Tăng cường khả năng kháng khuẩn của hỗn hợp nano CuO/TiO2 VÀ CƠ CHẾ CỦA NÓ

Bài trình bày về "cách chế tạo và khả năng kháng khuẩn của hỗn hợp nano CuO/TiO2 VÀ CƠ CHẾ CỦA NÓ"

TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG KHÁNG KHUẨN CỦA HỖN HỢP NANO MỚI CuO/TiO2 VÀ CƠ CHẾ CỦA NÓ.

Sơ Lược:

Trong nghiên cứu này, chúng tôi nhằm mục đích để thực hiện một cách đơn giản chế tạo sợi nano tổng hợp CuO/TiO2 bằng một quá trình điện hóa sử dụng nitrat đồng và titan isopropoxide như tiền thân cho đồng oxit và oxit titan tương ứng Các sợi nano thu được bằng phương pháp quay điện thu được sấy khô trong chân không ở 80oC và sau đó nung ở 600oC Vi sinh vật Escherichia coli KCCM 11234 và Staphylococcus aureus KCCM 11256 đã được sử dụng để kiểm tra hiệu quả của sợi nano Hoạt tính kháng khuẩn và cơ chế tương tác của các sợi nano tổng hợp CuO/TiO2 chống lại vi khuẩn đã được nghiên cứu ở nồng độ tối thiểu ức chế (MIC ) và phương pháp phân tích hình thái học của tế bào vi khuẩn Sợi nano CuO/TiO2 có đường kính 100 nm và độ dài trung bình khoảng một micromet Phân tích nguyên tố sử dụng EPMA đã xác nhận được sự hiện diện của nguyên tử Cu trong sợi nano CuO/TiO2 Kết quả cho thấy pha tạp Cu vào TiO2 thúc đẩy hiệu quả kháng khuẩn và có khả năng kháng khuẩn tuyệt vời dưới ánh sáng nhìn thấy Kết quả nghiên cứu của chúng tôi lần đầu tiên nêu bật những tiềm năng của đồng oxit để tăng thêm hiệu quả diệt khuẩn và do đó có thể được sử dụng trong sản xuất các thiết bị y tế

1 Giới thiệu:

Vật liệu nano đã đạt được sự quan tâm ngày càng tăng trong những năm qua do tính chất độc đáo của nó và một loạt các ứng dụng [1] Việc chuẩn bị sợi nano với đường kính nhỏ hơn micrometer từ các loại vật liệu đã được sự chú ý đáng kể do tiềm năng to lớn của

nó cho các ứng dụng đa dạng trong thiết bị điện tử, quang học, y học, cảm biến, tách, lưu trữ,… Kiểm soát các thành phần hạt nano và hình thái đóng vai trò thiết yếu trong các ứng dụng của nó Như các hạt được giảm từ một micromet đến kích thước nanomet, kết quả là các đặc tính như độ dẫn điện, độ cứng, diện tích bề mặt hoạt động, phản ứng hóa

học và hoạt tính sinh học đều thay đổi đáng kể Tổng hợp các sợi nano kim loại và dây nano kích thước mong muốn và hình dạng cũng có ý nghĩa rất lớn trong công nghệ nano

do các tính chất phụ thuộc hình dạng đặc trưng và kích thước của nó như tính chất quang học, điện tử và hóa chất Các ứng dụng của các sợi nano rất đa dạng Các thuộc tính mới của các tài liệu này đã tìm thấy sử dụng rộng rãi trong vi điện tử, điện tử, thiết bị quang học, xúc tác hóa học và cảm biến sinh hóa [2] Một số phương pháp tổng hợp sợi nano kim loại đã được thực hiện trước đây như phương pháp dựa trên hạt [3], điện hoá học [4], thuỷ nhiệt [5], hoá học ướt [6], quang hoá [7], Trong nghiên cứu này, chúng tôi nổ lực lần đầu tiên để chuẩn bị tổng hợp sợi nano CuO/TiO2 bằng phương pháp điện hóa đơn giản

sử dụng nitrat đồng và titan isopropoxide như tiền thân cho đồng oxit và oxit titan tương ứng Vật liệu nano có thể được sử dụng trong các hệ thống sinh học được yêu cầu phải tương thích sinh học [8] Hiệu quả diệt khuẩn của các hạt nano kim loại đã được đề xuất

là do kích thước của chúng và tỷ lệ cao bề mặt và thể tích Đặc điểm như vậy nên cho phép nó tương tác chặt chẽ với các màng vi khuẩn, chứ không phải là hiệu quả là chỉ do việc giải phóng các ion kim loại [9] Sự pha trộn của polyme và các hạt nano đang mở ra con đường mới cho kỹ thuật tổng hợp vật liệu linh hoạt mang những đặc tính mong muốn

và mang lại lợi ích như tính chất cơ học và quang học…[10] Ngoài ra, vật liệu tổng hợp bằng hạt nano kim loại hoặc hạt nano polyme hoặc phủ lên bề mặt được biết là có một loạt các tiềm năng ứng dụng kháng khuẩn Điều đó cho ta biết rằng màng nano TiO2 tẩy sạch vi khuẩn dưới ánh sáng tia cực tím [11,12] Màng mỏng Pd/TiO2, và Pd/SnO2 [13] cũng đòi hỏi tia UV-A chiếu vào để khử trùng Các đặc tính kháng khuẩn của nano bạc [14,15] và hạt nano đồng [16] đã được báo cáo trước đó, và cả hai đã được phủ lên hoặc đưa vào vật liệu khác nhau [17] Tuy nhiên, CuO đã thu hút được sự chú ý đặc biệt bởi vì

nó là thành viên đơn giản trong gia đình của các hợp chất đồng và đưa ra một loạt các tính chất vật lý có khả năng hữu ích như siêu dẫn nhiệt độ cao, hiệu ứng tương quang điện tử… [18] Như một bán dẫn loại p quan trọng, CuO đã tìm thấy nhiều ứng dụng đa dạng như trong cảm biến khí, xúc tác, pin, chất siêu dẫn nhiệt độ cao, năng lượng mặt trời chuyển đổi năng lượng và phát xạ trường Trong lĩnh vực tiết kiệm năng lượng, năng lượng chuyển chất lỏng chứa đầy các hạt nano có thể cải thiện độ nhớt và nâng cao độ

dẫn nhiệt [19] Cấu trúc tinh thể CuO có một khe hở hẹp, hữu ích cho xúc tác quang hoá hay tế bào quang điện cũng như chức năng quang dẫn [20] Hơn nữa, CuO là rẻ hơn so với bạc, dễ dàng kết hợp với polyme và tương đối ổn định cả về tính chất hóa học và vật

lý Hạt nano oxit kim loại rất ion, chẳng hạn như CuO, có thể đặc biệt các có giá trị trong kháng sinh vì chúng có thể được chuẩn bị với diện tích bề mặt rất cao và hình thái tinh thể bất thường [21] Tuy nhiên thông tin về hoạt động kháng khuẩn có thể có của nano CuO có sẵn rất hạn chế Vì vậy, sự phát triển của sợi cấu trúc nano CuO/TiO2 với đặc tính kháng khuẩn được quan tâm đáng kể

Trong nghiên cứu này, chúng tôi nhằm mục đích để đại diện cho một cách tiếp cận đơn giản để chế tạo sợi nano CuO/TiO2 tổng hợp của một quá trình điện hóa sử dụng nitrat đồng và titan isopropoxide như tiền thân cho đồng oxit và oxit titan tương ứng bằng

kỹ thuật quay điện Solgel Khả năng kháng khuẩn để kháng lại Staphylococcus aureus

KCCM 11256 và Escherichia coli KCCM 11234 đã được thực hiện trong ống nghiệm và

một nỗ lực đã được thực hiện để tìm MIC của các sợi nano có khả năng ức chế sự phát triển của các chủng gây bệnh đề cập ở trên Để hiểu được hoạt tính kháng khuẩn và diễn xuất cơ chế tổng hợp sợi nano electrospun CuO/TiO2 sâu sắc, chúng tôi nghiên cứu

những thay đổi về cấu trúc và hình thái của tế bào vi khuẩn S aureus KCCM 11256, E.

coli KCCM 11.234 bằng cách sợi nano dựa trên giải thích TEM Ở đây chúng tôi cung

cấp bằng chứng hỗ trợ để chỉ ra rằng các sợi nano tổng hợp CuO/TiO2 tổng hợp có thể ức chế vi khuẩn phát triển và thậm chí giết chết các tế bào dưới ánh sáng nhìn thấy Nghiên cứu này chứng minh năng lực của oxit đồng để tăng cường hoạt tính diệt khuẩn và làm sáng tỏ vào các cơ chế tương tác

2 Hoá chất và phương pháp:

2.1 Hoá chất:

Polyvinyl acetate (PVAc,Mw= 500,000) được mua từ Aldrich, USA

N,N-dimethylformamide (DMF) mua từ Showa Co., Japan

Titanium isopropoxide (TIP) mua từ Junsei Co Ltd., Japan

Copper (II) nitrate trihydrate, (Cu(NO3)2.3H2O) được mua từ Aldrich, USA.

Nước dinh dưỡng có chứa axit amin Trypton của đậu nành từ Torlak, Belgrade

Để kiểm tra hoạt động kháng khuẩn, chủng vi sinh vật được mua từ Korean Culture Centre of Microorganisms (KCCMs) Tất cả các hóa chất khác và dung môi được sử dụng là các hoá chất tinh khiết phân tích mua từ Aldrich Chemical Co Ltd

2.2 Chế tạo các sợi nano CuO/TiO2:

Dung dich PVAc (18% khối lượng) được chuẩn bị bằng cách hòa tan PVAc trong DMF sử dụng máy khuấy từ trong thời gian 8 giờ ở nhiệt độ phòng 5g TIP được cho vào một cái chai và cho vào vài giọt acid acetic để dung dịch trở nên trong suốt Dung dịch Đồng nitrat (5%) được hoà tan trong etanol và cho thêm dung dịch TIP và khuấy mạnh trong 10 phút Cuối cùng cho 6g dung dịch PVAs vào và khuấy chậm với máy khuấy từ Sợi nano Titania được tổng hợp bằng cách làm theo phương pháp tương tự, ngoại trừ thêm tiền thân đồng Các dung dịch thu được đã được đặt trong một ống tiêm 10ml với một cây kim bằng thép không gỉ Một pin đồng kết nối với máy phát điện có hiệu điện thế cao được cho vào dung dịch như một cực dương trong khi cái trống sắt ở đáy được bao bọc bởi một màng polyethylene phủ lên như một điện cực Dung dịch được giữ trong một ống mao quản được điều chỉnh nghiêng theo một góc nhất định Một điện thế 20kV được

áp vào dung dịch Khoảng cách giữa mũi kim và cực góp được cố định là 18cm Cũng như tổng hợp thảm từ các sợi, ban đầu được làm khô ở nhiệt độ 80oC trong 24 giờ dưới

áp suất chân không và sau đó được nung ở 600oC trong 2 giờ tại áp suất khí quyển và tốc

độ gia nhiệt là 2oC/min

2.3 Khả năng chống khuẩn của sợi nano CuO/TiO2:

Hoạt động diệt khuẩn của các sợi nano CuO/TiO2 được sản xuất ra đã được thử nghiệm bằng cách sử dụng các nghiên cứu ức chế sự phát triển chống lại vi khuẩn Gram

dương và Gram âm Các tác nhân gây bệnh được thử nghiệm trong nghiên cứu này là S.

aureusKCCM 11256, E coli KCCM 11234 Phần chủng vi khuẩn đã chuẩn bị qua đêm

trong nước dinh dưỡng (Trypton trong đậu nành với 0,6% chiết xuất từ nấm men; hiệu

chỉnh đến pH 7.3) được ủ ở 37oC Khảo nghiệm kháng khuẩn, các chủng vi khuẩn lần đầu tiên được phát triển trên môi trường thạch rắn và chất dinh dưỡng từ các đĩa thạch, các chủng vi khuẩn mới được cấy vào 100ml nước dinh dưỡng Sự phát triển được theo dõi sau mỗi 3 giờ dưới máy đo quang phổ hấp thu UV – VIS (Shimadzu, UV-2550), cho đến khi mật độ quang học đạt 0.1 tại 600 nm (OD 0.1 tương phản ứng với nồng độ trung bình

108 CFU/ml) Sau đó, 1ml chủng vi khuẩn trong nước dinh dưỡng được tiếp tục thêm vào

để lần lượt được 0, 5, 15, 25, 35 và 45 mg/ml dung dịch sợi nano CuO/TiO2 và sợi nano TiO2 tinh khiết, định mức đến 100mL bằng dung dịch dinh dưỡng đã chuẩn bị Kiểm soát dung dịch dinh dưỡng mà không làm tăng lượng dung dịch sợi nano, ủ tất cả các bình ở

37oC trên máy rung – lắc (150 vòng/phút) Tốc độ tăng trưởng và nồng độ vi khuẩn được theo dõi bằng cách đo mật độ quang học (OD) như mô tả ở trên tại một khoảng thời gian

3 giờ/lần lấy đến 20 giờ

2.4 Đặc tính:

Mô hình nhiễu xạ tia X của sản phẩm tổng hợp đã được ghi lại trên một máy Rigaku/Max-3A nhiễu xạ tia X với bức xạ CuKa (= 1.540 Å) trên góc Bragg từ 20o tới

80o và điện áp điều khiển được duy trì ở 30 kV và 40 mA Các thuộc tính nhiệt của các sợi nano được phân tích nhiệt – trọng lực (TGA, Stanton Redcroft, STA1640, England) gia nhiệt với tốc độ 10o/phút trong khí argon Để kiểm tra các vi cấu trúc, mẫu bột được rải đều trên băng carbon, sơn Pt đã được áp dụng trong 10s vào các sợi nano tổng hợp, và hình ảnh đã được thu thập ở độ phóng đại khác nhau thông qua kính hiển vi phát xạ trường điện tử quét (FE-SEM, JEOL JSM6700, Janpan) trong khi sự phân bố của các yếu

tố được đo bằng điện tử dò vi phân (EPMA) Các tính năng của kính hiển vi CuO/TiO2 sợi nano, chủng vi khuẩn và vi khuẩn chưa phơi sáng với CuO/TiO2 sợi nano được phân tích thông qua hiển vi điện tử truyền qua (TEM, Hitachi, H-7650, Janpan)

2.5 Hiển vi điện tử truyền qua (TEM):

Sự phát triển qua đêm của chuẩn vi khuẩn được rửa và cho vào dung dịch đệm đến nồng độ 109 CFU/ml Các tế bào không có hoặc có sợi nano CuO/TiO2 điều trị được thu thập bằng cách ly tâm Các vi khuẩn thu thập được xử lý như mô tả của tài liệu mà chúng

tôi đã đưa ra trước đây [22] và hình ảnh được chụp TEM Tóm lại, khoảng thời gian thường xuyên các mẫu được phủ trên lưới TEM đồng bằng phương pháp nhúng phủ và được nhuộm màu bằng dung dịch axit phosphotungstic (PTA - 2% w / v) Lưới phủ được

để khô qua đêm trong chân không Cuối cùng là mẫu được quan sát bằng TEM (Bio-TEM, SN-3000, Hitachi, Janpan)

3 Kết quả và bàn luận:

3.1 Đặc tính của sợi nano hỗn hợp TiO2 và CuO/TiO2:

Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã chứng minh được việc chuẩn bị sợi nano CuO/TiO2 sợi nano (Sơ đồ 1) thông qua quá trình điện hóa

Sơ đồ 1: Quá trình điện hóa sử dụng dung dịch hỗn hợp (a) và thiết lập quay điện (b)

Hình 1: XRD của (a) TiO2 và (b) CuO/TiO2 được ủ ở 600oC

Hình 1 cho thấy mô hình XRD của sợi nano CuO/TiO2 và TiO2 ủ ở 600oC Các nhiễu xạ tia X của các sợi nano TiO2 tinh khiết (Hình 1a) và sợi nano CuO/TiO2 tổng hợp (Hình 1b) [23] Tuy nhiên, trong nghiên cứu này CuO có thể không được phát hiện bởi nhiễu xạ tia X bởi vì hàm lượng của nó có thể dưới mức giới hạn phát hiện XRD Do hàm lượng Cu thấp và sự khác biệt lớn giữa các bán kính ion của Cu2+ (0,87 Å) và Ti4+ (0,745 Å) gây khó khăn cho Cu2+ để thay thế Ti4+ Do đó, có thể là các ion Cu tồn tại chủ yếu dưới dạng các cụm CuO và phân tán trên bề mặt tinh thể TiO2 Từ (101) peak của TiO2, kích thước trung bình của tinh thể (D) được tính bằng công thức Scherrer: D=K/costrong đó là chiều rộng một nửa peak của 2 peak, K hệ số hình dạng của hạt (thường bằng 0,95)  là góc và bước sóng của X-ray Các kích thước tinh thể trung bình của TiO2 và CuO/TiO2 bột xác định là (khoảng 16,3 nm) và (khoảng 13,07) Hình 2 cho thấy ảnh hiển vi FESEM của các sợi nano CuO/TiO2 độ phóng đại thấp và cao tương ứng Hình.2a cho thấy hình ảnh FESEM của sợi nano có đường kính đồng bộ, trong khi đó hình.2b cho thấy hình ảnh phóng đại cao của sợi nano có đường kính trong khoảng 100 nm và độ dài trung bình 1 micromet Hình.2(c,d) cho thấy EPMA của các sợi

nano tổng hợp CuO/TiO2 Sự hiện diện của các hạt Cu trong Titania được xác nhận từ hình ảnh EPMA Hình ảnh EPMA rõ ràng cho thấy Ti là yếu tố chính và Cu cũng là chất phân tán trên bề mặt của Titania

Hình 2: Kết quả đo SEM của sợi nano CuO/TiO2 (a và b) lần lượt được khuếch đại thấp và khuyết đại cao Kết quả đo EPMA của sợi nano CuO/TiO2 (c và d)

Phù hợp với các thông số tinh thể mạng, CuO và TiO2 không thể kết hợp trong một tinh thể duy nhất Theo đó, chính các sợi TiO2 pha tạp với CuO hạt nano là cấu trúc dự kiến của sản phẩm thu được Để khẳng định giả thuyết này, phân tích TEM đã được thực hiện (Hình 3a) Như trong hình.3a, hạt nhỏ màu đen phân bố dọc theo các sợi nano có thể được quan sát thấy Hình ảnh TEM lần nữa khẳng định kích thước đường kính của các sợi nano CuO/TiO2 là 100 nm Như thể hiện trong hình ảnh HR-TEM (Hình 3b), vì vậy

người ta có thể cho rằng các hạt nano đại diện cho CuO Hình 3c diễn tả phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) của sợi nano CuO/TiO2 Kết quả cho thấy mẫu có chứa Ti, Cu và O; không có một nguyên tử tạp chất nào được phát hiện, chỉ ra sản phẩm cuối cùng không có lẫn tạp chất và là hỗn hợp của CuO và TiO2 Kết quả phân tích nhiệt TGA của Titania/ Cu nitrate/PVAc được ghi nhận trong hình 3d Như được chỉ ra bởi kết quả TGA, sợi PVAc tinh khiết phân huỷ 78,5% tại 500oC Sợi hỗn hợp thì bị phân huỷ sau 3 bước Đầu tiên là mất khối lượng (~9%) do nước và dung môi bay hơi trong khoảng 25 – 150oC Thứ 2 là mất khối lượng (~53,5%) do phân huỷ titanium tetra-iso-propoxide và đồng nitrate hoặc

do sự mất nước của PVAc của chuỗi polymer từ 150 – 350oC Thứ 3 là mất khối lượng (~16%) do phân huỷ chuỗi polymer của PVAc từ 350 – 500oC

Hình 3: Kết quả đo TEM (a) và HR – TEM (b) (vòng tròn màu xanh thể hiện hạt CuO), EDX (c) của sợi nano CuO/TiO2 và đo nhiệt TGA (d) của Titania/Cu nitrate/PVAc

3.2 Khả năng kháng khuẩn của sợi nano CuO/TiO2:

Những nỗ lực lớn đã được thực hiện để nghiên cứu các hợp chất kháng khuẩn để điều trị nhiễm trùng do vi khuẩn liên quan đến nhiều bệnh nghiêm trọng, chẳng hạn như cho nha khoa hoặc một bộ phận được gắn giả, các vấn đề chính phải đối mặt là nhiễm trùng trước và sau phẫu thuật Lý do cơ bản cho điều này là mảng răng mà là một trong những nguyên nhân chính gây bệnh và dẫn đến sâu răng hoặc các vấn đề về răng Tương

tự như vậy, trong trường hợp cấy ghép xương nhiễm vi sinh cũng là một vấn đề lớn phải đối mặt với bệnh nhân Mặt khác, mầm bệnh cũng đã được tìm thấy có khả năng chống thuốc kháng sinh khác nhau [24] Để khắc phục những vấn đề sức khỏe liên quan được tạo ra bởi các bệnh nhiễm trùng vi khuẩn là một thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu

và các nhà khoa học cho đến bây giờ Các tác nhân gây bệnh phổ biến nhất là vi khuẩn E coli và S aureusand vì lý do đặc biệt này chúng tôi đã chọn hai chủng này như một sinh vật mô hình để giải quyết các hoạt động kháng khuẩn mà vật liệu nano của chúng tôi có thể thực hiện

Để cải thiện hiệu suất xúc tác quang hoá của titanium dioxide TiO2; phương pháp tiếp cận khác nhau đã được phát triển như pha tạp kim loại / phi kim vào TiO2, kim loại / bán dẫn vào TiO2, và hợp chất polymer và TiO2 Xúc tác quang hoá TiO2 là một trong những tài liệu nghiên cứu nhiều nhất trong lĩnh vực ứng dụng kháng khuẩn do khả năng độc đáo của nó như phá vỡ xúc tác quang hoá của vi khuẩn, không độc tính, và các đặc tính tự làm sạch [25,26] Tuy nhiên, mặc dù có rất nhiều bài viết về tác dụng diệt khuẩn của vật liệu TiO2 khi chiếu xạ, với sự hiểu biết của tác giả chưa có báo cáo toàn diện về các tác dụng kháng khuẩn và cơ chế của sợi nano CuO/TiO2 Theo đó, công việc này đã được thiết kế để điều tra các cơ chế khử trùng bằng CuO/TiO2 tổng hợp chống lại vi khuẩn gây bệnh phổ biến dưới ánh sáng nhìn thấy được Vì mục đích này chúng tôi đã làm việc với chủng Gram - dương S aureus và Gram - âm E coli bổ sung dung dịch sợi