항균·항미생물 소재의 급부상: 건강과 안전의 미래를 형성하다

닐리와 말리 연구에서 메티실린 내성 황색포도상구균(MRSA)과 반코마이신 내성 장구균 같은 병원체가 병원에서 쓰이는 소재에서 하루 동안 생존함이 밝혀졌습니다.

일부 미생물은 90일 넘게 생존하기도 합니다. 이 미생물들은 중환자실(ICU)에서 토착화돼 질병과 사망 가능성 증가와 연관됩니다. 과산화수소 같은 살균제는 이상적이지 않습니다 - 잔류 효과가 제한적이고 환경 독성 이슈가 있기 때문입니다.

현재 구조는 미생물 증식을 억제해 발병 가능성을 줄이는 항미생물 활성 소재 탐색 필요성을 부릅니다.

이상적인 항균 소재

항균 소재는 표면이나 주변에서 미생물 증식을 억제하거나 사멸시키는 항미생물 제제를 포함합니다. 항미생물 폴리머, 항균 플라스틱, 항미생물 나노소재, 항미생물 세라믹 등이 될 수 있습니다.

이상적인 항미생물 소재는 다음 특징을 가집니다:

• 사용 안전;
• 저렴하고 합성 용이;
• 광범위한 항미생물 활성 커버;
• 장기간 고안정성;
• 수불용성(수질 소독용 시);
• 부패 취약성 없음;
• 유독 물질 방출 안 함.

항미생물 소재와 코팅 유형

1. 항미생물 폴리머

폴리머의 다재다능한 거대분자 특성이 미생물 오염에 대항하는 유리한 옵션이 되게 합니다, 특히 생물의학 분야에서. 고분자 살균제라고도 하는 항미생물 폴리머는 질병 유발 미생물 증식을 억제할 수 있습니다.

항미생물 표면 일반 원리 [1].

어떤 정제 없이 항미생물 작용을 보이고 고유한 자가 살균 특성을 가진 소재를 내재적 항미생물 소재라 부릅니다. 천연 폴리머, 구아니딘기 함유 폴리머, 4차 질소 원자 함유 폴리머, 할로겐 함유 폴리머, 천연 펩타이드 모방 폴리머 등이 내재적 항미생물 활성을 가진 많은 고분자 소재들입니다.

일부 천연 폴리머로는 키토산, 헤파린, ε-폴리라이신이 있습니다. 키토산 기반 소재는 생분해성, 무독성, 생체적합성, 항미생물 활성으로 유망합니다.

폴리머에 항미생물 활성을 부여하는 것도 화학적 변형으로 가능합니다. 일부 변형엔 저분자량 항미생물 공유 결합, 항미생물 펩타이드 결합, 천연 폴리머를 합성 폴리머에 이식 등이 포함됩니다.

고분자 항미생물 식품 포장이 기업들이 더 안전한 제품과 유통기한 연장을 위한 항균 포장으로 전환하며 주목받고 있습니다.

항미생물 폴리머의 다른 응용은 곰팡이 복원, 분체 코팅, 건설 산업에서 찾을 수 있습니다.

2. 항균 플라스틱

a) 항미생물 플라스틱

항미생물 플라스틱은 항미생물 첨가제를 함유한 합성 고분자 소재로, 미생물 증식에 효과적입니다. 세포 간 통신을 항부착 표면 형성으로 방해해 박테리아를 사멸시킴으로써 항균 특성을 나타냅니다.

상업용 항미생물 플라스틱(하이체어, 정수기, 식품 보관 용기 등)은 항미생물 활성 성분 없는 플라스틱보다 더 내구성 있습니다. 열가소성·열경화성 폴리머에 혼합된 첨가제가 플라스틱을 더 빨리 분해시키는 미생물 존재를 최소화해 플라스틱 기능 수명을 연장합니다. 호환 플라스틱 소재엔 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌(PE/LDPE)이 있습니다.

b) 항미생물 바이오플라스틱

알부민, 대두, 유청 단백질이 바이오플라스틱 제조에 유리한 원료로 쓰입니다. 알부민 기반 플라스틱은 대장균과 바실루스 서브틸리스 증식을 표면에서 억제하며, 유청 단백질에서 발견되는 면역글로불린과 글리코마크로펩타이드가 독소와 결합해 미생물 감염을 예방합니다.

알부민이나 유청 플라스틱이 의료 시스템(예: 의료제품 포장, 의료용 감염 시험)에 쓰일 수 있는지 판정하는 시험법도 있습니다.

3. 항미생물 세라믹

항미생물 세라믹은 유약 내 첨가제로 박테리아 증식 저항성을 부여한 비금속 고체 소재입니다. 드렐리히 등 연구에서 구리 주입 세라믹이 수질 소독용 유망 항균 제품이 될 수 있음이 밝혀졌습니다.

(a) 항미생물 세라믹 스톤 제조 3단계 모식도; (b) 세라믹 스톤; (c) 스톤 제조용 점토 X선 회절 패턴; (d) 세라믹 스톤 기공 드러내는 주사전자현미경 사진 [2].

구리와 구리 화합물은 박테리아(그람 양성·음성), 진균, 바이러스(피막·비피막), 효모, 포자 등 다양한 미생물 살균을 주장합니다.

2시간 내 유해 박테리아 99.9% 살균하고 구리 표면 반복 노출에도 99% 이상 살균 유지한다고 구리개발협회(CDA)가 밝혔습니다. 오염수 내 클렙시엘라 폐렴균과 황색포도상구균 집단이 다공성 구리 주입 항미생물 세라믹 스톤에 노출돼 3시간 내 99.9% 이상 감소했습니다.

항균 세라믹 응용은 싱크대, 욕조, 변기, 샤워기, 주방 가전에서 찾을 수 있습니다.

4. 항미생물 나노소재

a) 유기·무기 나노입자

유기 나노입자는 항미생물 제제 방출이나 접촉 살균 양이온 표면으로 미생물 제거 가능. 존스 등 실험에서 폴리-ε-카프롤락톤(PCL)에 폴리(N-비닐피롤리돈)-요오드 혼합해 생체소재에 항균 특성 부여, 기계적·유변학적 특성 변화 없이. PCL 분해가 대장균 항부착도 촉진했습니다.

유기, 하이브리드, 무기 범주로 나뉜 다양한 나노입자(NP) 유형 모식도 [3].

무기 나노입자는 유기 대응물보다 고온에서 더 안정적이라 가혹한 가공 조건 견딜 수 있습니다. 결과적으로 무기 나노입자가 항미생물 소재로 자주 쓰입니다.

b) 금속산화물 나노입자

금속산화물 나노입자는 정전기적 상호작용으로 세포 막 손상 유발. 양성자 누출이 반응성 산소종 생성을 유도해 지질, 탄수화물, 핵산, 단백질 같은 유기 생체분자 손상시켜 미생물 사멸 유발.

산화알루미늄이 대장균 증식 억제 보임. 삼산화안티모니도 황색포도상구균과 바실루스 서브틸리스 미생물에 독성. 산화코발트, 산화철, 산화마그네슘, 산화아연, 이산화티타늄 등 다른 금속산화물 나노입자와 은 나노입자도 항미생물 활성 유망 결과 보임.

은 나노입자가 다른 금속 대비 탁월한 항균 특성 가집니다. 단백질과 세포 효소 티올산기와 은 이온 강한 결합이 헬스케어 직물( 마스크, 병원 커튼, 붕대, 상처 드레싱, 침대시트, 기타 의료 관련 섬유) 이상적 첨가제 만듭니다. 2015년 항미생물 분체 코팅에서 은 사용이 업계 총매출 50% 차지. 2024년까지 20억 달러 창출 전망.

다음은 무엇인가?

정부가 자가 위생 조치 강제 규범을 시행하면 항균 소재, 특히 표면 코팅 시장에서 머지않아 주요 원자재로 더 주목받을 겁니다.

게다가 건설, 식품 포장, 섬유, 곰팡이 복원, 가구, 주방용품, 자동차 등 많은 산업 응용이 글로벌 시장에서 입지를 더 강화할 것입니다.