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항균물질로 응용을 위한 은 나노 입자의 합성: 친환경 전문 기술
항균물질로 응용을 위한 은 나노 입자의 합성: 친환경 전문 기술 저자 양지윤 (고려대학교 생명과학과)
등록일 2017.03.16
자료번호 BRIC VIEW 2017-R09
조회 1312  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
금속 나노 입자는 의료분야를 포함한 공학과 더불어 과학의 여러 방면에서 활용되어 왔으며, 이를 새로운 측면에서 연구하고자 하는 과학자들에게 여전히 매력있는 물질이다. 또한 항균물질로써 가치로 전도가 유망한 연구라 입증되었다. 몇몇 귀금속 나노 입자들 중에서도 은 나노 입자는 특별한 관심을 얻었다. 일반적으로 은 나노 입자는 환원제로서 화학적 방법으로 합성되며, 이후에 일반적인 독성으로 인하여 다양한 생물학적 위험이 있어 환경 친화적인 프로세스 개발에 관심을 불러 일으켰다. 따라서, 목적을 해결하기 위해 생물학적 접근이 등장하고 있다. 예를 들어 생체 분자물질을 활용한 친환경적 합성은 화학 및/또는 생물학적 방법에 비해 우수성을 보이는 추출물 형태의 식물자원으로부터 유도된다. 이러한 식물 기반의 생물학적 분자는 금속 나노 입자 합성에 적합한 형태로 만들기 위해 고도로 제어된다. 본 리뷰는 기존보다 친환경적 원리를 이용한 신속하고 단일 단계의 프로토콜로 활용될 폭넓은 식물의 다양성을 탐구하고 은 나노 입자의 항균 활성을 기술한다.
키워드: Silver nanoparticles, Plant extract, Green synthesis, Antimicrobial
분야: Plant Science, Biotechnology
본 자료는 A review on plants extract mediated synthesis of silver nanoparticles for antimicrobial applications: A green expertise. J. Adv. Res. 2016; 7: pp. 17-28의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목차

1. 서론
2. 식물 추출을 이용하여 은 나노 입자의 친환경 합성
3. 은 나노 입자의 응용
4. 은 나노 입자의 항균성과 메커니즘
5. 결론


1. 서론

나노 기술은 약 1-100 nm 크기의 입자 구조를 합성, 전략 및 조작하는 현대 연구의 중요한 분야입니다. 이 크기 범위 내에서 모든 속성(화학적, 물리적 및 생물학적)은 개별적인 원자/분자와 그에 상응하는 벌크의 기본적인 방식으로 변하게 한다. 나노 입자 및 나노 물질의 새로운 응용 분야는 크기, 분포 및 형태에 따라 완전히 새롭거나 향상된 특성으로 인해 다양한 분야에서 빠르게 성장하고 있다. 의료 서비스, 화장품, 생체의학, 식품 및 사료, 약물-유전자 전달, 환경, 건강, 기계, 광학, 화학 산업, 전자, 우주 산업, 에너지 과학, 촉매 작용, 산광기, 단일 전자 트랜지스터, 비선형 광학 장치 및 광전기 응용 분야에 사용된다. 이러한 확장된 기술의 엄청난 성장으로 인해 응용 분야와 새로운 기본 요소가 탄생했다. 여기에는 설명하기 힘든 물리·화학적 특성과 광전자적 특성을 연구하거나 활용할 때 나노 크기 물질이 생산된다.

나노 입자는 앞서 언급한 모든 목적에 사용되었는데, 금속이온, 항생제 및 내성 균주 개발에 대한 미생물의 내성 증가로 인해 큰 표면적 대 부피비로 인해 뛰어난 항균성을 갖는 금속성 나노 입자가 가장 유망한 물질로 여겨졌다. 모든 귀금속 나노 입자 중에서 은 나노 입자는 화학적 안정성, 우수한 전도성, 촉매 및 화학적 특성과 같은 고유한 특성으로 인해 무한한 관심을 얻은 물질이다. 게다가 복합 섬유, 극저온 초전도 재료, 화장품, 식품 산업 및 전자 부품에 첨가할 수 있는 항염증 활성 이외에 항균성, 항바이러스성, 항균성을 지니고 있다. 생의학 분야에서는 소독제로서 화상치료제, 국부성 마취제, 소독 스프레이 및 직물에 첨가하여 단세포 막의 파괴를 통해 미생물에 대해 광범위한 살균 효과를 나타내어 효소 활성을 방해한다.

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그림 1. 은 나노 입자 합성의 다른 접근 방식



은 나노 입자의 합성은 응용 분야가 광범위하여 과학계에서 많은 관심을 불러 일으키고 있다. 이러한 은 나노 입자는 암 진단과 치료에도 성공적으로 사용되고 있다. 일반적으로, 나노 입자는 다양한 생물학적 위험 요소인 독성 및 위험한 화학 물질을 사용하기 때문에 환경적에 잠재적으로 위험하고 매우 비싼 다양한 화학적 및 물리적인 방법에 의해 제조된다. 나노 입자의 합성을 위한 생물학적 영감을 받은 실험 과정의 개발은 나노 기술의 중요한 분야 중 하나로 발전하고 있다. 일반적으로 은 나노 입자의 합성에는 두 가지 접근 방식이 있는데, “Top to bottom (위에서 아래로의 접근 방식)” 또는 “bottom to up(아래에서 위로 접근 방식)” 이다(그림 1).

Bottom-top 접근에서, 나노 입자는 그림 2의 (a)와 같이 나노 크기의 입자로 성장하는 새로운 핵에 원자를 자기 조립함으로써 화학적 및 생물학적 방법을 사용하여 합성할 수 있다. Top-bottom 측면에서 적절한 벌크 재료는 다양한 리소그래피 기술을 사용하여 크기 감소에 의해 미세 입자로 분해된다. 예를 들어, 연삭, 밀링, 스퍼터링 및 열/레이저 절삭 등이 해당된다(그림 1 및 2b).

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그림 2. 나노 입자 합성에 사용되는 프로토콜.
(a) bottom to top approach 및 (b) top to bottom approach.



Bottom-top 접근에서 화학적 환원은 은 나노 입자의 합성을 위한 가장 일반적인 방법이다. Sodium borohydride (NaBH4), sodium citrate, ascorbate, elemental hydrogen, Tollen’s reagent. N, N-dimethyl formamide (DMF) 및 poly (ethylene glycol) block copolymer와 같은 다양한 유기 및 무기 환원제가 은 이온(Ag+) 수용액 또는 비수용액의 환원을 위해 사용된다. 또한 캡핑제는 나노 입자의 크기 안정화에 사용된다. 이러한 방법의 가장 큰 장점 중 하나는 짧은 시간 내에 다량의 나노 입자를 합성할 수 있다는 점이다. 이러한 합성 유형 과정에 사용된 화학 물질은 독성물질이며 친환경적이지 않은 부산물을 발생시킨다. 이것은 독성 화학 물질을 사용하지 않는 녹색 경로(green route)를 통해 나노 입자의 생합성을 유도하는 원인이 될 수 있으며, 이러한 이유로 환경 친화적인 공정을 개발하기를 원하고 있다. 따라서, 나노 입자의 녹색 합성 개발은 나노 기술의 핵심적인 부분으로 진행되고 있다. 나노 입자 합성을 위한 미생물, 식물 추출물 또는 식물 바이오 매스와 같은 생물학적 개체의 사용은 환경 친화적인 방식으로 화학 및 물리학적 방법의 대안이 될 수 있다.

Top-bottom 접근의 경우, 나노 입자는 일반적으로 대기압에서 튜브로(tube furnace)를 사용하여 증발-응축에 의해 합성된다. 이 방법에서는 기초 소재가 퍼니스의 중심에 위치할 때 이동 가스(carrier gas)로 기화된다. Ag, Au, PbS 및 fullerene 나노 입자는 이전에 증발/응축 기술을 사용하여 합성되었다. 튜브로를 사용하는 은 나노 입자의 합성 방법은 넓은 공간을 차지하고 많은 양의 에너지를 소비하면서 원료 물질 주변의 환경 온도를 높이고 열 안정성을 유지하는데 많은 시간을 필요로 하기 때문에 여러 가지 단점이 있다. 게다가 통상적인 튜브로는 수 킬로와트 이상을 소비하는 전력 및 안정적인 작동 온도를 얻기 위해 수십 분의 예열 시간을 필요로 한다. 또한 이 방법의 가장 큰 한계 중 하나는 물질 표면 구조에 결함 및 나노 입자의 다른 물리적 특성이 표면 화학에 관하여 표면 구조에 크게 의존한다는 것이다.

그 방법이 무엇이든 간에, 일반적으로 화학적 방법은 합성 과정에서 화학 오염 또는 일정한 제한이 있다고 결론지어진다. 하지만 일상생활에서 점점 커지는 응용은 부정할 수 없다. 예를 들어, “귀금속 나노 입자”는 의학 분야를 포함한 과학 및 기술 분야의 모든 측면에서 최첨단 유틸리티를 향해 연구하고 있으므로 무시할 수는 없다. 약용 및 항균 효과로 인해 은 나노 입자는 의류, 의약품 및 화장품을 포함한 200여개 이상의 소비재에 사용되었다. 이와 같이 은 나노 입자의 광범위한 활용 분야를 계속 개발하기 위해 화학자, 물리학자, 재료학자, 생물학자 및 의사/약리학자들이 다양한 연구를 하고 있으며, 모든 연구원은 비용 효율이 높을 뿐만 아니라 환경 친화적인 합성 경로로서의 대안을 강조해야 한다. 심미적인 관점에서 볼 때, 녹색 합성은 그 자체를 핵심 절차로서 렌더링 하고 그 잠재성을 맨 위에 증명한다.

화학 및 물리적인 방법을 통한 녹색 합성의 개발은 환경 친화적이고 비용이 효과적이며 나노 입자의 대량 합성을 위해 쉽게 스케일 업 될 뿐만 아니라, 고온, 압력, 에너지 및 유독성 화학물질을 사용할 필요가 없다. 박테리아, 곰팡이 및 식물을 포함한 미생물을 이용하여 은 나노 입자의 생물학적 합성에 관한 많은 연구가 발표되었다. 이는 각각의 나노 입자에서 금속 화합물의 환원을 담당하는 항산화제 또는 환원성 특성 때문이다. 비록 은 나노 입자 합성의 다양한 생물학적 방법 중, 미생물 매개 합성은 고도의 무균 조건 및 유지 관리의 요구로 인해 산업적 타당성이 없다. 따라서, 은 나노 입자의 합성을 위한 식물 추출물의 사용은 세포 배양을 유지하는 생물학적 위험성이 적고 정교한 과정으로 인해 미생물보다 잠재적으로 유리한 것으로 나타났다. 은 나노 입자의 안정화를 위한 천연 캡핑제뿐만 아니라 독성물질로부터 자유로운 나노 입자 합성을 위한 최고의 플랫폼이다. 또한, 식물 추출물의 사용은 미생물을 이용한 나노 입자 합성 방법에 비해 비용이 적게 들며, 미생물 분리 및 배양 배지의 비용을 감소시킨다. 따라서 환경 친화적이고, 비용 효과적이며 특히 살균 활성 등 다양한 응용 분야에서 보다 효과적인 물리·화학적 방법을 제공하는 은 나노 입자의 생체모방 합성에 대한 리뷰를 작성하였다.

2. 식물 추출을 이용하여 은 나노 입자의 친환경 합성

은 나노 입자의 생산 조립체로써 식물 사용은 신속하고, 친환경적이고, 비병원성이며, 경제적인 프로토콜 및 생합성 공정을 위한 단일 단계 기술을 제공하기 때문에 주목을 끌고 있다. 식물 추출물에서 이미 규명된 단백질, 아미노산, 효소, 다당류, 알카로이드, 탄닌, 페놀릭, 사포닌, 테르피노이드 및 비타민과 같은 생체 분자의 결합에 의한 은이온의 환원 및 안정화는 약용 가치가 있으며, 아직 화학적으로 복잡한 구조를 이룬다. 많은 수의 식물이 은 나노 입자 합성을 가능하게 하는 것으로 보고되었고(표 1), 제시된 리뷰에서 간략하게 논의했다.

표 1. 식물 추출물을 이용한 연구들에서 은 나노 입자의 찬환경적 합성
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나노 입자 합성을 위한 프로토콜은 다음과 같다. 관심 식물의 일부분을 채취한 다음 수돗물로 2회~3회 씻어서 기생균과 괴사성 식물을 제거한다. 그 다음 멸균된 증류수를 사용하여 이물질을 제거한다. 재료를 10-15일간 그늘에서 건조시킨 후 가정용 블렌더를 사용하여 분쇄한다. 식물성 배지를 제조하기 위해서는 약 10 g의 건조된 파우더를 100 mL 증류수와 함께 끓인다(고온 퍼컬레이션 방법). 생성된 침체를 부용에 불용성 물질이 나타나지 않을 때까지 여과한다. 10-3 M AgNO3 용액에 몇 mL의 식물 추출물을 가하면 순수한 Ag(Ⅰ)이온이 Ag(0)로 환원되며, 이는 일정한 간격으로 용액의 UV-visivle 스펙트럼을 측정하여 모니터 할 수 있다.

은 나노 입자의 제조를 위해 방대한 식물군이 이용되었다. 여러 식물들의 같은 부위를 이용하였다. Alternanthera dentate 수용 추출액을 이용하여 50-100 nm의 크기를 갖는 구형의 은 나노 입자를 친환경적으로 합성하였다. 이 추출물에 의한 은 이온의 은 나노 입자로의 환원은 10분 이내로 완료되었다. 수용 잎 추출물에 의한 세포 외 은 나노 입자 합성은 화학 및 미생물학적 방법과 비교하여 빠르고 간단하며, 경제적인 공정으로 진행하였다. 이 은 나노 입자는 녹농균(pseudomonas aeruginosa), 대장균(Escherichia coli), 클렙시엘라 뉴모니아(Klebsiella pneumonia) 및 엔테로코커스 피컬(Enterococcus faecal)에 대한 항균 활성을 나타냈다. 창포(Acorus calamus)는 항산화, 항박테리아 및 항암 효과를 평가하기 위해 은 나노 입자의 합성에도 사용되었다. 레드호그위드(Boerhaavia diffusa) 식물 추출물은 은 나노 입자의 친환경 합성을 위한 환원제로 사용되었다. XRD 및 TEM 분석 결과, 구형의 면심입방(fcc) 구조를 갖는 은 나노 입자의 평균 입자 크기가 25 nm임을 알 수 있었다. 이 나노 입자들로 3종의 어류 세균성 병원균에 대한 항균활성을 시험하였다. 슈도모나스 플루오레센스(Pseudomonas fluorescens), 아에로모나스 하이드로필라(Aeromonas hydrophila)와 플라보박테리아 브란키오피륨(Flavobacterium branchiophilum)으로 분류되었으며 다른 두 균과 비교하여 F. Branchiophilumin에 대해 가장 높은 민감도를 보였다.

비교적 높은 수준의 스테로이드, 사포닌, 탄수화물 및 플라보노이드는 환원제로써 작용하며, 은 나노 입자에 안정성을 제공하는 캡핑제 역할의 식물 성분이다. 합성된 나노 입자는 평균 크기가 7-17 nm이며 구형이다. 이들 나노 입자는 XRD로 분석한 결과 면심입방 구조를 가진 결정체이다. 차를 캡핑제로 사용함으로써 결정 구조를 갖는 20-90 nm 은 나노 입자가 합성되었다. 반응 온도와 차 추출물의 양은 나노 입자의 생산 효율과 생성 속도에 영향을 주었다. 구형의 은 나노 입자의 크기는 TEM으로 관찰한 결과 5-20 nm 범위이다. 인큐베이션 기간 동안 추출물의 농도가 증가함에 따라 은 나노 입자는 염습지 식물인 Sesuvium portulacastrum L.의 캘러스 추출물과 함께 황갈색으로 색이 점차적으로 변화하는 것을 보였다. 은 나노 입자를 합성하기 위해 식물체의 말린 과일 추출물인 Tribulus terrestris L.를 질산은과 혼합하였다. 스트렙토코커스 피요젠스(Streptococcus pyogens), 녹농균(Pseudomonas aeruginosa), 고초균(Bacillus subtilis), 대장균(Escherichia coli) 및 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)와 같은 다제내성세균(multi-drug resistant bacteria)에 대한 항균성을 갖는 추출물을 Kirby-Bauer 방법으로 16-28 nm 크기의 구형 은 나노 입자를 얻었다. 에틸아세테이트와 메탄올(EA:M=40:60의 비율)에서 Cocous nucifera 추출물을 사용하여 22 nm 크기의 은 나노 입자를 합성하였다. 이는 인간 세균성 병원균에 대해 항균활성을 보이며, 파라티푸스균(Salmonella paratyphi), 폐렴구균(Klebsiella pneumoniae), 고초균(Bacillus subtilis) 및 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)가 있다.

Abutilon indicum의 추출물을 사용하여 안정된 구형의 은 나노 입자가 합성되었다. 이러한 나노 입자는 살모넬라 타이피(S. typhi), 대장균(E. coli), 포도상구균(S. aureus) 및 고초균(B. substilus) 미생물에 대해 높은 항균활성을 보인다. 은 나노 입자를 제조하기 위해 ziziphoratenuior 나뭇잎을 사용하였으며, 이 나노 입자를 특성화하기 위해 다양한 기술이 사용되었다. 투과전자현미경 (Transmission electron microscopy, TEM) 분석 결과, 이 나노 입자는 8-40 nm 크기의 구형으로 균일한 분포를 보였으며, FTIR 분광기술를 통해 1차 아민기, 카르보닐기, 수산기 및 다른 안정화된 작용기를 가진 생체 분자로 작용하는 것으로 보여진다.

최근 연구를 보면, 이들 나노 입자는 Ficuscarica 잎 추출물의 수용성 혼합물을 사용하여 합성되었다. 5 mM 질산은 수용액을 37℃에서 3시간 동안 인큐베이션하여 은 나노 입자를 제조하였다. 인도원산지이며 다른 열대 및 아열대 국가에서 재배된 Cymbopogan citratus (DC) stapf (일반적으로 레몬 그라스라고도 함)는 P. aeruginosa, P. mirabilis, E. coli, Shigella flexaneri, S. SomeneiKlebsiella pneumonia에 강한 항균효과를 나타냈다.

은 나노 입자는 Acalypha indica의 잎 추출물을 이용하여 Krishnataj의 방법으로 30분 이내에 합성되었다. 다양한 농도의 AgNO3로 안정한 은 나노 입자를 합성하였으며 직경이 15-50 nm인 구형 입자가 만들어졌다. 나노 스케일의 연구를 보다 친환경적으로 수행하기 위해, 식품 가공산업의 일반적인 부산물인 오렌지 껍질(Citrussinensis)의 환원력을 이용하여 폴리머 생체 모방 템플레이트인 친환경 은 나노 입자를 제조하는 것으로 보고되었다. TEM 이미지로 3-12 nm 크기의 잘 분산된 구형입자를 확인하였다. 은 나노 입자 중 가장 큰 입자의 직경이 6 nm임이 흥미롭다. Dwivedi는 잡초인 명아주(Chenopodium album)를 이용하여 은 나노 입자를 쉽고 빠르게 생합성하는 방법을 고안했다. 잎 추출물을 제조하여 10-30 nm 범위의 크기를 갖는 은 나노 입자 및 금 나노 입자를 성공적으로 합성하였다. 구형 나노 입자는 TEM 영상을 통해 추론한 바, 잎 추출물이 고농도일 때 더 많은 구형의 나노 입자가 관찰되었다.

은 나노 입자는 Prathna에 의해 제안된 방법인 Azadirachta indica 잎 추출 수용액에 질산은 용액의 환원에 의해 합성되며 10-35 nm 의 크기로 조사되었다. 콜로이드성은 나노 입자는 질산은 수용액과 Hevea brasilensis로부터 추출한 천연 고무 라텍스에 열처리를 하여 쉬운 친환경 방법으로 합성되었다. 합성된 은 나노 입자는 2-10 nm 범위의 직경을 나타내었고 구형의 면심입방(fcc) 결정 구조를 가졌다.

3. 은 나노 입자의 응용

항균특성으로 인해, 은 나노 입자는 보건 산업, 식품저장, 섬유 코팅 및 여러 응용 분야에서 널리 사용되었다. 수십 년 동안의 사용에도 불구하고 은의 독성에 대한 증거는 아직 명확하지 않다는 점에서 유의해야 한다. 은 나노 입자로 제조한 제품은 US FDA, US EPA, Korea’s Testing, 일본의 SIAA 및 화학 산업 연구소와 FITI 시험 및 연구소와 같은 공인된 기관의 승인을 받았다. 또한 은 나노 입자의 항균성은 의약품과 가정에서 모두 이용되고 있다. Silver sulfadiazine 크림은 화상 위치에 감염을 예방하기 위해 사용하며, 어느 기기 회사에서는 세탁기 제조 시 은을 첨가한다. 현재 나노 기술의 분야가 확장됨에 따라 은이 다양하게 이용되고 있으며, 아기 젖꼭지, 여드름 크림, 컴퓨터의 키보드, 탈취 스프레이뿐만 아니라 채취 방출을 막는 의류(예를 들어 양말과 운동복)를 포함한 많은 소비자 제품이 그 예이다.

은 나노 입자와 그 복합체가 염료 환원 및 제거 영역에서 더 큰 촉매활성을 보이는 것은 잘 알려진 사실이다. Kundu는 은 나노 입자 존재 하에 아르신에 의한 메틸렌 불루의 환원을 연구하였다. Mallick는 phenosafranine 염료의 환원반응에서 나노 입자의 촉매활성을 연구하였다. 2004년에 발표된 Sondi는 항균제로서 은 나노 입자를 사용하였으며, 은 나노 입자가 도포된 한천배지와 LB 배지에서의 E. coli를 배양하며 관찰하였다. 단일 은 나노 입자를 이용하여 살아있는 미생물 세포(P. aeruginosa)에서 실시간으로 멤브레인의 이동을 관찰하였다. 나노스피어 리소그래피에 의해 제조된 삼각형의 은 나노 입자는 민감하고 선택적인 나노 스케일의 친화성 바이오 센서로서 기능을 한다. 이러한 나노 센서는 많은 컬러 기반 바이오 센서 어플리케이션의 기본 원리인 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR) 분광기의 다른 바람직한 특징을 모두 보유하고 있으며 나노 입자의 크기와 모양을 변화시킴으로써 나노 센서는 적어도 두 가지 고유한 특성을 가지고 있다: (ⅰ) 굴절 감도 및 (ⅱ) 국부 전자기장의 특성 감쇠 길이에 의해 결정되는 단거리, 감지길이 스케일. 이 두 가지 요소가 결합되어 ~100-1000 pg/mm2의 질량 감도 영역을 만들어 내는데, 이것은 전파되는 SPR 감도의 100배에 해당한다.

친환경 방법으로 합성된 은 나노 입자는 병원성 미생물을 제어뿐만 아니라 생물학적 응용도 가능하다 보고되었다. 한 연구에서는 은 나노 입자를 필발(Piper longum)과일 추출액로 합성하였다. 필발의 과일 추출액을 친환경 방법으로 합성한 은 나노 입자는 in vitro 항산화 분석법에서 강력한 항산화 특성을 보였다. 녹말로 코팅된 은 나노 입자의 독성을 정상 인간 폐 섬유 아세포(IMR-90) 및 인간 아교 모세포종 세포(U251)를 사용하여 연구하였다. 독성은 세포의 형태, 세포 생존능, 대사 활동 및 산화 스트레스의 변화를 관찰하여 평가하였다. 이러한 나노 입자는 미토콘드리아에 손상을 야기하는 세포의 ATP 함량을 생산하며 의존적으로 활성 산소(reactive oxygen species, ROS)의 생산량을 증가시켰다. 단세포 겔 전기영동(single cell gel electrophoresis, SCGE)과 cytokinesis blocked micronucleus assay (CBMN)에 의해 측정된 DNA 손상도 또한 용량 의존적이고 암세포에서는 더 두드러졌다. 나노 실버 기반의 도체의 고주파 전기적 거동은 최대 220 GHz였다. 은 나노 입자는 세포 독성이 없는 농도에서 HIV-1에 대한 항바이러스 활성을 보이는 것으로 증명되었지만, HIV 억제 활성의 기전에 대해서는 아직 완전히 밝혀지지 않았다. 이러한 은 나노 입자는 다양한 in vitro assay를 사용하여 HIV-1에 대한 항바이러스 작용 기전을 설명하기 위해 사용되었다. 이처럼 다양한 연구는 SNP 검출 유전자 발현 프로파일 및 바이오마커 특성을 포함한 향상된 생체분자 진단을 제공하는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 전략은 핵산, DNA 또는 RNA 및 기존의 기술과 비교했을 때 증가된 속도에서 단백질의 단일 분자 특성화에 사용될 수 있는 나노 스케일 장치 및 플랫폼의 개발에 중점을 두고 있다.

4. 은 나노 입자의 항균성과 메커니즘

은 금속은 각각 다른 목적으로 세계 전역에서 널리 사용되었다. 보통 보석, 장식 및 고급 칼 등을 제작할 때 은을 사용한다. 보석, 용기 및 커트러리와 같은 은은 사용자에게 건강상의 이익을 주는 것으로 알려졌다. 예를 들어 페니키아인들은 미생물의 오염을 막기 위해 우유병을 은으로 코팅하여 천연 항균제로 사용한 오랜 역사를 가지고 있다. 은은 그람 음성균과 그람 양성균, 곰팡이 또는 바이러스와 같은 650종 이상의 미생물에 대해 항균작용을 하는 것으로 널리 알려있다. 최근에는 금속을 은 나노 입자 형태로 사용할 방법을 찾고 있다. 고대 인도의 의료시스템(Ayurveda)에서는 은이 많은 질병의 치료제로 사용되었다. 1884년 출산하는 동안 Neisseria 임질에 감염된 어머니로부터 전염되는 것을 막기 위해 신생아의 눈에 질산은 수용액을 투여하는 것이 일반적인 관행이 되었다. 항균성을 지닌 모든 금속 중에서 은이 가장 효과적인 항균 작용을 나타내며, 동물 세포에 독성이 가장 적은 것으로 나타났다. 은은 제 1차 세계대전 중 부상당한 병사들의 상처에서 미생물이 생장하는 것을 막기 위해 일반적으로 치료에 사용되었다. 이와 같은 은의 의학적 특성은 2000년 이상 알려져 왔다. 은은 일반적으로 항균효과를 유도하기 위해 질산염 형태로 사용되지만 은 나노 입자가 사용되는 경우 미생물이 노출될 수 있는 표면적이 크게 증가한다. 식물 추출물을 사용하여 합성된 은 나노 입자는 다른 미생물에 대한 항균활성을 분석하는데 사용되기도 하였다(표 2).

은 나노 입자에 의한 항균 또는 독성 작용의 정확한 메커니즘은 여전히 연구되고 있으며 논쟁의 여지가 있다. Ag 이온의 양전하가 항균활성에 중요하다. 은이 항균성을 갖기 위해서는 이온화된 형태여야 한다. 이온화된 형태에서 은은 불활성이지만 수분과 접촉하여 은 이온을 방출한다. Ag+ 이온은 핵산과 복합체를 형성할 수 있고 핵산의 인산기보다는 뉴클레오시드와 우선적으로 상호작용할 수 있다. 따라서, 항균활성을 보이는 모든 형태의 은 또는 은을 함유한 화합물은 하나 또는 은 이온(Ag+)의 다른 공급원에 있는데, 은 이온은 물질에 포함될 수 있고, silver sulfadiazine과 같이 시간이 지남에 따라 천천히 방출되거나 은 나노 입자와 같이 은의 단단한 표면에서 이온화 될 수 있다. 양전하를 띤 나노 입자와 음전하를 띤 박테리아 세포 사이의 정전 인력을 보여주는 몇 가지 문헌이 있으며, 가장 적합한 살균제로 제안되었다. 이러한 나노 입자는 막 내부에 축적되어 세포 내로 침투하여 세포벽이나 세포막에 손상을 줄 수 있다. 은 원자가 thiol(-SH)기를 함유 화합물과 안정한 S-Ag 결합을 형성하는 효소의 thiol기에 결합한 다음, trans membrane에 에너지 발생 및 이온수송과 관련된 세포막에서 효소의 불활성화를 일으키는 것으로 생각된다. Ag(Ⅰ) 이온이 세포로 들어가서 퓨린과 피리미딘 염기쌍 사이에 삽입되어 두 개의 역평행 가닥 사이의 수소결합을 파괴하고 DNA 분자를 변성시킨다. 박테리아 세포 용해는 항균성의 원인 중 하나일 수 있다. 나노 입자는 박테리아 펩타이드의 phosphotyrosine 프로파일을 조절하여 신호전달에 영향을 미치고 미생물의 성장을 억제한다. 항균효과는 의존적이며 박테리아에 의한 항생제 저항성과 무관하다. 은 나노 입자로 처리된 대장균(E. coli) 세포는 세포의 투과성과 사망률의 증가를 초래하는 박테리아 막에 축적되는 것으로 밝혀졌다.

표 2. 식물 추출물을 이용하여 합성된 은 나노 입자의 항균활성
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- 은 나노 입자의 항균성은 다음에 의해 좌우된다; (1) 크기 및 환경 조건 - 크기, pH, 이온 강도 (2) 캡핑제

그람 양성균은 그람 음성균보다 Ag+에 덜 민감하다. 이것은 그람 양성 박테리아 세포벽은 펩티도글리칸 분자로 이루어져 있으며, 그람 음성 박테리아보다 더 많은 펩티도 글리칸을 가지고 있기 때문이다. 그람 양성균의 세포벽이 두꺼울수록 펩티도글리칸이 음전하를 띠고 은 이온이 양전하를 띠게 되므로 더 많은 은이 그람 음성 세균보다 그람 양성균의 펩티도글리에 의해 붙어 있을지도 모른다. 그람 양성 박테리아의 감소된 부채는 그람 양서균의 세포벽이 그람 음성 박테리아의 세포벽보다 두껍다는 사실에 의해서도 쉽게 설명될 수 있다. 효소 및 DNA와 같은 생물학적 거대 분자를 가진 은 분자가 전자 방출 메커니즘 또는 자유 라디칼 생성을 통해 흡착하는 것을 포함하는 다른 메커니즘이 제안되었다. 은 나노 입자에 의해 유도된 것으로 보이는 세포벽 합성의 억제와 단백질 합성은 엔빌로프 단백질(envelope protein) 전구체의 측적 또는 외막의 불안정화의 증거가 있는 단백질 유전정보 자료를 가진 일부 문헌에 의해 제안되었으며, 결국 ATP 누수가 발생한다. 나노 실버는 Aspergillus, CandidaSaccharomyces와 같은 속을 포함한 광범위한 곰팡이균에 대한 효과적이고 신속한 살균제이다.

항원불연속변이 및/또는 변이로 인한 다중 내성 병원균은 현재의 약물로는 효과적으로 관리되지 않는다. 병원균에 의한 약물 저항성은 공중 보건에 있어 중요한 문제가 되었고, 새로운 살균제 및 바이러스 박멸제 개발에 대한 강한 요구가 있다. 은은 방부제 및 소독제로 오래 사용되어 바이러스, 박테리아 및 곰팡이와 같은 미생물의 당단백질/단백질 함량의 이황화 결합과 상호작용할 수 있다. 은 나노 입자와 은 이온은 모두 이황화 결합을 방해하고 미생물의 기능을 차단함으로써 단백질의 3차원 구조를 변화시킬 수 있다. 화학 및 물리적 방법의 녹색 합성은 비용이 효율적이고 환경 친화적이며 대용량 합성을 위해 쉽게 확장되고, 높은 에너지, 압력, 온도 및 독성 화학 물질을 사용할 필요가 없다는 것이다. 박테리아, 곰팡이, 식물 추출물 및 효소와 같은 환경 친화적인 물질을 은 나노 입자의 합성에 사용하면 합성 프로토콜에 독성 화학 물질을 사용하지 않으므로 제약 및 기타생물 의학 응용 분야에 환경 친화적이며 다양한 호환성을 제공한다. 이러한 단점은 나노 입자 합성을 위한 양성 및 녹색 경로를 탐구하기 위한 문을 열었던 새롭고 세련된 방법의 사용을 주장했다(그림 3).

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그림 3. 식물 추출물을 이용하여 은 나노 입자를 합성하는 방법



5. 결론

자연은 가장 효율적으로 소형화된 기능성 소재를 만드는 우아하고 독창적인 방법을 가지고 있다. 친환경 화학에 대한 인식 증가와 금속 나노 입자의 합성을 위한 친환경적 경로의 사용은 환경 친화적인 기술개발의 필요성을 이끌어 낸다. 식물의 추출물을 이용한 은 나노 입자 합성의 장점은 경제적이며 에너지 효율적이고 비용이 효과적이라는 것이다. 또한 쾌적한 작업 환경을 제공하고 인간의 건강과 환경을 보호하여 안전한 제품을 제공한다. 친환경적으로 합성된 은 나노 입자는 타의 추종을 불허하는 응용을 통해 나노 기술의 중요한 측면을 차지하고 있다. 식물을 이용하는 나노 입자 합성은 미생물을 이용한 시간 소모적인 과정을 극복할 수 있다. 따라서 이처럼 합성을 위해 식물의 추출물을 사용하는 것은 앞으로 수십 년 동안 엄청난 영향을 줄 수 있다.

이미 논의된 바와 같이 식물 추출물을 이용한 은 나노 입자의 합성에 관한 많은 연구가 발표되었다. 아직 연구되지 않은 은 나노 입자를 개발하기 위한 자연 환원 성분의 허용량을 찾기 위해 상업적으로 실행이 가능하고 경제적이며 환경 친화적인 경로가 여전히 필요하다. 같은 종의 식물 추출물이 세계 여러 곳에서 수집될 때 화학 성분에 상당한 변화가 있으며, 다른 실험실에서 실험할 경우 다른 결과를 초래할 수 있다. 이 같은 사실은 식물 추출물을 환원제 및 안정제로 사용하는 은 나노 입자 합성의 주요 단점이며 이 문제를 해결할 필요가 있다. 이러한 문제를 극복하기 위한 신속한 단일단계 프로토콜을 위한 나노 입자 생산을 매개하는 식물에 존재하는 생체분자를 식별하는 것은 은 나노 입자의 친환경 합성에 대한 새로운 전환점을 제공할 수 있다.

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양지윤(2017). 항균물질로 응용을 위한 은 나노 입자의 합성: 친환경 전문 기술. BRIC View 2017-R09. Available from http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=2701 (Mar 16, 2017)
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