Development of hyaluronic acid-Gelatin crosslinked hydrogel coating on surface of modified poly(dimethylsiloxane) (PDMS) for implantable medical device

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

PDMS (Polydimethylsiloxane) is known as a biocompatible polymer. It has been applied in many fields due to its low toxicity, optical transparency, elastic properties, gas permeability, ease of fabrication and low manufacturing cost. Despite these advantages, a major drawback is that surface property of PDMS is its hydrophobicity and fast hydrophobic recovery after hydrophilization of surface. PDMS-based biomedical devices suffer low wettability and biofouling problems from nonspecific protein/hydrophobic analyte adsorption and cell/bacterial adhesion. As a result, when PDMS is used in a blood contact environment, safety issues arise, and low performance could be an anxiety for long-term application in implantable medical device.
In this study, PDMS is coated with a hyaluronic acid/gelatin (CHO-HA/Gel-NH2) hydrogel to modify surface property. Before coating the hydrogel on the surface, gelatin was conjugated with PDMS to increase the hydrophilicity of the surface by oxygen plasma treatment, silanization, and EDC/NHS reaction. Then the hydrogels were coated well on the PDMS surface. The successful synthesis of the CHO-HA, Gel-NH2 polymer structures was confirmed by proton nuclear magnetic resonance spectroscopy. The successful conjugation of gelatin and coating hydrogel on PDMS were confirmed by ATR-FTIR, XPS, SEM. Hydrophilicity of surface was determined by measuring water contact angle. Bacterial adhesion was evaluated by culturing R. pickettii, S. epidermidis, P. aeruginosa on the PDMS surface. Also, in vitro test, human adipose stem cells (hASCs) were cultured to analyze the cell viability using LIVE/DEAD assay kit. As the result, hydrogel was successfully coated on the surface of PDMS. Hydrogel coated PDMS surface has more hydrophilicity than bare PDMS. The adhesion of each bacteria was lower in the hydrogel coated PDMS groups than control (no treated PDMS). In vivo test, Capsular tissue thickness was decreased on hematoxylin and eosin-stained slides, and collagen deposition was detected on Masson's trichrome stained slides. Gene expression related capsular contracture was determined by Real-time quantitative PCR. PDMS surface analysis confirmed successful PDMS surface modification. After that, by coating the hydrogel, through in vitro and in vivo experiments, it was found that it affects the hydrophilicity and biocompatibility of the PDMS surface.
Therefore, in this study, we provide PDMS coating method using hydrogel to enhance surface hydrophilicity and biocompatibility for implantable biomedical device. This hydrogel coated PDMS could be as promising instrument in implantable biomedical device. The proposed method is an important step in the development of PDMS-based devices.

국문 초록 (Abstract)

Polydimethylsiloxane (PDMS)는 실리콘으로 알려진 생체 적합소재로 무독성, 투명성, 가스투과성, 낮은 비용, 쉬운 제작과 같은 특성으로 다양한 분야에서 사용되고 있다. 특히 PDMS는 제작이 쉬워 이식 가능한 의료기기나 바이오칩으로 이용되기도 한다. 하지만 PDMS가 가지는 고유의 소수성 표면으로 다양한 분야에서의 적용에 한계가 있다. 다양한 방법으로 PDMS표면을 개질 하여 표면의 소수성을 감소시켜 한계점을 보완하고자 하였다.
첫 번째 연구에서 하이드로젤과 PDMS표면 간의 결합력을 높이기 위해서 PDMS의 표면을 산소플라즈마, 실란화 및 EDC/NHS반응으로 젤라틴을 결합시켰다. 표면의 결합은 ATR-FTIR, XPS, SEM 및 접촉각을 측정하여 PDMS 표면에 젤라틴이 성공적으로 결합된 것을 확인하였다.
두 번째 연구에서 젤라틴으로 개질한 PDMS에 우리가 제작한 하이드로젤을 코팅하였다. 표면의 결합은 H-NMR, SEM을 측정하여 확인하고, 표면의 친수성은 접촉각을 통해 측정하였다. 각 박테리아 균주를 하이드로젤을 코팅한 PDMS 표면에 배양하여 항균효과를 평가하였다. 또한 인간 유래 지방 줄기 세포 (human adipose derived stem cell, hASCs) 를 배양하여 세포의 생존능을 분석하였다. 그 결과 하이드로젤이 PDMS표면에 안정적으로 결합되었고, 각 박테리아의 부착 정도는 표면 개질된 PDMS그룹이 대조 그룹보다 낮게 나타난 반면에 세포의 생존능은 대조 그룹보다 높았다.
쥐의 피하조직에 대조그룹과 변형된 PDMS 그룹을 삽입해 8주 동안 생체 내 실험을 진행하였다. 8주 뒤 얻은 조직은 헤마톡실린과 에오신으로 염색하여 캡슐층 두께가 감소한 것을 확인하였고, Masson’s Trichrome 염색을 통해 콜라겐분포를 확인하였다. RT-qPCR을 통해 원하는 유전자발현 상대량이 변형된 PDMS 그룹이 대조그룹보다 적은 것을 측정하였다
결과적으로 제작한 하이드로젤을 이용하여 표면 개질된 PDMS는 생체적합성과 친수성 표면을 가지고 있어 성공적으로 제작되었다. 본 실험에서 개발된 친수성 표면과 생체적합성을 가진 PDMS를 이용하여 이식형 의료 기기 분야에서 발생하는 임플란트의 부작용을 방지하고 다양한 분야에 널리 응용되어 사용될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Materials and Methods 6
• 3. Results and Discussions 17
• 4. Conclusions 33
• References 34
• 국문초록 37