- Vật liệu hạt nano từ và nano bạc đã và đang được nghiên cứu ứng dụng mạnh mẽ trong lĩnh vực y sinh, mơi trường. Tuy nhiên khi dùng riêng rẽ, chúng đều thể
- hiện một số mặt hạn chế. Các ứng dụng của bạc nano chủ yếu dựa vào khả năng diệt khuẩn mạnh trên phổ rộng. Yếu điểm lớn nhất là khĩ thu hồi sau khi sử dụng, một mặt gây lãng phí, mặt khác cĩ một số ý kiến cho rằng nano bạc cĩ khả năng gây độc cho người [58]. Việc kết hợp với vật liệu từ nano, với đặc tính dễ dàng thu hồi bằng từ trường, sẽ hứa hẹn giải quyết được nhược điểm này của hạt nano bạc. - - - 1.3.1. Vật liệu hạt bạc nano - 1.3.1.1. Đặc điểm và tính chất -
- Thời gian gần đây hạt bạc nano được quan tâm nghiên cứu rất mạnh mẽ nhờ các thuộc tính ưu việt, chủ yếu liên quan đến tính chất quang học và khả năng kháng khuẩn.
- - Tính chất quang học
- Hạt nano bạc cĩ tính chất quang học đặc biệt thú vị. Khi photon ánh sáng tương tác với bề mặt của hạt nano bạc, các clectron tự do bên ngồi hạt nano sẽ dao động tạo thành các sĩng điện tử cục bộ gọi là hiện tượng plasmon. Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt là sự kích thích các electron tự do bên trong vùng dẫn, dẫn tới sự hình thành các dao động đồng pha. Khi kích thước của bạc nano nhỏ hơn bước sĩng của bức xạ kích thích, hiện tượng này sẽ xuất hiện, dẫn đến cường độ hấp thụ và tán xạ tăng lên cao hơn rất nhiều so với các hạt cùng loại khơng cĩ tính chất plasmon [59].
- Quang phổ UV-Vis rất thích hợp trong việc nghiên cứu tính chất quang học của hạt nano bạc. Bước sĩng của tia cực tím cũng như ánh sáng nhìn thấy cĩ thể tương tác với các electron bề mặt của hạt nano bạc. Cực đỉnh peak và chiều rộng nửa peak hấp thụ UV-vis phụ thuộc vào trạng thái plasmon bề mặt của vật liệu. Hình 1.4 biểu diễn một phổ UV-vis đặc trưng của hạt bạc nano.
-
- -
- Hình 1.4. Phổ UV-Vis điển hình của hạt nano bạc [59]. -
- - Đặc tính kháng khuẩn
- Cĩ nhiều giả thiết về cơ chế diệt khuẩn của hạt nano bạc và cho đến nay các nhà khoa học vẫn cịn đang tranh cãi. Hạt nano bạc cĩ khả năng bám vào thành tế bào vi khuẩn, xâm nhập và gây ra những thay đổi cấu trúc màng tế bào dẫn đến làm chết tế bào [60]. Một giả thiết khác lại cho rằng sự hình thành các gốc tự do bởi nano bạc đã làm chết tế bào. Đã cĩ các cơng trình nghiên cứu phổ cộng hưởng điện tử chứng minh được sự hình thành gốc tự do khi hạt nano bạc tiếp xúc với vi khuẩn, và gốc tự do đã phá hủy màng tế bào [61].
- Cũng cĩ trường phái cho rằng hạt nano bạc sẽ giải phĩng ra ion bạc, ion bạc phản ứng với nhĩm thiol của các enzym quan trọng và ức chế chúng [62,63]. Các tế bào vi khuẩn khi tiếp xúc với hạt nano bạc sẽ bị các ion bạc giải phĩng ra này ức chế một số chức năng và phá hủy tế bào. Sau đĩ, sự ức chế quá trình hơ hấp enzym lại sinh ra oxy hoạt tính sẽ tự tấn cơng chính tế bào vi khuẩn.
- Khả năng kháng khuẩn của hạt nano bạc là đặc tính được khai thác nhiều nhất khi ứng dụng thực tế. Ưu điểm chung của vật liệu nano là cĩ bề mặt riêng lớn, dẫn đến tăng đáng kể các hiệu ứng. Với mục đích khử khuẩn, kích thước nhỏ tạo cho vật liệu lợi thế quan trọng trong việc tiếp xúc, xâm nhập vào thành tế bào. Các nghiên cứu đầu tiên trong lĩnh vực này đã cơng bố rằng hạt nano bạc cĩ tác dụng chống viêm và làm cho vết thương mau lành hơn [64,65]. Mặc dù hiệu quả chống viêm của nano bạc được các tác giả chỉ ra rõ ràng, nhưng cơ chế hoạt động và tác dụng phụ của vật liệu vẫn chưa được làm rõ.
1.3.1.2. Các phương pháp chế tạo hạt bạc nano
-
- Hạt bạc nano cĩ thể chế tạo theo con đường “từ trên xuống” (top- down) hoặc “từ dưới lên” (bottom-up). Con đường từ trên xuống được thực hiện bằng cách nghiền cơ học vật liệu khối để thu được hạt nano, sử dụng các kỹ thuật hồ quang điện, laser… [66,67]. Phương pháp này tạo ra sản phẩm dạng bột cĩ độ tinh kiết cao, tuy nhiên các thiết bị sử dụng ở đây rất đắt tiền.
- Con đường từ dưới lên được thực hiện bằng cách khử ion bạc về bạc kim loại bằng các phương pháp hĩa học, vật lý hay sinh học, nhưng đơn giản nhất là khử hĩa học bằng muối NaBH4 [68]. Cũng cĩ thể tạo hạt bạc nano bằng cách điện phân dung dịch AgNO3 với sự cĩ mặt của polyethylen glycol [69], hoặc khử bằng năng lượng vi sĩng [70] hay vi sinh vật [71].
1.3.2. Vật liệu nanocomposit Fe3O4/Ag
- Thời gian gần đây vật liệu nanocomposit Fe3O4/Ag được quan tâm nghiên cứu rất mạnh mẽ theo định hướng ứng dụng làm chất kháng khuẩn. Năm 2007, Gong và cộng sự đã cơng bố kết quả nghiên cứu chế tạo hạt nanocomposit Fe3O4/Ag bằng phương pháp mixel đảo, hạt cĩ đường kính khoảng 60 ± 20 nm. Vật liệu tổ hợp vẫn giữ được khả năng kháng khuẩn của nano bạc với E.coli (vi khuẩn gram âm), S.epidermidis (vi khuẩn gram dương) và vi nấm B.subtilis [72].
- Nhĩm tác giả Bhupendra năm 2009 đã chế tạo nanocomposit Fe3O4/Ag cấu trúc lõi-vỏ bằng phương pháp phân hủy nhiệt. Vật liệu cĩ khả năng ức chế vi khuẩn cả gram âm (Escherichia coli, Proteus vulgaris) và gram dương (Bacillus megaterium, Staphylococcus aureus), tuy nhiên hoạt tính với khuẩn gram âm mạnh hơn. Cấu trúc nano dạng lõi-vỏ Fe3O4-Ag tạo ưu thế ổn định cho dung dịch huyền phù và làm tăng khả năng khử khuẩn cho vật liệu, đồng thời việc tách loại vật liệu sau khi xử lý nước cũng được thực hiện dễ dàng bằng cách sử dụng từ trường ngồi [73].
- Năm 2011, Prucek và cộng sự đã tổng hợp vật liệu nanocomposit Fe3O4/Ag bằng phương pháp khử hĩa học bởi maltozơ, sử dụng polyacrylat với vai trị chất phân tán các hạt nano Fe3O4 và bạc. Vật liệu cĩ cấu trúc dạng lõi-vỏ, cĩ hoạt tính kháng khuẩn và kháng nấm cao, nồng độ ức chế tối thiểu – MIC đối với mười chủng vi khuẩn thử nghiệm đạt tử 15,6 mg/L đến 125 mg/L, với bốn lồi nấm
-
- candida trong khoảng từ 1,9 mg/L đến 31,3 mg/L [74].
- Gần đây, Ghaseminezhad và cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp nanocomposit Ag/ Fe3O4 sử dụng tinh bột, vừa cĩ tác dụng ổn định hạt Fe3O4 nano, vừa là nhân khử ion bạc trong mơi trường kiềm [75]. Vật liệu tổng hợp được cĩ tính kháng khuẩn mạnh với Escherichia coli, tuy nhiên từ tính khá yếu (hình 1.5)
-
-
- -
- Hình 1.5: (a) Giản đồ XRD và (b) đường cong từ
hĩa của Fe3O4, Ag và nanocomposit Ag/Fe3O4
[75]. -
- - -
- Mới đây các nhà khoa học trong nước đã cơng bố các kết quả rất đáng chú ý về vật liệu nanocomposit Fe3O4/Ag. Năm 2015, nhĩm nghiên cứu của GS. Trần Đại Lâm đã cơng bố các kết quả nghiên cứu tổng hợp nanocomposit Fe3O4/Ag sử dụng CS làm tác nhân ổn định vật liệu [76]. Trong nghiên cứu này, hạt sắt từ nano được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa từ FeCl3, FeCl2 trong dung dịch NH4OH. Kết tủa đen Fe3O4 sau đĩ được phân tán trong dung dịch CS hịa tan trong axit acetic 1%, tiếp tục cho dung dịch AgNO3 vào sau đĩ cho dung dịch NaBH4 để khử ion Ag+. Vật liệu nanocomposit Fe3O4/Ag-CS thu được cĩ từ độ bão hịa cao (67 emu/g) và hoạt tính kháng khuẩn mạnh đối với vi khuẩn gram (-) Pseudomonas
aeruginosa (hình 1.6). Mặt khác, kết quả khảo sát hiệu ứng từ/nhiệt rất khả quan
cũng chứng tỏ rằng vật liệu Fe3O4/Ag-CS cĩ thể phát triển ứng dụng trong điều trị tăng thân nhiệt cục bộ, diệt các tế bào ung thư.
-
- -
- Hình 1.6: Kết quả xác định vịng vơ khuẩn của các mẫu Fe3O4/Ag-CS (1), Fe3O4 (2) và nanocomposit Ag -CS (3) đối với P.aeruginosa [76].
- Trong một nghiên cứu khác, TS. Lê Anh Tuấn và cộng sự đã tổng hợp hạt lai Fe3O4-Ag bằng phương pháp đồng kết tủa cải tiến và phương pháp quang hĩa học. Nano tinh thể Ag được hình thành và phát triển trên bề mặt hạt Fe3O4, sử dụng axit oleic làm chất ổn định và glucose làm tác nhân khử [77]. Vật liệu lai Fe3O4-Ag được khảo sát khả năng kháng khuẩn gram (-) Staphylococcus aureus, là loại khuẩn kháng kháng sinh metixilin. Quy trình tổng hợp hạt lai Fe3O4-Ag khá phức tạp: Hạt nano Fe3O4 được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa. Hạt nano Ag được tổng hợp theo phương pháp Tollens: đầu tiên cho NaOH vào dung dịch AgNO3 thu được kết tủa Ag2O, sau đĩ hịa tan kết tủa trong dung dịch NH4OH, thu được phức [Ag(NH3)2]+. Tiếp theo, cho axit oleic vào để ổn định hệ phức bạc. Để thu được hạt lai Fe3O4-Ag, Fe3O4 trước tiên được phân tán trong dung dịch cĩ chứa axit oleic. Sau đĩ cho dung dịch phức [Ag(NH3)2]+ vào và chiếu bức xạ UV trong 12 giờ. Hoạt tính kháng khuẩn Staphylococcus aureus kháng kháng sinh metixilin (MRSA) được đánh giá bằng phương pháp xác định vịng vơ khuẩn trên đĩa thạch. Kết quả cho thấy mẫu Fe3O4 nano khơng thể hiện hoạt tính ức chế vi khuẩn MRSA, trong khi mẫu Ag nano cĩ khả năng khử khuẩn rất tốt, đường kính vịng vơ khuẩn tăng lên khi nồng độ Ag nano tăng từ ∼10 µg/mL tới ∼50 µg/mL. Mẫu hạt lai Fe3O4 –Ag cũng thể hiện hoạt tính tương tự hạt Ag nano (hình 1.7).
-
-
- -
- Hình 1.7: Hoạt tính kháng khuẩn MRSA của Ag
nano (a), Fe3O4 và nanocomposit Fe3O4 –Ag (b) [77].
- -
1.4. POLYME KHÁNG KHUẨN GỐC GUANIDIN- -
1.4.1. Giới thiệu chung về polyme kháng khuẩn
-
- Polyme là loại vật liệu cĩ tính linh hoạt rất cao, luơn dễ dàng biến đổi cấu trúc, biến tính tùy theo các mục đích ứng dụng khác nhau. Xét về mục tiêu ứng dụng làm tác nhân kháng khuẩn, cĩ những hợp chất polyme tự cĩ khả năng diệt khuẩn, hoặc cũng cĩ thể biến tính polyme với các tác nhân kháng khuẩn khác. So với các chất diệt khuẩn phân tử nhỏ, các hợp chất cao phân tử cĩ tính ổn định cao hơn và xác suất tạo ra hiện tượng kháng thuốc thấp hơn nhiều [78]. Người ta chia polyme kháng khuẩn ra thành 3 nhĩm chính: Polyme giải phĩng chất kháng khuẩn (antibiotic-releasing polymers); chất kháng khuẩn polyme hĩa (polymeric
antibiotics) và polyme kháng khuẩn (antibiotic polymers).
- Polyme giải phĩng kháng sinh: tương tự như một chất mang kháng sinh, các phân tử
hoặc ion diệt khuẩn được gắn mạch polyme bằng tương tác vật lý hoặc liên kết hĩa học. Các phần tử kháng sinh này sẽ được giải phĩng đến vị trí kháng khuẩn với liều được kiểm sốt [79].
- Chất kháng khuẩn polyme hĩa: là hợp chất trùng hợp từ các monnome kháng sinh.
- một thời gian ngắn thì chất kháng khuẩn polyme hĩa giữ được hoạt tính lâu hơn nhiều [80].
- Polyme kháng khuẩn: là nhĩm các polyme tự cĩ khả năng diệt khuẩn. Do chúng cĩ
cấu trúc tương tự các chất kháng khuẩn polyme hĩa nên ban đầu hai nhĩm này gộp chung với nhau. Tuy nhiên sau khi nghiên cứu sâu hơn người ta nhận thấy điểm khác biệt của loại polyme này, đĩ là hoạt tính kháng khuẩn bắt nguồn hồn tồn từ cấu trúc của chúng chứ khơng phải chỉ từ các nhĩm chức cation gắn vào mạch polyme [81]. Cho đến nay người ta đã tổng hợp được khá nhiều polyme kháng khuẩn với các nhĩm cation khác nhau (hình 1.8), nhưng các nhĩm chức amin bậc 4 được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất, đặc biệt là nhĩm guanidin.
-
- Hình 1.8: Các nhĩm cation thường cĩ mặt trong polyme kháng khuẩn. -
1.4.2. Các phương pháp tổng hợp Polyguanidin
-
- Polyguanidin được trùng hợp từ các monome như guanidin, isocyanit dihalogenua, este axit guanido, xyanogen halogenua hoặc dicyamit, đầu tiên theo cơ chế phản ứng cộng [83], sau đĩ theo phản ứng trùng ngưng [83].
- a) Phản ứng cộng:
- Cyanogen và diamin hịa tan riêng rẽ trong rượu khan với đương lượng mol như nhau rồi trộn vào nhau, đun nĩng trong 1 giờ, dung dịch cơ đặc lại và tiếp tục phản ứng trùng hợp ở 1750C.
- - - - (1.7) - - - -
- N,N’-dicyanamit và diamin với tỷ lệ mol 1:1 được phản ứng ở 1300C – 1800C từ 2 đến 12 giờ. - - - - (1.8) - - - b) Phản ứng trùng ngưng:
- Quá trình trùng ngưng của isocyanit dihalogenua và diamin trong mơi trường benzen khan (hoặc dung mơi trơ khác) với một lượng tương đương kali carbonat bắt đầu ở 450C, sau khi dung mơi bay hơi tiến hành trùng ngưng ở 1800C trong 9 giờ trong mơi trường khí trơ.
- - - - (1.9) - - -
- Phản ứng tự ngưng tụ của este guanido tạo ra polyacyl guanidin. Quá trình trùng hợp được thực hiện ở 1300C – 1800C từ 2 đến 12 giờ, phản ứng sinh ra rượu.
- - - (1.10) - - -
- Hỗn hợp diamin và guanidin với tỷ lệ tương đương được đun nĩng từ 2 đến 12 giờ ở 1300C – 1800C, phản ứng trùng ngưng sinh ra amoniac.
- - - - - - (1 .11)
- Trong số các hợp chất polyme gốc guanidin, polyhexametylen guanidin hydroclorid (PHMG) được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất do cĩ hoạt tính kháng khuẩn mạnh và khơng độc. Phản ứng 1.12, trình bày phản ứng tổng hợp PHMG từ các tiền chất guanidine hydrochlorit (GHC) và hexametylen diamin
(HMDA). -
- Trong phản ứng 1.12, cho thấy cĩ sự dịch chuyển các cặp điện tử tự do của nguyên tử nitơ trong nhĩm amin của HMDA đến các vị trí điện tích dương của nguyên tử cacbon trong nhĩm amin của GHC, phản ứng giải phĩng amoniac và mạch phân tử lớn dần lên, tạo thành PHMG [84].
- -
- 1.4.2.3. Đặc tính kháng khuẩn của PHMG
-
- Hoạt tính kháng khuẩn của PHMG được Zhang và cộng sự cơng bố từ năm 1999 [85]. Các tác giả đã tổng hợp PHMG bằng phương pháp trùng ngưng các monome guanidin hydrochlorit và 1,6-hexametylen diamin, polyhexamethylen biguanidin hydrochlorid (PHMBG) tổng hợp từ dicyandiamid và hexamethylene- diamin hydrochlorid. Cả hai polyme PHMG và PHMBG đều cĩ hoạt tính kháng khuẩn tốt đối với các chủng vi khuẩn và nấm thử nghiệm, nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) khơng vượt quá 200 µg/mL.
-
- với các chủng vi khuẩn chỉ thị như Staphylococcus aureus, Pseudomonas
aeruginosa, Salmonella choleraesuis, S. aureus kháng metixilin (MRSA) và E. coli
[86]. Các thí nghiệm kiểm nghiệm khả năng kháng khuẩn được thực hiện ở 200C, nồng độ PHMG thay đổi từ 0,001 – 0,1%, thời gian tiếp xúc 0,5 – 10 phút, và sử dụng các loại nước khác nhau: nước cất, nước máy. Các tác giả đã chỉ ra rằng ba loại nước nghiên cứu khơng ảnh hưởng đến kết quả thử nghiệm. Hệ số phenol đối với các chủng S. aureus, P. aeruginosa, S. choleraesuis xác định được lần lượt là 7,5; 6,1 và 5. PHMG trong 1,5 phút đã diệt hồn tồn khuẩn MRSA và E.coli với
nồng độ tương ứng là 0,04 % và 0,005%. Kết quả phân tích TEM cho thấy PHMG đã phá vỡ màng vỏ tế bào, dẫn đến dịch tế bào rị rỉ vào mơi trường. Các tác giả cho rằng PHMG hồn tồn cĩ thể sử dụng cho các cơ sở y tế cũng như gia đình như một chất khử trùng khơng mùi, khơng màu, khơng gây ăn mịn và an tồn.
- Trong một cơng bố mới đây, Lee và cơng sự đã nghiên cứu hoạt tính của PHMG với một số loại nấm gây bệnh [87]. Kết quả chỉ ra rằng PHMG cĩ hoạt