Untitled 56 Soá 6 naêm 2018 KH&CN nước ngoài Những nguồn nhiễm khuẩn do chăm sóc y tế Ngày nay, nhiễm khuẩn do chăm sóc y tế (healthcare associated infections, HCAIs) đang được xem là một trong những[.]
KH&CN nước Tổng hợp lớp phủ hợp kim kháng khuẩn kỹ thuật mạ điện Tại bệnh viện trung tâm chăm sóc sức khỏe, vi khuẩn gây bệnh bám vào tường hay bề mặt đồ vật quen thuộc tay nắm cửa, tay vịn giường… từ lan truyền đến bệnh nhân thơng qua đường tiếp xúc trực tiếp hay gián tiếp Vì vậy, nhiều nhà khoa học giới đề nghị phát triển lớp phủ có khả kháng khuẩn nhằm kiểm soát hiệu hội chứng nhiễm khuẩn chăm sóc y tế Gần đây, nhóm nghiên cứu TS Lone Gram thuộc Khoa Công nghệ sinh học Y sinh (Đại học Công nghệ Đan Mạch) tiến hành tổng hợp lớp phủ hợp kim đồng - bạc vật liệu thép không gỉ phương pháp mạ điện, vốn phương pháp đơn giản, có chi phí thấp, dễ dàng triển khai quy mơ cơng nghiệp Kết thực nghiệm cho thấy, nhóm nghiên cứu thành công việc tạo bề mặt hợp kim kháng khuẩn hiệu quả, có khả ngăn cản gần hồn tồn q trình bám dính hai chủng vi khuẩn Staphylococcus aureus Escherichia coli Những nguồn nhiễm khuẩn chăm sóc y tế Ngày nay, nhiễm khuẩn chăm sóc y tế (healthcare-associated infections, HCAIs) xem nguyên nhân gây tử vong cho bệnh nhân trình nhập viện điều trị Trung tâm ngăn ngừa kiểm sốt dịch bệnh châu Âu ước tính thời gian từ năm 2011 đến 2012, ngày có 81.000 bệnh nhân bị ảnh hưởng HCAIs bệnh viện châu Âu, năm có 3,2 triệu người bị nhiễm khuẩn có nguồn gốc từ bệnh viện [1] Tương tự, vào năm 2014, thống kê cho thấy khoảng 8% bệnh nhân nhập viện ngày sở chăm sóc sức khỏe có vấn đề liên quan đến HCAIs [2] Đến năm 2015, số tăng lên 8,3% [3] Nhiều nghiên cứu nhận định vấn đề liên quan đến HCAIs nhiễm trùng đường tiết niệu, viêm phổi, biến chứng sau phẫu thuật… với tần suất cao thường có mối liên hệ với thiết bị sử dụng điều trị, đến từ nhiều loại vật dụng, nội thất khác bệnh viện (tay vịn giường bệnh, khung cửa, tay nắm…) vốn có khả chứa vi 56 khuẩn, vi trùng dễ dàng trở thành phương tiện lan truyền lây bệnh (hình 1) Thật vậy, việc vi khuẩn dễ dàng bám vào nhiều bề mặt khác dẫn đến hình thành khu vực lây nhiễm đặc biệt, có độ nhạy thấp với tác nhân kháng khuẩn [4] Do đó, bề mặt có khả giảm đến mức tối thiểu ngăn chặn hoàn tồn bám dính vi khuẩn đề nghị giải pháp hiệu giúp kiểm soát HCAIs Hình Nguồn vi khuẩn tiềm ẩn từ vật dụng thơng thường bệnh viện Số năm 2018 KH&CN nước Phát triển bề mặt phủ đồng để diệt khuẩn protein giết chết vi khuẩn [10] Xuất phát từ định hướng đó, phương pháp xử lý bề mặt với tác nhân kháng khuẩn phát triển nhiều nhà khoa học giới Giữa nhiều vật liệu khác nhau, bề mặt phủ đồng ứng viên tốt đặc tính diệt khuẩn vốn có đồng [5, 6], đặc biệt môi trường mà kỹ thuật vệ sinh thông thường không đủ khả kiểm soát ngăn chặn lây lan vi khuẩn, tác nhân gây bệnh phát triển kháng lại hóa chất tẩy rửa thường dùng [5] Theo Hans cộng sự, phơi bề mặt đồng khơng khí khơ, đồng bị oxy hóa [7] Tuy nhiên, oxy hóa khơng làm suy giảm khả kháng khuẩn đồng, lớp phủ đồng phù hợp cho mục đích bảo vệ bề mặt khỏi vi khuẩn thời gian dài Mặt khác, đồng nguyên tố với hàm lượng vết diện thể người, cần thiết cho loạt trình sinh học diễn thể sống Cho đến thời điểm tại, 30 loại protein chứa đồng phát triển [5] Vì vậy, đồng hợp kim đồng đồng đen đồng thiếc sử dụng rộng rãi ứng dụng có tiếp xúc với da đồ trang sức, đồ điện tử… Thú vị hơn, kể từ hoạt tính kháng khuẩn đồng tìm ra, nhiều vật dụng đồng hợp kim đồng tay nắm cửa, đồ đạc phòng tắm, bàn ghế, tay vịn… ngày thu hút quan tâm thị trường Theo nhiều nghiên cứu, hoạt tính kháng khuẩn đồng đến từ khả chuyển đổi thuận nghịch hai trạng thái oxy hóa Cu+ Cu2+ Cụ thể, ion đồng chuyển hóa từ Cu2+ qua Cu+ ngược lại điều kiện sinh học thích hợp [6] Ở đó, Cu+ xem độc vi khuẩn Cu2+ [8] Ion Cu+ tác nhân nhạy Fenton, q trình oxy hóa từ Cu+ lên Cu2+, ion sản sinh gốc tự có tính oxy hóa mạnh, oxy hóa hồn tồn phân tử protein vi khuẩn [9] Bên cạnh đó, ion đồng tự nồng độ cao cơng vào cụm cluster Fe-S protein - kim loại, chẳng hạn cụm cluster Fe-S vi khuẩn Escherichia coli, chiếm vị trí kim loại, dẫn đến làm chức Gần đây, bề mặt phủ đồng phương pháp phun lạnh chứng minh có khả tiêu diệt hiệu vi khuẩn Staphylococcus aureus, vốn kháng methicillin nhờ vi cấu trúc đồng thúc đẩy khuếch tán ion Cả hai loạt thử nghiệm, phòng thí nghiệm mơi trường lâm sàng cho thấy bề mặt hợp kim đồng kháng khuẩn hiệu hẳn so với vật liệu kháng khuẩn tiêu chuẩn sử dụng bệnh viện với tốc độ lây nhiễm giảm 58% [11] Lớp phủ kháng khuẩn dựa hợp kim đồng - bạc Tương tự đồng, khả kháng khuẩn bạc biết đến rộng rãi qua nhiều kỷ Hiện tại, bạc sử dụng tác nhân diệt khuẩn nhiều vật liệu sinh học khác nhau, bao gồm ống thông tiết niệu, băng vết thương xi măng xương [12] Bạc vốn độc tính với vi khuẩn, có khả ngăn cản vi khuẩn phát triển cách làm hoạt tính protein màng tế bào vi khuẩn nhờ tương tác kết nối bạc với nhóm thiol diện protein [13] Chính thế, số nhà khoa học có ý tưởng kết hợp bạc đồng để tạo thành lớp phủ kháng khuẩn Thực tế, sau kết hợp, hỗn hợp ion đồng bạc cho thấy khả ức chế hiệu vi khuẩn Legionella pneumophila nước [14] Đồng thời, màng mỏng đa lớp đồng - bạc phủ lên polymer ứng dụng ống thông tiết niệu tỏ hiệu việc chống lại vi khuẩn Pseudomonas aeruginosa [15] Giữa hợp kim khác đồng bạc, hợp kim bạc sterling (92,5% khối lượng Ag 7,5% khối lượng Cu) hợp kim biết đến nhiều nhất, sử dụng rộng rãi trang sức nhờ khả tăng cường độ bền cho trang sức diện kim loại đồng Trong đó, hợp kim khác với hàm lượng đồng dao động từ 50-94% thường ý giới hạn độ tan thành phần (8,8% khối lượng Cu nằm pha giàu bạc 8% khối lượng Ag pha giàu đồng điểm eutecti) Gần đây, Hans chứng minh việc phủ hợp kim đồng - bạc với hàm lượng Ag 10% lên thép không gỉ thơng qua q trình tẩm ốp với hỗ trợ laser tạo bề mặt kháng hiệu vi khuẩn Escherichia coli [16] Tuy nhiên phương pháp phức tạp, địi hỏi chi phí vận hành cao, chưa triển khai rộng rãi thực tế Từ kết trên, nhóm nghiên cứu TS Lone Gram thuộc Khoa Công nghệ sinh học Y sinh (Đại học Công nghệ Đan Mạch) đề nghị sử dụng phương pháp mạ điện để tổng hợp lớp phủ kháng khuẩn dựa hợp kim đồng - bạc cho vật liệu thép không gỉ [17] Đây phương pháp không cho phép chế tạo màng mỏng mà cho phép tái chế sửa chữa lớp phủ bị bong tróc cách dễ dàng Hơn nữa, mạ điện có giá thành thấp, đơn giản, áp dụng để sản xuất quy mơ lớn Chế tạo lớp phủ kháng khuẩn phương pháp mạ điện Q trình mạ điện hợp kim nhóm nghiên cứu TS Lone Gram thực mẫu thép AISI 316L với thành phần bao gồm: %C = 0,07, %Cr = 16,5, %Ni = 10,0, %Mn = 2,0 Số năm 2018 57 KH&CN nước ngồi Sau mạ điện, lớp phủ mẫu thép phân tích phương pháp nhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử quét phổ tán sắc lượng tia X Khả kháng khuẩn lớp phủ đánh giá dựa mức độ bám dính hai chủng vi khuẩn Staphylococcus aureus 8325 Escherichia coli MG1655 mẫu thép Hình thể giản đồ nhiễu xạ tia X lớp phủ hợp kim Cu-Ag sau mạ lên thép AISI 316L Theo đó, mũi nhiễu xạ gần 38o 45o xác định thuộc mặt mạng (111) (200) kim loại bạc Nhóm nghiên cứu quan sát thấy mũi tín hiệu 42o 49o tương ứng với mặt (111) (200) kim loại đồng Những mũi có dịch chuyển góc 2θ thấp so với mẫu thép mạ đồng, cho thấy lượng bạc định vào cấu trúc đồng mẫu mạ Cu-Ag, dẫn đến biến dạng ô mạng sở Thông thường, theo giản đồ pha, hai nguyên tố không tan vào nhiệt độ thường Tuy nhiên, dựa vào kết nhiễu xạ tia X, 58 Hình Từ trái sang phải: mẫu thép phủ đồng, mẫu thép phủ bạc, mẫu thép không phủ mẫu thép phủ hợp kim đồng - bạc phương pháp mạ điện Cường độ (số lần đếm/giây) %Fe = 71,4 Đầu tiên, mẫu thép tẩy rửa điện hóa bể chứa CN– với điện 3±0,5 V phút, tráng rửa bề mặt nước khử ion Sau đó, mẫu thép tiếp tục hoạt hóa kỹ thuật mạ lót nickel (Wood’s nickel strike) bể chứa NiCl2 pH thấp với cường độ dòng 4,5±0,5 A.dm–2 phút nhằm đảm bảo độ kết dính tốt lớp mạ điện vật liệu Tiếp theo, mẫu mạ điện với cường độ dòng A.dm–2 bể chứa đồng thời đồng bạc phút Quá trình mạ điện tiến hành lần liên tục nhằm tạo lớp phủ có bề dày 10±0,8 μm Nhóm nghiên cứu tiến hành mạ đồng mạ bạc riêng biệt hai mẫu thép AISI 316L, phục vụ cho mục đích so sánh với mẫu khơng mạ mẫu mạ hợp kim Cu-Ag (hình 2) 2θ (o) Hình giản đồ nhiễu xạ tia x mẫu thép aiSi 316L phủ hợp kim đồng - bạc lớp phủ Cu-Ag nghiên cứu xem hỗn hợp đồng thể (hợp kim) Cu Ag, nơi mà phần nhỏ lượng nguyên tử bạc phân bố vào cấu trúc tinh thể đồng Hình trình bày ảnh kính hiển vi điện tử quét hai mẫu thép chưa phủ lớp hợp kim Cu-Ag Mẫu thép không phủ cho thấy hình thái hạt đặc trưng bề mặt thép AISI 316L Ngược lại, ảnh kính hiển vi lớp phủ hợp kim cho thấy hình thái vi cấu trúc đồng đặc trưng độ rỗng phân tán toàn hệ kim loại, tương đồng với kết thành phần pha thể qua giản đồ nhiễu xạ tia X Quan sát độ phóng đại lớn hơn, nhóm nghiên cứu nhận thấy q trình Số năm 2018 mạ điện kết tủa thành công hạt hợp kim Cu-Ag lên hạt thép biên giới hạt thép Ngồi hình ảnh mặt cắt lớp phủ cho thấy lỗ rỗng diện bề mặt lớp phủ không xâm nhập sâu vào chất thép, lớp phủ kết dính tốt với bề mặt thép cấp độ vi mô Thành phần nguyên tử lớp hợp kim xác định thông qua phổ tán xạ lượng tia X, theo hàm lượng Cu Ag lớp phủ 59±2% 39±2% Để khảo sát khả chống bám dính mẫu thép hai chủng vi khuẩn Staphylococcus aureus 8325 Escherichia coli MG1655, nhóm nghiên cứu TS Lone Gram tiến hành ni cấy vi KH&CN nước ngồi a [5] G Grass, C Rensing, M Solioz (2011), “Metallic copper as an antimicrobial surface”, Appl Environ Microbiol., 77, pp.1541-1547 b [6] J.A Lemire, J.J Harrison, R.J Turner (2013), “Antimicrobial activity of metals: mechanisms, molecular targets and applications”, Nat Rev Microbiol., 11, pp.371-384 [7] M Hans, A Erbe, S Mathews, Y Chen, M Solioz, F Mücklich (2013), “Role of copper oxides in contact killing of bacteria”, Langmuir, 29, pp.16160-16166 c [8] H.K Abicht, Y Gonskikh, S.D Gerber, M Solioz (2013), “Non-enzymic copper reduction by menaquinone enhances copper toxicity in Lactococcus lactis IL1403”, Microbiol., 159, pp.1190-1197 d [9] C.E Santo, E.W Lam, C.G Elowsky, D Quaranta, D.W Domaille, C.J Chang, G Grass (2011), “Bacterial killing by dry metallic copper surfaces”, Appl Environ Microbiol., 77, pp.794802 Hình ảnh kính hiển vi điện tử mẫu thép: (a) mẫu thép không phủ độ phóng đại 2000 lần, (b) mẫu thép phủ hợp kim Cu-Ag độ phóng đại 2000 lần, (C) mẫu thép phủ hợp kim Cu-Ag độ phóng đại 6000 lần, (D) hình chụp cắt lớp mẫu thép phủ hợp kim Cu-Ag khuẩn thạch dinh dưỡng từ môi trường lưu trữ -80oC, sau tiêm vào dung dịch đệm phosphate chứa mẫu thép với nồng độ đầu vi khuẩn 107 CFU/ml Kết cho thấy, nhờ hàm lượng Cu Ag cao bề mặt, mẫu thép AISI 316L thể khả chống bám dính tốt hai chủng vi khuẩn Cụ thể, vi khuẩn Staphylococcus aureus, sau nửa giờ, hàm lượng vi khuẩn dính bề mặt mẫu có phủ hợp kim Cu-Ag đạt giá trị log(CFU/cm2) = 0,1±0,1, giá trị 4,7±0,1, 2,5±0,7 4,9±0,1 mẫu thép chưa xử lý, mẫu thép phủ đồng mẫu thép phủ bạc Tương tự, vi khuẩn Escherichia coli, sau 24 thử nghiệm, nhóm nghiên cứu khơng phát thấy vi khuẩn mẫu thép phủ hợp kim Cu-Ag (hàm lượng thấp mức phát hiện), ngược lại lượng vi khuẩn mẫu thép nguyên không phủ đạt đến giá trị log(CFU/ cm2) = 2,5±0,4 Như vậy, phương pháp mạ điện đơn giản, TS Lone Gram cộng thành công việc tạo lớp phủ đồng chứa hai kim loại Cu Ag với khả chống bám dính vượt trội loại vi khuẩn Những kết không cung cấp giải pháp tiềm cho mục tiêu chống HCAIs bệnh viện trung tâm y tế mà cịn chứng tỏ tính khả thi việc kết hợp đồng bạc, vốn kim loại độc với vi khuẩn nhằm gia tăng khả kháng khuẩn cho vật liệu ? [10] M Zeiger, M Solioz, H Edongué, E Arzt, A.S Schneider (2014), “Surface structure influences contact killing of bacteria by copper”, MicrobiologyOpen, 3, pp.327-332 [11] H.T Michels, C.W Keevil, C.D Salgado, M.G Schmidt (2015), “From laboratory research to a clinical trial: copper alloy surfaces kill bacteria and reduce hospital-acquired infections”, Heal Environ Res Des J., 9, pp.64-79 [12] A.B.G Lansdown, A Williams, S Chandler, S Benfield (2015), “Silver absorption and antibacterial efficacy of silver dressings”, J Wound Care, 14, pp.155-160 [13] T.C Dakal, A Kumar, R.S Majumdar, V Yadav (2016), “Mechanistic basis of antimicrobial actions of silver nanoparticles”, Front Microbiol., 7, pp.1-17 TÀI LIỆU THAM KHẢO [14] Y.S.E Lin, R.D Vidic, J.E Stout, V.L Yu (1996), “Individual and combined effects of copper and silver ions on inactivation of Legionella pneumophila”, Water Res., 30, pp.1905-1913 [1] European Centre for Disease Prevention and Control (2013), Point prevalence survey of healthcare-associated infections and antimicrobial use in european hospitals 20112012, Stockholm [15] R.J.C McLean, A.A Hussain, M Sayer, P.J Vincent, D.J Hughes, T.J.N Smith (1993), “Antibacterial activity of multilayer silver–copper surface films on catheter material”, Can J Microbiol., 39, pp.895-899 [2] European Centre for Disease Prevention and Control (2015), Annual Epidemiological Report 2015 - Healthcare-associated infections acquired in intensive care units, Stockholm [16] M Hans, J.C Támara, S Mathews, B Bax, A Hegetschweiler, R Kautenburger, M Solioz, F Mücklich (2014), “Laser cladding of stainless steel with a copper-silver alloy to generate surfaces of high antimicrobial activity”, Appl Surf Sci., 320, pp.195-199 Lê Tiến Khoa (tổng hợp) [3] European Centre for Disease Prevention and Control (2016), Annual epidemiological report for 2016 - Healthcare-associated infections acquired in intensive care units, Stockholm [4] J.M Boyce (2014), “Environmental contamination makes an important contribution to hospital infection”, J Hosp Infect., 65, pp.50-54 [17] N Ciacotich, R.U Din, J.J Sloth, P Møller, L Gram (2018), “An electroplated coppersilver alloy as antibacterial coating on stainless steel”, Surf Coat Tech., 345, pp.96-104 Số năm 2018 59 ... không phủ độ phóng đại 2000 lần, (b) mẫu thép phủ hợp kim Cu-Ag độ phóng đại 2000 lần, (C) mẫu thép phủ hợp kim Cu-Ag độ phóng đại 6000 lần, (D) hình chụp cắt lớp mẫu thép phủ hợp kim Cu-Ag khuẩn. .. với mẫu khơng mạ mẫu mạ hợp kim Cu-Ag (hình 2) 2θ (o) Hình giản đồ nhiễu xạ tia x mẫu thép aiSi 316L phủ hợp kim đồng - bạc lớp phủ Cu-Ag nghiên cứu xem hỗn hợp đồng thể (hợp kim) Cu Ag, nơi mà... sửa chữa lớp phủ bị bong tróc cách dễ dàng Hơn nữa, mạ điện có giá thành thấp, đơn giản, áp dụng để sản xuất quy mơ lớn Chế tạo lớp phủ kháng khuẩn phương pháp mạ điện Q trình mạ điện hợp kim nhóm