Synthesis of functionalized silica and its application to water treatment : 다양한 기능성을 갖는 실리카 합성 및 수처리로의 응용

비엣쾅당 한양대학교 2012 국내박사

The functionalized silica has been an effective material for the removal of heavy metal from aqueous solutions and the support of nanoparticles. Silica substrates are usually synthesized from expensive precursors i.e., tetraethoxysilane or tetramethoxysilane. Several works have reported on the preparation of functionalized silica from sodium silicate, a cheap silica precursor. However, almost processes used for the functionalization of sodium silicate-based silica are complicated and time consuming because they are conducted in organic solvents. Therefore, the objective of this work is to synthesize silica via a sol-gel process using sodium silicate and then to functionalize the silica with a facile and costeffective method. The obtained functionalized silica could be used for the water purification. In this dissertation, the synthesis and functionalization of precipitated silica were presented in chapter 2 and 3. The tunable properties of precipitated silica can be controlled by reaction parameters such as gelation time and temperature. Aminofunctionalization was prepared by simultaneously adding 3- aminopropyltriethoxysilane (APTES) and H2SO4 into the as-synthesized precipitated silica. The result indicated that the amino-functionalized silica is an effective supporting material for silver nanoparticles. The majority of the dissertation focused on the functionalization of silica gel for the support of silver nanoparticles and water treatment. Basically, silica gel was synthesized via a sol-gel method by using sodium silicate (Na2O·3.4 SiO2) and 40% H2SO4. The properties of silica can be controlled by washing, aging, and hydrothermal process. Amino-functionalized silica gel was prepared in water and organic solvent, while thiol-functionalized silica gel was prepared by a gentle method using a mixture of ethanol and water. A method so-called “dry method”proposed in the dissertation helps to significantly reduce time and cost of functionalization process. The thiol and amino functionalized silica gel proved as an effective supporting material for silver nanoparticles and as a promising absorbent for removal of heavy metal from water. Besides that, silver nanoparticle can be immobilized on functionalized-free silica gel by the manipulation of its pore size distribution. An effective method for water disinfection using silver nanoparticle-containing silica beads (Ag-NPBs) has been proposed. A filter containing Ag-NPBs did not require any extra external inputs such as electricity or high pressure. Such filter may be suitable for water treatment at the point-ofuse, in particular at natural disaster sites caused by flooding, tsunamis, and earthquakes. The present study proposes a facile method for the synthesis of cost effective functionalized silica, which may suitable for a large scale production. The amino and thiol functionalized silica can be used as absorbent to remove heavy metal from water and the Ag-NPBs are potential material for water disinfection.

Methicillin 저항 황색포도상구균에 감염된 당뇨쥐에 대한 은 함유 드레싱제제의 유효성 비교

이영구 고려대학교 대학원 2013 국내박사

Background: Silver plays an important role in the management of severe wounds, with its main role being to reduce the microbial growth within a wound dressing and wound bed. However, we didn’t know how silver-coated dressing materials affect diabetic wounds and the use of such dressings has not been studied in diabetic rats before. The purpose of this study is to evaluate the efficacy of silver-containing dressing materials for the treatment of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA)-infected wounds in streptozotocin-induced diabetic rats. Methods: Full-thickness skin defects were created on the backs of rats with streptozotocin-induced diabetes (n=108) and were infected with MRSA. The rats were assigned to six groups according to the wound dressing used: nanocrystalline silver (Acticoat®), silver carboxymethylcellulose (Aquacel®-Ag), silver sulfadiazine (Medifoam silver®), nanocrystalline silver (PolyMem silver®), silver sulfadiazine (Ilvadon®), and 10% povidone iodide (Betadine®). We analyzed the wound size, histological findings, and bacterial colony count for each group. Results : Wound size decreased with time in every group, in the following order: I, Ac, Aq, M, P, and B. On day 10, a significant difference in wound area was detected between silver dressing groups and bethadine dressing group(p=0.0040). In the wound biopsy, on days 4, 7, and 10, the would-healing effect increased in every group and some silver dressing group(Ac, M and I) demonstrated a overall a better efficacy than the betathadine dressing group, however, this results were not statistically significant at 4th day 4 (p=0.8250) and 10th day (p=0.9912). The silver dressing groups was more effective on antimicrobial efficacy. But there is no statistically significant difference between silver dressing groups and bethadine dressing group (p=0.6467). Conclusion: Silver-contained dressing materials are effective method for MRSA-infected wounds. But, in this study, nano silver-contained dressing materials produced no better results in diabetic rat model compared to normal rat model in historical review. Further investigation is necessary to determine the efficacy and the relative safety of these products on the healing wound. Once that is done, the relative value of the products can be determined by balancing their antimicrobial and cytotoxic characteristics.

은 나노입자를 부착한 무기계 항균제 합성

임윤희 대구대학교 대학원 2008 국내석사

본 연구에서는 항균력, 탈취력 등에서 뛰어난 효능을 나타내는 나노실버(Nano-Silver)를 은 나노입자를 부착한 나노 콜로이드 실리카의 형태로 개발을 시도하였다. 높은 접착성, 안정성, 내부식성 등의 특성을 나타내는 나노 콜로이드 실리카 입자의 표면에 은 나노입자를 부착시킴으로써 우수한 항균력을 나타내고 순수한 은 나노와 비교하여 매우 높은 경제성을 갖는 무기계 항균제의 개발을 시도하였다. 이러한 무기계 항균제 개발을 위하여 나노 콜로이드 실리카에 은 나노입자를 직접 부착하는 방법과 실리카 입자를 실란으로 표면을 개질한 후 은 나노 입자를 부착하는 방법이 시도되었다. 두 가지 방법으로 합성된 입자를 TEM과 EDAX를 이용하여 분석한 결과, 나노 콜로이드 실리카 입자(50㎚, pH2~ 3)의 표면개질 후 은 나노입자를 부착한 경우에서 직접 은 나노입자를 부착한 경우보다 훨씬 높은 은의 부착율이 관찰되었고, 이러한 결과는 실란(MPTS, APTS)이 실리카 입자의 표면에 연결되어 은 나노입자의 부착량을 증가시킨 것으로 판단되었다. 또한, APTS보다 MPTS로 실리카 입자의 표면을 개질한 경우에서 더 높은 은 나노입자의 부착률이 관찰되었다. 또한 실리카 대비 MPTS 주입량, 졸 안정제인 PVP 주입량, 은의 전구물질인 AgNO₃ 주입량, 환원제인 NaBH₄ 주입량 등의 반응인자를 변화시켜 은/실리카 나노입자의 합성효율을 관찰하였고, 이를 통하여 최적의 합성조건을 도출하였다. 이러한 합성조건에서 제조된 은/실리카 항균제의 항균효과를 대장균으로 E. coli와 포도상구균으로 S. aureus에 대하여 실험한 결과, 우수한 항균효과를 나타내는 것이 관찰되었다. 결과적으로 우수한 항균력을 나타내는 무기계 항균제를 은 나노입자가 부착한 나노 콜로이드 실리카의 형태로 개발하였다. In this study, it was tried to develop the nano-Silver with the antibacterial and deodorizing effects as a type of nano-silver particles on the colloidal silica. The nano-colloidal silica is stable, highly adhesive and highly resistant to corrosion etc. The nano-silver particles were tried to be attached to the surface of silica particles, thus enabling to synthesize the inorganic antibacterial agent much cheaper than the pure nano-silver particles. The self assembled silver process and silver attached process after surface reforming for silica particle, were investigated to develop the inorganic antibacterial agent. The silver/silica particles synthesized by these processes, were analyzed by TEM and EDAX it was observed that the silver attached process after surface reforming for silica particle (50nm, pH2~3) showed higher silver adhesion efficiency than the self assembled silver process. This result was explained on the basis that the silanes(MPTS and APTS) were connected to the surface of silica particles with increasing the attached nano-silver particles. It was also observed that MPTS was more effective than APTS in the silver attached process after surface reforming for silica particle. It was also investigated the effects of the reaction parameters such as MPTS amounts, PVP amounts, AgNO₃ amounts, NaBH₄ amounts, etc. on the silver/silica synthetic efficiencies. An optimum reaction condition was therefore obtained. The antibacterial effects for the silver/silica nano-particles synthesized under the optimum condition, were studied with E. coli as a colon bacillus and S. aureus as a staphylococcus. It was observed that the silver/silica nano-particles had high antibacterial effects. Consequently, the highly effective antimicrobial was developed as a type of nano-silver particles on the colloidal silica.

은 나노 미립자와 그라펜의 하이브리드를 포함한 에폭시 수지 나노복합재료의 효율적인 제조와 특성

송광석 전북대학교 일반대학원 2017 국내박사

As various electronic products are integrated and multi-functionalized, composite materials for packaging are required to have not only adhesion but also excellent thermal conductivity and electrical conductivity for durability and optimum performance. The fillers of nanocomposite materials used in these packaging materials include often silver nanoparticles (AgNPs) and graphenes (GNPs) because of their excellent thermal and electrical conductivity. Silver has a low electrical resistance and excellent thermal conductivity, and has advantages of relatively low cost and excellent stability. However, the thermally conductive polymer composite material suffers from the high viscosity with high filler loading. Silver nanowires (AgNWs) are also widely used where high electrical conductivity, the high light transmittance, and little change in sheet resistance are required. However, the AgNWs has a disadvantages of uneven surface and the large gaps between the AgNWs hindering the efficient transfer of electrons and phonons. GNP is attracting much attention due to its high thermal conductivity, good mechanical property, excellent electrical conductivity, and its possibility to control the dispersion in polymer matrices. However, because of the high viscosity of the dispersion system due to the high aspect ratio with thickness of the few nanometer level, the incorporation is limited. Hybrids of GNP and silver nanoparticles are desirable for the efficient transfer of electrons and phonons. However, conventional process for the preparation of hybrids from GNP with silver nanomaterials involve many complicated steps and various necessary treatment procedures and generate many waste solutions. Therefore, in this study, a novel method for the preparation of epoxy/GNP/silver nanocomposites has been studied to improve the thermal and electrical conductivity of the nanocomposites. In order to solve the problem due to the agglomeration of AgNWs, a method of dispersing AgNWs after the surface treatment with an organic surfactant containing a thiol group in an epoxy resin and a method of inducing weak flocculation during curing at a low volume fraction were developed. The incorporation of an organic surfactant into the epoxy resin confirmed that the electrical resistivity was reduced by improving the dispersion of the AgNWs together with slight flocculation in the epoxy resin. Also, some flocculation appeared to be favorable for percolation. For the in-situ formation of silver nanoparticles in epoxy resin during cure, the process of adding silver and imidazole complex to an epoxy resin nanocomposite was investigated. At a suitable curing temperature, the AgNP was formed in situ in the nanocomposites of the epoxy resin and the AgNW by the decomposition of the silver–imidazole complex, by reducing Ag+ to Ag°. Imidazole was immediately released from the silver–imidazole complex and could act as a catalyst for the cure of epoxy resins. The electric conductivity increased by increased the content of the final filler loading by the in situ formed AgNPs. Especially, the anisotropic properties of the nanocomposites due to the high aspect ratio of AgNWs disappeared because of the in situ-formed AgNP. In order to overcome the difficulties for conventional hybrids of AgNPs and GNP, hybridization in a simple free process by flocculation was investigated. The prepared hybrid nanocomposites were confirmed to have low viscosity as compared with the mixture, showing the possibility of increasing the content of the filler. In addition, it has been confirmed that high thermal conductivity and low electrical resisticities due to low surface resistance are observed. For the simplications of the process, the hybridization between fillers during curing was also investigated in this study. The surface free energies of the fillers and polymers were determined from contact angle, and the hybridization of the fillers during curing was studied by changing the free energy of the system via controlling the ratio of epoxy resin to curing agent. It was confirmed that there was no significant difference in the electrical conductivity between the nanocomposite with hybridized filler and hybridization of fillers during the cure. The structure-property relationships for the electrical and thermal properties of nanocomposite materialsin this study are expected to be useful as a means to meet the performance requirements of electronic materials efficiently. 다양한 전자제품의 집적화와 다기능화가 이루어짐에 따라 내구성과 최적의 성능 발현을 위하여 패키징에 활용되는 복합재료는 접착력 뿐만 아니라, 우수한 열전도 특성과 전기 전도도가 요구되고 있다. 그 충전제로 은과 그라펜 등이 포함된 복합재료가 고려되고 있다. 은은 낮은 전기적 저항을 갖는 도전성이 우수한 물질이며, 값이 싸고 안정성이 우수하다는 장점이 있다. 하지만, 높은 첨가량을 필요하며 이에 따른 높은 점도가 문제가 되고 있다. 은 나노 와이어는 광 투과도가 높으며 면저항의 변화가 거의 없기 때문에 전기 전도성을 필요로 하는 곳에 많이 사용되고 있다. 하지만 은 나노 와이어는 표면이 고르지 않고 은 나노 와이어 사이의 빈틈이 많이 존재하여 전자의 교환이 원활하게 일어나지 않아 우수한 전기적, 열적인 전도 특성을 요구하는 용도에 제한적인 단점이 있다. 그라펜은 높은 열전도도, 우수한 기계적 성질, 뛰어난 전기 전도도, 그리고 고분자 매트릭스에서의 분산성 조절 가능성으로 많은 주목을 받고 있다. 하지만, 나노미터 수준의 두께와 높은 종횡비로 인하여 분산계의 점도가 높아져 첨가량에 한계를 가지고 있다. 그라펜과 은 나노 물질을 복합화하는 기존의 연구로는 복잡한 과정과 다양한 조성의 많은 폐용액을 발생시키는 단점이 있다. 본 연구에서는 나노 복합재료의 열전도성 및 전기 전도성을 향상시키기 위하여, 다양한 에폭시/그라펜/은 나노 복합재료를 제조하기 위한 다양한 방법들을 검토하였다. 은 나노 와이어의 응집으로 인한 문제를 해결하기 위하여 은과 잘 반응하는 것으로 알려진 티올 그룹을 함유한 유기 계면활성제로 표면처리한 은 나노 와이어를 에폭시 레진에 분산시키는 방법과, 전도성 충전제의 낮은 체적 분율에서 경화도중의 약한 응집을 유도하는 방법을 고찰하였다. 에폭시 수지에 유기 계면활성제의 혼입은 에폭시 수지에서의 약간의 응집과 함께 은 나노 와이어의 분산을 개선시켰다. 또한, 약간의 응집은 퍼콜레이션에 유리한 것으로 나타났다. 은 나노 와이어가 분산되어 있는 에폭시 레진 나노 복합체에 은과 이미다졸의 화합물을 첨가하여 수지의 경화 과정 중, 은 나노 미립자가 형성되어 전기적 그리고 열적 특성을 증가시킬 수 있는 방법을 도출하였다. 적절한 경화온도에서 은과 이미다졸의 화합물은 분해에 의하여 이미다졸과 은 이온을 은으로 환원시켜 은 나노 미립자를 형성하게 된다. 이미다졸은 에폭시 수지 촉매로서 작용하였다. 경화 도중 생성된 은 미립자는 최종 충전제의 함량을 높여주게 되어 전기 전도도가 증가한 것을 확인하였다. 특히, 은 나노 와이어의 높은 종횡비로 인한 나노 복합물의 이방성 특성은 형성된 은 나노 미립자로 인해 사라졌다. 또한, 은 나노 미립자와 은 나노 와이어 그리고 그라펜의 한계를 극복하기 위하여 표면 자유에너지를 이용한 쉽고 화학적 폐기물이 거의 없는 방법으로 하이브리드를 제조하였다. 제조된 하이브리드 나노 복합재료는 혼합물과 비교하여 낮은 점도를 가지는 것을 확인하여 충전제의 함량을 증가시킬 수 있는 가능성을 보여주었다. 또한 낮은 표면저항으로 인한, 높은 열전도도, 그리고 낮은 전기저항을 보이는 장점이 확인되었다. 공정의 단순화를 위하여 경화 중 충전제들끼리 하이브리드화가 진행되는 방법도 고찰하였다. 충전제와 고분자의 표면 자유 에너지를 구하고 에폭시 수지와 경화제의 비율 조절을 통한 계의 자유에너지의 변화를 통하여 경화 중 충전제들끼리 하이브리드화가 진행되는 방법을 연구하였다. 경화 도중 하이브리드화가 일어난 샘플과 하이브리드화 된 충전제를 사용한 샘플의 전기 전도도가 큰 차이가 없음을 확인하였다. 본 연구에서 고찰한 나노복합재료의 조성과 모폴로지 특성에 따른 물성 조절 방법은 전자재료에서 요구되는 성능을 효과적으로 충족하는 수단으로 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

은@황화은 코어 쉘 나노와이어 합성, 분석 및 응용

오현승 전북대학교 일반대학원 2022 국내석사

In this thesis, I made silver nanowires and silver@silver sulfide core shell nanowires and utilized them for biological applications including osteogenic differentiation of MC3T3-E1 cells and inhibition of methicillin-resistant Staphylococcus (MRSA). Silver nanowires were synthesized by a polyol method, and silver@silver sulfide core shell nanowires were prepared by subsequent sulfidation of silver nanowires. They have a diameter of 60-70 nm and a length of 3-5 μm. Their structural, optical and electrochemical properties were examined using various analytical tools. As a preliminary experiment, the cytotoxicity of nanowires was examined. The cell toxicity of silver@silver sulfide core shell nanowires was examined by cell denaturation through MTT analysis and Rhodamine B/DAPI staining method. As a result of MTT analysis, silver@silver sulfide nanowires showed almost no toxicity compared to silver nanowires. From Rhodamine B/DAPI staining, it was examined that there was no change in the morphology of the cells. The increased ALP activity and the amount of deposited calcium indicated the enhanced efficiency of bone formation from MC3T3-E1 cells by the silver@silver sulfide nanowires. We attributed the enhancement to reactive oxygen species produced by the nanowires. With increasing reactive oxygen species due to the nanowires, the efficiency was increased. However, it began to decrease at a certain concentration of reactive oxygen species corresponding to 6 μg/ml silver@silver sulfide nanowires. In addition, we examined the inhibition efficiency of the silver@silver sulfide nanowires against MRSA infection. The number of dead MRSA was increased with increasing concentration of the nanowires and no MRSA survived was observed at higher concentrations of 6 μg/ml silver@silver sulfide nanowires suggesting the silver@silver sulfide nanowires as an effective inhibitor of MRSA infection.

당뇨환자의 창상 상피화에 미치는 은소독제제의 영향

문경철 고려대학교 대학원 2013 국내석사

Background Silver-based dressings are widely used for chronic wounds such as burns, sacral pressure sores, and diabetic foot ulcers. Silver is a broad-spectrum antimicrobial agent with strong activity against fungi, gram-negative bacteria and gram-positive bacteria including methicillin-resistant Staphylococcus aureus. It is important that silver should not compromise the activity of normal cells; however, the toxicity of silver-based dressings has long been a controversial issue. The cytotoxic effect of silver is especially important in the case of diabetic patients because of their delayed wound healing. The author’s group has previously reported the cytotoxic effect of silver-containing dressings on diabetic fibroblasts in vitro. However, in vitro results may not coincide with those of clinical studies. The purpose of this study is to evaluate the influence of a silver-containing dressing on epithelialization of wounds in diabetic patients. Methods During the period from May 2011 to October 2011, fifteen patients with skin donor-site wounds were enrolled in this study. The author designed a side-by-side matched-pair donor site wound model to compare a hydrophilic polyurethane foam and with one containing silver. The days to complete epithelialization of the wounds were assessed and compared for the two types of foams. Results Donor sites treated with silver-free foams healed in 14.4 ± 2.2 days while those treated with silver-containing foams healed in 15.6 ± 3.8 days (P=0.109). Donor sites covered with silver-free and silver-containing foams healed on the same day in eleven out of fifteen patients (73%). The silver dressing delayed epithelialization in four patients (27%). Conclusions Silver-containing dressing materials delay epithelialization of the wounds in diabetic patients, but the difference is not found to be statistically significant in this study.

Synthesis of silver chloride and sodium niobate based nanomaterials

김승욱 Graduate School, Korea University 2011 국내석사

We demonstrate a facile route to synthesize silver chloride nanocubes and derivative nanomaterials. For the synthesis of silver chloride nanocubes, silver nitrate and hydrochloric acid were used as precursors in ethylene glycol, and poly(vinyl pyrrolidone) as a surfactant. Molar ratio of the two precursors greatly influenced the morphology and composition of the final products. As-synthesized silver chloride nanocubes showed size-dependent optical properties in the visible region of light, which is likely due to a small amount of silver clusters formed on the surface of silver chloride nanocubes. Moreover, we show that simple reduction of silver chloride nanocubes with different reducing reagents lead to the formation of delicate nanostructures such as cube-shaped silver-nanoparticle aggregates, and silver chloride nanocubes with truncated corners and with silver-nanograin decorated corners. Additionally, we investigated the evolution of silver chloride nanocubes to silver chloride nanocubes decorated with silver nanoparticles upon exposure to e-beam. Our facile synthesis of silver chloride related nanoparticles with delicately controlled morphologies could be an important basis for fabricating efficient photocatalysts and antibacterial materials.

젖소 유방염 치료를 위한 은 이온의 적용연구

강석진 전북대학교 대학원 2007 국내박사

Bovine mastitis defined as inflammation of the mammary gland, can have an infectious or noninfectious etiology. Organisms as diverse as virus, bacteria, mycoplasma, yeasts and algae have been implicated as the causes of mastitis. More than 130 micro-organisms have been reported to cause mastitis in cows. However, bacterial infections are the usual cause of mastitis. The Staphylococcus aureus, Streptococcus agalactiae, Strep. dysgalactiae, Strep. uberis and various Gram-negative bacteria account for nearly 80% of all diagnoses. Despite of the considerable research over the decades and its application, mastitis still represents the biggest hazard faced by the dairy industry worldwide. Mastitis, accounts for 38% of total direct costs of the common diseases of dairy animals. It is quite difficult to estimate the losses associated with clinical mastitis, which arise from the costs of treatment, decreased milk production, culling, and death of dairy animals Staphylococcus aureus is a common cause of contagious bovine mastitis. S. aureus enter the teat canal, survive, colonize and multiply which resulted in chronic bovine mastitis. S. aureus isolates produce several virulence factors including surface-associated secretary products, the capsules, coagulase, protein A, enterotoxin and hemolysin however, alpha and beta-toxins are more common during bovine mastitis. The importance of evaluating the combination of S. aureus virulence factors has been recently emphasized both in human and veterinary medicine. Most of the studies on S. aureus epidemiology in dairy herds have been focused on the presence and role of the different virulence factors or on different genotyping methods. Silver has been known to be a disinfectant for about 1200 years and has been widely used during this century to treat clinical diseases and has been a potent antibacterial activity against variety of bacteria while exhibiting low toxicity to mammalian cells. Since silver therapy is of significant clinical benefit to control bacterial infections, various new products containing the silver, such as creams, solutions, electrodes, ligatures, foils, nylons, biological skin and catheters, have been developed over the past decades. Silver is the most toxic element to microorganisms in the following sequence: Ag > Hg > Cu > Cd > Cr > Pb > Co > Au > Zn > Fe > Mn > Mo > Sn. With the rise of antibiotic-resistant bacteria, silver is re-emerging as an alternative agent because all pathogenic organisms could not develop immunity to it. Thus, the present study designed to investigate the effect of silver ion on mastitis in dairy cows. Three studies were conducted to application of silver ion for mastitis in dairy cows. In first study we investigate the bactericidal actions of silver ion against bovine mastitis pathogens (six reference strains; Staphylococcus aureus 305, Staphylococcus epidermis ATCC 12228, Streptococcus uberis ATCC 27958, Streptococcus agalactiae ATCC 13813, Escherichia coli O55, Bacillus subtilis ATCC 1024 and five field isolated strains; Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermis, Streptococcus uberis, Escherichia coli and Klebsiella pneumoniae) to establish its minimal inhibitory concentrations (MICs), minimum bactericidal concentrations (MBCs) and bactericidal time and to study the interaction between bacterial cell and silver ion by means of Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy-Filtering Transmission Electron Microscopy (EFTEM). The biochemical and molecular aspects of silver ion bactericidal action (E. coli and S. aureus) were investigated using a proteomic approach (Two-Dimensional Electrophoresis and proteins identification by matrix-assisted laser adsorption ionization, time-of-flight mass spectrometry). The results of this study indicated that silver ion treatment (50 ppm for 2 hrs) could kill various bovine mastitis causing bacteria. Great affinity to bind with proteins and small size of silver ion lead it to attach and penetrate the bacterial cells that resulted in morphological distortion, particularly formation of a pit on outer surface of the bacteria. Further the entrance of silver ions into bacterial cells can cause the condensation of DNA and thus inhibit its expression and replication process. Moreover, because of affinity of silver ion to bind with cellular proteins, it disrupts the glycolysis, amino acid, nitrogen bases metabolism and detoxifying capacity of bacterial cells. The energy deprivation, inhibition of DNA expression and accumulation oxidants resulted in disruption of cell wall and death of silver ion treated bacteria. The second study was conducted to investigate the effect of silver ion and S. aureus-derived alpha toxin on viability, morphological, physiological and molecular changes in bovine mammary epithelial cells using primary culture technique. Silver ion treatment induced mammary epithelial cell death when used at above 4 ppm doses accompanied by DNA fragmentation and ROS generation. At below 2 ppm doses it does not have any effect on DNA fragmentation and ROS generation and therefore did not induce cell death. S. aureues-derived alpha-toxin did not changed cell morphology and viability but induced DNA fragmentation, ROS generation and dissipation of mitochondrial transmembrane potential at indicated doses. It also showed cytochrome c release without bax activation. In addition, silver ion below 2 ppm inhibited S. aureues-derived alpha-toxin effect on cell death, DNA fragmentation and ROS generation. However at above 4 ppm doses it did not. Thus, it may be concluded that silver ion below 2 ppm can inhibit the S. aureus-derived alpha-toxin effect in bovine mammary epithelial cells and therefore can be used as an inhibitory treatment against S. aureus-derived alpha-toxin induced mastitis. The third study was conducted to evaluate the effects of intra-mammary infusion of silver ions against clinical mastitis in Holstein cows. Intra-mammary infusion of silver ion (20 ppm in 20 ml of distilled water) in quarters having clinical mastitis has decreased the udder inflammation; udder swelling, firmness, clots in milk, total bacterial count in milk and SCC. Reduced milk Lf and BSA level after silver ion treatment indicate a positive effect to reduce the inflammation and bacterial activity in mammary glands having mastitis. Moreover, no bad effects on milk yield, mammary cells and general hematology were observed in cows treated with silver ions. These results along with previous findings of in vitro studies implied that intra-mammary infusion of silver ion has great potential to cure clinical mastitis. However, more studies involving a large number of quarters having clinical and sub-clinical mastitis are needed to further validate the present therapeutic effect of silver. 젖소에서 발생되는 주요 질병인 유방염은 병원체가 유선조직에 염증을 일으켜 발생되는 질병으로, 주요 원인체로는 세균, 바이러스, 마이코플라즈마, 진균, 조류 등 다양하게 존재하지만 세균에 의한 발생빈도가 80%이상을 차지하고 있다. 이러한 유방염의 치료를 위한 많은 연구가 수행되어 왔으나, 아직도 낙농업에서 가장 중요한 질병으로 남아있다. 또한 유방염은 낙농가에서 발생되는 치료비용의 38%를 차지하고 있으며, 우유 생산량 감소, 치료기간 중 납유 중단, 도축으로 인한 손실 등과 같은 경제적인 손실과 더불어 동물복지에 심각한 영향을 미치고 있다. Staphylococcus aureus는 전염성 유방염의 주요 원인균으로 유두내 침범 후 집락화를 이루어 유방내 만성 유방염을 일으켜, 여러 병원성 인자 (capsules, coagulase, protein A, enterotoxin과 hemolysin)들을 생산한다. 이 중 가장 병원성이 강한 알파톡신에 관한 연구가 인체뿐만 아니라 수의학 분야에서도 활발히 진행되고 있으며, 최근 낙농분야에서도 S. aureus의 병원성인자들에 관한 연구가 진행되고 있다. 은(silver)은 1200여년 전부터 천연 항균물질로 알려져 왔으며, 수세기 동안 질병치료의 여러분야에서 활용되고 있다. 이러한 은은 크림 및 수용액 형태의 치료제, 나일론 및 섬유제품, 의학용 기자재 및 전자제품 등에 상업적으로 활용이 가능한 제품으로 이미 개발되었으며, 금속 형태의 은뿐만 아니라 나노 은 입자, 은 이온 형태로 다양하게 이용되고 있다. 금속이온 중 세균에 대한 항균효과가 가장 뛰어난 은 이온은 항생제와는 달리 내성균의 발생이 생성되지 않는 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구는 항균력이 뛰어난 은 이온을 가지고 젖소 유방염 치료에 적용하기위해 세분야로 나누어 연구를 수행 하였다. 실험 1은 젖소 유방염 원인균에 대한 은 이온의 항균효과를 조사하 기위해 세균의 사멸농도 결정, 전자현미경 관찰과 단백질 동정의 순으로 진행되었다. 본 실험에 사용된 젖소 유방염원인균에 대한 은 이온의 사멸농도와 노출시간은 50 ppm, 2시간으로 설정되었다. 전자현미경 관찰 결과 은이온은 양전하를 띄며, 작은 크기의 이온 형태로 존재하여 세균의 세포막을 크게 손상시키지 않고, 세균내로 쉽게 통과한 후 세균 내부로 확산되어 세균의 단백질과 강한 결합능력이 발생됨이 확인 되었고, 이로인한 세균의 외형적인 변화, 세포질의 위축, 해당작용과 아미노산, 핵 대사과정의 억제 및 해독 과정의 세포내 저하로 인한 세균의 에너지 결핍, DNA 발현억제, 활성산소 종 축적, 세포막 파괴 등의 과정을 거쳐 은 이온 처리 후 세균이 사멸되는 것으로 조사되었다. 실험 2는 젖소의 정상 유선상피세포를 1차 배양 후 은 이온과 S. aureus 유래 알파톡신을 투여하여 유선상피 세포의 변화되는 양상을 조사하고자 실시하였다. 4 ppm이상의 은 이온 투여시 DNA분절과 활성산소 종의 발생으로 인한 세포의 사멸을 확인 할 수 있었으며, 2 ppm 이하에서는 세포에 대한 영향이 없음이 관찰되었다. S. aureus 유래 알파톡신 투여시 유선상피세포에 대한 외형적인 변화는 유발시키지 않았으나, DNA분절과 활성산소 종의 발생, 미토콘드리아 투과막 활동전위 감소와 세포질내 cytochrome c의 증가로 인한 유선 상피세포내 알파 톡신의 독성을 확인 할 수 있었다. 하지만 2 ppm 이하의 은 이온 투여시 알파톡신의 독성에 의해 발생된 유선 상피세포의 DNA분절과 활성산소 종의 발생이 억제됨이 관찰되었다. 실험 3은 젖소 임상형유방염에 대한 은 이온의 유방내 주입시 치료효과를 조사하고자 실시하였다. 은 이온의 유방내 주입 후 유방의 부종, 경결, 우유내 농 발생의 임상증상이 현저히 감소되었고, 우유내 체세포수, BSA, Lf, 총 세균수의 유의성 있는 감소가 조사되었다. 또한 유량과 전신순환내 혈액학치 조사 에서는 유의성 있는 변화가 관찰 되지 않았다. 결론적으로, 은 이온은 젖소 유방염원인균들에 대한 강력한 항균 력을 가지며, 일정 농도 이하에서는 유선상피세포에 대한 독성을 가지 지 않고, 세균에 의해 생성된 독소의 유선상피세포에 대한 독성을 완화 시킬수 있다. 또한 유방내 투여시 임상형 유방염이환우에 어떠한 부작용을 나타내지 않으면서, 우수한 치료효과를 나타냈다. 본 연구 결과는 은 이온을 이용한 젖소 유방염 치료제 개발 가능성을 제시하였고, 나노 은 입자 혹은 은 이온을 활용한 항생제 대체제 개발 및 응용과 관련된 연구 분야에도 많은 도움을 줄 수 있을것으로 판단된다.

Luminescent silver nanodot formation and its application in Förster resonance energy transfer and DNA visualization

자오얀루 서울대학교 대학원 2022 국내박사

Small size, photostable, and bright single-stranded DNA stabilized silver nanodots (ssDNA-AgNDs) have been used for various applications, such as sensors, cellular staining, and photothermal therapy. The spatial and temporal control of the fluorogenic reaction is important for cellular staining and fluorophore printings. Here, the developed silver-cluster transfer method have generated more photostable, brighter, and spectrally purer emitters from the blue to near-IR region in a single step. This silver-cluster transfer can not only take place in solution, but also can visualize the DNA molecules that are printed on the glass surface. Moreover, silver nanodots have been used to measure the interior size of nanocage in this thesis. As a synthesis container for nanoparticles, interior structure characterization for nanocage becomes important. We have developed a fast and easy way to measure the size of nanocage by a silver nanodot FRET pair and the result has been verified by cryo-TEM. In addition, the inconsistent report about Triton X-100-based reverse micelles has been clarified by silver nanodot FRET measurement. This method inspires us to measure the size of other nanocages in future, such as protein-based nanocages. Not only in the research field, silver nanodots have also attached great interest in education fields. To help the upper-level undergraduate students who have a background in photophysics have a better understanding of the excitation spectrum, we have showed that the absorption spectrum cannot represent the excitation spectrum for some nanoparticles, such as silver nanodots. The excitation and absorption spectra are shown the same only when characterizing the pure small molecules. 작고, 광안정적이며, 밝은, 단일 가닥 DNA로 안정화된 은 나노닷 (ssDNA-AgND)은 센서, 세포 염색, 광열 치료와 같은 다양한 응용성에 사용되어 왔다. 형광 반응의 공간적, 시간적 제어는 세포 염색 및 형광 프린팅에 중요하다. 본 논문에서, 개발된 은-클러스터 이동 방법은 한 번에 청색 영역에서 근적외선 영역에 이르는 스펙트럼적으로 더 순수하고, 밝고, 더 광안정적인 발광체를 생성했다. 이 은-클러스터 이동법은 용액 안에서 일어날 수 있을 뿐만 아니라, 유리 표면에DNA 분자를 프린트하여 시각화 할 수 있다. 게다가, 이 논문에서 은 나노닷은 나노케이지의 내부 크기를 측정하는 데에 사용되었다. 나노 입자를 위한 합성 용기로서, 나노케이지에 대한 내부 구조 특성화 연구는 중요해지고 있다. 우리는 은 나노닷 FRET 쌍을 통해 나노케이지의 크기를 빠르고 쉽게 측정할 수 있는 방법을 개발했고, 그 결과는 cryo-TEM을 통해 검증되었다. 또한, Triton X-100에 기반한 역마이셀에 대한 일관성 없는 보고는 은 나노닷 FRET 측정을 통해 명확해졌다. 이 방법은 미래에 단백질 기반 나노케이지와 같은 다른 나노케이지의 크기를 측정하도록 우리에게 영감을 준다. 은 나노닷은 연구 분야뿐만 아니라 교육 분야에서도 큰 관심을 받고 있다. 광물리학을 공부했던 경험이 있는 상급 학부생들이 들뜸 스펙트럼을 더 잘 이해할 수 있도록 하기 위해, 우리는 은 나노닷과 같은 일부 나노입자에서는 흡수 스펙트럼이 들뜸 스펙트럼을 나타낼 수 없음을 보여주었다. 들뜸 스펙트럼과 흡수 스펙트럼은 순수한 작은 분자로 특성화 될 때만 동일하게 나타난다.

Fabrication of Silver Nanocomposites using Poly(vinyl alcohol) System and Their Environmental Applications : 폴리비닐 알코올계를 이용한 은나노복합체의 제조 및 환경분야 응용

송주영 서울대학교 대학원 2014 국내박사

최근 나노 크기의 물질의 제조가 많은 관심을 받고 있다. 나노 물질은 최소한 한변이 1 에서 100 나노미터의 이내의 길이를 갖는 작은 물질을 뜻하며, 이러한 작은 크기로 인해 상대적으로 크기가 큰 물질에 비해 독특한 화학적, 물리적, 그리고 광학적 특징을 지니게 된다. 초기의 금 나노입자로부터 최근의 그래핀에 이르기까지 다양한 나노물질이 발견, 개발되고 다양한 분야에 걸쳐 연구되고 있다. 하지만 여전히 친환경적이고 간단한 방법을 이용해 나노 물질을 제조하는 연구에 관한 보고는 부족한 실정이다. 본 학위논문에서는 친환경적이고 간단한 방법을 통해 은 컴플랙스 나노구조체를 제조하는 연구를 기술하였다. 폴리비닐 알코올을 안정화 물질로 사용하여 할로겐화은 (염화은, 브롬화은) 나노입자를 물상에서 제조하였다. 또한 반응 온도를 조절함 으로써 이렇게 제조된 나노입자의 크기를 조절 할 수 있었다. 이 반응 방법에서, 폴리비닐 알코올은 은 이온과의 상호작용을 통해 나노 크기의 할로겐화은 입자를 제조하는 데에 있어 안정제 역할을 하였다. 부분적인 환원과정을 거쳐 금속 은 나노 입자가 박힌 할로겐화은 나노복합체를 제조할 수 있었고, 이렇게 제조한 나노복합체는 가시광 영역의 빛을 흡수하는 특성을 보였다. 또한, 가시광 하에서 우수한 플라스몬-광촉매 성능을 나타내었다. 본 연구를 통해 할로겐화은 지지체의 크기가 빛 흡수 영역에 영향을 미친다는 것을 밝혀내었다. 또한, 간단한 물-상의 제조방법을 통해 은을 함유한 고분자 나노섬유를 제조하였다. 은/폴리비닐 알코올 나노섬유를 제조하는데에 있어서, AIBN이 은 이온과 컴플랙스를 형성하는 것을 밝혀내었다. 이러한 컴플랙스는 AIBN의 시안기와 은 이온 사이의 상호작용에 의한것으로 사료된다. 라디칼 개시제이기도 한 AIBN은 이 반응에서 은 이온의 환원제로서의 역할도 수행하였다. 또한, 폴리비닐 알코올은 섬유형태의 나노구조체를 제조하는데에 있어서 겔레이터 및 안정제로 사용하였다. 이러한 반응을 거쳐 물 상에서 온화한 온도하에서 은/폴리비닐 알코올 나노섬유를 제조할 수 있었다. 더하여, 위의 반응에 항균성 고분자의 단량체를 첨가함으로써 은/폴리비닐 알코올/항균성 고분자의 나노섬유를 제조할 수 있었다. 이 방법에서는 AIBN이 분산 중합의 라이칼 개시제의 역할을 수행하였다. 이렇게 제조한 나노섬유는 항균제로서 응용되었다. 본 학위논문에는 간단하고 친환경적인 공정을 통해 은을 함유한 나노물질들을 제조하고 그를 응용하는 가능성에 대한 연구를 수행한 내용을 담았다. 폴리비닐 알코올은 은을 함유한 나노복합체를 제조하는데에 있어서 안전제 및 구조 형성 유도체로서의 역할을 하였다. 본 학위논문에서 제시한 나노 물질들은 항균, 광촉매 등의 환경분야에 응용이 가능할 것이다. 본 학위논문은 은이 박힌 할로겐화은 나노-광촉매와 은/고분자 나노섬유의 간단한 제조 방법을 제시할 뿐 아니라 금속을 함유한 나노복합체의 제조 과정에 대한 이해를 증진 시킬 수 있을 것으로 기대된다.