저분자 chitosan, chitosan oligo당, 수용성 chitin의 항균성에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 Methicillin Resistant Staphylococcus aureus(MRSA), Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus 등의 병원성 미생물에 대한 chitosan의 항균성을 규명하기 위하여 제조방법에 따라 생산된 chitosan의 분자량 크기는 서로 유사하지만 탈아세틸화도가 다른 경우, 분자량의 크기는 서로 유사하지만 용해성이 서로 다른 경우 등 다양한 실험군을 설정하여 항균성에 미치는 chitosan의 분자량, 탈아세틸화도, 용해성 등의 영향을 검토하였다. 또한 chitosan과 chitosan oligo당의 항균성 실험을 통해 이들 물질의 화학적 특성의 이질성에 대한 진위를 조사하였으며 탈아세틸화도 30∼70%, 분자량의 크기 1,500∼12만 범위로 유지되고 있는 다양한 수용성 chitin을 대상으로 분자량의 크기, 탈아세틸화도뿐만 아니라 항균력에 영향을 미칠 수 있는 제3의 인자로서 chitosan의 용해성 측면도 함께 검토하였다. 아울러 chitosan과 다양한 종류의 수용성 chitin을 함유한 polyurethane foam으로 제작된 폐쇄성 dressing제의 MRSA에 대한 항균성을 피부환경과 유사한 Agar Plate Contact Method를 적용하여 측정하였다. 이상의 실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다. 화학적으로 제조된 저분자화 chitosan에 비해서 효소로 분해된 저분자화 chitosan은 분자량 분포가 좁고 용해성이 크다는 사실이 증명되었으며 OD Method, Agar Plate Smear method에 의한 MRSA, 녹농균, 포도상구균의 항균 실험에서는 각각의 균주에 따라 항균력이 발현되는 분자량의 크기와 감균율은 조금씩 차이가 있었다. OD Method에 의한 MRSA에 대한 항균성은 효소 분해 저분자화 chitosan 보다는 H_2 O_2 분해 저분자화 chitosan이 조금 우수하였으며 산에 용해시켜서 즉시 사용하는 것보다는 1주일 정도 경과시켜서 사용하는 것이 항균성이 상승되었다. Chitosan 산성염이 항균 실험에 사용될 경우 Agar Plate Smear Method에 의한 MRSA에 대한 항균실험에서 우수한 항균력을 발현시키기 위해서는 분자량이 10,000 이하로 저하되는 경우는 바람직하지 않으며, OD Method에 의한 MRSA에 대한 항균 실험에서는 chitosan oligo당 선호자들이 주장하는 바와 같이 chitosan 산성염으로서 분자량이 낮은 chitosan oligo당이 아니더라도 분자량의 크기가 10,000 이하로 저하되고 탈아세틸화도가 100%인 경우는 a값이 1에 도달되며 초산수용액에 용해시킨 시킨 후 1주, 2주 경과 후 사용하면 MIC가 5ppm에 도달되었다. 수용성 chitin의 경우는 항균력이 주로 탈아세틸화도의 크기에 의해서 좌우되며 용해성을 나타내는 a값에 크게 영향을 받지 않았다. 따라서 우수한 항균력이 보장되기 위해서는 탈아세틸화도가 높을수록 유리하며 60% 정도면 바람직하다. 수용성 chitin과 chitosan이 함유된 PU foam의 OD Method에 의한 항균실험에서는 수용성 chitin이 함유된 PU foam일 경우에는 탈아세틸화도가 높을수록 항균력이 우수하였으며 chitosan이 함유된 PU foam일 경우에는 분자량이 높을수록 우수한 항균력을 발현하였으나 Agar Plate Contact Method로 PU foam 자체의 항균력을 측정하였을 때에는 수용성 chitin의 종류나 chitosan의 분자량에 관계없이 모두 우수한 항균력을 발현하였다. 따라서 폐쇄성 dressing제에 함유된 수용성 chitin의 경우는 탈아세틸화도가 극히 낮아져 30% 정도까지 저하되어도 항균력의 발현이 가능한 것으로 결론지워지므로 30% 정도의 DA를 갖는 수용성 chitin을 사용할 경우 상처의 치유에 효과적일 뿐만 아니라 우수한 항균력을 발현할 수 있다는 점에서 매우 바람직하며, 폐쇄성 dressing제에 함유된 chitosan의 경우는 분자량이 낮아져 항균력이 미흡한 저분자 chitosan을 사용하더라도 우수한 항균력이 발현되는데 그 이유는 OD Method에 비해서 Agar Plate Contact Method에서는 PU foam과 상처부위간 chitosan의 농도가 더욱 상승되기 때문으로 판단된다. ; Chitosan is N-acetylpolyglucosamine obtained by deacetylating chitin. Chitin is the major constituent of the exoskeleton of crustacea. The difference between chitin and chitosan lies in the degree of deacetylaton, which means the content of free amino groups in the chitin/chitosan chain. The degree of deacetylation is one of the most important chemical characteristics of chitosan. Except for the degree of deacetylation, other important factors determining characteristics of chitosan are molecular weight and the 3rd factor "solubility parameter". The industrial production and the use of chitosan has been steadily increased since 1970s. At past, the major applications of chitosan were mainly sludge dewatering and metal ion chelation. In 1980s, chitosan application broadened to food additives, antibacterial finishes and sanitizing finishes. Recently, chitosan market targeted high value products, such as suture, bandages, and sponges for surgical treatment and wound protection. In this study, it was investigated about antibacterial activity against Methicillin Resistant Staphylococcus aureus(MRSA), Pseudomonas aeruginosa, and Staphylococcus aureus with different molecular weight, degree of deacetylation, and solubility parameter. Low molecular weight chitosan made from biological method and chemical method, chitosan oligosaccharide, and water soluble chitin(WS-chitin) were studied. In water soluble chitin, 3 factors, degree of deacetylation(30∼70%), solubility parameter, and molecular weight were also studied. Moreover, antibacterial activity of WS-chtin/chitosan containing PU foam was tested by Agar Plate Contact Method which is similar to human skin environment. Through these experiment, following conclusions were acquired. Polydispersity of low molecular weight chitosan decomposed by enzyme is narrower than low molecular weight chitosan decomposed by H_2 O_2. Solubility of biologically decomposed chitosan is higher than that of chemically decomposed chitosan. At antibacterial test by OD(Optical Density) Method and Agar Plate Smear Method, inhibition of the growth in specific bacteria strain was affected by a certain range of molecular weight of chitosan. At OD Method, the antibacterial activity of chitosan/acetic acid solution increased with passage of time. At antibacterial test of chitosan acid salt using Agar Plate Smear Method, the molecular weight below 10,000 is not desirable. When chitosan acid salt (Mw below 10,000, degree of deacetylation of 100%, and "a value" of 1) was tested by OD Method, the antibacterial activity of chitosan acid salt increased with the passage of time. At this time, Minimum Inhibitory Concentration(MIC) was 5ppm. Antibacterial activity of WS-chitin was influenced by not "a value" but degree of deacetylation. The higher degree of deacetylation resulted in the better antibacterial activity. At OD Method, with the increase in the degree of deacetylation, antibacterial activity of WS-chitin containing PU foam increased. At Agar Plate Contact Method, antibacterial activity of WS-chitin containing PU foam was not influenced by characteristics of WS-chitin such as DA, Mw, and Pd. And antibacterial activity of chitosan containing PU foam was not influenced by molecular weight. In the closed dressing system, antibacterial activity was shown in even 30% DA of WS-chitin used for PU foam. Therefore, WS-chitin with 30% DA would be very effective in wound healing and growth inhibition of bacteria. In case of chitosan, low molecular weight chitosan also showed excellent antibacterial activity because Agar Plate Contact Method increased the concentration of chitosan between PU foam and wound area compared to OD Method.