Biodegradable Polymer Nanocomposites with Surface-Modified Magnesium Hydroxide for Enhanced Mechanical and Biological Properties
- 주제(키워드) Biodegradable polymer , Magnesium hydroxide , Cardiovascular stent
- 발행기관 고려대학교 대학원
- 지도교수 김익환
- 발행년도 2020
- 학위수여년월 2020. 2
- 학위구분 박사
- 학과 대학원 생명공학과
- 세부전공 의약나노바이오시스템 전공
- 원문페이지 129 p
- UCI I804:11009-000000127145
- DOI 10.23186/korea.000000127145.11009.0000955
- 본문언어 영어
- 제출원본 000046025493
초록/요약
최근 새로운 유형의 생분해성 나노복합체가 생의학 분야에서 널리 사용되어 왔다. 특히 폴리-L-젖산을 기반한 나노복합체는 뛰어난 기계적 물성과 생체적합성으로 외과 임플란트 및 혈관 스텐트와 같은 의료기기에 대해 연구되어 왔다. 그러나 고유의 취성, 낮은 열안정성 및 분해과정에서 발생하는 산분해산물은 사용에 제한이 있을 뿐만 아니라, 분해속도 및 체내에서 염증반응을 유발할 수 있다. 게다가, 야기된 염증반응은 낮은 세포 호환성을 반영하며 불쾌감, 통증, 침식 등의 국부적 부작용을 유발할 수 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 수산화마그네슘과 같은 생활성 세라믹 나노입자를 보강제 및 pH 중화제로 사용하였다. 그러나 소수성 고분자 매트릭스와의 계면 인력이 낮기 때문에 수산화마그네슘 나노입자를 생체 적용을 위한 고분자 매트릭스내 균일하게 분산시키는 것은 여전히 어렵다. 본 연구에서는 기능성 첨가제와 생활성 세라믹 나노입자를 통해 나노복합체의 기계적, 생물학적 특성을 향상시키기 위해 다양한 표면개질 방법을 이용하여 수산화마그네슘 나노입자를 처리하였다. 폴리 L-젖산에 가소제 및 열 안정제와 같은 기능성 첨가제를 사용하여 높은 가공온도에서 추가적인 기계적 열화 및 열분해를 방지할 수 있었다. 게다가, 수산화마그네슘의 첨가는 가수 분해 중 산성분해산물을 중화시키고 세포독성 및 항 염증 반응에 긍정적인 영향을 주었다. 표면개질 된 수산화마그네슘은 효과적으로 기계적 물성을 향상시키는 계면 인력을 증진할 수 있었다. 나노복합체의 기계적 성질은 인장강도, 신율, 영스 모듈러스로 확인하였다. 그리고 분해 거동을 확인하기 위해 시간에 따른 pH 변화와 잔류 무게를 측정하였다. 또한 PLLA 복합체의 생체적합성은 세포 분화도, 세포독성, 염증반응으로 평가하였다. 이러한 결과는 수산화마그네슘 나노입자의 표면 변형이 pH 중화능 및 항 염증 기능을 상실하지 않고 고분자 매트릭스와 표면개질된 나노입자 사이의 계면 인력을 향상시켰음을 나타낸다. 따라서, 나는 표면개질 된 수산화마그네슘이 있는 폴리 L-젖산 나노복합체가 다양한 생의학 분야에서 큰 잠재력을 가질 것이라고 생각한다.
more초록/요약
Recently, the new types of biodegradable nanocomposites have widely used in the biomedical field. Especially, the nanocomposites based on poly(L-lactic acid) have been investigated to biomedical devices such as surgical implant and vascular stent due to excellent mechanical properties and biocompatibility. However, inherent drawbacks such as brittleness, low thermal stability, and acidic by-products during degradation not only limited a wide range of applications but also accelerate degradation and inflammatory reaction in the body. Additionally, the induced inflammatory response reflects poor tissue compatibility and may induce local side effects such as discomfort, pain, and erosion. To overcome these disadvantages, bioactive ceramic nanoparticles such as magnesium hydroxide have been used as reinforcement and pH neutralizing agents. However, it is still challenging to disperse the magnesium hydroxide nanoparticles uniformly in a polymer matrix for their biomedical applications due to their low interfacial interaction with hydrophobic polymer matrices. In this study, the functional additives and surface modified magnesium hydroxide were treated in order to: prevent thermal degradation and neutralize acidic by-products. The addition of functional additives such as plasticizers and thermal stabilizers to poly(L-lactic acid) could prevent further mechanical deterioration and thermal degradation form the high processing temperatures. Moreover, incorporation of magnesium hydroxide can neutralize the acidic by-products during hydrolytic degradation and determined positive effect on cytotoxicity and anti-inflammatory response. Surface modified magnesium hydroxide can improve the interfacial compatibility which is effectively enhanced mechanical properties. The mechanical properties of the nanocomposites were confirmed by tensile strength, elongation at break and Young’s modulus. Furthermore, the change of pH and residual weight over time were measured in order to check the degradation behavior. Also, the biocompatibility of PLLA composites was evaluated through cell proliferation, cytotoxicity, and inflammatory response. These results indicate that surface modification of magnesium hydroxide nanoparticles improved the interfacial adhesion between polymer matrix and surface-modified nanoparticles without losing the pH neutralizing and anti-inflammatory abilities. Therefore, I believed that the poly(L-lactic acid) nanocomposites with surface modified magnesium hydroxide will have great potential in various biomedical applications.
more목차
Chapter 1. Introduction . 1
1.1 Biomaterials and biodegradable polymers . 2
1.2 Biocomposite and magnesium hydroxide 6
1.3 Surface modification 9
1.4 Hemocompatibility .. 12
1.5 Rationale for study . 14
1.6 References 15
Chapter 2. Backgrounds 19
2.1 PLLA blends with ductile polymers . 20
2.2 PLLA blends with functional additives 23
2.3 PLLA composites with surface modified nMH 27
Chapter 3. Materials and methods 30
3.1 PLLA blends with ductile polymers . 31
3.2 PLLA blends with functional additives 36
3.3 PLLA composites with surface modified nMH 40
3.4 Statistical analysis 45
Chapter 4. Results and discussion .. 46
4.1 PLLA blends with ductile polymers . 47
4.2 PLLA blends with functional additives .. 61
4.3 PLLA composites with surface modified nMH 77
Chapter 5. Conclusions 95
5.1 PLLA blends with ductile polymers . 96
5.2 PLLA blends with functional additives 96
5.3 PLLA composites with surface modified nMH 97
Chapter 6. References 99
감사의 글 .. 114
