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과제명: AI 기반 자극 제어형 세포막 모사 나노트랩을 활용한 일체형 진단 플랫폼 개발 (중견연구) 2025~
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주제: (w/승민)
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연차별 목표
- 1차년도: 자극 반응형 투과성 조절 폴리머 나노트랩 기작 연구
- 2차년도: 기능성 폴리머 나노트랩 기반의 분자진단 플랫폼 개발 및 성능 최적화
- 3차년도: 모바일 기반 설명 가능한 XAI 진단 플랫폼 및 시작품 개발
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첫번째 할일
(1) 조절 기작과 반응 정리(pH, 온도, 전기)
(2) 어떤 polymer 사야할지 정하기
Hydrogel
: 90%이상 물로 이루어진 수용성 고분자 화합물.
Stimuli responsive hydrogel (Smart Hydrogel)
: 외부 자극( pH, 온도, 전기적 신호 등)에 반응해서 부피, 모양, 투과성, 색 등이 바뀌는 하이드로겔
1. pH response
고분자 | 주 작용기 | pKa | 전하 성질 | Mechanism | Reference |
Alginate | -COOH (카복실기) | ~3.4~3.6 | polyanionic | surrounding pH > 해리상수pKa 일 때→ 작용기 이온화 (-COO-) → 서로 반발 → 팽창→ 겔 내부에 음이온 많아지면서 주변 수분 끌어당김→물 흡수 증가 (팽윤, swelling) | Srivastava and Choudhury (2023) |
Hyaluronic Acid (HA) | -COOH (카복실기) | ~3.0–4.0 | Polyanionic | (위와 동일)
surrounding pH > 해리상수pKa 일 때→ 작용기 이온화 (-COO-) → 서로 반발 → 팽창→ 겔 내부에 음이온 많아지면서 주변 수분 끌어당김→물 흡수 증가 (팽윤, swelling) | |
Polyacrylic Acid (PAA) | -COOH (카복실기) | ~4.5–5.0 | Polyanionic | (위와 동일)
surrounding pH > 해리상수pKa 일 때→ 작용기 이온화 (-COO-) → 서로 반발 → 팽창→ 겔 내부에 음이온 많아지면서 주변 수분 끌어당김→물 흡수 증가 (팽윤, swelling) | Shi et al. (2019) |
Chitosan | -NH₂ (아민기) | ~6.3–6.5 | Polycationic | surrounding pH < 해리상수pKa 일 때→ 작용기 이온화 (-NH+) → 서로 반발 → 팽창→ 물 흡수 증가 (팽윤, swelling) | Srivastava and Choudhury (2023) |
Polyacrylamide (PAAm) | -CONH₂ (아마이드) | 없음 | 중성 | pH>11 또는 PH<3.5에서 수축.
산성 조건→수산화이온(OH-)이 hydrogel 외부로 확산,
알칼리성 조건→ 수소이온(H+)이 hydrogel 외부로 확산.
OH-이온이 더 작기 때문에 산성조건에서 더 빠르게 수축 | Shi et al. (2019)
Bassil et al. (2008) |
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Anionic hydrogel
⇒ negative pendant group 이 있는 경우, surrounding pH가 해리상수 pKa보다 클 때 swelling
⇒ -COOH를 갖고 있는 Alginate, HA, PAA
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Cationic hydrogel
⇒ positive pendant group 이 있는 경우, surrounding pH가 해리상수 pKa보다 작을 때 swelling
⇒ -NH2를 갖고 있는 Chitosan
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Neutral
⇒ surrounding pH가 아주 낮거나 높을 때 shrank 관찰됨 (OH-, H+이 빠져나가기 때문)
* 보통 pH 반응성 hydrogel은 anionic/cationic으로 나뉘고, gpt는 neutral인 PAAm이 pH에 반응 안 한다고 답변함
2. Thermal response
고분자 | 주 작용기 | LCST/UCST | Swelling ratio | Mechanism | Reference |
Alginate | -COOH (카복실기) | - | - | - | - |
Hyaluronic Acid (HA) | -COOH (카복실기) | - | - | - | - |
Polyacrylic Acid (PAA) | -COOH (카복실기) | - | - | - | - |
Chitosan | -NH₂ (아민기) | - | - | - | - |
Polyacrylamide (PAAm) | -CONH₂ (아마이드) | - | - | - | - |
poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) | -CONH₂ (아마이드),
-CH(CH₃)₂ (아이소프로필기) | LCST = 32 °C | 2~50 | solution temparature < LCST일 때 사슬간 수소결합 약화되어 swelling | Shi et al. (2019) |
poly(ethylene glycol) (PEG) | 온도에 반응하는 hydrogel 다른 문헌 좀 찾아볼 예정.. | ||||
poly(3-caprolactone)(PCL) | 온도에 반응하는 hydrogel 다른 문헌 좀 찾아볼 예정.. | ||||
poly(propylene glycol) (PPG) | 온도에 반응하는 hydrogel 다른 문헌 좀 찾아볼 예정.. | ||||
gellatin/gellan | 온도에 반응하는 hydrogel 다른 문헌 좀 찾아볼 예정.. | Srivastava and Choudhury (2023)
Zheng et al. (2018) | |||
chitosan/β-glycerophosphate | 온도에 반응하는 hydrogel 다른 문헌 좀 찾아볼 예정.. | Srivastava and Choudhury (2023)
López-Noriega et al. (2014) |
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Aginate, HA, PAA, Chitosan, PAAm은 온도에 반응하지 않음
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Negative thermoresponsive hydrogel
⇒ LCST (Lower critical solution temperature) 이하의 온도에서는
hydrophobic interaction이 약해지면서 polymeric network가 느슨해지고, hydrogel이 swelling됨
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Positive thermoresponsive hydrogel
⇒ UCST (Upper critical solution temperature) 이상의 온도에서
cleavage of the hydrogen bonds 때문에 물 흡수가 증가하면서 hydrogel swelling됨
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PNIPAAm 은 LCST보다 solution의 temperature가 낮을 때
interchain hydrogen bonding이 약해지면서 2~50배 swelling됨
T>LCST일 때 shrink, T<LCST일때 swell
3. Electric response
고분자 | 작용기 | Mechanism | 특이사항 | Reference |
Alginate | -COOH (카복실기) | - | ||
Hyaluronic Acid (HA) | -COOH (카복실기) | - | ||
Polyacrylic Acid (PAA) | -COOH (카복실기) | the pendant carboxylic group
on the polymer chain dissociates in an alkaline electrolyte
solution, making the hydrogel negatively charged and ion-
conductive | influenced by the pH
of the surrounding environment, undermining its stable
and reliable performance for practical applications | Shi et al. (2019) |
Chitosan | -NH₂ (아민기) | Shi et al. (2019) | ||
Polyacrylamide (PAAm) | -CONH₂ (아마이드) | - | ||
4-hydroxybutyl acrylate (4-HBA) | Shi et al. (2019) | |||
poly(2-acrylamido-2-methylpropane-sulfonic acid) (PAMPS) | complete ionization over a wide range of pH values (2–12) | Shi et al. (2019) |
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전기에 의한 반응은 coulombic, electrophoretic, electroosmotic 상호작용에 의해 발생함
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전기자극 → 이온 이동 → 삼투압 변화(이온이 많은 쪽으로 물 이동) → swelling, shrink
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Shi et al. 2019
⇒ Commonly investigated electric-responsive hydrogels that deform upon electric stimulation include but are not restricted to chitosan , PAAc, 4-hydroxybutyl acrylate (4-HBA), and poly(2-acrylamido-2-methylpropane-sulfonic acid) (PAMPS).
⇒ 기전이나 설명은 다른 문헌을 더 찾아볼 예정
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참고문헌
Bassil et al. (2008) - https://doi.org/10.1016/j.snb.2008.05.025
Kwon et al. (2010) - https://doi.org/10.1039/B926443D
Shi et al. (2019) - https://doi.org/10.1038/s41427-019-0165-3
Srivastava and Choudhury (2023) - https://doi.org/10.1021/acs.iecr.2c02779
Zheng et al. (2018) - https://doi.org/10.1021/acsomega.8b00308