KR20220105686A

KR20220105686A - 산화아연 및 이산화티타늄 복합체를 포함하는 항균제의 제조방법

Info

Publication number: KR20220105686A
Application number: KR1020210007761A
Authority: KR
Inventors: 장의순; 김다영; 박서은
Original assignee: 금오공과대학교 산학협력단
Priority date: 2021-01-20
Filing date: 2021-01-20
Publication date: 2022-07-28

Abstract

본 발명에 따르면, 휘발 혹은 분해를 일으키지 않아 열적 안정성이 좋고, 인체 독성이 없으며, 가격이 저렴하고 그람양성균, 음성균에 걸쳐 높은 항균력을 갖는 등 다양한 장점을 가지는 산화아연을 이산화티타늄과 결합한 형태로 제조하여 산화아연 및 이산화티타늄 복합체를 얻을 수 있다.

Description

산화아연 및 이산화티타늄 복합체를 포함하는 항균제의 제조방법 {Manufacturing method of antimicrobial agent containing Zinc oxide and TiO2 composites}

본 발명은 산화아연 및 이산화티타늄 복합체를 포함하는 항균제의 제조방법, 이를 이용한 플라스틱 소재 또는 선크림에 관한 것이다.

항균제는 크게 유기계 항균제와 무기계 항균제로 나눌 수 있다. 인간이 대부분의 미생물을 효과적으로 없앨 수 있는 방법을 가지게 된 것은 유기화학, 고분자화학의 발달로 인해 시작되었다. 그래서 무기계 항균제보다는 유기계 항균제에 관한 연구가 활발하게 진행되어 왔다. 현재까지 우리 주변에서 유기계 항균제가 별다른 의심 없이 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 웰빙 열풍 등으로 인간의 건강이나 환경에 대한 관심이 점차 높아짐에 따라 수십 년 이상을 사용해온 유기계 항균제가 인체에도 유해하다는 사실이 최근 속속 밝혀지고 있어, 그 사용에 제약이 가해지고 있다. 예를 들어 대표적인 유기계 항균제인 Triclosan은 항균비누, 바디 워시, 치약, 화장품 등에 사용되고 있으며, 미 식약청 (FDA) 조사에 따르면 미국에서 판매 중인 항바이러스 액상비누와 바디 워시 제품의 75%가 Triclosan을 사용하고 있는 것으로 나타났다. 하지만 미 식약청 (FDA)에서는 손세정제나 바디 워시 같은 개인용 세정제에 사용된 Triclosan이 항균효과를 가진다는 명확한 증거가 없다고 보고한 바 있으며, 많은 연구 결과에서 Triclosan이 생식과 성장에 필수적인 호르몬을 교란시킬 위험이 있으며 박테리아의 내성을 키울 수 있다고 주장하고 있다. 최근에는 Triclosan이 근육의 수축작용을 방해, 간섬유화와 암 유발, 특정 세균의 증식을 돕는다는 실험 결과 또한 속속 나오고 있다. 이처럼 유기계 항균제의 인체에 대한 안정성이 문제되면서 유기계 항균제의 단점을 보완할 수 있는 무기계 항균제가 주목을 받고 있다.

무기계 항균제로서 ZnO는 휘발 혹은 분해를 일으키지 않는 등 열적 안정성이 좋고, 약물 전달체, 화장품으로써 사용되며 인체 독성이 없다고 알려져 있다. 또한 가격이 저렴하고 그람양성 균, 음성 균에 걸쳐 높은 항균력을 갖는 등 다양한 장점으로 인해 항균제로써 활발히 연구되고 있다. 항균제로써 ZnO를 보다 잘 이용하기 위해서는 항균 메커니즘에 대한 이해가 필요하지만, ZnO의 강력한 항균력이 어떤 작용에 의해 생성되는지에 관해 확실하게 설명할 수 있는 주장은 아직까지 나오지 않고 있다.

지금까지 가장 많이 언급된 ZnO의 메커니즘을 살펴보면 크게 세 가지로 나눌 수 있다. ZnO 나노입자의 항균력은 활성산소종(reactive oxygen species, ROS) 혹은 ROS가 야기한 손상에 의한 것이라고 주로 설명된다. ZnO 나노입자의 표면에 존재하는 산소원자 결함(oxygen vacancy)에 전자들이 갇히게 되고 이 위치에서 산화, 환원 반응이 활발하게 일어나게 되면서 ROS가 발생한다. 발생한 ROS에 의해 산화스트레스가 증가하게 되어 균의 사멸이 유도된다.

용해성이 있는 ZnO 나노입자의 항균력은 종종 Zn 이온의 방출에 의한 것이라고 설명된다. Zn 이온은 다양한 균주에 대해 항균력을 가지므로, 수용액 상에서 ZnO 나노입자로부터 용해되어 나온 Zn 이온이 ZnO 나노입자의 항균 메커니즘의 주된 원인이 된다.

마지막으로 ZnO 나노입자의 항균 메커니즘은 ZnO 나노입자와 균의 정전기적 인력에 의한 것으로 설명된다. (+) 전하를 띄는 ZnO 나노입자는 정전기적으로 (-) 전하를 띄는 균의 세포벽에 끌어당겨지고, 세포벽에 흡착될 수 있다. 균의 세포벽(cell wall)에 흡착된 ZnO 나노입자는 막유동성과 막을 가로질러 일어나는 막수송운반에 영향을 미쳐 균의 사멸을 일으킨다. 하지만 이것들은 아직까지 추정에 불과하며, 명확한 메커니즘 규명을 위한 노력이 촉구되고 있다.

이에, 본 발명의 발명자들은 상기와 같은 산화아연 나노입자의 항균 메커니즘을 확인하기 위하여 연구하던 중, 산화아연(ZnO) 나노입자가 이산화티타늄과 복합체로 복합체로서 제조될 때 항균성이 증대되고 자외선 차단 효과가 증대됨을 확인하여 플라스틱의 내구성 증진, 항균성 증진, 썬크림을 비롯한 자외선 차단제의 항균성 개선, 자외선 차단율 증진 등의 효과를 확인함으로써 발명을 완성하였다.

대한민국 등록특허 제10-1675514호 (발명의 명칭 : 산화아연 나노입자 집합체를 유효성분으로 포함하는 항균제, 출원인 : 금오공과대학교 산학협력단, 등록일 : 2016년11월07일) 대한민국 등록특허 제10-1814001호 (발명의 명칭 : 코어-쉘 타입의 판상형 나노입자 및 이의 제조방법, 출원인 : 금오공과대학교 산학협력단, 등록일 : 2017년12월26일) 대한민국 공개특허 제10-2008-0107809호 (발명의 명칭 : 산화아연의 광촉매 활성을 증가시키는 방법 및 광촉매활성이 증가된 산화아연을 포함하는 조성물, 출원인 : 최진호, 공개일 : 2008년12월11일)

김다정, 판상형 ZnO의 대용량 합성법 및 은나노입자가 결합된 판상형 ZnO 나노입자의 항균성에 관한 연구, 금오공과대학교 석사학위논문, 2015.

본 발명의 목적은 산화아연 및 이산화티타늄 복합체를 포함하는 항균제의 제조방법, 이를 이용한 플라스틱 소재 또는 선크림을 제공하는 데에 있다.

본 발명은 육각판상의 산화아연 나노 플레이트; 및, 이산화티타늄;을 포함하는 산화아연 및 이산화티타늄 복합체를 포함하는 항균제에 관한 것이다.

상기 산화아연 나노플레이트와 이산화티타늄은 1:0.1 내지 1:1의 중량비로 혼합되는 것이 바람직하다.

상기 나노 복합체는 대장균(Escherichia coli) 또는 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)에 대하여 항균 효과를 가질 수 있다.

본 발명은 또한 상기 항균제를 포함하는 플라스틱 또는 선크림을 제공한다.

또한 산화아연 및 이산화티타늄 복합체는 플라스틱 또는 선크림에 0.1~30 중량%로 포함될 수 있다.

또 다른 양태에서, 본 발명의 항균제는 다음의 방법으로 제조된 것일 수 있다.

(제1단계) 무수 에탄올에 초산 아연(Zinc acetate dehydrate)을 녹인 후 환류하여 전구체를 얻고, 상기 전구체를 초음파 처리를 하면서 수산화리튬(LiOH)의 에탄올 용액으로 환원시켜 산화 아연(ZnO seed) 씨드 용액을 제조하고,

산화아연 나노 플레이트의 성장용액(Growth solution)으로서 초산 아연(Zinc acetate dehydrate), 수산화나트륨(sodium hydroxide) 및 구연산나트륨(sodium citrate)의 수용액을 준비하는 단계;

(제2단계) 상기 씨드 용액과 성장용액을 혼합하고 수열합성하여 산화아연 나노 플레이트를 얻는 단계; 및,

(제3단계) 에탄올에 이산화티타늄을 첨가하고 분산시키고, 산화아연 나노 플레이트를 추가 첨가하여 분산한 후 이산화티타늄과 산화아연이 복합체 상태로 결합된 후 건조하는 단계;를 포함할 수 있다.

이하 본 발명을 보다 더 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 나노복합제가 적용된 항균제는 적용되는 균에 따라 그 효과가 달라지므로 상이한 농도로 도입할 수 있지만 바람직하게는 0.1~30 중량%의 농도로 포함되는 것이 바람직하다.

본 발명의 산화아연 및 이산화티타늄 복합체의 제조방법은, 더 자세하게는,

(제1단계) 50~200 ㎖ 무수 에탄올에 0.001~0.1 M 초산 아연(Zinc acetate dehydrate)을 녹인 후 2~4시간 동안 환류하여 전구체를 얻고, 상기 전구체를 100~150W 및 20~50kHz의 조건으로 초음파 처리를 하면서 0.02~0.3 M 수산화리튬(LiOH)의 에탄올 용액 40~80 ㎖으로 환원시켜 산화 아연(ZnO seed) 씨드 용액을 제조하고,

산화아연 나노 플레이트의 성장용액(Growth solution)으로서 0.01~1 M 초산 아연(Zinc acetate dehydrate), 0.01~0.1 M의 수산화나트륨(sodium hydroxide) 및 0.1~1mM의 구연산나트륨(sodium citrate)의 수용액을 50~200 ㎖ 준비하는 단계;

(제2단계) 상기 씨드 용액과 성장용액을 1: 150~300의 부피비로 혼합하고 90~100℃에서 0.5~2시간 동안 100~500rpm의 교반하에 수열합성하여 산화아연 나노 플레이트를 얻는 단계; 및,

(제3단계) 에탄올 1ℓ당 이산화티타늄 1~2g, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane (MPTMS) 2~4㎖을 첨가하고 20~28시간 동안 분산시키고, 산화아연 나노 플레이트 1~2g을 첨가하여 분산한 후 이산화티타늄과 산화아연이 복합체 상태로 결합된 후 건조하는 단계;를 포함할 수 있다.

자외선 차단제는 유기 자외선 차단제와 무기 자외선 차단제로 나뉜다. 무기 자외선 차단제는 무기물질이 자외선을 반사 및 산란시켜 피부를 보호하는 물리적 차단제이고, 유기 자외선 차단제는 유기물질이 자외선을 흡수하여 소멸시키는 화학적 차단제이다.

식약처에서 인정하는 자외선차단 기능성 성분 중 무기물질은 징크옥사이드 (ZnO)와 티타늄디옥사이드(TiO₂) 두 가지가 있다. 일반적으로 무기 자외선 차단제는 UV-A와 UV-B를 모두 차단하기 위해 두 가지 성분을 모두 사용한다. 그러나 두 성분은 화장품 속에 물리적으로 혼합되어있어 매우 균일하게 분포되어 있다고 볼 수 없다. 따라서 국소적으로 불균일한 자외선 차단 효과를 보이게 된다. 그러나 본 발명은 두 성분을 화학적으로 결합함으로써 그러한 한계를 극복하고 자외선차단율을 상승시키는 효과를 가진다. 두 성분은 MPTMS ((3-Mercaptopropyl) trimethoxysilane) 시약을 이용하여 화학적으로 결합한다. 먼저 TiO₂와 MPTMS의 실란기가 결합하고 이로 인해 생긴 싸이올기(-SH)가 ZnO와 결합함으로서 ZnO와 TiO₂가 결합 되는 원리이다. 게다가 ZnO와 TiO₂는 그 기전은 다르나 항균성을 가진다는 공통점을 갖고 있는데, ZnO는 금속이온의 농도증가를 유발하여 항균작용을 일으키고, TiO₂는 광촉매에 의한 항균성을 가지기 때문에, 본 발명은 가격이 저렴하고 항균력이 우수한 두 물질을 생활필수품인 플라스틱이나 썬크림에 적용하여 위생이 강조되는 시대를 대비하고자 한다.

도 1은 본 발명의 산화아연 및 이산화티타늄 복합체를 HR-TEM EDS(shows TEM and high-resolution TEM energy dispersive X-ray spectroscopy)를 이용하여 관찰한 이미지이다.
도 2는 본 발명의 산화아연 및 이산화티타늄 복합체가 포함된 선크림, 산화아연만 단독 포함된 선크림, 이산화티타늄만 단독 포함된 선크림, 시판 선크림을 나타낸다.
도 3은 일반 플라스틱(우측), 시판 항균 플라스틱(우측)에서 대장균 처리시의 잔존 세균의 상태(항균 효과)를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 산화아연 및 이산화티타늄 복합체가 1wt%로 포함된 플라스틱에서 산화아연:이산화티타늄의 혼합비가 1:0.1, 1:0.3, 1:0.5가 될 때의 대장균 처리시의 잔존 세균의 상태(항균 효과)를 나타낸다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 내용이 철저하고 완전해지도록, 당업자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제공하는 것이다.

<실시예 1. ZnO 나노 플레이트의 준비>

ZnO nanoplate(NP)를 합성하기 위해, 먼저 3 nm의 ZnO seed를 L.Spanhel 그룹에 의해 보고된 방법대로 합성하였다. 좀 더 자세히는 응축기를 부착한 250㎖ 둥근 바닥 플라스크에 100㎖ 무수 에탄올을 넣고 0.01M의 Zinc acetate dehydrate(Zn(CH₃COO)₂·2H₂O)를 녹인 후 80℃에서 3시간 동안 100㎖의 용액이 40㎖가 될 때까지 환류시켰다. 반응 후 얻어진 40㎖의 전구체는 Icebath에서 초음파(120W, 35kHz) 처리를 하면서 0.1M LiOH 에탄올 용액 60㎖로 환원시켜 ZnO seed를 합성하였다.

ZnO 나노 플레이트를 합성하기 위한 성장용액(Growth solution)으로서 0.1 M의 Zn(CH₃COO)₂·2H₂O와 0.05 M의 sodium hydroxide 및 0.28 mM의 sodium citrate의 수용액(100 ㎖)을 준비하였다.

이 Growth solution을 200㎖ 용량의 Teflon autoclave 용기에 옮긴 후 앞서 L.Spanhel 방법으로 합성한 ZnO seed 1㎖를 첨가하고 자석교반기가 설치된 수열합성기를 이용하여 95℃에서 1시간 동안 300rpm의 교반하에 합성하였다.

반응 종료 후 생성된 흰색의 침전물을 아세톤과 에탄올을 이용하여 2~3회 Washing 하여 최종 합성된 ZnO 나노 플레이트를 얻었다. 상기 ZnO 나노 플레이트는 FE-SEM(JSM-6500F, JEOL, Japan), TEM(JEOL 2100, Japan), 입도분석기(90 Plus, Brookhaven, US), Powder X-ray diffraction(SWXD, Rigaku, Japan), UV-Vis Abs. spectroscopy(Optizen 3220 UV, Mecasys, Korea), Photoluminesecne(Uni-110215KH, UniThink, Korea) 등을 이용하여 분석하였고, 이 ZnO 나노 플레이트의 성상은 대한민국 등록특허 제10-1675514호(산화아연 나노입자 집합체를 유효성분으로 포함하는 항균제)의 실시예 1의 제1 나노입자 집합체와 입도분포, XRD 스펙트럼 등의 특성 및 투과전자현미경 사진 결과가 일치하는 것으로 확인되었다.

<실시예 2. ZnO 및 이산화티타늄 복합체의 제조>

자외선차단제에 적용한 나노복합체는 ZnO와 TiO₂가 1:1 중량비로 결합되어 있다. ZnO는 TiO₂와는 달리 UV-A까지 폭넓게 차단하기 때문에 자외선 차단제는 보통 ZnO를 더 많이 포함하지만, 최근 경향은 사용감을 위해 TiO₂를 유일한 자외선차단 기능성 성분으로 하여 제품을 만들고 있다. 이러한 점을 고려하여 1:1의 중량비로 혼합비를 채택하고 실험을 진행하였다.

합성 방법은 에탄올 1L에 TiO₂ 1.45g와 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane (MPTMS) 2ml를 넣고 24시간 정도 충분히 반응시킨 후 분산시킨다. 여기에 ZnO 1.45g을 넣고 반응시킨 뒤 분산시킨다. 이렇게 분산반응하면서 결합반응하여 복합체 상태가 되면, 이를 건조시켜 식약처에서 고지하는 최대 함량비(25 wt% ZnO, 25 wt% TiO₂)와 일반적인 무기 자외선 차단제 제품의 자외선 차단성분의 함량비가 대략 7 ~ 20 wt% 라는 점을 고려하여 복합체를 20 wt% 포함해 자외선 차단제를 제조하였다. 결합 유무는 TEM image(도 1)을 통해 관찰하였고, 자외선차단 효과는 UV-vis spectroscopy로 흡광도와 투과도를 관측하여 확인하였다.

<제조예 1. 항균 플라스틱의 제조>

항균 플라스틱 제조 시에는 ZnO와 TiO₂의 항균기전을 고려하여 1:0.5 내지 1:0.5의 중량비로 결합시킨 복합체를 사용하였다. 또한, 따라서 플라스틱을 제조 시 분말 형태의 복합체를 저밀도 폴리에틸렌(LDP) 펠렛에 1wt% 혼합하여 제조하였다.

<제조예 2. 항균 선크림의 제조>

도 2와 같이 제조예 1에서 사용한 복합제를 일반 보습크림에 0.1중량%로 함유되도록 하여 선크림을 제조하였다. 비교 조건으로서 산화아연 단독처리군, 이산화티타늄만 단독처리군, 시판선크림도 준비하였다.

<실험예 1. 플라스틱으로부터 채취한 시료로부터의 항균 효과의 확인>

항균 효과는 대장균과 황색포도상구균을 이용하여 쉐이크 플라스크법과 필름 부착법으로 시료를 채취하여 항균실험을 진행하여 관측하였다. 시중에 판매되는 항균 플라스틱과 제조예 2의 플라스틱 등 여러 대조군과 함께 실험하였고, 본 발명에 따른 나노 복합체의 항균력을 확인하기 위하여, 그람양성균인 Staphylococcus aureus와 그람음성균인 Klebsiella pneumoniae을 플라스틱에 떨어뜨린 후, 이들의 생존성에 대한 항균 실험을 수행하였다. 그 결과, 일반 플라스틱(도 3의 우측), 시판 항균 플라스틱(도 3의 우측)에서 채취한 시료는 세균이 많이 발생하였으나, 제조예 2의 플라스틱에서 채취한 검체에서는 도 4와 같이 이산화티타늄 농도가 증가할수록 우수한 항균 효과를 보였다.

<실험예 2. 선크림 도포 피부로부터 채취한 시료로부터의 항균 효과의 확인>

제조예 1의 선크림이 도포된 일반 시험자의 피부를 면봉으로 긁은 후 이를 쉐이크 플라스크법과 필름 부착법을 이용하여 피부 오염도를 미생물 수로 확인하였다. 그 결과 제조예 1의 선크림을 도포한 피부시료에서 일반 세균 수가 현저하게 줄어드는 것으로 나타났다.

Claims

육각판상의 산화아연 나노 플레이트; 및, 이산화티타늄;을 포함하는 산화아연 및 이산화티타늄 복합체를 포함하는 항균제.
제1항에 있어서,
상기 산화아연 나노플레이트와 이산화티타늄은 1:0.1 내지 1:1의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 항균제.
제1항에 있어서,
상기 나노 복합체는 대장균(Escherichia coli) 또는 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)에 대하여 항균 효과를 갖는 것을 특징으로 하는 항균제.
제1항의 산화아연 및 이산화티타늄 복합체를 포함하는 항균제를 포함하는 항균 플라스틱.
제1항의 산화아연 및 이산화티타늄 복합체를 포함하는 항균제를 포함하는 항균 선크림.
(제1단계) 무수 에탄올에 초산 아연(Zinc acetate dehydrate)을 녹인 후 환류하여 전구체를 얻고, 상기 전구체를 초음파 처리를 하면서 수산화리튬(LiOH)의 에탄올 용액으로 환원시켜 산화 아연(ZnO seed) 씨드 용액을 제조하고,
산화아연 나노 플레이트의 성장용액(Growth solution)으로서 초산 아연(Zinc acetate dehydrate), 수산화나트륨(sodium hydroxide) 및 구연산나트륨(sodium citrate)의 수용액을 준비하는 단계;
(제2단계) 상기 씨드 용액과 성장용액을 혼합하고 수열합성하여 산화아연 나노 플레이트를 얻는 단계; 및,
(제3단계) 에탄올에 이산화티타늄을 첨가하고 분산시키고, 산화아연 나노 플레이트를 추가 첨가하여 분산한 후 이산화티타늄과 산화아연이 복합체 상태로 결합된 후 건조하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연 및 이산화티타늄 복합체를 포함하는 항균제의 제조방법.