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 g/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 tính kháng nấm mạnh hơn cả amphoterixin B là một loại thuốc chống nấm hiện đang được sử dụng phổ biến. Nấm Candida albicans được sử dụng là đại diện để nghiên cứu cơ chế kháng nấm của PHMG. Các tác giả đã chỉ ra sự thay đổi kích thước và hình dáng tế bào sau khi xử lý bằng PHMG. Kết quả của các phép phân tích khác nhau đã chứng tỏ rằng PHMG đã phá hủy màng tế bào nấm, tạo ra các lỗ thủng cỡ khoảng 2,3 – 3,3 nm trên bề mặt màng (hình 1.9).
Năm 2020, Yu và cộng sự đã chứng minh rằng cĩ thể sử dụng PHMG để khử trùng rau diếp để ăn sống [88]. Theo các tác giả, PHMG là chất khử trùng mới và an tồn, cĩ thể kìm hãm sự hư hỏng của nơng sản do nấm mốc gây ra. Với nồng độ PHMG là 150-200 mg/L, sau 5 phút xử lý, rau diếp cĩ thể ăn sống được. So sánh với các chất khử trùng thường được sử dụng trong gia đình như giấm: axit acetic 1%, axit citric 1%, hay chất diệt khuẩn natri hypochlorit 200 mg/L, thì PHMG diệt khuẩn mạnh hơn với các chủng E.coli, Listeria monocytogenes, các vi khuẩn hiếu khí, dị dưỡng hiếu khí, nấm mốc và nấm men. Các chỉ tiêu chất lượng rau sau khi khử trùng cũng được phân tích và cho thấy so với các loại khử trùng hiện hành PHMG khơng gây ra tác hại, rau diếp sau khi khử trùng cĩ thể ăn ngay.
Các nhà khoa học nước ta cũng đã quan tâm và bắt đầu nghiên cứu ứng dụng tính kháng khuẩn của polyguanidin. Năm 2009, GS. Phạm Quốc Long và cộng sự đã cơng bố kết quả khảo sát sơ bộ tính kháng khuẩn của một số dẫn xuất của guanidin [89]. Theo các tác giả, chất khử trùng gốc guanidin cĩ khả năng ức chế khá hiệu quả những dạng cơ thể sống khác nhau (vi khuẩn, nấm mốc, sâu bệnh,...).
Mới đây, năm 2019, TS. Nguyễn Việt Hưng đã cơng bố trong Luận án của mình các kết quả nghiên cứu tổng hợp PHMG bằng phương pháp trùng ngưng từ GHC và HMDA. Khả năng khử khuẩn của PHMG cĩ thể so sánh được với cloramin B. Các kết quả thử nghiệm khử khuẩn mẫu nước thải thực tế (nước sơng Tơ Lịch, nước thải bệnh viện, nước thải lị mổ) đều rất khả quan [90].
Cho đến nay, hầu hết các nghiên cứu ứng dụng PHMG để khử trùng đều sử dụng trực tiếp, hồ tan PHMG vào nguồn nước. Với mục đích tăng cường hiệu quả diệt khuẩn cũng như gia tăng khả năng thu hồi vật liệu, các nhà khoa học thời gian gần đây đã nghiên cứu đưa PHMG lên các chất mang khác nhau. Một số tác giả đã cơng bố kết quả nghiên cứu ghép polyguanidin lên các màng lọc, như polyamid [91] và polysulfon [92]. Nikkola và cộng sự, năm 2013, đã nghiên cứu cải thiện tính ưa nước cho màng lọc RO thương mại (màng mỏng composit polyamid TFC PA) bằng cách phủ lên bề mặt màng dung dịch polyvinylalcol (PVA). Các tác giả cũng đưa thêm PHMG (5% kl.) và đã chỉ ra hoạt tính kháng khuẩn của màng TFC PA biến tính PVA/PHMG đối với khuẩn Gram- âm E. coli và khuẩn Gram-dương B. subtilis, thơng qua kết quả xác định vịng vơ
khuẩn. Khả năng chống bám bẩn (anti-fouling) của màng lọc biến tính và các tính năng lọc được cải thiện đáng kể [91]. Trong nghiên cứu của Yiming Cao và cộng sự cơng bố năm 2014, màng siêu lọc polysulfon được trùng hợp ghép với trimesoyl chlorid (TMC) và PHMG. Màng lọc biến tính thể hiện khả năng ức chế đối với khuẩn E.coli, trong khi vẫn giữ nguyên các tính năng lọc của màng nền nano. Thử nghiệm lọc trong 50 giờ với dung dịch cĩ nồng độ vi khuẩn cao đã chứng tỏ khả năng chống bám bẩn tốt của vật liệu [92].
Polyguanidin cũng bắt đầu được nghiên cứu chế tạo vật liệu composit, đây là hướng nghiên cứu vẫn cịn rất mới mẻ, các cơng bố quốc tế chưa cĩ nhiều. Năm 2015 Brzezinska và cộng sự đã nghiên cứu chế tạo màng composit của polyhydroxybutyrat (PHB) và polylactid (PLA) với polyme kháng khuẩn PHMG đã được phủ lên một số chất mang hữu cơ khác nhau: hạt sáp polyethylen, sulfanilic axit, và stearat) [93]. Kết quả khảo sát khả năng diệt khuẩn (ISO 22196) E. coli và
S. aureusđã chỉ ra rằng, màng composit PLA và PHB biến tính với PHMG phủ trên stearat và sulfanic axit khơng thể hiện hoạt tính kháng khuẩn, sự hình thành màng sinh học vẫn diễn ra. Trong khi đĩ PHMG mang trên hạt sáp polyethylen, với hàm lượng từ 0,6-1% kl cĩ tác dụng ức chế sự tạo màng sinh học trên bề mặt composit một cách rất rõ rệt trong 24 giờ (hình 1.10).
Hình 1.10: Khả năng diệt khuẩn E.coli theo nồng độ của PHMG trong thành phần composit với PLA và PHB [93].
(W- PHMG phủ trên hạt sáp polyethylen, A- PHMG phủ trên axit sulfanilic và S- PHMG phủ trên stearat).
Trong một cơng bố năm 2015, Chen và cộng sự đã cho rằng chức năng hĩa graphen oxit (GO) bằng PHMG sẽ tạo ra vật liệu kháng khuẩn cĩ hiệu quả cao hơn. Trong nghiên cứu này polyethylen glycol (PEG) được sử dụng thêm, như một chất trợ phân tán cho GO [94]. Hình 1.11, biểu diễn quy trình tổng hợp GO-PEG-PHMG.
Hình 1.11: Quy trình tổng hợp GO-PEG-PHMG [94].
Kết quả thử nghiệm khả năng kháng khuẩn với E. coli và S. aureus cho thấy vật liệu tổ hợp GO-PEG-PHMG cĩ hoạt tính mạnh hơn rõ rệt so với GO, GO- PEG và GO-PHMG. Các tác giả cho rằng, với hoạt tính kháng khuẩn mạnh, quy trình tổng hợp đơn giản và giá thành hợp lý, GO-PEG-PHMG là một chất kháng khuẩn mới cĩ tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực y tế và mơi trường.
Qua nghiên cứu tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước về lĩnh vực xử lý nước thải nhiễm khuẩn, ta nhận thấy vật liệu nanocomposit từ tính kháng khuẩn cĩ nhiều đặc tính hết sức thú vị, vừa diệt khuẩn hiệu quả vừa thu hồi dễ dàng, cĩ thể tái sử dụng và tránh được ơ nhiễm thứ cấp. Vật liệu composit giữa oxit sắt từ nano và
hạt bạc nano tuy mới được nghiên cứu gần đây nhưng đã thu được những kết quả rất khả quan. Bên cạnh nano bạc, polyme gốc guanidin là một dịng chất kháng khuẩn cĩ tiềm năng ứng dụng rộng rãi nhờ cĩ hoạt tính mạnh và độc tính thấp. Tuy nhiên cho đến nay polyguanidin mới được sử dụng ở dạng tự do, các nghiên cứu đưa polyguanidin lên các chất mang cịn rất ít, nanocomposit giữa oxit sắt từ và polyguanidin chưa được cơng bố.
Trong lĩnh vực xử lý nước thải, hướng nghiên cứu tái sử dụng các chất thải cơng nghiệp để giảm giá thành vật liệu xử lý là một cách tiếp cận rất hấp dẫn. Dung dịch tẩy gỉ thải bỏ là một chất thải nguy hại, nhưng lại chính là nguồn nước thải chứa sắt rất đáng chú ý. Các nghiên cứu tái sử dụng dung dịch tẩy gỉ mới chỉ dừng lại ở việc giảm xả thải trực tiếp ra mơi trường, thu hồi được một số sản phẩm giá trị khơng cao.
Luận án này sẽ tập trung nghiên cứu quá trình tổng hợp và đặc trưng tính chất của nanocomposit giữa oxit sắt từ nano và các tác nhân diệt khuẩn hạt bạc nano và polyme khử khuẩn gốc guanidin, oxit sắt từ nano được nghiên cứu tổng hợp từ dung dịch tẩy gỉ thải bỏ của nhà máy thép.
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM