CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tình hình các bệnh nhiễm khuẩn hiện nay Hiện nay, những tác động từ bên ngoài như: Vi sinh vật, vi khuẩn, bức xạ, v. gây ảnh hưởng xấu đến cuộc sống của con người và trở thành nguyên nhân của nhiều căn bệnh như: Nhiễm khuẩn, ung thư, v. Trong đó, bệnh nhiễm khuẩn ngày càng diễn biến nghiêm trọng, đặc biệt là việc kiểm soát nhiễm khuẩn trong bệnh viện ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của người bệnh.
Tháng 8/2019, tổ chức Y tế thế giới (WHO) đã cập nhập tình hình tai biến y khoa, trong đó có đề cập đến một số vấn đề mang tính cấp thiết về bệnh nhiễm khuẩn. Khoảng 10 % người bệnh ở nước đang phát triển bị nhiễm khuẩn bệnh viện và tỷ lệ không nhỏ là nhiễm vi khuẩn kháng thuốc [1], [2]. Thêm vào đó, các bệnh truyền nhiễm lây qua đường hô hấp ngày càng nhiều. Một số bệnh thường gặp như: Bạch hầu, ho gà, não mô cầu, lao, v.
do vi khuẩn gây ra và cúm, sởi, quai bị, thuỷ đậu, đậu mùa, nhiễm trùng đường hô hấp cấp do vi rút gây ra. Ngoài những bệnh thường gặp trên, ngày càng có nhiều loại vi rút có khả năng gây nhiễm trùng đường hô hấp, với độc lực cao như vi rút cúm A−H5N1, viêm phổi do vi rút có thể lây lan nhanh thành dịch lớn như viêm phổi do vi rút SARS, vi rút cúm A−H1N1, A−H7N9, v. Đặc biệt, hiện nay đại dịch COVID−19 đang diễn biến phức tạp, các biến thể mới đang không ngừng biến đổi với tốc độ lây nhiễm và xâm nhập ngày càng cao. Mặc dù, nước ta có tỷ lệ bao phủ vắc xin cao, tuy nhiên việc xuất hiện biến chủng liên tục và lây nhiễm cho người khác dù họ đã được tiêm chủng là mối đe dọa hàng đầu đến sức khỏe con người.
Do đó, nghiên cứu và chế tạo sản phẩm kháng khuẩn, an toàn cũng như hạn chế tình trạng bệnh nhiễm khuẩn là cần thiết, như thể hiện trong Hình 1. Trong đó, sử dụng vật liệu kháng khuẩn nanocomposite bạc trên cơ sở graphene oxit tổng hợp theo phương pháp sinh học nhận được nhiều quan tâm nghiên cứu trong và ngoài nước.1: Bệnh truyền nhiễm và ô nhiễm môi trường 1. Vật liệu kháng khuẩn Vật liệu kháng khuẩn được nghiên cứu và phát triển như một phương pháp triển vọng thay thế kháng sinh trong việc ức chế và tiêu diệt vi khuẩn. Khả năng kháng khuẩn và độc tính của vật liệu có thể được kiểm soát thông qua điều chỉnh kích thước, cấu trúc, hình dạng, mật độ điện tích, phương pháp tổng hợp, từ đó tạo ra vật liệu với đặc tính phù hợp cho hiệu quả kháng khuẩn cao, độc tính tế bào thấp, và ít gây hại cho sức khỏe con người [3].
Hiện nay, vật liệu nano được quan tâm trong lĩnh vực kháng khuẩn bởi những đặc điểm như: Kích thước nhỏ dưới 100 nm, nhỏ hơn cả vi khuẩn, vì thế vật liệu này thể hiện tính chất vật lý và hóa học mà vật liệu khối lớn không có. Trong số vật liệu nano được nghiên cứu sử dụng ngày nay như nano vàng, đồng, selen, bạc, v. thì nano bạc cho khả năng kháng khuẩn cao có khả năng kháng được nhiều chủng vi khuẩn khác nhau [4]. Giới thiệu Nano bạc (AgNPs) là một trong những hạt nano kim loại được nghiên cứu rộng rãi, vì tính chất hóa lý và sinh học đặc trưng bao gồm: Diện tích bề mặt lớn, hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt cao, bên cạnh đó dễ dàng kết hợp với vật liệu khác để nâng cao khả năng ứng dụng trong lĩnh vực như: Kháng khuẩn, kháng ung thư, xúc tác, v.
Đường kính của AgNPs thường trong khoảng 10–100 nm và quyết định đến khả năng kháng khuẩn cao hay thấp [5]. Khi đường kính hạt lớn, tính kháng khuẩn giảm, 3 với kích thước nhỏ sẽ gây độc tính tế bào, ảnh hưởng đến sức khỏe người sử dụng khi lượng Ag+ giải phóng nhiều, khó kiểm soát [6], [7]. Chính vì thế, việc ổn định kích thước hạt phù hợp giúp vật liệu có khả năng kháng khuẩn cao mà không ảnh hưởng tiêu cực đến việc sử dụng. Khả năng ứng dụng của AgNPs khác nhau do yếu tố như: Hình thái, kích thước, môi trường pH, nhiệt độ hoặc thời gian phản ứng [3], [4].
Do đó, phương pháp tổng hợp cũng như điều kiện tổng hợp ảnh hưởng lớn đến đặc tính của AgNPs. Phương pháp tổng hợp Hiện nay, có ba phương pháp tổng hợp vật liệu nano kim loại là phương pháp vật lý, hóa học, và sinh học như thể hiện ở Hình 1. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm khác nhau đã được đề cập trong nhiều nghiên cứu trước đây [8], [9]. Phương pháp vật lý và hóa học có tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe của con người, từ đó hạn chế khả năng ứng dụng của hạt nano.
Mặc khác, phương pháp sinh học sử dụng chất khử thân thiện với môi trường từ phụ phẩm nông nghiệp như là phương pháp xanh trong tổng hợp vật liệu nano. Nghiền Chiếu xạ Vật lý Khử hóa học Phương pháp Hóa học tổng hợp Thủy nhiệt Sinh học Vi khuẩn Nấm Thực vật Hình 1.2: Phương pháp tổng hợp vật liệu nano ❖ Phương pháp vật lý Tổng hợp vật liệu nano bằng phương pháp vật lý bao gồm: Sử dụng áp suất cơ học, phân cắt laser, lắng đọng hơi trong môi trường chân không, nghiền cơ học, v. 4 Phương pháp này không sử dụng hóa chất độc hại và có thể kiểm soát được kích thước hạt [10]. Tuy nhiên, sự phân bố kích thước hạt rộng, hơn nữa yêu cầu về chi phí trang thiết bị cao, do đó phương pháp vật lý ít được sử dụng trong tổng hợp vật liệu nano [11].
❖ Phương pháp hóa học Phương pháp hóa học là phương pháp phổ biến để tổng hợp vật liệu nano do quy trình đơn giản, dễ vận hành bằng cách sử dụng tác nhân khử hóa học để khử Ag+ trong dung dịch muối AgNO3. Ba thành phần chính được sử dụng trong quá trình tổng hợp AgNPs là tiền chất kim loại (muối tan của bạc), chất khử, và chất ổn định. Thông thường, trong quy trình tổng hợp hóa học có bốn giai đoạn chính bao gồm: Quá trình khử, tạo mầm, phát triển mầm tinh thể, và ổn định [12]. Cụ thể, trong quy trình tổng hợp AgNPs, chất khử được bổ sung vào dung dịch muối AgNO3, tạo thành nguyên tố Ag, sau đó phát triển tạo thành cụm hạt nano bạc.
Gần đây, một số chất khử phổ biến được sử dụng để tổng hợp AgNPs như: Axit ascorbic, hydrazine, D−glucose, v. Chất khử khác nhau dẫn đến hình thành vật liệu nano có cấu trúc hình thái khác nhau [13]. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là sử dụng hóa chất, dung môi hữu cơ độc hại, do đó cần loại bỏ thành phần phụ để thu được sản phẩm tinh khiết [14]. ❖ Phương pháp sinh học Trong những năm gần đây, phương pháp tổng hợp vật liệu nano thân thiện với môi trường nhận được quan tâm lớn từ cộng đồng khoa học do nhu cầu bảo vệ hệ sinh thái ngày càng tăng và giảm thiểu các tiền chất, sản phẩm phụ, và chi phí xử lý môi trường bị ô nhiễm.
Đặc biệt, phương pháp sinh học có thể thay thế hóa chất tổng hợp thông thường bằng nguồn tự nhiên như: Dịch chiết thực vật, nấm, vi khuẩn, v. Hơn nữa, các chất này không chỉ đóng vai trò là chất khử mà còn là chất ổn định cho hạt nano nhờ nhóm chức tương tác tĩnh điện với kim loại tích điện dương [16]. Bên cạnh đó, chất khử có nguồn gốc tự nhiên, điển hình từ polymer sinh học được đánh giá có khả năng khử tốt với nhiều ưu điểm như: Khả năng phân hủy sinh học, giá thành rẻ, và phổ biến [17]. Việt Nam là nước nông nghiệp với sản lượng cây trồng lương thực, công nghiệp tăng mạnh qua các năm.
Cây nông nghiệp thường được trồng nhiều, có năng suất cao và luân canh ngắn ngày như: Bắp, mía và lúa, loại cây trồng này sau khi thu hoạch thường tạo ra một lượng lớn phụ phẩm như: Thân, lá, bã mía, rơm rạ, vỏ trấu, v. Trong đó, 5 bã mía từ nhà máy mía đường xả thải với lượng lớn tăng dần qua từng năm nhưng chưa có biện pháp xử lý hiệu quả gây lãng phí và ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường. Thành phần chủ yếu của bã mía là lignocellulose trong lignocellulose gồm ba thành phần chính xếp theo thứ tự tỷ lệ khối lượng giảm dần là cellulose, hemicellulose, và lignin, như thể hiện ở Hình 1. Cellulose là hợp chất cao phân tử được cấu tạo từ các đơn phân monome D–glucose liên kết với nhau bằng β–1,4–glycosidic.
Cellulose có đặc tính như: Không độc, dễ phân hủy sinh học, độ bền kéo, độ bền nhiệt cao, và độ dẫn điện thấp [19], [20]. Hơn nữa, các nhóm hydroxyl (–OH) hoạt động tốt thể hiện đặc tính bề mặt, lưu biến, và quang học khác nhau của cellulose [18]. Tuy nhiên, trong nhiều lĩnh vực khả năng phản ứng của cellulose bị hạn chế bởi kích thước polymer lớn, vì thế cấu trúc nanocellulose (NCs) được nghiên cứu trở thành loại vật liệu tiềm năng. Bên cạnh đó, nhờ vào cấu trúc NCs dễ dàng phân tán hạt nano, ngăn kết tụ trong quá trình tổng hợp vật liệu [21].
Ngoài ra, tương tác tĩnh điện giữa hạt kim loại và nguyên tử oxy của nhóm –OH trong cấu trúc NCs dễ dàng khử tạo hạt nano [22]. Cây mía Bã mía Bột bã mía Thành tế bào Liên kết hydro Nanocellulose Cellulose Hình 1.3: Cấu trúc của NCs từ bã mía Do đó, trong luận văn này vật liệu AgNPs được tổng hợp bằng phương pháp sinh học sử dụng NCs vừa là chất khử vừa là chất ổn định. Ứng dụng Nano bạc có diện tích và năng lượng bề mặt cao nên được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: Chất xúc tác, cảm biến quang học, điện tử, y tế, v. 6 Nano bạc được ứng dụng trong kháng khuẩn và điều trị các căn bệnh khác nhau, đặc biệt là bệnh nhiễm trùng.
AgNPs có khả năng kháng nhiều loại vi khuẩn, nấm, và vi khuẩn kháng thuốc khó điều trị bằng kháng sinh thông thường. Ngoài ra, AgNPs còn làm chất kháng khuẩn và kháng nấm hiệu quả trong sản phẩm chăm sóc vết thương và dụng cụ y tế [25]. Bên cạnh đó, AgNPs được ứng dụng phổ biến trong công nghiệp thực phẩm, sản xuất hàng tiêu dùng, đồ gia dụng, vải kháng khuẩn, v. Tuy nhiên, khả năng ứng dụng của AgNPs phụ thuộc vào kích thước và hình dạng hạt.
Khi kích thước AgNPs càng nhỏ thì năng lượng bề mặt càng lớn, giải phóng ion Ag+ cao, hoạt tính kháng khuẩn của AgNPs tăng [26].