생체 모방 기술 (상어 피부)

- 병원성 미생물(대장균, 황색 포도상 구균등)은 접촉에 의해 오염되고 이러한 오염된 표면은 직접적인 접촉에 의해 여러 사람에게 감염됨. 의료 관련 감염 및 일반적인 전염병은 대부분 직접적인 접촉으로 전파됨. 상업용 항생제가 박테리아를 죽이는 가장 일반적인 방법이지만, 항상제의 오용과 남용으로 인한 내성이 널리 퍼져 미국 내 통계상 매년 2백만 건의 감염 사례와 23,000명이 사망함. 표면의 미생물 접촉을 방지하고 잔류하는 미생물을 비활성화시키는 다양하고 새로운 코팅 공정 수요가 증가하는 추세입니다.

 

- 다양한 코팅 방법 중에, 자연에서 영감을 얻은 생체 모방 접근법이 최근 다양한 연구가 이루어지고 있습니다. 그 중 상어 피부 패턴은 미생물이 접착할 수 없고 자가 방오 효과가 가능한 구조를 나타냄. 상어의 피부는 다이아몬드 모양의 grating 패턴은 항력을 줄이고 자가 세척 효과를 높임. 상어 피부 패턴의 고유한 계층적 패턴은 거칠기 계수가 높아 외부 오염물의 접착력을 낮춤. 그러나 충분한 시간이 지나면, 단순한 상어 피부 패턴의 표면에 박테리아가 다시 번식하는 한계점을 가짐. 이러한 이유로 단순한 패터닝 효과로는 부족하며, 방오, 항균 기능이 있는 다기능 광촉매 물질을 적용해야함.

 

유연한 PET 기판에 PDMS 소프트 스탬프를 사용하여 상어 피부 패턴의 제작 과정을 개략적으로 표현

 

- 이러한 한계점을 상어 피부와 유사한 패턴과 이산화 티타늄 (TiO2) 나노입자를 결합하여 항균성과 내구성을 향상시킴. 또한 패터닝과 광촉매 물질의 결합으로 미생물의 증식을 방지하는 간단한 접근법을 제시.

이산화 티타늄 ( TiO2 )을 포함한 광촉매 물질은 그람 양성 및 음성 박테리아, 균류 및 바이러스를 포함한 여러 미생물을 비활성화시키는 항균제. TiO2 기반 나노 복합체는 표면 소독 효과를 포함한 다양한 다기능성이 보고되었음.

UV 기반 가교성 재료인 Norland Optical Adhesive는 PET 기판에 용매 보조 소프트 나노 임프린트 리소그래피 방법을 통해 상어 피부 구조가 각인된 TiO2 나노 파티클로 제작됨.

 

다양한 합성물을 사용한 상어 가죽 패턴의 SEM 이미지. 상어 피부 패턴 표면의 광학 프로파일 이미지 및 치수.

 

UV 광 그리고 H와 산화 환원 반응 O2는 또는 OH - 분자에 각각 반응성 하이드록실 라디칼과 슈퍼 옥사이드 이온을 형성함. 이러한 반응성 종과 박테리아 외막의 상호 작용은 파열과 후속 세포 사멸을 유도. 잘 알려진 항균제 (은, 구리 등)에 비해 TiO2 나노 입자 (NP)를 사용하는 이점은 저렴한 비용, 폭 넓은 가용성 및 투명 코팅에 통합할 수 있다는 점입니다. 이러한 장점으로 인해 TiO2는 터치 항균 표면 코팅에 사용하기에 우수한 재료입니다.

 

상어 피부 패턴에 대한 수직 및 평행 방향의 개략도. 상어 가죽 패턴 표면의 정적 물 접촉각 분석.

- Solvent assisted imprinting lithography (NIL)를 사용하여 직교 상어 피부 표면을 제작하고 폴리머 및 복합 분산액을 유연한 PET 기판에 사용.  TiO2와 상어 피부 패턴 표면의 습윤성, 기계적, 항균 및 방오 특성을 추가로 조사함. 확장 가능하고 저렴한 광촉매 상어 피부 패턴 표면은 광 보조, 방오 및 항균 표면 코팅으로 높은 항균 성능을 나타냄.

TiO2 나노 파티클 90 wt% / 테트라 에틸 오르토 실리케이트 10wt%로 농도 최적화하여 PET 기판에 전사한 뒤 10초의 근적외선(NIR)에 조사하여 샘플을 제작함.

 

- 상어 피부 패턴의 PET 샘플은 물 접촉각과 같은 기계적 특성과 항균 및 방오 특성을 통해 다기능성을 확인함. 필름의 경도 및 모듈러스는 0.28 > 0.49 / 4.8 > 16 GPa로 증가하며 광촉매 TiO2로 인한 대장균과 황색 포도상 구균이 최대 80%까지 증식 억제됨. 또한 상어 피부 패턴은 용액 공정 및 roll-to-roll 공정 기술을 호환하여 대면적 코팅이 가능하게 함. TiO2 상어 피부 패턴은 개질된 화학적 조성에 의해 대장균 증식 억제를 유도함(매끄러운 필름과 비교하여 ~ 70 % 감소).

 

NOA, TiO2 -10, TiO2 -50 및 TiO2 -C의 패턴화 된 표면 (P)에 대한 매끄러운 필름 (S)에서 표면 부착 대장균의 24 시간 면적 적용. 

 

 

<출 처>

 

Dundar Arisoy, F., Kolewe, K. W., Homyak, B., Kurtz, I. S., Schiffman, J. D., & Watkins, J. J. (2018). Bioinspired photocatalytic shark-skin surfaces with antibacterial and antifouling activity via nanoimprint lithography. ACS applied materials & interfaces, 10(23), 20055-20063.

 

 

논문제목 : Bioinspired Photocatalytic Shark-Skin Surfaces with Antibacterial and Antifouling Activity via Nanoimprint Lithography

 

저자 : Feyza Dundar Arisoy, Kristopher W. Kolewe, Benjamin Homyak, Irene S. Kurtz, Jessica D. Schiffman, and James J. Watkins*

 

Cite this: ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 23, 20055–20063

Publication Date:May 23, 2018

https://doi.org/10.1021/acsami.8b05066