Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật hóa học: Nghiên cứu tổng hợp xanh vật liệu nanocomposite bạc trên cơ sở graphene oxit ứng dụng trong kháng khuẩn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-o0o -

QUÁCH THỊ THANH HƯƠNG

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP XANH VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE BẠC TRÊN CƠ SỞ GRAPHENE OXIT ỨNG DỤNG TRONG

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách khoa – ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Tiến Giang

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Hữu Hiếu

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Nguyễn Tuấn Anh

1 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: QUÁCH THỊ THANH HƯƠNG

MSHV: 2170741 Ngày, tháng, năm sinh: 11/11/1999 Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học

Nơi sinh: Bình Định Mã số: 8520301

I TÊN ĐỀ TÀI:

Tên tiếng Việt: Nghiên cứu tổng hợp xanh vật liệu nanocomposite bạc trên cơ sở

graphene oxit ứng dụng kháng khuẩn

Tên tiếng Anh: Green synthesis of silver graphene oxide−based nanocomposite for antibacterial application

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 2.1 Tổng quan

Vật liệu nanocellulose từ cellulose bã mía, vật liệu nano bạc trên cơ sở graphene oxit (Ag/GO) sử dụng nanocellulose làm chất khử, vải acrylic (AF), phương pháp phủ vật liệu Ag/GO lên vải AF (Ag/GO/AF), vải AF phủ vật liệu Ag/GO biến tính kỵ nước với

axit stearic (SA) (Ag/GO/AF−SA), vi khuẩn Pseudomonas aeruginosa và Staphylococcus aureus, khả năng kháng khuẩn, và cơ chế kháng khuẩn của vải

2.2 Thực nghiệm

- Tổng hợp và phân tích đặc trưng nanocellulose từ cellulose bã mía;

- Tổng hợp và phân tích đặc trưng vật liệu Ag/GO dùng nanocellulose làm chất khử;

- Chế tạo và khảo sát ảnh hưởng điều kiện phủ nhúng vải AF với Ag/GO đến khả năng kháng khuẩn của vải Ag/GO/AF;

- Chế tạo và khảo sát ảnh hưởng của điều kiện biến tính kỵ nước vải Ag/GO/AF với SA đến khả năng kháng khuẩn của vải Ag/GO/AF−SA;

- Phân tích đặc trưng của vải Ag/GO/AF và Ag/GO/AF−SA;

- Đánh giá độ bền, khả năng kháng khuẩn, và góc thấm ướt của vải Ag/GO/AF và Ag/GO/AF−SA sau thử nghiệm độ bền

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/2023

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/2023

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN TIẾN GIANG; PGS TS NGUYỄN HỮU HIẾU

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, đầu tiên tác giả xin trân trọng cảm ơn đến gia đình và người thân đã luôn quan tâm, động viên, và tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Tiến Giang và thầy PGS TS Nguyễn Hữu Hiếu đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô, cán bộ khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách khoa ‒ ĐHQG-HCM đã truyền đạt kiến thức quý báu và dẫn dắt tác giả trong suốt quá trình học tập tại trường

Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến anh (chị) nghiên cứu viên và các bạn sinh viên ở Phòng Thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM Công nghệ Hóa học và Dầu khí (Key CEPP Lab), Trường Đại học Bách khoa ‒ ĐHQG-HCM đã hỗ trợ tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Tác giả

QUÁCH THỊ THANH HƯƠNG

TÓM TẮT

Trong luận văn này, nanocellulose (NCs) được tổng hợp từ cellulose bã mía bằng phương pháp thủy phân dưới sự hỗ trợ của sóng siêu âm Đặc trưng của NCs xác định thông qua phương pháp phân tích hiện đại như: Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (fourier transform infrared spectroscopy (FTIR)), giản đồ nhiễu xạ tia X (X−ray diffraction (XRD)), và kính hiển vi điện tử quét xạ trường (field scanning electron microcopy (FESEM))

Vật liệu nanocomposite bạc trên cơ sở graphene oxit (Ag/GO) được tổng hợp bằng

phương pháp đồng kết tủa sử dụng NCs làm chất khử Bên cạnh đó, ảnh hưởng của

điều kiện phản ứng đến quá trình hình thành Ag/GO được khảo sát bao gồm: Tỷ lệ AgNO3:NCs, nhiệt độ, và thời gian phản ứng Đặc trưng của Ag/GO được phân tích bằng phương pháp như: FTIR, XRD, phổ Raman, FESEM, kính hiển vi điện tử truyền qua (transmission electron microscopy (TEM)), và phổ tán xạ năng lượng tia

X (energy dispersive X−ray spectroscopy (EDS))

Ngoài ra, vật liệu Ag/GO được ứng dụng trong chế tạo vải kháng khuẩn Vải acrylic (AF) kháng khuẩn chế tạo bằng phương pháp phủ nhúng với huyền phù Ag/GO (Ag/GO/AF) và khảo sát ảnh hưởng của điều kiện phủ nhúng Ag/GO lên vải AF ở nồng độ Ag/GO khác nhau từ 1 đến 5 g/L với số lần nhúng từ 1 đến 6 Khả năng kháng khuẩn của vải Ag/GO/AF được thử nghiệm với hai chủng vi khuẩn Gram âm

Pseudomonas aeruginosa (P aeruginosa) và Gram dương Staphylococcus aureus

(S aureus) bằng phương pháp đo đường kính vòng kháng khuẩn

Tiếp theo, vải Ag/GO/AF được biến tính bề mặt kỵ nước với axit stearic (SA) (Ag/GO/AF−SA) để tăng khả năng kháng khuẩn Điều kiện biến tính được khảo sát

bao gồm: Nồng độ axit stearic và thời gian phản ứng Khả năng kháng khuẩn của vải

Ag/GO/AF−SA cũng được thử nghiệm trên hai chủng vi khuẩn P aeruginosa và

S aureus

Vải Ag/GO/AF và Ag/GO/AF−SA được phân tích đặc trưng bằng phương pháp như: Kính hiển vi điện tử quét (scanning electron microcopy (SEM)), phổ EDS, và góc thấm ướt

Thêm vào đó, độ bền của vải Ag/GO/AF và Ag/GO/AF−SA được khảo sát thông qua độ bền nhiệt và hóa học Bên cạnh đó, ảnh hưởng của chất tẩy rửa, môi trường mồ hôi axit, và kiềm đến khả năng kháng khuẩn của vải Ag/GO/AF và

Ag/GO/AF−SA cũng được thử nghiệm đối với vi khuẩn P aeruginosa và S aureus

Góc thấm ướt của vải Ag/GO/AF−SA ở điều kiện môi trường khác nhau cũng được

khảo sát

Nội dung nghiên cứu luận văn được tóm tắt ở Hình 1

Hình 1: Tóm tắt nội dung nghiên cứu của luận văn

Bã mía

Cellulose NCs GO

Gram

âm dương Gram Kháng

khuẩn

ABSTRACT

In this thesis, nanocellulose (NCs) was synthesized from sugarcane

bagasse−derived cellulose by the hydrothermal method under the support of

ultrasonication The characterization of the NCs was determined via modern

analytical methods, including Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X−ray diffraction (XRD), and field scanning electron microscopy (FESEM)

Graphene oxide−based silver nanocomposite (Ag/GO) was fabricated via the

factors involving AgNO3:GO ratio, temperature, and reaction time were also examined by many analytical techniques, including FTIR, XRD, Raman, FESEM,

transmission electron microscopy (TEM), and energy dispersive X−ray spectroscopy

(EDS)

Moreover, the antibacterial fabric was assembled by the Ag/GO coating

Particularly, antibacterial acrylic fabric (AF) was synthesized via the dip−coating

method with the Ag/GO suspension (Ag/GO/AF) and the impact of the Ag/GO

dip−coating conditions such as Ag/GO concentrations from 1 to 5 g/L and the

dip−coating times from 1 to 6 on the AF at was also tested The antibacterial activity

of the Ag/GO/AF was assessed toward two strains of Gram−negative Pseudomonas

aeruginosa (P aeruginosa) and Gram−positive Staphylococcus aureus (S aureus)

by the inhibition diameter measurement

Subsequently, the surface of Ag/GO/AF was hydrophobically modified with stearic acid (Ag/GO/AF−SA) to enhance its applicability Different conditions were

also investigated such as SA concentration and reaction time Besides, the

antibacterial activity of the Ag/GO/AF−SA was assessed against P aeruginosa and

S aureus

The characterization of both Ag/GO/AF and Ag/GO/AF−SA was analyzed via

scanning electron microcopy (SEM), EDS, and water contact angle Furthermore, the

stability of the Ag/GO/AF and Ag/GO/AF−SA was evaluated by thermal and chemical stability Therewithal, the effects of the detergents, acid, and basic media

on the antibacterial activity of both Ag/GO/AF and Ag/GO/AF−SA were conducted

against P aeruginosa and S aureus As more, the water contact angle of the

Ag/GO/AF−SA at various media was also examined

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tác giả và được thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy TS Nguyễn Tiến Giang và thầy PGS TS Nguyễn Hữu Hiếu tại Phòng Thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM Công nghệ Hóa học và Dầu khí (Key CEPP Lab), Trường Đại học Bách khoa ‒

ĐHQG-HCM

Số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực, chưa từng

được công bố trong bất cứ một công trình nào khác trước đây

Tác giả xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Tác giả

QUÁCH THỊ THANH HƯƠNG

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

LỜI CẢM ƠN iii

1.3.3 Cơ chế kháng khuẩn của vải Ag/GO/AF 18

1.3.4 Biến tính kỵ nước bề mặt vải 19

1.3.5 Cơ chế kháng khuẩn của vải Ag/GO/AF−SA 19

1.6.2 Mục tiêu 25

1.6.3 Nội dung nghiên cứu 25

1.6.4 Phương pháp nghiên cứu 26

2.2.5 Phân tích đặc trưng của vải Ag/GO/AF và Ag/GO/AF−SA 45

2.2.6 Đánh giá độ bền, thử nghiệm khả năng kháng khuẩn, và góc thấm ướt của vải Ag/GO/AF và Ag/GO/AF−SA sau khi thử nghiệm độ bền 45

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 47

3.1 Đặc trưng của nanocellulose 47

3.1.1 Phổ FTIR 47

3.1.2 Giản đồ XRD 48

3.1.3 Ảnh FESEM 49

3.2 Ảnh hưởng của điều kiện phản ứng và đặc trưng vật liệu Ag/GO 50

3.2.1 Ảnh hưởng của điều kiện phản ứng đến quá trình hình thành Ag/GO 50

3.2.2 Đặc trưng của vật liệu Ag/GO 52

3.3 Ảnh hưởng của điều kiện phủ nhúng vải AF với Ag/GO đến khả năng kháng

khuẩn vải Ag/GO/AF 57

3.4 Ảnh hưởng của điều kiện biến tính kỵ nước vải AF với SA đến khả năng kháng khuẩn của vải Ag/GO/AF−SA 58

3.5 Đặc trưng vải Ag/GO/AF và Ag/GO/AF−SA 59

3.6.2 Khả năng kháng khuẩn của vải Ag/GO/AF và Ag/GO/AF−SA 65

3.6.3 Góc thấm ướt của vải Ag/GO/AF và Ag/GO/AF−SA 66

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 67

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106

PHỤ LỤC 114

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 132

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Bệnh truyền nhiễm và ô nhiễm môi trường 3

Hình 1.2: Phương pháp tổng hợp vật liệu nano 4

Hình 1.3: Cấu trúc của NCs từ bã mía 6

Hình 1.4: Cấu trúc của GiO 7

Hình 1.5: Cấu trúc của GO 8

Hình 1.6: Quy trình tổng hợp GO từ Gi theo phương pháp Hummers cải tiến 10

Hình 1.7: Quy trình tổng hợp Ag/GO bằng phương pháp phối trộn huyền phù 12

Hình 1.8: Quá trình tổng hợp Ag/GO bằng phương pháp đồng kết tủa 13

Hình 1.9: Cơ chế kháng khuẩn Ag/GO 15

Hình 1.13: Cơ chế kháng khuẩn của vải Ag/GO/AF 18

Hình 1.14: Cơ chế kháng khuẩn của vải Ag/GO/AF−SA 20

Hình 1.15: Nguyên lý hoạt động quang phổ FTIR 27

Hình 1.16: Sơ đồ và nguyên lý nhiễu xạ tia X 28

Hình 1.17: Nguyên lý hoạt động thiết bị quang phổ Raman 28

Hình 1.18: Cấu tạo thiết bị FESEM 29

Hình 1.19: Sơ đồ nguyên lý của hệ ghi nhận tín hiệu phổ EDS 30

Hình 1.20: Sơ đồ phân tích góc thấm ướt 31

Hình 2.5: Quy trình tổng hợp Ag/GO 41

Hình 2.6: Quy trình chế tạo vải Ag/GO/AF 43

Hình 2.7: Quy trình thử nghiệm kháng khuẩn 44

Hình 2.8: Quy trình chế tạo vải Ag/GO/AF−SA 44

Hình 3.1: Phổ FTIR của Cell và NCs 47

Hình 3.2: Giản đồ XRD của Cell và NCs 48

Hình 3.3: Ảnh FESEM của a) Cell, b) NCs, và c) phân bố kích thước sợi NCs 49

Hình 3.4: Ảnh hưởng của tỷ lệ AgNO3:NCs đến quá trình hình thành Ag/GO 50

Hình 3.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến quá trình hình thành Ag/GO 51

Hình 3.6: Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hình thành Ag/GO 52

Hình 3.7: Phổ FTIR của GO và Ag/GO 53

Hình 3.8: Giản đồ XRD của GO và Ag/GO 54

Hình 3.9: Phổ Raman của GO và Ag/GO 55

Hình 3.10: Ảnh FESEM của (a) GO, (b) AgNPs, và (c, d) Ag/GO 56

Hình 3.11: (a) Ảnh TEM và (b) giản đồ phân bố kích thướcAgNPs của Ag/GO 56

Hình 3.12: Ảnh hưởng của nồng độ và số lần phủ nhúng Ag/GO trên vải AF đối với vi khuẩn a) P aeruginosa và b) S aureus 57

Hình 3.13: Khả năng kháng khuẩn của vải Ag/GO/AF ở nồng độ Ag/GO 4 g/L với số lần phủ nhúng khác nhau đối với P aeruginosa và S aureus 58

Hình 3.14: Khả năng kháng khuẩn của vải Ag/GO/AF−SA với (a, b) nồng độ SA là 1, 2, 3, 4, và 5 g/L và (c, d) thời gian phủ nhúng 100, 120, 140, 160, và 180 phút đối với vi khuẩn P aeruginosa và S aureus 59

Hình 3.15: Ảnh SEM của vải (a, b) AF và (c, d) Ag/GO/AF 60

Hình 3.16: Ảnh SEM của vải (a, b) Ag/GO/AF và (c, d) Ag/GO/AF−SA 61

Hình 3.17: Phổ EDS của vải Ag/GO/AF và Ag/GO/AF−SA 61

Hình 3.18: Góc thấm ướt của vải a) AF, b) Ag/GO/AF, và c) Ag/GO/AF−SA 62

Hình 3.19: Phổ TGA của vải AF, Ag/GO/AF, và Ag/GO/AF−SA 64

Hình 3.20: Độ bền màu của vải AF, Ag/GO/AF, và Ag/GO/AF−SA 64

Hình 3.21: Khả năng kháng khuẩn sau khi kiểm tra trong môi trường pH khác nhau của vải (1) Ag/GO/AF và (2) Ag/GO/AF−SA sau kiểm tra cường độ giặt ở 40°C, vải (3) Ag/GO/AF và (4) Ag/GO/AF−SA trong axit, vải (5) Ag/GO/AF và (6)

Ag/GO/AF−SA trong môi trường kiềm đối với vi khuẩn P aeruginosa và S aureus

65

Hình 3.22: Góc thấm ướt của vải Ag/GO/AF−SA a) 40C, b) axit, và c) kiềm 66

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Các loại vi khuẩn được khảo sát 20

Bảng 1.2: Một số nghiên cứu trong nước về vật liệu kháng khuẩn 21

Bảng 1.3: Một số nghiên cứu ngoài nước về vải kháng khuẩn 23

Bảng 2.1: Các hóa chất được sử dụng 35

Bảng 2.2: Các thiết bị sử dụng 36

Bảng 2.3: Khảo sát điều kiện tổng hợp Ag/GO 41

Bảng 2.4: Ảnh hưởng của tỷ lệ AgNO3:NCs 42

Bảng 2.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ 42

Bảng 2.6: Ảnh hưởng của thời gian 42

Bảng 3.1: Thành phần nguyên tố của vải Ag/GO/AF và Ag/GO/AF−SA 63

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Ag/GO Silver/graphene oxide Bạc/graphen oxit

COVID–19 Coronavirus disease 2019 Bệnh vi rút corona 2019

EDX Energy−dispersive X−ray spectroscopy

Phổ tán xạ năng lượng tia X

FTIR Fourier transform infrared spectroscopy

Phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier

rGO Reduced graphene oxide Graphen oxit dạng khử

SARS–CoV–2 Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2

Vi rút corona gây hội chứng hô hấp cấp tính nặng 2

TEM Transmission electron microscopy

Kính hiển vi điện tử truyền qua

TGA Thermal gravimetric analysis Phổ phân tích nhiệt trọng lượng

UV–vis Ultraviolet–visible spectroscopy Phổ hấp thu tử ngoại–khả kiến

ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, vật liệu nanocomposite nhận được chú ý từ nhiều nhà nghiên cứu do tính ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, y tế, v.v Tuy nhiên, việc tổng hợp hạt nano kim loại bằng phương pháp như: Vật lý, hóa học thì tốn kém chi phí, đòi hỏi trình độ thực hiện cao, nhưng hiệu suất thấp kèm theo nguy cơ tiềm ẩn gây ảnh hưởng xấu đến môi trường Vì vậy, phương pháp tổng hợp sinh học sử dụng tác nhân khử có nguồn gốc từ thực vật thu hút nhiều quan tâm Bên cạnh đó, tận dụng nguồn nguyên liệu từ phế phẩm nông nghiệp như bã mía để tổng hợp vật liệu nano vừa thân thiện với môi trường vừa đơn giản, có chi phí rẻ, và dễ thực hiện

Vật liệu nanocomposite trên cơ sở graphene oxit (GO) ngày càng có nhiều nghiên cứu vì khả năng ứng dụng trong lĩnh vực như kháng khuẩn Trong đó, nano bạc (AgNPs) là vật liệu tiềm năng để ứng dụng trong sản phẩm kháng khuẩn GO được kết hợp với AgNPs (Ag/GO) nhằm khắc phục hạn chế như AgNPs dễ bị kết tụ do năng lượng bề mặt lớn, do đó góp phần tăng khả năng kháng khuẩn của vật liệu nanocomposite Hơn nữa, trong vài năm gần đây liên tục xuất hiện bệnh truyền nhiễm và biến chủng mới, trong đó đại dịch vi rút corona gây ra vào năm 2019 (coronavirus disease 2019 (COVID 19)) đang diễn biến ngày càng phức tạp với số ca nhiễm lây lan trong cộng đồng ngày càng nhiều, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người cũng như nền kinh tế Do đó, nhu cầu của người tiêu dùng về những sản phẩm an toàn có khả năng kháng khuẩn và vi rút, để hạn chế lây lan dịch bệnh như: Dung dịch rửa tay, khẩu trang, vải kháng khuẩn, v.v ngày càng cao Trong đó, vải kháng khuẩn là sản phẩm thiết yếu vì có nhiều ứng dụng rộng rãi như: Sử dụng làm khẩu trang và đồ bảo hộ y tế Vải acrylic (AF) với ưu điểm như: Giá thành rẻ, độ bền cao được sử dụng trong nhiều lĩnh vực Việc sử dụng vật liệu nanocomposite Ag/GO trong chế tạo vải AF kháng khuẩn sẽ mở rộng khả năng ứng dụng của vật liệu trong lĩnh vực kháng khuẩn Vì vậy, luận văn này được thực hiện

với tên đề tài là “Nghiên cứu tổng hợp xanh vật liệu nanocomposite bạc trên cơ sở graphene oxit ứng dụng kháng khuẩn”

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tình hình các bệnh nhiễm khuẩn hiện nay

Hiện nay, những tác động từ bên ngoài như: Vi sinh vật, vi khuẩn, bức xạ, v.v gây ảnh hưởng xấu đến cuộc sống của con người và trở thành nguyên nhân của nhiều căn bệnh như: Nhiễm khuẩn, ung thư, v.v Trong đó, bệnh nhiễm khuẩn ngày càng diễn biến nghiêm trọng, đặc biệt là việc kiểm soát nhiễm khuẩn trong bệnh viện ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của người bệnh Tháng 8/2019, tổ chức Y tế thế giới (WHO) đã cập nhập tình hình tai biến y khoa, trong đó có đề cập đến một số vấn đề mang tính cấp thiết về bệnh nhiễm khuẩn Khoảng 10 % người bệnh ở nước đang phát triển bị nhiễm khuẩn bệnh viện và tỷ lệ không nhỏ là nhiễm vi khuẩn kháng thuốc [1], [2]

Thêm vào đó, các bệnh truyền nhiễm lây qua đường hô hấp ngày càng nhiều Một số bệnh thường gặp như: Bạch hầu, ho gà, não mô cầu, lao, v.v do vi khuẩn gây ra và cúm, sởi, quai bị, thuỷ đậu, đậu mùa, nhiễm trùng đường hô hấp cấp do vi rút gây ra Ngoài những bệnh thường gặp trên, ngày càng có nhiều loại vi rút có khả năng gây nhiễm trùng đường hô hấp, với độc lực cao như vi rút cúm A−H5N1, viêm phổi do vi rút có thể lây lan nhanh thành dịch lớn như viêm phổi do vi rút SARS, vi rút cúm A−H1N1,

A−H7N9, v.v Đặc biệt, hiện nay đại dịch COVID−19 đang diễn biến phức tạp, các biến thể mới đang không ngừng biến đổi với tốc độ lây nhiễm và xâm nhập ngày càng cao Mặc dù, nước ta có tỷ lệ bao phủ vắc xin cao, tuy nhiên việc xuất hiện biến chủng liên tục và lây nhiễm cho người khác dù họ đã được tiêm chủng là mối đe dọa hàng đầu đến sức khỏe con người Do đó, nghiên cứu và chế tạo sản phẩm kháng khuẩn, an toàn cũng như hạn chế tình trạng bệnh nhiễm khuẩn là cần thiết, như thể hiện trong Hình 1.1 Trong đó, sử dụng vật liệu kháng khuẩn nanocomposite bạc trên cơ sở graphene oxit tổng hợp theo phương pháp sinh học nhận được nhiều quan tâm nghiên cứu trong và ngoài nước

Hình 1.1: Bệnh truyền nhiễm và ô nhiễm môi trường

1.2 Vật liệu kháng khuẩn

Vật liệu kháng khuẩn được nghiên cứu và phát triển như một phương pháp triển vọng thay thế kháng sinh trong việc ức chế và tiêu diệt vi khuẩn Khả năng kháng khuẩn và độc tính của vật liệu có thể được kiểm soát thông qua điều chỉnh kích thước, cấu trúc, hình dạng, mật độ điện tích, phương pháp tổng hợp, từ đó tạo ra vật liệu với đặc tính phù hợp cho hiệu quả kháng khuẩn cao, độc tính tế bào thấp, và ít gây hại cho sức khỏe con người [3] Hiện nay, vật liệu nano được quan tâm trong lĩnh vực kháng khuẩn bởi những đặc điểm như: Kích thước nhỏ dưới 100 nm, nhỏ hơn cả vi khuẩn, vì thế vật liệu này thể hiện tính chất vật lý và hóa học mà vật liệu khối lớn không có

Trong số vật liệu nano được nghiên cứu sử dụng ngày nay như nano vàng, đồng, selen, bạc, v.v thì nano bạc cho khả năng kháng khuẩn cao có khả năng kháng được nhiều chủng vi khuẩn khác nhau [4]

1.2.1 Nano bạc

1.2.1.1 Giới thiệu

Nano bạc (AgNPs) là một trong những hạt nano kim loại được nghiên cứu rộng rãi, vì tính chất hóa lý và sinh học đặc trưng bao gồm: Diện tích bề mặt lớn, hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt cao, bên cạnh đó dễ dàng kết hợp với vật liệu khác để nâng cao khả năng ứng dụng trong lĩnh vực như: Kháng khuẩn, kháng ung thư, xúc tác, v.v Đường kính của AgNPs thường trong khoảng 10–100 nm và quyết định đến khả năng kháng khuẩn cao hay thấp [5] Khi đường kính hạt lớn, tính kháng khuẩn giảm,

với kích thước nhỏ sẽ gây độc tính tế bào, ảnh hưởng đến sức khỏe người sử dụng khi lượng Ag+ giải phóng nhiều, khó kiểm soát [6], [7] Chính vì thế, việc ổn định kích thước hạt phù hợp giúp vật liệu có khả năng kháng khuẩn cao mà không ảnh hưởng tiêu cực đến việc sử dụng Khả năng ứng dụng của AgNPs khác nhau do yếu tố như: Hình thái, kích thước, môi trường pH, nhiệt độ hoặc thời gian phản ứng [3], [4] Do đó, phương pháp tổng hợp cũng như điều kiện tổng hợp ảnh hưởng lớn đến đặc tính của AgNPs

1.2.1.2 Phương pháp tổng hợp

Hiện nay, có ba phương pháp tổng hợp vật liệu nano kim loại là phương pháp vật lý, hóa học, và sinh học như thể hiện ở Hình 1.2 [5], [6] Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm khác nhau đã được đề cập trong nhiều nghiên cứu trước đây [8], [9] Phương pháp vật lý và hóa học có tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe của con người, từ đó hạn chế khả năng ứng dụng của hạt nano Mặc khác, phương pháp sinh học sử dụng chất khử thân thiện với môi trường từ phụ phẩm nông nghiệp như là phương pháp xanh trong tổng hợp vật liệu nano

Hình 1.2: Phương pháp tổng hợp vật liệu nano

❖ Phương pháp vật lý

Tổng hợp vật liệu nano bằng phương pháp vật lý bao gồm: Sử dụng áp suất cơ học, phân cắt laser, lắng đọng hơi trong môi trường chân không, nghiền cơ học, v.v

Phương pháp tổng hợp

Vật lý

Hóa học

Sinh học

Nghiền Chiếu xạ

Khử hóa học

Thủy nhiệt

Nấm Vi khuẩn

Thực vật

Phương pháp này không sử dụng hóa chất độc hại và có thể kiểm soát được kích thước hạt [10] Tuy nhiên, sự phân bố kích thước hạt rộng, hơn nữa yêu cầu về chi phí trang thiết bị cao, do đó phương pháp vật lý ít được sử dụng trong tổng hợp vật liệu nano [11]

❖ Phương pháp hóa học

Phương pháp hóa học là phương pháp phổ biến để tổng hợp vật liệu nano do quy trình đơn giản, dễ vận hành bằng cách sử dụng tác nhân khử hóa học để khử Ag+ trong dung dịch muối AgNO3 Ba thành phần chính được sử dụng trong quá trình tổng hợp AgNPs là tiền chất kim loại (muối tan của bạc), chất khử, và chất ổn định Thông thường, trong quy trình tổng hợp hóa học có bốn giai đoạn chính bao gồm: Quá trình khử, tạo mầm, phát triển mầm tinh thể, và ổn định [12] Cụ thể, trong quy trình tổng hợp AgNPs, chất khử được bổ sung vào dung dịch muối AgNO3, tạo thành nguyên tố Ag, sau đó phát triển tạo thành cụm hạt nano bạc Gần đây, một số chất khử phổ biến được sử dụng để tổng hợp AgNPs như: Axit ascorbic, hydrazine, D−glucose, v.v Chất khử khác nhau dẫn đến hình thành vật liệu nano có cấu trúc hình thái khác nhau [13] Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là sử dụng hóa chất, dung môi hữu cơ độc hại, do đó cần loại bỏ thành phần phụ để thu được sản phẩm tinh khiết [14]

❖ Phương pháp sinh học

Trong những năm gần đây, phương pháp tổng hợp vật liệu nano thân thiện với môi trường nhận được quan tâm lớn từ cộng đồng khoa học do nhu cầu bảo vệ hệ sinh thái ngày càng tăng và giảm thiểu các tiền chất, sản phẩm phụ, và chi phí xử lý môi trường bị ô nhiễm Đặc biệt, phương pháp sinh học có thể thay thế hóa chất tổng hợp thông thường bằng nguồn tự nhiên như: Dịch chiết thực vật, nấm, vi khuẩn, v.v [15] Hơn nữa, các chất này không chỉ đóng vai trò là chất khử mà còn là chất ổn định cho hạt nano nhờ nhóm chức tương tác tĩnh điện với kim loại tích điện dương [16] Bên cạnh đó, chất khử có nguồn gốc tự nhiên, điển hình từ polymer sinh học được đánh giá có khả năng khử tốt với nhiều ưu điểm như: Khả năng phân hủy sinh học, giá thành rẻ, và phổ biến [17]

Việt Nam là nước nông nghiệp với sản lượng cây trồng lương thực, công nghiệp

tăng mạnh qua các năm Cây nông nghiệp thường được trồng nhiều, có năng suất cao và

luân canh ngắn ngày như: Bắp, mía và lúa, loại cây trồng này sau khi thu hoạch thường tạo ra một lượng lớn phụ phẩm như: Thân, lá, bã mía, rơm rạ, vỏ trấu, v.v Trong đó,

bã mía từ nhà máy mía đường xả thải với lượng lớn tăng dần qua từng năm nhưng chưa có biện pháp xử lý hiệu quả gây lãng phí và ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường

Thành phần chủ yếu của bã mía là lignocellulose trong lignocellulose gồm ba thành phần chính xếp theo thứ tự tỷ lệ khối lượng giảm dần là cellulose, hemicellulose, và lignin, như thể hiện ở Hình 1.3 [18] Cellulose là hợp chất cao phân tử được cấu tạo từ các đơn phân monome D–glucose liên kết với nhau bằng β–1,4–glycosidic Cellulose có đặc tính như: Không độc, dễ phân hủy sinh học, độ bền kéo, độ bền nhiệt cao, và độ dẫn điện thấp [19], [20] Hơn nữa, các nhóm hydroxyl (–OH) hoạt động tốt thể hiện đặc tính bề mặt, lưu biến, và quang học khác nhau của cellulose [18] Tuy nhiên, trong nhiều lĩnh vực khả năng phản ứng của cellulose bị hạn chế bởi kích thước polymer lớn, vì thế cấu trúc nanocellulose (NCs) được nghiên cứu trở thành loại vật liệu tiềm năng Bên cạnh đó, nhờ vào cấu trúc NCs dễ dàng phân tán hạt nano, ngăn kết tụ trong quá trình tổng hợp vật liệu [21] Ngoài ra, tương tác tĩnh điện giữa hạt kim loại và nguyên tử oxy của nhóm –OH trong cấu trúc NCs dễ dàng khử tạo hạt nano [22]

Hình 1.3: Cấu trúc của NCs từ bã mía

Do đó, trong luận văn này vật liệu AgNPs được tổng hợp bằng phương pháp sinh học sử dụng NCs vừa là chất khử vừa là chất ổn định

Cellulose

Liên kết hydro

Nanocellulose

Nano bạc được ứng dụng trong kháng khuẩn và điều trị các căn bệnh khác nhau, đặc biệt là bệnh nhiễm trùng AgNPs có khả năng kháng nhiều loại vi khuẩn, nấm, và vi khuẩn kháng thuốc khó điều trị bằng kháng sinh thông thường Ngoài ra, AgNPs còn làm chất kháng khuẩn và kháng nấm hiệu quả trong sản phẩm chăm sóc vết thương và dụng cụ y tế [25] Bên cạnh đó, AgNPs được ứng dụng phổ biến trong công nghiệp thực phẩm, sản xuất hàng tiêu dùng, đồ gia dụng, vải kháng khuẩn, v.v Tuy nhiên, khả năng ứng dụng của AgNPs phụ thuộc vào kích thước và hình dạng hạt Khi kích thước AgNPs càng nhỏ thì năng lượng bề mặt càng lớn, giải phóng ion Ag+ cao, hoạt tính kháng khuẩn của AgNPs tăng [26] Trong thực tế, khi năng lượng bề mặt lớn, AgNPs có xu hướng kết tụ với nhau làm giảm năng lượng bề mặt để chuyển sang trạng thái bền hơn [27] Do đó, gần đây graphene oxit (GO) với cấu trúc nano hai chiều và diện tích bề mặt lớn được dùng làm chất ổn định AgNPs Sự kết hợp của hai vật liệu này tạo ra vật liệu nanocomposite AgNPs trên cơ sở GO với ưu điểm vượt trội hơn vật liệu tiền chất

1.2.2 Graphene oxit

1.2.2.1 Giới thiệu

Cacbon là nguyên tố cơ bản góp phần hình thành nên cấu trúc của hàng triệu hợp chất hóa học hữu cơ Nhiều nguyên tử cacbon liên kết tạo cấu trúc tinh thể [28] Chính vì cấu trúc đa dạng như vậy đã tạo nên sự phong phú về dạng thù hình của cacbon, trong đó graphite (Gi) là vật liệu nổi bật, ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp trên thế giới Cấu trúc của GiO được thể hiện ở Hình 1.4

Hình 1.4: Cấu trúc của GiO

Graphite hay còn gọi là than chì, là dạng thù hình của cacbon, được cấu tạo từ những đơn lớp cacbon liên kết với nhau thông qua lực phân tử Van der Waals Gi bị oxy hóa thành graphite oxit (GiO), hình thành nhóm chức chứa oxy giữa đơn lớp trong cấu trúc ban đầu của Gi làm tăng khoảng cách giữa các lớp [29], [30]

Graphene oxit (GO) là vật liệu nano hai chiều có cấu trúc mạng cacbon đơn lớp với ô mạng lục giác, trong đó có gắn nhóm chức chứa oxy như: Hydroxyl (–OH), epoxy

(C−O−C) trên bề mặt tại cacbon lai hóa sp3, cacbonyl (−C=O), cacboxyl (−COOH) tại

cacbon lai hóa sp2 [31] Bề dày của GO bằng với đường kính một nguyên tử cacbon Cấu trúc của GO được thể hiện ở Hình 1.5 [32]

Hình 1.5: Cấu trúc của GO

1.2.2.2 Phương pháp tổng hợp

Graphene oxit được tổng hợp từ tiền chất ban đầu là Gi Gi có cấu trúc đa lớp được xử lý với phương pháp thích hợp để chèn nhóm chức chứa oxy vào giữa các lớp cacbon Quá trình này làm mở rộng khoảng cách giữa các lớp, lực tương tác phân tử bị suy giảm giúp lớp cacbon dễ tách rời thông qua quá trình xử lý cơ học như: Khuấy và siêu âm [33] Phương pháp điện hóa, vi sinh, và hóa học được sử dụng để gắn nhóm chức vào cấu trúc Gi

❖ Phương pháp điện hóa

Phương pháp điện hóa sử dụng tính dẫn điện của Gi để gắn phân tử hoặc anion từ dung dịch chất điện ly vào cấu trúc khi đặt trong môi trường điện thu được Gi giãn nở (graphite intercalation compound (GiC)) GiC tiếp tục được oxy hóa ở điều kiện thích hợp để chuyển hóa thành GiO, qua quá trình xử lý bằng siêu âm thu được GO [34]

Phương pháp điện hóa có ưu điểm thân thiện với môi trường do không sử dụng hóa chất độc hại, phản ứng nhanh, sản phẩm không bị lẫn nguyên tử dị tố, dễ dàng kiểm soát quá trình oxy hóa Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm như hệ phản ứng sử dụng điện cực platinum làm tăng chi phí sản xuất, dung dịch điện ly chưa đáp ứng được khả năng oxy hóa cao, và quá trình phản ứng phức tạp [35]

❖ Phương pháp vi sinh

Đối với phương pháp vi sinh, Gi được oxy hóa trong môi trường có chứa các chủng vi khuẩn Vi khuẩn tiếp xúc với Gi tạo ra con đường di chuyển cho electron, thúc đẩy quá trình oxy hóa Quá trình oxy hóa diễn ra không đồng đều và phụ thuộc vào kích thước của tế bào vi khuẩn Các vị trí với mức độ oxy hóa cao được bóc tách ra khỏi cấu trúc đa lớp tạo thành GO [36]

Phương pháp này có ưu điểm là chi phí thấp và thân thiện với môi trường Quá trình oxy hóa sử dụng vi khuẩn yêu cầu thời gian phản ứng kéo dài, khả năng oxy hóa thấp, và không đồng đều [37]

❖ Phương pháp hóa học

Đối với phương pháp hóa học, Gi phản ứng với chất oxy hóa để gắn các nhóm chức chứa oxy lên bề mặt và các cạnh Tổng hợp GO theo phương pháp hóa học đã được nghiên cứu và phát triển như: Brodie (1859), Staudenmaier (1899), Hummers (1958), và phương pháp Hummers cải tiến (2010) [38]

Phương pháp Brodie: Được tìm ra bởi Brodie vào năm 1859 Trong phương pháp

này, Gi được cho phản ứng với KClO3 trong môi trường HNO3 đậm đặc dưới điều kiện nhiệt độ 60°C trong 4 ngày Phương pháp này có nguy cơ gây cháy nổ cao do sử dụng KClO3 làm chất oxy hóa [39]

Phương pháp Staudenmaier: Được Staudenmaier tìm ra vào năm 1899, cải tiến từ

phương pháp Brodie Staudenmaier thực hiện hai thay đổi với quy trình tổng hợp: Thêm H2SO4 đặc vào quy trình để tăng tính axit cho môi trường phản ứng, sau đó thêm KClO3 trong suốt quá trình tổng hợp Các cải tiến giúp tăng khả năng oxy hóa so với phương pháp Brodie Tuy nhiên, phương pháp này vẫn còn tồn tại nhiều hạn chế như: Thời gian tổng hợp dài và nguy cơ cháy nổ cao do quá trình phản ứng tạo ra khí ClO2 [40]

Phương pháp Hummers: Được tìm ra vào năm 1958, trong phương pháp này Gi được

cho phản ứng với KMnO4 và NaNO3 trong môi trường H2SO4 đậm đặc Điều kiện

phản ứng oxy hóa được giữ dưới 45°C, thời gian phản ứng trong 2 giờ Phương pháp này có nhiều ưu điểm vượt trội hơn phương pháp Brodie và Staudenmaier như: Thời gian phản ứng ngắn, khả năng oxy hóa cao, và quy trình an toàn do không sử dụng KClO3 làm chất oxy hóa, việc thay thế HNO3 bởi NaNO3 giúp loại bỏ hiện tượng bốc khói axit Tuy nhiên, có nhược điểm như phát sinh khí độc NO2, N2O4 trong quá trình phản ứng, xuất hiện các ion Na+, NO3– trong dòng thải quy trình khó xử lý [41]

Phương pháp Hummers cải tiến: Vào năm 2010, nhóm nghiên cứu của Tour đã

cải tiến phương pháp Hummers bằng các thay đổi như: Loại bỏ NaNO3, sử dụng hỗn hợp H2SO4:H3PO4 làm môi trường phản ứng, và tăng lượng chất oxy hóa KMnO4 Quá trình phản ứng diễn ra trong 12 giờ tại nhiệt độ 50°C Phương pháp này giúp giải quyết được nhiều vấn đề của phương pháp Hummers Do không sử dụng NaNO3, quy trình không phát sinh các khí độc NO2, N2O4, và các ion Na+, NO3– Sản phẩm của phương pháp Hummers cải tiến có độ oxy hóa cao H3PO4 trong hỗn hợp phản ứng giúp hạn chế khuyết tật trong cấu trúc GO sau quá trình tổng hợp [42] Quy trình tổng hợp như thể hiện ở Hình 1.6

Hình 1.6: Quy trình tổng hợp GO từ Gi theo phương pháp Hummers cải tiến [43] So với phương pháp điện hóa và phương pháp vi sinh, phương pháp hóa học có nhiều ưu điểm nổi bật như: Đơn giản, chi phí thấp, dễ thực hiện, thời gian phản ứng ngắn, và dễ sản xuất với quy mô lớn hơn quy mô phòng thí nghiệm Trong đó, phương pháp Hummers cải tiến đang được sử dụng phổ biến để tổng hợp GO với nhiều ưu điểm như:

Không tỏa nhiệt nhiều, không phát sinh khí độc hại, sản phẩm thu được có độ oxy hóa cao, và ít khuyết tật hơn [44]

Do đó, trong luận văn này GO được tổng hợp theo phương pháp Hummers cải tiến

1.2.2.3 Ứng dụng

Graphene oxit với độ bền cơ học cao, diện tích bề mặt riêng lớn, và khả năng phân tán tốt nên dễ tham gia tổng hợp vật liệu nanocomposite GO và vật liệu trên cơ sở GO được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: Xúc tác phản ứng, xử lý môi trường, kháng khuẩn, v.v [45]

Xúc tác phản ứng hữu cơ: Phản ứng tổng hợp hữu cơ theo hướng tạo liên kết cacbon–cacbon đóng vai trò quan trọng trong quy trình tổng hợp thuốc, sinh học, polymer, v.v có tiềm năng thay thế xúc tác kim loại với khả năng xúc tác phản ứng thủy phân, đóng vòng, và oxy hóa cùng khả năng tái sử dụng cao [46]

Xử lý môi trường: Thành phần nước thải công nghiệp có chứa chất màu hữu cơ, kim loại nặng gây ảnh hưởng đến con người, sinh vật, và môi trường xung quanh GO được sử dụng để giải quyết tình trạng này theo hai hướng: Hấp phụ và chuyển hóa các phân tử hợp chất gây ô nhiễm GO cho khả năng hấp phụ cao hợp chất Cd(II), Co(II), Au(III), Pd(II), Ga(III), và Pt(IV) GO tương tác mạnh với ion Pb2+ (dung lượng hấp phụ ở 293 K đạt 842 mg.g–1) GO hấp phụ tốt chất màu hữu cơ, nhanh trong 15 phút với chất màu metylene xanh (hiệu suất 97 %) và rhodamine B (hiệu suất 88 %) [47]

Kháng khuẩn: GO có tính tương thích sinh học cao, được sử dụng trong ngành công nghệ sinh học, dẫn truyền thuốc, và cảm biến sinh học [48], [49] Theo các nghiên cứu trước đó, GO là chất gây độc tế bào mạnh nhất trên vi khuẩn so với GO dạng khử (rGO), Gi, và GiO vì thế GO là thành phần không thể thiếu trong chế tạo vật liệu kháng khuẩn GO kết hợp với AgNPs tạo vật liệu nanocomposite bạc trên cơ sở GO (Ag/GO) cho khả năng kháng khuẩn cao và ổn định [50]

1.2.3 Vật liệu nanocomposite bạc trên cơ sở graphene oxit

Nanocomposite là vật liệu cấu tạo từ hai hay nhiều thành phần, tương tác với nhau tạo nên vật liệu mới có nhiều tính năng vượt trội hơn so với vật liệu ban đầu [51] Vật liệu nanocomposite Ag/GO tạo ra từ quá trình phân tán AgNPs trên chất nền GO, bổ trợ ưu khuyết điểm cho nhau từ đó nâng cao hiệu quả ứng dụng của vật liệu GO kết hợp với AgNPs giúp khắc phục những hạn chế của vật liệu tiền chất như: Hiện tượng kết dính của tấm GO và dễ kết tụ của AgNPs [52] AgNPs được phân bố đồng đều trên

bề mặt GO giúp nâng cao hiệu quả kháng khuẩn của Ag/GO so với vật liệu tiền chất GO và AgNPs

1.2.3.1 Phương pháp tổng hợp

Vật liệu Ag/GO được tổng hợp theo hai phương pháp chính là phối trộn huyền phù

Phương pháp phối trộn huyền phù: Là phương pháp trong đó hạt nano được phân tán trực tiếp vào chất nền để tạo ra vật liệu cần tổng hợp [53] AgNPs đã tổng hợp trước đó và phân tán vào chất nền GO thông qua sử dụng chất hoạt động bề mặt AgNPs và GO liên kết với nhau bằng lực liên kết tĩnh điện, π–π, hydro hoặc Van der Waals Tuy nhiên, tương tác giữa AgNPs và GO vẫn chưa được chứng minh rõ ràng, theo nghiên cứu trước đây nhóm chức oxy của GO tương tác với AgNPs bằng liên kết cộng hóa trị [54] Quy trình tổng hợp Ag/GO bằng phương pháp phối trộn huyền phù như trình bày ở Hình 1.7 Phương pháp phối trộn huyền phù phù hợp để tổng hợp vật liệu nanocomposite ở quy mô công nghiệp Tuy nhiên, rất khó để kiểm soát khả năng phân tán AgNPs trên tấm GO ổn định và lâu dài Do đó, trong phương pháp này chất hoạt động bề mặt thường được sử dụng nhằm phân tán đồng đều hạt nano trên nền GO

Hình 1.7: Quy trình tổng hợp Ag/GO bằng phương pháp phối trộn huyền phù

Phương pháp đồng kết tủa: Trong phương pháp đồng kết tủa cho phép tổng hợp

một bước để thu được vật liệu nanocomposite với hạt nano tạo ra từ tiền chất tương ứng O

Chất ổn định GO

Ag/GO

bằng tác nhân khử [55] Hạt nano phân tán đồng đều lên chất nền và dễ dàng điều chỉnh kích thước hạt bằng cách thay đổi điều kiện phản ứng Quá trình tổng hợp Ag/GO bằng phương pháp đồng kết tủa như thể hiện ở Hình 1.8 Đầu tiên, ion Ag+ được khuếch tán lên bề mặt tấm GO Sau đó, ion Ag+ bị khử bởi tác nhân khử NCs về Ago để hình thành huyền phù Ag/GO [52] Phương pháp này đơn giản, hiệu quả để tổng hợp Ag/GO với AgNPs phân bố đồng đều trên nền GO, do đó có thể ngăn quá trình kết tụ của AgNPs

Vì vậy, trong luận văn này Ag/GO được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa Tuy nhiên, ngoài phương pháp tổng hợp thì kích thước và hình dạng vật liệu Ag/GO còn phụ thuộc vào điều kiện như: Tỷ lệ tiền chất AgNO3 với chất khử NCs, nhiệt độ, và thời gian phản ứng

Hình 1.8: Quá trình tổng hợp Ag/GO bằng phương pháp đồng kết tủa

1.2.3.2 Ảnh hưởng của điều kiện phản ứng đến quá trình hình thành Ag/GO

❖ Tỷ lệ AgNO3:NCs

Quá trình hình thành Ag/GO có thể bị ảnh hưởng bởi loại chất khử, chất ổn định, và nồng độ sử dụng khác nhau Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng khi tăng nồng độ chất khử thì cường độ hấp thu của vật liệu tăng, dẫn đến kích thước trung bình của hạt nano tăng Tuy nhiên, sử dụng lượng lớn chất khử có thể dẫn đến thu hẹp dải hấp thu làm kích thước hạt giảm [56], [57] Gần đây, nhiều nghiên cứu đã sử dụng chất khử vừa có vai trò khử vừa có khả năng ổn định hạt Những chất khử này thường có nguồn gốc từ thực vật vì

Chất khử GO Ag/GO Ag+

chứa các nhóm chức cho khả năng khử tốt như −OH, −NH, v.v Do đó, trong luận văn này NCs được sử dụng làm chất khử để tổng hợp Ag/GO và khảo sát tỷ lệ tiền chất AgNO3 với NCs Tỷ lệ này tác động đến sự hình thành và phân bố hạt nano trên tấm GO ảnh hưởng đến khả năng kháng khuẩn của vật liệu

❖ Nhiệt độ phản ứng

Trong những năm gần đây, nhiều nhà nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của quá trình hình thành vật liệu nano có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh nhiệt độ môi trường phản ứng, tốc độ phản ứng tăng khi nhiệt độ tăng [58] Khi nhiệt độ phản ứng tăng thì cường độ hấp thu tăng, ngoài ra vị trí của bước sóng hấp thu cực đại cũng cho thấy được hình dạng và kích thước khác nhau của hạt nano Trong đó, bước sóng hấp thu cực đại đặc trưng của AgNPs nằm từ 380 đến 450 nm [59] Vì vậy, nhiệt độ cần được khảo sát để đánh giá quá trình hình thành vật liệu Ag/GO cho kích thước hạt nhỏ và phân bố đồng đều lên tấm GO

❖ Thời gian phản ứng

Trong quá trình tổng hợp vật liệu Ag/GO, việc kiểm soát thời gian phản ứng là quan trọng để có hình dạng, kích thước, và tính ổn định phù hợp Thời gian phản ứng kéo dài sẽ kích thích sự hình thành liên tục AgNPs cho đến khi đạt trạng thái cân bằng, điều này có thể quan sát thông qua thay đổi của đỉnh hấp thu cực đại [57] Do đó, thời gian phản ứng cần được khảo sát để đánh giá mức độ ảnh hưởng đến hình dạng và kích thước hạt nano

1.2.3.3 Ứng dụng

Vật liệu nanocomposite Ag/GO được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: Chế tạo cảm biến quang học phát hiện phân tử sinh học, chất xúc tác, sản sinh dòng quang điện, sản xuất siêu tụ điện hiệu năng cao, và đặc biệt trong lĩnh vực kháng khuẩn [55] Cả AgNPs và GO đều thể hiện hoạt tính kháng khuẩn nhưng sử dụng riêng lẻ thì hoạt tính kháng khuẩn bị hạn chế Cụ thể, trong cấu trúc GO do liên kết π–π khiến tấm GO xếp chồng, còn AgNPs có xu hướng kết tụ lại Khi kết hợp hai vật liệu này khắc phục những hạn chế của nhau dẫn đến tăng khả năng kháng khuẩn [53] Bên cạnh đó, Ag/GO có tính tương thích sinh học cao đối với tế bào bạch cầu và hồng cầu của động vật có vú Ag/GO còn có tiềm năng ứng dụng như tác nhân kháng khuẩn trực tiếp, không độc hại như: Băng dán vết thương, thuốc bôi, v.v [38]

Vì vậy, vật liệu nanocomposite Ag/GO được ứng dụng kháng khuẩn trong luận văn này

1.2.3.4 Cơ chế kháng khuẩn Ag/GO

Quá trình kháng khuẩn của vật liệu Ag/GO được chia làm 4 giai đoạn như thể hiện ở Hình 1.9 [55]:

Giai đoạn I: Huyền phù Ag/GO được phân tán vào nước tạo thành hệ keo ổn định, từ đó làm tăng diện tích tương tác với vi khuẩn GO có diện tích bề mặt lớn gồm nhiều

nhóm chức như (−O−), (−OH), (−COOH), và (−C=O) tương tác với màng tế bào

thông qua liên kết hydro và tương tác tĩnh điện để bắt vi khuẩn Sau đó, AgNPs giải phóng ion Ag+

Giai đoạn II: Ion Ag+ tích điện dương và liên kết với phospholipid tích điện âm trên màng tế bào bằng tương tác tĩnh điện Đồng thời, tấm GO với nhiều cạnh sắc nhọn phá hủy màng tế bào của vi khuẩn

Hình 1.9: Cơ chế kháng khuẩn Ag/GO

Giai đoạn III: Ion Ag+ tương tác với lớp kép phospholipid dẫn đến thay đổi tính thấm của màng tế bào vi khuẩn Tính chất này của màng tế bào là điều kiện quan trọng cho

quá trình vận chuyển và trao đổi chất Do đó, khi tế bào bị phá hủy ion Ag+ xâm nhập vào tế bào và kết quả là làm rò rỉ chất nền nội phân tử

Màng tế bào Ribosome

DNA

Phá hủy và rò rỉ protein

Giai đoạn III Giai đoạn IV

Giai đoạn IV: Khi ion Ag+ xâm nhập vào bên trong của tế bào, Ag+ tương tác với axit deoxyribonucleic (DNA), và Ag+ phản ứng với nhóm thiol của axit amin làm cản trở

quá trình tổng hợp protein Bên cạnh đó, ion Ag+ tạo thành gốc tự do (reactive oxygen

species (ROS)) gây phá hủy hệ hô hấp và ức chế sự phát triển của vi khuẩn

Khả năng kháng khuẩn của vật liệu phụ thuộc vào ba yếu tố chính bao gồm: Ứng suất màng tế bào, sự mất cân bằng của quá trình oxy hóa, và gốc tự do [60] Những yếu tố này ảnh hưởng riêng lẻ hoặc đồng thời để tiêu diệt hoặc ức chế phát triển của vi khuẩn Ngoài ra, để mở rộng khả năng ứng dụng của Ag/GO thì vật liệu này được phủ lên bề mặt vải acrylic (AF) để chế tạo vải kháng khuẩn sử dụng trong lĩnh vực y tế

1.3 Vải kháng khuẩn

1.3.1 Vải acrylic

Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của xã hội, nhu cầu về trang phục của con người cũng tăng cao, do đó ngành dệt may là một trong những lĩnh vực không thể thiếu Trong đó, vải là yếu tố quan trọng, đặc biệt trong lĩnh vực y tế, ngành này có những yêu cầu riêng biệt về tiêu chuẩn sử dụng vải

Vải AF là một trong những loại sợi tổng hợp được sử dụng rộng rãi để thay thế len Vải AF có nhiều ưu điểm như: Nhẹ, chi phí sản xuất thấp, độ bền cao, ít bị mài mòn do hóa chất, nước tẩy rửa, chống nhăn, và khô nhanh như thể hiện ở Hình 1.10 [61] Do đó, loại vải này được sử dụng trong lĩnh vực khác nhau, đặc biệt trong sản xuất vải kháng khuẩn Chính vì thế việc kết hợp vải AF với các vật liệu có khả năng kháng khuẩn như Ag/GO sẽ nâng cao hiệu quả sử dụng vải trong nhiều sản phẩm dệt may như: Quần áo thể thao, đồ nội thất, đồ bảo hộ hay khẩu trang y tế

Hình 1.10: Vải acrylic

1.3.2 Phương pháp chế tạo

Hiện nay, phương pháp phổ biến để kết hợp vật liệu kháng khuẩn trên bề mặt vải là phương pháp phủ nhúng (dip–coating) [62] Đây là phương pháp đơn giản, vật liệu dễ lắng đọng trên bề mặt vải Có hai quy trình để phủ nhúng vật liệu Ag/GO lên vải AF bao gồm phủ lần lượt GO lên nền vải AF, sau đó tiếp tục phủ thêm AgNPs, như thể hiện ở Hình 1.11 và tẩm trực tiếp Ag/GO lên nền vải AF quy trình như Hình 1.12

Hình 1.11: Chế tạo vải kháng khuẩn qua hai giai đoạn: (1) Phủ nhúng với GO và (2) Phủ nhúng với keo AgNPs huyền phù Ag/GO

Quy trình phủ nhúng hai giai đoạn có nhược điểm như mất nhiều thời gian để chế tạo vải, khó kiểm soát sự phân bố AgNPs trên chất nền, do đó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng kháng khuẩn của vải

Hình 1.12: Chế tạo vải kháng khuẩn theo phương pháp phủ nhúng trực tiếp với huyền phù Ag/GO

AgNPs

Vải AF Ag/GO

Quy trình chế tạo vải kháng khuẩn phủ nhúng trực tiếp vào huyền phù Ag/GO đơn giản, dễ thực hiện, tiết kiệm thời gian, và kiểm soát được tính đồng nhất của vật liệu Ag/GO lên vải AF

Vì vậy, trong luận văn này vải AF được phủ nhúng trực tiếp vào huyền phù Ag/GO (Ag/GO/AF) để chế tạo vải kháng khuẩn

1.3.3 Cơ chế kháng khuẩn của vải Ag/GO/AF

Quá trình kháng khuẩn của vải phủ Ag/GO tuân theo cơ chế bắt giữ–diệt vi khuẩn như thể hiện ở Hình 1.13 Đầu tiên, vi khuẩn bị hấp phụ lên bề mặt vải nhờ vào diện tích lớn, giàu điện tử của GO Độ phân tán cao của Ag/GO giúp AgNPs dễ dàng tương tác với các vi khuẩn Ion Ag+ giải phóng từ AgNPs bám lên lipid tích điện âm trên màng tế bào, thông qua vết tổn thương để thâm nhập vào tế bào vi khuẩn Đồng thời, các ion này sản sinh gốc tự do ROS phá hủy hệ hô hấp, ức chế, và gây tổn thương tế bào vi khuẩn [61], [62] Ngoài ra, GO đóng vai trò là tác nhân ổn định, ngăn chặn sự kết tụ của AgNPs Liên kết của AgNPs với tấm GO đảm bảo việc giải phóng ion diễn ra từ từ, ổn định, tăng cường, và kéo dài khả năng kháng khuẩn của vải Ag/GO/AF

Hình 1.13: Cơ chế kháng khuẩn của vải Ag/GO/AF

Bên cạnh đó, khi sử dụng vải trong quá trình điều trị vết thương hở, vải có xu hướng dính vào vết thương bởi dịch tiết của cơ thể, điều này sẽ phá hủy tế bào mới hình thành, kéo dài thời gian làm lành vết thương, thậm chí có thể khiến cho tình trạng vết thương trở nên ngày càng nghiêm trọng hơn Ngoài ra, trong một số nghiên cứu trước đây cho thấy, khi bề mặt vải trở nên kỵ nước sẽ ngăn cản các giọt bắn có chứa vi rút Corona

đi vào hệ hô hấp của con người trong bối cảnh dịch bệnh COVID đang diễn biến phức tạp Như vậy, việc biến tính bề mặt kỵ nước của vải sẽ tăng cường khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực

1.3.4 Biến tính kỵ nước bề mặt vải

Kỵ nước là tính chất quan trọng của vải kháng khuẩn vì quyết định đến khả năng chống bám dính của vi khuẩn lên bề mặt đồng thời ảnh hưởng đến độ bền của vải Môi trường ẩm ướt là điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn phát triển gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của người sử dụng Có nhiều phương pháp để biến tính bề mặt kỵ nước như xử lý plasma, in phun, ép đùn vân, v.v Những phương pháp này nhằm mục đích tăng độ nhám bề mặt vải, giảm năng lượng bề mặt, do đó giữ được tính kỵ nước của vải [63] Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là sử dụng thiết bị phức tạp, chi phí cao, chỉ áp dụng trên những bề mặt nhất định, ảnh hưởng đến độ bền của vật liệu Ngoài ra, phương pháp phủ nhúng và phủ phun được sử dụng chế tạo vật liệu kỵ nước Cần có chất kết dính giữa bề mặt hạt nano và chất nền để hình thành sự liên kết chặt chẽ Các chất thường được sử dụng để biến tính kỵ nước cho vật liệu như: Ete diglycidyl của epoxy gốc bisphenol A, polymetylmetacrylat, polystyren, và polydimethylsiloxan hoặc các axit béo như: Axit stearic (SA) [61] SA có cấu trúc là một chuỗi dài gồm 18 đơn vị cacbon với một đầu kỵ nước và một đầu là nhóm

chức axit cacboxylic (−COOH) sẽ liên kết với AgNPs, do đó SA có khả năng kỵ nước cao Ngoài ra, SA thường có nhiều trong dầu mỡ động thực vật và đây là vật liệu thân thiện, không gây độc khi sử dụng để biến tính bề mặt vải [64]

Vì vậy, trong luận văn này SA được sử dụng để biến tính kỵ nước bề mặt vải acrylic

phủ nhúng Ag/GO (Ag/GO/AF−SA)

1.3.5 Cơ chế kháng khuẩn của vải Ag/GO/AF−SA

Cơ chế kháng khuẩn của vải Ag/GO/AF−SA như thể hiện ở Hình 1.14 Huyền phù Ag/GO phủ lên vải acrylic với cạnh sắc nhọn của GO có thể cắt và phá hủy thành tế bào, dẫn đến ức chế khả năng phát triển của vi khuẩn Vai trò chính của GO là ổn định hạt, hạn chế sự kết tụ của AgNPs, và tăng khả năng tiếp xúc giữa AgNPs với vi khuẩn

Liên kết chặt chẽ giữa vải và Ag/GO giúp giải phóng ion Ag+ ổn định, do đó kéo dài khả năng kháng khuẩn của vải Bên cạnh đó, AgNPs trên bề mặt tấm GO cho tương tác cao với hợp chất lưu huỳnh, photpho trong màng tế bào của vi khuẩn, do đó dễ dàng trung hòa điện tích bề mặt màng và tăng tương tác của vi khuẩn trên bề mặt vải Sau đó,

AgNPs giải phóng ion Ag+ và khuếch tán vào tế bào vi khuẩn, ức chế quá trình hô hấp,

làm hỏng DNA trong tế bào chất, ngăn cản sự tự nhân lên của vi khuẩn, và làm gián đoạn quá trình sinh trưởng, phát triển của vi khuẩn [64] Ngoài ra, bề mặt vải được phủ lớp kỵ nước SA, lớp phủ này tác động đáng kể đến khả năng kháng khuẩn của vải

SA hoạt động với một đầu là nhóm −COOH liên kết với AgNPs và một đầu là chuỗi

alkyl kỵ nước, nhờ đó sau khi biến tính kỵ nước vải có khả năng chống bám dính vi khuẩn, từ đó nâng cao hiệu quả kháng khuẩn của vải

Hình 1.14: Cơ chế kháng khuẩn của vải Ag/GO/AF−SA

1.4 Vi khuẩn

Vi khuẩn là những sinh vật đơn bào, có kích thước nhỏ, phân bố rộng, và phát triển sinh trưởng nhanh Vi khuẩn được chia làm hai nhóm là Gram âm và Gram dương nhờ vào cấu tạo và tính chất của màng tế bào vi khuẩn Do đó, hiệu quả kháng khuẩn của vải đối với từng loại vi khuẩn cũng khác nhau Các loại vi khuẩn được thử nghiệm trong luận văn này như trình bày ở Bảng 1.1

Bảng 1.1: Các loại vi khuẩn được khảo sát

(P aeruginosa)

Là vi khuẩn Gram âm, dạng hình thẳng, hai đầu tròn, và có kích thước 0,5−11,5−5 µm

Vi khuẩn xuất hiện phổ biến trong đất, nước, bề mặt có thể động vật AgNPs

ROS

Ribosom

Thay đổi tính thấm Ức chế quá trình hô hấp

Phá hủy DNA

Phá vỡ thành tế bào Vi khuẩn

Ag/GO/AF−SA

P aeruginosa tồn tại ở

dạng đơn, có khả năng di động, và phát triển tốt ở 37C [61]

nhiều bệnh khác nhau trên người như viêm giác mạc, viêm đường hô hấp, viêm phổi [62]

(S aureus)

Là vi khuẩn Gram dương, dạng cầu khuẩn có đường kính từ 0,8−1,0 µm, không có

lông, không nha bào Phát triển được ở nhiệt độ 10−45°C [63]

Vi khuẩn S aureus

thường tấn công vào những vết thương dưới da, viêm phổi, viêm tĩnh mạch, viêm màng não, viêm xương tủy [64]

1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.5.1 Trong nước

Trong nước, việc nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanocomposite ứng dụng trong vải kháng khuẩn vẫn còn ít và hạn chế bởi các nghiên cứu chưa đi sâu phân tích đặc tính lý hóa của sản phẩm như trình bày ở Bảng 1.2

Bảng 1.2: Một số nghiên cứu trong nước về vật liệu kháng khuẩn

STT Nội dung

nghiên cứu Phương pháp chế tạo Kết quả nghiên cứu

Tài liệu tham khảo

1 Nghiên cứu của băng nano bạc lên quá trình điều trị vết thương bỏng

Nano bạc chế tạo bằng phương pháp khử hóa học bằng chất khử NaBH4 với chất hoạt động bề mặt là chitosan;

Vải được ngâm trong huyền phù nano bạc ở nồng độ 500 mg/L ở nhiệt độ phòng trong 1

Keo nano bạc ở nồng độ 5000 mg/L, khi chuột uống 1,5 mL thì không có con nào chết sau 72 giờ; Băng tẩm nano bạc có khả năng khả khuẩn tốt hơn cả băng Anson của Trung Quốc;

Băng tẩm nano bạc giúp rút ngắn thời gian làm

[65]

giờ, sấy khô ở 50C trong 24 giờ

lành vết thương hạn chế để lại sẹo và ít gây phù nề khi thí nghiệm trên thỏ 2 Cải tiến quá

trình phủ bạc lên vải coton và vải peco thành vải kháng khuẩn

AgNPs được tổng hợp bằng chiếu xạ gamma dung dịch AgNO3 trong dung dịch chitosan;

AgNPs/vải được tổng hợp bằng phương pháp ngâm tẩm

AgNPs có đường kính trung bình 11,6 nm; Hoạt tính kháng khuẩn của AgNPs/vải và AgNPs/vải peco sau 60 lần giặt có khả năng

kháng được S aureus và (K pneumonia) trên 99,4

%;

Vải phủ AgNPs không gây hại cho da (k=0) bằng cách thử độ phản ứng da đối với động vật (thỏ)

[66]

3 Nghiên cứu hoạt tính kháng khuẩn của vải coton ngâm trong dung dịch keo AgNPs

AgNPs tổng hợp bằng vi sóng với chất họat động bề mặt là PVP và etylen glycol;

Vải được nhúng trong keo AgNPs ở nồng độ 20–100 mg/L trong 5 phút;

Các mẫu được giặt bằng nước trong 15 phút với 5, 10, và 15 lần giặt

Vải phủ AgNPs ở nồng độ 100 mg/L cho thấy khả năng kháng khuẩn cao nhất (hơn 99,9 %);

Khả năng kháng khuẩn của vải phủ nano bạc giảm dần khi số lần giặt tăng lên, khi giặt 10 lần thì hiệu suất kháng khuẩn giảm mạnh còn 55,66 %

đối với E coli và 41,67 % đối với S aureus

[67]

4 Ứng dụng của triclosan trong phủ

Phương pháp nhúng–trải được sử dụng để lắng đọng triclosan

Với hàm lượng triclosan 5 g/L, vải được nhúng trong 30 phút, trải ở 2,2 bar và

[68]