One-pot 합성을 통해 천연 화합물이 삽입된 아미노클레이 제조 및 항균성 연구 Preparation of Natural Chemicals Intercalated Aminoclay via One-pot Synthesis and its Antimicrobial Property원문보기
본 연구에서는 마그네슘 이온 및 (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES)으로 표면에 amine group이 부착된 아미노클레이를 합성(AC)함과 동시에 천연 화합물인 프로폴리스 및 황련 추출물을 클레이 시트 사이에 삽입한 클레이를 합성(PIAC, CIAC)하였다. 주사전자현미경, 입도 분석법, FT-IR, TGA 및 XRD를 통해 클레이의 합성 및 천연 화합물의 삽입을 확인하였고, 특히 XRD data에서 천연 화합물의 삽입에 따른 층간거리(d-space)를 분석함으로써 명확하게 그 특성을 결정하였다. 또한 천연 화합물이 삽입된 클레이인 PIAC 및 CIAC의 경우 삽입되지 않은 아미노클레이(AC)에 비해 항균성이 향상된 것을 최소저해농도(MIC) 분석을 통해 확인하였다.
본 연구에서는 마그네슘 이온 및 (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES)으로 표면에 amine group이 부착된 아미노클레이를 합성(AC)함과 동시에 천연 화합물인 프로폴리스 및 황련 추출물을 클레이 시트 사이에 삽입한 클레이를 합성(PIAC, CIAC)하였다. 주사전자현미경, 입도 분석법, FT-IR, TGA 및 XRD를 통해 클레이의 합성 및 천연 화합물의 삽입을 확인하였고, 특히 XRD data에서 천연 화합물의 삽입에 따른 층간거리(d-space)를 분석함으로써 명확하게 그 특성을 결정하였다. 또한 천연 화합물이 삽입된 클레이인 PIAC 및 CIAC의 경우 삽입되지 않은 아미노클레이(AC)에 비해 항균성이 향상된 것을 최소저해농도(MIC) 분석을 통해 확인하였다.
In this study, we synthesized the aminoclay (AC) with magnesium ions and 3-aminopropyl triethoxysilane (APTES). At the same time, propolis intercalated aminoclay (PIAC) and coptis extract intercalated aminoclay (CIAC) were synthesized by intercalating natural chemicals between clay sheets. Clay synt...
In this study, we synthesized the aminoclay (AC) with magnesium ions and 3-aminopropyl triethoxysilane (APTES). At the same time, propolis intercalated aminoclay (PIAC) and coptis extract intercalated aminoclay (CIAC) were synthesized by intercalating natural chemicals between clay sheets. Clay synthesis and natural chemical intercalation were confirmed through SEM, particle size analyze, FT-IR, TGA and XRD. In particular, the characterization of intercalation of natural chemicals was determined by analyzing the interlayer distance from XRD data. The antimicrobial property of PIAC and CIAC was checked by minimum inhibitory concentration (MIC) test and increased compared with that of the pristine aminoclay (AC).
In this study, we synthesized the aminoclay (AC) with magnesium ions and 3-aminopropyl triethoxysilane (APTES). At the same time, propolis intercalated aminoclay (PIAC) and coptis extract intercalated aminoclay (CIAC) were synthesized by intercalating natural chemicals between clay sheets. Clay synthesis and natural chemical intercalation were confirmed through SEM, particle size analyze, FT-IR, TGA and XRD. In particular, the characterization of intercalation of natural chemicals was determined by analyzing the interlayer distance from XRD data. The antimicrobial property of PIAC and CIAC was checked by minimum inhibitory concentration (MIC) test and increased compared with that of the pristine aminoclay (AC).
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가설 설정
10 mmol)를 한 방울씩 넣고 12 h 동안 120 rpm으로 교반 하여 합성하였다. 천연 화합물이 삽입하지 않은 순수 아미노클레이(AC)는 천연 화합물을 첨가하지 않고 동일한 조건으로 합성하였다. 합성된 아미노클레이는 400 rpm에서 5 min 원심분리하여 상층액을 제거하고 에탄올 100 mL를 사용하여 세척 후 동결건조하여 수득하였다.
제안 방법
OD660에서 흡광도를 측정 후 1 × 106CFU/mL가 되도록 희석을 하였다. AC, PIAC, CIAC 클레이 농도는 2,000, 1,500, 1,000, 750, 500, 250 ppm의 농도가 되도록 균배양액에 처리하였으며 37℃ incubator에서 overnight 배양한 후 고체배지에 도말하여 MIC 시험을 하였다.
상기 방법으로 제조된 PIAC 및 CIAC 클레이를 정성적 및 정량적 으로 분석하기 위해 Fourier-transform infrared spectrometry (FT-IR) 분광법을 이용하여 Nicolet iS10 (Thermo, US)를 사용하여 표면의 작용기들을 확인하였다. 또한 small-angle X-ray diffraction (SAXD) 분석을 통해 아미노클레이의 층간에 천연 화합물이 삽입되었는지를 확인하였다. SAXD 분석은 X’Pert3 powder (PANalytical, Netherlands)를사용하였고, 스캔 범위는 3-10 °/2theta로 0.
본 연구에서는 magnesium chloride hexahydrate와 함께 유기실란화 합물인 APTES를 사용하여 표면에 amine group을 가진 아미노클레이 (AC)를 합성하였으며, 프로폴리스와 황련 추출물과 같은 천연 화합물을 클레이 시트 사이에 one-pot으로 삽입과 동시에 합성하였고 합성된 클레이의 정성, 정량적 특성을 검토하였다.
다른 연구에서도 반 데르 발스 인력을 극복하고 화합물을 삽입하기 위해서는 물속에 장시간 팽윤한 후 삽입하거나[26], 다른 저분자 화합물을 사용하여 강제로 시트 사이의 간격을 벌린 후 원하는 화합물을 삽입하는[27] 매우 번거롭고 복잡하며 시간 또한 오래 걸리는 과정들이 필수적이다. 본 연구에서는 클레이 시트 사이로 삽입 시에 요구되는 많은 단점들을 해결하기 위해 one-pot으로 삽입할 화합물과 클레이를 동시에 합성하였다. 특히 마그네슘 이온과 함께 amine group을 가진 유기 실란 화합물 중 하나인 (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES)를 사용하여 아미노클레이 (aminoclay; AC)를 합성하였고, 내부에 삽입될 화합물로는 프로폴리스와 황련 추출물을 사용하여 아미노클레이 합성과 삽입을 one-pot 과정으로 동시에 진행하여 프로폴리스가 삽입된 아미노클레이(propolisintercalated aminoclay; PIAC), 황련 추출물이 삽입된 아미노클레이 (coptis extract intercalated aminoclay; CIAC)를 각각 합성하였다.
에탄올을 사용하여 세척 후 동결건조를 통해 흰색의 아미노클레이 분말을 수득하였다(Figure 2A). 수득한 아미노클레이 및천연 화합물의 삽입과 동시에 합성된 클레이의 결정성 및 입자 크기에 천연 화합물이 미치는 영향을 알아보기 위해서 SEM (scanning electron microscope)을 이용하여 AC, PIAC 및 CIAC 클레이의 결정성 및입자 크기를 비교하였다. Figure 2에서 보여준 바와 같이 천연 화합물 삽입 전후 모두 입자의 모폴로지가 각진 삼각형 또는 사각형과 같은 다각형 형태를 띠는 것으로 보아 결정성을 가지고 있으며 클레이 시트가 층상구조임을 확인할 수 있다.
천연 화합물을 아미노클레이 층간에 삽입하기 이전에, 순수한 아미 노클레이(AC)는 magnesium chloride hexahydrate와 APTES를 사용하여 합성하였다. 에탄올을 사용하여 세척 후 동결건조를 통해 흰색의 아미노클레이 분말을 수득하였다(Figure 2A).
본 연구에서는 클레이 시트 사이로 삽입 시에 요구되는 많은 단점들을 해결하기 위해 one-pot으로 삽입할 화합물과 클레이를 동시에 합성하였다. 특히 마그네슘 이온과 함께 amine group을 가진 유기 실란 화합물 중 하나인 (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES)를 사용하여 아미노클레이 (aminoclay; AC)를 합성하였고, 내부에 삽입될 화합물로는 프로폴리스와 황련 추출물을 사용하여 아미노클레이 합성과 삽입을 one-pot 과정으로 동시에 진행하여 프로폴리스가 삽입된 아미노클레이(propolisintercalated aminoclay; PIAC), 황련 추출물이 삽입된 아미노클레이 (coptis extract intercalated aminoclay; CIAC)를 각각 합성하였다. 본연구에서 합성된 PIAC 및 CIAC 클레이는 모두 강력한 항균제로 활용이 가능하며, 특히 각종 플라스틱 및 고분자 수지 등의 소재에 함유되어 천연 항균성 첨가제로서 활용될 수 있을 것이다.
, Japan)을 사용하여 관찰하였다. 합성한 PIAC 및 CIAC 클레이의 항균력을 분석하기 위해 최소저해농도(minimum inhibitory concentration, MIC)를 측정하였다. Table 2에서 보여준 실험 조건처럼 항균 활성을 검토하기 위해 Escherichia coli KCTC 2571, Staphylococcus aureus KCTC 3881, Streptococcus mutans KCTC 3065세 가지 균주를 시험균주로 선택해서 각각의 배지에 접종해 37℃, 150 rpm으로 16 h 배양하였다.
대상 데이터
합성한 PIAC 및 CIAC 클레이의 항균력을 분석하기 위해 최소저해농도(minimum inhibitory concentration, MIC)를 측정하였다. Table 2에서 보여준 실험 조건처럼 항균 활성을 검토하기 위해 Escherichia coli KCTC 2571, Staphylococcus aureus KCTC 3881, Streptococcus mutans KCTC 3065세 가지 균주를 시험균주로 선택해서 각각의 배지에 접종해 37℃, 150 rpm으로 16 h 배양하였다. OD660에서 흡광도를 측정 후 1 × 106CFU/mL가 되도록 희석을 하였다.
9%)은 합성및 세척 용매로서 사용하였다. 아미노클레이 시트 사이로 삽입할 천연 화합물은 프로폴리스(Lustrel Laboratoires, 99.8%)와, 황련(Hansol Pharmacy Co., Ltd., 99%)을 구매하여 사용하였다. 프로폴리스는 추가의 정제 과정 없이 사용하였으나, 황련은 천연 유효성분 추출에 널리 쓰이는 메탄올추출법[28]을 통해 추출하여 황련 추출물을 확보하였다.
아미노클레이를 합성하기 위해 magnesium chloride hexahydrate (MgCl2 ⋅6H2O, Duksan Pure Chemicals, 98%)와 (3-aminopropyl) triethoxysilane (APTES, Sigma-Aldrich, 99%)를 구매하여 추가의 정제 과정 없이 사용하였다. 에탄올(Duksan Pure Chemicals, 99.
O, Duksan Pure Chemicals, 98%)와 (3-aminopropyl) triethoxysilane (APTES, Sigma-Aldrich, 99%)를 구매하여 추가의 정제 과정 없이 사용하였다. 에탄올(Duksan Pure Chemicals, 99.9%)은 합성및 세척 용매로서 사용하였다. 아미노클레이 시트 사이로 삽입할 천연 화합물은 프로폴리스(Lustrel Laboratoires, 99.
이론/모형
154 nm)를 사용하여 측정하였다. PIAC 및 CIAC 클레이 내에 AC와 천연 화합물(프로폴리스, 황련 추출물)의 무게 비율을 확인하기 위해 Q50 (TA Instrument, US)를 사용하여 열중량 분석법(thermogravimetric analysis, TGA)으로 분석하였으며, 대기 분위기에서 승온속도 10℃/min으로 상온부터 800℃까지 측정하였다. PIAC 및 CIAC 클레이의 입자 크기를 측정하기 위해 Zetasizer Nano ZS90 (Malvern, France)를 사용한 입도 분석법 으로 분석하였다.
PIAC 및 CIAC 클레이 내에 AC와 천연 화합물(프로폴리스, 황련 추출물)의 무게 비율을 확인하기 위해 Q50 (TA Instrument, US)를 사용하여 열중량 분석법(thermogravimetric analysis, TGA)으로 분석하였으며, 대기 분위기에서 승온속도 10℃/min으로 상온부터 800℃까지 측정하였다. PIAC 및 CIAC 클레이의 입자 크기를 측정하기 위해 Zetasizer Nano ZS90 (Malvern, France)를 사용한 입도 분석법 으로 분석하였다. 측정한 입자 크기를 시각적으로 확인하기 위해 주사전자현미경(SEM)을 통해 관찰하였다.
상기 방법으로 제조된 PIAC 및 CIAC 클레이를 정성적 및 정량적 으로 분석하기 위해 Fourier-transform infrared spectrometry (FT-IR) 분광법을 이용하여 Nicolet iS10 (Thermo, US)를 사용하여 표면의 작용기들을 확인하였다. 또한 small-angle X-ray diffraction (SAXD) 분석을 통해 아미노클레이의 층간에 천연 화합물이 삽입되었는지를 확인하였다.
, 99%)을 구매하여 사용하였다. 프로폴리스는 추가의 정제 과정 없이 사용하였으나, 황련은 천연 유효성분 추출에 널리 쓰이는 메탄올추출법[28]을 통해 추출하여 황련 추출물을 확보하였다.
성능/효과
4 nm로 천연 화합물의 삽입 후 입자의 크기가 확연하게 커진 것이 확인되었다. FT-IR, TGA, XRD 분석을 통해 클레이의 합성과 동시에 천연 화합물이 클레이 시트 사이에 삽입되었음을 확인하였다. XRD 데이터에서 천연 화합물의 삽입에 따라 층간거리(d-space)가 멀어지는 것을 명확하게 확인하였다.
XRD 데이터에서 천연 화합물의 삽입에 따라 층간거리(d-space)가 멀어지는 것을 명확하게 확인하였다. MIC 시험을 통한 항균성 분석 결과 AC 클레이의 경우에도 표면에 amine group 이 있어 항균성을 가지고 있으나 천연 화합물이 삽입된 클레이의 경우 더 낮은 농도에서도 항균성을 가진다는 것을 확인하였다.
천연 화합물을 함유하지 않은 아미노클레이(AC)보다 천연 화합물을 함유한 아미노클레이인 PIAC 및 CIAC 클레이의 경우 두 배 이상으로 입자 크기가 증가하 였으며, Figure 2의 SEM 분석 결과와 유사한 결과값을 나타내었다. SEM 분석 결과 및 입도 분석 결과를 통해 평균 입자 크기는 천연 화합물의 삽입과 상관관계가 크다는 것을 보여주고 있다.
3%이다. TGA 분석으로 측정한 잔류 질량 값을 통해 프로폴리스는 AC 내에 8.7 wt%, 황련 추출물은 7.1 wt% 삽입되 었음을 확인할 수 있었다.
FT-IR, TGA, XRD 분석을 통해 클레이의 합성과 동시에 천연 화합물이 클레이 시트 사이에 삽입되었음을 확인하였다. XRD 데이터에서 천연 화합물의 삽입에 따라 층간거리(d-space)가 멀어지는 것을 명확하게 확인하였다. MIC 시험을 통한 항균성 분석 결과 AC 클레이의 경우에도 표면에 amine group 이 있어 항균성을 가지고 있으나 천연 화합물이 삽입된 클레이의 경우 더 낮은 농도에서도 항균성을 가진다는 것을 확인하였다.
aureus균에 대해 750 ppm이고, S. mutans균에 대해서는 각각 250, 500 ppm으로 항균성 천연 화합물을 삽입 시 AC 클레이에 비해 월등한 항균성을 가지는 것으로 조사되었다.
클레이 표면에 amine group이 존재하면 우수한 항균력을 가진다는 연구가 보고된 바 있다[1,29]. 그렇기 때문에 본 연구에서 합성한 AC 클레이의 경우, 천연 화합물이 삽입되지 않은 그 자체로도 뛰어난 항균력을 가지는 것을 확인하였다. Table 3의 결과와 같이 AC 클레이의 최소저해농도(MIC)는 E.
삽입된 천연 화합물에 따라 클레이의 색이 변하는 특성을 확인하였고, SEM을 통해 관찰한 결과 클레이가 결정성을 가지고 합성되었음을 확인할 수 있었고 대략적인 크기를 관찰하였다. 크기를 명확하게 확인하기 위해 입도 분석을 통해 AC 클레이는 39.
흥미롭게도 천연 화합물을 아미노클레이 층간에 삽입함에 따라 색깔의 차이로 명확하게 구분할 수 있다. 순수한 아미노클레이(AC)가 흰색을 띠는 반면, 천연 화합물 삽입 이후에는 천연 화합물에 따라서 색이 변하는 것을 확인하였다. 프로폴리스를 삽입한 아미노클레이의 경우 녹색을 띠며, 황련 추출물을 삽입한 아미노클레이의 경우 노란색을 띤다.
삽입된 천연 화합물에 따라 클레이의 색이 변하는 특성을 확인하였고, SEM을 통해 관찰한 결과 클레이가 결정성을 가지고 합성되었음을 확인할 수 있었고 대략적인 크기를 관찰하였다. 크기를 명확하게 확인하기 위해 입도 분석을 통해 AC 클레이는 39.7 nm, PIAC 클레이는 82.9 nm, CIAC 클레이는 93.4 nm로 천연 화합물의 삽입 후 입자의 크기가 확연하게 커진 것이 확인되었다. FT-IR, TGA, XRD 분석을 통해 클레이의 합성과 동시에 천연 화합물이 클레이 시트 사이에 삽입되었음을 확인하였다.
mutans균에 대해서는 500 ppm으로 확인되었다. 프로폴 리스가 삽입된 PIAC와 황련 추출물이 삽입된 CIAC의 경우 더 우수한 항균력을 가지는 것을 확인하였다. PIAC와 CIAC의 MIC 값은 E.
4% 가량 잔류한다. 황련 추출물은 700℃까지 천천히 열분해가 일어나며 잔류 질량은 0.5%로 대부분이 유기물로 이루어져 있음을 확인하였다. PIAC 및 CIAC 클레이의 경우 AC에 비해 잔류 질량이 약 10% 정도 낮으며 각각 37.
후속연구
본 연구에서 합성한 천연 화합물이 삽입된 클레이의 우수한 항균성을 바탕으로 기존의 은 나노와 같은 독성을 가진 기존 항균제를 대체 하는 천연 항균제로서 플라스틱 및 고분자 소재에 함유되는 등 공업 적으로 다양한 분야에 활용할 수 있음을 보여주며, 천연 화합물 이외 에도 각종 저분자, 단백질, DNA와 같은 다양한 소재에도 적용이 가능 하다고 사료된다.
특히 마그네슘 이온과 함께 amine group을 가진 유기 실란 화합물 중 하나인 (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES)를 사용하여 아미노클레이 (aminoclay; AC)를 합성하였고, 내부에 삽입될 화합물로는 프로폴리스와 황련 추출물을 사용하여 아미노클레이 합성과 삽입을 one-pot 과정으로 동시에 진행하여 프로폴리스가 삽입된 아미노클레이(propolisintercalated aminoclay; PIAC), 황련 추출물이 삽입된 아미노클레이 (coptis extract intercalated aminoclay; CIAC)를 각각 합성하였다. 본연구에서 합성된 PIAC 및 CIAC 클레이는 모두 강력한 항균제로 활용이 가능하며, 특히 각종 플라스틱 및 고분자 수지 등의 소재에 함유되어 천연 항균성 첨가제로서 활용될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
최근 연구에서 밝혀진 황련의 효능은 무엇인가?
황련(Coptis)은 한의학에서 열성 염증 치료용 한약재로써 사용되어 왔으며, 최근 연구들에서 항균[20,21], 항암[22] 및 항산화[23] 효과가 있는 것으로 알려졌다. 황련의 성분에 대한 지속적인 연구에 의해 대표적인 성분이 알칼로이드성 berberine 외 9가지 알칼로이드 및 magnoflorine으로 밝혀졌으며[24], 대표적인 황련 성분 중 강한 항균 작용을 하는 성분은 berberine으로 황련의 대표적인 benzylisoquinoline형 알칼로이드이다[21].
프로폴리스는 무엇인가?
프로폴리스는 식물 유래의 천연 화합물로, 300여 종의 성분들이 꿀벌에 의해 가공된 수지성화합물이 90% 이상을 차지하고, 꽃가루 등의 에스텔류, 유기물 및 미네랄 등이 5%로 구성된 지용성 복합체로 알려져 있다[16]. 프로폴리스 내 성분 중 플라보노이드가 다량 함유되어 있어 강력한 항균 효과를 가지며 항종양 및 항염 효과 또한 뛰어나다.
프로폴리스가 안전한 항균 물질인 이유는 무엇인가?
프로폴리스 내 성분 중 플라보노이드가 다량 함유되어 있어 강력한 항균 효과를 가지며 항종양 및 항염 효과 또한 뛰어나다. 최근 연구 결과 면역증강 물질로도 활용 가능성이 뛰어난 것으로 평가되며[17,18], 장내 세균에 대해서는 항균 활성이 미미하기 때문에 경구투여 하더라도 비피더스균을 포함한 장내 세균에는 악영향을 끼치지 않아 안전성이 검증된 무독성 천연 항균 물질로 알려져 있다[19].
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