Nghiên Cứu Ứng Dụng Nano Kim Loại Ag và Cu Trong Diệt Khuẩn

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

1. MỞ ĐẦU

1.1. Lý do chọn đề tài

1.2. Mục đích của đề tài

1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4. Phương pháp nghiên cứu

1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.6. Cấu trúc của đề tài

2. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

2.1. Giới thiệu về công nghệ nano

2.1.1. Nguồn gốc và khái niệm của công nghệ nano

2.1.2. Cơ sở khoa học của công nghệ nano

2.1.3. Vật liệu nano

2.2. Tổng quan về nano bạc

2.2.1. Giới thiệu về hạt nano bạc

2.2.2. Một số tính chất của Ag nano

2.2.2.1. Tính chất quang học

2.2.2.2. Tính chất điện

2.2.2.3. Tính chất từ

2.2.2.4. Tính chất nhiệt

2.2.3. Ứng dụng của nano Ag

2.2.3.1. Ứng dụng của nano Ag đối với sức khoẻ và y học

2.2.3.2. Ứng dụng của nano Ag trong công nghiệp điện tử

2.2.3.3. Ứng dụng của nano bạc trong lĩnh vực may mặc

2.3. Tổng quan về nano đồng

2.3.1. Giới thiệu về nano đồng

2.3.2. Cơ chế diệt khuẩn của đồng nano

2.3.3. Ứng dụng của nano Cu

2.3.3.1. Ứng dụng của nano Cu trong nông nghiệp

2.3.3.2. Ứng dụng của nano Cu trong công nghiệp điện tử

2.4. Các phương pháp điều chế nano Ag, Cu

2.4.1. Phương pháp ăn mòn laser

2.4.2. Phương pháp vi sóng

2.4.3. Phương pháp khử hóa

2.4.4. Phương pháp tổng hợp Bạc nano theo hướng tổng hợp xanh

2.5. Tình hình nghiên cứu nano Ag, Cu

2.5.1. Tình hình nghiên cứu nano Ag, Cu bằng phương pháp tổng hợp xanh

2.5.2. Tình hình nghiên cứu nano Ag, Cu trên thế giới

2.5.3. Tình hình nghiên cứu nano Ag trong nước

2.6. Tổng quan về cây lá vối

2.6.1. Giới thiệu về cây lá vối

2.6.2. Công dụng của lá vối

2.6.3. Thành phần hóa học của lá vối

3. CHƯƠNG 2: KĨ THUẬT THỰC NGHIỆM

3.1. Nguyên liệu, dụng cụ, hóa chất

3.2. Dụng cụ, hóa chất, thiết bị thí nghiệm

3.3. Quy trình tổng hợp dịch chiết lá vối

3.4. Tổng hợp dung dịch nano bạc

3.5. Tổng hợp dung dịch nano đồng

3.6. Đánh giá hoạt tính kháng khuẩn

3.7. Đặc trưng vật liệu

3.7.1. Nhiễu xạ tia X

3.7.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)

3.7.3. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

3.7.4. Phổ hấp thụ tử ngoại-khả kiến (UV-Vis)

3.7.5. Phương pháp khuếch tán qua giếng thạch (well diffusion agar)

4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1. Đặc tính thành phần các nhóm của dịch chiết lá vối

4.2. Đặc trưng keo Ag nano chế tạo từ dịch chiết lá vối

4.2.1. Đặc trưng cấu trúc

4.2.2. Phổ IR keo Ag nano

4.2.3. Phổ UV-Vis keo Ag Nano

4.2.4. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua của keo Ag nano

4.3. Đặc trưng keo Cu nano chế tạo từ dịch chiết lá vối

4.3.1. Đặc trưng cấu trúc

4.3.2. Phổ IR keo Cu nano

4.3.3. Phổ UV-Vis keo Cu Nano

4.3.4. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua của keo Cu nano

4.4. Cơ chế quá trình khử trong phản ứng

4.5. Kết quả thử hoạt tính sinh của keo Ag và Cu nano

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Ứng Dụng Nano Kim Loại Ag Cu Diệt Khuẩn

Nghiên cứu ứng dụng nano kim loại như nano bạc và nano đồng trong lĩnh vực diệt khuẩn đã thu hút sự quan tâm lớn trong những năm gần đây. Công nghệ nano mang đến những vật liệu với tính chất vật lý và hóa học vượt trội so với vật liệu thông thường, đặc biệt là khả năng kháng khuẩn và diệt khuẩn. Nano bạc và nano đồng thể hiện tiềm năng to lớn trong nhiều ứng dụng, từ y tế đến công nghiệp và nông nghiệp. Nghiên cứu này tập trung vào tổng quan về các ứng dụng này, cơ chế hoạt động và các thách thức liên quan đến việc sử dụng vật liệu nano trong phương pháp diệt khuẩn. Trích dẫn nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng bạc có tính năng diệt khuẩn đã được biết đến từ hàng trăm năm trước, với các đồ dùng bằng bạc được sử dụng trong giới hoàng tộc để khử độc.

1.1. Định Nghĩa và Đặc Điểm Nổi Bật Của Vật Liệu Nano Kim Loại

Vật liệu nano kim loại, bao gồm nano bạc và nano đồng, được định nghĩa là vật liệu kim loại có kích thước ít nhất một chiều nằm trong khoảng từ 1 đến 100 nanomet. Kích thước nhỏ bé này mang lại cho chúng những tính chất độc đáo, khác biệt so với kim loại ở dạng khối. Điểm khác biệt chính là diện tích bề mặt trên một đơn vị thể tích lớn, làm tăng khả năng tương tác với môi trường xung quanh. Các tính chất vật lý, hóa học, quang học, và điện từ của nano kim loại cũng thay đổi đáng kể so với vật liệu khối, mở ra những ứng dụng tiềm năng trong nhiều lĩnh vực.

1.2. Vai Trò Của Nano Bạc và Nano Đồng Trong Diệt Khuẩn

Nano bạc và nano đồng đã được chứng minh là có khả năng diệt khuẩn hiệu quả đối với nhiều loại vi khuẩn, virus, và nấm. Khả năng này xuất phát từ cơ chế tác động đa dạng, bao gồm phá vỡ màng tế bào, can thiệp vào quá trình trao đổi chất, và gây tổn thương DNA của vi sinh vật. Nano bạc được biết đến với khả năng giải phóng ion bạc (Ag+), có tính oxy hóa mạnh và gây độc cho tế bào vi khuẩn. Nano đồng cũng có cơ chế tương tự, giải phóng ion đồng (Cu2+) và tạo ra các gốc tự do, gây tổn hại tế bào. Hiệu quả diệt khuẩn của chúng phụ thuộc vào kích thước hạt, hình dạng, nồng độ, và loại vi sinh vật.

II. Thách Thức Diệt Khuẩn Vấn Đề Vi Khuẩn Kháng Thuốc Hiện Nay

Sự gia tăng vi khuẩn kháng thuốc là một thách thức toàn cầu, đe dọa hiệu quả của các phương pháp điều trị nhiễm trùng truyền thống. Việc lạm dụng chất kháng sinh đã dẫn đến sự phát triển của các chủng vi khuẩn kháng nhiều loại thuốc, gây khó khăn trong việc điều trị và tăng nguy cơ tử vong. Nghiên cứu khoa học đang tập trung vào việc tìm kiếm các giải pháp thay thế, và ứng dụng nano hứa hẹn một phương pháp tiếp cận mới để đối phó với vấn đề này. Các phương pháp diệt khuẩn mới, dựa trên nano bạc và nano đồng, có thể vượt qua cơ chế kháng thuốc hiện tại của vi khuẩn. Theo Becker (1970), bạc có khả năng tăng cường hệ miễn dịch, một yếu tố quan trọng trong việc chống lại vi khuẩn.

2.1. Cơ Chế Phát Triển Kháng Thuốc Của Vi Khuẩn Tổng Quan

Vi khuẩn phát triển khả năng kháng thuốc thông qua nhiều cơ chế khác nhau, bao gồm đột biến gen, tiếp nhận gen kháng thuốc từ các vi khuẩn khác, và biểu hiện các protein bơm thuốc ra khỏi tế bào. Các cơ chế này cho phép vi khuẩn sống sót trong môi trường có chất kháng sinh, và truyền lại khả năng kháng thuốc cho các thế hệ sau. Sự lây lan của vi khuẩn kháng thuốc trong cộng đồng và bệnh viện là một vấn đề nghiêm trọng, đòi hỏi các biện pháp kiểm soát nhiễm khuẩn nghiêm ngặt và phát triển các loại chất diệt trùng mới.

2.2. Tại Sao Nano Bạc và Nano Đồng Có Thể Vượt Qua Kháng Thuốc

Nano bạc và nano đồng có cơ chế diệt khuẩn đa dạng, tác động lên nhiều mục tiêu trong tế bào vi khuẩn, làm giảm khả năng vi khuẩn phát triển kháng thuốc. Khác với chất kháng sinh truyền thống, nano kim loại không chỉ tấn công một mục tiêu duy nhất, mà còn gây tổn thương màng tế bào, ức chế enzyme, và phá hủy DNA. Sự kết hợp của các cơ chế này làm cho vi khuẩn khó phát triển các cơ chế kháng thuốc hiệu quả. Hơn nữa, kích thước nhỏ bé của nano kim loại cho phép chúng dễ dàng xâm nhập vào tế bào vi khuẩn, ngay cả khi vi khuẩn đã phát triển các cơ chế bảo vệ.

2.3. Ảnh hưởng của màng sinh học Biofilm tới hiệu quả diệt khuẩn

Màng sinh học (Biofilm) là một cộng đồng vi sinh vật gắn kết với nhau và bám dính trên bề mặt, được bao bọc bởi một lớp chất nền ngoại bào. Biofilm làm tăng khả năng kháng khuẩn của vi sinh vật lên gấp nhiều lần so với trạng thái trôi nổi tự do. Điều này gây khó khăn trong việc tiêu diệt vi khuẩn bằng các phương pháp thông thường. Nghiên cứu cho thấy rằng nano bạc và nano đồng có khả năng xâm nhập và phá vỡ cấu trúc biofilm, giúp tăng cường hiệu quả diệt khuẩn.

III. Phương Pháp Sản Xuất Nano Kim Loại Ag và Cu Hướng Đi Mới

Có nhiều phương pháp điều chế nano bạc và nano đồng, bao gồm phương pháp vật lý, hóa học, và sinh học (tổng hợp xanh). Phương pháp khử hóa là một phương pháp phổ biến, sử dụng các chất khử để chuyển đổi ion kim loại thành hạt nano. Phương pháp tổng hợp xanh, sử dụng chiết xuất thực vật làm chất khử và chất ổn định, đang ngày càng được ưa chuộng vì tính thân thiện với môi trường và chi phí thấp. Nghiên cứu từ Trường Đại học Quy Nhơn tập trung vào tổng hợp nano kim loại bằng phương pháp này, sử dụng lá vối làm nguồn chiết xuất.

3.1. Ưu Nhược Điểm Của Các Phương Pháp Điều Chế Nano Kim Loại

Các phương pháp vật lý, như bay hơi nhiệt và phún xạ, có thể tạo ra hạt nano có độ tinh khiết cao, nhưng đòi hỏi thiết bị đắt tiền và tiêu thụ nhiều năng lượng. Các phương pháp hóa học, như phương pháp khử hóa, thường sử dụng các hóa chất độc hại và tạo ra chất thải. Phương pháp tổng hợp xanh, sử dụng vật liệu sinh học, giảm thiểu tác động đến môi trường, nhưng có thể khó kiểm soát kích thước và hình dạng hạt nano. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng và các yếu tố kinh tế, môi trường.

3.2. Phương Pháp Tổng Hợp Xanh Tiềm Năng và Ứng Dụng Thực Tế

Phương pháp tổng hợp xanh sử dụng dịch chiết thực vật, vi sinh vật, hoặc enzyme để khử ion kim loại thành hạt nano. Phương pháp này có nhiều ưu điểm, bao gồm tính thân thiện với môi trường, chi phí thấp, và khả năng tạo ra hạt nano ổn định. Dịch chiết thực vật chứa các hợp chất tự nhiên có khả năng khử ion kim loại và ổn định hạt nano, ngăn chặn sự kết tụ. Ứng dụng thực tế của phương pháp này bao gồm sản xuất nano bạc và nano đồng cho các sản phẩm diệt khuẩn, chất bảo quản, và ứng dụng nông nghiệp.

3.3. Tổng Quan về Cây Lá Vối và Ứng Dụng Trong Tổng Hợp Nano

Cây vối (Cleistocalyx Operculatus) là một loại cây thân gỗ phổ biến ở Việt Nam và các nước nhiệt đới. Lá vối chứa nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học, bao gồm tanin, flavonoid, và polyphenol. Các hợp chất này có khả năng khử ion kim loại và ổn định hạt nano, khiến lá vối trở thành một nguồn tài nguyên tiềm năng cho phương pháp tổng hợp xanh. Nghiên cứu đã chứng minh rằng dịch chiết lá vối có thể được sử dụng để điều chế nano bạc và nano đồng với kích thước và hình dạng kiểm soát được.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Nano Kim Loại Ag và Cu Trong Diệt Khuẩn

Ứng dụng nano bạc và nano đồng trong diệt khuẩn rất đa dạng, bao gồm ứng dụng y tế, ứng dụng nông nghiệp, và ứng dụng công nghiệp. Trong y tế, chúng được sử dụng trong sản phẩm diệt khuẩn, chất khử trùng, và băng vết thương để ngăn ngừa nhiễm trùng. Trong nông nghiệp, chúng được sử dụng làm chất bảo quản và thuốc trừ sâu sinh học. Trong công nghiệp, chúng được sử dụng trong sản phẩm diệt khuẩn cho hàng dệt may, sơn, và vật liệu xây dựng.

4.1. Nano Bạc và Nano Đồng Trong Ứng Dụng Y Tế Tổng Quan

Nano bạc và nano đồng được sử dụng rộng rãi trong ứng dụng y tế nhờ khả năng diệt khuẩn hiệu quả. Chúng được tích hợp vào băng vết thương, chất khử trùng, và thiết bị y tế để ngăn ngừa nhiễm trùng. Nano bạc cũng được sử dụng trong các sản phẩm chăm sóc cá nhân, như kem đánh răng và nước súc miệng, để kiểm soát sự phát triển của vi khuẩn trong miệng. Nghiên cứu đang được tiến hành để đánh giá hiệu quả của nano kim loại trong điều trị các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn kháng thuốc.

4.2. Sử Dụng Nano Kim Loại trong Nông Nghiệp Tiềm Năng và Thách Thức

Nano bạc và nano đồng có tiềm năng lớn trong ứng dụng nông nghiệp. Chúng có thể được sử dụng làm chất bảo quản để kéo dài thời gian bảo quản nông sản, và làm thuốc trừ sâu sinh học để kiểm soát dịch bệnh. Tuy nhiên, việc sử dụng nano kim loại trong nông nghiệp cũng đặt ra những thách thức về tác động môi trường và an toàn. Cần có các nghiên cứu kỹ lưỡng để đánh giá ảnh hưởng của chúng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người.

4.3. Ứng Dụng Nano Ag và Cu trong Công Nghiệp Khử Khuẩn trên Bề Mặt

Nano bạc và nano đồng được sử dụng rộng rãi trong ứng dụng công nghiệp để tạo ra các bề mặt kháng khuẩn. Chúng được tích hợp vào hàng dệt may, sơn, vật liệu xây dựng, và thiết bị gia dụng để ngăn ngừa sự phát triển của vi khuẩn và nấm. Ứng dụng này giúp cải thiện vệ sinh và giảm nguy cơ lây nhiễm bệnh. Ví dụ, vải kháng khuẩn chứa nano bạc được sử dụng trong quần áo thể thao, khăn tắm, và ga trải giường để ngăn ngừa mùi hôi và nhiễm trùng da.

V. Độc Tính và An Toàn của Nano Kim Loại Ag và Cu Đánh Giá Rủi Ro

Mặc dù có nhiều tiềm năng ứng dụng, độc tính nano bạc và độc tính nano đồng là một mối quan tâm lớn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nano kim loại có thể gây độc cho tế bào, ảnh hưởng đến hệ miễn dịch, và gây ra các vấn đề sức khỏe khác. Cần có các nghiên cứu kỹ lưỡng để đánh giá an toàn nano bạc và an toàn nano đồng trước khi chúng được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm tiêu dùng. Việc kiểm soát kích thước hạt, hình dạng, và nồng độ nano kim loại là rất quan trọng để giảm thiểu rủi ro.

5.1. Nghiên Cứu Độc Tính Của Nano Kim Loại Tổng Quan và Kết Quả

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để đánh giá độc tính nano bạc và độc tính nano đồng trên tế bào, động vật, và con người. Các nghiên cứu này đã chỉ ra rằng nano kim loại có thể gây độc cho tế bào bằng nhiều cơ chế, bao gồm gây tổn thương màng tế bào, ức chế enzyme, và gây tổn thương DNA. Nano bạc cũng có thể gây ảnh hưởng đến hệ miễn dịch, gây viêm, và làm suy yếu khả năng chống lại nhiễm trùng. Cần có các nghiên cứu dài hạn để đánh giá đầy đủ rủi ro sức khỏe liên quan đến việc tiếp xúc với nano kim loại.

5.2. Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Độc Tính Kích Thước Hình Dạng Nồng Độ

Độc tính của nano kim loại phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm kích thước hạt, hình dạng, nồng độ, và đường tiếp xúc. Hạt nano có kích thước nhỏ hơn thường độc hơn vì chúng dễ dàng xâm nhập vào tế bào. Hạt nano có hình dạng khác nhau cũng có thể có độc tính khác nhau. Nồng độ cao hơn thường gây độc tính lớn hơn. Đường tiếp xúc, như hít phải, nuốt phải, hoặc tiếp xúc qua da, cũng ảnh hưởng đến độc tính.

5.3. Các Biện Pháp Giảm Thiểu Rủi Ro Kiểm Soát và Quản Lý Sử Dụng

Để giảm thiểu rủi ro liên quan đến nano kim loại, cần có các biện pháp kiểm soát và quản lý sử dụng chặt chẽ. Điều này bao gồm kiểm soát kích thước hạt, hình dạng, và nồng độ trong quá trình sản xuất. Các sản phẩm chứa nano kim loại cần được dán nhãn rõ ràng và cung cấp thông tin về an toàn. Cần có các quy định về việc thải bỏ vật liệu nano để ngăn ngừa ô nhiễm môi trường. Hơn nữa, việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu nano an toàn hơn là rất quan trọng.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Về Nano Kim Loại Diệt Khuẩn

Nghiên cứu về ứng dụng nano bạc và nano đồng trong diệt khuẩn đã đạt được những tiến bộ đáng kể, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua. Việc phát triển các phương pháp điều chế nano kim loại an toàn và hiệu quả, đánh giá đầy đủ rủi ro sức khỏe và tác động môi trường, và kiểm soát việc sử dụng chúng là rất quan trọng để khai thác tối đa tiềm năng ứng dụng của chúng. Hướng nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc phát triển các vật liệu nano có khả năng diệt khuẩn chọn lọc, giảm thiểu độc tính, và thân thiện với môi trường.

6.1. Tổng Kết Các Thành Tựu Đạt Được Trong Nghiên Cứu Diệt Khuẩn

Nghiên cứu về ứng dụng nano bạc và nano đồng trong diệt khuẩn đã chứng minh hiệu quả của chúng đối với nhiều loại vi khuẩn, virus, và nấm. Các phương pháp điều chế nano kim loại ngày càng được cải tiến, giúp kiểm soát kích thước, hình dạng, và tính chất của hạt nano. Các ứng dụng thực tế của nano kim loại trong y tế, nông nghiệp, và công nghiệp ngày càng được mở rộng.

6.2. Các Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Về Vật Liệu Nano Diệt Khuẩn

Các hướng nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc phát triển các vật liệu nano có khả năng diệt khuẩn chọn lọc, chỉ tấn công các vi khuẩn gây bệnh mà không gây hại cho vi khuẩn có lợi. Nghiên cứu cũng nên tập trung vào việc phát triển các vật liệu nano có khả năng tự phân hủy sau khi hoàn thành nhiệm vụ, giảm thiểu tác động môi trường. Một hướng nghiên cứu khác là phát triển các vật liệu nano có khả năng kích hoạt bởi ánh sáng hoặc nhiệt, cho phép kiểm soát quá trình diệt khuẩn một cách chính xác.

6.3. Hiệu quả kinh tế của việc ứng dụng nano diệt khuẩn

Việc ứng dụng nano diệt khuẩn mang lại hiệu quả kinh tế đáng kể. Trong y tế, nó giúp giảm chi phí điều trị do giảm tỷ lệ nhiễm trùng. Trong nông nghiệp, nó giúp tăng năng suất cây trồng và giảm thất thoát sau thu hoạch. Trong công nghiệp, nó giúp kéo dài tuổi thọ sản phẩm và giảm chi phí bảo trì. Tuy nhiên, cần cân nhắc kỹ lưỡng chi phí sản xuất và các yếu tố khác để đảm bảo tính khả thi về mặt kinh tế.

Nghiên Cứu Ứng Dụng Nano Kim Loại Ag và Cu Định Hướng Diệt Khuẩn