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문제 정의
- 녹색합성법을 이용한 키토산-은나노 합성 복합물질을 적용한 코팅지의 항균성 포장소재로서 응용가능성을 검토하기 위해 제조된 녹색합성 키토산-은나노 코팅 제지의 E. coli균에 대한 항균성을 평가하였다. 다양한 농도의 은나노 입자가 코팅 된 키토산-은나노 코팅제지와 이들의 halo 항균정성 평가법에 의한 항균력 시험 결과 Fig.
- 본 연구에서는 친환경 천연고분자인 키토산의 활성 아미노기와 히드록시기를 이용하여 은나노 입자의 녹색합성을 수행하고 이를 통해 얻어진 키토산-은나노 복합물질을 활용한 항균코팅 종이를 제조, 그 표면특성과 항균성을 평가하였다. 키토산 및 은나노 합성의 전구체로 사용되는 질산은의 농도 그리고 반응시간에 따른 은나노의 녹색합성 영향을 파악하였으며 코팅지의 표면분석과 항균성 평가를 통해 향후 녹색합성법을 응용한 새로운 형태의 친환경 키토산-은나노 항균 포장종이로써 응용가능성을 검토하였다.
제안 방법
- 25 mm)를 사용하였다. 2%(w/w)의 키토산과 각기 다른 농도의 질산은(27 mM, 60 mM, 100 mM)용액을 반응시킨 키토산-은나노 합성용액을 5회, 10회, 15회 코팅하였으며 1회 코팅에 적용된 키토산-은나노 합성용액은 2 mL이었다. 코팅층 두께는 디지털 마이크로미터 (QUICKmini, Mitutoyo, Tokyo, Japan)를 이용하여 측정하였으며 코팅지는 23±1℃, 50±2%의 항온항습기에서 48시간 동안 조습처리한 후 항균성 평가 등을 수행하였다.
- 키토산 내 은나노 합성 유무의 확인을 위해 UV-Vis spectroscopy (OPTIZEN 2120UV, Mecasys, Daejeon, Korea)와 FTIR spectroscopy (Spectrum 65, Perkin Elmer, Waltham, USA)분석을 수행하였다. UV-Vis 흡수 스펙트럼은 300-800 nm 파장 범위에서 측정하였으며 FTIR의 경우 ATR(attenuated total reflectance) mode를 사용하여 4000-400 cm-1의 파수 범위에서 16회 스캔 후 평균치를 택하였다. 합성된 은나노의 형태 및 크기 분석을 위해 TEM (JEM-2010, JEOL Ltd.
- 에 따른 항균 정성분석을 수행하였다. 그람양성균의 하나인 E. coli DH5a (ATCC PTA 1977)를 사용하였으며 제조된 키토산-은나노 코팅지 시편을 균이 접종된 영양배지를 굳힌 plate 상에 접촉시킨 후 샘플 주위에 형성되는 halo를 비교하여 공시 균주의 생육저해 정도를 측정하였다. 먼저 증류수 100 mL에 nutrient broth 0.
- 녹색합성된 키토산-은나노 복합물질을 적용한 코팅지의 코팅 표면과 코팅층 내 존재하는 은의 농도를 측정하였다. 오토클레이브 30초 조건에서 합성된 2%(w/w) 키토산-은나노 용액을 Meyer Bar를 사용하여 0.
- 7과 같다. 본 실험의 대조군으로 코팅되지 않은 마닐라보드와 2%(w/w) 키토산만을 코팅한 키토산 코팅지를 사용하였으며 각각의 시편들을 E. coli균과 24시간 동안 접촉시킨 후 항균력을 확인하였다. 은나노가 포함되지 않은 대조군의 경우 E.
- 본 연구에서는 친환경 천연고분자인 키토산의 활성 아미노기와 히드록시기를 이용하여 은나노 입자의 녹색합성을 수행하고 이를 통해 얻어진 키토산-은나노 복합물질을 활용한 항균코팅 종이를 제조, 그 표면특성과 항균성을 평가하였다. 키토산 및 은나노 합성의 전구체로 사용되는 질산은의 농도 그리고 반응시간에 따른 은나노의 녹색합성 영향을 파악하였으며 코팅지의 표면분석과 항균성 평가를 통해 향후 녹색합성법을 응용한 새로운 형태의 친환경 키토산-은나노 항균 포장종이로써 응용가능성을 검토하였다.
- 본 연구에서는 키토산 바이오폴리머를 활용한 은나노 입자의 친환경 녹색합성을 수행하였으며 제조된 키토산-은나노 합성용액을 마닐라보드에 코팅, 이들의 물리화학적 특성 및 항균성을 평가하였다. UV-Vis 흡수 spectrum과 TEM 분석을 통해 키토산 내 은나노 입자가 안정적으로 생성, 분포하고 있음을 확인하였으며 FTIR 분석에 의해 은나노 합성과정에서 키토산의 활성아미노기와 소량의 히드록시기가 은나노 환원반응에 참여함으로써 키토산이 은나노 입자의 합성을 위한 환원제 및 안정제로 작용하였음을 확인할 수 있었다.
- 녹색합성된 키토산-은나노 복합물질을 적용한 코팅지의 코팅 표면과 코팅층 내 존재하는 은의 농도를 측정하였다. 오토클레이브 30초 조건에서 합성된 2%(w/w) 키토산-은나노 용액을 Meyer Bar를 사용하여 0.25 mm 두께의 마닐라 보드에 코팅하였으며 코팅 횟수에 따른 코팅층의 두께는 10-30 ㎛이었다. Fig.
- UV-Vis 흡수 spectrum과 TEM 분석을 통해 키토산 내 은나노 입자가 안정적으로 생성, 분포하고 있음을 확인하였으며 FTIR 분석에 의해 은나노 합성과정에서 키토산의 활성아미노기와 소량의 히드록시기가 은나노 환원반응에 참여함으로써 키토산이 은나노 입자의 합성을 위한 환원제 및 안정제로 작용하였음을 확인할 수 있었다. 은나노 녹색합성의 최적조건에서 합성된 다양한 농도의 키토산-은나노 복합물질을 마닐라보드에 코팅하고 이를 FESEM과 EDS분석을 통해 표면의 형상, 코팅의 균일도 및 은나노의 함유량을 조사하였다. 그 결과 키토산-은나노 녹색합성 복합물질이 섬유상에 적절한 친화력과 함께 섬유 간 결합을 향상시키고 종이 표면에 균일한 코팅을 이루고 있으며 제조된 코팅지의 코팅층 표면 내에 1~7 wt%의 은이 존재하는 것을 확인하였다.
- 5 mL를 혼합하고 이를 petri dish (90 x 15 mm)에 담아 1시간 동안 상온에서 건조시켜 균이 접종된 agar plate를 준비하였다. 준비된 agar plate 위에 항균코팅 종이 시편 (2 cm x 2 cm)을 올리고 38℃의 incubator에서 24시간 동안 균을 배양한 후 시편 주위에 형성된 halo의 유무로써 항균성을 확인하였으며 모든 실험은 3회 반복하여 재현성을 확인하였다.
- 코팅층 두께는 디지털 마이크로미터 (QUICKmini, Mitutoyo, Tokyo, Japan)를 이용하여 측정하였으며 코팅지는 23±1℃, 50±2%의 항온항습기에서 48시간 동안 조습처리한 후 항균성 평가 등을 수행하였다.
- 키토산 내 은나노 입자의 생성에 따른 키토산의 화학적 결합구조 분석을 위해 FTIR spectrum을 측정하였다. Fig.
- 키토산 내 은나노 합성 유무의 확인을 위해 UV-Vis spectroscopy (OPTIZEN 2120UV, Mecasys, Daejeon, Korea)와 FTIR spectroscopy (Spectrum 65, Perkin Elmer, Waltham, USA)분석을 수행하였다. UV-Vis 흡수 스펙트럼은 300-800 nm 파장 범위에서 측정하였으며 FTIR의 경우 ATR(attenuated total reflectance) mode를 사용하여 4000-400 cm-1의 파수 범위에서 16회 스캔 후 평균치를 택하였다.
- , Markham, Canada)과 은나노 입자 합성의 전구체로써 질산은 (Silver nitrate,, Alfa Aesar, Ward Hill, USA)을 사용하였고, 키토산 용해를 위한 용매로서 1%(v/v) acetic acid (Alfa Aesar, Ward Hill, USA)를 사용하였다. 키토산-은나노 녹색합성 복합물질 코팅 지의 항균성 평가를 위해 MacConkey Agar (211380, BD Difco, Sparks, USA)와 Nutrient Broth (234000, BD Difco, Sparks, USA)를 사용하였다.
- , Tokyo, Japan) 분석을 수행하였으며 이를 위한 시편은 제조된 키토산-은나노 복합용액 한 방울을 TEM 전용 copper grid (Ted Pella, Redding, USA) 위에 떨어뜨린 후 이를 상온에서 건조하여 준비하였다. 키토산-은나노 복합물질 코팅지 표면은 field emission scanning electron microscopy (FESEM, Quanta FEG 250, FEI, USA)를 이용하여 500배의 배율에서 분석하였으며 코팅층 표면에 존재하는 은의 정확한 농도 측정을 위하여 energy dispersive spectroscopy (EDS, AMETEK Inc., Berwyn, USA) 분석을 수행하였다. EDS의 정확한 결과값을 얻기 위해 동일한 시편에서 5회 이상 측정하여 평균값을 취하였다.
- 5~2%(w/w) 농도의 키토산을 12시간 동안 상온에서 용해시킨 후 용해된 키토산용액 10 g과 질산은 용액(3~100 mM) 1 mL를 혼합하였다. 키토산-질산은 혼합용액을 일정시간 골고루 교반한 뒤 오토클레이브 (HST-506-6, Hanbaek, Korea)에 15 psi, 121 ℃조건에서 15-120 초 동안 반응 시킨 후 상온에서 자연냉각 시켜 키토산-은나노 녹색 합성 복합물질을 제조하였다. 얻어진 키토산-은나노 용액은 반응에 참여한 키토산과 질산은의 농도에 따라 연한 자줏빛에서 진한 노란색을 띄었다.
- 키토산과 질산은의 농도 및 반응시간에 따른 키토산 내 은나노의 녹색합성 유무를 확인하기위해 UV-Vis 흡수 spectrum을 조사하였다. 일반적으로 은나노 입자는 그 모양과 크기에 따라 410~430 nm 영역에서 고유 흡수밴드가 나타나는 것으로 알려져 있다.
- UV-Vis 흡수 스펙트럼은 300-800 nm 파장 범위에서 측정하였으며 FTIR의 경우 ATR(attenuated total reflectance) mode를 사용하여 4000-400 cm-1의 파수 범위에서 16회 스캔 후 평균치를 택하였다. 합성된 은나노의 형태 및 크기 분석을 위해 TEM (JEM-2010, JEOL Ltd., Tokyo, Japan) 분석을 수행하였으며 이를 위한 시편은 제조된 키토산-은나노 복합용액 한 방울을 TEM 전용 copper grid (Ted Pella, Redding, USA) 위에 떨어뜨린 후 이를 상온에서 건조하여 준비하였다. 키토산-은나노 복합물질 코팅지 표면은 field emission scanning electron microscopy (FESEM, Quanta FEG 250, FEI, USA)를 이용하여 500배의 배율에서 분석하였으며 코팅층 표면에 존재하는 은의 정확한 농도 측정을 위하여 energy dispersive spectroscopy (EDS, AMETEK Inc.
대상 데이터
- 녹색합성된 키토산-은나노 코팅지는 Meyer Bar No. 7 (Kipae E&T, Suwon, Korea)를 사용하여 편면 코팅하였으며 코팅 원지는 100 ℃ 오븐(JSOF-100, JSR, Korea)에서 1 시간 동안 건조시킨 마닐라 보드(Mead West Vaco, 110 g/m2, 두께 0.25 mm)를 사용하였다.
- 키토산-은나노 합성을 위해 순도 90% 이상의 80% 디아세틸화 된 키토산 (CB0660, Bio Basic Inc., Markham, Canada)과 은나노 입자 합성의 전구체로써 질산은 (Silver nitrate,, Alfa Aesar, Ward Hill, USA)을 사용하였고, 키토산 용해를 위한 용매로서 1%(v/v) acetic acid (Alfa Aesar, Ward Hill, USA)를 사용하였다. 키토산-은나노 녹색합성 복합물질 코팅 지의 항균성 평가를 위해 MacConkey Agar (211380, BD Difco, Sparks, USA)와 Nutrient Broth (234000, BD Difco, Sparks, USA)를 사용하였다.
데이터처리
- , Berwyn, USA) 분석을 수행하였다. EDS의 정확한 결과값을 얻기 위해 동일한 시편에서 5회 이상 측정하여 평균값을 취하였다.
이론/모형
- 제조된 키토산-은나노 코팅지의 항균성 평가를 위해 ASTM E2149-1022)에 따른 항균 정성분석을 수행하였다. 그람양성균의 하나인 E.
성능/효과
- coli균에 대한 halo가 발견되지 않아 키토산 물질 자체의 항균성은 관찰되지 않았으며 이는 Mehdi Abdollaki 등의25) 연구와 동일한 결과로 키토산이 agar와 같은 매개체 안에서 분산력이 약하고 이로 인해 대상 병원균과의 접촉이 용이하지 않기 때문인 것으로 판단된다.26) 반면 키토산- 은나노 복합물질이 코팅된 마닐라보드는 코팅횟수가 증가할수록 선명한 halo가 발견되어 코팅된 마닐라보드가 E. coli균의 생장을 효과적으로 억제함을 알 수 있으며 합성된 은나노의 농도가 증가할수록 항균력 또한 강화되는 경향을 보였다.
- 6은 키토산-은나노 녹색합성 복합물질 코팅지의 FESEM(x500) 사진과 표면 내 은의 농도에 대한 EDS 측정값이다. FESEM 분석 결과 코팅 횟수의 증가에 따라 섬유 및 섬유 간 결합의 표면형상은 키토산-은나노 코팅층에 의해 점차 감소함을 확인 할 수 있으며 코팅층 표면 갈라짐 또는 박리에 의한 들뜸현상은 관찰되지 않았다. 키토산-은나노 코팅층 표면의 EDS 분석 결과 표면 은나노 입자의 농도는 반응에 참여한 질산은 용액의 농도와 코팅 횟수에 따라 1.
- 본 연구에서는 키토산 바이오폴리머를 활용한 은나노 입자의 친환경 녹색합성을 수행하였으며 제조된 키토산-은나노 합성용액을 마닐라보드에 코팅, 이들의 물리화학적 특성 및 항균성을 평가하였다. UV-Vis 흡수 spectrum과 TEM 분석을 통해 키토산 내 은나노 입자가 안정적으로 생성, 분포하고 있음을 확인하였으며 FTIR 분석에 의해 은나노 합성과정에서 키토산의 활성아미노기와 소량의 히드록시기가 은나노 환원반응에 참여함으로써 키토산이 은나노 입자의 합성을 위한 환원제 및 안정제로 작용하였음을 확인할 수 있었다. 은나노 녹색합성의 최적조건에서 합성된 다양한 농도의 키토산-은나노 복합물질을 마닐라보드에 코팅하고 이를 FESEM과 EDS분석을 통해 표면의 형상, 코팅의 균일도 및 은나노의 함유량을 조사하였다.
- 은나노 녹색합성의 최적조건에서 합성된 다양한 농도의 키토산-은나노 복합물질을 마닐라보드에 코팅하고 이를 FESEM과 EDS분석을 통해 표면의 형상, 코팅의 균일도 및 은나노의 함유량을 조사하였다. 그 결과 키토산-은나노 녹색합성 복합물질이 섬유상에 적절한 친화력과 함께 섬유 간 결합을 향상시키고 종이 표면에 균일한 코팅을 이루고 있으며 제조된 코팅지의 코팅층 표면 내에 1~7 wt%의 은이 존재하는 것을 확인하였다. 또한 키토산-은나노 녹색합성 복합물질 코팅지의 항균 정성평가 결과 시험된 코팅지 시편 모두에서 항균성을 보였으며 함유된 은의 농도가 증가함에 따라 항균력 또한 증가하여 코팅층 표면 내에 3% 이상의 은이 존재하는 경우 매우 우수한 항균성이 관찰되었다.
- 그 결과 키토산-은나노 녹색합성 복합물질이 섬유상에 적절한 친화력과 함께 섬유 간 결합을 향상시키고 종이 표면에 균일한 코팅을 이루고 있으며 제조된 코팅지의 코팅층 표면 내에 1~7 wt%의 은이 존재하는 것을 확인하였다. 또한 키토산-은나노 녹색합성 복합물질 코팅지의 항균 정성평가 결과 시험된 코팅지 시편 모두에서 항균성을 보였으며 함유된 은의 농도가 증가함에 따라 항균력 또한 증가하여 코팅층 표면 내에 3% 이상의 은이 존재하는 경우 매우 우수한 항균성이 관찰되었다. 본 연구를 통해 녹색합성법에 기인한 키토산-은나노 코팅지가 새로운 형태의 친환경 항균소재로서 적합함을 확인 하였으며 향후 나노 복합물질 코팅 기능성 종이로서 식품, 의료, 화장품 포장 등의 폭넓은 적용을 위해서 수분, 오일 및 가스차단성, 물리적 강도, 화학적 특성, 항균내구성 등 포장소재로서 요구되는 다양한 요소의 체계적 연구가 수행될 것이다.
- 3은 2%(w/w) 키토산과 질산은 60 mM의 오토클레이브 반응시간에 따른 UV-Vis spectrum 비교 결과이다. 반응시간을 15, 30, 60, 120초로 두었을 때 키토산 내 은나노 합성에 필요한 최적의 반응시간이 존재함을 확인할 수 있었으며 반응시간 30초가 본 연구에서 수행하는 실험조건에서 가장 적합한 은나노 합성조건임을 알 수 있었다. 오토클레이브 반응을 시도한 Maragoni Ven.
- FESEM 분석 결과 코팅 횟수의 증가에 따라 섬유 및 섬유 간 결합의 표면형상은 키토산-은나노 코팅층에 의해 점차 감소함을 확인 할 수 있으며 코팅층 표면 갈라짐 또는 박리에 의한 들뜸현상은 관찰되지 않았다. 키토산-은나노 코팅층 표면의 EDS 분석 결과 표면 은나노 입자의 농도는 반응에 참여한 질산은 용액의 농도와 코팅 횟수에 따라 1.62-7.14 wt% 범위의 측정값을 보였으며 동일한 코팅 횟수에서 반응에 참여한 질산은의 농도가 증가할수록 생성된 표면 은나노 입자의 질량비 값도 증가하는 경향을 보였다.
후속연구
- 오토클레이브 반응을 시도한 Maragoni Ven. 등23)의 연구에 따르면 반응시간이 길어질수록 흡수밴드의 높이 또한 증가하였으나 본 연구에서는 30초 이상의 시간에서는 오히려 은나노에 의한 UV-Vis 흡수 세기가 감소하는 상반된 결과를 보였으며 이는 고온, 고압에서 합성된 키토산 내 은나노 입자의 밀도, 크기와 모양 등의 변화를 유도하는 추가적인 반응이 일어나는 것으로 판단되며 이에 대한 보다 심도 깊은 연구가 필요한 것으로 보인다.
- 또한 키토산-은나노 녹색합성 복합물질 코팅지의 항균 정성평가 결과 시험된 코팅지 시편 모두에서 항균성을 보였으며 함유된 은의 농도가 증가함에 따라 항균력 또한 증가하여 코팅층 표면 내에 3% 이상의 은이 존재하는 경우 매우 우수한 항균성이 관찰되었다. 본 연구를 통해 녹색합성법에 기인한 키토산-은나노 코팅지가 새로운 형태의 친환경 항균소재로서 적합함을 확인 하였으며 향후 나노 복합물질 코팅 기능성 종이로서 식품, 의료, 화장품 포장 등의 폭넓은 적용을 위해서 수분, 오일 및 가스차단성, 물리적 강도, 화학적 특성, 항균내구성 등 포장소재로서 요구되는 다양한 요소의 체계적 연구가 수행될 것이다.
- 이는 Fig. 5의 키토산-은나노 필름 시편에서 알데히드의 C-H 그룹에 해당하는 2858 cm-1 파수의 강한 흡수밴드가 관찰됨으로서 –OH 그룹의 환원제 역할에 대한 부분적인 설명은 가능하나 1740-1720 cm-1 영역의 카르보닐기에 해당하는 흡수 피크가 관찰되지 않아 반응메커니즘을 증명할 추가적 연구가 필요하다.
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