최근 항균 성능이 뛰어나면서도 인체에 유해하지 않은 나노 사이즈 은 입자를 이용한 항균 제품 개발 및 연구가 활발히 이루어지고 있음에 따라, 나노 사이즈의 은 입자를 보다 쉬운 방법으로 균일하게 제조하고, 그 특성을 평가하는데 많은 관심이 집중되고 있다. 본 연구에서는 은 이온의 광환원을 통해 나노 은 입자를 $15{\sim}20\;nm$ 크기로 균일하게 제조한 뒤, 나노 은 입자의 농도, pH, 온도가 변화함에 따른 항균 특성을 살펴보고 이를 정량적으로 평가, 은 이온의 항균 특성과 비교하였다. 또한 주사 전자 현미경과 투과 전자 현미경을 통하여 나노 은 입자의 미생물 불활성화 특성을 은 이온의 미생물 불활성화 특성과 비교하였다. 주요 결과로는 나노 은 입자의 항균 효과는 동일한 은 농도를 기준으로 하였을 때 은 이온의 항균 효과에 비하여 약 20배 정도 적은 것을 알 수 있었다. 또한 나노 은 입자의 농도, 온도가 높을수록 항균 성능은 향상됨을 알 수 있었으며 이는 은 이온의 실험 결과와 일치한다. 그러나 나노 은 입자의 항균 성능은 높은 pH에서 향상된 반면, 은 이온의 경우 pH 변화에 따른 항균 성능 변화가 관찰되지 않았다. 나노 은 입자와 은 이온에 의해 불활성화된 미생물을 주사 전자 현미경과 투과 전자 현미경으로 관찰한 결과, 나노 은 입자는 미생물 세포막을 크게 손상시키는 반면, 은 이온은 그렇지 않았다. 은 이온의 경우 은 이온이 미생물 안으로 흡수되어 세포질막을 손상시켜 미생물을 불활성화 시키는 것으로 알 수 있었다.
최근 항균 성능이 뛰어나면서도 인체에 유해하지 않은 나노 사이즈 은 입자를 이용한 항균 제품 개발 및 연구가 활발히 이루어지고 있음에 따라, 나노 사이즈의 은 입자를 보다 쉬운 방법으로 균일하게 제조하고, 그 특성을 평가하는데 많은 관심이 집중되고 있다. 본 연구에서는 은 이온의 광환원을 통해 나노 은 입자를 $15{\sim}20\;nm$ 크기로 균일하게 제조한 뒤, 나노 은 입자의 농도, pH, 온도가 변화함에 따른 항균 특성을 살펴보고 이를 정량적으로 평가, 은 이온의 항균 특성과 비교하였다. 또한 주사 전자 현미경과 투과 전자 현미경을 통하여 나노 은 입자의 미생물 불활성화 특성을 은 이온의 미생물 불활성화 특성과 비교하였다. 주요 결과로는 나노 은 입자의 항균 효과는 동일한 은 농도를 기준으로 하였을 때 은 이온의 항균 효과에 비하여 약 20배 정도 적은 것을 알 수 있었다. 또한 나노 은 입자의 농도, 온도가 높을수록 항균 성능은 향상됨을 알 수 있었으며 이는 은 이온의 실험 결과와 일치한다. 그러나 나노 은 입자의 항균 성능은 높은 pH에서 향상된 반면, 은 이온의 경우 pH 변화에 따른 항균 성능 변화가 관찰되지 않았다. 나노 은 입자와 은 이온에 의해 불활성화된 미생물을 주사 전자 현미경과 투과 전자 현미경으로 관찰한 결과, 나노 은 입자는 미생물 세포막을 크게 손상시키는 반면, 은 이온은 그렇지 않았다. 은 이온의 경우 은 이온이 미생물 안으로 흡수되어 세포질막을 손상시켜 미생물을 불활성화 시키는 것으로 알 수 있었다.
In recent days, there is much interest in the biocidal activity of silver since silver is known to be safe and effective as disinfectant and biocidal material against coliforms and viruses. In particular, nano silted silver particles which can be used as effective biocidal material received more att...
In recent days, there is much interest in the biocidal activity of silver since silver is known to be safe and effective as disinfectant and biocidal material against coliforms and viruses. In particular, nano silted silver particles which can be used as effective biocidal material received more attention. Accordingly, it is important to investigate antimicrobial activity and mechanism of nano sized silver particles prepared in a cost-effective manner. In this study, nano sized silver particles were prepared via photoreduction of a silver salt ($AgNO_3$) in the bulk phase of $PEO_{20}-PPO_{70}-PEO_{20}$ (Pluronic 123) block copolymer The antimicrobial efficacy of silver nano particles against E. coli was investigated and compared with that of silver ion as the concentration of silver nano particles, pH ($5.6{\sim}8.2$), temperature ($4^{\circ}C{\sim}35^{\circ}C$) varied in aqueous system. Scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) was used to examine the nature of damaged microorganism with nano sized silver particles and silver ion. This study showed that antimicrobial efficacy of silver nano particles was approximately one twentieth than that of silver ion. It was more biocidal at higher pH in contrast with silver ion. In addition, nano silver particles was demonstrated to disrupt the outer membrane of E. coli, subsequently causing their aggregation. On the other hand, silver ion diffused into the cell damaging the cytoplasmic membrane without disrupting the outer membrane of E. coli.
In recent days, there is much interest in the biocidal activity of silver since silver is known to be safe and effective as disinfectant and biocidal material against coliforms and viruses. In particular, nano silted silver particles which can be used as effective biocidal material received more attention. Accordingly, it is important to investigate antimicrobial activity and mechanism of nano sized silver particles prepared in a cost-effective manner. In this study, nano sized silver particles were prepared via photoreduction of a silver salt ($AgNO_3$) in the bulk phase of $PEO_{20}-PPO_{70}-PEO_{20}$ (Pluronic 123) block copolymer The antimicrobial efficacy of silver nano particles against E. coli was investigated and compared with that of silver ion as the concentration of silver nano particles, pH ($5.6{\sim}8.2$), temperature ($4^{\circ}C{\sim}35^{\circ}C$) varied in aqueous system. Scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) was used to examine the nature of damaged microorganism with nano sized silver particles and silver ion. This study showed that antimicrobial efficacy of silver nano particles was approximately one twentieth than that of silver ion. It was more biocidal at higher pH in contrast with silver ion. In addition, nano silver particles was demonstrated to disrupt the outer membrane of E. coli, subsequently causing their aggregation. On the other hand, silver ion diffused into the cell damaging the cytoplasmic membrane without disrupting the outer membrane of E. coli.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 광환원 반응을 통해 나노 사이즈의 은 입자를 제조하고, 이러한 나노 은 입자가 미생물에 미치는 영향 및 특성을 은 이온과 정량적으로 비교하여 보았다. 또한 주사 전자 현미경, 투과 전자 현미경을 사용하여 나노 은 입자와 은 이온의 미생물 불활성화 결과를 비 교, 분석하여 보았다.
본 연구는 광환원 반응을 통해 제조된 15-20 nm 사이즈 나노 은 입자의 그람 음성균 E. c에 대한 항균 특성을 살펴보고, 은 이온의 항균 특성과 비교하여 보았으며, 주사 전자현미경과 투과 전자현미경의 관찰 결과를 통하여 두 항균 물질에 의해 불활성화된 미생물 특성을 살펴보았다. 연구 결과로 나노 은 입자의 항균 성능은 은 이온 용액의 항균 성능과 비교하여 보았을 때 동일한 은 농도를 기준으로 약 20배 가량 적은 것으로 나타났다.
제안 방법
5% uranyl acetate로 En bloc staining 과정을 거쳐 다양한 농도의 에탄올로 탈수시키고 100% propylene oxide로 치환시킨다. 그 다음 다양한 비율의 propylene oxide와 Spurr's resin 혼합물을 침입 (iiItration)시킨 뒤 Ultramicrotome (MT-X, RMC, USA)를 통하여 절편을 만들고 절편은 2% uranyl acetate과 Reynold's lead citrate로 염색을 시켜 투과 전자현미경(JEM-1010, JEOL, Japan)으로 관찰하였다.
나노 은 입자와 은 이온의 항균 메커니즘 비교는 나노 은 입자, 은 이온과 접촉하여 불활성화된 미생물의 주사 전자현미경 (Scanning electron microscope, SEM), 투과 전자현미경 (Transmission electron microscope, TEM) 사진 결과를 통하여 추정해보았다.
또한 항온수조의 온도를 4℃, 25℃, 35 ℃로 조절함으로써 항균 성능 실험을 실행하였다. 나노 은 입자의 항균 특성과 은 이온의 항균 특성을 비교하기 위한 은 이온 용액은 AgNO3를 초순수에 용해시켜 나노 은 입자와 동일한 은 농도를 기준으로 조절한 뒤 위와 같은 과정을 통해 실험하였다.
따라서 본 연구에서는 광환원 반응을 통해 나노 사이즈의 은 입자를 제조하고, 이러한 나노 은 입자가 미생물에 미치는 영향 및 특성을 은 이온과 정량적으로 비교하여 보았다. 또한 주사 전자 현미경, 투과 전자 현미경을 사용하여 나노 은 입자와 은 이온의 미생물 불활성화 결과를 비 교, 분석하여 보았다.
2로 조절하였다. 또한 항온수조의 온도를 4℃, 25℃, 35 ℃로 조절함으로써 항균 성능 실험을 실행하였다. 나노 은 입자의 항균 특성과 은 이온의 항균 특성을 비교하기 위한 은 이온 용액은 AgNO3를 초순수에 용해시켜 나노 은 입자와 동일한 은 농도를 기준으로 조절한 뒤 위와 같은 과정을 통해 실험하였다.
고정이 끝난 미생물은 다양한 농도의 에탄올로 탈수시 킨 후 isoamyl acetate로 치환시키고, 임계점 건조기 (Critical point dry)로 건조하였다. 마지막으로 샘플의 표면을 금으로 코팅한 후 주사 전자현미경(JSM-5410LV, JEOL, Japan)으 로 미생물 구조를 관찰하였다.
본 연구에서 사용한 모든 시약은 초순수를 사용하여 제조하였으며, 나노 사이즈 은 입자는 은 이온의 광환원 반응을 통해 제조하였다. 제조 방법은 먼저 은을 나노 사이즈로 형성할 수 있도록 모형(template) 역할을 하는 poly(ethylene oxide) - poly(propylene oxide) - poly(ethylene oxide) (PEO20- PPO70-PEO20, Pluronic P123, BASF Co.
환원되지 않은 은 이온과 Pluronic P123은 원심분리를 통하여 정제한 뒤 진공오븐에서 증발시켜 제거하였다. 제조된 나노 은 입자의 크기는 나노 은 입자를 관찰한 투과 전자 현 미경 (Transmission electron microscope, TEM) 사진을 확대하여 50개 입자의 사이즈를 계산함으로써 확인하였다.
coli의 초기 농도는 2><1 CFU/mL가 되게 하였다. 항균성 평가는 응집된 나노 은 입자를 sonication하여 분리시킨 뒤 사용하였고, 초 순수에 넣은 나노 은 입자의 무게를 조절하여 농도를 변화시켰으며, pH는 0.5 M 인산완충용액을 사용하여 5.6, 7.1, 8.2로 조절하였다. 또한 항온수조의 온도를 4℃, 25℃, 35 ℃로 조절함으로써 항균 성능 실험을 실행하였다.
대상 데이터
1 mmol을 첨가한다. 제조된 은 이온 용액에 15℃ 미만의 온도에서 72시간 동안 자외선 램프(>350 nm, Black Ray longwave ultraviolet lamp B100 AP, UVP Inc.)를 조사하여 은 입자로 광환원하였다. 환원되지 않은 은 이온과 Pluronic P123은 원심분리를 통하여 정제한 뒤 진공오븐에서 증발시켜 제거하였다.
이론/모형
coli (ATCC 8739) strain을 사용하였다. E, coli는 50 mL Tryptic Soy broth에 접종하여 37℃ 에서 하룻밤 배양한 후에 원심분리를 통해 정제한 뒤 사용하였으며 E. co의 항균성 평가는 spread plate method를 통해 분석되었다.
성능/효과
Fig. 3(a)는 10 mg/L 나노 은 입자를 포함한 용액 pH를 5.6에서 8.2로 변화시킨 후 미생물의 불활성화 결과를 살펴본 결과이며 나노 은 입자 용액 pH가 5.6, 7.1, 8.2로 증가할수록 항균 성능 또한 증가하는 것을 알 수 있었다. Fig.
연구 결과로 나노 은 입자의 항균 성능은 은 이온 용액의 항균 성능과 비교하여 보았을 때 동일한 은 농도를 기준으로 약 20배 가량 적은 것으로 나타났다. 그리고 나노 은 입자 용액의 경우 pH와 온도가 증가할수록 항균 성능 또한 향상됨을 관찰할 수 있었지만, 은 이온 용액의 경우 pH 변화에 따른 항균 성능 변화가 관찰되지 않았다.
제조된 나노 은 입자는 디스크 모양을 띄었으며 전체적으로 진한 회색을 나타내었다. 또한 TEM 사진을 통하여 15-20 nm 사이즈의 나노 은 입자가 균일하게 제조된 것을 확인할 수 있었다.
또한 주사 전자현미경과 투과 전자 현미경 관찰 결과, 나노 은 입자는 미생물의 세포막을 크게 손상시킴으로써 항균 효과를 가지는 것으로 나타났으며 은 이온의 경우 세포막을 크게 손상시키지 않고 미생물 내부로 확산(diffusion) 되어 세포질막 (cytoplasmic membrane)을 손상시키는 것으로 알 수 있었다.
c에 대한 항균 특성을 살펴보고, 은 이온의 항균 특성과 비교하여 보았으며, 주사 전자현미경과 투과 전자현미경의 관찰 결과를 통하여 두 항균 물질에 의해 불활성화된 미생물 특성을 살펴보았다. 연구 결과로 나노 은 입자의 항균 성능은 은 이온 용액의 항균 성능과 비교하여 보았을 때 동일한 은 농도를 기준으로 약 20배 가량 적은 것으로 나타났다. 그리고 나노 은 입자 용액의 경우 pH와 온도가 증가할수록 항균 성능 또한 향상됨을 관찰할 수 있었지만, 은 이온 용액의 경우 pH 변화에 따른 항균 성능 변화가 관찰되지 않았다.
cdi를 나타내며, (b)는 나노 은 입자, (c)는 은 이온으로 처리한 뒤의미 생물 관찰 결과이다. 처리하지 않은 대조군과 비교하였을 때 나노 은 입자로 처리한 미생물의 경우 표면이 크게 손상된 반면 은 이온으로 처리한 미생물은 표면이 크게 손상되지 않은 것을 관찰할 수 있었다.
co〃의 관찰 결과이다. 투과 전자현미경 결과 은 이온은 미 생물의 표면을 크게 손상시키지 않은 상태에서 세포막의 안쪽인 세포질막 (cytoplasmic membrane) 부분을 손상시킨 것을 알 수 있었으며 이는 은 이온이 세포질막의 K* 이온 을 방출함으로써 미생물을 불활성화 시킨다는 기존의 연구와 일치한다. 반면 나노 은 입자의 경우 미생물의 세포막을 크게 손상시킨 것을 관찰할 수 있었다.
후속연구
위의 결과를 통해 나노 은 입자와 은 이온의 항균 특성 및 항균 메커니즘은 상이한 것을 알 수 있으며 이는 앞으로 나노 은 입자, 은 이온을 이용한 항균 물질의 개발 및 응용에 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
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