Biofilm is a very important issue because it can cause secondary infections in medical devices and decreasing the efficiency of various devices in the industrial field. For this reason, many researchers have made a lot of efforts to control biofilm. As a results, various antibiotics and antimicrobials have been produced. However, in the case of antibiotics, it is not good in terms of efficiency because it must be used continuously, and other antimicrobial substances do not have a great effect. That is why new antimicrobial substances are needed. Recently, graphene, a carbon nanomaterial, has been actively studied as a new antimicrobial substance. However, there are contradictions that graphene actually affects bacterial growth with certain mechanisms. In addition, since experiments with bacteria in dishes or wells are far from actual ones, there is a limit to obtaining results that are different from actual ones. In this thesis, we tried to solve the above problems. First, we tried to determine antimicrobial effect of graphene by oxidative stress which is known to be a major factor. As a result, it was confirmed that the higher the oxidative stress, the stronger the antimicrobial activity. Second, the microfluidic device was used to more precisely simulate the growth environment of the bacteria. The microfluidic device can precisely control the mechanical and chemical factors to create a dynamic environment. It is possible to simulate a dynamic environment in which there is flow, not a static environment such as dishes or wells. Finally, we tried to quantify the biofilm control in the actual flow environment of graphene by combining the graphene and the microfluidic device. As a result, it was observed that graphene had excellent antimicrobial activity even in the dynamic environment.
바이오 필름은 의료기기에 발생하여 2차감염을 일으킬 수 있고, 산업현장에서 다양한 장비들의 효율을 떨어뜨리기 때문에 이를 제어하는 것은 굉장히 주요한 사안이다. 그렇기 때문에 많은 연구자들이 먼저 바이오 필름을 모사하기 위하여 많은 노력을 해왔고, 다양한 항생제와 항균물질이 만들어졌다. 하지만 항생제의 경우에는 사용에 큰 제약이 존재하고, 다른 항균물질들은 크게 효과를 얻지 못해 새로운 항균물질이 필요한 실정이다. 최근 탄소나노물질인 그래핀이 새로운 항균물질로 그 연구가 활발하게 연구되고 있다. 하지만 실제로 그래핀이 어떠한 메커니즘으로 박테리아의 생장에 영향을 주는지 그 의견이 분분한 상황이며 또한 박테리아를 이용한 실험이 기존의 dish 혹은 well을 이용한 실제와는 거리가 먼 환경이기 때문에 항균성을 판단하는 실험에 많은 한계점이 존재한다. 본 학위논문에서는 앞서 말한 문제점들을 해결하고자 하였다. 우선 그래핀의 산화스트레스를 제어하여, 그래핀의 산화스트레스에 따른 항균성을 판단하고 이에 따른 메커니즘을 규명하고자 하였다. 그 결과 산화스트레스가 높으면 높을수록 강한 항균성을 띠는 것을 확인 할 수 있었다. 이후 박테리아의 생장환경을 보다 자세하게 모사하고자 미세유체소자를 이용하였다. 미세유체소자는 정밀한 기계적, 화학적 요인을 제어 할 수 있어 dish와 같은 정적인 환경이 아닌 유동이 흐르는 동적인 환경을 조성할 수 있는데 이를 이용하여 유동환경에서의 박테리아의 바이오필름 형성을 모사하였다. 마지막으로 그래핀과 미세유체소자를 결합하여, 그래핀의 실제 유동환경에서 바이오필름 방제를 정량화하고자 하였다. 그 결과 유동이 흐르는 동적인 환경에서도 그래핀은 뛰어난 항균성을 가지고 있는 것을 관찰 할 수 있었다.
