KR102329936B1 - 메티실린 내성 황색포도상구균에 대한 항균 능력을 가지는 비올라세인-산화아연-고분자 복합 나노섬유 멤브레인 및 그 제조방법 - Google Patents
메티실린 내성 황색포도상구균에 대한 항균 능력을 가지는 비올라세인-산화아연-고분자 복합 나노섬유 멤브레인 및 그 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 실시예들은 항생제에 내성이 생겨 발생한 MRSA(Methicillin-Resistant Staphylococcus Aureus, 메티실린 내성 황색포도상구균) 균에 대한 항균능력을 가지는 비올라세인을 포함하는 1차원 형상의 나노섬유가 3차원의 구조로 얽혀서 이루어진 비올라세인-산화아연-고분자 복합 나노섬유 항균 멤브레인 및 그 제조방법에 관한 것으로, MRSA 감염 예방 및 치료용 항균 멤브레인으로 활용될 수 있다. 구체적으로는, 고분자가 녹아있는 용액에 고량의 비올라세인을 용해시켜 비올라세인이 균일하게 혼합된 용액을 제조하고, 이를 전기방사 공정을 통하여 나노섬유 멤브레인을 합성하는 것으로 나노섬유의 내·외부에 비올라세인이 응집없이 균일하게 포함되어 있는 것을 특징으로 하여 기존의 섬유 표면에 물질을 도포하는 방식과 차별된다. 본 발명의 실시예들은 전기방사기법을 이용하기 때문에 나노섬유의 두께 및 간격을 간편하게 조절하여 기공의 분포도를 조절할 수 있는 나노섬유 멤브레인을 대량생산하여 저렴하고 편리하게 활용 할 수 있을 뿐만 아니라, 수분과의 뛰어난 젖음성을 가져 제조된 항균 멤브레인을 피부 및 감염부위에 부착하여 장시간동안 사용될 수 있다. 기존의 MRSA에 대한 예방 조치 및 치료법이 제한되어 있던 한계점을 개선하고, 개인 또는 병원과 같은 치료 기관에서 간편하게 MRSA에 대한 예방용 및 치료용으로 본 발명의 비올라세인-산화아연-고분자 복합 나노섬유 항균 멤브레인이 활용될 수 있다.
Description
본 발명의 실시예들은 MRSA(Methicillin-Resistant Staphylococcus Aureus, 메티실린 내성 황색포도상구균)에 대한 항균 능력을 가지는 비올라세인을 함유하는 비올라세인-산화아연-고분자 복합 나노섬유 멤브레인 및 그 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 항균 효과가 있는 비올라세인 및 산화아연 나노입자를 고분자 용액에 용해시켜 전기방사하여 MRSA에 대한 항균 기능과 그람양성균 및 그람음성균에 대한 항균 기능을 더욱 가질 수 있는 나노섬유 멤브레인 및 그 제조방법을 제공하고, 비올라세인이 1차원 고분자 섬유 내부 및 외부에 응집됨이 없이 균일하게 분산되어, 항균 효과가 오래 지속되며, 생체 피부에 장시간동안 밀착이 가능한 MRSA 감염 방지 및 치료 기능을 가지는 비올라세인-산화아연-고분자 복합 나노섬유 항균 멤브레인 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
MRSA균은 감염치료에서 사용된 항생제에 대해 내성이 생긴 황색포도상구균(SA)으로, 주로 병원에서 장기간 치료 또는 수술을 받은 환자들에서 발생하며 수술 부위와 같은 상처부위의 치료과정 중에 많이 발견된다. 최근에는 외래환자 및 보균자들과의 직·간접 접촉으로 인해 지역사회 내에서도 발견되고 있으며, 만성 중이염의 원인균으로서 25~70% 내외의 빈도로 MRSA가 검출되어 그 심각성이 대두되고 있다.
현재 국내에서 MRSA에 의한 감염증에 대표적으로 사용되는 항생제는, Vancomycin, Teicoplanin, Linezolid, Quinolone계, Rifampin, Trimethoprim-sulfamethoxazole (TMP-SMX), Clindamycin, Fusidic acid, Tetracycline, Tigecycline 가 있으며, 이 외에 국내에 출시되지 않은 항생제로는 Daptomycin, Telavancin, Ceftaroline가 있고, 이들은 감염 부위 및 정도에 따라 선택되어 사용된다.
한편, 일반적으로 병원 및 치료 기관에서 상처부위에 대한 감염 방지 및 치료를 위해 외부환경 노출을 억제하는 필름 또는 밴드를 상처 부위에 부착하는 방법이나, 항생제 또는 치료약을 도포하는 드레싱(dressing) 방법을 사용하고 있다. 그러나, 이러한 방법들 모두 이차감염의 가능성을 배제할 수 없어 지속적이고 잦은 치료를 받아야 한다는 문제점을 보인다. 최근에는 항균성 물질을 함유한 나노섬유 멤브레인을 상처 부위에 부착하는 방식이 시도되고 있으며, 이를 통해 감염균 성장을 억제한 연구가 보고되었다. 그러나 피부 및 상처부위와의 밀착력이 약하다는 점, 항균 물질 함유량이 증가될수록 항균 물질의 응집이 발생하여 나노 섬유에 고르게 결착할 수 없다는 점 및 이로 인해 항균 물질 함량이 제한된다는 문제점을 가진다.
특히, MRSA균에 대한 예방접종은 따로 없어 비누와 물로 손을 씻거나 알코올 손 세정제 사용을 통한 예방이 권고되고 있는 실정으로 개인, 지역사회 및 병원과 같은 기관에서 취할 수 있는 예방조치가 매우 제한적이며, 이미 감염된 경우에는 항생제 처방을 해야하나 감염 부위만 국소적으로 치료하는 것이 어려울 뿐만 아니라 이차감염의 위험성으로 인해 상기에서 언급된 일반적인 방법으로는 한계가 있어 정주 치료를 해야 한다는 불편함을 가진다. 또한, 종래의 MRSA 항생제의 큰 분자 크기로 인해, 멤브레인 형태로 제조하기에는 물질의 응집, 낮은 항균 물질 함유량, 피부와의 밀착력 문제들이 여전히 존재한다는 한계점을 보인다. 최근에는, 비올라세인(Violacein)이라는 비스-인돌 계열의 낮은 분자량을 가지는 청보라색의 안료가 MRSA에 대한 항생제 특성을 가지는 것이 발견되었으나, 수분 및 자외선에 대한 안정성이 떨어져 기존의 방법으로 적용되기에는 제한점이 있는 실정이다. 또한 기존의 비올라세인 코팅 방법은 섬유상의 겉면에 비올라세인을 코팅하는 방식이어서, 접착 안정성 문제가 있으며, 섬유상의 표면에서 비올라세인이 탈리되는 문제점이 있다.
이에 상기 제한점들을 해결하기 위해서는 개인 및 기관에서 MRSA 감염을 간편하고 효과적으로 예방 또는 치료할 수 있으며, 피부 및 상처부위와 밀착력이 뛰어나 장시간 사용가능하고, 항균 물질의 응집됨 없이 단위 부피당 고량의 항균 물질 함유가 가능한 구조체 합성 및 제조 기술이 절실히 필요하다.
종래의 정주 치료를 통한 MRSA 치료의 불편함과 예방조치의 부재를 해결하고, MRSA에 항균성을 가지는 비올라세인을 고량으로 응집 없이 개별 섬유 내부에 함유하며, 개별 섬유들이 3차원 네트워크 구조를 이루는 멤브레인 및 그 제조방법을 제공할 수 있으며, 간편하게 개인 및 기관에서 생체 피부에 부착하여 MRSA 감염 예방 및 치료용 멤브레인으로 활용할 수 있다.
비올라세인을 함유하며 산화아연을 더욱 포함하는 고분자 복합 용액을 전기방사하는 공정을 통해 대량 생산이 가능한 MRSA 감염 방지 및 치료 기능을 가지며 그외 발생가능한 세균들(그람양성균, 및 그람음성균)에 대한 항균기능을 가질 수 있는 비올라세인-산화아연-고분자 복합 나노섬유 멤브레인을 제공할 수 있다.
기존의 항균성 멤브레인이 가지지 못하는 우수한 피부 밀착력과 높은 비표면적과 기공도를 가지는 나노섬유의 특징을 이용하여 높은 공기투과도를 가지고, 고량의 항균 물질을 균일하게 섬유에 함유시키는 MRSA 균을 포함한 다양한 균의 감염 예방 및 치료용 항균 멤브레인 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
비올라세인(Violacein), 산화아연 나노입자 및 고분자를 포함하는 복합방사용액을 전기방사하여 얻어진 복수 개의 나노섬유로 이루어진 멤브레인을 포함하고, 상기 멤브레인은 상기 비올라세인에 의해 MRSA(Methicillin-Resistant Staphylococcus Aureus)에 대하여 항균(Antibacterial) 능력을 갖는 것을 특징으로 하는 비올라세인-산화아연-고분자 복합 항균 나노섬유 멤브레인을 제공한다.
일측에 따르면, 상기 비올라세인은 분말 형태의 청보라색의 항균 물질로 상기 나노섬유의 내부 및 표면에 균일하게 포함되며, 상기 산화아연 나노입자 역시 상기 나노섬유의 내부 및 표면에 균일하게 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.
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다른 측면에 따르면, 상기 멤브레인은 상기 복수 개의 나노섬유가 서로 무작위로 얽혀서 이루어진 형상을 갖고, 상기 멤브레인의 두께는 5 μm 내지 100μm의 범위에 포함되며, 상기 멤브레인의 면적은 1 cm2 내지 900 cm2의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다
또 다른 측면에 따르면, 상기 복수 개의 나노섬유 각각의 직경은 50 nm 내지 5 μm의 크기 분포를 가지며, 평균 직경이 10 nm 내지 25 μm 범위에 포함되는 기공들을 포함하고, 기공률이 40 내지 90 %의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 멤브레인에서 고분자의 중량비율은 총 방사액 대비 5 내지 20 중량 %의 농도 범위에 포함되고, 비올라세인의 중량비율은 총 방사액 대비 0.01 내지 10 중량 %의 농도 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.
(a) 비올라세인, 산화아연 나노입자, 고분자 및 용매를 포함하는 전기방사용액을 제조하는 단계; (b) 상기 제조된 전기방사용액을 전도성 집전체 위의 기판에 전기방사하여 복수 개의 나노섬유로 이루어진 멤브레인을 합성하는 단계; 및 (c) 상기 기판으로부터 상기 복수 개의 나노섬유로 이루어진 멤브레인을 분리하는 단계를 포함하는 비올라세인-산화아연-고분자 복합 항균 나노섬유 멤브레인의 제조방법을 제공한다.
일측에 따르면, 상기 (a) 단계에서 상기 고분자는 폴리-ε-(카프로락톤)(Polycaprolactone, PCL), 키토산(Chitosan), 폴리아미드(polyamide), 폴리락트산(Poly-L-Lactic Acid, PLLA), 폴리락트산-글리콜산공중합체(poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA), 폴리안하이드리드(polyanhydrides), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리-N-이소프로필아크릴아마이드(Poly-N-isopropyl acrylamide), 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌)(Poly(vinylidene fluoride-co-hexa fluoropropylene)), 퍼풀루오로폴리머(Perfluoropolymer), 폴리비닐클로라이드(Polyvinyl chloride, PVC), 폴리비닐리덴 클로라이드(Polyvinylidene chloride, PVDC), 폴리에틸렌글리콜 디알킬에테르(Polyethyleneglycol dialkylether), 폴리에틸렌글리콜 디알킬에스터(Polyethyleneglycol dialkylester), 폴리(옥시메틸렌-올리고-옥시에틸렌)(Poly(oxymethylene-oligo-oxyethylene)), 폴리프로필렌옥사이드(Polypropylene oxide, PPO), 폴리비닐아세테이트(Polyvinylacetate), 폴리(비닐피롤리돈-비닐아세테이트)(Poly(vinylpyrrolidone-vinylacetate)), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate), 폴리아마이드(Polyamide), 폴리이미드(Polyimide), 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미이드)(Poly(meta-phenylene isophthalamide)), 폴리설폰(Polysulfone), 폴리에테르케톤(Polyetherketone), 폴리에테르이미드(Polyetherimide), 폴리에틸렌텔레프탈레이트(Polyethylene terephthalate), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene naphthalate), 폴리에스터(Polyester), 폴리테트라플루오로에틸렌(Poly(1,1,2,2-tetrafluoroethylene)), 폴리포스파젠(Polyphosphazene), 폴리우레탄(Polyurethane), 셀룰로오스 아세테이트(Cellulose acetate), 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 고분자를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 (a) 단계에서 상기 용매는 포름산(Formic acid), 아세트산(Acetic acid), 인산(Phosphoric acid), 황산, m-크레솔, 티플루오르아세트앤하이드라이드/ 다이클로로메테인, 물, N-메틸모폴린 N-옥시드, 클로로폼, 테트라히드로푸란과 지방족 케톤군인 메틸이소부틸케톤, 메틸에틸케톤, 지방족 수산기 군인 m-부틸알콜, 이소부틸알콜, 이소프로필알콜, 메틸알콜, 에탄올, 지방족 화합물인 헥산, 테트라클로로에틸렌, 아세톤, 글리콜군으로서 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 에틸렌글리콜, 할로겐 화합물군으로 트리크롤로에틸렌, 다이클로로메테인, 방향족 화합물 군인 톨루엔, 자일렌, 지방족 고리 화합물군으로서 사이클로헥사논, 시클로헥산과 에스테르군으로 n-부틸초산염, 초산에틸, 지방족에테르군으로 부틸셀로살브, 아세트산2-에톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 아미드로 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 용매를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 (a) 단계에서 상기 비올라세인은 상기 비올라세인의 생성을 위한 미생물을 배양하여 획득한 세포 또는 배양물로부터 상기 비올라세인을 분리 추출 및 회수하여 얻어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 (a) 단계에서 상기 산화아연 나노입자는 수십에서 수백 나노미터 정도의 직경 또는 길이를 가지는 구형 또는 막대 형상인 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 (b) 단계에서, 고전압 발생기를 통해 1 내지 30 kV 범위의 전압을 인가하고, 상기 전도성 집전체의 회전 속도를 50 rpm 내지 200 rpm의 범위로 조절하고, 용액의 토출 속도를 5 내지 200 μl/분의 범위 내에서 조절하여 상기 복수 개의 나노섬유의 직경 및 상기 복수 개의 나노섬유간 기공의 크기를 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 (b) 단계에서, 상기 전기방사의 공정시간을 10 min 내지 24 hr의 범위로 조절하여 상기 멤브레인의 두께 및 기공률을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 (c) 단계에서, 전기방사중의 용매가 자연 기화되는 현상을 통해 고체화된 상기 복수 개의 나노섬유를 기판 위에 제조하고, 상기 복수 개의 나노섬유로 이루어진 멤브레인을 프리스탠딩(free-standing)하게 분리하여 지지대 없이 단독으로 사용 가능한 멤브레인을 제조하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 MRSA를 포함한 세균들에 대한 감염 방지 및 치료용 항균성 나노섬유 멤브레인은 비올라세인을 고량으로 함유할 뿐만 아니라 응집없이 균일하게 포함되어 뛰어난 MRSA에 대한 항균효과를 지닐 수 있으며, 나노섬유에 포함된 산화아연 나노입자에 의해 MRSA 이외의 다른 세균들에 의한 영향을 최소화시킬 수 있다. 더 나아가, 수분에 대해 우수한 젖음성을 가지는 고분자를 사용하여 피부 및 상처 부위와의 밀착력이 우수하여 오랜 시간 동안 사용이 가능하며 정주 치료 없이도 간편하게 MRSA균에 대한 치료가 가능한 장점이 있다. 대면적 합성이 가능한 전기방사 기법에 따른 멤브레인 제작은 개인, 지역사회 및 병원과 같은 감염위험 지역에서 활용될 수 있으며 종래 MRSA 감염에 대한 예방법 및 치료법이 매우 제한적이었던 점들을 효과적으로 개선시킬 수 있다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비올라세인이 균일하게 함유된 무질서 배열의 MRSA 항균성 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 멤브레인의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시에 따른 비올라세인, 고분자가 혼합된 복합 방사용액을 전기방사 공정을 이용한 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 멤브레인 제조방법에 관한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비올라세인의 (a) 화학구조 및 (b) 주사전자현미경 이미지를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무질서한 배열을 갖는 나노섬유 전기방사공정의 원리 설명을 위한 도면 및 실제 설비 모습을 나타낸 사진이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 1차원의 나노섬유가 무질서한 배열을 갖는 비올라세인을 함유하는 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 항균 멤브레인의 (a) 실제 사진 및 (b) 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 비교예에 따른 1차원의 나노섬유가 무질서한 배열을 갖는 순수한 고분자 나노섬유 멤브레인의 (a) 실제 사진 및 (b) 주사전자현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비올라세인이 함유된 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 항균 멤브레인의 수분과의 접촉각측정 특성 평가 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 항균 멤브레인의 안정성 시험에 따른 (a) 물로 세척후의 멤브레인 및 (b) 에탄올(Ethanol)로 세척 후의 멤브레인의 전자주사현미경 사진이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 상온상태에서 MRSA 균에 직접 노출을 시킨 무질서한 배열을 갖는 (a) 비올라세인-고분자 복합 항균 나노섬유 멤브레인 및 (b) 순수한 고분자 나노섬유의 MRSA 균에 대한 항균테스트를 나타낸 것이다.
도 10은 ZnO 나노입자의 투과전자현미경 사진이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 있어서, (a) 산화아연-고분자 복합 나노섬유 멤브레인 및 (b) 비올라세인-산화아연-고분자 복합 항균 나노섬유 멤브레인의 전자주사현미경 사진이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 있어서, (a) 산화아연-고분자 복합 나노섬유 및 (b) 비올라세인-산화아연-고분자 복합 항균 나노섬유의 투과전자현미경 사진이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 있어서, (a) 산화아연-고분자 복합 나노섬유 및 (b) 비올라세인-산화아연-고분자 복합 항균 나노섬유의 X-선 회절(X-ray Diffraction, XRD) 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 (a) 산화아연-고분자 복합 나노섬유 및 (b) 비올라세인-산화아연-고분자 복합 항균 나노섬유의 사진이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비올라세인이 균일하게 함유된 무질서 배열의 MRSA 항균성 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 멤브레인의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시에 따른 비올라세인, 고분자가 혼합된 복합 방사용액을 전기방사 공정을 이용한 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 멤브레인 제조방법에 관한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비올라세인의 (a) 화학구조 및 (b) 주사전자현미경 이미지를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무질서한 배열을 갖는 나노섬유 전기방사공정의 원리 설명을 위한 도면 및 실제 설비 모습을 나타낸 사진이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 1차원의 나노섬유가 무질서한 배열을 갖는 비올라세인을 함유하는 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 항균 멤브레인의 (a) 실제 사진 및 (b) 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 비교예에 따른 1차원의 나노섬유가 무질서한 배열을 갖는 순수한 고분자 나노섬유 멤브레인의 (a) 실제 사진 및 (b) 주사전자현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비올라세인이 함유된 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 항균 멤브레인의 수분과의 접촉각측정 특성 평가 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 항균 멤브레인의 안정성 시험에 따른 (a) 물로 세척후의 멤브레인 및 (b) 에탄올(Ethanol)로 세척 후의 멤브레인의 전자주사현미경 사진이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 상온상태에서 MRSA 균에 직접 노출을 시킨 무질서한 배열을 갖는 (a) 비올라세인-고분자 복합 항균 나노섬유 멤브레인 및 (b) 순수한 고분자 나노섬유의 MRSA 균에 대한 항균테스트를 나타낸 것이다.
도 10은 ZnO 나노입자의 투과전자현미경 사진이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 있어서, (a) 산화아연-고분자 복합 나노섬유 멤브레인 및 (b) 비올라세인-산화아연-고분자 복합 항균 나노섬유 멤브레인의 전자주사현미경 사진이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 있어서, (a) 산화아연-고분자 복합 나노섬유 및 (b) 비올라세인-산화아연-고분자 복합 항균 나노섬유의 투과전자현미경 사진이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 있어서, (a) 산화아연-고분자 복합 나노섬유 및 (b) 비올라세인-산화아연-고분자 복합 항균 나노섬유의 X-선 회절(X-ray Diffraction, XRD) 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 (a) 산화아연-고분자 복합 나노섬유 및 (b) 비올라세인-산화아연-고분자 복합 항균 나노섬유의 사진이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, MRSA에 항균 기능을 가지는 비올라세인이 나노섬유의 내부 및 표면에 균일하게 함유되어 3차원의 구조로 서로 무질서하게 얽혀있는 구조를 가지는 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 항균 멤브레인 및 그 제조방법에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
본 발명의 실시예들은 비올라세인과 고분자를 완전히 용해 가능한 용매에 비올라세인과 고분자를 균일하게 용해시키고, 기판 회전 속도가 조절 가능한 전기방사법을 이용해 무질서한 나노섬유 네트워크를 가지는, 비올라세인이 응집 없이 나노섬유 내부와 표면에 균일하게 도포된 복수개의 나노섬유로 이루어진 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 항균 멤브레인을 제조하는 것을 특징으로 한다. 비올라세인과 고분자가 완전히 용해된 용액을 전기방사하여 제조된 비올라세인-고분자 복합 멤브레인은 종래의 섬유 표면에 항생 물질을 코팅하는 방식과 차별되며 기존 방법들보다 단위 부피당 고량의 항생 물질을 개별 섬유 내부 및 표면에 함유시키는 것을 특징으로 한다.
기존 항균 멤브레인의 연구동향을 살펴보면 고분자가 녹아있는 용액에 항생제를 분산시켜 제조한 방사용액을 전기방사하여 멤브레인을 제작하는 방식으로 연구들이 시도되어 왔다. 그러나, 대부분의 항생제들은 분자 크기가 커서 고분자용액에 균일하게 분산시키기 어렵고 이로 인해 멤브레인 섬유 위에 항생제가 응집된다는 문제점과 항생제의 응집을 억제하기 위해 항생제 함유량을 낮추면서 저량의 항생제가 포함된 멤브레인이 제조되고 있다는 제한점을 보여왔다.
뿐만 아니라, 항균 효과를 증대하기 위해 멤브레인을 두껍게 제조하는 경우에는 공기투과도가 현저히 낮아져 피부 및 감염 부위에 사용하기에 적합하지 않아 높은 통기성과 우수한 항균효과를 가질 수 있는 넓은 비표면적 및 다공성의 구조를 갖는 멤브레인 사용이 필수적이다. 특히, 기공분포의 조절이 용이하고, 일정한 크기의 기공이 분포할 수 있는 멤브레인을 합성한다면, 재현성이 우수하면서 항균 효과가 뛰어난 항균 멤브레인 개발이 이루어 질 것이다.
또한, 종래의 항균 멤브레인은 피부 및 상처부위와의 낮은 밀착력으로 피부에 오랜 시간동안 부착시키기에 부적절하다는 문제점을 지니므로 사람의 피부에 간편하게 부착시키고 장시간동안 유지할 수 있는 멤브레인 제조가 요구된다. 특히, 수분과의 젖음성이 뛰어난 멤브레인의 사용은 피부의 수분을 이용하여 멤브레인을 피부와 완전히 밀착시킬 수 있을 것이다. 이 외에도 현재 MRSA에 대한 항균성을 가지는 멤브레인의 부재와 일반인 및 환자가 취할 수 있는 MRSA균에 대한 예방법 및 치료법이 제한되어 있어, MRSA에 대한 감염 방지 기능을 갖는 항균 멤브레인의 제조는 필수적이다.
이러한 상기 언급된 한계점들을 극복하고 개인 및 기관에서 간편하고 효과적으로 활용가능한 MRSA 균에 대한 예방 및 치료가 가능한 항균 멤브레인 개발을 위해서, 본 발명에서는 MRSA에 대해 항균능력을 가지는 비올라세인을 무질서 배향으로 배열된 고분자 나노섬유에 균일하게 도포하여 MRSA 항균 기능을 가지는 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 멤브레인 합성 방법을 제공한다.
분말 형태의 비올라세인을 용매에 완전히 용해시켜 전기방사하여 얻어진 나노섬유 멤브레인은 비올라세인을 함유하지 않은 순수한 고분자 나노섬유 멤브레인과 비교하여 우수한 항균특성을 제공하였다. 상기와 같은 특징을 갖는 항균 나노섬유 멤브레인을 제조하기 위하여 대면적으로 합성 가능한 효율적이고 손쉬운 공정을 통하여 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 항균 멤브레인 및 그 제조 방법을 구현하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무질서하게 배열된 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 (100) 를 이용한 MRSA 예방 및 치료용 항균 나노섬유 멤브레인의 모식도이다.
본 발명의 실시예들은 MRSA 감염 방지 및 치료용으로 간편하게 피부 및 상처부위에 부착하여 사용하는 형태로 무질서 배열의 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 및 그리드 형상으로 정렬된 비올라세인-고분자 복합 나노섬유를 제공하는 것을 특징으로 한다.
이때, 고분자 나노섬유의 직경은 50 nm ~ 5 μm 범위를 가지는 것이 바람직하다. 나노섬유의 직경은 비올라세인과 고분자 복합 용액의 점성 및 끓는점, 전기방사 기기로 인가되는 전압의 크기, 토출속도, 노즐의 반경에 의해서 조절할 수 있다. 개별 나노섬유의 직경이 5 μm 이상이 될 경우 섬유들간의 기공이 현저히 낮아질 뿐만 아니라 비표면적이 작아져 외부공기와의 흐름이 원활하지 않을 수 있으며, 섬유에 함유된 비올라세인과 MRSA균의 가용접촉면적이 작아져 항균효과도 낮아질 수 있다. 즉, 50 nm ~ 5 μm의 직경 범위를 갖는 나노섬유가 서로 무작위로 얽혀서 이루어진 구조를 가지는 나노섬유 멤브레인을 이용하는 것이 높은 통기성을 유지하면서도 구조적 안정성과 높은 항균효과를 가지는 항균 멤브레인 제조에 유리하다. 추가적으로, 전기방사 기법으로 무질서하게 배열된 구조의 나노섬유를 제작할 때, 전도성 집전체 위 기판의 회전 속도 및 각도, 방사용액의 토출속도 및 노즐의 반경 조절을 통해, 섬유 사이의 간격 조절이 가능하고, 기공크기의 분포를 50 nm ~ 10 μm 범위로 조절할 수 있다.
또한, 고분자 나노섬유에 함유된 비올라세인의 분포 상태는 매우 중요한 요소이다. 균일하게 나노섬유에 비올라세인을 함유시키기 위해서는 고분자와 비올라세인이 용매 중에서 완전히 용해되어야 한다. 이를 위해 포름산(Formic acid), 아세트산(Acetic acid), 인산(Phosphoric acid), 황산, m-크레솔, 티플루오르아세트앤하이드라이드/다이클로로메테인, 물, N-메틸모폴린 N-옥시드, 클로로폼, 테트라히드로푸란과 지방족 케톤군인 메틸이소부틸케톤, 메틸에틸케톤, 지방족 수산기 군인 m-부틸알콜, 이소부틸알콜, 이소프로필알콜, 메틸알콜, 에탄올, 지방족 화합물인 헥산, 테트라클로로에틸렌, 아세톤, 글리콜군으로서 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 에틸렌글리콜, 할로겐 화합물군으로 트리크롤로에틸렌, 다이클로로메테인, 방향족 화합물 군인 톨루엔, 자일렌, 지방족 고리 화합물군으로서 사이클로헥사논, 시클로헥산과 에스테르군으로 n-부틸초산염, 초산에틸, 지방족에테르군으로 부틸셀로살브, 아세트산2-에톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 아미드로 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 용매를 사용하여 비올라세인과 고분자를 완전히 용해시켜 비올라세인을 고분자 용액에 응집없이 함유시켜야 한다. 이때, 비올라세인과 용매의 용해도를 고려하여 용매를 선정하며 최대의 비올라세인 용해도를 가지게 함으로써 고량의 비올라세인을 고분자 섬유 내부에 포함시키는 것이 중요하다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비올라세인, 고분자가 혼합된 복합 방사용액을 전기방사 기법을 이용하여 제조되는 비올라세인-고분자 복합 항균 나노섬유 멤브레인의 제조방법에 관한 순서도를 보여주고 있다. 도 2의 순서도에서 보이다시피, MRSA 항균성 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 멤브레인의 제조방법은 비올라세인, 고분자 및 용매를 포함하는 전기방사용액을 제조하는 단계(S1); 상기 제조된 전기방사용액을 전도성 집전체 위 기판에 전기방사하여 복수 개의 나노섬유로 이루어진 멤브레인을 합성하는 단계(S2); 상기 기판으로부터 상기 복수 개의 나노섬유로 이루어진 멤브레인을 분리하는 단계(S3)를 포함하여 구성될 수 있다. 하기에서는 상기의 각 단계에 대해서 보다 상세히 설명한다.
첫번째로, 비올라세인, 고분자 및 용매를 포함하는 전기방사용액을 제조하는 단계(S1)를 살펴본다. 이 단계에서 포함하는 비올라세인을 도 3을 통해 설명하자면, 비올라세인은 도 3(a)에서 보이는 비스-인돌계의 화학구조를 가지며 도 3(b)는 분말형태의 비올라세인의 주사전자현미경 사진으로 분말상태의 비올라세인은 서로 응집되어 있고 수용액계열의 용매와는 용해성이 낮아 분말형태로는 활용도가 현저히 떨어진다. 따라서, 비올라세인을 균일하게 포함시키는 멤브레인 제조방법이 필수적으로 요구된다. 여기서, 비올라세인은 일례로, 비올라세인의 생성을 위한 미생물을 배양하여 획득한 세포 또는 배양물로부터 비올라세인을 분리 추출 및 회수하여 얻어질 수 있다. 이 단계(S1)에서 사용될 수 있는 고분자는 용매와 같이 녹을 수 있는 고분자라면 특정 고분자에 제한을 두지 않는다. 구체적으로 이용될 수 있는 고분자의 경우 폴리메틸아크릴레이트(PMA, Polymethyl acrylate), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA, Polymethyl meta acrylate), 폴리아크릴 공중합체, 폴리비닐아세테이트 공중합체, 폴리비닐아세테이트(PVAc, Polyvinyl acetate), 폴리비닐피롤리돈(PVP, Polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐알콜(PVA, Polymethyl alcohol), 폴리퍼퓨릴알콜(PPFA), 폴리스티렌(PS, polystyrene), 폴리스티렌 공중합체, 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 폴리에틸렌 옥사이드 공중합체, 폴리프로필렌옥사이드 공중합체, 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리카프로락톤, 폴리비닐풀루오라이드, 폴리비닐리덴풀루오라이드 공중합체, 폴리이미드(Polyimide), 폴리아크릴로나이트릴(PAN, Polyacrylonitrile), 스타이렌 아크릴로나이트릴(SAN, Styrene-acrylonitrile), 폴리비닐알콜(PVA, Polyvinyl alcohol), 폴리카보네이트(PC, polycarbonate), 폴리아닐린(PANI, Polyaniline), 폴리비닐클로라이드(PVC, Polyvinylchloride), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF, Poly(vinylidene fluoride)), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, Polyethylene terephthalate), 폴리프로필렌(PP, Polypropylene) 및 폴리에틸렌(PE, Polyethylene) 중 적어도 한 종류 이상의 고분자를 사용할 수 있다. 이때, 상기 고분자의 분자량은 10,000 내지 500,000 일 수 있으며, 바람직하게는 50,000 내지 100,000 Da이며, 더욱 바람직하게는 70,000 내지 90,000 Da이나, 이에 제한되지 않는다.
상기에서 선택된 고분자를 N,N'-디메틸포름아미드(N,N'-dimethylformamide), 디메틸술폭사이드(dimethylsulfoxide), N,N'-디메틸아세트아미드(N,N'-dimethylacetamide), N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone), 증류수(DI water), 에탄올(Ethanol) 등과 같은 상용성 용매들을 이용하여 고분자를 용매에 용해시킨다. 이때, 비올라세인의 용해도를 최대화할 수 있는 용매를 선정하여 사용하는 것이 중요하며 상기 용매들은 전기방사된 후에는 휘발되어 멤브레인에 포함되지 않는다.
방사용액 제조시에는 고분자를 선정된 용매에 먼저 용해시킨 후, 비올라세인을 후에 첨가하여 최종 전기방사용액을 제조한다. 방사용액을 형성하기 위한 용질과 용매의 질량 비율을 1:6 ~ 1:13 정도의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 여기서, 교반은 상온에서 이루어지며, 3 ~ 24 시간 사이로 50~200 rpm(바람직하게는 100 ~ 200 rpm) 범위 내에서 충분히 교반시켜 고분자 및 비올라세인이 용매상에 완전하게 용해되도록 한다.
이후 설명되는 다른 실시예에서 단계(S1)는 비올라세인, 산화아연(ZoN), 고분자 및 용매를 포함하는 전기방사용액을 제조하는 단계일 수도 있다.
다음으로, 단계(S2)에서 제조된 전기방사용액을 전도성 집전체 위 기판에 전기방사하여 나노섬유 멤브레인을 합성하는 과정이다. 이를 위해 우선적으로, 상기 단계(S1)에서 제조한 전기방사용액을 적정 용량의 시린지(syringe)에 옮겨 넣은 후, 시린지 펌프를 이용하여 일정한 속도로 시린지에 압력을 가해줌으로써, 일정시간에 일정한 용액량이 토출되도록 한다. 전기방사 시스템은 고전압, 회전이 가능한 접지된 전도성 기판, 시린지, 시린지 노즐을 포함하여 구성된다. 여기서 복수 개의 나노섬유 각각의 직경은 50 nm 내지 5 μm의 크기 분포를 가지며, 나노섬유들 사이의 간격이 10 nm ~ 25 μm의 범위의 범위에 포함됨에 따라 평균 직경이 10 nm 내지 25 μm 범위에 포함되는 기공들을 포함할 수 있다. 이때, 기공률은 40 내지 90 %의 범위에 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사의 원리를 나타내는 그림과 실제 장비를 구성하는 기기들의 실제 모습을 담은 사진으로 도 4를 참조하여 전기방사 공정을 자세히 설명하고자 한다. 먼저, 무질서한 배열을 갖는 나노섬유 멤브레인은 도 4에서 보여지는 전기방사법 원리에 따라 제조된다. 더욱 자세하게는, 용융 상태의 비올라세인을 포함하는 고분자 용액을 시린지 (201)에 주입하고, 고전압 인가 장치(고전압 발생기, 204)에 의해 주사바늘(202)과 전도성 집전체(203) 사이에 1 내지 30kV(바람직하게는, 5 kV 내지는 30 kV) 내외로 고전압을 걸어주어 전기장이 가해지면, 형성된 전기장으로 인해 주사바늘(202)을 통해 토출되는 방사용액이 1차원 구조의 나노섬유 형태로 길게 뽑아져 방사되어 무질서한 형태로 배열된 나노섬유 멤브레인이 얻어진다.
보다 구체적인 예로, 고전압 인가 장치(204)를 통해 1 내지 30 kV 범위의 전압을 인가하고, 전도성 집전체(203)의 회전 속도를 50 rpm 내지 200 rpm의 범위로 조절하고, 용액의 토출 속도를 5 내지 200 μl/분의 범위 내에서 조절하여 복수 개의 나노섬유의 직경 및 복수 개의 나노섬유간 기공의 크기를 조절할 수 있다. 또한, 전기방사의 공정시간을 10 분 내지 24 시간의 범위로 조절하여 멤브레인의 두께 및 기공률을 조절할 수 있다.
마지막으로, 단계(S3)에서는 단계(S2)에서 합성된 비올라세인이 기능화된 나노섬유가 서로 무작위로 얽혀서 이루어진 구조를 가지는 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 멤브레인을 기판과 떼어내는 과정이다. 상기 기판과 나노섬유 멤브레인은 정전기적 또는 물리적 인력으로 붙어 있을 수 있다. 이때, 전기방사중의 용매가 자연 기화되는 현상을 통해 고체화된 복수 개의 나노섬유를 기판 위에 제조하고, 복수 개의 나노섬유로 이루어진 멤브레인을 프리스탠딩(free-standing)하게 분리하여 지지대 없이 단독으로 사용 가능한 멤브레인을 제조할 수 있다.
여기서, 비올라세인은 분말 형태의 청보라색의 항균 물질로 나노섬유의 내부 및 표면에 균일하게 포함될 수 있다. 복수 개의 나노섬유로 이루어진 멤브레인은 소수성을 갖는 고분자가 매트릭스로 사용되었음에도 수분과의 젖음성이 뛰어난 성질을 가질 수 있다. 또한, 멤브레인은 복수 개의 나노섬유가 서로 무작위로 얽혀서 이루어진 형상, 또는 복수 개의 나노섬유가 특정 방향으로 정렬되어 적층된 형상을 가질 수 있다. 멤브레인의 두께는 5 μm 내지 100μm의 범위에 포함될 수 있으며, 멤브레인의 면적은 1 cm2 내지 900 cm2의 범위에 포함될 수 있다. 또한, 멤브레인에서 고분자의 중량비율은 총 방사액 대비 5 내지 20 중량 %의 농도 범위에 포함될 수 있고, 비올라세인의 중량비율은 총 방사액 대비 0.01 내지 10 중량 %의 농도 범위에 포함될 수 있다.
하기에서는 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 실시예 및 비교예는 단지 본 발명을 설명하기 위한 것이며, 본 발명이 하기 예에 제한되어 있는 것은 아니며 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 1: 무질서한 형태로 배열된 비올라세인을 함유하는 MRSA항균성
비올라세인-고분자 복합 항균
고분자 나노섬유 멤브레인
비올라세인이 응집없이 개별 나노섬유의 내부 및 표면에 함유된 비올라세인-고분자 복합 항균 나노섬유 멤브레인을 합성하기 위하여 하기와 같은 합성과정을 거친다.
우선, 상기 도 4에서 설명된 전기방사법 원리에 따라 나노섬유가 서로 무작위하게 얽혀진 형상을 가지는 나노섬유 멤브레인을 합성한다. 여기서 합성된 나노섬유의 직경은 안정적인 기계적 특성 및 멤브레인의 높은 비표면적 및 기공도를 위해서 50 nm ~ 5,000 nm 범위가 바람직하다.
도 5(a)와 도 5(b)는 상기의 과정으로 제조된 나노섬유가 무질서한 형태로 배열된 비올라세인을 함유하는 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 항균 멤브레인의 실제 사진 및 주사전자현미경 사진을 나타낸다. 나노섬유의 직경은 50 nm ~ 5,000 nm의 길이 범위를 가지는 것을 특징으로 하며, 섬유의 표면이 매끈하며 비올라세인이 섬유 표면위에 응집없이 균일하게 도포되어 있는 것을 특징으로 한다. 비올라세인은 고분자 용액에 균일하게 분산된 상태로 방사가 진행되어 섬유화 되었기 때문에, 비올라세인은 섬유의 내부 및 표면 전반에 걸쳐 균일하게 분포되는 특징이 있다. 또한, 제조된 멤브레인은 비올라세인으로 인해 청보라색을 띄는 것을 특징으로 하며, 비올라세인이 나노섬유에 내·외부에 도포됨을 확인할 수 있다. 전도성 집전체 위의 기판과 주사 노즐 사이의 전압과 회전 속도를 조절하여 섬유간의 간격을 조절할 수 있으며 섬유 사이의 기공 분포도를 10 nm ~ 25 μm 범위에서 자유롭게 조절할 수 있다.
비교예 1: 무질서한 형태로 배열된 순수한 고분자 나노섬유 멤브레인
비교예 1 에서는 실시예 1과 대조적으로 비올라세인을 함유하지 않은 무질서한 구조로 정렬된 순수한 고분자 나노섬유 멤브레인 합성에 대한 내용이다.
도 6은, 도 4 에서 나타내어진 일반적인 전기방사 과정을 통해서 형성된 무질서한 배열의 폴리아크릴로니트릴PAN(Polyacrynotrilie) 고분자 나노섬유 멤브레인의 실제 사진(도 6(a)) 및 주사전자현미경 사진(도 6(b))이다. 상기 실시예 1을 통해 합성된 비올라세인을 함유하는 나노섬유와 비교하여, 본 비교예 1은 더 작은 직경 크기를 가지는 것을 특징으로 하며, 이를 통해 실시예 1의 멤브레인이 비올라세인을 포함하고 있음을 확인 할 수 있다. 특히, 실시예 1의 멤브레인이 청보라색을 띄었던 것과 대비하여, 본 비교예 1은 흰색을 가지는 것을 특징으로 하며 이를 통해 순수한 고분자(PAN) 나노섬유만으로 구성됨을 확인할 수 있다.
실험예 1: 비올라세인을 함유하는 나노섬유가 무질서하게 얽혀진 형상의 구조를 가지는 MRSA항균 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 멤브레인의 접촉각 특성 평가
상기의 실시예 1로 제작된 나노섬유가 서로 무작위로 얽힌 형상을 가지는 비올라세인이 도포된 나노섬유 멤브레인의 수분과의 젖음성을 파악하여, 피부와의 밀착력 특성을 확인하기 위하여 수분과의 접촉각 특성 평가를 실행하였다. 고체 표면에서의 액체의 젖음성 측정을 위해 주로 사용되는 정적 접촉각 측정법을 이용하였고, 기판위에 비올라세인이 함유된 나노섬유 멤브레인을 올린 후, 증류수 용액이 담긴 시린지를 이용해 물방울을 1방울씩 떨어뜨려 시행하였다.
도 7(a)는 시험전 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 멤브레인의 실제 사진, 도 7(b)는 시험 후의 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 멤브레인의 실제 사진 및 도 7(c)는 증류수용액이 담긴 시린지를 통해 증류수 1방울을 상기 멤브레인에 떨어뜨리는 시험과정을 시간순으로 나타낸 사진이다. 도 7(c)에서 보이다시피, 멤브레인은 물방울이 본 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 멤브레인에 떨어졌을 때 빠르게 흡수되면서 베이스 라인과 물방울의 각도가 일치해지는 것을 특징으로 하여, 멤브레인이 매우 뛰어난 수분과의 젖음성을 가짐을 보여주었다. 또한, 비올라세인을 함유한 멤브레인은 물방울에 노출되면 진한 남색의 색상을 띄는 것을 특징으로 하며 본 실시예 1에서의 청보라색의 멤브레인 색상과 대비된다. 특히, 소수성의 성질을 가져 수분과 용해도 및 젖음성이 매우 낮은 분말상의 비올라세인 자체의 성질과 비교해보았을 때, 멤브레인 형태로 제조된 비올라세인은 기존 분말 형태의 비올라세인이 가지지 못하는 성질을 지니게 함으로써 더 많은 용도로 활용될 가능성을 보인다. 이와 더불어, 뛰어난 수분과의 젖음성은 피부의 수분 또는 추가적인 피부 위 수분 공급을 통해 피부와 멤브레인간의 우수한 밀착력을 유도할 수 있어, 기존 피부 부착형 항균 멤브레인 대비 본 실험예 1에서 활용된 멤브레인은 뛰어난 피부 밀착력을 가질 수 있음을 특징으로 한다.
실험예 2: 비올라세인을 함유하는 나노섬유가 무질서하게 얽혀진 형상의 구조를 가지는 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 멤브레인의 구조 안정성 평가
상기의 실시예 1로 제작된 나노섬유가 서로 무작위로 얽힌 형상을 가지는 비올라세인이 함유된 나노섬유 멤브레인을 증류수 및 에탄올로 세척하여, 멤브레인의 구조 안정성 평가를 시행하였다. 증류수 또는 에탄올이 담긴 비이커 용매안에 실시예 1로 제작된 멤브레인을 수 분동안 함침시킨 후 건조시켜, 함침 전후의 주사전자현미경 분석을 이용하여 구조 변화를 관찰하였다.
이를 도 8을 참조해 설명하자면, 도 8(a)는 물 세척 후의 멤브레인 도 8(b)는 에탄올 세척 후의 멤브레인의 주사전자현미경 사진을 나타낸다. 함침 전인 본 실시예 1의 주사전자현미경 이미지와 비교하여, 함침 후의 주사전자현미경 이미지인 도 8(a) 및 도 8(b) 모두 비슷한 섬유 네트워크 구조를 보여 본 멤브레인이 세척후에도 안정적인 구조를 보이는 것을 특징으로 보였다. 더 나아가, 이는 실시예 1로 제작된 멤브레인이 매우 안정적으로 나노섬유 네트워크를 형성함을 특징으로 하고 오랜시간동안 멤브레인을 사용할 수 있음을 확인할 수 있다.
항균테스트 관련 실험예: 무질서하게 배열된 형상을 가지는 MRSA항균성 비올라세인-고분자 복합 나노섬유 멤브레인 및 비올라세인을 포함하지 않는 순수한 고분자 나노섬유 멤브레인의 MRSA 균에 대한 항균 능력 특성 평가
상기의 실시예 1 및 비교예 1로 제작된 나노섬유가 서로 무작위로 얽힌 형상을 가지는 비올라세인을 포함하는 나노섬유 멤브레인을 MRSA균에 직접 노출을 시켜, MRSA균에 대한 항균 특성 평가를 실행하였다. 본 실험은 상온에서 진행되었고 MRSA균이 증식되어있는 샤알레에 실시예 1로 제작된 멤브레인과 비교예 1로 제작된 멤브레인을 놓고 18~24시간동안 노출시켜 각 멤브레인 주위에서의 MRSA균의 증식을 관찰하였다.
도 9를 활용해 설명하자면, 도 9은 MRSA균에 노출후의 콜로니 형성을 관찰한 것으로 도 9(a)는 실시예 1로 제작된 비올라세인을 함유하는 나노섬유 멤브레인, 도 9(b)는 비교예 1로 제작된 비올라세인을 함유하지 않은 순수 고분자 나노섬유 멤브레인의 디지털 이미지를 나타낸 사진이다. 실시예 1로 제작된 멤브레인은 비교예 1과 대비하여, 콜로니 성장이 매우 억제되었음을 보였고 뛰어난 항균능력을 가짐을 확인할 수 있었다. 특히, 멤브레인의 다른 부분들보다 가장자리에서 균의 확산이 억제되었음을 알 수 있는데, 이를 통해 멤브레인의 가장자리부터 균의 확산 및 성장 억제가 된다는 특징을 확인할 수 있었다.
이러한 MRSA에 대한 항균성을 나타내는 나노섬유 멤브레인은 병원과 같은 MRSA균의 노출이 심한 곳에서 병원 방문객 및 근로자들에게 MRSA균 감염 예방을 위해 활용될 수 있고, 이미 감염된 환자들의 상처 부위에 부착하여 정주 치료 없이도 균의 성장을 방지하는 치료 멤브레인으로 응용될 수 있다. 또한, 우수한 수분과의 젖음성을 활용하여 멤브레인을 피부에 장시간동안 부착시킬 수 있어 매우 경제적이면서, 편이성을 제공하는, 단순한 형태의 MRSA균에 대한 예방 및 치료용 항균 멤브레인으로 응용될 수 있다.
이하에서는 전기방사를 통해 나노섬유로 이루어진 멤브레인을 합성함에 있어서 산화아연(ZnO)을 추가 방사하는 실시예를 설명한다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 비올라세인-고분자 복합 항균 나노섬유 멤브레인의 제조방법은 도 2를 통해 설명한 단계(S2) 대신, 비올라세인, 산화아연, 고분자 및 용매를 포함하는 전기방사용액을 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 산화아연의 입자 크기는 약 수 nm 내지 100 nm로, 평균적으로 20 nm 내지 50nm의 범위에 포함된다. 도 10은 ZnO 나노입자의 투과 전자 현미경 사진이다. 이러한 산화아연 나노입자는 수십에서 수백 나노미터 정도의 직경 또는 길이의 구형 또는 막대 형상을 가질 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 있어서, (a) 산화아연-고분자 복합 나노섬유 멤브레인 및 (b) 비올라세인-산화아연-고분자 복합 항균 나노섬유 멤브레인의 전자주사현미경 사진이다. 도 11(a)는 고분자(Polyacrylonitrile, PAN, Sigma Aldrich, MW ~ 150,000) 0.5g과 ZnO 파우더(Sigma Aldrich, < 50nm) 0.25g을 용매(N,N-dimethylformamide, DMF) 4.0g에 넣고, 직류 고전압 12kV, 실린더 니들(21G)을 이용한 0.3 mL/min의 토출속도의 방사 조건에서 전기방사하여 제조된 산화아연-고분자 복합 나노섬유 멤브레인의 전자주사현미경 사진이다. 또한, 도 11(b)는 고분자 0.5g과 ZnO 파우더 0.25g 및 비올라세인 0.08g을 용매 4.0g에 넣고 직류 고전압 12kV, 실린더 니들(21G)을 이용한 0.2 mL/min의 토출속도의 방사 조건에서 전기방사하여 제조된 비올라세인-고분자 복합 항균 나노섬유 멤브레인의 전자주사현미경 사진이다. 여기서, 고분자, ZnO 및 비올라세인의 중량비는 6.25:3.13:1 wt%일 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 있어서, (a) 산화아연-고분자 복합 나노섬유 및 (b) 비올라세인-산화아연-고분자 복합 항균 나노섬유의 투과전자현미경 사진이다. 도 12(a) 및 도 12(b) 모두에서 ZnO가 나노섬유의 내부 및 표면에 잘 내장되어 있으며, 나노섬유의 거친 표면을 보여주고 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 산화아연-고분자 복합 나노섬유 및 비올라세인-산화아연-고분자 복합 항균 나노섬유의 X-선 회절(X-ray Diffraction, XRD) 패턴을 나타낸 그래프이다. 도 13의 그래프는 ZnO가 나노섬유 매트릭스에 성공적으로 위치함을 나타내고 있다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 (a) 산화아연-고분자 복합 나노섬유 및 (b) 비올라세인-산화아연-고분자 복합 항균 나노섬유의 사진이다. 도 14(a)는 산화아연-고분자 복합 나노섬유들(멤브레인 두께 85 μm 이하)이 (밝고) 옅은 노란색을 나타냄을 보이고 있으며, 도 14(b)는 비올라세인-산화아연-고분자 복합 항균 나노섬유들(멤브레인 두께 100 μm 이하)이 보라색을 나타냄을 보이고 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (10)
- 비올라세인(Violacein) 및 고분자를 용해 가능한 용매를 통해 상기 비올라세인 및 상기 고분자를 용해시키고, 산화아연을 포함시킨 복합방사용액을 전기방사함으로써, 용해된 비올라세인이 내부 및 표면에 균일하게 포함되도록 얻어진 복수 개의 나노섬유로 이루어진 멤브레인
을 포함하고,
상기 멤브레인은 상기 비올라세인에 의해 MRSA(Methicillin-Resistant Staphylococcus Aureus)에 대하여 항균(Antibacterial) 능력을 갖는 것을 특징으로 하는 비올라세인-산화아연-고분자 복합 항균 나노섬유 멤브레인. - 제1항에 있어서,
상기 비올라세인은 분말 형태의 청보라색의 항균 물질로 상기 용매에 의해 용해되어 상기 나노섬유의 내부 및 표면에 균일하게 포함되는 것을 특징으로 하는 비올라세인-산화아연-고분자 복합 항균 나노섬유 멤브레인. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 멤브레인은 상기 복수 개의 나노섬유가 서로 무작위로 얽혀서 이루어진 형상, 또는 상기 복수 개의 나노섬유가 특정 방향으로 정렬되어 적층된 형상을 갖고,
상기 멤브레인의 두께는 5 μm 내지 100μm의 범위에 포함되며,
상기 멤브레인의 면적은 1 cm2 내지 900 cm2의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 비올라세인-산화아연-고분자 복합 항균 나노섬유 멤브레인. - 제1항에 있어서,
상기 복수 개의 나노섬유 각각의 직경은 50 nm 내지 5 μm의 크기 분포를 가지며, 평균 직경이 10 nm 내지 25 μm 범위에 포함되는 기공들을 포함하고, 기공률이 40 내지 90 %의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 비올라세인-산화아연-고분자 복합 항균 나노섬유 멤브레인. - 제1항에 있어서,
상기 멤브레인에서 고분자의 중량비율은 총 방사액 대비 5 내지 20 중량 %의 농도 범위에 포함되고, 비올라세인의 중량비율은 총 방사액 대비 0.01 내지 10 중량 %의 농도 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 비올라세인-산화아연-고분자 복합 항균 나노섬유 멤브레인. - (a) 비올라세인 및 고분자를 용해 가능한 용매를 통해 상기 비올라세인 및 상기 고분자를 용해시키고, 산화아연을 더 포함시킨 전기방사용액을 제조하는 단계;
(b) 상기 제조된 전기방사용액을 전도성 집전체 위의 기판에 전기방사하여 상기 용매에 의해 용해된 비올라세인이 내부 및 표면에 균일하게 포함된 복수 개의 나노섬유로 이루어진 멤브레인을 합성하는 단계; 및
(c) 상기 기판으로부터 상기 복수 개의 나노섬유로 이루어진 멤브레인을 분리하는 단계
를 포함하는 비올라세인-산화아연-고분자 복합 항균 나노섬유 멤브레인의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 (a) 단계에서 상기 비올라세인은 상기 비올라세인의 생성을 위한 미생물을 배양하여 획득한 세포 또는 배양물로부터 상기 비올라세인을 분리 추출 및 회수하여 얻어지는 것
을 특징으로 하는 비올라세인-산화아연-고분자 복합 항균 나노섬유 멤브레인의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
고전압 발생기를 통해 1 내지 30 kV 범위의 전압을 인가하고, 전도성 집전체의 회전 속도를 50 rpm 내지 200 rpm의 범위로 조절하고, 용액의 토출 속도를 5 내지 200 μl/분의 범위 내에서 조절하여 상기 복수 개의 나노섬유의 직경 및 상기 복수 개의 나노섬유간 기공의 크기를 조절하는 것
을 특징으로 하는 비올라세인-산화아연-고분자 복합 항균 나노섬유 멤브레인의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
전기방사중의 용매가 자연 기화되는 현상을 통해 고체화된 상기 복수 개의 나노섬유를 기판 위에 제조하고, 상기 복수 개의 나노섬유로 이루어진 멤브레인을 프리스탠딩(free-standing)하게 분리하여 지지대 없이 단독으로 사용 가능한 멤브레인을 제조하는 것
을 특징으로 하는 비올라세인-산화아연-고분자 복합 항균 나노섬유 멤브레인의 제조 방법.
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Non-Patent Citations (1)
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| Claira Arul Aruldass et al.,Environ Sci Pollut Res, 25, p.5164-5180 (2018) 1부.* |
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