호흡기 질병 방어를 위한 항균마스크 기술개발 동향
2020-11-26
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최효직(hyojick)
- 개요
현재 마스크는 그 사용에 있어 제한적인 측면이 많이 있다. 대부분의 마스크는 일회용으로 만들어졌기 때문에 사용 후 바로 버려져야 한다. 하지만 공급의 부족과 가격인상으로 인해 재사용이 빈번해지고있다. 또한 현재 사용되고있는 마스크는 단순한 가림막으로, 바이러스와 박테리아와 같은 감염원이 마스크 표면에 오랜시간 머물며 이차 감염의 원인이 될 가능성이 있다. 따라서 항균 마스크의 개발은 현재 마스크가 가지고 있는 여러가지 문제를 완화 할 수 있는 하나의 방법으로 주목을 받고 있다. 항균 마스크는 마스크 표면에 접촉된 감염원을 효과적으로 비활성화 시켜 마스크를 통한 이차 감염 발생을 낮춰 호흡기를 통한 질병 감염으로부터 보호 및 안전성 향상에 크게 기여할것으로 예상된다. 또한, 재사용이 가능한 항균 마스크의 개발 및 공급으로 마스크의 공급 부족을 해결하고 가격 안정이 가능해질 것으로 전망된다.
- 호흡기 질병 보호장비의 종류 및 활용
- 정부규정, 테스트
한국 정부에서는 코로나바이러스 감염증-19 (코로나 19)로 인한 감염 확산을 예방하기 위하여 현재 대중교통 및 집회·시위장, 감염 취약계층이 많은 의료기관과 요양 시설·주야간보호 시설 등에서는 거리 두기 단계에 구분 없이 마스크 착용 의무화를 시행하고 있으며, 전 세계적으로도, 코로나 19로 인한 감염 예방을 하고자 대중교통, 공공장소, 혹은 사회적 거리 두기를 실행하기 힘든 실내에서 마스크의 착용을 의무화하고 있다 (1). 마스크의 착용 증가에 따라 마스크 제조에 대한 사람들의 관심도 함께 높아지고 있다. 한국 정부에서 규정하고 있는 마스크 제조의 지침은 보건용 마스크의 품질 관리를 위한 분진포집효율시험, 안면부 흡기저항시험 및 누설률 시험의 표준화된 시험법을 필요로 한다 (2). 분진포집효율시험은 마스크가 미세입자 및 감염원을 차단하는 효율로 시험 값이 클수록 차단율이 증가한다. 안면부 흡기저항시험은 숨을 들이쉴 때 마스크 안에 발생하는 내부의 저항으로 수치가 높을수록 마스크 착용 후 호흡이 어려울 수 있다. 누설률은 마스크와 안면 사이에 공기가 누출되는 비율로, 누설률이 증가하면 마스크와 안면 사이에 틈이 더 많이 발생한다는 것으로, 마스크의 효율이 떨어진다는 것을 의미한다. 위의 시험을 통해 외부로부터 흡입되는 이물질을 차단하는 정도를 측정하여 품목별 허가를 받아, 소비자가 알기 쉽게 사용할 수 있는 등급을 나누어 관리한다. 한국 정부에서는 보건용 마스크를 황사용 KF80과 방역용 KF94, KF99로 등급을 나누며, 이는 분집포집효율 시험에서 유해물질을 걸러주는 효율에 따라서 나눠진다. KF80은 평균 크기 0.6 µm의 미세입자를 80% 이상 차단하며, KF90과 94는 평균 크기 0.4 µm의 미세입자를 각각 90%, 94% 차단한다. 코로나 19 이전에는 마스크 제조에서 미국이 세계시장에서 주도적인 역할을 하였기 때문에 주로 미국의 시험을 기준으로 마스크의 제조와 품질을 결정하였다 (3). 수술용 마스크는 유체 저항 (fluid resistance), 차압 (differntial pressure), 인화성 (flammability) 및 필터링 효율성 (filtering efficiency)에 따라서 FDA의 승인을 받아야 한다. 이러한 마스크 제조에 대한 시험과, 마스크는 얼굴의 넓은 범위에 장시간 접촉하기 때문에 생체 적합성을 ISO10993 방법 (의료기기의 생물학적 평가) 에 맞도록 시험해야 한다. 유체저항 시험은 ASTM F 1862 에서 제시하는 방법을 따르며, 이는 마스크의 물질이 혈액 및 체액의 침투를 방어하는 능력을 시험한다. 차압 시험은 MIL-M-36945C 4.4.1.1.1 방법을 따르며, 차압은 마스크의 호흡성을 측정하여 마스크를 착용하였을때의 호흡능력을 측정한다. 인화성은 FDA에서 제시하는 세가지의 다른 시험 방법 중 한가지를 선탁하여 측정하여야 하며, 이는 수술실에 많은 점화원이 존재하기 때문에 가연성이 낮은 섬유를 사용해야 하는 것에 목적을 둔다. 필터링 효율성은 두가지의 다른 시험으로 미립자 여과 효율과 박테리아 여과 효과를 측정한다. 미립자 여과 효율은 ASTM F 1215-89 방법을 따르며, 이는 0.1 마이크론의 라텍스 미립자를 사용하여 침투량을 측정한다. 박테리아 여과 효울은 ASTM F2111-01 표준 검사법을 따르며, 에어로졸 형태의 포도상구균을 사용하여 여과 효율성을 측정한다.
- 필터 메카니즘
고분자 섬유를 기반으로 만들어진 필터는 다양한 크기의 직경과 크기로 이루어진 섬유로 구성되어 있으며, 이러한 필터의 메커니즘은 주로 차단하고자 하는 입자와 필터 섬유 사이의 상호작용으로 결정된다. 필터에서 외부 입자를 차단하는 주된 메커니즘은 입자의 크기에 따라 거르기 (straining), 관성 (inertia) 그리고 차단 (interception)이며, 확산 (diffusion)이나 필터가 전하를 가지고 있는 경우에는 정전기적 인력이 작용한다 (4). 거르기의 경우 입자들의 직경이 필터의 기공 사이즈보다 크기 때문에 그사이에 끼어 통과하지 못하는 경우를 뜻하며, 관성이란 입자들이 관성으로 인해 동일한 운동 방향으로 움직이다 마스터 필터 안으로 들어가는 경우를 뜻한다. 차단의 경우 입자의 크기가 관성에 의해 이동을 지속하기에는 다소 작은 경우 발생하며, 필터 사이를 떠다니다 필터와의 물리적인 접촉으로 인해 포획되게 된다. 확산이란 주로 가스 분자들과 입자가 부딪혀 입자의 이동속도가 느려지면서 필터 안에서 획득되는 경우를 뜻하고, 정전기적 인력이란 주로 중간 필터인, 전하를 띄고 있는 필터에 의해 생기는 현상으로 반대되는 전하를 띄는 입자와 반응하여 포획하는 것을 말한다. 또한, 전하를 띄고 있는 필터의 경우 유전 영동적 (dielectrophoretic effect) 작용으로 전하가 없는 입자 또한 포획할 수 있다 (4, 5).
- 호흡기 질환에 따른 마스크 선택
감염병이 확산되고 있는 환경이나, 직업적 다양성에 따른 환경에 따라서 마스크의 선택은 달라진다. 최근 코로나 19의 확산으로 인하여 마스크의 적절한 사용이 중요해지고 있다. 수술용 마스크는 주로 일반 마스크 (face mask)로 알려져 있으며, 수술용으로만 사용하고 있지는 않다. 수술용 마스크는 입자가 큰 방울이나 비말을 차단하는 것은 효과적이지만, 공기중의 작은 입자인 에어로졸을 차단하거나 거르기에는 효율적이지 못한다. 또한 수술용 마스크는 마스크가 얼굴에 완벽하게 밀착되지 못하므로, 세균 및 기타 오염 물질로부터 완벽하게 보호하지 못한다. N95 마스크는 얼굴에 완벽하게 밀착되고, 에어로졸을 효과적으로 여과시키기 때문에 주로 의료 환경에서 사용된다. 하지만, N95 마스크 장시간 착용시 호흡이 어려워 질 수 있으므로 호흡곤란을 일으키는 만성 호흡 질환이나 심장 질환을 가지고 있는 사람에게는 사용이 제한된다.
- 현재 사용되는 마스크의 특성 및 기술적 한계점
- 수술용 마스크
- 배경 및 제작 방법
- 수술용 마스크
수술용 마스크는 1900년대 수술하는 과정에서 발생하는 오염원의 입과 코를 통한 감염을 막기 위하여 처음 사용된 후 현재에는 5-100 mm 사이즈의 droplet 을 막기위하여 주로 사용되고 있다 (4, 5). 하지만 편의성과 저렴한 가격으로 인하여 수술용 마스크가 병원균을 함유한 에어로졸(<5-10 mm)을 막기 위하여 대중적으로 많이 사용되고 있다 (6). 이는 수술용 마스크가 기공사이즈 16-51 mm인 점과 에어로졸 사이즈를 필터하기 위한 목적으로 만들어 진것이 아님 점을 아닌 것을 생각하면 에어졸을 통한 호흡기 질병으로부터 보호를 위해서는 최적의 방법이 아니다 (7).
마스크는 총 3겹(안, 중간, 바깥)으로 구성되어있으며 주로 폴리프로필렌, 폴리티렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리에스터, 폴리우레탄, 폴리아미드와 같은 고분자 섬유로 생산된다 (8, 9). 그 중, 저렴한 폴리프로필렌이 가장 많이 사용되고 있다. 주로 중간 필터가 입자들을 필터하는 역할을 하며 안과 바깥 필터의 경우 중간 필터를 지지해주는 역할로 사용되고 있다. 이러한 다른 용도로 인해, 제작되는 방법에도 차이가 있다. 안 그리고 바깥 필터의 경우 스펀본드 (spunbond) 방법이 사용되며 중간 필터의 경우 멜트블로우 (meltblowing) 방법이 사용 된다 (8). 스펀본드 방법이란, 방적기 (spinneret) 을 통하여 폴리머를 얇은 가닥으로 뽑아낸 후 높은 온도에서 가닥들을 붙여주는 방법이다 (10). 반면 멜트블로우의 경우 스펀본드를 기반으로 한 방법이지만 필라멘트 형성시 폴리머가 녹을 정도의 높은 온도의 공기가 필요하다는 점과 필라멘트가 생기는 위치에 차이가 있다 (11).
- 성능
FDA에 따라 필터 효율 (filtration efficiency)의 경우 미립자와 박테리아를 이용한 두가지 테스트로 구성된다. 미립자 테스트의 경우 0.1 µm의 폴리스티렌을 사용하여 필터 효율을 측정하는 것이 권고되고, 박테리아 테스트의 경우 ASTM F2101-01 Standard Test Method for Evaluating the Bacterial Filtration Efficiency (BFE) of surgical masks using a Biological Aerosol of Staphylococcus aureus 방법으로 측정하는 것을 권장한다 (3).
필터의 최소 효율의 경우 NIOSH와 FDA의 지침에 따라 제조사에서 직접 테스트되며 (3, 12), 효과적인 정도의 필터 효율을 알아내기 위한 연구가 많이 진행되었다. 수술용 마스크의 경우, 0.3 µm의 옥수수 기름 에어로졸을 5와 100 L/min으로 노출할경우 필터 통과율이 25%와 65%로 나왔으며, 염화나트륨 에어로졸의 경우 NIOSH의 지침에 따라 진행했을 경우 71% 의 필터효율이 보여졌다 (13, 14). 전반적인 수술용 마스크 필터효율은 NIOSH 와 FDA에서 요구하는 최소 효율보다 낮았다.
- N95-마스크
- 배경 및 제작 방법
R 과 P시리즈에 이어, N시리즈 마스크가 1995년 NIOSH로부터 만들어졌다. N시리즈중 95%의 필터효율을 보이는 마스크를 N95 마스크라 부르고 있다. N95는 다른 P, R, N 시리즈 중 전반적으로 가장 낮은 효율을 가지고 있음에도 불구하고 흔하게 사용되고 있다 (15). N95 역시 안, 중간, 바깥 총 3겹으로 구성되어있으며, 세겹 모두 폴리프로필렌이 주성분이다 (16, 17). 수술용 마스크와 유사하게 N95 필터는 스펀본드 방법(안, 바깥 필터)과 멜트블로우(중간 필터)로 만들어지며 (16, 18), 중간 필터가 주로 필터의 역할을 하기 때문에 안, 바깥 필터보다 기공 사이즈가 작고 (22.7-24.1 mm) 두껍다 (1.77mm) (19, 20). 중간 필터는 필터 효과를 강화시키기 위해 주로 외부 전압 노출시키거나 혹은 전하를 띄는 섬유를 사용하여 만들기도한다. 전하를 띄는 섬유를 만드는 방법에는 corona charging, tribocharging, 와 electrostatic fiber spinning이 있으며 (21) 이중, 멜트블로우시 사용되는 방법은 플라스마 형성에 의한 corona charging 이다 (22, 23).
- 성능
N95 마스크의 성능은 NIOSH에 의해 평가되었으며, 0.1-0.3 µm의 입자를 가지고 진행된 테스트 에서 95-96% 의 필터 효율을 보여주었다. 비록 약 5% 정도의 한계가 있었으나 이또한 제조과정에서의 필터 공간변의성 (spatial variability) 을 고려하면 미미한 정도이다 (24). N95와 수술용 마스크를 0.04-1.3 mm의 분자로 테스트 한 결과 N95 을 필터효율이 수술용 마스크보다 8-12배 정도 높게 나왔다. 하지만, N95가 항상 높은 필터 효율을 갖는 것은 아니다. 오직 71%의 N95 만이 Occupational Safety and Health Administration (OSHA)에서 요구하는 최소 보호 레벨 10을 만족시켰다 (25). 그리고, 나노사이즈의 입자에 대한 N95의 필터효율을 보기 위하여, 10-600 nm 사이즈의 염화나트륨을 사용하여 테스트한 결과 5% 이상의 통과율을 보였고 MS2 바이러스를 (10-80 nm) 가지고 실험을 진행한 결과 필터 효율이 95% 보다 적게나왔다 (26). 또한, N95 필터의 상대적으로 높은 필터효율은 통기성을 대가로 하기때문에 장시간 사용이 어렵다. 병원에서 종사하는 직원들을 대상으로한 조사에서, 60%가 8시간 이상 N95 마스크를 사용하는것은 힘들다고 대답했다 (27). 또한 노년층이나 천식과 같은 질병을 가지고 있는 사람들에게는 낮은 통기성이 더욱 치명적일 수 있다 (28).
- Logistics/기술적 한계점
우선, 기존의 마스크가 가지고 있는 문제점들이 발견되고있다. 수술용 마스크의 경우에는 주로 큰 방울이나, 비말을 차단하므로 더 작은 크기의 입자에 대하여 낮은 여과 효율이 오랫동안 주된 문제가 되어왔다. 또한,잘못된 마스크 사용으로 인한필터 효과의 감소를 야기시킬 수 있다. 마스크를 제대로 착용하지 않을 경우 호흡하는 중 마스크의 틈 사이로 감염원이 침투 할 확률이 높다. 10 mm 보다 작은 입자들의 경우 그 틈으로 수술용 마스크는 5-6 배 그리고 N95는 10배 정도 입자 통과율이 증가 할 수 있다 (29). 또한, 마스크 자체에 항균효과가 없어 마스크를 통한 감염이 가능하다는 것이다. 바이러스나 미생물들이 마스크 표면에서 몇시간부터 몇일까지 생존이 가능하기 때문에, 표면에 부착된 감염원들에 의하여 감염이 진행될 수 있다 (30). 필터에 붙은 에어로졸의 경우에도 이러한 감염의 원인이 되기도한다. 표면의 에어로졸의 경우 마스크를 떨어트리거나 하는 행동에 의하여 다시 에어로졸화 될 가능성이있다. 한 연구에 따르면, 0.002-0.012%의 N95 마스크에 붙은 1.15 mm 사이즈의 입자가 0.76 m에서 떨어트림으로 인해 다시 에어로졸로 변하여 방출됬다고 한다 (31). N95 마스크의 경우, 마스크를 통한 미세입자 차단 효과는 크지만, 마스크의 구조상 호흡곤란을 일으킬 가능성이 높으며, 호흡으로 인한 마스크 내부의 열축적이 높다는 단점이 있다. N95가 더욱 효과적이지만, 이러한 단점으로 인하여 사람들은 수술용 마스크의 착용을 더욱 선호하는 경향을 보인다.
현재, 마스크의 사용은 교차 감염을 방지하기 위하여 일회용으로 제한되어있다. 마스크의 수요 부족으로 인하여 마스크를 재활용하기 위한 다양한 살균방법이 연구되어지고 있지만, 그에 따른 부작용과 단점으로 인해 적용에 제한이있다. 예를들어, 고압멸균처리기, 160 °C의 건조한 열, 70% 이소프로판올, 비누와 물 등이 마스크의 살균을 위하여 사용되었지만, 이는 모두 필터의 여과 효율을 감소시키는 역효과를 가져왔다 (32). 에틸렌옥사이드를 이용한 살균에서는, 에틸렌옥사이드가 마스크의 고무부분과 만나 유독물질인 2-하이드록시에틸 아세테이트 생산해 내었다. 또한, 표백제, 산화제, Dimethyldioxirane (DMDO)가 테스트 되었지만, 독한 냄새와 staples/nosepiece와의 부적합성으로 사용되지 못하고 있다 (33). 마스크의 재활용은 마스크 수급 문제를 완화시킬 수 있고, 유해 폐기물을 줄일 수 있다는 이점때문에, 이에 대한 더 많은 연구가 진행되어 왔지만, 올바른 재사용 방법은 아직 도출되지 않았다.
- 현재 기술동향 (항균 마스크의 기술 동향)
위의 단점을 개선하기 위하여 필터 효율을 높이면서 통기성을 높일 수 있는 다양한 연구가 진행되고있다. 대표적인 예로는 플라스마 처리를 통해 전하를 띄는 나노섬유를 마스크의 소재로 사용하는 것이다. 그러나, 마스크의 오염과 그에 따른 감염 이라는 한계가 여전히 남겨져있다. 따라서, 병원균을 효과적으로 비활성화 할 수 있는 필터를 개발하여, 재활용이 가능하고, 마스크를 통한 감염률을 줄이는 것이 중요하다. 바이러스를 비활성화 시키기 위해서, 할로겐, 금속, 4차 암모늄이온 혼합물, 항원항체, 소금코팅 등 다양한 항균성 물질이 처리된 마스크가 많이 연구되어왔다. 하지만, silver/copper, 활성산소, iodine, 티타늄다이옥사이드을 기반으로한 항균기술은 MS2 바이러스 비활성화를 보여주지는 못했다 (34). 마스크 필터화 항원과 특이적으로 결합하는 항체의 합성은 다양한 장접이 있었지만 바이러스 에어로졸에 관한 느린 비활성화 효과 그 사용이 제한됬다 (35). 감염원을 비활성화 시키는 필터 개발은 여러가지의 다른 조건을 충족시켜야 한다. 첫째로 특정한 감염원을 대상으로 하지 않고 다양한 종류의 감염원을 효과적으로 비활성화 할 수 있어야 한다. 두번째로 보호장치의 구조가 복잡하지 않아야 한다. 이는 보호장치 제조에 많은 시간을 소요하지 않고, 수요가 많은 시기에 적절하게 공급이 가능해야 한다. 세번째로 교차감염을 방지하기 위한 감염원의 비활성화가 빠른 시간안에 완료되어야 한다. 2015년 연구에 따르면 평균적으로 사람은 1시간동안 23번 얼굴을 만지기 때문에 감염원의 빠른 비활성화는 교차감염을 예방하기 위한 최선의 방법이 될 것이다 (36).
새로운 항균 마스크로 최근, 마스크에 코팅된 소금이 재결정 (salt recrystallization)을 형성하며 바이러스 및 박테리아의 종류와 관계없이 호흡기 질병 병원균을 물리적으로 몇분 이내에 파괴한다는 것이 알려졌다. 이러한 비특이적 반응은 앞으로 발생할 다양한 유행병에 대처하기 위한 좋은 방법으로 생각되며 현재 연구중에 있다.
5. 맺음말
항균 마스크로써의 역할을 제대로 하기 위해서는 세가지 요인이 중요하게 작용한다. 첫째, 비활성화 메카니즘은 이차감염을 막기위해 최대한 빨리 진행되어야한다. 사람들은 최소 4분 마다 얼굴을 만지는 경향이 있다 하지만 이것이 오염된 마스크의 표면을 만진 후 이루어 진다면 마스크 접촉으로 인한 감염이 일어날 수 있다. 둘째, 유행하는 병원균의 종류를 미리 예측하기 힘듬으로 비활성화는 그 종류에 상관없이 이루워져야한다. 따라서, 항체가 결합된 마스크는 특이적인 항원만을 타겟으로 하기 때문에 유행병의 발병과 같은 긴급상황에서는 이용이 제한 될 수 있다. 셋째, 다른 장치가 필요없이 비활성화가 이루어져야한다. 유행병 발생을 대비하여 시간이 많이 소요되거나 가격이 높은 방법은 피하는 것이 좋다.
예상 불가한 유행병과 이로인한 경제적 사회적 영향은 국가적이고 세계적인 차원에서 큰 도전과제이다. 기술적인 혁신과 통합적인 계획을 위한 여러 분야에서의 신속하고 결합된 반응만이 이러한 위험에서 사람들을 보호 할 수 있게 해준다. 중요한 기술적 요소라고 여겨짐에도 불구하고, 호흡기 보호를 위한 장비의 혁신은 굉장히 드물다. 우리는 효율적인 병원균 비활성화를 위한 방안이 현재 존재하고 있는 기술적(접촉으로 인한 감염, 병원균 통제) 그리고 비기술적 (공급 부족, 정책, 비용) 문제들을 해결해 줄 것이라 예상한다.
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