식재 실패는 여전히 빈번하게 발생한다. 세포 부착과 조직 통합을 촉진하도록 설계된 표면은 비특이적 단백질 오염과 세균 부착에 취약해지는 반면, 염증을 완화하기 위해 개발된 항오염 코팅은 바람직한 세포 부착까지 억제하는 경향이 있다. 이러한 기능적 상충 관계는 재생을 촉진하면서도 생물오염에 의한 실패를 방지할 수 있는 새로운 인터페이스 설계 전략의 필요성을 강조한다.
본 학위논문은 표면 화학과 물리적 단서를 체계적으로 조절함으로써, 세포 기반 재생 기능과 염증·미생물성 도전 요소로부터의 보호 기능을 동시에 구현할 수 있는 인터페이스 공학적 프레임워크를 제시한다. 궁극적인 목표는 필수적인 생물학적 활성을 유지하면서 비특이적 오염을 억제하여, 재생의학에 적용 가능한 안정적이고 내구성이 뛰어난 임상적 바이오인터페이스를 구축하는 것이다.
연구의 첫 번째 부분에서는 생분해성 고분자 지지체의 소수성 한계를 극복하기 위해 반응성 화학기를 도입하고 생체활성 리간드를 공유결합으로 고정화하는 표면 개질 전략을 확립하였다. 이러한 화학적 조절은 지지체의 벌크 기계적 특성을 유지하면서 표면 친수성을 크게 향상시키고, 세포 부착, 이동, 증식을 촉진하였다. 이를 기반으로 두 번째 부분에서는 복잡한 마이크로·나노 구조를 가진 기판에도 균일하게 적용 가능한 무용매 기반 박막 증착 전략을 개발하였다. 생성된 기능성 박막은 높은 화학 반응성, 우수한 안정성 및 효과적인 생체분자 고정 능력을 보였으며, 정렬된 섬유 지지체와 결합될 때 세포 부착, 세포골격 확장, 기계적 신호전달과 관련된 표지자 발현을 더욱 강화하였다. 이러한 두 접근법은 유연하고 다공성이며 기계적으로 민감한 생분해성 고분자 소재에 적합한 다재다능하고 신뢰도 높은 표면 공학 전략임을 보여준다.
마지막 부분에서는 강력한 항오염 및 항균 기능을 갖춘 하이드로겔 기반 표면 코팅 개발에 초점을 두었다. 양쪽전하 및 아민 기능성 고분자 네트워크는 비특이적 단백질 흡착을 억제하면서 동시에 항균 활성을 제공하도록 설계되었다. 이러한 코팅은 단백질 및 세포 부착을 감소시키고, 생체막(바이오필름) 형성을 억제했으며, 생체 내 실험에서도 우수한 항감염 효과를 보이면서 세포친화성은 유지하였다. 기판 비의존적인 접착성과 수화층 기반 항오염 특성은 다양한 의료기기에서 감염 예방을 위한 유망한 코팅 소재로서의 가능성을 보여준다.
종합적으로, 본 연구는 고분자 생체재료가 지닌 기능적 한계를 해결하기 위해 서로 독립적이면서도 상호 보완적인 표면 공학 전략을 제시한다. 표면 화학, 구조적 제어, 하이드로겔 네트워크 설계를 활용함으로써, 세포 기능을 향상시키는 동시에 생물오염과 감염을 완화할 수 있는 바이오인터페이스 설계 원리를 제공한다. 이와 같은 연구 성과는 이식형 장치, 바이오전자 센서, 고기능 상처 드레싱 등 장기적 신뢰성과 조직 통합이 요구되는 차세대 생체의료 기술 개발의 기반을 마련한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The long-term success of implantable and tissue-contacting biomaterials is governed not by their bulk composition but by the biological events that occur at their surface interfaces. Despite the widespread clinical use of metals, ceramics, and polymers, implant failure remains prevalent, driven by chronic inflammation, fibrotic encapsulation, and infection originating from early protein adsorption and dysregulated host responses. Surfaces designed to promote cell adhesion and tissue integration often become susceptible to nonspecific protein fouling and bacterial colonization, whereas antifouling coatings intended to mitigate inflammation tend to suppress desirable cell attachment. This trade-off highlights the pressing need for interface-engineering strategies capable of supporting regeneration while preventing biofouling-driven failure.
This dissertation establishes an interface-engineering framework that systematically modulates surface chemistry and physical cues to reconcile cell-guided regeneration with protection against inflammatory and microbial challenges. The ultimate objective is to design surface architectures that preserve essential biological activity while resisting nonspecific fouling, thereby enabling stable, durable, and clinically relevant biointerfaces for regenerative medicine.
The first part of this work establishes a surface-modification framework for biodegradable polymer scaffolds that addresses the intrinsic limitations of hydrophobic biomaterials by introducing reactive chemical groups and covalently immobilizing bioactive ligands. This chemical modulation markedly increases surface hydrophilicity and enhances cell attachment, spreading, and proliferation without altering bulk mechanical properties. Building on this foundation, the second part advances a solvent-free thin-film deposition strategy capable of uniformly coating substrates with complex micro- and nanostructures. The resulting functional layers exhibit high chemical reactivity, robust stability, and efficient biomolecule immobilization; when integrated with aligned fibrous scaffolds, they further promote cellular adhesion, cytoskeletal extension, and the expression of mechanotransduction-related markers. Together, these complementary approaches demonstrate versatile and reliable surface-engineering routes suitable for flexible, porous, and mechanically sensitive biodegradable biomaterials.
The final part focuses on developing hydrogel-based coatings with strong antifouling and antibacterial properties. Zwitterionic and amine-functional polymer networks were engineered to resist nonspecific adsorption while providing bactericidal activity. These coatings suppressed protein and cell adhesion, inhibited biofilm formation, and demonstrated pronounced anti-infective effects in vivo without compromising cytocompatibility. Their substrate-independent adhesion and hydration-mediated antifouling behavior highlight their potential for infection prevention across diverse biomedical devices.
Collectively, these studies present a set of independent yet complementary surface-engineering strategies that address the functional limitations of polymeric biomaterials. By leveraging surface chemistry, structural control, and hydrogel network design, this work provides design principles for creating biointerfaces that enhance cellular performance while mitigating biofouling and infection. These insights lay the groundwork for next-generation biomedical technologies—including implantable devices, bioelectronic sensors, and advanced wound dressings, where long-term reliability and biological integration are essential.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Clinical Concerns in the Use of Biomaterials 2
• 1.1.1. Tissue-Biomaterial Interactions: From Cellular Adhesion to Functional Integration 2
• 1.1.2. Immune Responses and Infection Risks Associated with Tissue-Contacting Biomaterials 4
• 1.1.3. Overview of Surface Modification Strategies for Improving Biomaterial Performance 7
• 1.2. Engineering Polymeric Surface Modification for Enhanced Cell-Scaffold Interactions 12
• 1.2.1. Polymeric Surface Engineering: From Chemical Functionalization to Physical Cues 12
• 1.2.2. Previous Research 14
• 1.3. Designing Multifunctional Hydrogel Coatings for Antifouling and Bactericidal Applications 16
• 1.3.1. Hydrogel Surface Engineering: From Antifouling Mechanisms to Biointegration 16
• 1.3.2. Previous research 19
• 1.4. The Scope of Thesis 21
• Chapter 2. Facile Methods for Immobilization of Protein on Elastic Nanofibrous Polymer Membranes 23
• 2.1. Introduction 24
• 2.2. Experimental Section 27
• 2.2.1. Materials 27
• 2.2.2. Elastic nanofibrous membrane preparation 27
• 2.2.3. Aminolysis of PLCL electrospun membranes 28
• 2.2.4. Immobilization of protein on PLCL membrane 29
• 2.2.5. Physicochemical characterization of the modified membranes 31
• 2.2.6. Cell-PLCL membrane interaction 34
• 2.2.7. Statistical analysis 36
• 2.3. Results and Discussion 37
• 2.3.1. Preparation of biocompatible and elastic membranes 37
• 2.3.2. Aminolysis of PLCL electrospun membranes 39
• 2.3.3. Immobilization of protein on PLCL membranes 42
• 2.3.4. Immobilization of protein on PLCL membranes 46
• 2.3.5. Cell behaviors on the modified PLCL membranes 55
• 2.4. Conclusion 61
• Chapter 3. Facile Surface Functionalization of Electrospun Elastic Nanofibers via Initiated Chemical Vapor Deposition for Enhanced Neural Cell Adhesion and Alignment 63
• 3.1. Introduction 64
• 3.2. Experimental Section 68
• 3.2.1. Preparation and characterization of electrospun PLCL nanofibers 68
• 3.2.2. Polymer thin-film synthesis using iCVD 69
• 3.2.3. Thin-film analysis 70
• 3.2.4. Post-functionalization of polymer-coated surfaces with biomolecules 70
• 3.2.5. Fluorescence intensity quantification of IgG-biomolecule-immobilized surfaces 71
• 3.2.6. Quartz crystal microbalance with dissipation analysis 72
• 3.2.7. Scanning electron microscopy of PLCL and cell-attached nanofibers 73
• 3.2.8. Cell culture and immunocytochemistry 73
• 3.2.9. Statistical analysis 75
• 3.3. Results and Discussion 76
• 3.3.1. Synthesis of a thin p(PEMA-co-DVB) film via initiated chemical vapor deposition 76
• 3.3.2. Biomolecule immobilization on thin p(PFMA-co-DVB) films 84
• 3.3.3. Real-time analysis of biomolecule immobilization on thin p(PFMA-co-DVB) films using QCM-D 90
• 3.3.4. Application of thin p(PFMA-co-DVB) films on PLCL nanofibers 92
• 3.3.5 Biological responses of SH-SY5Y and PC12 cells to iCVD-coated PLCL nanofibers 100
• 3.4. Conclusion 109
• Chapter 4. Development of Substrate-Independent Antifouling and Bactericidal Surfaces Using Visible Light Cross-Linked Hydrogel Coatings for Biomedical Applications 111
• 4.1. Introduction 112
• 4.2. Experimental Section 116
• 4.2.1. Materials 116
• 4.2.2. Preparation of SHG and SAHG coating 116
• 4.2.3. Characterization of the hydrogel coating layer 117
• 4.2.4. Mechanical performance evaluation of the hydrogel coating 119
• 4.2.5. Cytotoxicity and hemolysis assay 120
• 4.2.6. Cell adhesion test 121
• 4.2.7. Blood clotting and platelet adhesion test 122
• 4.2.8. Protein adsorption test 123
• 4.2.9. Bactericidal and anti-biofilm test 124
• 4.2.10. In vivo anti-infective test 125
• 4.2.11. Statistical analysis 126
• 4.3. Results and Discussion 127
• 4.3.1. Fabrication of zwitterionic pSBMA hydrogel coating 127
• 4.3.2. Surface characterization of zwitterionic pSBMA hydrogel 130
• 4.3.3. Mechanical properties and biocompatibility of zwitterionic pSBMA hydrogel 133
• 4.3.4. Antifouling performance and applicability of zwitterionic pSBMA hydrogel 136
• 4.3.5. Introduction of amine-containing monomer to fabricate bactericidal hydrogel 140
• 4.3.6. Antifouling performance of dual-functional p(SBMA-co-AEMA) hydrogel 150
• 4.3.7. Bactericidal performance of dual-functional p(SBMA-co-AEMA) hydrogel 155
• 4.3.8. Anti-infective activity of dual-functional p(SBMA-co-AEMA) hydrogel in vivo 158
• 4.4. Conclusion 162
• Chapter 5. Conclusions 163
• Bibliography 166
• Abstract in Korean 191