항균 및 항바이러스 표면 코팅 응용을 위한 식물 유래 물질을 포함한 고분자 및 고분자 복합재료의 합성, 제조 및 특성 분석

[2025 카모페어]

감염성 병원성 미생물 제어는 의료 분야, 식품 포장, 여과막을 포함한 다양한 응용 분야에서 점점 필요해지고 있다. 또한, 바이오 기반 재료의 사용은 환경적으로 지속 가능한 솔루션에 대한 적절한 예시가 될 수 있다. 본 연구에서는 식물 유래 자원을 포함한 항균 및 항바이러스성 고분자의 합성, 식물 유래 물질로부터 합성된 항균 및 항바이러스 첨가제를 포함한 고분자 복합재료의 제조, 그리고 이들 고분자와 고분자 복합재료의 특성 분석을 다뤄 위와 같은 지속 가능성에 대한 수요와 항균, 항바이러스성 고분자 코팅에 대한 수요를 함께 해결하는 것에 초점을 맞춘다.
첫 번째로, 친환경 카다놀 성분과 짧은 플루오로알킬기를 포함한 가교성, 비이온성, 항균 및 항바이러스 성능을 지닌 공중합체 시리즈를 보고한다. 이 공중합체는 메타크릴레이트 단량체들인 2-하이드록실-3-카다닐프로필 메타크릴레이트와 제미니 형1,3-비스(2,2,3,3,3-펜타플루오로프로폭시)프로판-2-일 메타크릴레이트의 라디칼 공중합을 통해 합성되었다. 항균 및 항바이러스 성능을 포함한 다양한 물적 특성들이 공중합체 내 플루오로알킬기의 함량에 따라 체계적으로 평가되었고, 카다놀에 존재하는 가교가 가능한 이중결합이 자외선 조사 후 공중합체 박막의 기계적 안정성을 높이는 것을 확인하였다. 가교된 고분자 필름은 대장균에 대한 높은 항균성과 MS2 박테리오파지에 대한 높은 항바이러스성을 나타내었다.물리적으로 안정하고, 투명한 가교 고분자 필름은 유리 기판에 코팅하거나 PTFE 몰드 위에서 분리된, 독립된 형태로도 제작 가능하면서, 인간 섬유아세포에 대한 세포 독성도 없는 것으로 밝혀졌다. 특히, 최적의 플루오로알킬 함량 (49% 몰분율) 을 포함하는 고분자 필름은 우수한 항바이러스 성능과 항균 성능, 투명성, 구조적 안정성, 낮은 세포 독성을 보여주어 앞서 언급한 다양한 응용 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
다음 주제들로는 매자나무과의 열매나 잎, 줄기, 뿌리 등에서 추출할 수 있는 베르베린 (berberine) 을 활용하여 고분자 복합재료와 고분자 제조 및 그들의 항균, 항바이러스 성능 보고에 대한 연구이다. 다양한 레진 대비 백분율 함량 (parts per hundred resin, phr) 농도의, 베르베린 유도체로부터 만들어진 항균, 항바이러스성 첨가제를 함유하고 있는 완전 바이오 기반 항미생물성 폴리락타이드 (PLA) 복합재료를 제작하였다. 베르베린 염화물은 세포막의 인지질 이중층과 상호작용이 가능한 4차 암모늄 부분으로 인하여 항균 물질로 알려져 있지만, 실제 효능은 항생제 (예) 스트렙토마이신) 대비 약 83배 이상 낮다. 그래서 베르베린 유도체의 항미생물 성능을 개선하기 위해 디메틸화 반응을 통해 하이드록실기를 도입하였고, 첨가제 함량에 따른 PLA 복합재료의 특성 변화를 분석하였다. 그 결과, PLA 대조군에 비해 첨가제 함량이 증가할수록 인장 강도가 감소했으며, 첨가제의 하이드록실기 수에 따라서도 변화가 나타났다. 베르베린 유도체 첨가제는 PLA 복합재료의 열 안정성에 영향을 미치며, 4차 암모늄 물질의 용출로 인해 두 가지 박테리아와 두 가지 바이러스 균주에 대해 높은 항균 및 항바이러스 특성을 보였다.인지질과의 뭉침 현상, RNA 비활성화 비율, 단백질 카보닐의 산화량 분석을 통해 항미생물 작용 메커니즘도 검토하였다.
마지막으로, 폴리(2-하이드록시에틸 메타크릴레이트)의 하이드록시알킬 작용기와, 친환경 물질인 베르베린으로부터 만든 4-브로모알킬 베르베린과의 친핵성 치환 반응을 통해 고분자의 측쇄에 베르베린을 포함하는 PHBB로 대표되는 일련의 공중합체 시리즈가 제조되었다. 고분자가 개질된 후, 간단한 용액 주조법을 통하여 유리 기판 위에 고분자 필름을 제작할 수 있었다. 베르베린 시작 물질 및 개질된 고분자의 화학 구조는 NMR로 분석되었으며, 치환 정도에 따른 개질된 고분자의 열적 특성을 시차 주사 열량계 (DSC), 열 중량 분석법 (TGA) 등으로 확인하였고, 표면 특성도 확인하였다. 치환 정도에 따른 포도상구균에 대한 항균 특성도 확인되었다. 특히, 44% 몰분율의 작용기가 베르베린으로 치환된 고분자는 여러 번 반복 실험 이후에도 92% 이상의 항균 성능을 나타내었다. 베르베린을 활용한 연구들을 톺아보면 항균과 항바이러스, 항암 성능 등을 부여하기 위하여 개질된 베르베린 화합물의 단분자로서의 사용이 주 흐름인 상황에서, 본 연구는 표면 코팅 재료로서 베르베린이 결합된 고분자의 사용을 최초로 설명한다. 본 연구에서 개발한 식물 유래 물질 및 바이오 기반 자원을 포함하는 고분자와 고분자 복합재료는 뛰어난 항균, 항바이러스 성능 및 추가적인 물적 특성과 안정적인 표면 구성 특성 덕분에 음식 포장재, 의료 기기, 개인 보호 장비 등 다양한 분야에 중요한 통찰을 제공할 수 있을 것이다.

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