Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu chế tạo vải cotton kỵ nước và kháng khuẩn với nanocomposite bạc

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật hóa học nghiên cứu chế tạo vải cotton kỵ nước và kháng khuẩn bằng phương pháp phủ nhúng, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Trần Châu Điệp
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hữu Hiếu
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh - Trường Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo vải cotton kháng khuẩn và kỵ nước bằng nanocomposite bạc
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Graphen oxit
• 1.2. Phương pháp tổng hợp
• 1.3. Ứng dụng
• 1.4. Nano bạc
• 1.5. Vật liệu nanocomposite bạc/graphen oxit
• 1.5.1. Phương pháp tổng hợp
• 1.5.2. Tổng hợp Ag/GO bằng phương pháp in situ
• 1.5.3. Tổng hợp Ag/GO bằng phương pháp ex situ

Tóm tắt

I. Tổng quan về vải cotton kháng khuẩn và kỵ nước

Nghiên cứu chế tạo vải cotton kháng khuẩn và kỵ nước bằng nanocomposite bạc đang trở thành một xu hướng quan trọng trong lĩnh vực vật liệu. Vải cotton truyền thống, mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng lại dễ bị vi khuẩn xâm nhập do tính ưa nước của nó. Việc sử dụng nanocomposite bạc giúp cải thiện khả năng kháng khuẩn của vải, đồng thời tạo ra bề mặt kỵ nước, giảm thiểu sự phát triển của vi sinh vật. Các nghiên cứu cho thấy rằng tính năng kháng khuẩn của vải cotton có thể được nâng cao thông qua việc phủ nhúng với vật liệu nanocomposite bạc. Nhờ vào khả năng kháng khuẩn mạnh mẽ của bạc, việc áp dụng công nghệ này không chỉ mang lại hiệu quả trong việc bảo vệ sức khỏe mà còn mở ra nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp dệt may.

1.1. Nguyên liệu vải cotton và công nghệ nanocomposite

Nguyên liệu chính trong nghiên cứu này là vải cotton, một loại vải tự nhiên phổ biến. Để chế tạo vải kháng khuẩn, vật liệu nanocomposite bạc được tổng hợp từ graphene oxide (GO) và bạc. GO có khả năng phân tán tốt trong nước và tương tác tốt với vi khuẩn, trong khi bạc có tính kháng khuẩn mạnh. Việc kết hợp hai loại vật liệu này tạo ra một sản phẩm có tính năng vượt trội hơn so với vải cotton thông thường. Quá trình tổng hợp nanocomposite bạc bao gồm các bước như tổng hợp GO, sau đó kết hợp với bạc để tạo ra Ag/GO. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc điều chỉnh các thông số trong quá trình tổng hợp có thể ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm cuối cùng.

II. Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

Phương pháp nghiên cứu trong luận văn này chủ yếu dựa vào việc khảo sát và phân tích đặc trưng của vật liệu nanocomposite bạc. Các mẫu Ag/GO/vải cotton được tạo ra thông qua phương pháp phủ nhúng. Các điều kiện như nồng độ của Ag/GO, số lần nhúng, và thời gian phản ứng được điều chỉnh để tối ưu hóa khả năng kháng khuẩn. Các thử nghiệm được thực hiện với hai loại vi khuẩn phổ biến là Pseudomonas aeruginosa và Staphylococcus aureus. Kết quả cho thấy rằng, với nồng độ Ag/GO tăng lên, khả năng kháng khuẩn của vải cotton cũng được cải thiện đáng kể. Điều này chứng minh rằng việc sử dụng nanocomposite bạc là một phương pháp hiệu quả để tạo ra vải kháng khuẩn.

2.1. Khảo sát khả năng kháng khuẩn

Khả năng kháng khuẩn của Ag/GO/vải cotton được thử nghiệm bằng phương pháp đo đường kính vùng ức chế. Kết quả cho thấy rằng, các mẫu vải nhúng Ag/GO có khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩn tốt hơn so với vải cotton chưa được xử lý. Đặc biệt, số lần nhúng và nồng độ Ag/GO ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả kháng khuẩn. Các mẫu được nhúng nhiều lần cho thấy khả năng kháng khuẩn cao hơn, với đường kính vùng ức chế lớn hơn. Điều này cho thấy rằng việc tối ưu hóa quy trình phủ nhúng là rất quan trọng trong việc phát triển sản phẩm vải kháng khuẩn.

III. Đánh giá tính năng và ứng dụng thực tiễn

Sản phẩm vải cotton kháng khuẩn và kỵ nước từ nanocomposite bạc không chỉ mang lại lợi ích về mặt sức khỏe mà còn có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp dệt may. Vải kháng khuẩn có thể được sử dụng trong sản xuất khẩu trang, đồ bảo hộ, và các sản phẩm y tế khác. Đặc biệt, trong bối cảnh dịch bệnh hiện nay, nhu cầu về các sản phẩm kháng khuẩn ngày càng tăng cao. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp một giải pháp hiệu quả cho vấn đề kháng khuẩn mà còn mở ra hướng đi mới cho ngành dệt may trong việc phát triển sản phẩm thân thiện với sức khỏe con người.

3.1. Tính bền vững và khả năng thương mại hóa

Đánh giá độ bền và khả năng thương mại hóa của vải kháng khuẩn là rất quan trọng. Các thử nghiệm cho thấy rằng Ag/rGO trên bề mặt vải có độ bám dính tốt và không bị rửa trôi khi giặt. Điều này chứng tỏ rằng sản phẩm có thể duy trì tính năng kháng khuẩn trong thời gian dài, đảm bảo hiệu quả sử dụng cho người tiêu dùng. Ngoài ra, chi phí sản xuất của nanocomposite bạc cũng được xem xét để đảm bảo tính khả thi trong thị trường. Việc phát triển sản phẩm này không chỉ giúp nâng cao sức khỏe cộng đồng mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp dệt may.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa ngày càng phát triển, ô nhiễm môi trường và sự xâm nhập của vi sinh vật gây bệnh ngày càng nghiêm trọng. Tình trạng kháng kháng sinh của vi khuẩn đã trở thành một thách thức lớn đối với y tế toàn cầu, làm tăng nguy cơ tái nhiễm, kéo dài thời gian điều trị và gây tổn hại sức khỏe. Đặc biệt, đại dịch COVID-19 với sự xuất hiện của nhiều biến chủng mới đã làm nổi bật nhu cầu cấp thiết về các sản phẩm kháng khuẩn hiệu quả, thân thiện với môi trường. Trong đó, vải kháng khuẩn đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ sức khỏe cộng đồng, đặc biệt là trong các sản phẩm khẩu trang, đồ bảo hộ y tế.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo vải cotton có tính kỵ nước và kháng khuẩn bằng phương pháp phủ nhúng với vật liệu nanocomposite bạc trên nền graphene oxide (Ag/GO). Mục tiêu chính là tổng hợp vật liệu Ag/GO, khảo sát điều kiện phủ nhúng và biến tính để tạo ra vải cotton có khả năng kháng khuẩn cao, đồng thời có bề mặt kỵ nước nhằm hạn chế sự phát triển của vi khuẩn trên vải. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 8/2021 đến tháng 7/2022 tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

Việc phát triển vải cotton kháng khuẩn và kỵ nước không chỉ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm y tế mà còn mở rộng ứng dụng trong đời sống hàng ngày, giúp giảm thiểu nguy cơ lây nhiễm vi khuẩn và virus. Các chỉ số đánh giá như góc tiếp xúc bề mặt (> 100°) và đường kính vùng ức chế vi khuẩn được sử dụng làm tiêu chí đánh giá hiệu quả của sản phẩm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

1. Lý thuyết về vật liệu nanocomposite bạc/graphene oxide (Ag/GO):

   • Graphene oxide (GO) là vật liệu có cấu trúc hai chiều với các nhóm chức chứa oxy như epoxide, hydroxyl, carboxylic và carbonyl, giúp phân tán tốt trong nước và tương tác hiệu quả với vi khuẩn.
   • Nano bạc (AgNPs) có kích thước từ 10 đến 100 nm, có khả năng kháng khuẩn cao nhờ giải phóng ion Ag+ và tạo ra các gốc oxy phản ứng (ROS).
   • Sự kết hợp AgNPs với GO tạo thành nanocomposite Ag/GO giúp khắc phục nhược điểm kết tụ của từng thành phần, tăng hiệu quả kháng khuẩn và ổn định kích thước hạt.

2. Mô hình phủ nhúng (dip-coating) và biến tính bề mặt vải:

   • Phương pháp phủ nhúng đơn giản, chi phí thấp, cho phép lắng đọng vật liệu Ag/GO lên bề mặt vải cotton nhiều lần để tăng độ bám dính và hiệu quả kháng khuẩn.
   • Biến tính bề mặt vải bằng phương pháp khử hóa học sử dụng L-ascorbic acid (LAA) để chuyển Ag/GO thành Ag/rGO (graphene oxide dạng khử), tạo tính kỵ nước cho vải mà không làm giảm khả năng kháng khuẩn.

Các khái niệm chính bao gồm: kháng khuẩn, kỵ nước, nanocomposite, phủ nhúng, graphene oxide, nano bạc, và biến tính bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu:

  • Vật liệu graphene oxide được tổng hợp bằng phương pháp Hummers cải tiến.
  • Vật liệu Ag/GO được tổng hợp bằng phương pháp in situ sử dụng tiền chất AgNO3 và chất khử glucose.
  • Vải cotton được xử lý bằng dung dịch NaOH, sau đó phủ nhúng với huyền phù Ag/GO ở các nồng độ từ 160 đến 640 mg/L và số lần nhúng từ 1 đến 10.
  • Biến tính Ag/GO/vải cotton thành Ag/rGO/vải cotton bằng phương pháp khử hóa học với LAA, khảo sát các điều kiện nhiệt độ (100–200°C), tỉ lệ LAA:Ag/GO (1:0 đến 1:5) và thời gian phản ứng (20–120 phút).

• Phương pháp phân tích:

  • Đặc trưng vật liệu được phân tích bằng phổ Raman, nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), phổ quang điện tử tia X (XPS), đo góc tiếp xúc và quang phổ phối plasma ghép nối cảm ứng (ICP-MS).
  • Khả năng kháng khuẩn được đánh giá bằng phương pháp đo đường kính vùng ức chế trên hai loại vi khuẩn Gram âm (Pseudomonas aeruginosa) và Gram dương (Staphylococcus aureus).
  • Độ bám dính và độ bền màu của vật liệu trên vải được đánh giá qua các thử nghiệm giặt với dung dịch có pH khác nhau và các tiêu chuẩn ISO liên quan.

• Timeline nghiên cứu:

  • Tổng hợp và phân tích vật liệu Ag/GO: 2 tháng.
  • Khảo sát điều kiện phủ nhúng và biến tính: 4 tháng.
  • Phân tích đặc trưng và đánh giá tính chất vật liệu: 3 tháng.
  • Viết luận văn và hoàn thiện báo cáo: 3 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc trưng vật liệu Ag/GO:

   • Phổ Raman cho thấy tỉ số cường độ đỉnh D/G (I_D/I_G) của Ag/GO là 1,17, cao hơn GO (1,05), chứng tỏ sự gia tăng mức độ rối loạn cấu trúc do sự liên kết giữa AgNPs và GO.
   • Giản đồ XRD xác nhận sự hiện diện của các mặt tinh thể AgNPs tại 2θ = 38°, 44°, 65° và 78°, đồng thời đỉnh đặc trưng của GO tại 9,5–10,5° không còn xuất hiện, cho thấy sự phủ AgNPs lên GO.

2. Ảnh hưởng của điều kiện phủ nhúng đến khả năng kháng khuẩn:

   • Nồng độ Ag/GO tăng từ 160 đến 640 mg/L và số lần nhúng từ 1 đến 10 làm tăng lượng Ag/GO bám trên vải cotton, với mức tối ưu tại 520 mg/L và 5 lần nhúng.
   • Đường kính vùng ức chế đối với S. aureus đạt khoảng 15 mm và với P. aeruginosa khoảng 13 mm ở điều kiện tối ưu, tăng 30–40% so với mẫu chưa phủ.

3. Ảnh hưởng của điều kiện biến tính Ag/GO thành Ag/rGO:

   • Nhiệt độ phản ứng 160°C, tỉ lệ LAA:Ag/GO là 1:3 và thời gian 80 phút cho kết quả góc tiếp xúc bề mặt vải đạt trên 100°, thể hiện tính kỵ nước tốt.
   • Khả năng kháng khuẩn của Ag/rGO/vải cotton không giảm so với Ag/GO/vải cotton, với đường kính vùng ức chế duy trì trên 14 mm đối với S. aureus và 12 mm đối với P. aeruginosa.
   • Độ bám dính của Ag/rGO trên vải ổn định ở pH từ 6 đến 11, với lượng Ag+ giải phóng thấp, đảm bảo an toàn khi sử dụng.

4. Độ bền màu và độ bám dính:

   • Sau 20 lần giặt với hóa chất tẩy rửa và trong môi trường mồ hôi axit, kiềm, vải Ag/rGO vẫn giữ được trên 85% khả năng kháng khuẩn và không bị phai màu đáng kể.
   • Độ bền màu đạt tiêu chuẩn ISO 105-C10:2006 và ISO 105-E04:2013, phù hợp cho ứng dụng thực tế.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc tổng hợp Ag/GO bằng phương pháp in situ tạo ra vật liệu nanocomposite có cấu trúc ổn định, kích thước hạt AgNPs phân bố đồng đều trên bề mặt GO, giúp tăng hiệu quả kháng khuẩn. Phương pháp phủ nhúng nhiều lần và điều chỉnh nồng độ Ag/GO giúp tối ưu lượng vật liệu bám trên vải, từ đó nâng cao khả năng kháng khuẩn.

Việc biến tính Ag/GO thành Ag/rGO bằng phương pháp khử hóa học với LAA không chỉ tạo ra bề mặt vải kỵ nước mà còn duy trì hiệu quả kháng khuẩn nhờ sự ổn định của nanocomposite trên bề mặt vải. Góc tiếp xúc trên 100° chứng tỏ tính kỵ nước tương đối, giúp hạn chế sự phát triển của vi khuẩn do giảm độ ẩm trên bề mặt vải.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, sản phẩm Ag/rGO/vải cotton trong nghiên cứu này có ưu điểm về tính thân thiện môi trường, chi phí thấp và độ bền cao sau nhiều lần giặt. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường kính vùng ức chế theo nồng độ và số lần nhúng, biểu đồ góc tiếp xúc theo điều kiện biến tính, và bảng so sánh độ bền màu sau giặt.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình phủ nhúng:

   • Áp dụng nồng độ Ag/GO khoảng 520 mg/L và 5 lần nhúng để đạt hiệu quả kháng khuẩn tối ưu.
   • Thời gian phủ và sấy cần được kiểm soát nghiêm ngặt để đảm bảo độ bám dính vật liệu.

2. Ứng dụng phương pháp biến tính khử hóa học:

   • Sử dụng L-ascorbic acid với tỉ lệ 1:3 và nhiệt độ 160°C trong 80 phút để tạo bề mặt kỵ nước mà không làm giảm khả năng kháng khuẩn.
   • Khuyến khích áp dụng phương pháp này trong sản xuất quy mô công nghiệp do tính đơn giản và thân thiện môi trường.

3. Đánh giá độ bền và an toàn sản phẩm:

   • Thực hiện các thử nghiệm giặt và tiếp xúc với môi trường axit, kiềm để đảm bảo độ bền màu và khả năng kháng khuẩn lâu dài.
   • Kiểm soát lượng ion Ag+ giải phóng để đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

4. Mở rộng ứng dụng sản phẩm:

   • Khuyến nghị sử dụng vải Ag/rGO trong sản xuất khẩu trang, đồ bảo hộ y tế, băng gạc kháng khuẩn nhằm giảm thiểu nguy cơ nhiễm khuẩn và lây lan dịch bệnh.
   • Nghiên cứu thêm về khả năng tái sử dụng và tái chế sản phẩm để tăng tính bền vững.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học và Vật liệu:

   • Học hỏi quy trình tổng hợp nanocomposite bạc/graphene oxide và phương pháp phủ nhúng vải kháng khuẩn.
   • Áp dụng kiến thức để phát triển các vật liệu chức năng mới.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu y tế và dệt may:

   • Tham khảo công nghệ chế tạo vải kháng khuẩn, kỵ nước thân thiện môi trường để nâng cao chất lượng sản phẩm.
   • Tối ưu hóa quy trình sản xuất và mở rộng danh mục sản phẩm.

3. Cơ quan quản lý và tổ chức y tế:

   • Đánh giá tiềm năng ứng dụng vải kháng khuẩn trong phòng chống dịch bệnh và chăm sóc sức khỏe cộng đồng.
   • Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho sản phẩm vải y tế.

4. Người tiêu dùng và cộng đồng:

   • Hiểu rõ về lợi ích của vải kháng khuẩn và kỵ nước trong bảo vệ sức khỏe cá nhân.
   • Lựa chọn sản phẩm phù hợp để phòng tránh nguy cơ nhiễm khuẩn trong sinh hoạt hàng ngày.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu nanocomposite Ag/GO có ưu điểm gì so với nano bạc đơn lẻ?
   Nanocomposite Ag/GO kết hợp ưu điểm của graphene oxide và nano bạc, giúp ổn định kích thước hạt, ngăn ngừa kết tụ, tăng hiệu quả kháng khuẩn và kéo dài thời gian giải phóng ion Ag+ so với nano bạc đơn lẻ.

2. Phương pháp phủ nhúng có phù hợp cho sản xuất công nghiệp không?
   Phương pháp phủ nhúng đơn giản, chi phí thấp và dễ dàng kiểm soát lượng vật liệu phủ, rất phù hợp cho sản xuất quy mô lớn trong ngành dệt may và vật liệu y tế.

3. Tại sao cần biến tính bề mặt vải thành kỵ nước?
   Bề mặt kỵ nước giúp giảm độ ẩm trên vải, hạn chế môi trường phát triển của vi khuẩn, đồng thời ngăn ngừa sự bám dính của dịch tiết cơ thể, tăng tuổi thọ và hiệu quả kháng khuẩn của sản phẩm.

4. Khả năng kháng khuẩn của vải Ag/rGO có bền sau nhiều lần giặt không?
   Nghiên cứu cho thấy vải Ag/rGO giữ được trên 85% khả năng kháng khuẩn sau 20 lần giặt với hóa chất tẩy rửa, đáp ứng tiêu chuẩn độ bền màu và độ bám dính vật liệu.

5. Sản phẩm vải kháng khuẩn này có an toàn cho người sử dụng không?
   Lượng ion Ag+ giải phóng từ vải được kiểm soát ở mức thấp, không gây độc tính cho da, phù hợp sử dụng trong các sản phẩm y tế và sinh hoạt hàng ngày.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu nanocomposite bạc/graphene oxide (Ag/GO) bằng phương pháp in situ với đặc trưng cấu trúc ổn định và kích thước hạt AgNPs đồng đều.
• Xác định được điều kiện phủ nhúng tối ưu (nồng độ 520 mg/L, 5 lần nhúng) để tạo vải cotton có khả năng kháng khuẩn cao với đường kính vùng ức chế lên đến 15 mm.
• Phương pháp biến tính khử hóa học với L-ascorbic acid tạo ra vải Ag/rGO có bề mặt kỵ nước (góc tiếp xúc > 100°) mà vẫn duy trì hiệu quả kháng khuẩn và độ bền cao sau nhiều lần giặt.
• Đánh giá độ bám dính và độ bền màu của vật liệu trên vải cho thấy sản phẩm phù hợp ứng dụng thực tế trong y tế và đời sống.
• Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và công nghệ để phát triển các sản phẩm vải kháng khuẩn, kỵ nước thân thiện môi trường, góp phần nâng cao sức khỏe cộng đồng.

Khuyến nghị triển khai nghiên cứu mở rộng quy mô sản xuất, đánh giá ứng dụng thực tế và phát triển các sản phẩm thương mại từ vải Ag/rGO. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên hợp tác để đưa công nghệ này vào thị trường.

Hãy liên hệ với nhóm nghiên cứu để nhận tư vấn và hợp tác phát triển sản phẩm vải kháng khuẩn thế hệ mới!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Graphen oxit Cấu trúc Graphite (Gi) được biết đến là một dạng thù hình của cacbon với các đơn lớp liên kết nhau [1, 2]. Các nhóm chức được hình thành và gia tăng khoảng cách khi Gi bị oxy hóa tạo sản phẩm graphite oxit (GiO). GiO được tách lớp tạo ra graphen oxit (GO) có cấu trúc như thể hiện ở Hình 1. Trên bề mặt và các cạnh, GO có chứa những nhóm chức chứa oxy như epoxide (–O–), hydroxyl (–OH), carboxylic (–COOH) và carbonyl (–C=O), điều này giúp GO có khả năng phân tán tốt trong nước.

Bên cạnh đó, nhờ vào diện tích bề mặt lớn và độc tính tế bào thấp nên GO có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau [4].1: Cấu trúc của GO Phương pháp tổng hợp Các phương pháp đã được sử dụng để tổng hợp GO như: Brodie, Staudenmaier và Hofmann, Hummers và Offeman, Hummers cải tiến. Trong đó, phương pháp Hummers cải tiến đang được sử dụng phổ biến để tổng hợp GO với nhiều ưu điểm như: Không tỏa nhiệt nhiều, không phát sinh khí độc hại, sản phẩm thu được có độ oxy hóa cao và ít khuyết tật hơn [5]. Quy trình tổng hợp GO theo phương pháp Hummers cải tiến như thể hiện ở Hình 1.2: Quy trình tổng hợp GO từ Gi theo phương pháp Hummers cải tiến Ứng dụng GO được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực bởi khả năng phân tán tốt trong nước do có các nhóm chức chứa oxy, độ hoạt động hóa học và tính tương thích sinh học cao. Cũng chính bởi các nhóm chức chứa oxy này mà GO có khả năng xử lý được kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ.

GO còn được sử dụng để chế tạo màng nanocomposite để phân tách hỗn hợp etanol/nước, metanol/nước, v. Ngoài ra, với tính tương thích sinh học cao nên GO được ứng dụng làm vật liệu dẫn truyền thuốc và cảm biến sinh học. Cấu trúc GO là các tấm có cạnh sắc bén cùng với các nhóm chức chứa oxy có khả năng tương tác tốt với thành tế bào vi khuẩn. Khi kích thước GO càng lớn thì khả năng che phủ tế bào càng cao, hiệu quả kháng khuẩn càng tốt [7].

Chính vì thế, GO được ứng dụng trong chế tạo vật liệu kháng khuẩn, cảm biến giúp xác định vi khuẩn, ADN, glucozơ, axit amin, v. Tuy nhiên, liên kết π – π trong cấu trúc khiến các tấm GO dễ bị kết dính, xếp chồng lên nhau. Vì vậy, các hạt nano kim loại (Ag, Zn, Cu, v.) hay oxit kim loại (TiO2, ZnO, v.) được thêm vào cấu trúc GO để khắc phục những hạn chế trên. Trong nghiên cứu này, nano bạc được sử dụng để kết hợp với GO do nano bạc có khả năng kháng khuẩn cao, quy trình tổng hợp đơn giản, cũng như giá thành thấp hơn so với các nano kim loại khác.

Nano bạc Nano bạc (AgNPs – silver nanoparticles) bao gồm các nguyên tử Ag liên kết với nhau tạo nên cấu trúc tinh thể, với mỗi phương pháp tổng hợp khác nhau thì thu được AgNPs có cấu trúc, hình dáng và kích thước hạt khác nhau. Đường kính của AgNPs 3 thường trong khoảng 10 – 100 nm và quyết định khả năng kháng khuẩn cao hay thấp của chúng [9, 10]. Khi đường kính hạt lớn, tính kháng khuẩn giảm, với kích thước nhỏ sẽ gây độc tính tế bào, ảnh hưởng đến sức khỏe người sử dụng khi lượng Ag+ giải phóng quá nhiều, khó kiểm soát [11]. Chính vì thế, việc ổn định kích thước hạt cho phù hợp sẽ giúp vật liệu có khả năng kháng khuẩn cao mà không ảnh hưởng tiêu cực đến việc sử dụng.

Graphen oxit có cấu trúc nano hai chiều và diện tích bề mặt riêng lớn nên được sử dụng làm chất ổn định giúp cho các hạt AgNPs không bị kết tụ trong quá trình tổng hợp trong luận văn này. Vật liệu nanocomposite bạc/graphen oxit Vật liệu nanocomposite bạc/graphen oxit (Ag/GO) được tổng hợp từ hai loại vật liệu khác nhau có kích thước nano là AgNPs và GO từ tiền chất AgNO3 và huyền phù GO. Phương pháp tổng hợp Vật liệu Ag/GO được tổng hợp theo hai phương pháp chính: Đồng kết tủa (in situ) và phối trộn huyền phù (ex situ) Tổng hợp Ag/GO bằng phương pháp in situ In situ là phương cho phép chế tạo một bước để thu được vật liệu nanocomposite với các hạt nano được tạo ra từ tiền chất tương ứng bằng các tác nhân khử [12]. Các hạt nano có thể phân tán đồng đều lên chất nền và dễ dàng điều chỉnh kích thước của các hạt nano bằng cách thay đổi điều kiện phản ứng [13].

Tuy nhiên, những nguyên liệu chưa phản ứng có thể gây ảnh hưởng đến sản phẩm sau cùng. Quá trình hình thành Ag/GO gồm hai giai đoạn chính như thể hiện ở Hình 1. Đầu tiên, các ion Ag+ được khuếch tán lên bề mặt các tấm GO. Sau đó các ion Ag+ bị khử bởi tác nhân khử về Ag0 để hình thành huyền phù Ag/GO.

4 AgNO3/NH3 GO AgNPs Ag/GO Hình 1.3: Quá trình tổng hợp Ag/GO bằng phương pháp in situ Tổng hợp Ag/GO bằng phương pháp ex situ Ex situ là phương pháp phối trộn huyền phù trong đó các hạt nano được phân tán trực tiếp vào chất nền để tạo ra vật liệu cần tổng hợp [12]. Trong phương pháp này, các vật liệu nano được tổng hợp riêng biệt. Các hạt AgNPs được tổng hợp trước với các tác nhân khử có thể là tác nhân vật lý (tia bức xạ) hoặc tác nhân hóa học (L – axit ascorbic, đường saccharide, polyphenol, v.), trước đi được phối trộn vào chất nền GO. Chúng liên kết với nhau bằng các lực liên kết tĩnh điện, π – π, hydro hoặc Van der Waals.

Quy trình tổng hợp Ag/GO bằng phương pháp ex situ được trình bày như ở Hình 1. 5 AgNPs GO Ag/GO AgNPs Hình 1.4: Quy trình tổng hợp Ag/GO bằng phương pháp ex situ Phương pháp này có thể kiểm soát được tỷ lệ Ag và GO dễ dàng hơn, phù hợp với quy mô lớn ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên, việc phân tán đồng đều các hạt nano trong chất nền có độ ổn định lâu dài và chống lại sự kết tụ thì khó hơn so với phương pháp in situ. Do đó, trong luận văn này phương pháp in situ được lựa chọn để tổng hợp Ag/GO.

Ứng dụng Với cấu trúc đặc thù, cả AgNPs và GO đều có khả năng kháng khuẩn. Tuy nhiên, khi áp dụng riêng lẻ thì hiệu quả sẽ không cao do liên kết π – π khiến các tấm GO xếp chồng, kết dính lên nhau, còn AgNPs thì có xu hướng kết tụ lại. Khi kết hợp hai vật liệu này chúng sẽ khắc phục những nhược điểm của nhau dẫn đến tăng hiệu suất kháng khuẩn cũng như mở rộng phạm vi ứng dụng của sản phẩm [11]. Cụ thể, ứng dụng của Ag/GO trong lĩnh vực kháng khuẩn được thể hiện qua các nghiên cứu sau: Khả năng chống bám dính và kháng khuẩn của Ag/GO [14], khử trùng nước [15], phát hiện ung thư [16], chế tạo thảm kháng khuẩn [17], vật liệu kháng nấm [18], v.

Ngoài ra Ag/GO còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như: Cảm biến, xúc tác, điện tử, v. Cơ chế kháng khuẩn của Ag/GO Quy trình kháng khuẩn của Ag/GO được thể hiện ở Hình 1. GO có diện tích bề mặt lớn và chứa các nhóm chức chứa oxy như (–O–), (–OH), (–COOH) và (–C=O), liên kết tương tác với màng tế bào chủ yếu bằng liên kết hydro, tương tác tĩnh điện và phản ứng oxy hóa khử để bắt lấy vi khuẩn [20]. Khi đó, AgNPs giải phóng các ion Ag+ mang điện tích dương liên kết với các lipid mang điện tích âm trên màng tế bào bằng lực hút tĩnh điện.

Đồng thời, các tấm GO sắc nhọn tiếp xúc và gây tổn thương màng 6 tế bào. Ag+ tương tác với lớp kép photpholipit dẫn đến thay đổi tính thấm của màng tế bào. Hệ thống màng tế bào bị phá hủy, các ion Ag+ có thể xâm nhập vào bên trong tế bào và nội bào bị rò rỉ ra bên ngoài. Khi Ag+ xâm nhập vào bên trong tế bào, các ion này tương tác, gây thay đổi cấu trúc và biến tính axit deoxyribonucleic (ADN).

Bên cạnh đó, Ag+ có xu hướng phản ứng với các nhóm thiol trong các axit amin làm cản trở quá trình tổng hợp protein [21]. Ngoài ra, các ion Ag+ sản sinh các loại gốc oxy phản ứng (Reactive oxygen species – ROS) phá hủy hệ hô hấp, ức chế và tổn thương tế bào vi khuẩn. Ag/GO ROS ROS AgNPs Phá hủy ADN + Phá hủy protein Ag ROS Phá hủy ty thể Phá vỡ màng tế bào Hình 1.5: Cơ chế kháng khuẩn của Ag/GO Vải kháng khuẩn Vải là loại vật liệu được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như đa dạng về giá thành và chất liệu, tính linh động cao, nhẹ và độ xốp cao. Trong lĩnh vực y tế, vải được sử dụng phổ biến dưới dạng các sản phẩm như: Băng gạc, băng dán, khẩu trang, đồ bảo hộ, v.

Các sản phẩm này như rào cản vật lý bảo vệ da và hệ hô hấp khỏi sự xâm nhiễm của vi khuẩn [22, 23]. Vải coton được ưu tiên sử dụng nhiêu hơn do giá thành thấp, sự thoải mái cũng như khả năng thấm hút tốt của chúng. Tuy nhiên, tính thấm hút tốt của vải coton dễ tạo điều kiện ẩm ướt cho vi khuẩn phát triển, ảnh hưởng đến quá trình điều trị, điều này càng nghiêm trọng đối với các bệnh nhân mắc các bệnh nền phức tạp như: Tiểu đường, béo phì, thận, v. Chính vì thế việc 7 kết hợp vải coton với các vật liệu có khả năng kháng khuẩn như vật liệu Ag/GO sẽ khắc phục được những nhược điểm trên.

Phương pháp chế tạo Phương pháp phủ nhúng (dip – coating) là phương pháp được sử dụng rộng rãi để kết hợp vật liệu kháng khuẩn trên bề mặt vải. Đây là phương pháp đơn giản, chi phí thấp, dễ lắng đọng chất nền trên bề mặt vải. Các tấm vải được nhúng nhanh vào dung dịch hay huyền phù như thể hiện ở Hình 1. Sau đó, mẫu được sấy khô rồi tiếp tục được nhúng và sấy.

Quy trình lặp lại nhiều lần tùy thuộc vào chất nền, chất phủ và mục đích sử dụng [24, 25].6: Quy trình phủ nhúng vải Hai cách được sử dụng để phủ nhúng chất nền Ag/GO lên bề mặt vải là: - Nhúng trực tiếp huyền phù Ag/GO lên nền vải; - Lần lượt nhúng vải vào GO sau đó đến AgNPs. Trong luận văn này, vải coton được phủ nhúng trực tiếp với huyền phù Ag/GO để tạo vải kháng khuẩn (Ag/GO/vải coton). Cơ chế kháng khuẩn của Ag/GO/vải coton Quá trình kháng khuẩn của vải phủ Ag/GO tuân theo cơ chế bắt giữ – diệt vi khuẩn được thể hiện ở Hình 1. Đầu tiên, vi khuẩn bị hấp phụ lên bề mặt vải nhờ vào diện tích lớn, giàu điện tử của GO.