Preparation, Characterization and Antibacterial Activity of Zein, Gelatin, Chitosan Fiber mats

Abstract

In this study, antibacterial fiber mats composed of chitosan, zein and gelatin were successfully fabricated. The rheological property for the shear rate dependence viscosity was performed to the fiber solutions. To characterization of the fiber mats, Fourier transform infrared spectroscopy, water contact angle measurement, mechanical test and scanning electron microscopy were performed. The addition of chitosan can decrease the viscosity, leading reduce a diameter of fibers. Results showed that the fiber mats had uniform texture and smooth surface for morphological properties, great molecular interaction for intermolecular properties, hydrophobicity for surface chemical properties and flexibility and deformability for mechanical properties. To perform the antibacterial activity, the viable count method was selected of these fiber mats. Results showed that the zein/gelatin (1:1, w/w) fiber mats containing 1.5%, 3%, 4.5% of chitosan were decreased approximately 99% of CFU in 24 hr and effective via both S. aureus as Gram-positive and E. coli as Gram-negative bacterium.;이 연구의 목적은 키토산, 제인 및 젤라틴으로 구성된 항균 섬유 매트를 개발하고 특성을 확인하는 것이었다. 섬유 매트는 프로브 간의 점착성을 이용한 3D 프린터를 사용하여 제조되었으며, 이에 대해 푸리에 변환 적외선 분광법 (FTIR), 물 접촉각 측정, 주사 전자 현미경 (SEM) 및 기계적 시험을 수행하였다. 키토산의 첨가는 점도를 감소시켜 단일 섬유의 직경을 감소시킬 수 있었고, 섬유 매트가 형태학적 특성에서 균일한 질감과 매끄러운 표면을 보였다. 그 결과, 분자 간 분자 상호 특성을 통해 표면 화학적 특성에서 소수성을 보였으며, 기계적 특성에서 좋은 유연성 및 변형성을 보였다. 이러한 섬유 매트의 항균 활성을 평가하기 위해 생존 계수 방법 (The viable count method)을 수행하였다. 결과는 각각 1.5%, 3%, 4.5%의 키토산을 함유한 제인/젤라틴 (1:1, w/w) 섬유 매트가 그람 양성균의 모델로서 사용한 Staphylococcus aureus (S. aureus)와 그람 음성균의 모델로서 사용한 Escherichia coli (E. coli) 모두에 대해 효과적이며, 키토산을 함유하지 않은 제인/젤라틴 (1:1, w/w)을 대조군으로 설정하였을 때, 24 시간 내에 억제율 99%의 활성을 보였다. 한편, 고분자 키토산의 항균 활성에 대한 연구는 이전에 충분히 수행되지 않았으며, 본 연구에서는 기존의 항균 활성 방법을 해당 섬유 매트에 적절하게 개선하여 항균 활성을 확인하였다. 따라서 고분자 키토산을 함유한 섬유 매트의 항균 활성을 명확히 하기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다. 이 연구에서는 키토산, 제인 및 젤라틴으로 구성된 항균 섬유 매트가 성공적으로 제작되었다. 단백질 기반 소재를 사용한 항균 섬유 매트는 추가 연구를 통해 식품 포장 및 상처 드레싱의 적용을 기대할 수 있다. 생체 적합성과 기계적 특성은 많은 생체 의학 응용 분야에서 가장 중요한 요소이며, 한국 표준으로 포장재는 3.5 MPa 이상의 인장 강도를 가져야한다. 실험 결과, 인장 강도 및 탄성 계수를 포함하는 기계적 특성에서 본 항균 섬유 매트는 식품 포장 및 상처 드레싱의 적용에 충분하지 않을 수 있다. 섬유 매트의 강도를 보완하기 위해 가소제를 추가할 수 있다. 후속 연구로, 항균 활성과 섬유의 특성을 유지 또는 개선하면서 생체 적합성 및 기계적 특성의 평가를 통해 섬유 매트를 최적화하는 것이 필요하다고 사료된다.