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.

Hành động tiếp theo: 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!