김기현 교수 연구팀과 성균관대학교 나노공학과 안성필 교수 연구팀은 천연 플라보노이드인 퀘르세틴(quercetin)을 활용하여, 생분해성·고통기성·피부친화성을 동시에 갖는 항바이러스 나노섬유 필터를 개발하고, 차세대 친환경 마스크 소재로서의 실용성을 입증하는 데 성공했다.

최근 COVID-19를 비롯한 호흡기 바이러스의 전 세계적 확산은 높은 여과 성능과 더불어 착용 편의성, 그리고 환경 지속가능성을 동시에 만족하는 개인 보호장비의 필요성을 크게 증가시키고 있다. 기존 마스크 필터는 높은 차단 효율을 확보하기 위해 두꺼운 구조를 가지는 경우가 많아 호흡 저항 증가 및 장시간 착용 시 불편함을 유발하며, 대부분 비분해성 소재로 구성되어 환경오염 문제를 초래한다.

이 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해, 천연 항바이러스 물질인 퀘르세틴(QU)과 생체적합성 고분자인 폴리에틸렌옥사이드(PEO)를 결합한 나노섬유 필터를 solution-blowing 공정을 통해 제작하였다. 해당 공정은 기존 전기방사 대비 고전압 장비가 필요 없고 생산성이 높아, 산업적 대량생산에 유리한 장점을 가진다.  개발된 QU/PEO 나노섬유 필터는 높은 다공성과 균일한 비직조 구조를 기반으로, PM0.5 기준 최대 96.2%의 미세입자 제거 효율과 낮은 압력 강하를 동시에 달성하여 기존 상용 마스크 필터보다 우수한 성능을 보였다. 또한 약 30 MPa 수준의 기계적 강도를 나타내며 내구성 또한 확보하였다. 특히 본 연구의 핵심은 필터 자체에 항바이러스 기능을 부여한 점으로, 퀘르세틴이 지속적으로 방출되면서 SARS-CoV-2 바이러스 감염을 효과적으로 억제하는 것을 확인하였다. 실제 실험에서 오미크론 변이를 포함한 SARS-CoV-2에 대해 유의미한 감염 억제 효과를 나타냈으며, 분자 도킹 분석을 통해 바이러스 주요 단백질(3CLpro) 및 ACE2 결합 인터페이스를 동시에 타겟하는 이중 작용 기전이 제시되었다. 더불어, 퀘르세틴은 항산화 및 항염 효과를 통해 피부 세포에서 ROS 감소, 염증성 사이토카인 억제, 콜라겐 분해 방지 등의 보호 효과를 나타내어, 장시간 착용 시에도 피부 자극을 최소화할 수 있는 소재임을 입증하였다. 또한 본 필터는 토양 환경에서 빠르게 분해되는 우수한 생분해성을 보여 기존 일회용 마스크의 환경 문제 해결에도 기여할 수 있는 친환경 소재로 평가된다.

이 연구는 고성능 필터링, 항바이러스 기능, 피부 안전성, 그리고 환경 지속가능성을 동시에 충족하는 차세대 개인 보호장비 소재를 제시한 것으로, 향후 마스크뿐 아니라 공기 정화 및 바이오필터 분야로의 확장이 기대된다.

이 연구 결과는 친환경 소재 및 에너지·환경 융합 분야의 상위 학술지인 EcoMat(Impact Factor 12.6)에 게재되었다.

논문명: Biodegradable, Breathable, and Skin-Friendly Solution-Blown Quercetin Nanofibers for Antiviral Nonwoven Filter