메모리폼과 라텍스 매트리스 재질에 따른 항균 활성 비교 평가

Introduction

국민생활시간조사에 따르면 한국인은 하루 중 약 34%의 시간을 수면에 사용한다 [1]. 수면 환경에는 집먼지진드기, 세균, 진균 및 먼지 입자 등 다양한 오염원이 존재하며, 장시간 노출될 경우 알레르기 비염, 천식, 아토피 피부염과 같은 알레르기 질환을 유발하거나 악화시킬 수 있다 [2]. 또한 이러한 오염원에 대한 노출은 수면의 질 저하, 수면호흡장애, 수면시간 단축 등 수면 관련 문제에도 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다 [3, 4]. 따라서, 수면 환경에 존재하는 다양한 오염원을 관리하고 노출을 최소화하는 것이 중요하다.

매트리스는 수면 환경에서 인체와 장시간 밀접하게 접촉하는 생활용품으로, 다양한 생물학적 오염원이 매트리스 표면 및 내부에 축적될 수 있다. 수면 중 배출되는 체액의 축적과 인체에서 전달되는 체열로 인해 고온 다습한 환경이 형성될 수 있으며, 이는 곰팡이의 증식을 촉진하는 요인으로 작용한다 [5]. 또한, 사람의 피부, 구강, 장 등에서 유래한 세균이 매트리스 표면에 낙하하여 부착될 수 있으며 [6], 매트리스의 다공성 구조는 표면에 축적된 미생물이 내부로 침투하기 쉬운 조건을 제공한다. 특히 매트리스는 일반적으로 7-10년 동안 장기간 사용되며 세탁이 어렵기 때문에 사용 기간이 길어질수록 미생물의 축적 및 증식 가능성이 높아질 수 있다. 따라서, 매트리스 환경에서 미생물의 오염 및 증식 특성을 평가하는 것이 필요하다.

매트리스 환경에서 검출되는 미생물은 크게 세균과 진균으로 구분되며, 세균은 다시 그람양성균과 그람음성균으로 분류된다. 선행 연구에서 침실 먼지의 미생물 군집을 분석한 결과, Staphylococcus, Micrococcus, Corynebacterium 등 그람양성균이 우세하게 검출되었으며 [7], 침구에서는 Aspergillus spp., Penicillium spp. 등의 진균 또한 주요 구성 미생물로 확인되었다 [5]. 또한, 매트리스 표면에서는 그람양성균에 해당하는 Staphylococcus aureus와 그람음성균인 Klebsiella pneumoniae 등의 세균이 검출되는 것으로 보고되었다 [8]. 이러한 결과는 매트리스가 세균 및 진균을 포함한 다양한 미생물의 서식 환경임을 보여준다.

매트리스는 다양한 소재로 구성되며, 그중 메모리폼과 라텍스는 대표적으로 널리 사용되는 핵심 소재이다. 메모리폼은 점탄성이 높아 신체에 밀착되지만 상대적으로 통기성이 낮아 열과 수분을 가두기 쉬운 특성을 가지는 반면, 라텍스는 다공성 구조를 가져 공기 순환과 수분 배출이 비교적 원활하다는 특성을 가진다. 이러한 매트리스 재질 간의 차이는 매트리스 표면 및 내부의 공기 흐름과 수분 분포 등 미생물의 증식 환경에 차이를 만들어낼 가능성이 있다. 따라서 두 재질이 미생물 오염 및 증식에 미치는 영향을 파악하는 것이 중요하다.

기존 연구에서도 매트리스를 대상으로 항균 활성을 평가한 연구가 수행된 바 있으나, 대부분 항균 물질이 코팅된 매트리스나 매트리스 항균 커버의 미생물 저감 효과를 평가한 연구로, 매트리스 재질 자체의 고유한 항균 특성을 정량적으로 평가한 연구는 부족한 실정이다 [9, 10]. 또한, 라텍스는 천연 유래 소재로서 항균 및 항진균 특성을 가지는 것으로 알려져 있으나, 실제 수면 환경을 모사한 조건에서 항균 활성을 정량적으로 평가한 연구는 제한적이다 [11]. 이에 본 연구에서는 매트리스의 핵심 소재인 메모리폼과 라텍스의 항균 활성을 정량적으로 평가하여, 매트리스 재질의 물리화학적 특성이 미생물의 감소에 미치는 영향을 규명하고자 한다. 또한 실제 수면 환경을 모사하기 위해 인공 침과 인공 땀을 첨가한 조건에서 실험을 수행함으로써, 체액 등 유기물이 매트리스 재질의 항균 특성에 미치는 영향을 함께 평가하고자 한다.

Methods

2. 시험균주 접종

시험은 접종균액의 농도와 첨가물 유무에 따라 총 4가지의 조건에서 수행되었다(Table 1). 접종균액은 전배양된 시험균주를 0.85% 생리식염수를 이용해 단계적으로 희석하여 조제하였다. 표준 농도는 ISO 20743:2021 기준을 따랐으며, 저농도 접종액은 표준 농도의 1/10 농도로 희석하여 준비하였다. 모든 시험 조건에서 시험균주의 균액 내 균일한 분산을 위하여 비이온계면활성제 Tween 80 (0.05%)를 첨가하였다. 첨가물은 조건 2와 조건 4에서만 첨가되었으며, 사람의 실제 수면 환경을 모사하기 위해 DIN 53160-1에 따른 인공 침(Artificial saliva; TMABIO, TB3160, Lot No. 2508220002)과 인공 땀(Artificial human sweat; TMABIO, TB0751, Lot No. 2508220001) 원액을 혼합하여 사용하였다. 표준농도 및 저농도 기준 범위에 따라 제조된 접종균액에 인공 침과 인공 땀을 혼합하여 접종균액, 인공 침 및 인공 땀의 비율이 2:1:1이 되도록 접종액을 제조하였으며, 최종 접종균액 농도 또한 기준 범위 내에서 유지하였다. ISO 20743:2021에 따라 시험의 재현성을 위해 대조편, 메모리폼 시험편, 라텍스 시험편 각 3개씩 총 9개의 시험편에 제조된 접종균액을 0.5 mL씩 접종하였다. 접종균액은 각 대조편 및 시험편 중앙에 천천히 접종하여 흐르지 않도록 하였다.

Table 1.

Classification of the four test conditions

접종이 완료된 시험편은 배양기(Incubator)에서 37 ± 1 ℃ 조건에서 19-21시간 동안 배양하였다. 배양 종료 후 중화용액 50 mL를 첨가하여 시험편에 부착된 균을 회수하였으며, 회수액을 균일하게 혼합한 후 단계별 희석을 실시하여 각 균주에 적합한 Agar 배지에 한천평판혼합법으로 접종하였다. 접종된 평판은 Incubator에서 37 ± 1 ℃ 조건에서 24-48시간 동안 배양하였다.

Results and Discussion

4종의 시험균주(Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Escherichia coli, Candida albicans)에 대 하여 4가지 시험 조건에서 메모리폼과 라텍스 시험편의 항균 활성을 평가한 결과를 Table 2에 제시하였다. 표에 제시된 각 값은 3개의 시험편과 대조편을 반복 시험하여 얻은 값들의 평균값에서 산출되었다. 3회 반복 시험의 평균값과 표준편차는 Supplementary Table 1에 제시하였다.

Table 2.

Growth values and antimicrobial activity values of memory foam and latex materials against four microorganisms

매트리스 재질에 따른 항균 활성을 비교한 결과, 모든 시험균주 및 시험 조건에서 라텍스 시험편에서 항균활성값이 현저히 높게 나타났다. 라텍스 시험편은 모든 시험균주와 시험 조건에서 항균활성값이 3 이상으로 나타나 99.9% 이상의 높은 미생물 감소율을 보인 반면, 메모리폼 시험편은 Candida albicans의 일부 조건을 제외하고 항균활성값이 1 미만으로 나타나 전반적인 항균 활성이 미미한 수준이었다. 라텍스 시험편의 항균활성을 균주별로 살펴보면, Klebsiella pneumoniae와 Escherichia coli에서는 모든 시험 조건에서 항균활성값이 5 이상으로 나타나 99.999% 이상의 매우 높은 미생물 감소율을 보였다. Candida albicans에서도 모든 시험 조건에서 항균활성값이 4 이상으로 나타나 높은 항진균 활성이 확인되었으며, Staphylococcus aureus의 경우도 항균활성값이 모든 조건에서 3 이상으로 나타났다. 라텍스는 고무나무(Hevea brasiliensis)의 유액에서 얻어지는 천연 고분자 물질로, 헤베인(Hevein)을 비롯한 키틴결합 단백질(Chitin-binding proteins), 키티나아제(Chitinase), β-1,3-글루카나아제(β-1,3-glucanase) 등 다양한 항균 단백질과 효소를 포함하고 있다 [12]. 이러한 성분들은 미생물 세포벽의 주요 구성 성분인 키틴이나 β-글루칸과 결합하여 세포벽 형성을 저해함으로써 항균 및 항진균 활성을 나타내며, 특히 헤베인 은 여러 진균에 대해 강한 항진균 활성을 나타내는 것으로 보고되어왔다 [11, 13]. 또한 라텍스는 소수성 표면을 가지므로 미생물 세포벽의 친수성 성분과의 접촉이 제한되어 미생물의 표면 부착 및 생물막 형성을 억제할 수 있다 [14]. 이러한 물리화학적 특성들이 라텍스 시험편의 높은 항균 활성에 기여한 것으로 판단된다.

메모리폼 시험편에서는 Candida albicans를 제외한 모든 균주에서 시험 조건에 관계없이 항균활성값이 1 미만으로 나타났다. 메모리폼은 폴리우레탄을 이용하여 합성된 고분자 소재로 다공성 구조를 가지나, 특유의 높은 밀도와 점탄성으로 인해 신체와 밀착 시 내부 공기 순환이 제한된다. 이러한 구조적 특성은 열과 땀을 내부에 가두어 체류 시간을 늘리며, 결과적으로 미생물 증식에 매우 유리한 고온 다습한 환경을 형성하게 된다 [15]. 또한 폴리우레탄은 고유한 항균 특성을 가지지 않는 소재이기 때문에 미생물이 증식할 때 자체적인 항균 작용을 기대하기 어렵다. 이러한 특성으로 인해 메모리폼 시험편에서는 라텍스 시험편에 비해 전반적으로 낮은 항균 활성이 나타난 것으로 판단된다.

시험 조건별로 분석한 결과, 접종 농도에 따른 비교에서 라텍스 시험편은 Staphylococcus aureus를 제외한 모든 균주에서 표준 농도 조건(조건 1, 2)이 저농도 조건(조건 3, 4)에 비해 높은 항균활성값을 보이는 경향이 나타났다. 이는 라텍스에 존재하는 항균 단백질 및 효소의 작용이 농도 의존적으로 나타나기 때문이다 [16]. 반면 메모리폼 시험편에서는 Candida albicans에서 표준 농도 조건(조건 1, 2)보다 저농도 조건(조건 3, 4)에서 항균활성값이 1 이상으로 높게 나타났다. Candida albicans는 키틴과 β-글루칸으로 구성된 다층 세포벽을 가지며 세균에 비해 상대적으로 성장 속도가 느린 것으로 알려져 있다 [17]. 이러한 특성으로 인해 저농도 접종 조건에서는 표준 농도에 비해 변동성이 크게 나타날 수 있다. 따라서 메모리폼에서 관찰된 일부 항균활성은 소재의 고유한 항균 효과보다는 진균의 생장 특성과 저농도 접종 조건의 영향에 의한 결과일 가능성이 있다.

첨가물 유무에 따른 비교 결과, 라텍스 시험편에서는 Staphylococcus aureus에서만 첨가물이 없는 조건(조건 1, 3)이 첨가물이 포함된 조건(조건 2, 4)에 비해 더 높은 항균활성값을 나타냈으며, 다른 균주에서는 첨가물 유무에 따른 뚜렷한 차이가 관찰되지 않았다. 일반적으로 침이나 땀과 같은 유기물은 미생물의 영양원으로 작용하거나 항균 물질의 작용을 저해하여 항균 활성을 감소시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 본 연구에서는 Staphylococcus aureus에서만 첨가물의 영향이 상대적으로 뚜렷하게 나타났는데, 이는 해당 균주의 세포벽의 구조적 특성과 관련된 것으로 판단된다. Staphylococcus aureus는 그람양성균으로 약 20-40 nm 두께의 펩티도글리칸 층으로 이루어진 두꺼운 세포벽을 가지며, 이러한 구조는 외부 물질의 침투를 제한하여 항균 물질에 대한 상대적인 저항성을 나타낼 수 있다 [18]. 이에 따라 라텍스에 의한 항균 작용이 상대적으로 제한되면서 첨가물 유무에 따른 차이가 보다 뚜렷하게 나타났을 가능성이 있다. 반면, 그람음성균인 Klebsiella pneumoniae와 Escherichia coli, 그리고 진균인 Candida albicans에서는 라텍스 자체의 항균 활성이 강하게 나타나 첨가물의 영향이 상대적으로 미미한 것으로 해석된다. 메모리폼 시험편에서는 모든 시험균주 및 조건에서 첨가물 유무에 따른 유의한 차이가 관찰되지 않았다.

본 연구는 몇 가지 한계점을 가진다. 첫째, 본 연구는 실험실에서 통제된 조건 하에 수행되어 실제 수면 환경에서 나타나는 다양한 환경 요인을 충분히 반영하지 못하였다. 체액을 모사한 조건을 시험에 포함하였으나, 실제 수면 환경에서는 온도 및 습도의 변화, 인체와의 반복적인 접촉, 먼지 및 유기물의 축적 등 미생물 증식에 영향을 미칠 수 있는 다양한 요인이 존재한다. 따라서 향후 연구에서는 이러한 요인을 보다 폭넓게 반영한 시험 조건의 설정이 필요하다. 둘째, 본 연구에서는 단기 배양 조건에서의 미생물 감소율을 기준으로 항균 활성을 평가하였기 때문에 장기간 사용에 따른 항균 특성의 변화를 충분히 확인하기 어려웠다. 매트리스는 장기간 사용되는 생활용품으로 사용 기간의 경과에 따라 미생물 증식 환경이나 재질의 특성이 변화할 가능성이 있다. 이에 따라 향후 연구에서는 장기 사용 조건을 반영한 평가가 필요하다. 셋째, 본 연구는 ISO 20743:2021에 따라 시험을 수행하였으나, 해당 규격이 표준 접종 농도를 1×10⁵ ~ 3×10⁵ CFU/mL의 범위로 규정하고 있어 조건 간 접종 농도 차이가 결과에 영향을 미쳤을 가능성이 존재한다. 다만 동일 조건 내 대조편과 시험편에 동일한 접종액이 사용되었으며, 표준 농도 조건의 초기 접종 농도는 5.21 ± 0.20 log CFU/mL, 저농도 조건은 4.18 ± 0.15 log CFU/mL로 조건 간 편차가 작아 결과 해석에 미치는 영향은 제한적인 것으로 판단된다. 마지막으로 본 연구에서는 4종의 시험균주를 사용하여 실제 매트리스 환경에 존재하는 다양한 미생물 군집을 충분히 반영하지 못하였다. 특히 진균의 경우 Candida albicans 한 종만을 포함하여 평가하였기 때문에 메모리폼 시험편의 저농도 조건에서 관찰된 결과가 재질의 물리화학적 특성에 의한 것인지 해당 진균의 생장 특성에 기인한 것인지 명확히 구분하기 어렵다. 따라서 향후 연구에서는 다양한 세균 및 진균 종을 포함한 미생물 군집 수준에서의 평가가 필요할 것으로 판단된다.

이러한 한계점에도 불구하고, 본 연구는 메모리폼과 라텍스 소재 자체의 항균 특성을 동일한 시험 조건에서 정량적으로 비교 평가하였다는 점에서 의의를 가진다. 또한, 본 연구는 ISO 20743:2021 기준에 따라 라텍스와 메모리폼 재질의 항균 활성을 체계적으로 비교하였으며, 실제 수면 환경을 모사하기 위해 인공 침과 인공 땀을 첨가한 조건을 포함함으로써 보다 현실적인 평가를 시도하였다는 점에서 차별성을 가진다. 본 연구의 결과는 수면 환경에서의 미생물 노출 저감을 위한 매트리스 소재 선택의 근거 자료로 활용될 수 있으며, 향후 수면 위생 관련 연구 및 매트리스 항균 성능 평가를 위한 기초자료로서 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

Conclusion

본 연구는 매트리스의 핵심 소재인 라텍스와 메모리폼을 대상으로 세균 및 진균에 대한 항균 활성을 정량적으로 비교 평가하였다. 모든 시험균주 및 시험 조건에서 라텍스 소재는 메모리폼에 비해 일관되게 높은 항균 활성을 나타내어, 매트리스 소재의 물리화학적 특성이 수면 환경에서의 미생물 증식 및 노출 수준에 영향을 미칠 수 있음을 시사한다. 또한 실제 수면 환경을 모사한 조건에서 항균 활성을 평가함으로써, 체액 등 유기물이 매트리스 재질의 항균 특성에 미치는 영향을 함께 확인하였다. 본 연구의 결과는 수면 환경에서의 미생물 오염 관리 및 매트리스 소재 선택을 위한 근거 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대되며, 나아가 매트리스 관련 항균 특성 연구의 확장에도 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

Acknowledgments

본 연구는 주식회사 센스맘의 민간지원사업(과제 번호: 900-20250085)의 지원으로 수행되었습니다.

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