Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu kháng khuẩn ngày càng tăng trong y tế, nông nghiệp và công nghiệp, vật liệu nano bạc (AgNPs) nổi lên như một giải pháp tiềm năng nhờ tính kháng khuẩn phổ rộng và hiệu quả vượt trội. Theo báo cáo của ngành, từ năm 1980 đến 2010, thế giới đã ghi nhận khoảng 7.500 phát minh liên quan đến nano bạc, minh chứng cho tiềm năng ứng dụng rộng lớn của vật liệu này. Tuy nhiên, hoạt tính kháng khuẩn của nano bạc phụ thuộc mạnh mẽ vào hình dạng, kích thước và cấu trúc tinh thể của các hạt nano. Đặc biệt, các cấu trúc nano bạc như hạt cầu, khối và dây có mức độ kháng khuẩn khác nhau, trong đó hạt cầu và khối thể hiện hiệu quả cao hơn so với dạng dây.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là chế tạo các cấu trúc nano bạc với hình dạng khác nhau, khảo sát tính chất quang học, cấu trúc tinh thể và đánh giá khả năng kháng khuẩn của chúng trên các chủng vi khuẩn E. coli, S. aureus và nấm Aspergillus. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm nano Trường Đại học Quy Nhơn trong khoảng thời gian năm 2023, tập trung vào việc tối ưu hóa nồng độ tiền chất AgNO3 và thời gian chiếu xạ vi sóng nhằm tạo ra sản phẩm nano bạc có hoạt tính kháng khuẩn tối ưu.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp giải pháp vật liệu kháng khuẩn hiệu quả, thân thiện môi trường, góp phần nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe và phát triển nông nghiệp sạch. Các chỉ số đánh giá như đường kính vòng kháng khuẩn và phổ hấp thụ UV-Vis được sử dụng làm metrics chính để đo lường hiệu quả của sản phẩm nano bạc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR): Giải thích tính chất quang học đặc trưng của nano bạc, trong đó các electron tự do dao động cộng hưởng với ánh sáng, tạo ra phổ hấp thụ đặc trưng trong vùng tử ngoại đến khả kiến. Hiệu ứng này phụ thuộc vào kích thước và hình dạng hạt nano, ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt tính kháng khuẩn.

  • Cơ chế kháng khuẩn đa chiều của nano bạc: Ion Ag+ từ nano bạc tương tác với màng tế bào vi khuẩn, phá vỡ cấu trúc tế bào và ức chế các enzym quan trọng, dẫn đến cái chết của vi khuẩn. Cơ chế này bao gồm sự phá hủy màng tế bào, cản trở trao đổi chất và tổn thương DNA.

  • Mô hình cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt (Face-Centered Cubic - FCC): Cấu trúc tinh thể của bạc nano được xác định qua phổ nhiễu xạ tia X (XRD), với các mặt tinh thể {111}, {200}, {220}, {311} ảnh hưởng đến hoạt tính kháng khuẩn do sự khác biệt về diện tích bề mặt và khả năng phản ứng.

Các khái niệm chính bao gồm: hạt nano bạc (AgNPs), hiệu ứng Plasmon bề mặt, ion bạc (Ag+), cấu trúc tinh thể FCC, và phương pháp tổng hợp khử ion bằng vi sóng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện theo phương pháp thực nghiệm với các bước chính:

  • Nguồn dữ liệu: Dung dịch tiền chất AgNO3 với các nồng độ 40 mM, 60 mM, 80 mM; chất bảo vệ PVP; dung môi ethylene glycol (EG); và NaCl để điều chỉnh cấu trúc hạt nano.

  • Phương pháp tổng hợp: Khử ion bạc bằng phương pháp khử ion trong dung dịch AgNO3/NaCl/PVP/EG dưới tác dụng của vi sóng với công suất 400 W, thời gian chiếu xạ thay đổi từ 0,5 đến 2 phút nhằm điều chỉnh hình dạng và kích thước hạt nano bạc.

  • Phương pháp phân tích:

    • Phổ hấp thụ UV-Vis để xác định sự hình thành và kích thước hạt nano qua đỉnh hấp thụ đặc trưng trong khoảng 385-420 nm.
    • Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể và các mặt tinh thể của nano bạc.
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) để khảo sát hình thái và kích thước hạt nano.
    • Phương pháp đục lỗ thạch để đánh giá khả năng kháng khuẩn trên vi khuẩn E. coli, S. aureus và nấm Aspergillus.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu nano bạc được tổng hợp với 3 nồng độ AgNO3 và 4 thời gian chiếu xạ vi sóng, mỗi mẫu được kiểm tra ít nhất 3 lần để đảm bảo tính lặp lại và độ tin cậy của kết quả.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và khảo sát mẫu trong vòng 6 tháng, bao gồm giai đoạn tổng hợp, phân tích đặc tính vật liệu và thử nghiệm kháng khuẩn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nồng độ AgNO3 đến hình dạng và kích thước hạt nano:

    • Ở nồng độ 40 mM, hạt nano bạc chủ yếu có dạng hình cầu với kích thước nhỏ và mật độ thấp, thể hiện qua đỉnh hấp thụ UV-Vis nhọn tại 390 nm và cường độ hấp thụ yếu.
    • Ở 60 mM, hạt nano có mật độ cao hơn, kích thước đồng đều, dạng hạt cầu chiếm ưu thế, đỉnh hấp thụ dịch chuyển về 420 nm với cường độ hấp thụ mạnh hơn.
    • Ở 80 mM, xuất hiện đa dạng hình dạng (cầu, khối, dây), đỉnh hấp thụ rộng từ 390 đến 500 nm, cho thấy sự kết tụ và biến đổi cấu trúc hạt.

  2. Ảnh hưởng của thời gian chiếu xạ vi sóng:

    • 0,5 phút: Hạt nano chủ yếu dạng cầu, mật độ thấp, đỉnh hấp thụ tại 385 nm.
    • 1,5 phút: Hạt nano có mật độ cao nhất, hình dạng đa dạng gồm cầu, khối và dây, đỉnh hấp thụ mạnh tại 418 nm.
    • 2 phút: Dây nano chiếm ưu thế, xuất hiện hai đỉnh hấp thụ, bước sóng dịch chuyển dài hơn, thể hiện sự phát triển cấu trúc dây.

  3. Khả năng kháng khuẩn:

    • Mẫu nano bạc chế tạo với nồng độ 60 mM AgNO3 và chiếu xạ 1,5 phút có hoạt tính kháng khuẩn tốt nhất với đường kính vòng kháng khuẩn khoảng 1,6 mm đối với E. coli và 1,7 mm đối với S. aureus.
    • Tất cả các mẫu đều thể hiện khả năng kháng khuẩn trên vi khuẩn E. coli và S. aureus, nhưng không có hiệu quả đáng kể trên nấm Aspergillus.

  4. Cấu trúc tinh thể:

    • Phổ XRD xác nhận cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt (FCC) của bạc với các đỉnh tại góc 2θ lần lượt là 38,10°, 44,20°, 64,20°, 77,20°, tương ứng với các mặt (111), (200), (220), (311).

Thảo luận kết quả

Kết quả SEM và UV-Vis cho thấy sự điều chỉnh nồng độ AgNO3 và thời gian chiếu xạ vi sóng có ảnh hưởng rõ rệt đến hình dạng và kích thước hạt nano bạc. Hạt cầu với kích thước đồng đều và mật độ cao tạo ra diện tích bề mặt tiếp xúc lớn, từ đó nâng cao hiệu quả kháng khuẩn. Sự phát triển của cấu trúc dây nano làm giảm diện tích tiếp xúc hiệu quả, dẫn đến hoạt tính kháng khuẩn yếu hơn, phù hợp với các nghiên cứu gần đây về ảnh hưởng hình dạng đến hoạt tính kháng khuẩn của AgNPs.

Phổ XRD khẳng định sự hình thành tinh thể bạc nguyên chất, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả của vật liệu. Đường kính vòng kháng khuẩn đo được qua phương pháp đục lỗ thạch phản ánh trực tiếp khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩn, với mẫu 60 mM - 1,5 phút đạt hiệu quả tối ưu.

Việc nano bạc không thể kháng nấm Aspergillus có thể do kích thước lớn và cấu trúc phức tạp của nấm, khiến ion Ag+ khó thâm nhập và tác động hiệu quả. Điều này mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm tối ưu hóa kích thước và mật độ hạt nano để nâng cao khả năng kháng nấm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ UV-Vis so sánh các mẫu, ảnh SEM minh họa hình thái hạt nano, phổ XRD xác định cấu trúc tinh thể và bảng so sánh đường kính vòng kháng khuẩn giữa các mẫu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp nano bạc:

    • Điều chỉnh nồng độ AgNO3 quanh mức 60 mM và thời gian chiếu xạ vi sóng khoảng 1,5 phút để tạo ra hạt nano bạc hình cầu đồng đều, tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, nâng cao hiệu quả kháng khuẩn.
    • Thời gian thực hiện: 3-6 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu nano.

  2. Phát triển vật liệu nano bạc có khả năng kháng nấm:

    • Nghiên cứu điều chỉnh các thông số như nhiệt độ, nồng độ chất bảo vệ PVP, và bổ sung các chất hỗ trợ để tạo ra hạt nano bạc có kích thước nhỏ hơn và mật độ cao hơn, nhằm tăng khả năng thâm nhập và tiêu diệt nấm Aspergillus.
    • Thời gian thực hiện: 6-12 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Nhóm nghiên cứu chuyên sâu về vật liệu kháng nấm.

  3. Ứng dụng nano bạc trong y tế và nông nghiệp:

    • Áp dụng nano bạc chế tạo thành các sản phẩm kháng khuẩn như băng gạc, vật liệu phủ bề mặt, hoặc chất bảo vệ thực vật sinh học, nhằm giảm thiểu sử dụng kháng sinh và hóa chất độc hại.
    • Thời gian thực hiện: 12-18 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Doanh nghiệp công nghệ sinh học, cơ sở y tế, nông trại sạch.

  4. Đánh giá tác động môi trường và an toàn:

    • Thực hiện các nghiên cứu đánh giá độc tính và ảnh hưởng môi trường của nano bạc khi sử dụng rộng rãi, đảm bảo tính an toàn và bền vững.
    • Thời gian thực hiện: 12 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Các tổ chức nghiên cứu môi trường và an toàn sinh học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành Vật lý chất rắn, Khoa học vật liệu:

    • Lợi ích: Nắm bắt quy trình tổng hợp và đặc tính vật liệu nano bạc, áp dụng vào nghiên cứu phát triển vật liệu mới.
    • Use case: Thiết kế thí nghiệm tổng hợp nano bạc với hình dạng kiểm soát.

  2. Chuyên gia y sinh và dược học:

    • Lợi ích: Hiểu rõ cơ chế kháng khuẩn của nano bạc, ứng dụng trong phát triển thuốc và vật liệu y tế kháng khuẩn.
    • Use case: Phát triển băng gạc kháng khuẩn hoặc thuốc điều trị viêm nhiễm.

  3. Nhà quản lý và kỹ sư trong ngành nông nghiệp sạch và chăn nuôi:

    • Lợi ích: Áp dụng nano bạc làm chất kháng khuẩn sinh học, giảm thiểu sử dụng kháng sinh truyền thống.
    • Use case: Sản xuất vật liệu phủ bảo vệ cây trồng và vật nuôi khỏi vi khuẩn gây bệnh.

  4. Doanh nghiệp công nghệ nano và sản xuất vật liệu:

    • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ tổng hợp nano bạc hiệu quả, phát triển sản phẩm thương mại.
    • Use case: Sản xuất dung dịch nano bạc kháng khuẩn hoặc vật liệu dẫn điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nano bạc có độc hại với con người không?
    Nano bạc ở nồng độ thấp được chứng minh không độc hại với con người, do đó được sử dụng rộng rãi trong y tế và sản phẩm tiêu dùng. Tuy nhiên, việc sử dụng cần kiểm soát nồng độ và liều lượng để tránh tác động không mong muốn.

  2. Tại sao hình dạng hạt nano bạc ảnh hưởng đến hoạt tính kháng khuẩn?
    Hình dạng ảnh hưởng đến diện tích bề mặt tiếp xúc và các mặt tinh thể phản ứng. Hạt cầu và khối có diện tích tiếp xúc lớn hơn và các mặt {100} hoạt động mạnh hơn, từ đó tăng hiệu quả kháng khuẩn so với dạng dây.

  3. Phương pháp khử ion bằng vi sóng có ưu điểm gì?
    Phương pháp này nhanh chóng, dễ kiểm soát kích thước và hình dạng hạt nano, tiết kiệm năng lượng và cho sản phẩm đồng đều, phù hợp cho nghiên cứu và sản xuất quy mô phòng thí nghiệm.

  4. Nano bạc có thể kháng nấm Aspergillus không?
    Theo kết quả nghiên cứu, nano bạc chế tạo chưa thể hiện hiệu quả kháng nấm Aspergillus do kích thước và cấu trúc nấm phức tạp. Cần nghiên cứu thêm để tối ưu hóa vật liệu cho mục đích này.

  5. Làm thế nào để đánh giá khả năng kháng khuẩn của nano bạc?
    Phương pháp đục lỗ thạch được sử dụng phổ biến, đo đường kính vòng kháng khuẩn trên môi trường thạch nuôi cấy vi khuẩn. Đường kính vòng càng lớn chứng tỏ hoạt tính kháng khuẩn càng mạnh.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc chế tạo nano bạc với các hình dạng cấu trúc khác nhau bằng phương pháp khử ion sử dụng vi sóng, tối ưu ở nồng độ AgNO3 60 mM và thời gian chiếu xạ 1,5 phút.
  • Nano bạc dạng hạt cầu chiếm ưu thế, có kích thước đồng đều và mật độ cao, tạo hiệu quả kháng khuẩn tốt trên vi khuẩn E. coli và S. aureus với đường kính vòng kháng khuẩn khoảng 1,6-1,7 mm.
  • Nano bạc chưa thể hiện khả năng kháng nấm Aspergillus hiệu quả, mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo về điều chỉnh kích thước và mật độ hạt.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu kháng khuẩn mới, thân thiện môi trường, ứng dụng trong y tế và nông nghiệp sạch.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa quy trình tổng hợp và mở rộng ứng dụng nano bạc trong các lĩnh vực liên quan.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng kết quả để phát triển sản phẩm nano bạc kháng khuẩn hiệu quả, đồng thời mở rộng nghiên cứu về khả năng kháng nấm và an toàn môi trường.