Cu(II)-Organic Frameworks and Their Excellent Antimicrobial Activities

Abstract

Metal-Organic Frameworks (MOFs) receiving high attention for their potential use in various field such as selective gas sorption, separation, catalysis, proton conduction and biomedical usages. MOFs have advantages for application in these fields due to their tunability of structure and porosity. Among them, MOFs have recently received great attention in biomedical applications due to their excellent anti-microbial activity. In this study, we synthesized Cu-MOFs and their crystal structure was solved. Their anti-microbial activity towards 3 kinds of bacteria and 2 kinds of fungi were investigated. In Chapter 1, Cu(Glu)(AZPY) (Cu-MOF 1) was newly synthesized by a solvothermal method to investigate antifungal activity comparing to that of Cu-MOF with bpe ligand, [Cu(Glu)(bpe)]. The amount of Cu(II) ion released from Cu-MOF 1 in 1x PBS after 1 day was very low, which indicates that the Cu-MOF 1 is stable and has low toxicity caused by released Cu(II) ions from the MOF crystal structure. We also tested antifungal activity of Cu-MOF 1 towards Candida Albicans and Aspergillus Niger. Cu-MOF 1 shows great improvement in antifungal activities compared with Cu-MOF without AZPY. Over 99% of cells or spores were inactivated with only 0.35-0.5 mg/mL in 1 day after Cu-MOF 1 treated, while Cu-MOF without AZPY showed only 50-80% fungal inactivation with 2 mg/mL in 4 days after treated. The test results suggest that AZPY, which is toxic in free standing, can enhance the antifungal activity in the framework of Cu-MOF 1 with reduced toxicity. In Chapter 2, Cu(Glu)(bpa) (Cu-MOF 2) was prepared and embedded in polysiloxane (PS) for antibacterial use. The Cu-MOF 2 was not released all at once from PS@Cu-MOF 2, which is advantageous in biomedical applications such as patches. The anti-bacterial tests against toward Gram-positive bacteria (Escherichia coli) and Gram-negative bacteria (Staphylococcus aureus and Methicillin-resistant Staphylococcus aureus) showed excellent anti-bacterial abilities. PS@Cu-MOF 2 showed almost no cytotoxicity towards mouse embryonic fibroblast. These studies suggest that Cu-MOF 1 have excellent antifungal activities towards two kinds of fungi, which cause inflammation at skin and food poisoning. Also, PS@Cu-MOF 2 showed excellent inactivation of three kinds of bacteria, that cause skin rash and intractable diseases. The results of this study suggest the potential of Cu-MOFs as antimicrobials, medicine, wound healing bandages, implants and infection prevention applications.;금속유기골격체(MOFs)는 최근 선택적 가스 흡착, 분리, 촉매 및 양성자 전도와 같은 다양한 분야에 사용될 수 있다는 가능성 때문에 각광을 받고 있다. MOFs는 구조를 디자인할 수 있다는 점과 다공성이라는 점에서 이러한 분야들에 적용되기에 다양한 장점들을 가지고 있다. 그 중에서, MOF는 훌륭한 항미생물 활성으로 생물의학 응용 분야에서 최근 굉장한 관심을 받고 있다. 이 연구에서, 우리는 Cu-MOF들을 합성하고 3가지 박테리아와 2가지 곰팡이에 대해 항미생물 활성을 조사하였다. 챕터 1에서, Cu(Glu)(AZPY) (Cu-MOF 1)는 이전의 Cu(Glu)(bpe)로 구성된 Cu-MOF와 비교하여 항곰팡이 활성을 증진시키기 위해 기존에 발표된 방식과 다르게 용매열 방식으로 합성되었다. 1x PBS에서 하루 뒤에 Cu-MOF 1의 결정 구조로부터 나온 구리(II)이온의 양은 굉장히 낮은데, 이는 Cu-MOF 1이 가지는 구리(II)이온에 의한 독성이 매우 낮다는 것을 의미한다. 우리는 또한 칸디다 알비칸즈와 아스퍼질러스 니제르에 대한 Cu-MOF 1의 항곰팡이 활성을 시험하였다. Cu-MOF 2는 이전 연구인 AZPY가 없는 Cu-MOF에 비해 항곰팡이 활성이 크게 증가하였다. AZPY 자리에 bpe가 들어간 Cu-MOF을 4일동안 2 mg/mL로 반응시켰을 때 50-80%의 곰팡이 비활성화를 보였다면, Cu-MOF 1을 0.35-0.5 mg/mL로 하루 반응시켰을 때는 99% 이상의 세포 또는 포자가 비활성화되었다. 리간드들의 항곰팡이 영향 또한 조사되었다. 챕터 2에서, Cu(Glu)(bpa)-MOF (Cu-MOF 2)을 준비하여 폴리실록세인을 의학적으로 활용하기 위해 유연한 폴리실록세인 (PS)에 첨가하였다. PS@Cu-MOF 2의 물리적 특성은 기본 PS와 비교하였을 때 바뀌지 않았고, 이는 Cu-MOF 2이 고분자의 물리적 특성에 영향을 주지 않았다는 것을 의미한다. 구리(II) 이온은 Cu-MOF 2만 있을 때 방출되는 양보다 PS@Cu-MOF 2에서 적게 방출되었다. 그램-양성 박테리아(대장균)과 그램-음성 박테리아(황색포도상구균, 메티실린내성 황색포도상구균)에 대해 항박테리아 시험을 진행하였고 훌륭한 항박테리아 성질을 보여주었다. PS@Cu-MOF 2의 세포독성 시험 또한 생쥐 섬유 아세포에 대해 세포톡성을 전혀 나타나지 않는다는 것을 보여주었다. 이러한 연구 결과들은 물에 안정한 생물의학적 활용에 유용할 것이다. 결과들은 Cu-MOF 1이 피부염과 식중독을 일으키는 두 가지 종류의 곰팡이에 훌륭한 항곰팡이 활성을 보인다는 것을 증명했다. 또한, PS@Cu-MOF 2는 피부 발진, 난치병을 일으키는 세 가지의 박테리아에 대해 뛰어난 비활성화를 보였다. 연구 결과들은 MOFs를 항미생물 물질, 약, 상처 치료 붕대, 보형물, 감염 예방 활용에 사용될 수 있는 가능성을 제시하였다.