Tổng quan nghiên cứu

Tình trạng vi khuẩn kháng kháng sinh đang trở thành một thách thức nghiêm trọng đối với sức khỏe cộng đồng toàn cầu. Theo ước tính, đến năm 2050, các bệnh nhiễm khuẩn kháng thuốc có thể gây ra khoảng 10 triệu ca tử vong mỗi năm. Tại Việt Nam, tính đến tháng 01/2022, đã có hơn 2,3 triệu ca mắc COVID-19 với hơn 38.000 ca tử vong, trong bối cảnh biến chủng virus SARS-CoV-2 liên tục xuất hiện làm giảm hiệu quả của vắc-xin. Trong bối cảnh đó, việc phát triển các vật liệu kháng khuẩn thay thế kháng sinh truyền thống là rất cần thiết để ngăn ngừa sự lây lan của các bệnh truyền nhiễm, đặc biệt là các bệnh lây qua đường hô hấp.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm khả năng kháng khuẩn của vải polyester (PE) được biến tính bề mặt bằng nanocellulose (NCs) và nano bạc (AgNPs) trên cơ sở graphene oxit (GO). Mục tiêu cụ thể là tổng hợp vật liệu nanocomposite bạc trên nền graphene oxit (Ag/GO), tiền xử lý vải PE bằng nanocellulose kết hợp cetyltrimethylamonium bromide (NCC) để tăng cường độ bám dính của Ag/GO lên bề mặt vải, và biến tính bề mặt vải phủ Ag/GO thành dạng kỵ nước bằng phương pháp khử hóa học với vitamin C (VC). Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 08/2021 đến tháng 07/2022 tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

Việc phát triển vải polyester kháng khuẩn có ý nghĩa lớn trong việc ứng dụng làm khẩu trang, đồ bảo hộ y tế, quần áo thể thao, góp phần nâng cao hiệu quả phòng chống dịch bệnh và giảm thiểu sự phụ thuộc vào kháng sinh. Các chỉ số đánh giá hiệu quả kháng khuẩn được đo bằng đường kính vòng ức chế vi khuẩn đối với hai chủng vi khuẩn Gram âm (Escherichia coli) và Gram dương (Staphylococcus aureus), đồng thời khảo sát độ bền cơ học, hóa học và khả năng giải phóng ion bạc của vật liệu.

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 vật liệu nanocomposite bạc trên cơ sở graphene oxit (Ag/GO):
    AgNPs có khả năng kháng khuẩn cao nhưng dễ kết tụ làm giảm hiệu quả. GO với cấu trúc nano hai chiều có diện tích bề mặt lớn, chứa nhiều nhóm chức oxy giúp phân tán và cố định AgNPs, từ đó tăng cường hiệu quả kháng khuẩn. Cơ chế kháng khuẩn của Ag/GO gồm giải phóng ion Ag+, tác động vật lý của tấm GO lên màng tế bào vi khuẩn và sản sinh các gốc tự do (ROS) gây tổn thương tế bào.

  2. Lý thuyết biến tính bề mặt vải polyester bằng nanocellulose và cetyltrimethylamonium bromide (NCC):
    Vải PE có tính kỵ nước và khả năng bám dính kém với các vật liệu phủ. Nanocellulose tổng hợp từ bã mía, cation hóa với CTAB tạo ra NCC có nhóm chức chứa oxy giúp tăng khả năng bám dính của Ag/GO lên bề mặt vải PE. Phương pháp phủ nhúng (dip-coating) được sử dụng để phủ lớp vật liệu Ag/GO lên vải NCC–PE.

  3. Khái niệm biến tính bề mặt bằng phương pháp khử hóa học:
    Sử dụng vitamin C làm tác nhân khử để chuyển Ag/GO thành Ag/rGO, tạo lớp phủ kỵ nước trên bề mặt vải, giúp tăng độ bền và khả năng chống bám dính vi khuẩn.

Các khái niệm chính bao gồm: nanocellulose (NCs), nanocomposite bạc trên cơ sở graphene oxit (Ag/GO), vải polyester (PE), phủ nhúng (dip-coating), biến tính bề mặt, và khả năng kháng khuẩn.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu:
    Nghiên cứu sử dụng nguyên liệu gồm bã mía để tổng hợp nanocellulose, các hóa chất như AgNO3, glucose, cetyltrimethylamonium bromide (CTAB), vitamin C (VC), và vải polyester thương mại.

  • Phương pháp tổng hợp:

    • GO được tổng hợp bằng phương pháp Hummers cải tiến.
    • Ag/GO được tổng hợp bằng phương pháp in-situ sử dụng AgNO3 làm tiền chất và glucose làm chất khử.
    • Nanocellulose (NCs) được tổng hợp từ bã mía bằng thủy phân axit kết hợp sóng siêu âm.
    • NCC được tạo thành bằng cation hóa NCs với CTAB.
    • Vải PE được tiền xử lý bằng phủ nhúng với huyền phù NCC để tạo vải NCC–PE.
    • Vải NCC–PE được phủ nhúng với huyền phù Ag/GO ở các nồng độ và số lần phủ khác nhau để tạo Ag/GO/vải NCC–PE.
    • Biến tính bề mặt Ag/GO/vải NCC–PE thành Ag/rGO/vải NCC–PE bằng phương pháp khử hóa học với vitamin C, khảo sát các điều kiện nhiệt độ, tỷ lệ Ag/GO:VC và thời gian phản ứng.

  • Phương pháp phân tích:

    • Đặc trưng vật liệu được xác định bằng phổ FTIR, phổ Raman, nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS), và đo góc thấm ướt.
    • Khả năng kháng khuẩn được đánh giá bằng phương pháp đo đường kính vòng ức chế vi khuẩn đối với E. coli và S. aureus.
    • Độ bền vật liệu được khảo sát qua các thử nghiệm độ bền nhiệt, hóa học, cơ học và khả năng giải phóng ion Ag+.
    • Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 08/2021 đến tháng 07/2022.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu:
    Các mẫu vải được chuẩn bị với nhiều điều kiện phủ nhúng và biến tính khác nhau để so sánh hiệu quả kháng khuẩn và độ bền, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu Ag/GO và NCC:

    • Kích thước trung bình của AgNPs trên nền GO là khoảng 10–20 nm, phân bố đồng đều, được xác định qua TEM và XRD.
    • Nanocellulose (NCs) có kích thước đường kính 2–20 nm, chiều dài 100–500 nm, với chỉ số kết tinh cao, được xác nhận qua phổ FTIR và XRD.
    • NCC có khả năng tạo lớp phủ bám dính tốt trên bề mặt vải PE, cải thiện độ ưa nước của vải từ 0,42% lên mức cao hơn đáng kể.

  2. Ảnh hưởng của điều kiện phủ nhúng Ag/GO lên vải NCC–PE:

    • Số lần phủ nhúng từ 1 đến 10 lần và nồng độ Ag/GO trong dung dịch phủ ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng kháng khuẩn.
    • Vải Ag/GO/vải NCC–PE với 5 lần phủ nhúng và nồng độ Ag/GO khoảng 720 mg/L đạt đường kính vòng ức chế vi khuẩn E. coli và S. aureus lần lượt là khoảng 12 mm và 14 mm, tăng 30–40% so với vải chưa phủ.
    • Khả năng kháng khuẩn tăng theo số lần phủ nhúng nhưng giảm nhẹ khi vượt quá 8 lần do hiện tượng kết tụ hạt nano.

  3. Ảnh hưởng của biến tính bề mặt bằng vitamin C (VC):

    • Biến tính Ag/GO/vải NCC–PE thành Ag/rGO/vải NCC–PE ở nhiệt độ 140°C, tỷ lệ Ag/GO:VC là 1:3 và thời gian 120 phút tạo lớp phủ kỵ nước với góc thấm ướt tăng từ 60° lên trên 120°.
    • Khả năng kháng khuẩn của Ag/rGO/vải NCC–PE không giảm so với Ag/GO/vải NCC–PE, với đường kính vòng ức chế vi khuẩn duy trì trên 13 mm đối với E. coli.
    • Độ bền cơ học và hóa học của vải được cải thiện rõ rệt, giảm hiện tượng rửa trôi ion bạc sau 20 lần giặt.

  4. Độ bền và khả năng kháng khuẩn sau thử nghiệm:

    • Độ giải phóng ion Ag+ của Ag/rGO/vải NCC–PE thấp hơn Ag/GO/vải NCC–PE khoảng 15%, giúp tăng độ bền kháng khuẩn lâu dài.
    • Vải Ag/rGO/vải NCC–PE duy trì khả năng kháng khuẩn trên 85% sau khi thử nghiệm trong môi trường mồ hôi axit, kiềm và dung dịch tẩy rửa ở 40°C.
    • Độ bền nhiệt của vải phủ Ag/rGO tăng lên khoảng 10% so với vải phủ Ag/GO.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc tiền xử lý vải PE bằng nanocellulose cation hóa (NCC) giúp tăng cường độ bám dính của vật liệu Ag/GO lên bề mặt vải, từ đó nâng cao hiệu quả kháng khuẩn. Số liệu về đường kính vòng ức chế vi khuẩn tăng 30–40% so với vải chưa xử lý chứng minh hiệu quả của phương pháp phủ nhúng và tiền xử lý.

Việc biến tính bề mặt bằng phương pháp khử hóa học với vitamin C tạo ra lớp phủ Ag/rGO kỵ nước, giúp giảm sự bám dính của vi khuẩn và tăng độ bền của lớp phủ. Góc thấm ướt tăng lên trên 120° cho thấy tính kỵ nước được cải thiện đáng kể, đồng thời khả năng kháng khuẩn không bị suy giảm, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vật liệu nanocomposite bạc trên nền graphene oxit dạng khử.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về vải phủ AgNPs, việc sử dụng Ag/GO và biến tính thành Ag/rGO giúp khắc phục nhược điểm kết tụ hạt nano bạc và giảm hiện tượng rửa trôi ion bạc sau nhiều lần giặt, nâng cao tính bền vững của sản phẩm. Các biểu đồ đường kính vòng ức chế vi khuẩn và góc thấm ướt có thể được sử dụng để minh họa rõ ràng sự cải thiện hiệu quả kháng khuẩn và tính kỵ nước của các mẫu vải.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng rộng rãi phương pháp phủ nhúng và tiền xử lý bằng NCC:
    Khuyến nghị các nhà sản xuất dệt may áp dụng phương pháp phủ nhúng với vật liệu Ag/GO trên vải PE đã được tiền xử lý bằng nanocellulose cation hóa để nâng cao khả năng kháng khuẩn, đặc biệt trong sản xuất khẩu trang và đồ bảo hộ y tế. Thời gian triển khai dự kiến trong vòng 6–12 tháng.

  2. Biến tính bề mặt bằng phương pháp khử hóa học với vitamin C:
    Đề xuất sử dụng vitamin C làm tác nhân khử để tạo lớp phủ Ag/rGO kỵ nước, giúp tăng độ bền và khả năng chống bám dính vi khuẩn trên vải. Chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất vật liệu dệt may, với timeline 3–6 tháng để tối ưu quy trình.

  3. Nâng cao độ bền và khả năng tái sử dụng của vải kháng khuẩn:
    Khuyến nghị nghiên cứu thêm về các phương pháp gia cố cơ học và hóa học để tăng độ bền của lớp phủ, giảm thiểu hiện tượng rửa trôi ion bạc sau nhiều lần giặt, nhằm kéo dài tuổi thọ sản phẩm. Thời gian nghiên cứu 12–18 tháng.

  4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng trên các loại vải khác:
    Đề xuất khảo sát và áp dụng công nghệ phủ nhúng Ag/GO và biến tính Ag/rGO trên các loại vải tự nhiên như cotton, vải pha để đa dạng hóa sản phẩm kháng khuẩn, đáp ứng nhu cầu thị trường. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp dệt may, thời gian 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Vật liệu:
    Luận văn cung cấp phương pháp tổng hợp vật liệu nanocomposite bạc trên nền graphene oxit, kỹ thuật phủ nhúng và biến tính bề mặt vải, giúp mở rộng kiến thức và ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu kháng khuẩn.

  2. Doanh nghiệp sản xuất dệt may và vật liệu y tế:
    Các công ty có thể áp dụng quy trình chế tạo vải polyester kháng khuẩn để sản xuất khẩu trang, đồ bảo hộ, quần áo thể thao có tính năng kháng khuẩn cao, nâng cao giá trị sản phẩm và đáp ứng nhu cầu thị trường.

  3. Cơ quan quản lý và tổ chức y tế:
    Thông tin về hiệu quả kháng khuẩn và độ bền của vải phủ Ag/GO và Ag/rGO có thể hỗ trợ trong việc xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho sản phẩm vải kháng khuẩn, góp phần phòng chống dịch bệnh.

  4. Các nhà phát triển công nghệ và thiết bị phủ vật liệu:
    Luận văn cung cấp dữ liệu về các thông số kỹ thuật và điều kiện phủ nhúng, biến tính bề mặt, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất vật liệu phủ kháng khuẩn trên nền vải polyester.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu nanocomposite Ag/GO có ưu điểm gì so với nano bạc đơn lẻ?
    Ag/GO giúp phân tán đồng đều các hạt nano bạc, giảm hiện tượng kết tụ, tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với vi khuẩn, từ đó nâng cao hiệu quả kháng khuẩn và độ bền của vật liệu.

  2. Tại sao cần tiền xử lý vải polyester bằng nanocellulose cation hóa?
    Vải polyester có tính kỵ nước và bề mặt trơn nhẵn, làm giảm khả năng bám dính của vật liệu phủ. Tiền xử lý bằng nanocellulose cation hóa tạo ra các nhóm chức chứa oxy giúp tăng độ ưa nước và cải thiện độ bám dính của Ag/GO lên vải.

  3. Phương pháp biến tính bề mặt bằng vitamin C có tác dụng gì?
    Vitamin C làm chất khử chuyển Ag/GO thành Ag/rGO, tạo lớp phủ kỵ nước trên bề mặt vải, giúp giảm bám dính vi khuẩn, tăng độ bền cơ học và hóa học của lớp phủ, đồng thời duy trì hiệu quả kháng khuẩn.

  4. Khả năng kháng khuẩn của vải phủ Ag/GO và Ag/rGO được đánh giá như thế nào?
    Khả năng kháng khuẩn được đánh giá bằng đường kính vòng ức chế vi khuẩn đối với E. coli và S. aureus. Vải phủ Ag/GO và Ag/rGO đạt đường kính vòng ức chế từ 12 đến 14 mm, thể hiện hiệu quả kháng khuẩn cao.

  5. Vải phủ Ag/rGO có bền sau nhiều lần giặt không?
    Vải phủ Ag/rGO duy trì khả năng kháng khuẩn trên 85% sau 20 lần giặt, nhờ lớp phủ kỵ nước và độ bền cao, giảm thiểu hiện tượng rửa trôi ion bạc so với vải phủ Ag/GO chưa biến tính.

Kết luận

  • Thành công trong tổng hợp vật liệu nanocomposite bạc trên cơ sở graphene oxit (Ag/GO) và nanocellulose cation hóa (NCC) từ bã mía, tạo lớp phủ bám dính tốt trên vải polyester.
  • Phương pháp phủ nhúng Ag/GO lên vải NCC–PE và biến tính bề mặt bằng vitamin C tạo ra vải Ag/rGO/vải NCC–PE có khả năng kháng khuẩn cao và tính kỵ nước vượt trội.
  • Vải phủ Ag/rGO duy trì hiệu quả kháng khuẩn và độ bền cơ học, hóa học sau nhiều lần giặt và trong các môi trường mồ hôi axit, kiềm, dung dịch tẩy rửa.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu vải kháng khuẩn thân thiện môi trường, ứng dụng trong y tế và đời sống hàng ngày.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu nâng cao độ bền và mở rộng ứng dụng trên các loại vải khác, đồng thời chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp sản xuất.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai ứng dụng quy trình phủ nhúng và biến tính bề mặt để sản xuất vải kháng khuẩn chất lượng cao, góp phần phòng chống dịch bệnh và nâng cao sức khỏe cộng đồng.