KR100277165B1 - 방사선 조사된 키토산을 이용한 생체친화성항균기능 의료용 섬유 제조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방사선을 조사한 키토산(chitosan)을 이용하여 생체친화적이며 항균기능을 갖는 의료용섬유를 제조하는 방법에 관한 것으로, 본 발명의 항균성 의료용 섬유는 생체친화성과 항균성이 우수한 키토산에 적당량의 방사선을 조사하여 키토산의 항균효과를 극대화시키고 산용액에 녹인 다음, 직물을 침지하고 알칼리용액에 넣어 고화시킴으로써 제조되는데, 기존의 의료용 섬유에 비해 항균성이 우수할 뿐 아니라 알칼리에 의해 흡착시키므로 키토산의 탈리현상도 적은 특성을 나타낸다.

Description

방사선 조사된 키토산을 이용한 생체친화성 항균기능 의료용 섬유 제조

본 발명은 생체친화성이 우수한 키토산에 적당량의 방사선을 조사하고 산용액에 녹인 다음 직물을 침지시킨 후 다시 수산화나트륨 용액에서 고화시켜 항균성이 우수한 의료용 섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.

최근 들어서 자원의 효율적인 이용뿐만 아니라 환경 문제 차원에서 천연 고분자의 중요성이 대두되고 있으며, 천연 고분자의 하나로 종래에는 이용되지 않던 생물자원의 하나인 키틴, 키토산 같은 다당류에 대한 관심이 높아지고 있다. 즉 이러한 천연 고분자에 일정한 기능을 부여하여 의료용, 의약, 식품 및 환경 등의 분야에 이용하려는 연구가 활발히 이루어지고 있다.

키틴(chitin, β-poly-N-acetyl-D-glucosamine)은 게, 새우, 곤충 등의 갑각류, 절족동물의 외골격과 균류(fungi)나 조류(algae) 같은 식물의 세포벽 등에 다량 함유되어 있으며, 셀룰로오스 다음으로 자원이 풍부하지만 거의 이용되지 못하고 폐기되어 왔다. 그러나 최근에는 여러 가지 기능성을 갖는 천연고분자로서 크게 각광을 받고 있다.

키토산(chitosan, β-poly-D-glucosamine)은 키틴의 탈아세틸화물로서 생체적합성과 미생물에 의한 생분해성이 뛰어나고 그 자체가 제산작용, 콜레스테롤 저하작용 및 종양 억제작용 등의 약리작용을 나타내기 때문에 약물전달체, 혈액응고제, 및 인공피부 등의 의료용 재료로서 연구되고 있으며, 최근에는 식품의 첨가제로도 이용되고 있다.

유키타(Uchida, Anti-microbial characteristics of chitin and chitosan, Food Chem. 2, 22-29, 1988년)는 키토산이 아미노기의 형성으로 항균성을 갖고 있다고 발표한바 있고, 휴즈(Hughes, The role of cellulosics in chitosan flocculation of Zymomonas mobilis, Biotechnol. Techniques, 8, 541-546, 1994년)는 아민기의 수에 따라서 항균성이 다르다고 발표한 바 있다. 즉 키토산은 아미노기의 형성으로 인해 항균성을 나타내며, 아민기의 수에 따라서 그 항균성이 다르게 나타난다.

한편 섬유에 대전방지성, 염색성, 흡착성 등의 기능성을 부여하는 방법으로는 자외선을 조사하여 섬유표면을 개선하고 키토산으로 표면코팅하는 방법이 일본특허(일본특허공보 9-194416)에 공지되어 있다. 그러나 상기한 특허는 키토산을 산에 녹인 다음 그 용액에 함성섬유를 침지하고나서 물로 세척하여 건조하는 과정을 거치고 있으며, 이러한 방식은 반복 세척시 키토산이 탈리하며 항균능력이 높지 않은 단점이 있다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하면서 의료용 섬유의 항균성을 증대시키는 방법을 연구하던 중, 본 발명자는 방사선 조사한 키토산을 산용액에 녹이고 이 키토산 용액에 직물을 처리하고 나서 알칼리 용액에 급속 침지하면 우수한 항균성을 가진다는 것을 밝혀냄으로써 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 현재 의료용으로 이용되는 직물에 방사선 조사된 키토산을 이용하여 항균성을 높이고, 키토산의 탈리가 적게 일어나도록 함으로써 항균성이 우수한 의료용 섬유를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

도 1a는 방사선 조사량에 따른 항균성을 나타낸 것이고,

도 1b는 방사선 조사량에 따른 키토산의 세균생육 억제효과를 나타낸 것이며,

도 2는 키토산액에의 침지시간에 따른 항균성을 나타낸 것이고,

도 3은 키토산 농도에 따른 항균성을 나타낸 것이며,

도 4는 균의 종류에 따른 항균성을 나타낸 그래프이다.

이상의 도면에서 CFU는 콜로니 생성단위(colony forming unit)를 나타냄.

본 발명은 방사선을 키토산에 조사하는 단계, 조사된 키토산을 산으로 용해하는 단계, 키토산용액에 직물을 일정시간동안 침지시켜 표면에 코팅처리하는 단계, 코팅처리한 직물을 알칼리용액에 담궈 고화시키는 단계로 이루어지는, 항균성을 갖는 의료용 섬유를 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명에서 방사선으로는 여러종류의 방사선을 모두 사용할 수 있는데 특히감마선이 바람직하며, 조사선량은 40 - 200kGy가 되도록 하는 것이 바람직하다.

키토산을 녹이는 용액으로는 무기산수용액을 이용하는데, 특히 아세트산이 이용될 수 있다.

또한, 키토산용액에 침지시키는 시간은 키토산농도를 0.5 중량%, 방사선 조사량을 120kGy로 했을 때 10분에서 3시간 사이가 적당하며, 일정한 시간이 지나면 항균성은 일정해진다.

바람직한 키토산 농도는 0.1 - 0.5 중량%이다. 항균성은 키토산 농도에 따라 증가하지만 키토산 농도가 0.5 중량%를 넘으면 면직물의 침지처리시에 문제점이 발생하므로 그 이하의 농도로 키토산용액을 이용하는 것이 바람직하다.

한편 본 발명에 의하여 제조된 의료용 섬유의 항균성은 여러 종류의 균주에 대해 모두 적용되는데, 특히 대장균에 대하여 그 효과가 높다.

아울러 본 발명은 의료용 섬유를 키토산 용액에 침지시킨 후 알칼리용액에서 고화시킴으로써 이후의 세척과정에서 키토산이 탈리되는 것을 방지한다. 이용되는 알칼리 용액으로는 특히 수산화나트륨 용액이 바람직하며, 농도는 0.1 - 5몰이 바람직하다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

< 실험예 1 > 방사선 조사량이 항균성에 미치는 영향실험

1a) 항균처리된 면직물을 균의 배양액에 넣어 배양한 경우.

우선, 키토산(TCI제품)의 향균성을 극대화하기 위해 공기중에서 각각 40, 80, 120, 160, 200kGy의 방사선량으로 감마선을 조사하고, 이것을 0.5% 아세트산 수용액에 녹여 각각 키토산의 농도가 0.1, 0.25, 0.5 중량%가 되도록 키토산 용액을 만들었다. 일정한 크기로 절단된 면직물(가아제, 명진양행주식회사제품)을 각각의 키토산 용액에 일정시간 침지한 후, 1몰의 수산화나트륨 수용액에 45초동안 침지하여 고화시켰다. 그 후 증류수로 여러 번 세척하여 크린후드(clean hood)에서 상온 건조시켜 실험에 사용할 키토산으로 처리된 면직물(이하 시험편이라 한다.)를 얻었다.

한편, 키토산의 항균성은 진탕법(shake flask method)을 이용하여 균의 생육억제효력을 측정하여 평가하였다. 즉 균액에 시험편을 넣고 일정시간 교반기에서 진탕배양한 후 생균수를 측정함으로써 균의 생육억제율로 항균성을 측정하였다.

구체적으로 살펴보면, 먼저 균주용액은 대장균(E.coli), 포도상구균(S.aureus), 슈도모나스 푸티다(P.putida)를 불꽃멸균된 백금으로 한 번씩 취한 다음 미리 준비된 배양액 100㎖(3g beef extract, 5g peptone, 15g agar, 1,000㎖ 증류수)에 균주를 넣은 후 37℃ 배양기 안에서 20시간 배양시켜 제조하였다.

한천배지는 한천배지용액(23g Nutrient agar, 1,000 mL 증류수)을 기포가 올라올 때까지 흔들며 가열하여 끓인 다음 pH를 6.8 정도가 되게 한 후 121℃ 압력용기 안에서 15분 동안 살균시키고, 이 멸균된 용액을 크린후드 안에서 페트리디쉬(petri dish)에 3분의 1 정도까지 부어 20분에서 30분 동안 방치하여 굳힌 다음 이것을 37℃ 오븐에서 2-3 시간동안 건조시켜 수분이 제거된 평판 한천배지를 만들었다.

항균성평가는 먼저 테스트튜브(test tube)에 배양액 9 ㎖를 넣고 앞에서 제조한 균액 1 ㎖를 채취하여 혼합한 다음 면직물을 침지한 후 배양기 안에서 37℃, 150rpm의 속도로 흔들면서 배양시켰다. 배양 후 튜브에서 1 ㎖의 배양액을 9 ㎖ 희석수에 넣어 10^-1로 희석하고 볼텍스(vortex)를 이용하여 혼합한 후 다시 1 ㎖를 취하여 10^-2로 희석하였다. 이렇게 반복하여 10^-8까지 희석한 뒤 각 균액 희석수로부터 0.1 ㎖를 채취하여 한천배지상에 떨어뜨리고 유리막대를 이용하여 고루 편 다음, 37℃ 배양기에서 15시간 이상 배양시켜 형성된 콜로니(colony) 수를 셈으로써 생균수를 확인하였다. 그래프상에는 생균수의 로그값을 취하여 나타내었다.

본 실험예 1a에서는 키토산 용액의 농도는 0.5 중량%로 하였고, 면직물의 침지시간은 30분이었으며, 균주로는 대장균을 사용하였다.

이와 같은 조건하에 감마선의 조사량을 각각 40, 80, 120, 160, 200kGy로 달리하여 생균수를 측정한 결과, 방사선 조사되지 않은 경우 시료의 생균배양억제력은 12시간 경과 후 상실되었지만, 방사선 조사된 키토산 용액으로 처리한 경우 억제시간이 약 100%이상 증가하였으며, 특히 120kGy로 조사하였을 때에는 200%이상 억제력이 증가하였다. (도 1a)

구체적으로 보면, 방사선을 조사하지 않은 시료의 경우 접종후 12시간이 경과할 때까지 균의 수가 유지되다가 그 후 급격히 생균수가 증가하지만, 120kGy로 조사하였을 때에는 30시간이 지나도 생균수가 크게 증가하지 않았다. 이는 120kGy로 방사선 조사한 키토산의 경우가 가장 항균성이 뛰어남을 보여주는 결과이다.

결국, 방사선 조사량이 증가할수록 항균력도 비례하여 증가하며, 조사되는 방사선량은 40 ~ 200kGy가 바람직하고 특히 120kGy가 바람직하다.

1b) 항균처리한 면직물에 직접 균주를 접종한 경우

키토산에 각각 그 조사량이 40, 80, 120kGy되도록 감마선을 조사하고 0.5 중량%농도의 키토산 용액을 만들었다. 이 용액에 면직물을 30분간 침지하여 항균성 면직물을 만든 후, 면직물에 균액 0.1㎖를 직접 떨어뜨리고 일정한 시간이 경과한 다음 생균수를 측정하였다. 그 결과 균액처리후 방치시간이 24시간이 되기까지는 방사선을 조사한 경우와 방사선을 조사하지 않은 경우가 거의 비슷하게 생균수의 감소를 보였으나, 24시간이후에는 방사선을 조사한 키토산으로 처리한 면직물에서 균의 소멸속도가 빨랐다. 구체적으로 살펴보면, 방사선을 조사하지 않은 경우 균이 모두 소멸하는데 56시간가량 걸렸으나, 방사선 조사된 키토산으로 처리한 경우 그 시간이 점점 단축되었으며, 특히 120kGy의 방사선량으로 조사된 경우 약 후에는 균이 모두 소멸하여 뛰어난 세균생육 억제효과를 나타냈다. (도 1b)

결과는 위의 실험예 1a와 같이 방사선량이 40 ~ 120kGy인 범위에서 높은 항균효과를 나타냈으며, 특히 120kGy에서 가장 높은 항균성을 나타냈다.

< 실험예 2 > 키토산액에의 침지시간이 항균성에 미치는 영향

키토산의 방사선 조사량을 120kGy로 일정하게 하고, 0.5 중량% 키토산 용액에 면직물의 침지시간을 각각 5분, 10분, 20분, 30분, 1시간, 3시간, 5시간으로 변화시켜 처리한 후 침지시간에 따른 항균성을 평가하였다. 침지시간이 길수록 항균성은 증가하나, 3시간 경과 후부터는 생균배양 억제능력이 일정해졌다. (도 2)

따라서 결과적으로 키토산의 침지시간은 10분이상 3시간이하가 바람직하며, 특히 3시간가량 침지하였을 때 가장 높은 항균효과를 얻을 수 있다.

< 실험예 3 > 키토산 농도가 항균성에 미치는 영향

키토산의 방사선 조사량은 120kGy, 키토산 용액에의 침지시간은 30분으로 고정시키고 키토산 용액의 농도를 0.1 중량%, 0.25 중량%, 0.5 중량%, 로 달리하여 항균성을 평가하였다. 그 결과 키토산 농도가 증가함에 따라 항균성도 향상되었으며, 보다 구체적으로는 키토산농도가 0.5 중량%인 경우에는 약 30시간정도 생균생장 억제능이 유지되었다. 이는 키토산을 처리하지 않은 경우 생균생장 억제능이 약 15시간 가량만 유지되는 것에 비해 약 2배로 항균성이 향상된 것을 의미한다.

(도 3)

따라서 항균성을 높이기 위해서는 키토신의 농도를 0.1 ~ 0.5 중량%로 유지하는 것이 좋으며, 특히 0.5 중량%가 바람직하다.

		균 접촉시간(hours)
침지시간(min)	키토산농도(%)	0	15	18	21	24	27	30	33
5	0.1	4.3×108	4.0×108
	0.25	4.3×108	3.5×108	3.0×109
	0.5	4.3×108	3.2×108	3.0×109
10	0.1	4.3×108	3.4×108	3.0×109
	0.25	4.3×108	3.0×108	2.0×108	1.7×109
	0.5	4.3×108	3.3×108	3.1×108	2.0×109
20	0.1	4.3×108	3.8×108	1.5×108
	0.25	4.3×108	3.0×108	3.6×108	2.1×109
	0.5	4.3×108	3.1×108	3.3×108	3.3×108	2.9×108	1.8×109
30	0.1	4.3×108	4.0×108	3.6×108	1.6×109
	0.25	4.3×108	3.1×108	3.2×108	3.7×108	2.7×108	2.0×109
	0.5	4.3×108	2.8×108	3.2×108	2.8×108	3.0×108	2.8×108	2.4×108	2.5×109

한편 표 1에 나타난 바와 같이 침지시간에 관계없이 키토산의 농도가 증가하면 생균생장 억제능이 향상되며 특히 0.5 중량%의 키토산 농도에서 그 효과가 가장 크다. 본 발명에서는 키토신의 농도를 0.5 중량%이하로 한정하였는데 이는 그 이상의 농도에서는 면직물의 침지처리가 어려워지기 때문이다.

< 실험예 4 > 균의 종류에 따른 항균성실험

키토산이 방사선 조사량은 120kGy, 키토산 용액에 침지시간은 30분, 키토산 용액의 농도는 0.5 중량%로 일정하게 하고, 사용 균의 종류를 각각 대장균(E.coli), 포도상구균(S.aureus), 슈도모나스 푸티다(P.putida)로 달리하여 항균성을 평가하였다.

그 결과 방사선을 조사하지 않은 경우에는 세 종류의 균주가 비슷한 생육 억제율을 보였으나, 동일한 조건으로 방사선 조사된 키토산으로 처리한 경우에는 대장균이 가장 우수한 생육억제효과를 나타냈다. 구체적으로 살펴보면, 가장 높은 항균성 증가율을 보인 것은 대장균으로 그 증가율이 250%정도였으며, 가장 낮은 항균성 증가율을 나타낸 포도상구균도 그 증가율이 100%에 달했다.

결과적으로 방사선 조사된 키토산의 항균성은 여러종류의 균주에 모두 효과가 있으며, 특히 대장균에 대한 항균성이 가장 높다.

< 실시예 1 > 항균처리섬유의 제조

공기중에서 키토산(TCI사 제품)에 조사량 120kGy로 하여 감마선을 조사하여 항균성을 극대화시키고, 이것을 0.5% 아세트산 수용액에 녹여 키토산 농도가 0.5 중량%가 되도록 하였다. 의료용 면직물(가아제, 명진양행 제품)을 3시간동안 침지시킨 다음, 1몰의 수산화나트륨 수용액에서 45초동안 침지하여 고화시켜 항균성 섬유를 얻었다.

< 실시예 2 >

실시예 1과 같은 방법으로 항균성 섬유를 제조하였으며, 그 중 키토산의 농도는 0.25 중량%로 하였다.

< 실시예 3 >

실시예 1과 같은 방법으로 항균성 섬유를 제조하였으며, 그 중 수산화나트륨 수용액은 5몰 농도로 사용하였다.

< 실시예 4 >

실시예 1과 같은 방법으로 항균성 섬유를 제조하였으며, 그 중 방사선 조사량은 80kGy로 하였다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 방법인 방사선 조사한 키토산을 녹인 산용액에 직물을 침지시킨 후 알칼리 용액에서 고화하는 방법으로 처리한 섬유는, 기존의 의료용 섬유에 비해 항균성능이 우수할 뿐 아니라 알칼리에 흡착된 키토산의 탈리현상도 적어, 생체친화적이며 뛰어난 항균성을 가진 의료용 섬유등의 제조에 유용하게 이용될 수 있다.

Claims (5)

1. 키토산을 방사선 조사하고 산용액에 녹인 다음 키토산 용액에 직물을 침지하고 알칼리 용액으로 고화시킴으로써 항균성 섬유를 제조하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 방사선은 감마선을 이용하는 것을 특징으로 하는 항균성 섬유 제조방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 방사선 조사량은 40 ~ 200kGy인 것을 특징으로 하는 항균성 섬유 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 키토산 용액의 농도를 0.1 ~ 0.5 중량%로 하는 것을 특징으로 하는 항균성 섬유 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서, 알칼리 용액은 0.1 ~ 5몰의 수산화나트륨 수용액인 것을 특징으로 하는 항균성 섬유 제조방법.