정훈의 교수(UNIST・기계항공 및 원자력공학부), 박현하 연구원, 선가현 연구원
[더케이뷰티사이언스] 바다 속에 사는 해조류의 바늘같은 돌기 모양에서 착안해 박테리아를 비롯한 미생물이 표면에 못 달라붙게하는 ‘지질-하이드로겔 나노 바늘 하이브리드 필름’이 개발됐다. 해조류 에는 돌기가 있는데 촘촘한 미세표면과 미끈한 피막 덕분에 박테리아 같은 미생물이 달라붙지 않는다. 울산과학기술원UNIST 기계항공 및 원자력공학부의 정훈의 교수팀은 이 모양 을 본딴 ‘초강력 방오막Anti-biofilm materials’ 소재를 개발했다.
박테리아를 비롯한 미생물이 표면에 못 달라붙게하는 새로운 ‘방오(防汚, Antifouling) 소재1’는 방오 기능이 우수하면서 단단한 물질PEGDMA로 뾰족한 바늘기둥이 무수한 미세 구조를 만들고, 그 위에 친수성이 강한 소재MPC를 얇게 씌워 피막과 비슷한 수막水膜, Hydration Layer을 형성했다.
정훈의 교수는 “파래나 갈조류 같은 해조류의 표면을 보면 미세한 돌기들이 있는데, 이 구조를 본따 박테리아가 접근하면 찔려 죽는 미세표면을 만들었다”며 “그 위에 물로 형성된 얇은 막은 박테리아의 접근 자체를 어렵게 만든다”고 새로운 방오 소재의 장점을 강조했다.
방오 소재는 표면에 각종 오염물이 달라붙지 못하게 하는 물질이다. 주로 선박이나 해양시 설에서 물이 닿는 부분에 발라 해양생물의 부착을 막는데 쓰인다. 최근에는 인공관절이나 치아 임플란트 같은 의료기구에서 노폐물의 흡착을 막거나, 가습기 등의 생활기기 내부에 생기는 바이오필름Biofilm2을 방지할 기술도 연구되고 있다.
기존에는 화학물질을 표면에 바르는 방식으로 방오 처리를 했다. 그런데 박테리아가 화학 물질에 내성을 갖거나, 표면이 긁혀 손상되면 방오 기능이 떨어졌다. 또 화학물질 자체의 독성도 문제로 지적됐다. 이 대안으로 표면에 나노미터(㎚, 1㎚는 10억 분의 1m) 수준의 미세돌기를 촘촘히 세우는 기계적 방오가 주목받고 있다.
공동 제1저자인 박현하 UNIST 기계공학과 박사과정 연구원은 “자연계에는 흔하게 발견되 는 미세돌기 표면에 박테리아가 닿으면 세포벽이 손상돼 사멸한다”며 “이런 미세표면의 항균 효과는 이미 입증됐지만, 죽은 박테리아의 사체가 쌓이는 건 문제였다”고 전했다.
연구진은 나노 바늘이 촘촘한 미세표면에 해조류처럼 피막을 입히는 아이디어를 냈다. 미세 표면은 딱딱한 하이드로겔PEGDMA로 만들어 물속에서도 구조를 유지하도록 했고, 그 위에 MPC라는 분자를 얇게 씌운 것이다. MPC는 물을 잘 잡아당겨 표면 위에 수막을 형성했다.
제1저자인 선가현 UNIST 기계공학과 석・박사통합과정 연구원은 “미세표면에 찔려 죽은 박 테리아는 물에 씻기면서 방오 기능이 한층 강화된다”며 “미세표면과 피막을 통해 이중으로 방오할 수 있어 넓은 범위의 박테리아를 모두 대응할 수 있으며, 긁히거나 손상돼도 기능을 유지했다”고 말했다.
연구진은 해조류를 비롯한 해양생물의 미세표면을 추가로 연구해 방오 기능을 더욱 강화할 계획이다. 이렇게 만들어진 미세표면 기술은 선박이나 해상장비는 물론 가습기 같은 생활 가전에도 적용할 수 있다.
정훈의 교수는 “‘가습기 살균제 사건’처럼 해로운 박테리아를 없애려 살균제를 사용하는 대신 기기 표면에 새로운 방오막을 도입 가능하다”며 “이 기술을 적용하면 정수기나 에어컨 등의 생활기기를 안전하고 건강하게 사용 가능할 것”이라고 기대했다.
이번 연구는 미국화학회ACS에서 발행하는 ACS 매크로 레터스ACS Macro Letters 2019년 1월 호 표지 논문으로 출판됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부-한국연구재단의 자연모사혁신기술개발사업의 지원으로 이뤄졌다.
ABSTRACT
Despite extensive efforts toward developing antibiofilm materials, efficient prevention of biofilm formation remains challenging. Approaches based on a single strategy using either bactericidal material, antifouling coatings, or nanopatterning have shown limited performance in the prevention of biofilm formation. This study presents a hybrid strategy based on a lipid-hydrogel-nanotopography hybrid for the development of a highly efficient and durable biofilm-resistant material. The hybrid material consists of nanostructured antifouling, biocompatible polyethylene glycol-based polymer grafted with an antifouling zwitterionic polymer of 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine. Based on the unique composite nanostructures, the lipid-hydrogel-nanostructure hybrid exhibits superior dual functionalities of antifouling and bactericidal activities against Gram-negative and Gram-positive bacteria, compared with those of surfaces with simple nanostructures or antifouling coatings. Additionally, it preserves the robust antibiofilm activity even when the material is damaged under external mechanical stimuli thanks to the polymeric composite nanostructure.
연구배경
박테리아를 비롯한 미생물에 오염된 환경은 사람의 건강을 위협하는 동시에 사회・경제적으로 큰 손실을 가져온다. 우선 비위생적인 의료 환경에서 수술을 받을 경우 미생물에 감염될 우려가 있고, 더러운 농장에서 비롯된 미생물이 가축전염병을 일으켜 식탁의 건강을 위협할 수 있다. 또한 선박이나 해양 플랜트, 담수화 장치 같은 해양시설의 침수 부분에 미생물이 달라붙으면 해상활동에 나쁜 영향을 준다. 이런 문제들을 해결하기 위해 표면에 오염물이 달라붙지 못하게하는 기술을 ‘방오防汚, Antifouling 기술’이라고 한다. 박테리아 등이 표면에 달라붙으면서 만들어지는 얇은 막을 ‘바이오필름Biofilm’이라고 하는데, 방오 기술은 이것이 형성되지 않도록 다양한 방법을 활용한다. 먼저 ‘화학적 방오 기술’은 무기성 항균 소재나 항생제 같은 화학물질을 표면에 코팅하는 방법이다. 이 방법들은 항생제에 내성을 갖는 미생물의 번식에 약하고, 외부에서 힘이 주어져 긁혔을 때 지속성을 잃어버린다. 또한 금속 등의 무기물질은 생체적합성이 낮고 환경친화적이지도 못하다.
‘기계적 방오 기술’은 물체 표면에 나노미터(㎚, 1㎚는 10억 분의 1m) 수준으로 미세하고 날카로운 기둥 형상을 만드는 방법이다. 표면에 빼곡하게 솟아오른 기둥에 박테리아의 세 포벽이 닿으면 터지면서 결국 사멸하게 된다. 이 기술은 뛰어난 항균 효능으로 주목받고 있지만, 죽은 박테리아가 축적되면서 표면에 바이오필름이 더욱 빠르게 쌓이는 문제점을 안고 있다. 이 때문에 장기적이고 효과적인 방오 기술로는 미흡하다고 평가된다.
연구내용
이번 연구에서는 기계적 방오 기술을 강화해 기존의 단점을 없애는 새로운 방오 필름을 개발했다. 생체에 적합한 두 종류의 물질PEGDMA3, MPC4을 활용해, 바늘처럼 뾰족하게 튀 어나온 기둥이 무수하게 펼쳐진 표면 구조를 만든 게 특징이다. 우선 기계적 강도가 높은 PEGDMA로 나노미터 크기의 바늘이 촘촘하게 박힌 표면 구조를 만들었다. 다음으로 나노 바늘 표면 위에 사람의 피부세포막과 비슷한 물질인 MPC를 분자 단위 두께로 접목Grafting 했다. 이렇게 만들어진 ‘지질-하이드로겔 나노 바늘 하이브리드 필름(이하 나노 바늘 하 이브리드 필름)’은 기존에 비해 뛰어난 방오 기능을 수행할 수 있다. 참고로 여기서 지질은 MPC, 하이드로겔은 PEGDMA를 뜻한다. (그림1 참조)
일반적으로 하이드로겔은 물을 좋아하는 친수성이며, 물을 머금으면 팽창한다고 알려졌다. 그러나 PEGDMA는 친수성이면서도 물을 함유해도 딱딱한 성질을 유지하는 특징이 있다. 또 PEG 계열의 물질은 분자 구조의 특성상 항균 등 방오 기능이 뛰어나다고 알려졌다. 두 가지 장점 덕분에 PEGDMA로 만든 나노 바늘 구조는 물속에서도 나노 바늘 구조의 표면을 유지하며 효과적으로 방오 기능을 수행할 수 있다. MPC는 생체 이중막 인지질 구성성분 인포스파딜콜린Phosphatidylcholine의 친수성 작용기를 모사해 생체진화적이고 친환경적인 소재로 각광받고 있다. 특히 이 물질을 표면에 얇게 씌우면 높은 초친수성으로 인해 표면위에 안정적인 수막水膜, Hydration Layer을 형성해 우수한 방오 기능을 보인다고 알려졌다.
PEGDMA로 만든 나노 바늘 표면 위에 MPC를 얇게 씌워두면 물을 잡아당겨 얇은 층을 형성한다. 자연스럽게 형성된 수막은 박테리아 등이 표면에 달라붙지 못하게 만들고, 바늘 구조에 찔려 사멸한 박테리아의 사체도 쉽게 씻겨나가도록 돕는다. 기존 기계적 방오 기술의 단점을 해결한 것이다. 실제로 나노 바늘 하이브리드 필름은 그람 음성균과 그람 양성균5 에 모두 대응할 수 있어 넓은 범위의 박테리아를 모두 막을 수 있다. 또 외부의 충격으로 긁히는 등의 손상이 있어도 방오 기능을 유지했다. 기존에 방오 기술로 선보였던 PEG 소재나 MPC의 표면 코팅, PEG-MPC 복합소재를 활용한 표면 등과 비교해도 월등한 방오 효율을 입증했다. (그림4 참조)
기대효과
방오 기술 시장의 규모가 전세계적으로 증대되고 있다. 이와 동시에 환경이나 인체에 유해한 기존 방오 물질을 대체하려는 친환경 방오 기술에 대한 수요도 증가하는 추세다. 이런 가운데 새롭게 제안된 나노 바늘 하이브리드 필름은 생체적합성과 친환경성을 갖춘데다 뛰어난 방오 성능으로 주목받을 것으로 기대된다.
특히 박테리아의 오염 방지가 요구되는 가습기 같은 각종 생활기기와 의료기기에 이 기술을 적용하면 효과가 클 것으로 전망된다. 선박이나 해양 설비의 표면 등 산업 분에도 다양하게 응용 가능하며, 이에 따른 경제사회적 부가가치도 높을 것으로 보인다.
1. 새로운 소재는 지질(MPC)와 하이드로겔(PEGDMA)를 결합한 나노 바늘 하이브리드 필름이다. 논문에서는 ‘지질-하이드로 겔 나노구조 하이브리드(Lipid- Hydrogel Nanostructure Hybrids)’로 소개됐다.
2. 바이오필름(Biofilm): 미생물막(微生物膜), 생물막(生物膜)이라고도 한다. 박테리아를 비롯한 미생물의 총합으로, 표면에 세포들이 서로 들러붙은 것을 뜻한다. 해로운 박테리아나 유해세균 등도 뭉쳐져 바이오 필름을 이룰 수 있다.
3. PEGDMA: Polyethylene glycol dimethacrylate의 약자. 미세한 구멍(Porous)을 가지는 친수성 고분자인 하이드로겔의 일종이다. 하이드로겔은 생체에 적합한 물질로 알려졌으며 세포를 키우는 기판 재료로 많이 사용한다. 보통 물을 함유하면 팽 창한다고 알려졌지만 PEGDMA는 물속에서도 딱딱한 상태를 유지한다.
4. MPC: 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine의 약자. 사람의 피부세포막과 비슷한 구조를 가진 지질 분자.
5. 그람 양성균과 그람 음성균: 1884년 덴마크의 의사인 한스 크리스티안 그람이 고안한 그람 염색법(Gram staining)으로 세 균류를 구분해서 부르는 이름이 다. 대부분의 세균들은 세포벽의 구조에 따라 두 종류로 나뉘는 데, 그람 염색법에 의해 보라색으로 염색되는 세균을 그람 양성 균, 붉은색으로 염색되는 세균을 그람 음성균이라 부른다.