KR102207088B1

KR102207088B1 - 항균 활성을 갖는 구리주석 나노입자 제조방법, 항균성 구리주석 나노입자 및 이를 포함하는 항균 섬유

Info

Publication number: KR102207088B1
Application number: KR1020200046698A
Authority: KR
Inventors: 김병수; 김기수; 김범수
Original assignee: 김병수
Priority date: 2020-04-17
Filing date: 2020-04-17
Publication date: 2021-01-25

Abstract

본 발명은 항균 활성을 갖는 구리주석 나노입자 제조방법과 상기 방법으로 제조된 항균성 나노입자; 및 상기 나노입자를 유효성분으로 포함하는 항균 섬유에 관한 것이다. 본 발명의 제조방법은 환원제와 계면활성제의 조건과 혼합 반응의 조건 등을 조절함으로써 구리와 주석이 78 내지 80 : 20 내지 22의 비율을 갖는 항균성이 우수한 구리주석 나노입자를 효과적으로 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 상기 방법으로 제조된 구리주석 나노입자는 그람 양성 세균 및 그람 음성 세균에 대한 항균 활성이 우수하므로, 항균 기능이 필요한 플라스틱, 원단(섬유), 필터 등의 다양한 소재에 적용이 가능한바, 식품 산업, 의류 산업 및 의약품 산업 분야에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

항균 활성을 갖는 구리주석 나노입자 제조방법, 항균성 구리주석 나노입자 및 이를 포함하는 항균 섬유{Method for producing copper-tin nanoparticles with antibacterial activity, Copper-tin nanoparticles with antibacterial activity and Antibacterial fiber comprising copper-tin nanoparticles}

본 발명은 항균 활성을 갖는 구리주석 나노입자 제조방법과 상기 방법으로 제조된 항균성 나노입자; 및 상기 나노입자를 유효성분으로 포함하는 항균 섬유에 관한 것이다.

최근 은, 금, 백금, 구리와 같은 금속 입자의 살균효과는 이미 여러 분야에서 인정되고 있으며, 상기 금속 입자들은 살균력이 우수하여 세균 및 곰팡이 방지에 반영구적인 효과가 있다는 것이 입증되고 있다.

특히, 은의 경우 은나노 기술의 발전으로 은을 10억분에 1m 크기 또는 머리카락의 약 6만분의 1크기의 극미세 입자로 형성시켜 용액, 코팅 등을 통하여 우수한 항균성을 형성시키는 것은 이미 널리 알려져 있다.

그러나 아직까지, 구리와 주석 (78 내지 80 : 20 내지 22의 비율)의 나노입자를 제조하는 방법과 이들의 항균성에 대한 연구는 아직까지 보고된 바가 없다.

이에, 본 발명자는 전통 놋 금속을 나노입자화 하고 이들 나노입자가 우수한 항균성을 갖는지를 연구하였으며, 그 결과 환원제와 계면 활성제의 조건과 혼합 반응의 조건 등을 조절하여 78 내지 80 : 20 내지 22의 비율을 갖는 구리주석 나노입자를 제조할 수 있으며, 이렇게 제조된 78 내지 80 : 20 내지 22의 비율을 갖는 구리주석 나노입자가 항균성이 우수함을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.

한국공개특허 제10-2020-0012988호

따라서 본 발명의 목적은 우수한 항균활성을 갖는 구리주석 나노입자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 방법을 통해 제조된 항균성이 우수한 구리주석 나노입자를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 구리주석 나노입자를 유효성분으로 포함하는 항균 섬유을 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서,

본 발명은 a) 0.80 내지 0.98 M 농도의 구리전구체 용액과 0.1 내지 0.2 M 농도의 주석전구체 용액을 혼합하여 제1 혼합액을 제조하는 단계; b) 상기 제1 혼합액에 계면활성제를 첨가하여 제 2 혼합액을 제조하는 단계; c) 상기 제2 혼합액에 환원제를 첨가하여 염을 환원시키는 단계; d) 1차 원심분리 후 침전물을 증류수로 세척하는 단계; e) 2차 원심분리 후 침전물을 메탄올로 세척하는 단계; 및 f) 상기 e) 단계에서 세척이 완료된 침전물을 진공상태에서 건조시키는 단계를 포함하는, 항균 활성을 갖는 구리주석 나노입자 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 계면활성제는 양이온계면활성제일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 양이온 계면활성제는 CTAB(Cetyl trimethy lammonium bromide)일 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 항균 활성을 갖는 구리주석 나노입자를 제공한다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 나노입자는 구리와 주석이 78 내지 80 : 20 내지 22의 비율로 포함될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 나노입자는 무정형의 형태로 10 내지 200 nm 입경을 가질 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 나노입자는 그람 양성 세균과 그람 음성세균에 대한 항균 활성을 동시에 가질 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 그람 양성 세균은 스타필로코커스 아우러스이며, 그람 음성 세균은 대장균일 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 구리주석 나노입자를 유효성분으로 포함하는 항균 섬유 제공한다.

본 발명의 제조방법은 환원제와 계면활성제의 조건과 혼합 반응의 조건 등을 조절함으로써 구리와 주석이 78 내지 80 : 20 내지 22의 비율을 갖는 항균성이 우수한 구리주석 나노입자를 효과적으로 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 상기 방법으로 제조된 구리주석 나노입자는 그람 양성 세균 및 그람 음성 세균에 대한 항균 활성이 우수하므로, 항균 기능이 필요한 플라스틱, 원단(섬유), 필터 등의 다양한 소재에 적용이 가능한바, 식품 산업, 의류 산업 및 의약품 산업 분야에 유용하게 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 구리주석 나노입자(구리:주석=78:22)의 FE-SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 구리주석 나노입자(구리:주석=78:22)의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 구리주석 나노입자(구리:주석=78:22)의 원소 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 구리주석 나노입자(구리:주석=78:22)의 FT-IR 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 나노입자의 구리/주석의 비율에 따른 대장균 생장 저해율을 측정한 결과이다.
도 6은 나노입자의 구리/주석의 비율에 따른 스타필로코커스 아우러스 생장 저해율을 측정한 결과이다.
도 7은 나노입자의 구리/주석의 비율에 따른 대장균 및 스타필로코커스 아우러스의 시간별 박테리아의 CFU 형성 정도를 측정하여 그래프로 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 구리주석 나노입자(구리:주석=78:22)의 처리 농도별 대장균 생장 저해율을 측정한 결과이다.
도 9는 본 발명의 구리주석 나노입자(구리:주석=78:22)의 처리 농도별 스타필로코커스 아우러스 균의 생장 저해율을 측정한 결과이다.
도 10은 본 발명의 구리주석 나노입자(구리:주석=78:22)를 이용한 전기방사 나노섬유의 주사현미경사진을 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 구리주석 나노입자(구리:주석=78:22)를 이용한 전기방사 나노섬유의 항균성을 평가한 결과이다.

본 발명은 항균 활성을 갖는 구리주석 나노입자 제조방법을 제공함에 그 특징이 있다.

자세하게는, 본 발명의 구리주석 나노입자 제조방법은 a) 0.80 내지 0.98 M 농도의 구리전구체 용액과 0.1 내지 0.2 M 농도의 주석전구체 용액을 혼합하여 제1 혼합액을 제조하는 단계; b) 상기 제1 혼합액에 계면활성제를 첨가하여 제2 혼합액을 제조하는 단계; c) 상기 제2 혼합액에 환원제를 첨가하여 염을 환원시키는 단계; d) 1차 원심분리 후 침전물을 증류수로 세척하는 단계; e) 2차 원심분리 후 침전물을 메탄올로 세척하는 단계; 및 f) 상기 e) 단계에서 세척이 완료된 침전물을 진공상태에서 건조시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 a) 단계는 구리와 주석이 78 내지 80 : 20 내지 22의 비율을 갖는 나노입자를 형성시키기 위하여 구리전구체 용액 및 주석전구체 용액을 특정 몰(M) 농도로 혼합하는 단계로서, 자세하게는 0.80 내지 0.98 M 농도의 구리전구체 용액과 0.1 내지 0.2 M 농도의 주석전구체 용액을 동량으로 혼합하여 제1 혼합액을 제조하는 단계이다.

이때, 구리전구체로는 CuCl₂, Cu(NO₃)₂, CuCO₃, CuN₂O₆, CuO, Cu(CH₃COO)₂, CuSO₄, Cu(OH)₂, CH₂Cu₂O₅, Cu(CH₃COO)₂, Cu(HCOO)₂, Cu(CH₃CH₂COO)₂, CuC₂O₄, 또는 그 수화물 또는 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 또는, 구리전구체로는 Cu powder가 사용될 수도 있다.

주석전구체로는 SnCl₂, O₂Sn, SnCl₄, Sn(CH₃COO)₂, SnO, Sn(NO₃)₂, Sn(OH)₂, Sn(CH₃COO)₂, SnCO₃, CH₃(CH₂)₃SnCl₃또는 그 수화물 또는 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 또는, 주석전구체로는 Sn powder가 사용될 수도 있다.

본 발명의 b) 단계는 제1 혼합액에 계면활성제를 첨가하여 제2 혼합액을 제조하는 단계이다. 이때, 계면활성제로는 양이온성, 음이온성, 양성계면활성제, 또는 비이온성 계면활성제를 사용할 수 있다. 예를 들면, 음이온성 계면활성제로 sodium laury sulphate, ammonium lauryl sulfate, sodium stearate; 양이온성 계면활성제로 CTAB(Cetyl trimethy lammonium bromide), Cetrimonium chloride, Tetramethylammonium hydroxide ; 비이온성 계면활성제로 Triton x-100, Tween 80, Cetyl alcohol; 양성 계면활성제로 Lecithin 등이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 본 발명에서는 양이온성 계면활성제 또는 음이온성 계면활성제가 사용될 수 있다, 더욱 바람직하게는 양이온성 계면활성제, 특히 CTAB가 사용될 수 있다.

한편, 본 발명의 CTAB 계면활성제는 제1 혼합액 전체 중량 대비 0.005 M 내지 0.05 M 농도로 투입될 수 있다. CTAB 계면활성제가 상기 범위의 몰농도로 투입됨으로써, 구리주석 나노입자의 응집을 제어할 수 있고, 나노입자의 크기를 10 내지 100 nm의 입경으로 제어할 수 있다. 또한, 구리주석 나노입자를 균질하게 제조할 수 있다. 구체적으로, 하기 c) 단계에서 환원제에 의해 황산구리의 구리 이온은 구리 원자로 환원되고 이와 유사하게, 주석 이온은 환원에 의해 주석원자로 환원되는데, 환원 반응 후 구리와 주석은 구리주석(Cu-Sn) 나노입자인 균질 혼합물을 형성하게 된다. 이때 CTAB 계면활성제에 의해 구리주석(Cu-Sn)의 응집이 제어될 수 있다. 나노입자 형성 시, CTAB 계면활성제는 구리주석(Cu-Sn) 응집 입자의 표면에 부착되고 표면 장력 또는 계면 장력을 감소시키게 되며, 이로 인해 나노입자의 크기를 10 내지 100 nm의 입경으로 제어할 수 있다. CTAB 계면활성제의 몰농도가 0.005 M 내지 0.05 M의 범위를 벗어날 경우, 과응집되어, 큰 금속 조각처럼 구리주석 덩어리가 합성될 수 있다.

계면활성제의 이온은 나노입자에서 도펀트로서 작용할 수 있다. CTAB와 같은 양이온성 계면활성제를 사용할 경우 양전하 이온이 나노입자에 도핑되며, SDS와 같은 음이온성 계면활성제를 사용할 경우 음전하 이온이 나노입자에 도핑될 수 있다.

본 발명에서는 CTAB 양전하 계면활성제를 사용함으로써, 나노 입자에 양(+)의 표면 전하를 부여할 수 있디. 즉, 본 발명의 CTAB 양전하 계면활성제를 사용하여 제조된 나노입자는 표면이 양전하를 가지게 되고, 이를 통해, 음전하인 박테리아 세포 또는 세포막의 펠리클의 표면에 쉽게 접촉될 수 있다. 따라서, 본 발명의 나노 입자는 박테리아 세포막을 통해 세포내로 유입되어 항균효과를 증진 시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 CTAB 양전하 계면활성제는 세포 독성이 없어 생체 적합성이 우수하다. 따라서 본 발명의 구리주석 나노입자는 인체와 밀접하게 사용될 수 있는 소재에 적용할 수 있다.

본 발명의 c) 단계는 제2 혼합액에 환원제를 첨가하여 염을 환원시키는 단계이다. 본 발명의 c)단계에서 사용될 수 있는 환원제는 일반적으로 알려진 금속환원제가 사용될 수 있다. 예를 들면, NaBH₄, Zn/HCl, Sn/HCl, Mg/HCl, LiAlH₄, Sodium citrate, Ammoniacal silver nitrate, Ascorbic acid, Hydrazine, Ammonia solution, Dextrose, 또는 FeCl₂등의 환원제가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 수소화붕소나트륨(NaBH₄)이 사용될 수 있다.

본 발명에서는 수소화붕소나트륨을 환원제로 사용함으로써, 놋의 전통적인 비율인 구리와 주석의 78:22의 비율, 또는 78 내지 80 : 20 내지 22의 비율로 나노입자를 제조할 수 있다. 상기 수소화붕소나트륨 환원제는 수성의 매질에서 하기의 반응을 통해 Sn ++, Cu ++ 및 Sn ++/ Cu ++의 혼합물을 환원시킬수 있다.

Cu⁺⁺ + 2e^- = Cu

Sn⁺⁺ + 2e^- = Sn

이에 의해, 금속 양이온이 금속 종자(metallic seed) 원자로 환원되고, 계속해서 환원된 금속 이온이 금속 종자 주위에 응집되며, 응집된 금속 종자는 특정 크기로 계속 성장할 수 있다. 한편, 앞서 설명한 바와 같이, b) 단계에서 투입한 CTAB 계면 활성제를 통해 나노입자의 입경 크기를 제한할 수 있다.

한편, 본 발명에서 수소화붕소나트륨 환원제는 제2 혼합액 전체 중량 대비 2 M 내지 12 M 농도로 투입될 수 있다. 이러한 범위의 농도를 통해, 금속 이온을 상응하는 금속으로 환원시키기 위한 반응 속도를 제어할 수 있고, 구리주석 나노입자를 균질하게 제조할 수 있다. 즉, 핵 생성 단계 동안 각기 다른 수의 핵중심이 형성됨에 따라서 금속 이온을 상응하는 금속으로 환원시키기 위한 반응 속도를 제어할 수 있다. 또한 이들은 금속 이온으로의 전자 이동을 개시하게 할 수도 있다.

수소화붕소나트륨은 강력한 환원제로써, 다음과 같이 2 단계로 작용할 수 있다. 먼저, 하기의 1 단계 반응을 통해 수소화붕소나트륨이 이온화되어 수소화붕소 이온이 생성된다.

(1 단계) NaBH₄ = Na⁺ + BH₄ ^-

상기 반응에서 BH₄ ^-(borohydride)는 수소의 공급원이 된다.

다음으로, 하기의 2 단계 반응을 통해 수소화붕소 이온은 이온화되어 수소화물 이온을 생성한다.

(2 단계) BH₄ ^- = BH₃ + H^-

상기 반응에서 생성되는 수소화물 이온은 실제 환원제이다.

이 수소(hydrogen)는 금속 이온을 금속 원자로 줄이는 역할을 한다. 이들 금속 원자는 응집되어 나노 입자를 형성할 수 있게 된다.

BH4^- 가수 분해가 느리기 때문에 본 발명의 제조 방법은 화학적 손실을 줄일 수 있다. 또한 본 발명에서는 물을 사용하여 준비한 붕소화나트륨 용액을 사용하기 때문에 수소 발생 속도가 느리고 반응을 적절하게 제어 가능하다. 그러나 만약 붕수소화 나트륨을 메탄올(메틸 알코올)에 용해시키면 반응 속도가 빠르고 화학 손실이 많으며 격렬한 반응으로 인해 위험할 수 있다.

또한 수소화붕소나트륨을 환원제로 사용하는 경우, 나노입자의 제조 후, 세척하여 원치 않는 이온인 Na⁺를 쉽게 제거 할 수 있다. 예를 들어, Mg 염, Zn 염, Sn 염이 포함된 환원제 (예를 들어, Sn/HCl, Mg/HCl, Zn/HCl)를 사용하면 이러한 금속 이온이 환원 과정을 방해할 수 있다. 이들은 합금 나노 입자를 형성할 수 있고, 이로 인해 이들 금속 이온을 제거하기 어려울 수 있다. 즉, 이들 금속 이온이 2가 이온 (2 개의 양전하, 예를 들어 Zn⁺⁺)이기 때문에 좌표 공유 결합으로 인해 강한 결합을 형성할 수 있고, 킬레이트화할 수 있다. 또한 강력한 환원제는 LiAlH₄ 등이 있으나 이는 수소화붕소나트륨에 비해 더 비싸고 취급 중에 더 많은 주의가 필요하다.

본 발명의 d) 단계는 1차 원심분리 후 침전물을 증류수로 세척하는 단계로서, 자세하게는 상기 c) 단계를 통해 수득한 환원물을 원심분리를 통해 침전시킨 후 증류수로 3 내지 8회 반복 세척하는 단계이다.

본 발명의 e) 단계는 2차 원심분리 후 침전물을 메탄올로 세척하는 단계로서, 상기 d) 단계를 통해 수득한 증류수로 세척이 완료된 침전물을 다시 최종 원심분리한 후 메탄올로 세척하는 단계이다.

본 발명의 f) 단계는 세척이 완료된 침전물을 진공상태에서 건조시키는 단계로서, 자세하게는 상기 e) 단계에서 세척이 완료된 침전물을 오븐에 넣고 진공상태에서 60℃의 조건에서 건조시키는 과정을 통해 최종적인 본 발명의 나노입자를 수득하는 단계이다.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 항균 활성을 갖는 구리주석 나노입자을 제공한다.

본 발명의 상기 나노입자는 구리와 주석이 78 내지 80 : 20 내지 22의 비율을 가질 수 있으며, 바람직하게는 78:22 또는 80:20의 비율을 가질 수 있다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 나노입자는 무정형의 형태로 10 내지 200 nm 입경을 가질 수 있다. 이러한 입경 크기를 통해 항균기능이 필요한 물질의 소재에 보다 다양하게 적용할 수 있다. 즉, 항균 섬유, 항균 플라스틱, 항균 필터, 항균 거즈, 항균 코팅제, 항균 식품 포장제, 항균 의료용품 등에 용이하게 적용할 수 있다.

본 발명의 상기 나노입자는 그람 양성 세균과 그람 음성세균에 대한 항균 활성을 동시에 가질 수 있다.

하기 실험에서는 본 발명의 구리주석 나노입자의 항균성 평가를 위해 그람 양성 세균은 스타필로코커스 아우러스 및 그람 음성 세균은 대장균을 이용하여 연구를 수행하였으며, 그 결과 구리주석이 20:80의 비율로 제조된 나노입자와 비교하여 구리주석 비율이 80:20 과 78:22로 제조된 나노입자에서 항균 활성이 두드러지게 우수한 것으로 나타났다.

특히, 구리주석 비율 80:20 과 78:22은 거의 유사한 항균활성을 보였지만, 항균 활성을 나타내는 시간적 면에서 78:22비율의 나노입자가 더욱 빠른 시간내에 항균효과를 보여주었다. 이것은 항균력이 구리의 함량과 비례하는 것 만은 아니다는 것을 보여주는 것이다.

또한, 본 발명은 구리주석 나노입자를 유효성분으로 포함하는 항균 섬유, 항균 플라스틱, 항균 필터, 항균 거즈, 항균 코팅제, 항균 식품 포장제, 항균 의료용품을 제공한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

1. 재료 및 방법

1.1 구리주석 나노입자의 합성

구리:주석이 78:22의 비율을 갖는 나노입자를 형성하기 위하여 0.883 M 농도의 염화제2구리 수화물(CuCl_2·H₂O) 50 mL과 0.1334 M농도의 염화제2주석 수화물(SnCl_2·2H₂O) 50 mL을 준비하여 혼합하였다. 이후 혼합액에 계면활성제 0.01 M 농도의 CTAB(양이온계면활성제, Cetyl trimethy lammonium bromide) 10mL 를 상온에서 10분간 볼텍싱(vortex)하여 용액을 완전히 섞어주었다. 이후 혼합액에 4 M 농도의 수소화붕소나트륨(sodium borohydroride, NaBH4)을 20 ml 넣어주면서 염을 환원시켰다. 이후 5,000 rpm으로 60분 동안 원심분리하여 생성된 나노입자를 침전시키고 이를 증류수(DW)를 이용하여 충분히 반복 세척하였다. 이후, 상기와 동일 조건에서 최종 원심분리 후 메탄올을 이용하여 세척한 후 침전물을 진공상태 60℃ 오븐에서 건조하여 본 발명의 구리주석 나노입자를 수득하였다. 참고로, 본 실험에서 사용한 염화제2구리와 염화제2주석은 wako에서 구입하였으며, CTAB는 ㈜대정에서 구입하였고, 수소화붕소나트륨는 Junsei chemical에서 구입하였다.

한편, 비교 실험을 위하여 순수 구리 나노입자, 주석 나노입자 및 각 다른 비율의 구리주석 나노입자를 제조하기 위하여, 염화제2구리 용액과 염화 제 2 주석 용액을 하기 표 1에서 나타낸 바와 같이, 각 몰비로 계산하여 위와 같은 방법으로 제조하였다.

실시예별 구리와 주석의 몰농도

구리:주석	염화제2구리	염화제2주석
80:20	0.907 M	0.121 M
78:22	0.883 M	0.1334 M
20:80	0.226 M	0.485 M

1.2 구리주석 나노입자의 FE-SEM, XRD, FI-IR 분석

FE-SEM을 위해 각 종류의 나노 입자 한 방울을 Si 웨이퍼에 흘렸다. 합성된 나노 입자의 표면 형태는 5.0 kV의 가속 전압에서 에너지 분산 형 X- 선 분광법 (EDS)이 장착 된 전계 방출 주사 전자 현미경 (FE-SEM, Carl Zeiss Supra-40 VP Germany)을 사용하여 연구되었다. 나노 입자의 결정도는 10 ° 내지 80 °의 브래그 각도, 2θ (2θ) 범위에 걸쳐 Cu Kα (λ = 1.54Å) 방사선을 갖는 X- 선 회절 (XRD, Rigaku Japan)에 의해 검사하였다. 분말 형태에 대한 보충 정보는 4000-400 cm^-1의 스펙트럼 범위에서 푸리에 변환 적외선 분광법 (FT-IR, Perkin Elmer Spectrum GX, USA)을 사용하여 얻었다.

1.3 나노입자를 포함하는 항균 섬유 제조

전기방사의 실시를 위하여 PCL(poly(caprolactone)) 고분자용액을 클로로포름을 용매로 하여 10% w/v 농도로 제조하여 방사용액을 제조한 뒤, 위 합성된 나노입자를 PCL 고분자에 대하여 1 wt% 로 혼합하였다. 전기방사를 위하여 전기방사노즐로 고분자용액을 정량펌프를 이용하여 시간당 1 mL 의 속도로 토출시키며 고전압 발생장치를 사용하여 50 kV 의 전압을 인가하고, 노즐과 집전체와의 거리를 유지하여 전기방사를 실시하였다.

1.4 항균 테스트

구리주석 나노입자 항균활성은 박테리아 항균 테스트에 사용되는 대표적인 그람 양성 세균인 스타필로코커스 아우러스(Staphylococcus aureus) 와 그람 음성세균인 대장균(Escherichia coli, E. coli)를 사용하였으며, 나노입자의 경우 항균의 활성은 CFU(colony forming unit) assay 방법과 나노섬유의 경우는 디스크확산법(paper disc diffusion assay)을 사용하였다.

CFU(colony forming unit) assay: 대장균과 스타필로코커스 아우러스를 이용하여 항균활성을 측정하였다. 측정은 시험 균주의 OD 600 = 0.1 (Nutrient broth의 1 ml)에 대장균과 스타필로코커스 아우러스를 나노입자 종류별 또는 나노입자의 농도별로 처리하여 37℃에서 24시간동안 반응시킨 후 Nutrient agar plate에 도말하여 병원균의 생균수(CFU)를 측정하여 확인하였다. 실험은 3회 평가 평균값을 결과로 도출하고, 대조군의 CFU를 100%으로 하여 상대적인 값을 분석하였다.

디스크확산법(paper disc diffusion assay): 나노입자를 혼합하여 전기방사한 섬유에 대한 항균시험은 구리주석 나노입자가 1% wt% 로 혼합하여 방사한 전기섬유를 8 mm 직경으로 준비하여 사용하였으며 이를 대장균과 스타필로코커스 아우러스 균을 각각 도말한 뒤, 제조된 섬유를 올리고 24시간 배양한 뒤 생육 저해환(clear zone)을 관찰하였다.

2. 결과

2.1 본 발명의 구리주석 나노입자의 FE-SEM, XRD, FI-IR 분석

FE-SEM 분석: 본 발명의 78:22 비율로 제조된 구리주석 나노입자의 FE-SEM 사진은 도 1에서 나타낸 바와 같이, 형성된 나노입자는 무정형의 형태로서 10 내지 200 nm 의 입경 분포를 보였다.

XRD 분석: 본 발명의 78:22 비율로 제조된 구리주석 나노입자의 XRD 분석 결과는 도 2에서 나타내었다. XRD 데이터에서의 샤프한 피크는 물질의 결정도를 보여준다. 구리 나노 입자는 각각 Miller 지수 (111), (200) 및 (220)에 해당하는 43.07, 50.10 및 74.01의 2θ 값에서 XRD 피크를 나타내었으며 이것은 구리 나노 입자의 면 중심 입방 구조를 나타내는 것으로서, JCPDS 파일 번호 5-0661과 일치하는 피크를 보여주고 있다. 상대적으로 적은 양의 Sn은 구리주석 나노입자 시료의 XRD에서 유의미한 피크를 나타내지 않지만 이것은 상대적으로 적은 양을 포함하는 것에 기인되는 것으로 판단된다. 또한 주석의 피크는 높은 2θ 값으로의 약간의 이동이 관찰되는데, 이것은 브래그스 법칙 (nλ = 2d Sin θ)으로부터 입증 된 바와 같이 결정의 평면 내 거리가 감소 된 것에 기인된다. 이러한 XRD 의 분석 피크의 결과는 구리와 주석의 복합으로 이루어진 구리주석 나노입자가 결정성이 우수하게 형성되었음을 알 수 있다.

또한 EDS 맵핑 분석의 결과는 Cu, Sn, Cl 및 O 원소 조성을 보여준다. 여기에서 구리 와 주석은 구리/주석 나노입자의 주요 구성 성분인 반면에 Cl 은 전구체의 잔류물로부터 도핑된 이완과 연관되어진 것이며, O 원소의 존재는 대기중 이산화탄소 또는 수분의 흡착에 의한 결과로 보여진다. 특히 이 구성 비율에서 구리주석 나노입자의 주요 구성 성분인 구리는 52.88 Wt% 주석은 15.75 Wt% 의 원소를 포함하고 있는 것으로 분석되며 이를 각 100% 환산시 이들의 구리:주석의 비율은 약 78:22 의 비율로 나노입자가 형성되었음을 알 수 있다(도 3 참조).

FI-IR 분석: FI-IR 분석의 결과에서 보여지는 3459.98 cm^-1에서의 넓은 피크는 기판의 -OH 진동에 기인 할 수 있으며, 이는 나노 입자에 부착 된 수산화물기에 기인 할 수 있다. 이 사실은 또한 동일한 샘플의 EDX 매핑에서 산소, 주석 및 구리의 존재에 의해 뒷받침되는 결과이다. 검출 가능한 양의 주석 수산화물의 존재는 주석 염 (Sn ++)과 NaBH4의 반응으로 인해 염기성 매질에서 잘못 정의 된 수산화물 SnO.xH2O 또는 Sn (OH) 2를 생성에 의한 피크로 보여지며, 665 cm^-1에서의 IR 피크는 산화 주석의 형성에 해당한다(도 4 참조).

2.2 본 발명의 구리주석 나노입자의 항균성 평가

구리와 주석의 비율에 따른 나노입자의 항균을 평가하기 위하여 구리:주석의 비율이 80:20, 78:22, 20:80 인 나노입자를 제조하고 이를 대표적인 그람 양성 세균인 스타필로코커스 아우러스(Staphylococcus aureus)와 그람 음성세균인 대장균(Escherichia coli, E. coli)에 대하여 박테리아 생장율을 평가하였다. 각 나노입자를 박테리아 접종배지에 각 1 mg/mL 의 농도로 첨가하여 24시간 배양 후 OD 를 측정하였다.

그 결과 도 5에서 나타낸 바와 같이, 보여주는 바와 같이 대장균에 대하여 구리와 주석의 비율이 80:20 인 나노입자와 78:22 인 나노입자는 약99.9%의 박테리아 세포 생장을 비슷하게 억제하였으나 20:80 비율로 제조된 나노입자는 약 60% 정도의 세포 생장율을 저해하는 것으로 나타났다.

또한 도 6에서 나타낸 바와 같이, 스타필로코커스 아우러스에 대하여 20:80의 나노입자는 약 60% 성장 저해율 효과를 보였으며, 80:20 과 78:22 는 각 각 99.1% , 99.8% 의 성장 저해율 효과를 보였다.

이러한 결과를 통해 구리주석 비율 78:22 와 80:20 비율의 나노입자가 강한 항균효과를 보이며 특히 스타필로코커스 아우러스 균에서는 78:22 비율의 나노입자가 더 강한 항균 효과를 갖는 것을 확인하였다.

또한 나노입자의 구리 주석 비율에 따른 항균효과를 평가하기 위하여 CFU 를 평가하였다. 그 결과 도 7에서 나타낸 바와 같이, 보는 바와 같이 대장균의 경우 78:22 비율의 나노입자는 15분부터 99.9% 이상의 살균 효과를 보였으며 80:20 의 경우에는 30분부터 95% 의 항균효과를 보이며 150 분까지 유지되는 것을 볼 수 있었다. 반면 구리와 주석의 20:80 로 제조된 나노입자의 경우150 분에서 약 50% 항균효과를 보였다. 스타필로코커스 아우러스 균은 구리주석 80:20 나노입자의 경우 45분에 99.9%, 78:22 비율의 나노입자는 30분부터 99.9% 의 항균효과를 보였으며, 20:80 비율의 경우 150분에서 약 60% 의 향균효과를 보였다.

이러한 결과는 초기 시간대 78:22 비율의 나노입자가 80:20의 나노입자보다 그 효과가 좀더 뛰어나며, 20:80 보다 뚜렷한 항균의 효과를 보이며, 이 나노입자는 그람 양성세균인 스타필로코커스 아우러스 보다 음성세균인 대장균에서 우수한 것으로 사료된다.

한편, 구리 주석의 비율 78:22 나노입자의 농도에 따른 항균효과를 평가하기 위하여 0.05, 0.5, 1, 5, 20 mg/mL 의 농도에 대하여 대장균과 스타필로코커스 아우러스에 대하여 세균생장 저해율을 평가하였다.

그 결과 도 8 및 도 9에서 나타낸 바와 같이, 두 세균은 0.05 mg/mL 의 농도에서 세균의 생장저해를 보였으며 이들은 모두 1 mg/mL 의 농도 이상에서 모두 99.9% 의 세균 성장 억제 효과를 보였다.

2.3 본 발명의 구리주석 나노입자를 포함하는 나노섬유

본 발명의 구리조석 나노입자의 항균기능을 소재로서 평가하기 위하여, 전기방사를 이용하여 구리주석 나노입자가 포함된 섬유를 제조하였다. 이들 방사된 섬유는 나노입자를 섬유에 혼재하는 방법은 원사내 항균제 고착법 및 후가공에 의한 항균제 표면 고착법등 여러 방법이 있지만 본 연구에서는 원사의 방사시 원사용액에 구리주석 나노입자를 혼합하여 원사를 제조하는 방법을 시행하였으며, 그 결과 도 10에서 나타낸 바와 같이, 전기방사를 통한 원단은 평균직경 500 nm 의 섬유로 이루져 있으며 이들 섬유 표면과 내부에 구리주석 나노입자가 흡착되어 있는 것을 관찰할 수 있었다.

2.4 본 발명의 구리주석 나노입자를 포함하는 나노섬유의 항균성 평가

구리주석 나노입자 (78:22)가 1% w/v 으로 포함된 전기방사 원단에 대하여 항균 테스트를 시행하였다. 통상의 Standard Antibacterial test “SNV 195920-1992”에 의하면 1 mm 이상의 억제띠가 생성이 되면 좋은 항균제로서 작용할 수 있다고 알려져 있다. 본 발명의 실험 결과 도 11에서 나타낸 바와 같이, 스타필로코커스 아우러스와 대장균의 저해환(clear zone)은 평균 1.5-2.0 mm 로서 제조된 구리주석 나노입자 (78:22)가 포함된 섬유원단이 그람 양성세균과 그람 음성세균에 대하여 살균, 성장억제 작용 등을 통하여 우수한 항균성을 가짐을 확인할 수 있었다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

구리와 주석이 78 내지 80 : 20 내지 22의 비율로 포함되어 항균 활성을 갖는 무정형의 구리주석 나노입자의 제조방법에 있어서,
a) 0.80 내지 0.98 M 농도의 구리전구체 용액과 0.1 내지 0.2 M 농도의 주석전구체 용액을 혼합하여 제1 혼합액을 제조하는 단계;
b) 상기 제1 혼합액에 계면활성제를 첨가하여 제 2 혼합액을 제조하는 단계;
c) 상기 제2 혼합액에 환원제를 첨가하여 염을 환원시키는 단계;
d) 1차 원심분리 후 침전물을 증류수로 세척하는 단계;
e) 2차 원심분리 후 침전물을 메탄올로 세척하는 단계; 및
f) 상기 e) 단계에서 세척이 완료된 침전물을 진공상태에서 건조시키는 단계를 포함하는, 항균 활성을 갖는 구리주석 나노입자 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 계면활성제는 양이온계면활성제인 것을 특징으로 하는 항균 활성을 갖는 구리주석 나노입자 제조방법.
제2항에 있어서,
상기 양이온 계면활성제는 CTAB(Cetyl trimethy lammonium bromide)인 것을 특징으로 하는 항균 활성을 갖는 구리주석 나노입자 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 환원제는 수소화붕소나트륨인 것을 특징으로 하는 항균 활성을 갖는 구리주석 나노입자 제조방법.
제1항에 내지 제4항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 항균 활성을 갖는 구리주석 나노입자.
삭제
제5항에 있어서,
상기 나노입자는 10 내지 200 nm 입경을 갖는 것을 특징으로 하는 항균 활성을 갖는 구리주석 나노입자.
제5항에 있어서,
상기 나노입자는 그람 양성 세균과 그람 음성세균에 대한 항균 활성을 동시에 갖는 것을 특징으로 하는 항균 활성을 갖는 구리주석 나노입자.
제8항에 있어서,
상기 그람 양성 세균은 스타필로코커스 아우러스이며, 그람 음성 세균은 대장균인 것을 특징으로 하는 항균 활성을 갖는 구리주석 나노입자.
제5항의 나노입자를 유효성분으로 포함하는 항균 섬유.