KR20130053175A

KR20130053175A - 항균 및 항진균력이 있는 마그네슘 규산염 점토 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20130053175A
Application number: KR1020110118787A
Authority: KR
Inventors: 신현재; 최수경
Original assignee: 조선대학교산학협력단
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2011-11-15
Publication date: 2013-05-23

Abstract

본 발명은 항균 및 항진균력이 있는 마그네슘 규산염 점토 및 이의 제조방법에 관한 것으로 고초균 (Bacillus subtilis), 리스테리아 모노사이토제니스균 (Listeria monocytogenes), 포도상구균 (Staphylococcus aureus), 대장균 (Escherichia coli), 살모넬라균 (Salmonella typhymurium), 녹농균 (Pseudomonas aerugenosa), 균류 변형 칸디다 알비칸스 (Candida albicans) 등에 활성이 있는 수용성 아미노프로필(aminopropyl)을 기능화한 마그네슘 규산염 점토에 관한 것이다.
본 발명의 마그네슘 규산염 점토는 아미노프로필기와 항균 및 항진균사이의 정전기적 작용에 의해 매우 효과적으로 미생물의 성장을 억제하는 효과가 있다.

Description

항균 및 항진균력이 있는 마그네슘 규산염 점토 및 이의 제조방법{Magnesium phyllosilicate with anti-microbial and anti-fungal and the preparation of it}

본 발명은 마그네슘 층상규산염 점토 및 이의 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 항균 및 항진균 작용이 우수한 수용성 아미노프로필(aminopropyl)을 기능화한 마그네슘 층상규산염 점토 (AMP clay)에 관한 것이다.

점토는 자연계에 널리 존재하며 화학적, 물리적으로 합성이 가능하기 때문에 다양한 과학적, 산업적인 부분에 쓰인다 (Aguzzi et al., 2007). 상기한 점토(clay)는 전 세계적으로 연간 수백만 톤 규모로 거래되는 광물질로서 특히 카올린,palygorskite-sepiolite, smectite clay등이 많이 사용된다.

카올린은 흰색 육각 판상구조로 한 층 내에 사면체판 (tetrahedral sheet-silicon oxide) 와 팔면체판 (octahedral-aluminum oxide) 비율이 1:1 로 구성되어 있고, 결정 구조내 결점수가 작아 층간 인력이 강하고 낮은 양이온 교환량을 갖고 있다. 그리고 수용액에서 층간 간격 증가 정도가 낮은 편이다. 이에 따라 표면적이 작고 치환기 수가 작아 수분산액 점도가 낮아 종이 코팅제, 도공지 충진제, 고분자 충진제, 접착제 충진제, 잉크 첨가제 등에 사용된다.

Palygorskite (또는 attapulgite)는 수화 마그네슘 실리케이트 (magnesium aluminum silicate)로 구성되는 점토로 사면체판과 팔면체판의 비율이 2:1 이고 팔면체판의 알루미늄 상당량이 마그네슘 또는 철로 치환되어 있어 중간 정도 표면 전하를 갖고 있다. 표면적은 넓으며, 격자 내 전하 및 격자를 따라 형성된 채널로 인해 긴 형태를 갖고 있어 흡착량이 크다. 따라서 palygorskite의 수용액 점도는 매우 높으며 시간에 따라 점도 변화폭은 적다. 그러므로 흡수제나 첨가제 또는 화장품, 페인트의 증점제로 사용된다.

Smectite계열 점토는 일반적으로는 bentonite로 불리며 암석 구성 성분 대부분이 smectite인 것을 나타낸다. Smectite는 여러 종류가 존재하며 가장 대표 적인 경우가 sodium montmorillonite이다. Smectite의 구조는 사면체판과 팔면체판의 비율이 2:1 로 구성되며 알루미나는 사면체판에 존재하는 실리카와 일부 치환 되어 있고 철 또는 마그네슘이 팔면체판내에 존재하는 알루미늄과 치환되어 있다. 이와 같이 다른 물질로 치환된 경우, 양이온이 적은 상태가 되는데 이를 보상하기 위해 일가 양이온을 표면에 흡착하게 된다. 이때 흡착된 일가 양이온이 만일 나트륨이면, sodium montmorillonite로 나타난다. Smectite는 단위 구조 내에 치환된 수가 많고 얇은 조각 형태이기 때문에 표면 전하가 높고 양이온 교환 능력이 크고 표면적이 넓다. 이 특성으로 smectite는 흡착제로 많이 사용되며 동시에 몰딩샌드의 구성 성분으로 사용되고 있다. 또한 smectite는 용매에 의해 층간 간격이 늘어나는 성질을 갖고 있다. Smectite의 층간 팽윤성과 높은 양이온 교환 능력으로 인해 smectite는 알킬암모늄과 같은 유기염을 양이온 교환을 통해 점토 표면의 금속 양이온과 교체될 수 있고 극성 용매로 인해 층간 간격이 넓어져 전하를 띠지 않는 물질도 물리, 화학적으로 흡착할 수 있다.

상기한 점토의 특징으로는 팽윤능력, 높은 양이온 교환 능력, high platelet aspect ratio, 높은 표면적, 판상구조, 흡착특성을 들 수 있다. 특히 팽윤현상은 점토가 대단히 얇은 규산염-층이 적층되어 있는 미립자의 층상 결정이고, 물에 팽윤하는 층간에 교환성 Na⁺ 이온이 적당히 존재하기 때문에 발생되는 것이데, 친수성을 가진 점토광물이 물에 쉽게 분산되면서 유기물을 치환시켜 유기점토는 소수성의 성질을 가지고 있어 물에 분산이 쉽게 일어나지 않고 유기물을 응집시킨다. 이러한 성질이 유기점토가 유기오염물을 제거하는 환경정화 물질로 이용될 수 있는 가장 기본적인 개념이다. 유기점토는 팽윤될 수 있고 탄화수소계 에서 교질화 할 수 있는 능력 때문에, 유기점토가 1950년대 이래로 페인트, 윤활제, 그리스, 퍼티(창유리접합제), 접착제, 농축제와 휨 방지제 등으로 사용되어왔다. 그 이후로는 응집제, 흡착제, 화장품, 의약품 및 페인트 등에도 사용되고 있다. 최근 약 10여년 동안 유기양이온을 결합시킨 유기점토와 유기오염물간의 흡착연구 결과가 알려지면서, 폐수의 유기오염물 흡착물질(정화물질)로 활용되어 오고 있으며 현재도 활발한 연구가 선진국에서는 진행 중이다.

최근에는 유기점토를 화학적으로 변형시킨 수용성 유기점토 (water soluble organoclay)가 졸겔법(sol-gel)법으로 제조될 수 있다는 것이 알려져 이러한 수용성 유기점토에 대한 응용이 점차 확대되고 있다.

특히 1 μm 미만 크기의 스멕타이트 구조를 가진 점토 입자는 그들의 친화적 특성 때문에 공업, 농업, 환경 정화, 촉매 작용, 코팅, 도자기류, 고분자 물질에 사용된다(Xue and Pinnavaia, 2010). 또한 유기점토는 지하수, 위험물질 폐기 매립지, 산업 폐수의 정화에 적용될 수 있다(Pernyeszi et al., 2006). 점토 물질은 독성 유기 화학 약품, 중금속의 제거를 위한 지질 공학적 벽체 흡착제에 사용되거나 항균력의 적용에 도움을 준다(Boyd et al., 1988; Oya et al., 1991).

등록특허 10-1045513는 항균력이 있는 마그네슘 유기점토에 관한 것으로 플루오르세인 이소티오시아네이트 (FITC)가 티오우레아 결합된 마그네슘-필로실리케이트에 관하여 기술되어 있다. 상기 문헌을 통해 마그네슘 유기점토의 항균성을 확인할 수 있다.

그러나 아직까지 유기 프로필아민기가 결합되어 있는 점토(AMP 점토)의 항균 활성에 대해서는 보고된 바 없다.

등록특허 10-1045513

1. Aguzzi, C., Cerezo, P., Viseras, C., Caramella, C., 2007. Use of clays as drug delivery 5 systems: possibilities and limitations. Appl. Clay Sci. 36, 22.36. 2. Boyd, S.A., Mortland, M.M., Chiou, C.T., 1988. Sorption characteristics of organic 7 compounds on hexadecyltrimethylammonium-smectite. Soil Sci. Soc. Am. J. 52, 652.657. 3. Brown, M.R., Melling, J. 1969. Role of divalent cations in the action of polymyxin B and 9 EDTA on Pseudomonas aeruginosa. J. Gen. Microbiol. 59, 263.274. 4. Burkett, S.L., Press, A., Mann, S., 1997. Synthesis, characterization, and reactivity of layered 11 inorganic.organic nanocomposites based on 2:1 trioctahedral phyllosilicates. Chem. Mater. 9, 12 1071.1073.

상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 항균력이 있는 마그네슘 층상규산염 점토(AMP 점토) 및 이의 제조방법을 발명의 목적으로 제공한다.

특히 본 발명은 수용성 아미노프로필(aminopropyl)을 기능화한 마그네슘 층상규산염 점토 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위하여 강구된 본 발명은

항균 및 항진균 활성이 있는 마그네슘 층상규산염 점토를 과제 해결을 위한 수단으로 제공한다.

본 발명의 항균 및 항진균은 고초균 (Bacillus subtilis), 리스테리아 모노사이토제니스균 (Listeria monocytogenes), 포도상구균 (Staphylococcus aureus), 대장균 (Escherichia coli), 살모넬라균 (Salmonella typhymurium), 녹농균 (Pseudomonas aerugenosa), 균류 변형 칸디다 알비칸스 (Candida albicans)으로부터 선택되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 상기 마그네슘 층상규산염 점토는 수용성 아미노프로필(aminopropyl)을 기능화한 것을 특징으로 한다.

상기 수용성 아미노프로필(aminopropyl)은 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane)인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기한 과제를 보다 효과적으로 해결하기 위하여

염화마그네슘을 용매에 용해시키는 단계와;

상기 용해된 염화마그네슘에 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane) 을 첨가하는 단계와;상기 3-아미노프로필트리에톡시실란이 첨가된 염화마그네슘 용액을 교반시키는 단계와;

상기 교반된 용액을 하루 동안 정치시킨 후 원심분리하는 단계와;

상기 원심분리된 물질을 건조시키는 단계;

로 구성되는 것을 특징으로 한 마그네슘 층상규산염 점토의 제조방법을 제공한다.

상기 염화마그네슘을 용매에 용해시키는 단계는 실온에서 수행되는 것을 특징으로 한다.

상기 용매는 에탄올인 것을 특징으로 한다.

상기 염화마그네슘의 용해단계는 염화마그네슘 1.68g을 40 g에탄올에 용해시키는 것을 특징으로 한다.

상기 염화마그네슘의 농도는 7.24 mM인 것을 특징으로 한다.

상기 염화마그네슘 용액을 교반시키는 단계의 교반속도는 500RPM인 것을 특징으로 한다.

상기 건조는 40℃에서 수행되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의해 제조된 AMP 점토는 아미노프로필기와 항균 및 항진균사이의 정전기적 작용에 의해 매우 효과적으로 미생물의 성장을 억제하는 효과가 있다.

도 1의 A는 FT-IR 스펙트럼 분석을 통해 확인한 AMP 점토의 구조를 나타내는 도면이다.
도 1의 B는 ²⁹Si-NMR 측정을 통해 확인한 AMP 점토의 구조를 나타내는 도면이다.
도 1의 C는 X선회절을 통해 확인한 AMP 점토의 구조를 나타내는 도면이다.
도 1의 D는 투과전자현미경분석을 통해 확인한 AMP 점토의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2의 A는 대장균이 분포된 플레이트 중심의 4mm의 직경을 갖는 영역에 AMP clay를 각각 6.25와 12.5 mg/ml의 농도만큼 투입한 후 균이 제어되는 양태를 나타내는 사진이다.
도 2의 B는 포도상구균에 대한 사진이다.
도 3의 A는 대장균에 MIC 값 이상에서 AMP clay를 처리하여 세포가 터져있는 사진을 나타낸다.
도 3의 B는 포도상구균에 MIC 값 이상에서 AMP clay를 처리하여 세포가 터져있는 사진을 나타낸다.
도 3의 C는칸디다균에 MIC 값 이상에서 AMP clay를 처리하여 세포가 터져있는 사진을 나타낸다.

이하 도면과 실시예를 참고하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 본 발명에서 사용된 점토는 AMP 점토인데, 이것은 질서 정연한 마그네슘, 산소 8면체판 위에 무질서한 실리콘, 산소 4면체판이 위치하며 그 위에 유기 프로필아민(propylamine)기가 결합되어있는 구조이다. 최근 논문에 따르면 층상규산염 유기 점토를 조작하여 생체분자의 캡슐화, 고정화, 바이오센서 장치, 나노 반응기, 효소 반응기들과 같은 나노 복합체의 합성과 특성화가 보고되고 있다(Patil et al., 2005; Holmstrim et al., 2007; Ferreira et al., 2008; Johnsy et al., 2009).

[실시예: AMP 점토의 합성]

실온에서 7.24 mM의 염화마그네슘 1.68 g을 40 g의 에탄올에 휘저어 섞으면서 용해시키고 11.7 mM의 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane) 2.6 ml을 첨가하면서 500RPM의 속도로 교반시킨 후 5분이 경과 후 하얀색 현탁액이 생성되는 것을 확인하고 하루 동안 반응시켰다. 합성된 물질을 원심분리한 후 에탄올을 이용하여 세척하고 40 ℃ 에서 하루 동안 건조시켜 하얀색 AMP 점토를 합성하였다.

상기 합성된 AMP 점토를 푸리에 변환 적외선 분광법 (Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR), 규소 핵자기 공명 분광법(silicon nuclear magnetic resonance, ²⁹Si-NMR), X선회절 (X-ray diffraction, XRD), 투과전자현미경 (transmission electron microscopy, TEM)을 통해 미세구조를 확인하였다.

FT-IR 스펙트럼은 IR 등급의 브로민화칼륨 (KBr) 펠릿 모드로 측정하였다. 그 결과를 도 1A에 도시하였다. 흡수 피크에서 말단기의 NH₂ 신축진동 (3,600-3,200 cm^-1), NH₂ 변형 (1,658 cm^-1), CH₂신축진동 (2950-2850 cm^-1), Si-O-Si 신축진동 (1120 cm^-1)이 보여진다.

²⁹Si-NMR 측정은 실온에서 Avance 400 (Bruker, Germany)에 의해 분석된다. 고체상태에서 규소에 결합된 수산기(OH) 말단 그룹의 개수가 다르다는 것을 알아내기 위하여 수행된다. 그 결과를 도 1B에 도시하였다. 세 개의 -66.5, -58.6, -48.4 ppm 신호는 무기-유기 골격구조에서 R-SiO₃-(T3), R-SiO₂-OH(T2), R-SiO-(OH)₂-(T1)결합이 있음을 나타낸다. 실레인의 구조는Si-OH결합을 갖는 T2, T3 결합되어 있는 것보다는 R-SiO₃-(T3)구조가 지배적임을 알 수 있다.

XRD 패턴은 X선회절분석기 (XPert PRO, PANalytical B.V., Almelo, Holland)에 의해 CuK￥a 방사선, 20 mA, 40 kV 상태에서 측정된다. 그 결과를 도 1C를 통해 도시하였다. XRD 측정은 분말 시료의 상태로 2°와 70° 사이에서(2θ) 진행되었다. 측정 간격은 0.05°이고 측정 속도는 2°/min 이다. Fig. 1C의 XRD 패턴을 보면 AMP 점토의 아미노프로필 유기 사슬과 판 사이의 거리가 1.44 nm (2θ=6.13) 임을 알 수 있다.

투과전자현미경법은 TEM (TECNAI20, EEI, Netherland, Lab 6 electron gun, 200 kV)으로 모폴로지를 관찰하고 그 결과를 도 1D를 통해 나타내었다. 도 1D에서 AMP 점토 분말의 크기는 30 nm이고 전형적인 층상구조를 이루고 있음을 알 수 있다.

[방사확산분석법을 통한 AMP 점토의 항균 및 항진균 활성실험]

AMP 점토의 항균 및 항진균 활성을 파악하기 위하여 방사 확산 분석 (RDA)을 실시하였다.

AMP 점토의 항균 및 항진균 활성을 파악하기 위하여 Nordahl (2004)이 제시한 방법을 일부 수정하여 방사 확산 분석 (RDA)을 실시하였다. 10 mL의 배양액에서 37 ℃, 18 h시간 동안 각각의 대장균(E. coli)와 포도상구균(S. aureus)을 배양하였다. 페트리디쉬에 먼저 1 %의 아가로스, PBS (1% tryptone, 0.5% yeast extract, 1% sodium chloride pH 7.2)안의 Luria Bertani (LB) broth가 1:100으로 구성되어 있는 배지를 놓고, 그 위에 6 % LB와 물에 희석된 1 % 아가로스로 구성되어 있는 배지를 올려 놓았다. 세균 배양 조직을 2 x 10⁵CFU/mL를 10 mL underlay 용액과 섞고 48 ℃에서 녹인 다음 페트리디쉬에 담은 다음 배지가 굳을 때 지름이 4 mm의 우물이 되게 만들어서 다양한 농도의 AMP 점토 용액을 가득 채웠다. 상기 배지를 37 ℃에서 4 h 동안 배양시킨 후 녹아 있는 overlay 배지를 underlay 배지위에 붓고 굳힌 다음 37 ℃에서 48 h동안 배양시켰다. 그런 다음 우물 주위 분포한 저해 지역의 지름을 측정하여 대장균과 포도상구균의 항균활성을 평가하였다.

그 결과를 도 2를 통해 도시하였다.

도 2의 A는 대장균이 분포된 플레이트 중심의 4mm의 직경을 갖는 영역에 AMP clay를 각각 6.25와 12.5 mg/ml의 농도만큼 투입한 후 균이 제어되는 양태를 나타내고 있다.

도 2의 B는 포도상구균에 대한 사진이다.

도 2에서 도시된 바와 같이 AMP 점토의 농도가 높을수록 대장균, 포도상구균에 대한 균의 제어가 잘 되고 있음을 알 수 있었다. 특히 포도상구균에 비해 대장균에 대한 제어가 훨씬 탁월한 것을 확인할 수 있었다.

[주사전자현미경분석을 통한 AMP 점토의 항균 및 항진균 활성실험]

AMP 점토를 PBS (pH 7.2)에 용해시킨 후 mid log phased의 E. coli, S. aureus, C. albicans에 처리하여 37 ℃에서 배양시켰다. 60 분 경과 후 AMP 점토가 처리된 세포 (2 × 10⁷CFU/ml)를 3,000 rpm으로 5 min간 원심분리 한 후 완충용액을 이용하여 두 번 세척하였다. 그런 다음 상등액을 제거하고 1 % 글루타르알데히드(glutaraldehyde), 0.2 M sodium-cacodylate buffer (pH 7.4)를 사용하여 4 ℃에서, 3시간 동안 고정시켰다.

AMP 점토의 처리 없는 미생물은 비교하기 위해 시료를 준비하였다. 글루타르알데히드를 사용하여 고정시킨 다음 시료를 같은 완충용액 (pH 7.4)을 사용하여 세척하였다. 그런 다음 시료를 금으로 코팅한 다음 주사전자현미경 (Hitachi S-2400N, Japan)을 사용하여 관찰하였다.

그 결과를 도 3을 통해 도시하였다.

SEM 사진을 통해 AMP 점토를 처리하지 않은 대장균(E. coli), 포도상구균(S. aureus), 칸디다균(C. albicans)의 시각적인 모습과 AMP 점토를 처리하여 E. coli, S. aureus, C. albicans의 세포가 피해 입은 모습을 관찰하였다. 그 결과를 도 3을 통해 도시하였다.

도 3의 좌측에 도시된 처리 되지 않은 대장균(E. coli), 포도상구균(S. aureus), 칸디다균(C. albicans) 세포는 매끈한 표면을 가지고 있다. AMP 점토를 1 x MIC 값만큼 처리한 세균 시료에서 세포막이 형태학적으로 손상되었다. AMP 점토를 2 x MIC 값만큼 처리한 세균 시료에서는 세포가 파괴되고 모양이 변하였다.

이러한 현상은 AMP 점토가 세균 세포의 표면에 흡착하여 세포의 팽윤을 유도하기 때문인 것으로 풀이된다.

없음

Claims

항균 및 항진균 활성이 있는 마그네슘 층상규산염 점토
제 1항에 있어서
상기 균 및 진균은 고초균 (Bacillus subtilis), 리스테리아 모노사이토제니스균 (Listeria monocytogenes), 포도상구균 (Staphylococcus aureus), 대장균 (Escherichia coli), 살모넬라균 (Salmonella typhymurium), 녹농균 (Pseudomonas aerugenosa), 균류 변형 칸디다 알비칸스 (Candida albicans)으로부터 선택되는 것을 특징으로 한 항균 및 항진균 활성이 있는 마그네슘 층상규산염 점토
제 1항 또는 제 2항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 마그네슘 층상규산염 점토는 수용성 아미노프로필(aminopropyl)을 기능화한 것을 특징으로 한 항균 및 항진균 활성이 있는 마그네슘 층상규산염 점토
제 3항에 있어서,
상기 수용성 아미노프로필(aminopropyl)은 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane)인 것을 특징으로 한 마그네슘 층상규산염 점토
염화마그네슘을 용매에 용해시키는 단계와;
상기 용해된 염화마그네슘에 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane) 을 첨가하는 단계와;상기 3-아미노프로필트리에톡시실란이 첨가된 염화마그네슘 용액을 교반시키는 단계와;
상기 교반된 용액을 하루 동안 정치시킨 후 원심분리하는 단계와;
상기 원심분리된 물질을 건조시키는 단계;
로 구성되는 것을 특징으로 한 마그네슘 층상규산염 점토의 제조방법
제 5항에 있어서
상기 염화마그네슘을 용매에 용해시키는 단계는 실온에서 수행되는 것을 특징으로 한 마그네슘 층상규산염 점토의 제조방법
제 6항에 있어서
상기 용매는 에탄올인 것을 특징으로 한 마그네슘 층상규산염 점토의 제조방법
제 7항에 있어서
상기 염화마그네슘의 용해단계는 염화마그네슘 1.68g을 40 g에탄올에 용해시키는 것을 특징으로 한 마그네슘 층상규산염 점토의 제조방법
제 8항에 있어서,
상기 염화마그네슘의 농도는 7.24 mM인 것을 특징으로 한 마그네슘 층상규산염 점토의 제조방법
제 5항 내지 제 9항에 있어서,
상기 염화마그네슘 용액을 교반시키는 단계의 교반속도는 500RPM인 것을 특징으로 한 마그네슘 층상규산염 점토의 제조방법
제 10항에 있어서,
상기 건조는 40℃에서 수행되는 것을 특징으로 한 마그네슘 층상규산염 점토의 제조방법