Influence of Nonwoven Wettability and Pore Characteristics on Bacterial Adhesion

Abstract

Textiles can act as a media to deliver pathogenic organisms and spread infectious diseases. For controlling bacterial adhesion on surfaces, it is crucial to understand the substrate characteristics and how bacteria interact with substrates. For an accurate evaluation of textile-adhered bacteria, a proper evaluation method is necessary, because a complex 3D structure of fibrous material makes quantification of adhered bacteria challenging. Therefore, in the first phase of the study, colorimetric bacteria assay method using the iodonitrotetrazolium (INT) stain was tested for quantifying the textile-adhered bacteria. In the second phase of the study, the textile parameters including wettability, porosity, pore-volume, and pore size distribution were investigated in association with the bacterial adhesion property. Two different types of bacteria, gram-negative rod shape Escherichia coli (E. coli) and round shape Staphylococcus aureus (S. aureus) were used as model bacteria. Substrates with different levels of wettability and pore characteristics were employed to identify the critical factors influencing cell adhesion. The substrates wettability appeared to be the initial factor influencing the bacterial adhesion, where the hydrophilic surface showed considerably higher bacterial adhesion. Substrates with high wettability provided higher contact areas for bacteria to adhere to the substrates. Pore volume and pore size, rather than the porosity (%) itself, were other important factors affecting bacterial adhesion and retention. Compact spatial distribution of fibers resulted in limited bacterial intrusion into the pores, and eventually reduced the total amount of bacterial adherence. Thus, superhydrophobic textiles with reduced total pore volume and smaller pore size would reduce the adhesion. The findings of this study can be used as a design guide for anti-biofouling textiles.

섬유상에 부착된 박테리아는 냄새를 유발하고 전염병 확산 매개체로 작용을 하는 등 위생 상의 문제를 일으키므로 박테리아의 부착을 억제하기 위한 연구가 다수 진행되고 있다. 본 연구의 목표는 부직포 직물의 표면 특성 및 직물 기공 구조에 따른 박테리아의 부착성을 조사하는 것이다. 첫 번째 단계로, 섬유상에 부착된 박테리아의 정량을 위해 INT(iodonitrotetrazolium) colorimetric bacteria assay를 이용한 박테리아 비색 검출을 수행했다. 이어서 연구의 두 번째 단계에서는 부직포 직물의 젖음성, 기공도(%), 기공 부피 및 기공 크기 분포를 포함한 섬유 물리화학적 특성이 박테리아 부착성에 어떻게 영향을 미치는지 조사하였다. 모델 박테리아로 그람 음성 간균인 대장균(E. coli)과 그람 양성 구균인 황색 포도상구균(S. aureus)을 사용했다. 표면의 젖음성은 박테리아 부착성에 영향을 미치는 주요 요인으로 조사되었으며, 친수성 표면에서 박테리아 부착량이 높게 나타났는데, 이는 젖음성이 높은 표면에서 박테리아와의 접촉면적이 크기 때문으로 사료된다. 기공도(%) 자체보다는 기공이 차지하는 절대적인 부피와 기공의 크기가 박테리아 부착에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 섬유의 solidity가 높고 기공크기가 박테리아보다 작은 고밀도 조직에서 박테리아의 침입 가능성이 낮아져서 부착성이 낮았으며, 기공크기가 매우 큰 부직포의 경우에도 직물에 침투한 박테리아가 잘 빠져나가기 때문에 부착성이 비교적 낮았다. 본 연구의 결과는 섬유의 방오성과 항균성을 증진시키는데 활용될 수 있을 것으로 기대한다.