KR102534598B1 - 키토산 및 나노 셀룰로오스를 포함하는 가식성 복합 항균비드 및 이의 제조방법 - Google Patents

키토산 및 나노 셀룰로오스를 포함하는 가식성 복합 항균비드 및 이의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102534598B1
KR102534598B1 KR1020200120169A KR20200120169A KR102534598B1 KR 102534598 B1 KR102534598 B1 KR 102534598B1 KR 1020200120169 A KR1020200120169 A KR 1020200120169A KR 20200120169 A KR20200120169 A KR 20200120169A KR 102534598 B1 KR102534598 B1 KR 102534598B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
solution
weight
chitosan
composite antibacterial
parts
Prior art date
Application number
KR1020200120169A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220037562A (ko
Inventor
김대원
이진경
Original Assignee
주식회사 씨피알에스앤티
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 씨피알에스앤티 filed Critical 주식회사 씨피알에스앤티
Priority to KR1020200120169A priority Critical patent/KR102534598B1/ko
Publication of KR20220037562A publication Critical patent/KR20220037562A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102534598B1 publication Critical patent/KR102534598B1/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01N—PRESERVATION OF BODIES OF HUMANS OR ANIMALS OR PLANTS OR PARTS THEREOF; BIOCIDES, e.g. AS DISINFECTANTS, AS PESTICIDES OR AS HERBICIDES; PEST REPELLANTS OR ATTRACTANTS; PLANT GROWTH REGULATORS
    • A01N43/00—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators containing heterocyclic compounds
    • A01N43/02—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators containing heterocyclic compounds having rings with one or more oxygen or sulfur atoms as the only ring hetero atoms
    • A01N43/04—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators containing heterocyclic compounds having rings with one or more oxygen or sulfur atoms as the only ring hetero atoms with one hetero atom
    • A01N43/14—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators containing heterocyclic compounds having rings with one or more oxygen or sulfur atoms as the only ring hetero atoms with one hetero atom six-membered rings
    • A01N43/16—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators containing heterocyclic compounds having rings with one or more oxygen or sulfur atoms as the only ring hetero atoms with one hetero atom six-membered rings with oxygen as the ring hetero atom
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01N—PRESERVATION OF BODIES OF HUMANS OR ANIMALS OR PLANTS OR PARTS THEREOF; BIOCIDES, e.g. AS DISINFECTANTS, AS PESTICIDES OR AS HERBICIDES; PEST REPELLANTS OR ATTRACTANTS; PLANT GROWTH REGULATORS
    • A01N25/00—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators, characterised by their forms, or by their non-active ingredients or by their methods of application, e.g. seed treatment or sequential application; Substances for reducing the noxious effect of the active ingredients to organisms other than pests
    • A01N25/12—Powders or granules
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01N—PRESERVATION OF BODIES OF HUMANS OR ANIMALS OR PLANTS OR PARTS THEREOF; BIOCIDES, e.g. AS DISINFECTANTS, AS PESTICIDES OR AS HERBICIDES; PEST REPELLANTS OR ATTRACTANTS; PLANT GROWTH REGULATORS
    • A01N25/00—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators, characterised by their forms, or by their non-active ingredients or by their methods of application, e.g. seed treatment or sequential application; Substances for reducing the noxious effect of the active ingredients to organisms other than pests
    • A01N25/22—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators, characterised by their forms, or by their non-active ingredients or by their methods of application, e.g. seed treatment or sequential application; Substances for reducing the noxious effect of the active ingredients to organisms other than pests containing ingredients stabilising the active ingredients
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K8/00—Cosmetics or similar toiletry preparations
    • A61K8/02—Cosmetics or similar toiletry preparations characterised by special physical form
    • A61K8/0241—Containing particulates characterized by their shape and/or structure
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K8/00—Cosmetics or similar toiletry preparations
    • A61K8/18—Cosmetics or similar toiletry preparations characterised by the composition
    • A61K8/72—Cosmetics or similar toiletry preparations characterised by the composition containing organic macromolecular compounds
    • A61K8/73—Polysaccharides
    • A61K8/731—Cellulose; Quaternized cellulose derivatives
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K8/00—Cosmetics or similar toiletry preparations
    • A61K8/18—Cosmetics or similar toiletry preparations characterised by the composition
    • A61K8/72—Cosmetics or similar toiletry preparations characterised by the composition containing organic macromolecular compounds
    • A61K8/73—Polysaccharides
    • A61K8/736—Chitin; Chitosan; Derivatives thereof
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61Q—SPECIFIC USE OF COSMETICS OR SIMILAR TOILETRY PREPARATIONS
    • A61Q17/00—Barrier preparations; Preparations brought into direct contact with the skin for affording protection against external influences, e.g. sunlight, X-rays or other harmful rays, corrosive materials, bacteria or insect stings
    • A61Q17/005—Antimicrobial preparations
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K2800/00—Properties of cosmetic compositions or active ingredients thereof or formulation aids used therein and process related aspects
    • A61K2800/40—Chemical, physico-chemical or functional or structural properties of particular ingredients
    • A61K2800/41—Particular ingredients further characterized by their size
    • A61K2800/412—Microsized, i.e. having sizes between 0.1 and 100 microns
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K2800/00—Properties of cosmetic compositions or active ingredients thereof or formulation aids used therein and process related aspects
    • A61K2800/40—Chemical, physico-chemical or functional or structural properties of particular ingredients
    • A61K2800/41—Particular ingredients further characterized by their size
    • A61K2800/413—Nanosized, i.e. having sizes below 100 nm

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Agronomy & Crop Science (AREA)
  • Birds (AREA)
  • Dentistry (AREA)
  • Plant Pathology (AREA)
  • Pest Control & Pesticides (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Processes Of Treating Macromolecular Substances (AREA)

Abstract

본 발명은 키토산 및 나노 셀룰로오스를 활용하여 우수한 항균성과 기계적 물성을 나타내면서도, 섭취시 인체에 악영향을 유발하지 않는 복합 항균비드를 제조하는 방법과 이에 의해 제조되어 고분자 성형체, 화장품, 식품 등에 항균 첨가제로 활용할 수 있는 복합 항균비드에 관한 것이다.
본 발명에 따른 복합 항균비드의 제조방법은, (a) 키토산 분말 1 내지 50 중량부를 산성 용매 50 내지 99 중량부와 혼합하여 키토산 용액을 제조하는 단계; (b) 나노 셀룰로오스 1 내지 50 중량부를 용매 50 내지 99 중량부와 혼합하여 나노 셀룰로오스 용액을 제조하는 단계; (c) 상기 키토산 용액 및 나노 셀룰로오스 용액을 각각 10:1 내지 1:10 중량비로 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 및 (d) 상기 혼합 용액을 이용하여 복합 항균비드를 제조하는 단계;를 포함하는 복합 항균비드의 제조방법를 포함한다.

Description

키토산 및 나노 셀룰로오스를 포함하는 가식성 복합 항균비드 및 이의 제조방법{Edible antibacterial composite beads containing chitosan and nanocellulose and method for manufacturing the same}
본 발명은 키토산 및 나노 셀룰로오스를 활용하여 우수한 항균성과 기계적 물성을 나타내면서도, 섭취시 인체에 악영향을 유발하지 않는 복합 항균비드를 제조하는 방법과 이에 의해 제조되어 고분자 성형체, 화장품, 식품 등에 항균 첨가제로 활용할 수 있는 복합 항균비드에 관한 것이다.
미세 플라스틱(microplastics)으로 인한 생태 환경의 오염이 심화됨에 따라, 기존 난분해성 플라스틱을 대체할 수 있는 친환경 소재에 관심이 높아지고 있고, 석유 기반 자원의 고갈 및 이산화탄소 배출로 인한 온난화 환경문제 등을 극복하기 위해서 기존의 석유계 플라스틱 소재를 대체 보완하는 기술개발에 대한 사회적 요구는 더욱 커지고 있다.
이에 따라, 최근에는 키토산(chitosan), 셀룰로오스(cellulose) 등과 같이 지구상에 풍부하게 존재하고 생분해가 가능한 친환경 천연소재에 다양한 물리 화학적 엔지니어링 기능성을 추가하여 플라스틱의 환경문제를 극복하려는 시도들이 활발히 진행되고 있다.
구체적으로, 친환경 천연소재의 일종인 키토산은 게(crab), 가재(lobster), 새우(shrimp) 등과 같은 갑각류와 곤충의 껍데기, 버섯, 균류의 세포벽 등에 포함된 키틴을 탈아세틸화하여 수득한 물질을 의미하며, 키틴을 강알칼리로 처리하고, 탈아세틸화하는 방법으로 생산되고 있다.
키토산은 D-글루코사민(D-glucosamine)이 β-(1→4) 결합한 선형 고분자로서, 키토산은 물에 불용성을 나타내지만 유기산 또는 무기산과 염을 형성하며 그 중 대부분은 수용성이 되며, 염을 형성한 수용성 키토산은 금속류나 단백질 등 유기물과 만나면 산을 떼어 결합하는 성질이 있어 응집제로 이용되고 있으며, 독성이 없고, 생체 적합하며, 생분해성을 나타낼 뿐만 아니라 항균성이 우수하여 이를 활용하기 위한 다양한 방법에 대한 연구가 진행되고 있다.
하지만, 키토산은 화장품, 식품 등에 함유된 물과 접촉할 경우 팽윤되어 항균성이 쉽게 저하되는 문제가 있고, 내열성이 낮아 압출 등과 같은 고온의 기계적 성형 공정을 통해 플라스틱 성형체를 제조할 경우 항균성이 쉽게 소실될 수 있으며, 물리화학적 강도가 낮아 항균용 첨가제로의 사용에 제한이 있어 이를 보완할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.
한편, 친환경 천연소재의 일종인 나노 셀룰로오스는 식물 세포벽을 기계적 또는 화학적 처리하여 수득할 수 있는 지구상에서 가장 얻기 쉬운 천연 고분자로 알려져 있으며 높은 투명성, 재생 가능성, 생분해성, 생체적 안정성, 높은 열 안정성, 용이한 성형성 등의 장점으로 관심이 증가하고 있다.
특히, 나노 셀룰로오스는 표면적이 넓고, 수산기가 다량 도입되어 친수성이 높으며, 우수한 생체적합성, 생분해성과 재생성을 가지면서도, 높은 강도와 강직성을 지니는 장점이 있어 이를 고분자 소재와 함께 복합화하여 기계적 강도를 보강하는 방법에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다.
기존에는 상기와 같은 특성을 나타내는 키토산과 나노 셀룰로오스를 복합화하여 생분해성을 나타내면서도 물리화학적 특성과 항균성이 우수한 복합 소재를 제조하는 방법에 관한 연구가 미흡하여 이를 보완할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.
한국등록특허 제10-2032632호 (공고일 : 2019.10.15) 한국등록특허 제10-0478093호 (공고일 : 2005.03.24) 한국등록특허 제10-1945938호 (공고일 : 2019.02.12) 한국등록특허 제10-1175625호 (공고일 : 2012.08.21)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 키토산과 나노 셀룰로오스를 복합화하여 항균성과 물리화학적 특성이 향상된 복합 항균비드를 제조하는 방법에 관한 기술 내용을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명은 장시간 안정적으로 항균 활성을 나타내고, 섭취시에도 인체에 악영향을 미치지 않아 식품 및 화장품에 항균제로 첨가할 수 있을 뿐만 아니라, 플라스틱 성형체 제조시 고분자 수지와 함께 항균 첨가제로 도입할 수 있는 복합 항균비드에 관한 기술 내용을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명은, (a) 키토산 분말 1 내지 50 중량부를 산성 용매 50 내지 99 중량부와 혼합하여 키토산 용액을 제조하는 단계; (b) 나노 셀룰로오스 1 내지 50 중량부를 용매 50 내지 99 중량부와 혼합하여 나노 셀룰로오스 용액을 제조하는 단계; (c) 상기 키토산 용액 및 나노 셀룰로오스 용액을 각각 10:1 내지 1:10 중량비로 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 및 (d) 상기 혼합 용액을 이용하여 복합 항균비드를 제조하는 단계;를 포함하는 복합 항균비드의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 키토산 분말은 평균입자 크기가 100 내지 2,000 ㎛인 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 나노 셀룰로오스 용액은 폭(width) 2 내지 300 nm, 평균길이가 100 내지 2,000 nm인 나노 셀룰로오스를 포함할 수 있다.
또한, 상기 단계(d)에서는, 상기 혼합 용액을 응고액에 적하하여 키토산 및 나노 셀룰로오스를 응고시켜 습윤 상태의 복합 항균비드를 포함하는 반응 용액을 제조하고, 제조한 반응 용액을 건조하여 상기 복합 항균비드를 제조할 수 있다.
또한, 상기 응고액은 트리폴리인산 나트륨(sodium tripolyphosphate), β-글리세로인산염(β-glycerophosphate), 글리옥살(glyoxal), 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 클로라이드(1-butyl-3-methylimidazolium chloride), 글루타르알데히드(glutaraldehyde), 에피클로로히드린(epichlorohydrin), 디이소시아네이트(diisocyanate), 에틸디메틸아미노프로필카르보디이미드(1-ethyl-3(3-dimethyl aminopropyl) carbodiimide), 하이드록시석신이미드(N-hydroxysuccinimide), 에틸렌디아민(ethylene diamine), 디메틸아미노프로필에틸카르보디이미드하이드로클로라이드(dimethylaminopropyl ethylcarbodiimide hydrochloride), 하이드록시벤조트리아졸(hydroxybenzotriazole) 및 디이소프로필카르보디이미드(diisopropylcarbodiimide)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 경화제를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 단계 (d)에서는, 상기 혼합 용액을 80 내지 150 ℃의 온도로 1 내지 12시간 동안 열처리하여 상기 복합 항균비드를 제조할 수 있다.
또한, 상기 단계 (d)에서 상기 복합 항균비드를 제조한 다음, 상기 복합 항균비드를 프로폴리스 수용액에 함침시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기에 기재된 복합 항균비드의 제조방법으로 제조하여 키토산 및 나노 셀룰로오스를 포함하는 복합 항균비드를 제공한다.
상기 복합 항균비드는 식품, 화장품, 고분자 필름, 고분자 시트 및 고분자 용기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물품에 도입되는 항균 첨가제로 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 복합 항균비드의 제조방법은 키토산과 나노 셀룰로오스를 복합화하여 우수한 항균성을 나타내면서도 물리화학적 특성이 향상된 복합 항균비드를 제조할 수 있다.
제조한 복합 항균비드는 장시간 안정적으로 항균 활성을 나타내고, 우수한 생분해성을 나타내면서도, 섭취시 인체에 악영향을 유발하지 않아 식품, 화장품, 플라스틱 성형체 제조시 항균 첨가제로 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 복합 항균비드의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 2는 실시예에 따른 방법으로 복합 항균비드를 제조하기 위해 사용되는 나노결정 셀룰로오스를 촬영한 전자현미경 이미지이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시 예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 복합 항균비드의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 복합 항균비드의 제조방법은, (a) 키토산 분말 1 내지 50 중량부를 산성 용매 50 내지 99 중량부와 혼합하여 키토산 용액을 제조하는 단계; (b) 나노 셀룰로오스 1 내지 50 중량부를 용매 50 내지 99 중량부와 혼합하여 나노 셀룰로오스 용액을 제조하는 단계; (c) 상기 키토산 용액 및 나노 셀룰로오스 용액을 각각 10:1 내지 1:10 중량비로 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 및 (d) 상기 혼합 용액을 이용하여 복합 항균비드를 제조하는 단계;를 포함한다.
상기 단계(a)는, 키토산 용액을 제조하는 단계로서, 키토산 분말을 산성 용매와 혼합하여 키토산 용액을 제조할 수 있다.
키토산은 게, 새우, 가재 등과 같은 갑각류의 외피, 오징어 등과 같은 연체동물의 골격, 곤충의 외골격, 곰팡이, 효모, 버섯 등과 같은 진균류의 세포벽에 존재하는 천연 고분자 다당류인 키틴을 탈아세틸화시켜 제조하며, D-글루코사민(D-glucosamine)이 β-(1→4) 글리코시드 결합한 공중합체이다.
키토산은 고갈 가능성이 없고, 인체에 무해하며, 유해 미생물의 생육을 저해하는 항균성과, 유해성분을 흡착하는 흡착성, 생체 적합성과 성형성이 우수하고, 물 또는 알칼리 환경에서는 용해되지 않으나, 산성 조건에서 쉽게 용해되는 특성을 나타낸다.
키토산 분말은 키틴을 분쇄하여 제조한 키틴 분말을 탈아세틸화시켜 제조한 것을 사용할 수 있으며, 예를 들어, 키틴 분말을 수산화나트륨(NaOH)에 도입하고 30 내지 420분 동안 탈아세틸화시켜 제조하여 평균 입자 크기가 10 내지 2,000 ㎛인 것을 사용할 수 있다.
상기 키토산 분말의 평균입자 크기가 10 ㎛ 미만인 경우 나노 셀룰로오스의 도입량이 적어 기계적 물성을 개선하기 어렵고, 2,000 ㎛를 초과할 경우 표면적이 감소하여 항균활성이 저하될 우려가 있다.
또한, 키토산 용액은 키토산 분말과 산성 용매와 혼합하여 제조할 수 있으며, 키토산 분말 1 내지 50 중량부를 산성 용매 50 내지 99 중량부와 혼합하여 제조할 수 있다.
키토산 용액 제조를 위한 산성 용액은 염산(hydrochloric acid), 황산(sulphuric acid), 질산(nitric acid), 아세트산(acetic acid), 포름산(formic acid), 옥살산(oxalic acid), 인산(phosphoric acid), 탄산(carbonic acid), 아질산(nitrous acid), 구연산(citric acid), 젖산(lactic acid), 소르빈산(sorbic acid), 벤조산(benzoic acid), 아스코르빈산(ascorbic acid), 호박산(succinic acid) 또는 이들의 혼합물을 이용해 제조하여 pH 3 내지 6인 것을 사용할 수 있으며, 이들을 포함하는 산성 수용액을 사용할 수 있다.
바람직하게는, 키토산 용액은 키토산 1 내지 5 중량부 및 아세트산 수용액 100 중량부를 혼합하여 제조할 수 있으며, 수소이온농도가 pH 3 내지 6인 아세트산 수용액을 사용할 수 있다.
키토산의 특성에 대해 상세히 살펴보면, 키토산의 항균성은 키토산 백본(backbone)의 양이온화된 아미노기(NH3 +)에 의해 발현되며, 미생물의 세포벽을 구성하는 시알산(sialic acid), 인지질 등의 음전하는 양이온화 된 키토산의 아미노기와 이온결합이 생성되고, 그 결과 세포막 중 인지질의 극성화로 접촉면 반대 측의 세포막 조직이 파괴되고 그로 인해 세포내의 원형질이 노출되어 미생물을 사멸시키게 하며, 키토산의 양이온이 세포 DNA와 반응하여 RNA와 단백질의 합성을 저해할 수 있다. 따라서, 키토산의 암모늄 양이온이 미생물에 접촉할 수 있는 한 항미생물 효과는 지속된다.
또한, 키토산의 항균성은 키토산이 미량의 금속 원소에 선택적으로 결합하여 독소 생성을 유발하고 미생물의 생육을 억제하는 킬레이트제(chelating agent)로서 작용하여 발현된다.
상기와 같이 항균성을 나타내는 키토산은 물속에서 일부의 아미노기가 양성화되어 실제로 막전위가 발생되고, 수산기를 과량 포함하고 있어 물과 접촉할 경우 쉽게 팽윤되지만 분자쇄 간 수소결합의 대부분이 끊어지지 않기 때문에 용해되지는 않아 불용성을 나타내나, 물과 접촉할 경우 기계적 물성이 크게 저하되고, 내열성이 부족해 압출 등과 같은 고온의 기계적 성형 공정을 가공할 경우 항균성이 소실되는 문제가 있어, 본 발명에서는 키토산에 나노 셀룰로오스를 도입하여 항균성과 함께 기계적 물성이 향상된 복합 항균비드를 제조할 수 있다.
상기 단계(b)는, 나노 셀룰로오스를 용매와 혼합하여 나노 셀룰로오스 용액을 제조할 수 있다.
나노 셀룰로오스(nano cellulose)는 천연 고분자로, 결정성이 높고, 물리적 강도, 내열성, 투명성이 우수하고, 생분해성을 가지고 있을 뿐만 아니라, 키토산의 조직에 도입되어 네트워크를 형성하여 결합이 분리되지 않도록 보호하며, 키토산 조직 결합을 강화 또는 보호하여 키토산의 물리화학적 특성을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 나노 셀룰로오스는 피라노오스 고리(pyranose ring)의 2번 탄소위치에 수산기(-OH)가 도입된 구조를 가지며, 키틴의 경우에는 N-아세틸기(-CHCO), 키토산의 경우에는 아미노기(-NH)가 도입되어 있는 구조를 가지고 있어 키토산과 유사한 분자 구조를 가지며, 셀룰로오스 체인이 다발을 이루도록 결합하여 인장탄성계수가 강철이나 케블라(kevlar)와 비슷하고, 밀도가 작으며, 넓은 비표면적을 가지는 바이오 기반 소재로서, 키토산의 조직에 도입되어 키토산의 물리화학적 특성을 향상시킬 수 있다.
나노 셀룰로오스는 이를 제조하기 위해 사용되는 통상적인 다양한 셀룰로오스 원료를 이용해 제조한 것을 사용할 수 있으나, 바람직하게는, 볏짚, 보리짚, 옥수수대, 면화대, 사탕수수, 대나무, 케냐프(kenaf), 코튼 린터, 목재 또는 이들의 혼합물을 포함하는 셀룰로오스 원료를 이용해 제조한 것을 사용할 수 있으며, 이와 같은 셀룰로오스 원료를 이용해 제조한 나노 셀룰로오스는 섭취시에도 인체에 악영향을 끼치지 않는 안전한 천연 소재이다.
또한, 나노 셀룰로오스는 평균 폭(width) 2 내지 300 nm, 평균 길이(length)가 100 내지 2,000 nm인 나노 셀룰로오스를 도입할 수 있으며, 나노 셀룰로오스의 폭과 길이가 상기 범위를 벗어날 경우 나노섬유 셀룰로오스의 균일한 도입이 어렵다는 문제가 발생할 수 있다.
상기 나노 셀룰로오스는 셀룰로오스 원료를 고압 균질화기(homogenizer) 또는 밀링 장치(milling machine) 등을 이용한 기계적 처리를 통해 제조한 나노섬유 셀룰로오스(cellulose nanofibril, CNF), 산 가수분해에 의한 화학적 처리를 추가하여 제조한 나노결정 셀룰로오스(cellulose nanocrystal, CNC), 박테리아 유래 셀룰로오스 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 나노섬유 셀룰로오스는 폭(width) 2 내지 300 nm, 길이 700 내지 2,000 nm, 종횡비(aspect ratio) 5 내지 50 미만인 것을 사용할 수 있으며, 상기 나노결정 셀룰로오스는 폭 2 내지 20 nm, 길이 100 내지 600 nm, 종횡비(aspect ratio) 1 내지 5인 것을 사용할 수 있으며, 바람직하게는, 나노결정 셀룰로오스를 도입할 수 있다.
본 단계에서는 나노 셀룰로오스 1 내지 50 중량부를 용매 50 내지 99 중량부와 혼합하여 나노 셀룰로오스 용액을 제조할 수 있으며, 나노 셀룰로오스의 함량이 1 중량부 미만일 경우 충분한 물성 향상 효과를 기대하기 어렵고, 50 중량부를 초과할 경우 하이드로 콜로이드의 형성으로 점도가 크게 증가하여 키토산과의 복합화가 어려워진다는 문제가 있으며, 바람직하게는, 나노결정 셀룰로오스 1 내지 5 중량부를 에탄올 100 중량부와 혼합하여 나노 셀룰로오스 용액을 제조할 수 있다.
상기 나노 셀룰로오스는 복잡한 수소결합과 높은 결정화도로 인해 일반적인 용매와 물에는 용해되지 않으며, 나노 셀룰로오스를 고르게 분산시킬 수 있는 용매를 이용해 제조할 수 있다.
상기 나노 셀룰로오스 용액은 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 부탄올(butanol), 프로판올(propanol), 이소프로판올(isoprpanol), 아세트산(acetate), 아세톤(acetone) 또는 이들의 혼합물을 용매로 이용해 나노 셀룰로오스를 균일하게 분산시킨 나노 셀룰로오스 용액을 제조할 수 있다.
상기 단계(c)에서는, 키토산 용액 및 나노 셀룰로오스 용액을 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계이다.
본 단계에서는 키토산 용액 및 나노 셀룰로오스 용액을 각각 10:1 내지 1:10 중량비로 혼합하여 혼합 용액을 제조할 수 있으며, 상기 범위를 벗어날 경우 나노 셀룰로오스의 도입으로 인한 추가적인 물성 향상 효과를 기대하기 어렵다.
상기 혼합 용액에서 나노 셀룰로오스 용액의 함량이 낮을 경우 충분한 물성 향상 효과를 기대하기 어렵고, 함량이 초과할 경우 추가적인 물성 향상을 기대하기 어려우며, 나노 셀룰로오스의 균일한 분산이 힘들어진다는 문제가 있다.
본 단계에서는 키토산 용액 및 나노 셀룰로오스 용액을 혼합한 다음 지속적으로 교반하거나, 진동을 공급하여 키토산의 다공성 조직에 나노 셀룰로오스가 균일하게 도입되도록 구성할 수 있다.
상기 단계(d)에서는, 혼합 용액을 이용하여 복합 항균비드를 제조하는 단계로서, 키토산 및 나노 셀룰로오스에 아마이드 결합과 에스테르 결합을 형성시켜 키토산과 나노 셀룰로오스를 경화시켜 복합 항균비드를 제조할 수 있다.
본 단계에서는 혼합 용액에 응고액을 적하하는 방법, 혼합 용액을 응고액에 적하하는 방법, 혼합 용액에 응고액을 혼합하고 성형 장치를 이용해 성형하는 방법 등과 같이 키토산 및 나노 셀룰로오스를 포함하는 혼합 용액을 이용해 비드를 제조할 수 있는 통상적인 다양한 방법을 이용해 복합 항균비드를 제조할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따라, 본 단계에서는 혼합 용액을 응고액에 적하하여 혼합 용액에 포함된 키토산 및 나노 셀룰로오스를 응고시켜 습윤 상태의 복합 항균비드를 포함하는 반응 용액을 제조하고, 제조한 반응 용액을 건조하여 복합 항균비드를 수득할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라, 본 단계에서는 응고액을 혼합 용액에 적하하여 혼합 용액에 포함된 키토산 및 나노 셀룰로오스를 응고시켜 습윤 상태의 복합 항균비드를 포함하는 반응 용액을 제조하고, 제조한 반응 용액을 건조하여 복합 항균비드를 수득할 수 있다.
복합 항균비드 제조를 위해 사용할 수 있는 응고액은 수산화나트륨(NaOH), 중탄산나트륨(NaHCO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 수산화칼륨(KOH), 탄산칼륨(K2CO3), 탄산수소칼륨(KHCO3), 수산화암모늄(ammonium hydroxide), 염화칼슘(CaCl2), 수산화칼슘(CaOH2), 암모니아(NH3), 수산화마그네슘(MgOH2) 또는 이들의 혼합물을 포함하는 수용액을 사용할 수 있다.
상기 응고액은 응고를 촉진시킬 수 있도록 이들을 0.1 내지 5M 농도로 포함하는 알칼리성 수용액을 사용할 수 있으며, 응고액의 농도가 0.1M 미만일 경우 키토산과 나노 셀룰로오스의 응고시간이 장시간 소모되며 복합 항균비드의 강도가 저하될 우려가 있고, 5M을 초과할 경우 불균일한 입자 크기의 복합 비드가 생성될 수 있다.
또한, 본 단계에서는, 상기와 같은 혼합 용액 및 응고액만을 이용하여 복합 항균비드를 제조할 수 있으나, 상기 응고액에 경화제, 경화촉진제 또는 이들의 혼합물을 추가로 도입하여 기계적 물성이 향상된 복합 항균비드를 제조할 수도 있다.
상기 경화제는, 아마이드 결합 및 에스테르 결합을 유도하여 키토산 및 나노 셀룰로오스의 가교를 촉진시켜 복합 항균비드의 팽윤성과 용해성을 억제함과 동시에 기계적 물성을 향상시키는 역할을 한다.
경화제는 트리폴리인산 나트륨(sodium tripolyphosphate), β-글리세로인산염(β-glycerophosphate), 글리옥살(glyoxal), 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 클로라이드(1-butyl-3-methylimidazolium chloride), 글루타르알데히드(glutaraldehyde), 에피클로로히드린(epichlorohydrin), 디이소시아네이트(diisocyanate), 에틸디메틸아미노프로필카르보디이미드(1-ethyl-3(3-dimethyl aminopropyl) carbodiimide), 하이드록시석신이미드(N-hydroxysuccinimide), 에틸렌디아민(ethylene diamine), 디메틸아미노프로필에틸카르보디이미드하이드로클로라이드(dimethylaminopropyl ethylcarbodiimide hydrochloride), 하이드록시벤조트리아졸(hydroxybenzotriazole), 디이소프로필카르보디이미드(diisopropylcarbodiimide) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 상기 가교제는 인체에 독성을 나타내지 않는 성분을 사용할 수 있으며, 트리폴리인산 나트륨 또는 이들의 유도체를 도입할 수 있다.
상기 경화 촉진제는, 키토산 및 나노 셀룰로오스의 아마이드 결합을 촉진시켜 복합 항균비드의 기계적 물성을 더욱 향상시킬 수 있도록 하며, 상기 경화 촉진제는 트리에톡시실란, 테트라에톡시실란(tetraetoxysilane), 라우로일클로라이드(lauroyl chloride) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 경화제 및 경화 촉진제는 키토산과 나노 셀룰로오스의 가교에 영향을 주어 첨가되는 함량에 따라 복합 항균비드의 강도와 생분해성을 조절할 수 있다.
상기 경화제 및 경화 촉진제는 각각 상기 응고액 100 중량부 대비 0.1 내지 10 중량부의 비율로 도입될 수 있고, 함량이 0.1 중량부 미만일 경우 충분한 물성 향상을 기대하기 어렵고, 10 중량부를 초과할 경우 복합 항균비드의 기계적 물성이 보다 향상될 수 있으나 표면에 형성되는 기공이 소실되어 항균성이 저하될 우려가 있다.
아울러, 본 단계에서는, 응고액에 금속 산화물을 추가로 도입하여 내열성과 항균 활성이 더욱 향상된 복합 항균비드를 제조할 수도 있으며, 금속 산화물은 산화아연, 이산화티탄, 산화구리 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있고, 응고액 100 중량부 대비 0.1 내지 5 중량부의 금속 산화물을 도입하여 복합 항균비드의 조직에 금속 산화물을 도입해 항균성을 강화시킴과 동시에 내열성이 향상된 복합 항균비드를 제조할 수 있다.
그리고, 본 단계에서는 습윤 상태의 비드가 형성된 반응 용액을 제조하고, 제조한 반응 용액을 열처리하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 이에 의해 기계적 물성이 더욱 향상된 복합 항균비드를 제조할 수 있다.
이를 위해, 본 단계에서는 습윤 상태의 복합 항균비드를 포함하는 반응 용액을 80 내지 150 ℃의 온도로 1 내지 12시간 동안 가열하는 방법으로 열처리를 수행할 수 있으며, 이와 같은 열처리를 통해 키토산 및 나노 셀룰로오스의 가교를 더욱 촉진시킬 수 있게 된다.
또한, 본 단계에서는 습윤 상태의 복합 항균비드를 포함하는 반응 용액을 제조한 다음, 제조한 반응 용액을 상온 건조, 가열 건조, 진공 건조 및 동결 건조 등과 같은 건조방법으로 건조하여 복합 항균비드를 제조할 수 있으며, 바람직하게는, 동결 건조 방법을 이용해 다공성 구조의 복합 항균비드를 제조할 수 있다.
본 단계에서는, 혼합 용액 또는 응고액을 적하시키기 위해 사용되는 시린지 또는 니들의 배출구 직경에 따라 입자크기를 제어할 수 있으며, 평균입자 크기가 0.01 내지 10 mm인 복합 항균비드를 제조할 수 있다.
또한, 본 단계에서는, 상기 복합 항균비드를 제조한 다음 복합 항균비드를 프로폴리스 추출물에 함침시키는 단계를 추가로 포함하도록 구성할 수 있으며, 이에 의해, 항균 활성이 향상된 전처리 복합 항균비드를 제조할 수 있다.
프로폴리스 추출물은 프로폴리스 원괴를 분쇄하여 분쇄물을 제조하고, 제조한 분쇄물 100 중량부를 물 30 내지 50 중량부와 혼합하여 반응 혼합물을 제조하고, 제조한 반응 혼합물을 55 내지 70 ℃의 온도로 6 내지 12시간 동안 가열하여 수행하고, 20 내지 60분 간격으로 상청액을 제거하고, 제거한 상청액의 양과 동량의 물을 혼합하는 방법으로 프로폴리스에 함유된 부유 성분을 제거하며, 부유 성분을 제거한 프로폴리스 추출물 100 중량부를 계면활성제인 폴리솔베이트 40 중량부, 물 100 내지 500 중량부와 혼합하여 희석한 다음 아미노산 10 중량부를 혼합해 제조한 수용성 프로폴리스 추출물을 사용할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 복합 항균비드의 제조방법은 키토산의 조직에 나노 셀룰로오스를 함께 도입하여 우수한 항균성을 나타내면서도 물리화학적 특성이 향상된 복합 항균비드를 제조할 수 있다.
이에 따라, 제조한 복합 항균비드는 장시간 안정적으로 항균 활성을 나타내고, 우수한 생분해성을 나타내면서도, 섭취시 인체에 악영향을 유발하지 않아 식품, 화장품, 플라스틱 성형체 제조시 항균 첨가제로 활용할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기에 기재된 방법으로 제조하여 키토산 및 나노 셀룰로오스를 포함하는 복합 항균비드를 제공한다.
상기 복합 항균비드는, 우수한 항균성과 기계적 물성을 나타내며, 내열성이 향상되어, 고온으로 가열되는 환경 하에서도 쉽게 항균성이 소실되지 않을 뿐만 아니라 생분해성을 나타내고, 인체에 도입되어도 악영향을 미치지 않아 고분자 필름, 고분자 시트 및 고분자 용기 등을 제조하기 위한 항균 첨가제로 활용될 수 있으며, 천연 고분자 소재를 활용하여 제조함에 따라 인체에 무해하여 화장품, 식품 등에 항균 첨가제로 도입되어 활용할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하도록 한다.
제시된 실시예는 본 발명의 구체적인 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
<실시예 1>
(1) 키토산 용액 제조
탈아세틸화도가 85%, 평균 분자량(Mw) 550,000 내지 600,000인 키토산을 분쇄하고, 체걸음(sieving)하여 평균입자 크기가 100 ㎛인 키토산 분말을 제조하였다. 제조한 키토산 분말 6 중량부를 pH 4의 아세트산 수용액 200 중량부와 혼합하여 콜로이드상의 키토산 용액을 제조하였다.
(2) 나노 셀룰로오스 용액 제조
평균입자 크기가 100 내지 120 nm인 나노결정 셀룰로오스 6 중량부를 에탄올 200 중량부와 혼합하고, 150 내지 200 rpm으로 2시간 동안 교반하여 나노결정 셀룰로오스가 균일하게 분산되어 현탁액 상태인 셀룰로오스 용액을 제조하였다.
나노결정 셀룰로오스는 다음과 같은 방법으로 제조하여 도 2에 나타낸 바와 같은 것을 사용하였다.
먼저, 대나무 유래 셀룰로오스 섬유 분쇄물 20 중량부를 탈이온수(deionized water) 150 중량부와 혼합한 원료 혼합물에 6M 인산(H3PO4) 50 mL을 혼합하고, 100 ℃로 5시간 동안 가열하여 셀룰로오스 섬유를 가수분해하여 셀룰로오스 가수분해물을 포함하는 현탁액을 제조하였다. 제조한 현탁액을 3,000 rpm으로 15분 동안 원심분리하여 상청액을 제거하고, 탈이온수를 이용해 5회 반복 세척하였다. 셀룰로오스 가수 분해물을 탈이온수에 용해시킨 다음 고압(1000 bar)에서 180분 동안 고압 균질화 처리하고 여과하여 나노결정 셀룰로오스를 포함하는 여과물을 수득하고, 수득한 여과물을 건조하여 나노결정 셀룰로오스(두께 10 내지 20 nm, 길이 100 내지 120 nm)를 수득하였다.
(3) 혼합 용액 제조
하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 키토산 용액(CS) 및 나노 셀룰로오스 용액(NSS)을 각각 10:1, 5:1, 3:1, 1:1 및 1:2의 중량비로 혼합하고, 150 내지 200 rpm으로 2시간 동안 교반하여 혼합 용액을 제조하였으며, 제조한 혼합 용액을 3시간 동안 반응시켰다. 즉, 키토산 및 나노결정 셀룰로오스를 각각 10:1, 5:1, 3:1, 1:1 및 1:2의 중량비로 혼합하여 반응시켰다.
Figure 112020099135014-pat00001
(4) 복합 항균비드 제조
제조한 혼합 용액을 시린지 펌프에 공급하고, 시린지 펌프에 공급하고, 시린지 펌프에 구비된 시린지를 통해 혼합 용액을 1M 수산화나트륨 수용액에 적하시켜 습윤 상태의 비드를 포함하는 반응 용액을 제조하였으며, 제조한 혼합 용액을 -20 ℃에서 동결 건조시켜 평균 입자 크기가 300 내지 350 ㎛인 복합 항균비드를 제조하였다.
<실시예 2>
수산화나트륨 수용액 100 중량부 대비 경화제인 트리폴리인산 나트륨 2 중량부를 혼합하여 제1 혼합 응고액을 제조하고, 제조한 제1 혼합 응고액을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 복합 항균비드를 제조하였다.
<실시예 3>
수산화나트륨 수용액 100 중량부 대비 경화제인 트리폴리인산 나트륨 2 중량부, 경화촉진제인 테트라에톡시실란 1 중량부를 혼합하여 제2 혼합 응고액을 제조하고, 제조한 제2 혼합 응고액을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 복합 항균비드를 제조하였다.
<실시예 4>
실시예 1-3과 동일한 방법으로 습윤 상태의 비드를 포함하는 반응 용액을 제조하고, 제조한 반응 용액을 90 ℃에서 4시간 동안 열처리하고, 열처리한 혼합 용액을 -20 ℃에서 동결 건조시켜 복합 항균비드(실시예 4-1)를 제조하였다.
또한, 실시예 2-3과 동일한 방법으로 습윤 상태의 비드를 포함하는 반응 용액을 제조하고, 제조한 반응 용액을 90 ℃에서 4시간 동안 열처리하고, 열처리한 혼합 용액을 -20 ℃에서 동결 건조시켜 복합 항균비드(실시예 4-2)를 제조하였다.
또한, 실시예 3-3과 동일한 방법으로 습윤 상태의 비드를 포함하는 반응 용액을 제조하고, 제조한 반응 용액을 90 ℃에서 4시간 동안 열처리하고, 열처리한 혼합 용액을 -20 ℃에서 동결 건조시켜 복합 항균비드(실시예 4-3)를 제조하였다.
<실시예 5>
수용성 프로폴리스 분말 10 중량부 및 증류수 90 중량부를 포함하는 수용성 프로폴리스 혼합용액에 실시예 4-3에 따른 방법으로 제조한 복합 항균비드를 혼합한 다음 3시간 동안 교반하여 복합 항균비드 반응물을 제조하고, 제조한 복합 항균비드 반응물을 건조하여 전처리 복합 항균비드를 제조하였다.
수용성 프로폴리스 분말은, 프로폴리스 원괴를 분쇄하여 분쇄물을 제조하고, 제조한 분쇄물 100 중량부를 물 50 중량부와 혼합하여 반응 혼합물을 제조하고, 제조한 반응 혼합물을 65 ℃의 온도로 10시간 동안 가열하여 수행하고, 30 내지 40분 간격으로 상청액을 제거하고, 제거한 상청액의 양과 동량의 물을 혼합하는 방법으로 프로폴리스에 함유된 부유 성분을 제거하며, 부유 성분을 제거한 프로폴리스 추출물 100 중량부를 계면활성제인 폴리솔베이트 40 중량부, 물 500 중량부와 혼합하여 희석한 다음 L-아르기닌 10 중량부를 혼합하고, 건조시켜 제조한 수용성 프로폴리스 분말을 사용하였다.
<비교예 1>
나노 셀룰로오스 용액을 도입하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조한 키토산 용액을 사용하여 항균 비드를 제조하였다.
<실험예>
(1) 복합 항균비드의 용해도 측정
실시예 및 비교예에 따른 방법으로 제조한 복합 항균비드의 건조 중량(W0)을 측정하고, 복합 항균비드를 5% 아세트산 수용액(부피비 5:95)에 침지시킨 다음 탈이온수로 3회 세정하고, 100 ℃에서 12시간 동안 건조하여 건조 후 중량(WS)을 측정하고, 하기 식 1을 이용해 용해되는 키토산과 나노 셀룰로오스의 함량을 측정하여 용해도를 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 용해도 평가는 3시간 간격으로 제조한 각각의 시료의 용해도(단위 : %)를 평가하였다. 용해도 평가를 위해서키토산 분말 및 나노 셀룰로오스 분말을 별도로 각각 혼합한 혼합물을 5% 아세트산 수용액에 침지시킨 것을 대조군으로 평가하였다.
[식 1]
S0 = (W0 - WS) / W0 × 100
Figure 112020099135014-pat00002
표 2에 나타낸 바와 같이, 산성 용액에서 복합 항균비드의 용해도를 측정한 결과, 키토산 비드를 적하하여 제조한 비교예 1 대비 키토산 및 나노 셀룰로오스를 복합화한 실시예 1의 복합 항균비드의 경우 나노 셀룰로오스가 키토산과 네트워크를 강하게 형성하여 용해도가 크게 저감되어 물리 화학적 특성이 향상되었음을 확인할 수 있었다.
특히, 경화제를 단독 첨가, 경화제 및 경화 보조제를 혼합 첨가하여 가교시킨 경우 물성이 더욱 향상되었음을 확인할 수 있었으며, 실시예 4와 같이 열처리를 통해서도 물리 화학적 특성이 향상된다는 사실을 확인할 수 있었다.
(2) 복합 항균비드의 팽윤도 측정
실시예 및 비교예에 따른 방법으로 제조한 비드 팽윤도(Sw)를 산출하여 하기 표 3에 나타내었다. 팽윤도(Sw)는 제조한 비드 각각의 건조중량(W0)을 측정하고, 각각의 비드를 상온(25 ℃)에서 증류수에 12시간 동안 침지시킨 다음 침지 후 중량(Wt)을 측정하였으며, 하기 식 2에 따라 산출하였다.
[식 2]
Sw = (Wt - W0) / W0 × 100
Figure 112020099135014-pat00003
표 3에 나타낸 바와 같이, 산성 용액에서 복합 항균비드의 팽윤도를 측정한 결과, 실시예 1과 같이 나노 셀룰로오스의 함량이 증가함에 따라 키토산 및 나노 셀룰로오스의 복합화로 인해 강한 네트워크가 형성되어 팽윤도가 크게 감소한다는 사실을 확인할 수 있었으며, 경화제 및 경화 촉진제의 첨가와 열처리를 통해서도 복합 항균비드의 물리 화학적 특성이 향상된다는 사실을 확인할 수 있었다.
(3) 복합 항균비드의 강도 평가
실시예 및 비교예에 따른 방법으로 제조한 복합 항균비드의 압축강도를 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
압축강도 평가는 직경이 5 mm가 되도록 제조한 구형 비드 시편을 제조하여 수행하였으며, 만능시험 분석기를 이용해 압축강도(단위 : kgf/cm2)를 측정하여 그 결과를 표 4에 나타내었다
Figure 112020099135014-pat00004
표 4에 나타낸 바와 같이, 제조한 복합 항균비드의 압축강도를 평가한 결과 나노 셀룰로오스의 도입으로 인해 키토산 및 나노 셀룰로오스가 치밀한 망상형 구조를 형성하여 복합 항균비드의 강도를 크게 향상시키는 것으로 판단되었다.
특히, 경화제를 도입하는 경우 기계적 물성이 추가로 향상된다는 사실을 확인할 수 있었으며, 열처리를 통해서도 물성을 향상시킬 수 있다는 사실을 확인할 수 있었고, 경화 촉진제를 추가 도입하는 경우 실란에 의해 아마이드 결합이 촉진되어 기계적 물성을 더욱 향상시킬 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다.
상기와 같은 결과를 통해서, 기계적 물성이 향상된 복합 항균비드는 플라스틱 용기, 필름, 시트 등을 성형시 활용할 경우 고온의 압출온도에서도 변형이 발생되지 않으며, 물성 균일성이 우수하여 가공 적성이 우수한 항균제를 형성시킬 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다.
(4) 복합 항균비드의 항균성 평가
실시예 및 비교예에 따른 방법으로 제조한 복합 항균비드의 항균성을 평가하였다. 항균성 평가는 JIS Z 2801:2000에 의거하여 그람 음성 균주인 대장균(Escherichia coli ATCC 8739)을 대상균주로 하여 초기균수가 1.1 × 106 cfu/mL인 배양액을 제조하고, 제조한 배양액에 비드를 첨가한 다음 온도 35 ℃에서 일정시간 동안 배양하여 배양 후 , 상대습도 90%에서 24 시간 정치 배양한 후 균수(단위 : cfu/mL)를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
Figure 112020099135014-pat00005
실시예 및 비교예에 따른 방법으로 제조한 복합 항균비드의 항균 활성을 평가한 결과, 제조한 비드는 대장균에 대하여 항균효과가 99.9 % 수준으로 우수하다는 사실을 확인할 수 있었고, 프로폴리스의 도입으로 인해 항균성이 더욱 향상되었다는 사실을 확인할 수 있었다.
(5) 항균 지속성 평가
실시예 및 비교예에 따른 방법으로 제조한 복합 항균비드의 항균 지속성을 평가하였다. 항균 지속성 평가는 KS K 0693:2001에 의거하여 그람 양성 세균인 황색포도상구균(Staphylococcus aureus ATCC 6538)을 대상균주로 하여 수행하였으며, 배양액에 균주를 접종하여 배양액의 균주가 1.1 × 106 cfu/mL가 되도록 배양한 다음 배양액에 복합 항균비드를 도입해 배양하여 18시간 배양 후의 균수 및 3 개월 배양 후의 균수의 감소율(단위 : %)을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
Figure 112020099135014-pat00006
실시예 및 비교예에 따른 방법으로 제조한 복합 항균비드의 항균 지속성을 평가한 결과, 가교제 및 가교 촉진제를 각각 도입하여 제조한 복합 항균비드의 경우 기계적 물성이 향상되어 장시간 동안 배양액에 접촉되는 경우에도 우수한 항균 지속성을 보이는 것으로 확인된 반면에, 실시예 1-3 및 4-1과 같이 이를 활용하지 않고 제조한 복합 항균비드의 경우 생분해성에 의해 분해가 촉진되어 장기간 동안 항균 지속성을 유지하기 힘들다는 사실을 확인할 수 있었다.
(6) 생분해성 평가
실시예 및 비교예에 따른 방법으로 제조한 복합 항균비드의 생분해성을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다.
생분해성 평가는, 체액과 유사한 완충 용액에 복합 항균비드 시료를 일정시간 침지시킨 다음 침지전 복합 항균비드 시료의 중량과 침지 후 복합 항균비드 시료의 중량을 측정한 다음 중량 감소율을 확인하는 방법으로 수행하였다.
이를 위해, 평균입자 크기가 500 ㎛인 복합 항균비드 시료 2 g을 40 mg의 라이소자임이 용해된 인산완충생리식염수(phosphate buffered saline, PBS) 완충액 50 mL에 침지시키고 30일 동안 상온에서 반응시켰으며, 5일 마다 동일 함량으로 라이소자임이 용해된 인산완충생리식염수 5 mL을 추가하여 효소활성이 유지되도록 하였으며, 체액과 유사한 환경에서 제조한 복합 항균비드가 분해되는 생분해성을 평가하였다. 30일 경과한 시점에 인산완충생리식염수를 제거하고, 잔류 시료를 세척 및 건조하여 분해되지 않은 복합 항균비드 시료를 수득하고, 수득한 시료의 무게를 측정하여 라이소자임이 용해된 인산완충생리식염수에 침지전 복합 항균비드 시료와 무게를 비교하여 무게 감소율(%)을 측정하는 방법으로 생분해성을 평가하였다.
Figure 112020099135014-pat00007
비교예 1과 같이, 나노결정 셀룰로오스를 도입하지 않은 비드의 경우 무게 감소율이 98.3%으로 빠른 생분해성을 나타낸다는 사실을 확인할 수 있었던 반면에, 실시예 1의 복합 항균비드 시료와 같이 나노결정 셀룰로오스와 복합화에 의해 무게 감소율이 크게 저하되며, 실시예 2와 같이 경화제 및 경화 촉진제의 첨가로 인하여도 가교가 촉진되어 생분해성이 조절되며, 열처리에 의해서도 가교가 촉진되어 생분해성이 조절된다는 사실을 확인할 수 있었다.
(7) 세포독성 평가
실시예에 따른 방법으로 제조한 복합 항균비드의 인체 안정성을 확인하기 위해서 세포독성을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 8에 나타내었다.
세포독성 평가는 NIH3T3 세포를 96웰 플레이트에 각각의 웰 당 1 × 104개가 되도록 분주하고, 8 내지 12시간 동안 배양한 다음 복합 항균비드 시료를 10 ㎍/mL가 되도록 각각의 웰에 첨가하고 24시간 동안 배양하였다.
배양한 시료를 수득하여 CCK 에세이(cell counting kit assay)를 수행해 세포 생존율을 확인하였으며, 그 결과를 하기 표 7에 나타내었으며, 이때, 아무것도 처리하지 않은 NIH3T3 세포를 무처리 대조군(control)으로 하고, 대조군의 세포 생존율(단위 : %)을 기준(100%)으로 하여 각각의 처리군에 대한 세포 생존율을 평가하였다.
Figure 112020099135014-pat00008
제조한 복합 비드 시료의 세포독성을 평가한 결과 제조한 복합 항균비드는 세포 독성을 나타내지 않아 경구 섭취하는 경우에도 인체에 유해하지 않으며, 일정 시간이 지나면 생분해되어 인체 외부로 배출될 수 있어 인체 안정성 또한 높을 것으로 판단되었다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시 예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시 예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.

Claims (9)

  1. (a) 평균 입자 크기가 10 내지 2000㎛인 키토산 분말 1 내지 50 중량부를 수소이온농도가 pH 3 내지 6인 아세트산인 산성 용매 50 내지 99 중량부와 혼합하여 키토산 용액을 제조하는 단계;
    (b) 평균 폭(width) 2 내지 300 nm, 평균 길이(length)가 100 내지 2,000 nm인 나노 셀룰로오스 1 내지 50 중량부를 용매 50 내지 99 중량부와 혼합하여 나노 셀룰로오스 용액을 제조하는 단계;
    (c) 상기 키토산 용액 및 나노 셀룰로오스 용액을 각각 3:1 중량비로 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계;
    (d) 상기 혼합 용액을 수산화나트륨 수용액 100 중량부 대비 트리폴리인산 나트륨 2 중량부, 테트라에톡시실란 1 중량부를 혼합한 0.1 내지 5M 농도의 응고액에 적하하여 키토산 및 나노 셀룰로오스를 응고시켜 습윤 상태의 복합 항균비드를 포함하는 반응 용액을 제조하고, 제조한 반응 용액을 80 내지 150 ℃의 온도로 1 내지 12시간 동안 열처리하고 -20℃에서 동결건조하여 상기 복합 항균비드를 제조하는 단계; 및
    (e) 상기 복합 항균비드를 프로폴리스 수용액에 함침시키는 단계;를 포함하며,
    상기 응고액은 상기 응고액 100 중량부 대비 0.1 내지 5 중량부의 산화아연, 이산화티탄, 산화구리 또는 이들의 혼합물인 금속 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 항균비드의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 기재된 복합 항균비드의 제조방법으로 제조하여 키토산 및 나노 셀룰로오스를 포함하는 복합 항균비드.
  9. 제8항에 있어서,
    식품, 화장품, 고분자 필름, 고분자 시트 및 고분자 용기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물품에 도입되는 항균 첨가제로 사용하는 것을 특징으로 하는 복합 항균비드.
KR1020200120169A 2020-09-18 2020-09-18 키토산 및 나노 셀룰로오스를 포함하는 가식성 복합 항균비드 및 이의 제조방법 KR102534598B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200120169A KR102534598B1 (ko) 2020-09-18 2020-09-18 키토산 및 나노 셀룰로오스를 포함하는 가식성 복합 항균비드 및 이의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200120169A KR102534598B1 (ko) 2020-09-18 2020-09-18 키토산 및 나노 셀룰로오스를 포함하는 가식성 복합 항균비드 및 이의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220037562A KR20220037562A (ko) 2022-03-25
KR102534598B1 true KR102534598B1 (ko) 2023-05-19

Family

ID=80935299

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200120169A KR102534598B1 (ko) 2020-09-18 2020-09-18 키토산 및 나노 셀룰로오스를 포함하는 가식성 복합 항균비드 및 이의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102534598B1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115368694B (zh) * 2022-09-30 2023-10-13 河北百展科技发展有限公司 一种生物质基增强聚乙烯醇复合材料及其制备方法
CN115926486B (zh) * 2023-01-10 2024-05-24 北京理工大学 一种秸秆芯纳米纤维素复合膜及其制备方法和用途

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100789462B1 (ko) 2006-08-23 2008-01-02 (주)청우섬유 키토산 가교 셀룰로오스직물의 제조방법

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100478093B1 (ko) 2004-10-07 2005-03-24 한정호 키토산이 함유된 식품 포장용 필름의 제조 방법
KR101175625B1 (ko) 2009-12-11 2012-08-21 금오공과대학교 산학협력단 유착방지막용 나노섬유시트 및 그 제조방법
KR101945938B1 (ko) 2017-07-12 2019-02-12 순천향대학교 산학협력단 주입형 온도 감응성 키토산/목재 기반 산화 셀룰로오스 하이드로겔의 제조방법
KR102032632B1 (ko) 2018-01-09 2019-10-15 (주)케비젠 자외선 차단용 하이드로젤 나노 복합체 및 이의 제조방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100789462B1 (ko) 2006-08-23 2008-01-02 (주)청우섬유 키토산 가교 셀룰로오스직물의 제조방법

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Carbohydrate Polymers, Vol.157, pp.1246-1253 (2016.11.05.)
J.Kor.Pharm.Sci., Vol.27,No.1, pp.71-77 (1997.)
J.Mater.Chem.B, 2020, 8, pp.7941-7946 (2020.07.15.)
Polymers 2017, 9, 64;doi:10.3390/polym9020064 (2017.02.15.)*
Propolis nanoparticles as anti-biofilm agents, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0174888 (2017.03.31.)*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220037562A (ko) 2022-03-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fazli Wan Nawawi et al. Chitin nanopaper from mushroom extract: natural composite of nanofibers and glucan from a single biobased source
Jagadeesh et al. Influence of nanofillers on biodegradable composites: A comprehensive review
Rafique et al. Chitosan functionalized poly (vinyl alcohol) for prospects biomedical and industrial applications: A review
Kumari et al. Chitin and chitosan: origin, properties, and applications
Yeul et al. Unprecedented chitin and chitosan: A chemical overview
Li et al. Chitosan natural polymer material for improving antibacterial properties of textiles
Ruiz et al. Chitosan, chitosan derivatives and their biomedical applications
Barikani et al. Preparation and application of chitin and its derivatives: a review
Zargar et al. A review on chitin and chitosan polymers: structure, chemistry, solubility, derivatives, and applications
Lin et al. Novel antimicrobial chitosan–cellulose composite films bioconjugated with silver nanoparticles
Ma et al. Natural polysaccharide composites based on modified cellulose spheres and plasticized chitosan matrix
KR102534598B1 (ko) 키토산 및 나노 셀룰로오스를 포함하는 가식성 복합 항균비드 및 이의 제조방법
Jung et al. Preparation and structural investigation of novel β-chitin nanocrystals from cuttlefish bone
Zuber et al. Chitin and chitosan based blends, composites and nanocomposites
Cheaburu-Yilmaz et al. Eco-friendly chitosan-based nanocomposites: chemistry and applications
Yu et al. Preparation of robust and fully bio-based modified paper via mussel-inspired layer-by-layer assembly of chitosan and carboxymethyl cellulose for food packaging
Zena et al. Essential characteristics improvement of metallic nanoparticles loaded carbohydrate polymeric films-A review
Ul-Islam et al. Chitosan-based nanostructured biomaterials: synthesis, properties, and biomedical applications
Abdel-Rahman et al. Synergistic performance of collagen-g-chitosan-glucan fiber biohybrid scaffold with tunable properties
Wang et al. Review on chitosan-based antibacterial hydrogels: Preparation, mechanisms, and applications
Muiruri et al. Bacterial cellulose: Recent advances in biosynthesis, functionalization strategies and emerging applications
Alemu et al. Study on the Physicochemical Properties of Chitosan and their Applications in the Biomedical Sector
Sabu et al. Influence of isolation conditions on the physicochemical and biological properties of chitosan and chitosan oligosaccharides from marine crustacean shell wastes
Alhanish et al. Cellulose-based bionanocomposites for food packaging applications
Kalut Enhancement of degree of deacetylation of chitin in chitosan production

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant