Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.2.1. Cơ chế diệt khuẩn của vật liệu nano Ag
Hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu nano Ag đạt được là do 2 tác dụng: Tác dụng ngay trên bề mặt của các hạt nano Ag được gắn trên bề mặt của vật liệu. Tác dụng thứ 2 có được do các ion bạc được giải phóng trong môi trường có nước.
3.2.1.1. Cơ chế diệt khuẩn của hạt nano bạc
Đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu giải thích hoạt tính diệt khuẩn của bạc. Tuy nhiên cơ chế chính xác của bạc nano tấn công vào vi sinh vật như thế nào thì không thực sự rõ ràng. Một khả năng có thể xảy ra đó là sự ức chế sinh trưởng của vi khuẩn có liên quan đến sự hình thành các điện tử tự do trên bề mặt của bạc. Các điện tử tự do được sinh ra một cách không kiểm soát có thể tấn công các phân tử lipid màng và dẫn tới sự phá hủy các chức năng của màng tế bào.
Tổng điện tích tế bào vi khuẩn là âm do sự thừa các nhóm carboxylic, chúng phân ly tạo ra bề mặt tích điện âm của tế bào. Sự trái ngược về điện tích làm cho vi khuẩn và các hạt nano Ag dính chặt vào nhau và có tác dụng sinh học do lực hút tĩnh điện. Sự gắn chặt của các hạt nano với tế bào vi khuẩn phụ thuộc vào diện tích bề mặt hạt. Hạt nano bạc có diện tích bề mặt lớn nên nó tăng hiệu quả kháng khuẩn so với các hạt có kích cỡ lớn hơn, vì vậy mà chúng tác dụng độc với các vi sinh vật.
Cơ chế diệt khuẩn do sự xâm nhập của các hạt nano vào bên trong tế bào vẫn chưa được hiểu hoàn toàn, nhưng các nghiên cứu chỉ ra rằng: Khi vi khuẩn được xử lý với bạc, sẽ có sự thay đổi cấu trúc hình thái học trên màng tế bào và nó gây ra sự tăng tính thấm qua màng một cách đáng kể, điều này ảnh hưởng đến sự vận chuyển chính xác các chất qua màng tương bào, các tế bào mất khả năng tự điều chỉnh sự vận chuyển các chất qua màng, kết quả dẫn đến sự chết của tế bào. Nghiên cứu này còn nhận xét rằng các hạt nano đã xâm nhập vào bên trong tế bào và người ta cho rằng nó phá hủy tế bào bằng việc kết hợp với các hợp chất chứa phosphor và sulfur chẳng hạn như DNA. Bạc có khuynh hướng có ái lực cao để phản ứng với những hợp chất như vậy. Và như thế, người ta cho rằng khi hạt nano tác dụng vơi DNA nó làm mất khả năng tự nhân lên của DNA và các protein tế bào sẽ trở nên vô hoạt.
3.2.1.2. Cơ chế diệt khuẩn của ion bạc
Trong môi trường nước, một lượng ion bạc (Ag+) nhất định luôn được giải
phóng ra từ bề mặt vật liệu bạc nano. Hàm lượng các ion được giải phóng phụ thuộc vào nguồn chứa ion đó và môi trường nó giải phóng. Các ion này góp phần làm tăng hiệu quả kháng khuẩn của vật liệu nano bạc.
Cơ chế diệt khuẩn của ion Ag+ rất phức tạp và cần được tiếp tục nghiên cứu. Với điều kiện của một bài khóa luận, chúng tôi đưa ra một vài cơ chế sau:
Các ion Ag+ khi tiếp xúc với các vi sinh vật, chúng kết hợp mạnh với các gốc: –SH, –COOH, –OH của các vi sinh vật, làm phá hủy màng vi sinh vật và làm rối loạn các chức năng của chúng (hình 3.11).
Mặt khác, các ion Ag+ còn kết hợp với oxi tạo thành các trạng thái không bền. Vì vậy, để đạt trạng thái bền vững, chúng kết hợp với oxi trong các vi sinh vật, do đó làm ngừng quá trình hình thành protein của các vi sinh vật. Như vậy, ion Ag+ đóng vai trò là chất xúc tác để biến đổi oxi thành oxi hoạt động (O2-, O2+, O), làm phá vỡ cơ chế chuyển hóa oxi và làm ngăn chặn quá trình sinh trưởng của vi sinh vật [55].
Cơ chế diệt khuẩn của Ag nano có liên quan mật thiết đến quá trình tương tác giữa các ion Ag+ với các nhóm thiol (sulphydryl: –SH) của vi sinh vật như các axít amin và các thành phần chứa nhóm thiol khác như Natri thioglycolate. Các nhóm thiol (-SH) trong thành tế bào của các vi sinh vật, virus đóng vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất và năng lượng của chúng. Ion Ag+ có khả năng liên kết tạo các chất không tan với các nhóm thiol này và do vậy vô hiệu hoá khả năng hoạt động của chúng (hình 3.12).
Hình 3.11. Cơ chế phá hủy màng tế bào vi sinh vật của ion Ag+.
Các ion Ag+
Hình 3.12. Tương tác giữa các ion Ag+ với các nhóm thiol
Như vậy, tương tác của các ion bạc với nhóm thiol trong enzyme và protein đóng vai trò vô cùng quan trọng trong tác dụng kháng khuẩn của nó.
Các ion bạc còn có xu hướng tác dụng thông qua sự liên kết với các nhóm chức chức năng của các enzyme. Các ion Ag+ làm tách các ion K+ của vi khuẩn và gắn vào màng tế bào chất, huyết tương và nhiều enzyme quan trọng khác và tạo thành Ag, AgNO3, bạc acetate, bạc protein, bạc sulphadiazine. Ngoài ra các liên kết hydro có trong thành phần tế bào vi sinh cũng có liên quan đến quá trình này [56].
Như vậy, các ion bạc rõ ràng là không chỉ có một cơ chế tác động. Chúng tương tác với một lượng lớn các quá trình ở mức độ phân tử bên trong tế bào vi sinh vật và do đó gây ra rất nhiều hậu quả như từ giảm sinh trưởng phát triển, mất hiệu quả hoạt động cho tới gây chết tế bào. Các cơ chế này phụ thuộc vào cả nồng độ ion bạc hiện diện và tính mẫn cảm của loài vi sinh vật đối với bạc. Thời gian tiếp xúc, nhiệt độ, pH và cả sự hiện diện của nước tự do đều ảnh hưởng đến cả tốc độ và mức độ của tác dụng kháng khuẩn.