Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ nano phát triển mạnh mẽ, nano bạc (AgNPs) đã trở thành vật liệu quan trọng với nhiều ứng dụng trong y sinh, công nghiệp và môi trường. Theo định nghĩa của FDA, AgNPs là các hạt bạc có kích thước từ 1 đến 100 nm, với diện tích bề mặt lớn và đặc tính vật lý, hóa học độc đáo. Tính kháng khuẩn của AgNPs được ứng dụng rộng rãi trong việc chống lại các vi khuẩn đa kháng thuốc, một vấn đề nghiêm trọng toàn cầu. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã cảnh báo về sự gia tăng vi khuẩn kháng thuốc như Escherichia coli, Staphylococcus aureus, thúc đẩy nhu cầu tìm kiếm các giải pháp thay thế hiệu quả.

Luận văn tập trung nghiên cứu quy trình tổng hợp AgNPs từ dịch chiết lá cây cà gai leo (Solanum procumbens Lour.), một dược liệu quý có chứa flavonoid, saponin, sterol và alkaloid, có khả năng khử ion bạc và ổn định hạt nano. Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Quy Nhơn, trong khoảng thời gian từ tháng 12/2022 đến 7/2023. Mục tiêu chính là phát triển quy trình tổng hợp AgNPs bằng phương pháp sinh học xanh, thân thiện môi trường, đồng thời đánh giá khả năng kháng khuẩn của vật liệu tổng hợp đối với vi khuẩn E. coli.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc bổ sung quy trình tổng hợp nano bạc mới từ nguồn thực vật đặc hữu Việt Nam, đồng thời cung cấp bằng chứng về hiệu quả kháng khuẩn của AgNPs. Về mặt thực tiễn, đề tài mở ra hướng đi cho sản xuất vật liệu nano bạc chi phí thấp, an toàn và ứng dụng trong y sinh, góp phần hạn chế tình trạng kháng thuốc kháng sinh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết tổng hợp nano bạc (AgNPs): AgNPs được tổng hợp bằng phương pháp từ dưới lên (bottom-up), trong đó ion Ag+ được khử thành nguyên tử Ag0 và kết tụ tạo hạt nano. Các hợp chất sinh học trong dịch chiết thực vật đóng vai trò chất khử và chất ổn định, giúp kiểm soát kích thước và hình dạng hạt.

  • Mô hình hoạt tính kháng khuẩn của AgNPs: AgNPs tác động lên vi khuẩn qua nhiều cơ chế như phá hủy màng tế bào, tạo gốc tự do oxy hóa (ROS), ức chế enzyme và làm tổn thương DNA vi khuẩn. Kích thước, hình dạng và bề mặt hạt ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả kháng khuẩn.

  • Khái niệm chính:

    • Cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR): Hiện tượng hấp thụ ánh sáng đặc trưng của AgNPs, thể hiện qua đỉnh hấp thụ UV-Vis.
    • Phương pháp khuếch tán giếng thạch (MHA): Kỹ thuật đánh giá hoạt tính kháng khuẩn bằng cách đo vùng ức chế vi khuẩn.
    • Phổ FTIR, XRD, SEM: Các kỹ thuật phân tích đặc tính hóa học, cấu trúc tinh thể và hình thái bề mặt của AgNPs.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dịch chiết lá cây cà gai leo thu thập tại Việt Nam, sử dụng làm nguyên liệu tổng hợp AgNPs. Vi khuẩn Escherichia coli được chọn làm đối tượng đánh giá hoạt tính kháng khuẩn.

  • Phương pháp chiết xuất: Lá cà gai leo rửa sạch, đun sôi với nước cất ở 80°C trong 90 phút, tán nhuyễn và lọc qua giấy Whatmann để thu dịch chiết.

  • Tổng hợp AgNPs: Dịch chiết trộn với dung dịch AgNO3 ở các nồng độ 1 mM, 3 mM, 5 mM, 10 mM và 15 mM. Quá trình tổng hợp được theo dõi bằng sự thay đổi màu sắc và phổ UV-Vis trong khoảng bước sóng 350-700 nm.

  • Phân tích đặc tính AgNPs:

    • Phổ UV-Vis xác định đỉnh SPR.
    • Phổ FTIR xác định nhóm chức năng liên quan đến sự ổn định hạt.
    • Phân tích XRD xác định cấu trúc tinh thể.
    • Ảnh SEM quan sát hình thái và kích thước hạt.

  • Đánh giá hoạt tính kháng khuẩn: Phương pháp khuếch tán giếng thạch trên môi trường Mueller-Hinton agar, đo vùng ức chế vi khuẩn (ZOI) sau 24 giờ ủ ở 37°C.

  • Xử lý số liệu: Sử dụng phần mềm GraphPad Prism, kiểm định Anova, mức ý nghĩa p < 0,05. Kết quả biểu diễn dưới dạng trung bình ± sai số chuẩn.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 12/2022 đến tháng 7/2023, bao gồm các giai đoạn chiết xuất, tổng hợp, phân tích đặc tính và đánh giá kháng khuẩn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp AgNPs thành công với đỉnh hấp thụ SPR ở 465 nm: Quá trình tổng hợp AgNPs từ dịch chiết lá cà gai leo được xác nhận qua sự thay đổi màu sắc từ vàng nhạt đến nâu sẫm và phổ UV-Vis với đỉnh hấp thụ đặc trưng tại 465 nm, cho thấy sự hình thành hạt nano bạc đa phân tán.

  2. Đặc tính hóa học và cấu trúc AgNPs: Phổ FTIR cho thấy các nhóm chức năng như N-H, O-H, C=O và O-C=O liên quan đến protein và hợp chất thực vật đóng vai trò ổn định hạt nano. Phân tích XRD xác nhận cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt của bạc với các đỉnh Bragg tại 38,04°, 44,22°, 27,21°, 64,39° và 32,11°, khẳng định sự tổng hợp thành công AgNPs.

  3. Hình thái và kích thước hạt: Ảnh SEM cho thấy AgNPs có kích thước từ 3 đến 100 nm, hình cầu và bầu dục, với sự tập hợp và kết tụ tăng theo nồng độ AgNO3. Nồng độ 1 mM, 3 mM và 5 mM cho phân tán hạt tốt hơn so với 10 mM và 15 mM.

  4. Hiệu quả kháng khuẩn chống E. coli: AgNPs tổng hợp ở nồng độ 1 mM, 3 mM và 5 mM thể hiện vùng ức chế vi khuẩn lớn hơn đáng kể so với nồng độ cao hơn (10 mM, 15 mM) và dịch chiết lá cà gai leo đơn thuần. Kết quả cho thấy hiệu quả kháng khuẩn phụ thuộc vào kích thước và sự ổn định của hạt nano.

Thảo luận kết quả

Sự hình thành AgNPs được thúc đẩy bởi các hợp chất phytochemical trong dịch chiết lá cà gai leo như flavonoid, phenol, saponin và alkaloid, vừa làm chất khử ion Ag+, vừa ổn định hạt nano, hạn chế kết tụ. Đỉnh SPR tại 465 nm phù hợp với các nghiên cứu tổng hợp nano bạc sinh học khác, chứng tỏ hạt có kích thước nano đồng đều.

Phổ FTIR và XRD cho thấy sự tương tác giữa các nhóm chức năng thực vật và bề mặt AgNPs, tạo nên lớp vỏ bảo vệ giúp hạt ổn định trong dung dịch. Hình thái hạt qua SEM cho thấy kích thước nhỏ và hình dạng đa dạng, yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt tính kháng khuẩn.

Hiệu quả kháng khuẩn cao ở nồng độ AgNO3 thấp (1-5 mM) có thể do hạt nano nhỏ, diện tích bề mặt lớn, tăng khả năng tiếp xúc và thâm nhập vào tế bào vi khuẩn. Ngược lại, nồng độ cao hơn dẫn đến kết tụ hạt, giảm diện tích bề mặt tiếp xúc và hiệu quả kháng khuẩn giảm. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của kích thước và hình dạng hạt nano đến hoạt tính sinh học.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ UV-Vis thể hiện đỉnh SPR, hình ảnh SEM minh họa kích thước và hình thái hạt, cùng biểu đồ vùng ức chế vi khuẩn (ZOI) so sánh hiệu quả kháng khuẩn ở các nồng độ AgNPs khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp AgNPs: Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu các thông số như nồng độ AgNO3, thời gian ủ và tỷ lệ dịch chiết để đạt kích thước hạt nano nhỏ, phân tán tốt, tối ưu hiệu quả kháng khuẩn. Thời gian thực hiện dự kiến 6-12 tháng, do phòng thí nghiệm công nghệ sinh học chủ trì.

  2. Mở rộng đánh giá hoạt tính kháng khuẩn: Đề xuất thử nghiệm AgNPs trên nhiều chủng vi khuẩn khác nhau, bao gồm vi khuẩn gram dương và gram âm, cũng như các vi sinh vật gây bệnh khác để xác định phổ tác dụng rộng hơn. Thời gian 6 tháng, phối hợp với các trung tâm vi sinh y học.

  3. Nghiên cứu độc tính và an toàn sinh học: Khuyến nghị đánh giá độc tính tế bào và tác động môi trường của AgNPs tổng hợp nhằm đảm bảo an toàn khi ứng dụng trong y sinh và môi trường. Thời gian 12 tháng, phối hợp với các viện nghiên cứu sinh học phân tử.

  4. Phát triển sản phẩm ứng dụng: Đề xuất nghiên cứu ứng dụng AgNPs trong sản xuất vật liệu kháng khuẩn như băng gạc, dung dịch sát khuẩn, hoặc vật liệu phủ bề mặt thiết bị y tế, góp phần hạn chế kháng thuốc. Thời gian 1-2 năm, phối hợp với doanh nghiệp công nghệ sinh học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Sinh học thực nghiệm, Công nghệ sinh học: Luận văn cung cấp quy trình tổng hợp nano bạc sinh học mới, kỹ thuật phân tích đặc tính vật liệu nano và đánh giá hoạt tính kháng khuẩn, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu nano xanh.

  2. Chuyên gia y sinh và dược học: Thông tin về khả năng kháng khuẩn của AgNPs tổng hợp từ dược liệu quý giúp phát triển các liệu pháp điều trị mới, vật liệu y tế kháng khuẩn, giảm thiểu tình trạng kháng thuốc.

  3. Doanh nghiệp công nghệ sinh học và sản xuất vật liệu y tế: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm nano bạc ứng dụng trong y tế, nông nghiệp và công nghiệp, hướng tới sản phẩm thân thiện môi trường, chi phí thấp.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Luận văn góp phần cung cấp dữ liệu khoa học về vật liệu nano bạc sinh học, hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển công nghệ xanh, kiểm soát an toàn vật liệu nano trong sản xuất và sử dụng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nano bạc là gì và tại sao nó quan trọng?
    Nano bạc (AgNPs) là các hạt bạc có kích thước từ 1-100 nm, có diện tích bề mặt lớn và đặc tính vật lý, hóa học độc đáo. Chúng quan trọng vì khả năng kháng khuẩn mạnh, ứng dụng trong y tế, công nghiệp và môi trường.

  2. Tại sao chọn lá cây cà gai leo để tổng hợp AgNPs?
    Lá cà gai leo chứa nhiều hợp chất sinh học như flavonoid, saponin, alkaloid có khả năng khử ion bạc và ổn định hạt nano, giúp tổng hợp AgNPs hiệu quả, thân thiện môi trường và chi phí thấp.

  3. Phương pháp tổng hợp nano bạc trong nghiên cứu này có ưu điểm gì?
    Phương pháp sinh học sử dụng dịch chiết thực vật là phương pháp xanh, không dùng hóa chất độc hại, dễ thực hiện, tiết kiệm chi phí và có thể mở rộng quy mô sản xuất.

  4. AgNPs tổng hợp có khả năng kháng khuẩn như thế nào?
    AgNPs tác động lên vi khuẩn qua nhiều cơ chế như phá hủy màng tế bào, tạo gốc tự do oxy hóa, ức chế enzyme và làm tổn thương DNA, giúp tiêu diệt vi khuẩn hiệu quả, đặc biệt là E. coli trong nghiên cứu này.

  5. Có những thách thức nào khi ứng dụng AgNPs trong thực tế?
    Thách thức gồm kiểm soát kích thước, hình dạng hạt để tối ưu hiệu quả, đánh giá độc tính và an toàn sinh học, cũng như phát triển quy trình sản xuất ổn định, thân thiện môi trường.

Kết luận

  • Đã phát triển thành công quy trình tổng hợp nano bạc từ dịch chiết lá cây cà gai leo với các nồng độ AgNO3 khác nhau, xác nhận qua phổ UV-Vis, FTIR, XRD và ảnh SEM.
  • AgNPs tổng hợp có kích thước từ 3 đến 100 nm, hình cầu và bầu dục, với sự ổn định nhờ các hợp chất thực vật.
  • Hiệu quả kháng khuẩn chống lại Escherichia coli cao nhất ở nồng độ AgNO3 1-5 mM, thấp hơn ở nồng độ cao hơn do kết tụ hạt.
  • Nghiên cứu mở ra hướng đi mới cho tổng hợp vật liệu nano bạc xanh, thân thiện môi trường, ứng dụng trong y sinh và công nghiệp.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu quy trình, mở rộng đánh giá hoạt tính kháng khuẩn và nghiên cứu độc tính để phát triển sản phẩm ứng dụng thực tiễn.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai nghiên cứu sâu hơn, phát triển sản phẩm nano bạc ứng dụng trong y tế và công nghiệp, góp phần giải quyết vấn đề kháng thuốc và bảo vệ môi trường.