7. Cấu trúc luận văn
1.4.4. Tính chất diệt khuẩn của hạt nano bạc
a. Vi khuẩn
gồm lớp màng ở bên ngoài và bên trong là DNA.
Có hai nhóm vi khuẩn chính vi khuẩn gram dương và vi khuẩn gram âm. Chúng khác nhau và được phân biệt chủ yếu dựa vào màng tế bào. Trong đó, thành tế bào của vi khuẩn gram dương có mật độ cấu trúc dày và bao bọc lấy lớp màng kép. Còn đối với vi khuẩn gram âm thì mật độ cấu trúc rất mỏng và được bao bọc bởi hai lớp màng kép.
Vi khuẩn trao đổi chất tác động qua lại với môi trường xung quanh nhờ protein có ở bên trên lớp màng. Mỗi loại protein có một chức năng riêng. Chúng có thể là các kênh trao đổi ion với môi trường trong và ngoài cơ thể. Chúng có thể đóng vai trò vận chuyển cơ chất vào trong cơ thể nhờ năng lượng lấy từ ATP.
b. Cơ chế diệt khuẩn của ion bạc
Các đặc tính kháng khuẩn của bạc bắt nguồn từ tính chất hóa học của các ion bạc. Ion này có khả năng liên kết mạnh với peptidoglican, thành phần cấu tạo nên thành tế bào của vi khuẩn và ức chế khả năng vận chuyển oxy vào bên trong tế bào dẫn đến làm tê liệt vi khuẩn. Nếu các ion bạc được lấy ra khỏi tế bào ngay sau đó, khả năng hoạt động của vi khuẩn lại có thể được phục hồi. Do động vật không có thành tế bào nên chúng ta không bị tổn thương khi tiếp xúc với các ion này.
Có một cơ chế tác động của các ion bạc lên vi khuẩn đáng chú ý được mô tả là sau khi ion bạc tác động lên lớp màng bảo vệ của tế bào vi khuẩn gây bệnh nó sẽ đi vào bên trong tế bào và phản ứng với nhóm sunfuahydrin – SH của phân tử enzyme chuyển hóa oxy và vô hiệu hóa men này dẫn đến ức chế quá trình hô hấp của tế bào vi khuẩn.
ình 1.6. Ion ạc vô hiệu hóa enzyme chuyển hóa oxy của vi khu n[16]
Ngoài ra các ion bạc còn có khả năng liên kết với các base của DNA và trung hòa điện tích của gốc phosphate do đó ngăn chặn quá trình sao chép DNA. Biến đổi đó sẽ làm cho vi khuẩn phát triển chậm và cuối cùng sẽ bị tiêu diệt
c. Cơ chế diệt khuẩn của hạt nano bạc
Hiện nay, do vi khuẩn ngày càng kháng thuốc kháng sinh nên các nhà khoa học đang tập trung đi tìm các tác nhân mới để diệt chúng và bạc là một trong những chất được tập trung nghiên cứu mạnh nhất.
Sở dĩ nano bạc được nghiên cứu ứng dụng vào việc kháng khuẩn vì bạc là kháng sinh tự nhiên và không gây tác dụng phụ. Nano bạc không gây phản ứng phụ, không gây độc cho người và vật nuôi khi nhiễm lượng nano bạc bằng nồng độ diệt khuẩn (khoảng nồng độ <100ppm) [25].
Tuy nhiên cho tới nay, cơ chế kháng vi sinh vật của nano bạc vẫn chưa được hiểu biết rõ ràng nhưng tồn tại một số quan điểm giải thích cơ chế diệt khuẩn của bạc được nhiều người ủng hộ. Các quan điểm đó chủ yếu dựa trên sự tương tác tĩnh điện giữa ion bạc mang điện tích dương và bề mặt tế bào vi khuẩn mang điện tích âm và trên sự vô hiệu hóa nhóm thiol trong enzyme vận chuyển oxy, hoặc trên sự tương tác của ion bạc với DNA dẫn đến sự đime hóa pyridin và cản trở quá trình sao chép DNA của tế bào vi khuẩn. Các nhà nghiên cứu cho rằng bạc tác dụng trực tiếp lên màng bảo vệ của tế bào vi khuẩn[15]. Màng này là một cấu trúc gồm các glycoprotein được liên kết với nhau bằng cầu nối axit amin để tạo độ cứng cho màng. Các ion bạc vừa mới được giải phóng ra từ bề mặt các hạt nano bạc tương tác với các nhóm peptidoglican và ức chế khả năng vận chuyển oxy của chúng vào bên trong tế bào, dẫn đến làm tê liệt vi khuẩn. Nếu các ion bạc được lấy ra khỏi tế bào ngay sau đó, khả năng hoạt động của vi khuẩn có thể lại được phục hồi. Các tế bào động vật cấp cao có lớp màng bảo vệ hoàn toàn khác so với tế bào vi sinh vật. Chúng có hai lớp lipoprotein giàu liên kết đôi có khả năng cho điện tử do đó không cho phép các ion bạc xâm nhập, vì vậy chúng không bị tổn thương khi tiếp xúc với các ion bạc.
Trung Quốc làm việc trong hãng ANSON mô tả khi ion bạc tương tác với lớp màng của tế bào vi khuẩn gây bệnh nó sẽ phản ứng với nhóm sunphohydril – SH của phân tử enzyme vận chuyển oxy và vô hiệu hóa enzyme này dẫn đến ức chế quá trình hô hấp của tế bào vi khuẩn.
Ngoài ra, các ion bạc còn có khả năng ức chế quá trình phát triển của vi khuẩn bằng cách sản sinh ra oxy nguyên tử siêu hoạt tính trên bề mặt của hạt nano bạc.
Theo một số nhà nghiên cứu, hiện nay có nhiều lí thuyết về cơ chế tác dụng diệt vi khuẩn của nano bạc đã được đề xuất, trong đó lí thuyết hấp phụ được nhiều người chấp nhận hơn cả. Bản chất của thuyết này là ở chỗ tế bào vi khuẩn bị vô hiệu hóa là do kết quả của quá trình tương tác tĩnh điện giữa bề mặt mang điện tích âm của tế bào và ion bạcđược hấp phụ lên đó, các ion này sau đó xâm nhập vào bên trong tế bào vi khuẩn và vô hiệu hóa chúng.
Cho đến nay, những gì liên quan đến cơ chế tác động của nano bạc lên tế bào vi sinh vật, mới chỉ có một quan điểm được hầu hết các nhà khoa học thừa nhận. Đó là khả năng diệt khuẩn của hạt nano bạc là kết quả của quá trình biến đổi các nguyên tử bạc kim loại trên bề mặt hạt nano bạc thành các ion bạc tự do và các ion tự do này sau đó tác dụng lên vi khuẩn.
Tóm lại, các nhà nghiên cứu đã đề xuất một số giả thiết về cơ chế khử trùng của nano bạc như sau:
- Cơ chế của quá trình oxy hóa nguyên sinh chất của tế bào vi khuẩn hoặc quá trình phá hủy nguyên sinh chất bởi oxy hòa tan trong nước với vai trò xúc tác của bạc;
- Cơ chế của các quá trình vô hiệu hóa enzyme có chứa các nhóm –SH và –COOH, phá vỡ cân bằng áp suất thẩm thấu, hoặc tạo phức với axit nucleic dẫn đến làm thay đổi cấu trúc DNA của tế bào vi sinh vật;
- Tác động gián tiếp lên phân tử DNA bằng cách tăng số lượng các gốc tự do làm giảm hoạt tính của các hợp chất chứa oxy hoạt động, làm rối loạn các quá trình oxy hóa cũng như phosphoryl hóa trong tế bào vi khuẩn.
- Ức chế quá trình vận chuyển các ion natrivà io canxi qua màng tế bào. Ngoài ra, một số nhà nghiên cứu còn cho rằng ion bạc có khả năng vô hiệu hóa các loài virut gây bệnh đậu mùa, bệnh cúm, adenovirus và HIV, cho hiệu quả điều trị tốt đối với các bệnh virut Marburg, virut bệnh đường ruột và virut bệnh chó dại.
Trong khi cơ chế tác dụng của các ion bạc lên vi sinh vật vẫn chưa hoàn toàn sáng tỏ, nhưng hầu hết các nhà nghiên cứu đều có một quan điểm thống nhất rằng chúng phá hủy chức năng hô hấp, hoặc phá hủy chức năng của thành tế bào, hoặc liên kết với DNA của tế bào vi sinh vật và ức chế chức năng sao chép của chúng [30].
d. Các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng diệt khuẩn của nano bạc
Kích thước, hình dạng hạt, nồng độ và sự phân bố là các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến tính kháng khuẩn của keo nano bạc.
Kích thước hạt nano bạc là yếu tố quan trọng quyết định khả năng diệt khuẩn của chúng. Hạt nano bạc có kích thước càng nhỏ thì khả năng diệt khuẩn của chúng càng mạnh, vì khi ở kích thước càng nhỏ thì tỉ số giữa diện tích bề mặt và thể tích càng lớn và hạt cũng có thể dễ dàng tương tác với vi khuẩn hơn. Tuy nhiên các hạt có kích thước nhỏ lại có khuynh hướng liên kết với nhau trong quá trình lưu trữ tạo thành các hạt lớn hơn gây ảnh hưởng tới khả năng diệt khuẩn và bảo quản nano bạc. Do đó trong quá trình chế tạo chúng ta phải tìm ra các phương pháp vừa tạo ra hạt nano bạc có kích thước nhỏ vừa bền vững.
Các hạt nano có thể có rất nhiều hình dạng khác nhau như hình que, hình cầu, hình tam giác… và sự thể hiện của các hạt nano bạc với cùng nồng độ, sự
phân bố nhưng với các hình dạng khác nhau là không giống nhau. Các hạt nano bạc có hình tam giác cụt có tính kháng khuẩn cao hơn các hạt hình cầu; các hạt nano hình que có tính kháng khuẩn thấp nhất.
Nano bạc có nồng độ càng cao và sự phân bố đều thì khả năng diệt khuẩn càng tốt. Tuy nhiên khi nồng độ quá cao, do năng lượng bề mặt hạt nano lớn, nên các hạt nano bạc sẽ va chạm vào nhau và phá vỡ cấu trúc nano. Vì vậy chúng ta cũng cần tìm nồng độ thích hợp để các hạt phân bố đồng đều để đạt khả năng diệt khuẩn tốt nhất.