Antimicrobial Properties of Novel Magnetic -Silica-Silver Nanoparticle Composites

Abstract

은나노 입자(AgNPs)는 다양한 미생물을 효과적으로 저감하는 도구로써 많은 관심을 받아왔다. 그러나 은나노 입자의 넓은 부피당 표면적비(surface-to volume ratio)와 세포독성(cytotoxicity)은 다양한 건강문제와 환경오염을 야기시킬 수 있다. 이에 본 연구에서, 우리는 자성 코어(Magnetic core)를 가진 은나노 복합체 (Ag@MSC)를 새로이 고안하였다. 이 새로운 복합체는 자석을 이용하여 수분 내에 회수가 가능하며, 은나노 입자들은 복합체의 실리카 층(silica layer) 표면에 단단하게 결합시켜 강한 충격에도 유실되지 않도록 하였다. 이에 먼저, 분석 대상 미생물로 두 종류의 박테리아(E. coli CN13 and B. Subtilis) 및 두 종류의 박테리오파지(bacteriophages MS2 and ΦX174)를 선정하여 복합체의 미생물 저감능력을 확인하였다. 또한 새로운 복합체가 처할 수 있는 다양한 환경들을 고려하여, 넓은 범위의 pH 조건과 수돗물, 한강물에 노출 시킨 후의 미생물 저감능력 역시 확인하였다. 10Ag@MSC, 20Ag@MSC 및 30Ag@MSC의 3가지 복합체 중에서, 30Ag@MSC가 가장 높은 미생물 저감능력을 보였다. 7.13ⅹ10^9 particles/ml 농도의 30Ag@MSC는 한 시간 반응 후 약 5-log reduction 이상의 박테리아와 2-log reduction 이상의 파지 저감능력을 보였으며, 다양한 환경조건에 노출된 후에도 여전히 강력한 저감 효율을 보여주었다. 결론적으로, 본 은나노 복합체는 다양한 환경조건 안에서 미생물을 적절히 저감하는데 효과적으로 활용할 수 있을 것으로 보이며, 사용 후 손쉽게 회수가 가능하여 여타 은나노 입자 활용의 큰 문제점 중 하나였던 건강적/환경적인 위험을 최소화할 수 있을 것으로 여겨진다.

Silver nanoparticles (AgNPs) have been long considered as a useful tool for controlling various pathogens. However, the large surface-area-to-volume ratio and the cytotoxicity of AgNPs are associated with several adverse health effects and ecological hazards. In this study, we tested novel AgNP composites containing a magnetic core and a silica layer (Ag@MSCs). These composites are more effective in inactivating various microorganisms and possibly recovered. First, we evaluated the antimicrobial capabilities of the Ag@MSCs against both bacteria (E. coli CN13 and B. Subtilis) and bacteriophages (MS2 and ΦX174). Moreover, the Ag@MSCs were exposed to a wide range of pH levels, tap water, and surface water to assess the antimicrobial effects under different environmental conditions. Among the different types of Ag@MSCs, 30Ag@MSC, which contained 30nm monodispersed AgNPs on the outer surface of the silica layer, showed the strongest effect. The highest concentration of 30Ag@MSCs, approximately 7.13ⅹ109 particles/ml, exhibited more than 5-log reduction of bacteria and 2-log reduction of phages within 1 hour. Also, regardless of the condition, the 30Ag@MSCs maintained their strong efficacy. These results suggest that the proposed Ag composites can be used in various environmental settings and recovered within a few minutes using a strong magnet to reduce the potential harmful effects on human health and the environment.