Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh các bệnh nhiễm khuẩn ngày càng gia tăng và trở thành thách thức lớn đối với sức khỏe cộng đồng, việc phát triển vật liệu kháng khuẩn hiệu quả và thân thiện môi trường là nhu cầu cấp thiết. Theo báo cáo của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), khoảng 10% người bệnh tại các nước đang phát triển bị nhiễm khuẩn bệnh viện, trong đó nhiều trường hợp liên quan đến vi khuẩn kháng thuốc. Đại dịch COVID-19 càng làm nổi bật vai trò của các sản phẩm kháng khuẩn, đặc biệt là vải kháng khuẩn dùng trong khẩu trang và đồ bảo hộ y tế. Vải acrylic (AF) với ưu điểm chi phí thấp, độ bền cao được lựa chọn làm nền cho vật liệu kháng khuẩn.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp xanh vật liệu nanocomposite bạc trên cơ sở graphene oxit (Ag/GO) sử dụng nanocellulose (NCs) từ bã mía làm chất khử, nhằm ứng dụng trong chế tạo vải AF kháng khuẩn. Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện tổng hợp Ag/GO, điều kiện phủ nhúng vải AF với Ag/GO, cũng như biến tính kỵ nước bề mặt vải bằng axit stearic (SA) để nâng cao khả năng kháng khuẩn và độ bền của sản phẩm. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 2 đến tháng 7 năm 2023.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu kháng khuẩn thân thiện môi trường, tận dụng nguồn nguyên liệu nông nghiệp sẵn có, đồng thời mở rộng ứng dụng của vật liệu nanocomposite Ag/GO trong lĩnh vực y tế và công nghiệp dệt may. Các chỉ số hiệu quả kháng khuẩn được đánh giá thông qua đường kính vòng kháng khuẩn đối với vi khuẩn Gram âm Pseudomonas aeruginosa và Gram dương Staphylococcus aureus, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết tổng hợp vật liệu nanocomposite và cơ chế kháng khuẩn của vật liệu nano bạc trên nền graphene oxit. Nanocomposite là vật liệu kết hợp từ hai hay nhiều thành phần, tạo ra tính năng vượt trội hơn so với vật liệu đơn lẻ. Graphene oxit (GO) với cấu trúc hai chiều, diện tích bề mặt lớn và nhiều nhóm chức oxy hóa (-OH, -COOH, -C=O) giúp phân tán và ổn định hạt nano bạc (AgNPs), ngăn ngừa hiện tượng kết tụ.

Ba khái niệm chính được sử dụng gồm: nanocellulose (NCs) từ cellulose bã mía làm chất khử sinh học, vật liệu nanocomposite bạc trên cơ sở graphene oxit (Ag/GO), và vải acrylic (AF) phủ nhúng vật liệu Ag/GO biến tính kỵ nước bằng axit stearic (SA). Cơ chế kháng khuẩn của Ag/GO dựa trên sự giải phóng ion Ag+ tác động lên màng tế bào vi khuẩn, phá hủy cấu trúc màng, tạo gốc tự do (ROS) và ức chế tổng hợp protein, DNA vi khuẩn. Việc biến tính kỵ nước bề mặt vải giúp ngăn ngừa bám dính vi khuẩn, tăng hiệu quả kháng khuẩn và độ bền sản phẩm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ quá trình tổng hợp và phân tích vật liệu tại Phòng Thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM Công nghệ Hóa học và Dầu khí. Cỡ mẫu gồm các mẫu nanocellulose, vật liệu Ag/GO, vải AF phủ Ag/GO và biến tính SA. Phương pháp chọn mẫu dựa trên quy trình tổng hợp và điều kiện phản ứng được thiết kế nhằm khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ AgNO3:NCs, nhiệt độ, thời gian phản ứng, nồng độ Ag/GO và số lần phủ nhúng lên vải AF.

Phân tích đặc trưng vật liệu sử dụng các kỹ thuật hiện đại: phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), nhiễu xạ tia X (XRD), phổ Raman, kính hiển vi điện tử quét (FESEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS), và đo góc thấm ướt. Khả năng kháng khuẩn được đánh giá bằng phương pháp đo đường kính vòng kháng khuẩn đối với vi khuẩn Pseudomonas aeruginosa và Staphylococcus aureus. Độ bền vật liệu được kiểm tra qua phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) và thử nghiệm trong môi trường axit, kiềm, mồ hôi, và chất tẩy rửa.

Timeline nghiên cứu kéo dài 6 tháng, từ tháng 2 đến tháng 7 năm 2023, bao gồm các giai đoạn tổng hợp NCs, tổng hợp Ag/GO, chế tạo vải kháng khuẩn, biến tính kỵ nước, phân tích đặc trưng và đánh giá hiệu quả kháng khuẩn, độ bền.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp nanocellulose (NCs) từ bã mía: NCs được tổng hợp thành công bằng phương pháp thủy phân hỗ trợ sóng siêu âm, có kích thước phân bố đồng đều khoảng 20-50 nm, được xác định qua FESEM và XRD. FTIR cho thấy sự hiện diện các nhóm hydroxyl đặc trưng, phù hợp với cấu trúc cellulose.

  2. Ảnh hưởng điều kiện tổng hợp Ag/GO: Tỷ lệ AgNO3:NCs tối ưu là 1:1, nhiệt độ phản ứng 80°C và thời gian 120 phút cho vật liệu Ag/GO có kích thước hạt nano bạc trung bình 15-20 nm, phân bố đồng đều trên tấm GO. Phổ UV-Vis cho thấy đỉnh hấp thu đặc trưng của AgNPs ở 420 nm tăng theo điều kiện phản ứng, chứng tỏ sự hình thành AgNPs hiệu quả.

  3. Khả năng kháng khuẩn của vải Ag/GO/AF: Vải phủ nhúng với nồng độ Ag/GO 4 g/L và số lần phủ 4 lần đạt đường kính vòng kháng khuẩn lớn nhất, với 18 mm đối với Pseudomonas aeruginosa và 20 mm đối với Staphylococcus aureus, tăng khoảng 35% so với vải phủ 1 lần. Khả năng kháng khuẩn giảm nhẹ khi số lần phủ vượt quá 6 lần do hiện tượng kết tụ vật liệu.

  4. Biến tính kỵ nước bằng axit stearic (SA): Vải Ag/GO/AF biến tính với SA nồng độ 3 g/L trong 140 phút đạt góc thấm ướt 135°, tăng 60% so với vải chưa biến tính, đồng thời duy trì khả năng kháng khuẩn với đường kính vòng kháng khuẩn trên 17 mm. Độ bền nhiệt và hóa học của vải được cải thiện rõ rệt, giữ được hoạt tính kháng khuẩn sau 10 lần giặt và trong môi trường axit, kiềm.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy nanocellulose từ bã mía là chất khử hiệu quả, thân thiện môi trường, giúp kiểm soát kích thước và phân bố AgNPs trên nền GO. Điều kiện tổng hợp Ag/GO ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính vật liệu, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng nhiệt độ và thời gian phản ứng đến kích thước hạt nano bạc.

Khả năng kháng khuẩn của vải Ag/GO/AF tăng theo nồng độ và số lần phủ nhúng do tăng lượng AgNPs trên bề mặt, phù hợp với cơ chế giải phóng ion Ag+ và tác động vật lý của tấm GO. Biến tính kỵ nước bằng SA không chỉ nâng cao khả năng chống bám dính vi khuẩn mà còn cải thiện độ bền vật liệu, phù hợp với các nghiên cứu về vật liệu kỵ nước trong y tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường kính vòng kháng khuẩn theo số lần phủ và nồng độ Ag/GO, biểu đồ góc thấm ướt theo nồng độ SA, và bảng so sánh độ bền nhiệt, hóa học trước và sau biến tính. So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy vật liệu Ag/GO tổng hợp xanh có hiệu quả kháng khuẩn và độ bền vượt trội, đồng thời thân thiện môi trường hơn các phương pháp tổng hợp hóa học truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp Ag/GO: Áp dụng tỷ lệ AgNO3:NCs 1:1, nhiệt độ 80°C, thời gian 120 phút để đảm bảo kích thước hạt nano bạc đồng đều, nâng cao hiệu quả kháng khuẩn. Thời gian thực hiện trong vòng 3 tháng, do phòng thí nghiệm chịu trách nhiệm.

  2. Phát triển quy trình phủ nhúng vải AF: Sử dụng nồng độ Ag/GO 4 g/L và số lần phủ 4 lần để đạt hiệu quả kháng khuẩn tối ưu, đồng thời kiểm soát hiện tượng kết tụ vật liệu. Thời gian triển khai 2 tháng, phối hợp giữa phòng thí nghiệm và nhà máy dệt may.

  3. Biến tính kỵ nước bề mặt vải bằng axit stearic: Áp dụng nồng độ SA 3 g/L, thời gian phủ 140 phút để tăng góc thấm ướt trên 130°, nâng cao khả năng chống bám dính vi khuẩn và độ bền sản phẩm. Thời gian thực hiện 1 tháng, do phòng thí nghiệm đảm nhiệm.

  4. Đánh giá độ bền và khả năng kháng khuẩn sau xử lý môi trường: Thử nghiệm độ bền nhiệt, hóa học, khả năng kháng khuẩn sau nhiều lần giặt và trong môi trường axit, kiềm để đảm bảo tính ổn định sản phẩm trong thực tế. Thời gian thực hiện 1 tháng, phối hợp với các đơn vị kiểm định chất lượng.

  5. Khuyến khích ứng dụng rộng rãi trong ngành dệt may và y tế: Đề xuất các doanh nghiệp dệt may, sản xuất khẩu trang, đồ bảo hộ y tế áp dụng công nghệ phủ nhúng Ag/GO và biến tính kỵ nước để nâng cao giá trị sản phẩm, đáp ứng nhu cầu thị trường ngày càng tăng về sản phẩm kháng khuẩn an toàn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Vật liệu: Nghiên cứu cung cấp phương pháp tổng hợp xanh vật liệu nanocomposite bạc trên nền graphene oxit, kỹ thuật phân tích đặc trưng vật liệu và đánh giá hiệu quả kháng khuẩn, hỗ trợ phát triển đề tài liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu kháng khuẩn và dệt may: Tham khảo quy trình tổng hợp và ứng dụng vật liệu Ag/GO trong chế tạo vải kháng khuẩn, giúp cải tiến sản phẩm, nâng cao chất lượng và giá trị cạnh tranh trên thị trường.

  3. Cơ quan quản lý và kiểm định chất lượng sản phẩm y tế: Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá hiệu quả và độ bền của vật liệu kháng khuẩn sử dụng trong khẩu trang, đồ bảo hộ, góp phần xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp.

  4. Chuyên gia phát triển sản phẩm trong lĩnh vực y tế và bảo vệ môi trường: Tận dụng nguồn nguyên liệu nông nghiệp tái tạo, phương pháp tổng hợp thân thiện môi trường để phát triển sản phẩm mới, giảm thiểu tác động tiêu cực đến hệ sinh thái.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nanocellulose từ bã mía có vai trò gì trong tổng hợp Ag/GO?
    Nanocellulose (NCs) từ bã mía đóng vai trò là chất khử sinh học giúp khử ion Ag+ thành AgNPs và đồng thời ổn định hạt nano bạc trên nền graphene oxit, ngăn ngừa kết tụ, nâng cao hiệu quả kháng khuẩn.

  2. Tại sao cần biến tính kỵ nước bề mặt vải kháng khuẩn?
    Biến tính kỵ nước giúp giảm bám dính vi khuẩn và các giọt bắn chứa vi rút trên bề mặt vải, tăng khả năng chống thấm, nâng cao độ bền và hiệu quả kháng khuẩn của sản phẩm trong môi trường ẩm ướt.

  3. Phương pháp phủ nhúng có ưu điểm gì trong chế tạo vải kháng khuẩn?
    Phương pháp phủ nhúng đơn giản, dễ thực hiện, kiểm soát được lượng vật liệu phủ trên bề mặt vải, tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời đảm bảo tính đồng nhất của lớp phủ Ag/GO.

  4. Khả năng kháng khuẩn của vải Ag/GO/AF được đánh giá như thế nào?
    Khả năng kháng khuẩn được đánh giá bằng phương pháp đo đường kính vòng kháng khuẩn trên môi trường thạch đối với vi khuẩn Gram âm Pseudomonas aeruginosa và Gram dương Staphylococcus aureus, với đường kính vòng kháng khuẩn lớn thể hiện hiệu quả cao.

  5. Vải kháng khuẩn Ag/GO/AF có giữ được hiệu quả sau nhiều lần giặt không?
    Nghiên cứu cho thấy vải Ag/GO/AF và biến tính SA duy trì khả năng kháng khuẩn trên 80% sau 10 lần giặt, đồng thời giữ được độ bền nhiệt và hóa học, phù hợp sử dụng trong thực tế.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công nanocellulose từ bã mía và vật liệu nanocomposite bạc trên cơ sở graphene oxit (Ag/GO) bằng phương pháp đồng kết tủa sử dụng NCs làm chất khử sinh học.
  • Xác định được điều kiện tổng hợp Ag/GO tối ưu gồm tỷ lệ AgNO3:NCs 1:1, nhiệt độ 80°C, thời gian 120 phút cho vật liệu có kích thước hạt nano bạc đồng đều và hiệu quả kháng khuẩn cao.
  • Chế tạo vải acrylic kháng khuẩn phủ nhúng Ag/GO với nồng độ 4 g/L và số lần phủ 4 lần đạt hiệu quả kháng khuẩn tốt nhất đối với vi khuẩn Pseudomonas aeruginosa và Staphylococcus aureus.
  • Biến tính kỵ nước bề mặt vải bằng axit stearic (SA) nâng cao góc thấm ướt lên 135°, tăng khả năng chống bám dính vi khuẩn và độ bền vật liệu mà không làm giảm hiệu quả kháng khuẩn.
  • Đề xuất các giải pháp ứng dụng và phát triển sản phẩm vải kháng khuẩn thân thiện môi trường, phù hợp với nhu cầu phòng chống dịch bệnh hiện nay.

Next steps: Triển khai quy trình tổng hợp và phủ nhúng ở quy mô pilot, đánh giá hiệu quả trong điều kiện thực tế, mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong các loại vải khác và sản phẩm y tế.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực vật liệu kháng khuẩn được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm mới, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và phát triển bền vững.