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문제 정의
- 방사용액내의 은 나노입자 농도를 300-2000 ppm 범위에서 변화 시켜 전기방사하므로써 항균성 나노섬유를 제조하고자 하였다. Conductivity meter를 이용하여 은을 함유하는 고분자용액의 전도도를 측정하여 Figure 5에 나타내었다.
- 본 연구에서는 은나노입자를 함유하는 PMMA 나노섬유 부직포를 제조하고 그들의 특성 및 항균성을 조사하였다.
제안 방법
- 2 mL씩 접종하고 incubator에서 배양하였다 이때 vial 하나는 시료가 들어있지 않은 상태로 균액만 접종하여 control로 사용하였다. 18시간 동안 배양시킨 후 각각의 vial에 중화용액 20 mL를 넣고 강하게 흔들어 시료에 붙은 균을 떼어내고 이 액을 1 mL씩 채취하여 생리식염수로 10배 희석 계열을 만들고 한천 배지에 1 mL씩 접종하였다 37 ℃에서 24시간 배양한 후 생육한 colony수를 측정하고 희석배율을 곱하여 생균수를 산출하였다 감균률의 산출식은 다음과 같다
- 나노섬유의 제조. DMF와 THF를 7:3으로 혼합하여 PMMA 및 은을 일정비로 혼합하여 전기방사하였다. 이때 방사 거리는 15 cm, 유체 주입 속도는 0.
- 36 nm로 하여 실시하였다. EDS (energy dispersive spectroscopy) 를 이용하여 나노섬유 표면에 분포하는 은 나노입자를 조사하였다.
- 직경은 200—400 nm 범위이었다. PMMA 나노섬유에서 은 나노입자는 섬유의 테두리 부분에 존재해 있음을 TEM으로 확인하였다 직물의 항균성을 측정하기 위하여 Staphylococcus aureuse Klebsiella pneumoniaee 대한 감균율 측정과 inhibiton zone test를 하였다. 감균율의 측정 결과 PMMA에 1000 ppm의 은 나노 입자가 함유된 나노섬유는 100%에 가까운 항균능력을 보였다.
- 나노섬유의 형태 및 미세구조 관찰. PMMA 및 PMMA/silver 나노섬유의 morphology는 전계형주사전자현미경 (FE-SEM, S-4300 HITACHI) 을 이용하여 관찰하였다. 섬유 직경 및 분포를 조사하기 위해 FE-SEM(S-4300, HITACHI, LTD) 과 영상분석기 (TDISE V3.
- PMMA 용액의 점도측정. 6-26 wt%의 PMMA-DMF 용액을 만든 후 rheometer(LVDVU+, Brookfield)# 이용하여 25 ℃에서용액의 점도를 측정하였다.
- TEM). TEM을 이용하여 은 나노입자의 확인과 나노섬유 내의 분포를 확인하였다. 또한, 방사된 나노섬유를 초박절편기로 컷팅한 후, 나노섬유의 단면을 관찰하고 섬유 내에 분포되어 있는 은 나노입자를 확인하였다.
- 시료는 epoxy molding 후 컷팅하거나 grinding 하여 얻은 powder를 물에 분산시켜 카본 코팅된 300 mesh copper grids를 이용하여 나노섬유를 떠낸 후 TEM 관찰을 통해 나노섬유에 은 나노입자의 함유 여부를 확인하였다. TEM의 측정은 HR 모두루 가속전압 120 kV, 격자 해상도 0.204 nm, 점 해상도 0.36 nm로 하여 실시하였다. EDS (energy dispersive spectroscopy) 를 이용하여 나노섬유 표면에 분포하는 은 나노입자를 조사하였다.
- 자외분광 측정. 나노섬유에 함유된 은나노의 양을 측정하기 위해 PMMA/Ag 용액의 UV스펙트럼을 조사하였다. 시료는 18 wt% PMMA 용액에 은 나노입자를 0, 300, 1000, 2000 ppm으로 혼합하여 준비하였다.
- TEM을 이용하여 은 나노입자의 확인과 나노섬유 내의 분포를 확인하였다. 또한, 방사된 나노섬유를 초박절편기로 컷팅한 후, 나노섬유의 단면을 관찰하고 섬유 내에 분포되어 있는 은 나노입자를 확인하였다. 시료는 epoxy molding 후 컷팅하거나 grinding 하여 얻은 powder를 물에 분산시켜 카본 코팅된 300 mesh copper grids를 이용하여 나노섬유를 떠낸 후 TEM 관찰을 통해 나노섬유에 은 나노입자의 함유 여부를 확인하였다.
- 본 연구에서는 은 나노입자를 PMMA 나노섬유에 도입하고 그들의 특성과 항균성을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다 PMMA를 DMF/THF 혼합용매에 18 wt%로 녹여 전기방사하였을 때 얻어진 섬유의 직경은 200—400 nm 범위이었다. PMMA 나노섬유에서 은 나노입자는 섬유의 테두리 부분에 존재해 있음을 TEM으로 확인하였다 직물의 항균성을 측정하기 위하여 Staphylococcus aureuse Klebsiella pneumoniaee 대한 감균율 측정과 inhibiton zone test를 하였다.
- PMMA 및 PMMA/silver 나노섬유의 morphology는 전계형주사전자현미경 (FE-SEM, S-4300 HITACHI) 을 이용하여 관찰하였다. 섬유 직경 및 분포를 조사하기 위해 FE-SEM(S-4300, HITACHI, LTD) 과 영상분석기 (TDISE V3.1.73, TECHSAN Co., Ltd.)를 이용하였고, FE-SEM을 통해 얻어진 나노섬유의 사진 이미지를 영상분석기 프로그램을 이용하여 평균직경, 표준편차, 직경분포 등을 얻어 내었다.
- 나노섬유에 함유된 은나노의 양을 측정하기 위해 PMMA/Ag 용액의 UV스펙트럼을 조사하였다. 시료는 18 wt% PMMA 용액에 은 나노입자를 0, 300, 1000, 2000 ppm으로 혼합하여 준비하였다.
- 또한, 방사된 나노섬유를 초박절편기로 컷팅한 후, 나노섬유의 단면을 관찰하고 섬유 내에 분포되어 있는 은 나노입자를 확인하였다. 시료는 epoxy molding 후 컷팅하거나 grinding 하여 얻은 powder를 물에 분산시켜 카본 코팅된 300 mesh copper grids를 이용하여 나노섬유를 떠낸 후 TEM 관찰을 통해 나노섬유에 은 나노입자의 함유 여부를 확인하였다. TEM의 측정은 HR 모두루 가속전압 120 kV, 격자 해상도 0.
- 은을 함유하는 나노섬유의 특성. 은 나노입자의 농도를 1000 ppm로맞추어 나노섬유를 제조하고 TEM 측정을 통해 은 입자의 존재를 확인하였다(Figure 9). 투과전자현미경으로 PMMA/silver의 나노섬유를 확인한 결과 5-10 nm 크기의 은 나노입자가 PMMA 나노섬유 위에 수십 나노 간격으로 분포하는 것을 확인할 수 있었다.
- 측정. 은 나노입자의 첨가가 나노섬유의 제조에 미치는 영향을 조사하기 위해 conductivity meter (model 125 A+) 를 이용하여 은 나노입자의 농도에 따른 전도도 변화를 측정하였다.
- 나노섬유 부직포의 항균성. 전기 방사법을 이용하여 제조된 PMMA, PMMA/silver 나노섬유 부직포를 고압 증기 멸균하여 힝균실험을 실시하였다. Figure 12는 포도상구균(그램양성균, Staphylococcus aureus)에 대한 PMMA, PMMA/silver, 나노섬유 부직포의 항균성을 나타낸 결과이다.
- 전압이 섬유의 형태에 미치는 영향을 조사하기 위하여 PMMA/ silver 혼합비, 농도 방사거리, 유체주입속도 등을 일정하게 유지하고 전압만을 8-20 kV 범위내에서 변화시켜 나노섬유를 제조하였다. 그 결과 Figure 3에 나타내는 바와 같이 전압에 의한 섬유의 모폴로지 차이는 농도에 따른 차이만큼 크지는 않았다.
대상 데이터
- Poly (methyl methacrylate) (PMMA) 는 LG MMA에서 공급받은 것으로 중랑평균분자량 약 120, 000인 것을 사용하였다. Ag suspensione (주) Hunion 에서 공급받아 사용하였다. 항균성 평가를 위해 사용된 미생물인 Staphylococcus aurese Klebsiella pneumonia는Korean Collection for Type Cultures (KCTC) 에서 분주 받았으며, 배지의 제조에 사용한 Nutrient broth는 Sigma사의 제품을 사용하였다.
- 시 약. Poly (methyl methacrylate) (PMMA) 는 LG MMA에서 공급받은 것으로 중랑평균분자량 약 120, 000인 것을 사용하였다. Ag suspensione (주) Hunion 에서 공급받아 사용하였다.
- UV-vis 흡광 스펙트럼을 이용하여 분석한 결과는 Figure 6에 나타내었다. UV-vis를 이용하여 흡수피크를 측정한 결과 420 nm 부근에서 은 고유의 피크가 나타는 것을 확인하였으며, UV-vis 흡광 스펙트럼으로 확인된 은 나노입자의 용액을 사용하여 나노섬유를 제조하였다.
- 전기방사법을 이용하여 제조한 것을 사용하였다. 제조된 부직포들은 실험에 사용되는 모든 실험 기구와 함께 autoclave에서 120 ℃ 로 30분간 멸균하였고 고압 증기 멸균 후 UV Hght 하에서 건조시킨 시료들을 1X1 cm의 크기로 잘라 0.4 g 준비하였다 시험균주는 Staphylococcus aures와 Klebsiella pneumoniae을 사용하였고, 보존 균주를 한천 배지에 이식하고 incubator에서 하루 동안 배양하였다 배양된 균을 1 백금이 취하여 액체 배지 20 mL에 이식한 후 shaking incubator 에서 24시간 배양하였다
- Ag suspensione (주) Hunion 에서 공급받아 사용하였다. 항균성 평가를 위해 사용된 미생물인 Staphylococcus aurese Klebsiella pneumonia는Korean Collection for Type Cultures (KCTC) 에서 분주 받았으며, 배지의 제조에 사용한 Nutrient broth는 Sigma사의 제품을 사용하였다.
이론/모형
- Growth Inhibition Test: 항균성 평가는 직물의 항균도 시험 방법인 KS K 0693 : 20이에 의거하여 나노섬유의 항균도를 평가하였다16,17 항균성의 평가를 위하여 PMMA, PMMA/silver 나노 방사 부직포를 전기방사법을 이용하여 제조한 것을 사용하였다. 제조된 부직포들은 실험에 사용되는 모든 실험 기구와 함께 autoclave에서 120 ℃ 로 30분간 멸균하였고 고압 증기 멸균 후 UV Hght 하에서 건조시킨 시료들을 1X1 cm의 크기로 잘라 0.
성능/효과
- 이 장비를 이용하여 은 나노입자의 함유여부를 분석한 결과는 Figure 11에 나타내었다. EDS로 나노섬유의 표면을 분석한 결과 PMMA/silver 나노섬유에서 은 나노입자가 PMMA 나노섬유 표면에 분포되어 있다는 것을 피크로 확인할 수 있었다.
- PMMA, PMMA/silver 나노섬유 부직포의 페렴균(그램음성규 Klebsiella pneumoniae)에 대한 항균성은 Figure 13에 나타내었다. PMMA/ silver 나노섬유의 페렴균에 대한 항균성은 포도상구균에 대한 항균성 결과보다 약간 높았다. 결론적으로 은 나노입자를 PMMA와 혼합하여 전기 방사하였을 때 얻어진 니노섬유 부직포는 그램양성균(Staphylococcus aureus) 및 그램음성균 (Klebsiella pneumoniae) 모두에 대해 높은 항균성을 보였다.
- Figure 14 (b)rr Klebsiella pneumoniae 에 대한 PMMA, PMMA/silver 나노섬유 부직포의 inhibition zone을 나타낸 결과이다. Staphylococcus aureus와 마찬가지로 PMMA 나노섬유 부직포는 inhibition zone이 나타나지 않았으나, 은 나노입자를 1000 ppm 포함유하는 PMMA/silver 나노섬유 부직포는 inhibition zone을 형성하는 것을 확인할 수 있었다.
- PMMA 나노섬유에서 은 나노입자는 섬유의 테두리 부분에 존재해 있음을 TEM으로 확인하였다 직물의 항균성을 측정하기 위하여 Staphylococcus aureuse Klebsiella pneumoniaee 대한 감균율 측정과 inhibiton zone test를 하였다. 감균율의 측정 결과 PMMA에 1000 ppm의 은 나노 입자가 함유된 나노섬유는 100%에 가까운 항균능력을 보였다. Inhibition zone test에서는 PMMA에 1000 ppm의 은 나노입자를 함유되었을 때 inhibition zone이 형성되었다.
- PMMA/ silver 나노섬유의 페렴균에 대한 항균성은 포도상구균에 대한 항균성 결과보다 약간 높았다. 결론적으로 은 나노입자를 PMMA와 혼합하여 전기 방사하였을 때 얻어진 니노섬유 부직포는 그램양성균(Staphylococcus aureus) 및 그램음성균 (Klebsiella pneumoniae) 모두에 대해 높은 항균성을 보였다.
- 직경분포의 결과를 Figure 8에 나타내었다. 그 결과 직경은 100-400 nm에 걸쳐 분포되었으며 평균직경은 300 nm를 나타내었다
- Rheometer를 이용하여 온도 25 ℃에서 DMF 용매를 이용한 PMMA 용액의 점도를 측정하여 Figure 1에 나타내었다. 나노섬유 형성을 알아보기 위한 선행조건이 점도 측정이기 때문에 PMMA의 농도를 6-26 wt%로 변화시켜 점도를 측정하였다 PMMA-DMF 용액은 농도가 약 18-20 wt% 부근 즉 점도 값이 약 75 cPs인 지점에서 나노섬유가 잘 형성되는 것을 확인흐였다. 이것은 각 용액에서 PMMA 사슬의 얽힘 (entanglement) 에의한 급격한 점도변화에 기인한 것이며 전기방사 시 섬유화가 가능한 적정농도를 시사하는 것이다.
- 투과전자현미경으로 PMMA/silver의 나노섬유를 확인한 결과 5-10 nm 크기의 은 나노입자가 PMMA 나노섬유 위에 수십 나노 간격으로 분포하는 것을 확인할 수 있었다. 세균의 크기가 1 |im 내외이므로 은 나노입자의 분포도를 고려해 볼 때본 연구에서 제조한 PMMA 나노섬유 부직포는 항균성을 가질 것으로 예측된다.
- 은 나노입자의 농도를 1000 ppm로맞추어 나노섬유를 제조하고 TEM 측정을 통해 은 입자의 존재를 확인하였다(Figure 9). 투과전자현미경으로 PMMA/silver의 나노섬유를 확인한 결과 5-10 nm 크기의 은 나노입자가 PMMA 나노섬유 위에 수십 나노 간격으로 분포하는 것을 확인할 수 있었다. 세균의 크기가 1 |im 내외이므로 은 나노입자의 분포도를 고려해 볼 때본 연구에서 제조한 PMMA 나노섬유 부직포는 항균성을 가질 것으로 예측된다.
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