Injectable Hydrogels of Block Copolypeptides with Multiple Stimuli Responsiveness and Their Anisotropic Nanofibers for Biomedical Applications

Abstract

Stimuli-responsive multi-block copolymers have been used as promising candidates for biomedical applications because they are capable of environmentally-triggered dynamic self-assembly and controllable drug release kinetics. Especially, as the conformational change occurs in response to a range of environmental conditions such as temperature, ionic strength, and ligand molecules, these copolymers undergo three-dimensional changes, resulting in controlled physical and mechanical properties. Recently, genetically engineered protein-based materials have been considered, for drug delivery and controlled release applications, as alternatives to chemically synthesized materials. Various protein-based materials and their hybrids to form micro- or nanostructures have been studied, and proved their biocompatibility, biodegradability, and low cytotoxicity. In this thesis, we genetically synthesized multi-stimuli responsive triblock copolypeptides to develop the self-assembled hydrogels and electrospun anisotropic fibers for advanced biomedical applications. The ABA type triblock copolypeptides composed of thermo-sensitive elastin-based polypeptide (EBP) and ligand-responsive calmodulin (CalM) were genetically engineered, over-expressed, and non-chromatographically purified. These EBP-CalM-EBP (ECE) triblock copolypeptides self-assembled into micellar and vesicular structures under diluted conditions, while formed thermally induced hydrogel networks under concentrated conditions. In chapter 1, we developed triblock copolypeptides with reversible gelation induced by the thermally-triggered transition of EBP end blocks. These hydrogels showed controlled rheological and mechanical properties depending on the conformational changes of CalM middle block, exhibited the biocompatibility, and low cytotoxicity in vitro. Further, the controlled release of ligand molecules from CalM block suggested the potential as injectable drug delivery depots. Meanwhile, we developed another class of ECE triblock copolypeptides capable of physical and chemical crosslinking, called E12CE12 and E36CE36, in chapter 2. These triblock copolypeptides exhibited controlled rheological and mechanical properties depending on the conformational changes of CalM middle block, and molecular weight of EBP end blocks, and also showed irreversible gelation via natural oxidation. Both ECE triblock copolypeptides with stimuli-responsiveness would be useful as injectable drug delivery depots for biomedical applications. In chapter 3, we developed bicompartmentalized nanofibers, composed of ECE triblock and its control triblock, via electrohydrodynamic (EHD) co-jetting process. These anisotropic nanofibers exhibited structural stability in the aqueous conditions, and controlled swelling ratio depending on the solubility of CalM middle block. The decrease of solubility due to the charge neutralization of CalM also effected their erosion rate. These studies indicate that the bicompartmentalized nanofibers of triblock copolypeptides are useful materials for for tissue engineering scaffold and multi-modal drug delivery systems. In conclusion, these ECE triblock copolypepetides with multiple stimuli-responsiveness have great potential for various biomedical applications. |자극반응성을 지닌 다중 블록 공중합체는 주변환경에 의해 촉발되는 자가 조립과 약물 방출 거동을 조절할 수 있기때문에 생의학적 응용분야에 있어서 유망했다. 특히, 이러한 공중합체는 온도, 이온 강도 및 리간드 분자와 같은 다양한 환경 조건에 대한 반응으로 구조적 변화가 발생함에 따라 3차원적 변화를 겪으며, 이로 인한 물리적 및 기계적 특성을 제어할 수 있다. 최근에는 약물 전달 및 제어 방출 응용을 위한 화학적인 합성 재료의 대안으로 유전자 조작된 단백질 기반의 재료들이 고려되고 있다. 마이크로 혹은 나노 구조를 형성하기위한 다양한 단백질 재료들과 그들의 하이브리드들이 연구되었으며, 이들의 생체 적합성, 생분해성 및 낮은 세포 독성이 입증되었다. 이 논문에서 우리는 진보된 생의학적 응용을 위한 자가 조립된 하이드로겔과 전기방사된 이방성 섬유를 개발하기 위해 다중자극반응성을 지닌 삼중 블록 코폴리펩타이드를 유전적으로 합성하였다. 열 민감성 엘라스틴 기반 폴리펩타이드 (EBP) 및 리간드 반응성 칼모듈린 (CalM) 으로 구성된 ABA 유형의 삼중 블록 코폴리펩타이드는 유전 공학적으로 설계 및 합성되어 과발현되고, 비-크로마토그래피적인 방법으로 정제되었다. 이러한 EBP-CalM-EBP (ECE) 삼중 블록 코폴리펩타이드는 희석된 조건에서 미셀 및 소포 구조로 자가 조립되는 반면, 농축된 조건에서는 열적으로 유도된 하이드로젤 네트워크를 형성했다. 1장에서 우리는 EBP 말단 블록의 열적으로 촉발된 상전이에 의해 유도되는 가역적 젤화를 갖는 삼중 블록 코폴리펩타이드를 개발했다. 이러한 하이드로겔은 CalM 중간 블록의 구조적 변화에 따라 조절된 유변학적 및 기계적 특성을 나타내었고, 생체 적합성 및 시험관 내 낮은 세포 독성을 나타냈다. 또한, CalM 블록에서 리간드 분자의 제어 방출은 주사 가능한 약물 전달 저장소로서의 가능성을 시사했다. 한편 2장에서는, E12CE12 와 E36CE36 이라 명명된 물리적 및 화학적 가교가 가능한 또 다른 종류의 ECE 삼중 블록 코폴리펩타이드를 개발했다. 이러한 삼중 블록 코폴리펩타이드들은 CalM 중간 블록의 구조적 변화와 EBP 말단 블록들의 분자량에 따라서 그들의 유변학적 및 기계적 성질의 조절이 가능하였고, 자연적인 산화를 통해 비가역적인 젤화를 보였다. 이 두가지 ECE 삼중 블록 코폴리펩타이드들 또한 생의학적 응용분야들을 위한 주사형 약물 전달 저장소로서 유용할 것이다. 3장에서는 전기수력적 공동분사를 통해 ECE 와 그의 제어 삼중 블록 코폴리펩타이드로 구성된 이구획화된 나노섬유들을 개발했다. 이러한 이방성 나노섬유들은 수용액상에서도 구조적인 안정성을 보였고, CalM 중간 블록의 용해도에 따라 조절된 팽윤비를 나타냈다. CalM 중간 블록의 전하 중화로 인한 용해도의 감소는 나노 섬유의 침식 속도에도 영향을 주었다. 이러한 연구결과는 삼중 블록 코폴리펩타이드들의 이구획화된 나노섬유들이 조직공학 지지체 및 다각적 약물 전달 체제에 대한 적절한 재료임을 나타냈다. 결론적으로, 다중 자극 반응성을 갖는 이러한 ECE 삼중 블록 코폴리펩타이드들은 다양한 생의학 응용분야에 대한 활용이 가능할 것이다.