Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết khảo cứu các tài liệu, bài báo, các cơng trình nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước liên quan đến nội dung nghiên cứu, cụ thể:

- Nghiên cứu tổng quan về vải viscose: đặc điểm, cấu trúc, tính chất và phạm vi ứng dụng

- Nghiên cứu tổng quan về nano bạc: đặc điểm, phương pháp tổng hợp - Nghiên cứu tổng quan về fibroin tơ tằm: cấu tạo, tính chất, ứng dụng và hịa tan, tái sinh fibroin

- Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp và công nghệ xử lý kháng khuẩn, nâng cao độ bền kháng khuẩn cho vải được xử lý bằng nano bạc

- Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp và kỹ thuật đánh giá khả năng kháng khuẩn và độ bền kháng khuẩn

2 3 2 Phương pháp thực nghiệm

2 3 2 1 Tổng hợp AgNPs bằng phương pháp hóa học xanh

a Sử dụng nguồn nguyên liệu quả Bồ hòn Việt Nam

* Tách chiết dung dịch quả Bồ hòn

Trong nghiên cứu này, với mục đích chiết xuất các hợp chất có trong quả Bồ hịn để khử ion bạc thành nano bạc nên luận án đã chọn dung môi là nước cất để tách chiết quả Bồ hòn Nước cất là một dung mơi rẻ, rất an tồn đối với con người và mơi trường sinh thái, bên cạnh đó một số hợp chất có tính khử trong quả Bồ hịn có khả năng tan tốt trong nước như saponin, đường… Thông qua việc nghiên cứu các tài liệu, tác giả lựa chọn điều kiện chiết các hoạt chất có trong quả Bồ hịn dựa theo các cơng trình được cơng bố [81, 86] và có điều chỉnh: Nhiệt độ T = 100°C, 30 phút, dung tỷ chiết: R = 1:5 (g quả khô/ml nước cất), chiết 2 lần

Tiến hành chiết dung dịch quả Bồ hòn:

- Lấy 100g quả Bồ hòn ngâm với 500 ml nước trong vịng 14 giờ Sau đó, ninh hỗn hợp trong thiết bị Ti-Color I ở 100℃, 30 phút Để nguội hỗn hợp và lọc dung dịch qua vải lọc và giấy lọc Whatman No 1 (2 lần) thu được dịch chiết lần 1

- Lấy phần quả vừa chiết xong cho vào máy xay sinh tố xay nhuyễn, sau đó thêm 500 ml nước và tiếp tục ninh trong thiết bị Ti-Color I ở nhiệt độ sôi trong 30 phút Để nguội hỗn hợp đó trong 3 giờ Lọc hỗn hợp thu được dung dịch chiết lần 2

- Trộn dịch chiết lần 1 và lần 2, sau đó ly tâm ở tốc độ 10 000 vòng/phút trong thời gian 20 phút, ở 5°C trên máy ly tâm R112805 Tomy MX-305 Dung dịch sau ly tâm được tách lấy phần dung dịch trong ở bên trên và loại bỏ các chất rắn (cịn sót sau q trình lọc) lắng dưới đáy ống ly tâm Dịch chiết này được đóng chai và bảo quản ở 4℃ để sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo

Thành phần chính của quả Bồ hịn là saponin, để định lượng chất khử tham gia vào quá trình sinh tổng hợp nano bạc thì luận án tiến hành xác định hàm lượng saponin bằng phương pháp chiết trong dung môi metanol

Các bước thực hiện:

Cho 10ml dung dịch chiết vào ba cốc thủy tinh khô đã biết khối lượng và sấy ở 60C bằng tủ sấy Yamato ADB 300 Sấy cho đến khi khối lượng chất rắn không đổi đem cân ta thu được khối lượng m1 Sau đó, đem hịa tan lượng chất rắn này bằng dung mơi metanol theo tỷ lệ khối lượng là 1:20 Lọc các chất rắn lơ lửng không tan bằng giấy lọc Sau khi lọc xong, đem phần chất rắn trên giấy lọc và phần dung dịch thu được cho vào thiết bị sấy đến khối lượng không đổi

Cân khối lượng phần dung dịch cơ đặc thu được sau trích ly bằng metanol ta được khối lượng m2 Từ đó, hàm lượng saponin trong dịch chiết quả Bồ hòn (%mSa) được xác định Hàm lượng saponin trong chất rắn thu được sau cơ đặc dung dịch chiết tính theo cơng thức 2 1 Nồng độ saponin trong dung dịch chiết được tính theo cơng thức 2 2 � 2 �1 CSa = 100 m2 (g/l) (2 1) (2 2) Sơ đồ quy trình chiết dung dịch quả Bồ hòn và xác định hàm lượng saponin được thể hiện trên Hình 2 3

100 ℃ Nghiền Quả Bồ hịn Dịch chiết 30 phút Lọc quả Bồ hịn 60 OC Sấy khơ Ly tâm Metanol Lọc Lọc 60OC Sấy Saponin

Hình 2 3: Quy trình chiết dung dịch quả Bồ hịn và xác định hàm lượng saponin

* Tổng hợp nano bạc

Quy trình tổng hợp nano bạc từ bạc nitrat bằng tác nhân khử là dịch chiết quả Bồ hịn được trình bày trên sơ đồ Hình 2 4

Để tổng hợp AgNPs, dịch chiết quả Bồ hịn được pha lỗng đến nồng độ 0,5 g/l saponin để tổng hợp AgNPs theo các phương án như sau: 1 ml dung dịch bạc nitrat với các nồng độ khác nhau (10, 20, 30, 40, 50 mM) được nhỏ vào ống fancol chứa 10 ml dung dịch quả Bồ hòn nồng độ 0,5 g/l saponin Thời gian phản ứng được khảo sát ở 4, 8, 12, 16 và 24 giờ tại nhiệt độ 50℃, các ống phản ứng được để trong bóng tối để khử ion bạc thành nano bạc Các thí nghiệm này được thực hiện tại Phịng thí nghiệm Vật liệu và Cơng nghệ Hóa dệt, Viện Dệt may - Da giầy và Thời trang

10 0 ℃ 30 ph út  100% (%) %mSa =

Tất cả các mẫu thí nghiệm sau q trình tổng hợp đều được ly tâm 2 lần với điều kiện quá trình ly tâm là: tốc độ (vlt) = 15 000 vòng/phút, thời gian (tlt) = 30 phút, nhiệt độ (Tlt) = 5°C trên thiết bị là máy ly tâm R112805 Tomy MX-305 Sau mỗi lần ly tâm sẽ loại bỏ phần dung dịch và phần rắn bám vào thành bình được phân tán lại trong nước cất bằng thiết bị rung siêu âm UT-106H của hãng Sharp với điều kiện là tần số (f) = 37 kHz, nhiệt độ phịng, t = 30 phút Thí nghiệm được tiến hành tại trung tâm Khoa học và Công nghệ Cao su, trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Các mẫu nano bạc sau khi ly tâm và rung siêu âm (AgSa) được tiến hành tiến hành xác định các đặc tính của hạt nano bạc (UV-Vis, FTIR, TEM, XRD, TGA)

Pha loãng +AgNO3 50oC Ly tâm 5oC Loại dung dịch Phân tán lại Dịch chiết

quả Bồ hòn AgNP@Sa Tomy MX-305Máy ly tâm Máy siêu âmUT-106H AgSa

Hình 2 4: Quy trình tổng hợp AgNPs bằng phương pháp hóa học xanh sử dụng dịch chiết quả Bồ hịn

Trong đó: AgNP@Sa AgSa

: Nano bạc có chứa cả dịch chiết quả Bồ hòn

: Nano bạc đã tinh chế sau phản ứng tổng hợp bằng dịch chiết quả Bồ hòn

b Sử dụng nguồn nguyên liệu lá Huyết dụ Việt Nam * Chiết dung dịch lá Huyết dụ

Các hợp chất có trong lá Huyết dụ được chiết tách trong nước theo điều kiện ở một số nghiên cứu đã cơng bố và có điều chỉnh [93, 187]: Nhiệt độ T = 100°C, thời gian chiết: 10 phút, dung tỷ: M = 1:20 (g lá khô/ml nước cất)

Tiến hành chiết dung dịch lá Huyết dụ: 10 g lá khô được chiết trong 200 ml nước cất ở nhiệt độ sôi, thời gian 10 phút Quá trình chiết tách sử dụng bể ổn nhiệt (BATHS HH-S6) của Phịng thí nghiệm Vật liệu và Cơng nghệ Hóa Dệt

Sau chiết tách dịch chiết được để nguội ở nhiệt độ phịng, sau đó tiến hành lọc 2 lần bằng giấy lọc Whatman No 1 Một phần dịch sau lọc được sử dụng để xác định hàm lượng anthocyanin bằng phương pháp pH vi sai, một phần được sấy khơ và phân tích FTIR và phần cịn lại sử dụng để tổng hợp nano bạc hoặc lưu trữ ở 4℃

* Xác định hàm lượng anthocyanin trong dịch chiết lá Huyết dụ

Hàm lượng anthocyanin được xác định bằng phương pháp pH vi sai theo tiêu chuẩn TCVN 11028:2015 [188], ngun lý và cơng thức tính được trình bày trong Phụ lục 3

Sơ đồ quy trình tách chiết và xác định hàm lượng anthocyanin được trình bày trên Hình 2 5

Hình 2 5: Sơ đồ quy trình chiết dung dịch lá Huyết dụ và xác định hàm lượng anthocyanin

* Tổng hợp nano bạc bằng phương pháp xanh sử dụng dịch chiết lá Huyết dụ làm chất khử

Quy trình tổng hợp nano bạc từ bạc nitrat bằng tác nhân khử là dịch chiết lá Huyết dụ được trình bày trên sơ đồ Hình 2 6

Dung dịch sau quá trình chiết được lọc để loại bỏ các các tạp chất và phần rắn khơng tan trong q trình chiết, sau đó được pha lỗng đến nồng độ 10 mg/l

anthocyanin để tổng hợp AgNPs theo các phương án như sau: 1 ml dung dịch bạc nitrat với các nồng độ khác nhau (6, 10, 14, 18 mM) được nhỏ vào ống fancol chứa 10 ml dung dịch lá Huyết dụ nồng độ 10 mg/l anthocyanin Thời gian phản ứng được khảo sát ở 2, 4, 6, 8 giờ tại nhiệt độ 50℃, các ống phản ứng được để trong bóng tối

Loại +AgNO3 50 oC Ly tâm 5oC dung dịch Phân tán lại

Col AgNP@Col Máy ly tâm

Tomy MX-305

Máy siêu âm

UT-106H AgCol

Hình 2 6: Quy trình tổng hợp AgNPs bằng phương pháp hóa học xanh sử dụng dịch chiết lá Huyết dụ

Trong đó:

AgNP@Col : Nano bạc có chứa cả dịch chiết lá Huyết dụ

AgCol : Nano bạc đã tinh chế sau phản ứng tổng hợp bằng dịch chiết lá Huyết dụ

Tất cả các mẫu thí nghiệm sau q trình tổng hợp đều được ly tâm 2 lần với điều kiện quá trình ly tâm là: tốc độ (vlt) = 15 000 vòng/phút, thời gian (tlt) = 30 phút, nhiệt độ (Tlt) = 5°C trên thiết bị là máy ly tâm R112805 Tomy MX-305 Sau mỗi lần ly tâm sẽ loại bỏ phần dung dịch và phần rắn bám vào thành bình được phân tán lại trong nước cất bằng thiết bị rung siêu âm UT-106H của hãng Sharp với điều kiện là tần số (f) = 37 kHz, nhiệt độ phòng, t = 30 phút Các mẫu nano bạc sau khi ly tâm và rung siêu âm (AgCol) được tiến hành tiến hành xác định các đặc tính của hạt nano bạc (UV-Vis, FTIR, TEM, XRD, TGA)

2 3 2 2 Hòa tan và tái sinh fibroin tơ tằm

a Chuội keo sericin trong kén tằm

Quá trình chuội keo sericin được thực hiện với các thông số công nghệ tham khảo từ một số cơng trình và có điều chỉnh [166, 171, 172] Kén tằm được chuội trong dung dịch Na2CO3 5 g/l ở 98oC, 30 phút với dung tỷ 1:20 Fibroin tơ tằm (Fib) sau đó được giặt sạch bằng nước ấm và nước lạnh 5 lần, và trung hòa kiềm bằng dung dịch CH3COOH 0,5% Fib đã loại keo được sấy khô ở 40℃ đến khối lượng không đổi và bảo quản ở điều kiện nhiệt độ 20℃, độ ẩm 65%

b Hòa tan fibroin tơ tằm

Các phương án khảo sát khả năng hồ tan của Fib với các hệ dung mơi khác nhau được trình bày trong Bảng 2 3 Hai muối CaCl2 và LiBr được sử dụng để tạo các hệ dung mơi khác nhau dùng cho hịa tan Fib Các thí nghiệm khảo sát sử dụng 10ml mỗi hệ dung mơi để hịa tan 1,4 g Fib đã chuội trong các điều kiện nhiệt độ, thời gian xác định và khơng có khuấy trộn Các thí nghiệm được thực hiện tại Phịng thí nghiệm Vật liệu và Cơng nghệ Hóa dệt, Viện Dệt may - Da giầy và Thời trang, trường ĐH Bách khoa Hà Nội

Bảng 2 3: Các phương án hoà tan của fibroin tơ tằm

c Tái sinh fibroin tơ tằm

Để tái sinh Fib về dạng không tan ban đầu cần loại bỏ dung mơi và muối cịn dư hoặc đã tạo phức với Fib trong quá trình hịa tan Q trình này được thực hiện theo hai phương án:

* Phương án 1: Sử dụng các dung môi, dung dịch để tái sinh fibroin trực tiếp Sử dụng các dung môi, dung dịch trình bày trong Bảng 2 4 để kết tụ Fib trực tiếp từ dung dịch hòa tan

Bảng 2 4: Các dung môi để tái sinh fibroin

Tác

nhân Hệ dung môi Ký hiệu Tỉ lệ khối lượng

Điều kiện thực nghiệm

CaCl2 CaCl2/EtOH CaEt Ca:Et = 20:80 t = 80C

t = 3 giờ CaCl2/EtOH/H2O CaEtW Ca:Et:W = 32:27:41

LiBr

LiBr/H2O LiW Li:W = 40:60 t = 80C

t = 3 giờ

LiBr/EtOH LiEt Li:Et = 40:60 t = 80C

t = 1 giờ LiBr/EtOH/H2O LiEtW LiEtW = 45:44:11

Dung môi Ký hiệu

Caxi clorua (CaCl2) ReS.Ca

Nhôm sunphat ((Al2(SO4)3) ReS.Al

Metanol (CH3OH) ReS.Me

Etanol (C2H5OH) ReS.Et

Cụ thể, nhỏ khoảng 10 g dung dịch Fib lên phiến kính mỏng kích thước 2,5 × 7,5 cm rồi nhúng vào 70 ml dung môi sử dụng để tái sinh Fib Sau 24 giờ, fibroin kết tủa trắng bám trên kính và phân tán một phần vào dung dịch Phần fibroin kết tủa trên kính được rửa bằng 50 ml nước cất để đánh giá khả năng bám dính trên kính, làm cơ sở cho q trình tái sinh fibroin trực tiếp trên vải

* Phương án 2: Sử dụng hệ thống lọc dòng ngang để loại bỏ bớt các muối dư, sau đó tái sinh fibroin trên vải viscose

Sử dụng cột siêu lọc trong hệ thống lọc dòng ngang (Watson-Marlow 323

peristaltic pump, UK) để loại các ion kim loại còn dư trong dung dịch hòa tan và thu

các phân đoạn fibroin Trước khi lọc trên hệ thống lọc dòng ngang, các dung dịch Fib cần pha loãng với nước cất theo tỷ lệ khối lượng 1:15 để giảm độ nhớt Sau đó, dung dịch Fib được ly tâm và lọc qua cột lọc có kích thước lỗ xốp 2m để loại các tạp chất và phần Fib có khối lượng phân tử (KLPT) lớn Dung dịch thu được sau đó được lọc tiếp qua cột lọc 10 kDa để thu được phân đoạn Fib có KLPT lớn hơn 10 kDa bên trong ống lọc Phần đi qua cột lọc 10 kDa là phân đoạn Fib có KLPT nhỏ và muối LiBr Thí nghiệm được tiến hành tại trung tâm Nghiên cứu và phát triển Công nghệ sinh học, trường Đại học Bách khoa Hà Nội Sơ đồ quy trình chuội, hịa tan, tinh lọc và tái sinh Fib được thể hiện trong Hình 2 7

Hịa tan

Fibroin tơ tằm Hịa tan Dung dịch

fibroin

Lọc dịng ngang

Tái sinh fibroin trong các dung dịch, hệ dung mơi khác nhau

Kén tằm

Bombyx mori fibroin >10 KDaDung dịch

Hình 2 7: Sơ đồ quy trình chuội, hịa tan, tinh lọc và tái sinh fibroin

Sau khi xác định được phương án loại bỏ muối, dung môi dư và tái sinh Fib, tác giả thực hiện quá trình đưa Fib lên vải viscose bằng phương pháp ngấm ép - sấy - gia nhiệt Quy trình xử lý được thực hiện như sau:

Mẫu vải viscose có kích thước 35cm 35cm, được điều hịa 24 giờ ở điều kiện tiêu chuẩn và cân để xác định khối lượng Sau đó, các mẫu vải được xử lý bằng dung dịch Fib theo các phương án như sau:

- -

Nồng độ dung dịch Fib: 1,0%, 2,5% và 5,0% (Nồng độ fibroin được xác định bằng cân phân tích ẩm Sartorius MA35 với nhiệt độ sấy 104 ± 2℃)

Tỷ lệ dung dịch ngấm so với vải: D = 5:1

Sau khi ngấm, các mẫu vải được ép trên máy ngấm ép (Atlas D394A, China) với mức ép 80% Tiếp theo, các mẫu vải được sấy khô ở 80℃ và gia nhiệt ở 110 3℃, 120 giây bằng máy văng sấy (SDL mini-dryer 398, England)

Quá trình ngấm ép - sấy - gia nhiệt được thực hiện 2 lần với mỗi mẫu vải

C

h

uộ

Để tái sinh và cố định Fib trên vải sợi, các mẫu vải tiếp tục được ngấm dung dịch Al2(SO4)3 10 g/l và ép với mức ép 80%, sau đó được sấy khơ ở 60℃ Mẫu vải sau quá trình xử lý được giặt sạch và phơi khơ ở nhiệt độ phịng Q trình xử lý vải viscose dệt thoi bằng dung dịch fibroin tơ tằm được trình bày trong Hình 2 8

Các mẫu vải viscose sau khi xử lý bằng dung dịch fibroin (VisFib) được phân tích hình thái bề mặt (OM, SEM), đo màu (ISO 105-J02:1997) và nhuộm màu, xác định hàm lượng fibroin trên vải để đánh giá khả năng tái sinh của fibroin

Vải Viscose Vải VisFib Ngấm dung dịch fibroin Sấy Ép Ép Sấy

Tái sinh fibroin trong Al2(SO4)3

Hình 2 8: Quy trình xử lý vải viscose dệt thoi bằng dung dịch fibroin tơ tằm

2 3 2 3 Nhuộm màu

Để đánh giá khả năng tái sinh của Fib trên vải viscose, tiến hành nhuộm mẫu vải viscose và vải viscose được xử lý bằng dung dịch Fib nồng độ 2,5% bằng thuốc nhuộm axit C I Acid Blue 203 và đánh giá khả năng nhuộm màu của vải sau xử lý bằng thuốc nhuộm hoạt tính C I Reactive Yellow 176

a Nhuộm bằng thuốc nhuộm axit

Các mẫu vải viscose trước và sau xử lý được nhuộm bằng thuốc nhuộm axit C I