무기바인더를 이용한 천연추출물 코팅 항균성 공기 필터 소재 개발

Abstract

항균성 공기 필터는 공기 중 오염 입자뿐만 아니라 바이오에어로졸로 인한 2차 오염의 위험으로부터 보호하기 위해 필요하다. 공기 필터에 사용되는 유해한 화학물질을 대체하기 위한 항균제로 티트리 오일, 로즈마리, 마늘 추출물을 선정 하였다. Micrococcus luteus와 Escherichia coli를 대표 그람 양성, 음성 균으로 사용하여 항균 활성을 측정하였다. E. coli에 대한 MIC50 값은 티트리 오일 1.62 mg/ml, 로즈마리 추출물 224 mg/ml, 마늘 추출물 405 mg/ml로 각각 나타났으며, M. luteus에 대한 MIC50 값은 티트리 오일 2.06 mg/ml, 로즈마리 추출물 181 mg/ml, 마늘 추출물 419 mg/ml로 각각 나타났다. 티트리 오일의 항균 활성은 배양 기간 동안 변화가 없었으나 로즈마리와 마늘 추출물의 경우 시간이 경과함에 따라 항균 활성이 약해졌다. 세 가지 천연 식물 추출물과 silicate polymer를 혼합하여 코팅액을 제조하였으며 필터 소재(polyethylene terephthalate, PET)표면에 스프레이 코팅을 진행하였다. 코팅 후 필터의 코팅층을 분석하기 위해 XPS와 SEM, EDS mapping을 진행하였다. 코팅 전후를 비교하였을 때 약 9.1%의 압력 손실이 발생하였다. 세 가지 천연 식물 추출물 코팅 필터를 바이오에어로졸에 노출 직후 세균을 검출한 결과 티트리 오일의 경우 40~55%의 M. luteus의 생장 비활성도를 나타냈지만 로즈마리와 마늘 추출물 코팅 필터는 효과가 없는 것을 확인하였다. 하지만 노출 후 48시간 경과 후 미생물을 검출 하였을 때, M. luteus의 생장 비활성도는 티트리 오일 99.99%, 로즈마리 추출물 99.0%, 마늘 추출물 99.9%로 나타났으며 이 때의 코팅 농도는 각각 2.89, 6.73, 11.52 mg/cm2이다. 천연 식물 추출물이 코팅된 필터의 병원균에 대한 활용 가능성을 평가하기 위해 Klebsiella pneumonia와 Staphylococcus aureus를 사용하여 측정하였으며 세 가지 천연 식물 추출물 코팅 필터 모두 99.99%의 비활성도가 나타나는 것을 확인하였다. 이 때 코팅된 천연 식물 추출물의 농도는 티트리 오일 11.32 mg/cm2, 로즈마리 추출물 13.40 mg/cm2, 마늘 추출물 33.96 mg/cm2이다. 결과적으로 천연 식물 추출물 코팅 필터 자체가 높은 항균 활성을 가지며, self-cleaning 공기 필터로 적용 할 수 있을 것으로 확인하였다.; Antimicrobial air filters are required to protect human from a risk of secondary bioaerosols pollutions as well as airborne particles. Extracts of tea-tree, rosemary, and garlic were selected to replace antimicrobial chemicals in air filters. Antimicrobial activity was investigated using gram-positive and negative strains of Micrococcus luteus and Escherichia coli. MIC50 values of 1.62, 224, and 405 mg/ml against E. coli and 2.06, 181, and 419 mg/ml against M. luteus were measured for tea-tree, rosemary, and garlic, respectively. The antimicrobial activity of tea-tree did not change during the cultivation time, whereas the rosemary and garlic activities weakened. The extracts were spray-coated on polyethylene terephthalate (PET) filter surfaces and evaluated via X-ray photoelectron spectroscopy and Scanning electron microscope with energy dispersive spectroscopy. After coating, a pressure drop increase of 9.1% was observed. After bioaerosol exposure, tea-tree oil-coated filters immediately induced M. luteus cell inactivation (40–55%), whereas the rosemary and garlic coated filters did not. However, 48 h after exposure, significant M. luteus inactivation of 99.99%, 99.0%, and 99.9% was recorded for concentrations of 2.89, 6.73, and 11.51 mg/cm2 for tea-tree, rosemary, and garlic extract, respectively. The anti-pathogen application suitability of coated filters was investigated using Klebsiella pneumonia and Staphylococcus aureus; both pathogens were 99.99% inactivated by concentrations of 11.32 (tea-tree), 13.40 (rosemary), and 33.96 mg/cm2 (garlic). The coated filters exhibited high antimicrobial activity, thereby indicating significant potential for application as self-cleaning air filters.