Amino acids modified polyimide surface to improve antimicrobial properties for biomedical applications

Abstract

The development of biomedical device technology is a drastically increasing trend and attracting great attention due to the COVID-19 pandemic. Various new technologies are emerging in the field of biomedical devices for in vivo use, but there is still a high risk of pathogen infection. Antimicrobial coatings are receiving significant attention due to the impact of the COVID-19 pandemic, and the market is expected to grow to 18.8 billion dollars by 2027. Additionaly, the demand for biomedical implant devices has been continuously increasing, which is expected to increase significantly over the next eight years. In chapter 2, to prevent infections associated with biomedical catheters, various antimicrobial coatings have been investigated. However, generally those materials do not provide consistent antibacterial effects or biocompatibility due to in vivo degradation of the coating materials. Additionally, biomedical catheters must have low surface friction to reduce tribological damage. In this study, an antifouling surface composed of biocompatible amino acids (leucine, taurine, and aspartic acid) on polyimide has been developed via modification using a series of facile immersion steps with waterborne reactions. Amino acid modification demonstrated antifouling activity against Escherichia coli and Staphylococcus epidermidis, as well as against the proteins, albumin and fibrinogen. Evaluation of the surface friction of the catheter revealed a dramatic reduction in the tribological force after amino acid (0.44 N for aspartic acid) modification on polyimide (0.81 N). These results clearly demonstrate a reduced occurrence of infections, thrombi and tribological damage following the relatively facile surface modification of catheters. Moreover, the proposed modification method can be applied to medical equipment that requires biocompatibility and biofunctionality with polyimide surfaces. In chapter 3, a study on the enhancement of antibacterial performance according to basic amino acid conjugation has been conducted on a wearable pH sensor. The wearable sensors are a very favorable technology as they allow continuous monitoring. In particular, wearable sensors can be beneficial in the wound healing process while monitoring the condition of the wound. A functionalization method has been introduced that involves grafting of amino acids monolayer via a self-assembly method on the surface of pH monitoring wound healing dressing with antimicrobial activities. Basic amino acids, lysine and arginine, have a pH-dependable zwitterionic functional group. The surface modified with basic amino acids exhibits zwitterionic properties with a net in vivo charge of 0. Moreover, it has antimicrobial activities with antifouling and bactericidal behaviour similar to positive antimicrobial peptides due to the intrinsic positive potential. Compared to a non-treated polyimide and modified anionic acids (leucine), basic amino acids grafted polyimide surface showed excellent bactericidal and antifouling properties and biofilm inhibition. Additionaly, the amino acid grafted polyimide was able to monitor the pH to detect bacterial contamination for wound healing.

바이오의료기기 기술의 발전은 코로나19가 유행하는 시대에 급격하게 증가하고 주목받고 있는 추세이다. 생체의료기기의 기술 발전에 따라 다양한 생체 내 사용을 위한 신기술이 등장하고 있지만 여전히 병원체 감염의 위험이 있다. 항균 코팅은 COVID 19 대유행의 영향으로 큰 주목을 받고 있으며, 시장 또한 2027년까지 188억 달러 규모로 성장할 것으로 예상된다. 이에 따라 생체의학 임플란트 기기에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있으며, 제품 수요도 향 후 8년간 지속적으로 증가할 것으로 예상된다. 2장에서는 생의학 카테터와 관련된 감염을 예방하기 위해 다양한 항균 코팅에 대해 연구하였다. 그러나 이러한 물질은 일반적으로 생체 내에서 코팅 물질의 분해로 인해 항균 효과와 생체 적합성을 지속적으로 제공하기 어렵다. 게다가, 생체 의료 카테터는 마찰 손상을 줄이기 위해 표면 마찰이 낮아야 한다. 이 연구에서 우리는 수용성 기반의 손쉬운 코팅 방법을 사용하여 폴리이미드 표면을 생체 적합성 아미노산(류신, 타우린 및 아스파트산)으로 개질시킨 방오 표면을 개발했다. 아미노산 개질은 대장균 (Escherichia coli)과 포도상구균 (Staphylococcus epidermidis)뿐만 아니라 단백질, 알부민 및 피브리노겐에 대한 방오 활성을 입증하였다. 카테터의 표면 마찰특성을 측정한 결과, 아스파트산으로 개질한 폴리이미드 카테터는 0.81N에서 0.44N로 마찰력이 극적으로 감소하였다. 이 연구에서 제안된 표면 개질 방법은 폴리이미드 표면과의 생체 적합성 및 다양한 생체 기능이 요구되는 의료 장비에 적용될 수 있다. 3장에서는 웨어러블 pH 센서에 대한 염기성 아미노산 접합에 따라 항균 성능의 증대 연구를 수행하였다. 지속적인 모니터링이 가능한 웨어러블 센서는 매우 유망한 기술이다. 특히 웨어러블 센서는 상처의 상태를 모니터링하면서 상처 치유 과정에 큰 도움이 될 수 있다. 항균 활성이 있는 pH 모니터링 상처 치유 드레싱의 표면에 자가 조립 방법을 통해 아미노산 단층을 접목시키는 방법을 도입했다. 라이신과 아르기닌인 염기성 아미노산은 pH 의존성 양쪽이온성 작용기를 가지고 있다. 염기성 아미노산으로 변형된 표면은 생체 내에서 순전하가 0인 양쪽성 이온 특성을 나타낸다. 또한, 고유의 양성 잠재력으로 인해 양성 항균 펩타이드와 유사한 방오 및 살균 특성을 가지고 있다. 이 연구에서는, 표면 처리하지 않은 폴리이미드와 변성 음이온성 아미노산인 류신과 비교하여 염기성 아미노산이 접목된 폴리이미드 표면은 우수한 살균, 방오 및 생물막 형성 억제를 보였다. 아미노산이 접목된 폴리이미드는 pH를 모니터링하여 상처 치유를 위한 박테리아 오염을 감지할 수 있었다.