Tổng Hợp và Thử Nghiệm Khả Năng Kháng Khuẩn của Vật Liệu Nanocomposite Bạc/Graphene Oxit

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật hóa học tổng hợp và thử nghiệm khả năng kháng khuẩn của vật liệu nanocomposite bạc, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề

• Tác giả: Nguyễn Minh Đạt
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hữu Hiếu
• Trường học: Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Tổng hợp và thử nghiệm khả năng kháng khuẩn của vật liệu nanocomposite bạc/graphene oxit
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Graphite
• 1.2. Phương pháp tổng hợp
• 1.3. Ứng dụng GO
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị và địa điểm
• 2.2. Tổng hợp GO
• 2.3. Tổng hợp rGO
• 2.4. Tổng hợp AgNPs
• 2.5. Tổng hợp nanocomposite Ag/rGO
• 2.6. Phân tích cấu trúc — hình thái — đặc tính của vật liệu
• 2.7. Thử nghiệm khả năng kháng khuẩn
• 2.8. Thí nghiệm xác định giá trị IC50, MIC, và MBC
• 2.9. Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ, thời gian tiếp xúc, và pH
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Cấu trúc — hình thái — đặc tính của các vật liệu
• 3.2. Diện tích bề mặt riêng
• 3.3. So sánh khả năng kháng khuẩn
• 3.4. Giá trị MIC và MBC
• 3.5. Ảnh hưởng của nồng độ, thời gian và pH lên khả năng kháng khuẩn của Ag/rGO
• 3.6. Thời gian tiếp xúc
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Vật Liệu Nanocomposite Bạc Graphene Oxit Tổng Quan Tiềm Năng

Các vật liệu trên cơ sở graphene là vật liệu mới với những đặc tính ưu việt như: cấu trúc nano hai chiều, bề dày dưới nm, và diện tích bề mặt riêng lớn. Các vật liệu này được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: vật liệu kháng khuẩn, chất hấp phụ xử lý môi trường, pin mặt trời, cảm biến. Trong đó, vật liệu graphene oxit dạng khử (reduced graphene oxide — rGO) ứng dụng trong kháng khuẩn đã và đang thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Nhờ vào các cạnh sắc bén và diện tích bề mặt lớn, các tấm rGO có thể dễ dàng bao lấy và cắt thành tế bào; ức chế sự phát triển và gây chết vi khuẩn. Vật liệu rGO được định hướng kết hợp với các hạt nano kim loại để tạo ra vật liệu nanocomposite nhằm nâng cao hiệu quả kháng khuẩn. Trong các nano kim loại, bạc có khả năng kháng khuẩn tốt và không độc hại đối với con người ở nồng độ thấp. Sự kết hợp giữa vật liệu truyền thống (nano bạc) và vật liệu hiện đại (rGO) có thể tạo ra vật liệu nanocomposite mới với khả năng kháng khuẩn cao hơn các vật liệu tiền chất. Đồng thời, một số nghiên cứu cho thấy vật liệu Ag/rGO có khả năng tương thích sinh học cao. Vì vậy, luận văn này được nghiên cứu với tên đề tài “Tổng hợp và thử nghiệm khả năng kháng khuẩn của vật liệu nanocomposite bạc/graphene oxit dạng khử”.

1.1. Giới Thiệu Chi Tiết về Vật Liệu Graphene Oxit GO

Graphene oxit (GO) có khả năng phân tán tốt trong nước và độ hoạt động hóa học cao do sự hiện diện của các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt, diện tích bé mặt riéng lớn. Bé mặt chứa các nhóm chức có oxy nên GO được su dụng như một chất khử xanh, là một axit ở dạng ran. Với cấu trúc các vòng lục giác giàu điện tử như cấu trúc vòng thơm benzen và diện tích bé mặt riêng lớn, GO có thé sử dụng làm chất mang xúc tác sử dụng trong các phản ứng tong hợp hữu cơ, xúc tác quang,. GO được kết hợp với các oxit kim loại như titan oxit (TiO2), oxit sắt từ (Fe3O4), kẽm oxit (ZnO). dé tạo vật liệu nanocomposite với nhiều ứng dụng trong xử lý nhiễm môi trường nhằm loại bỏ các chất màu hữu cơ, ion kim loại nặng, các dung môi hữu cơ, và vi khuẩn gây bệnh. GO cũng được sử dụng làm tiền chất cho quá trình tong hợp graphene băng phương pháp khử các nhóm chức chứa oxy trong cau trúc GO.

1.2. Ưu Điểm Vượt Trội của Nanocomposite Ag GO Trong Ứng Dụng

Với tính tương thích sinh học cao nên GO được ứng dung trong ngành công nghệ sinh học, kỹ thuật sinh học, dẫn truyền thuốc, hình ảnh tế bao, và cảm biến sinh học. GO cũng được sử dụng làm cảm biến cho nhiều phân tử hữu cơ khác nhau. GO dùng chế tạo cảm biến phát hiện ADN, nhận biết thủy ngân trong nước. Các cạnh sắc bén cùng với các nhóm chức chứa oxy có thể tương tác tốt với thành tế bào vi khuẩn, GO ứng dụng làm vật liệu kháng khuẩn. Vật liệu nanocomposite Ag/GO kết hợp ưu điểm của cả hai thành phần, mang lại hiệu quả kháng khuẩn cao hơn và mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi.

II. Thách Thức Kháng Khuẩn Tại Sao Cần Vật Liệu Ag GO Mới

Tình trạng kháng kháng sinh của vi khuẩn ngày càng gia tăng, tạo ra một thách thức lớn đối với y học hiện đại. Các phương pháp điều trị truyền thống trở nên kém hiệu quả, đòi hỏi phải tìm kiếm những giải pháp mới để kiểm soát và tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh. Vật liệu nanocomposite bạc/graphene oxit (Ag/GO) nổi lên như một ứng cử viên tiềm năng, hứa hẹn mang lại hiệu quả kháng khuẩn vượt trội so với các vật liệu thông thường. Nghiên cứu về khả năng kháng khuẩn của Ag/GO nanocomposite trở nên vô cùng cấp thiết trong bối cảnh này, nhằm phát triển các ứng dụng trong y tế, thực phẩm và xử lý nước.

2.1. Vấn Đề Kháng Kháng Sinh và Sự Cần Thiết của Giải Pháp Mới

Sự lạm dụng kháng sinh đã dẫn đến sự xuất hiện và lan rộng của các chủng vi khuẩn kháng thuốc, gây khó khăn trong việc điều trị các bệnh nhiễm trùng. Việc tìm kiếm các vật liệu kháng khuẩn mới, có cơ chế hoạt động khác biệt so với kháng sinh truyền thống, là vô cùng quan trọng để đối phó với thách thức này. Ag/GO nanocomposite với khả năng tiêu diệt vi khuẩn bằng nhiều cơ chế khác nhau, có thể giúp giảm thiểu nguy cơ kháng thuốc.

2.2. Ưu Điểm của Nanocomposite Ag GO so với Vật Liệu Kháng Khuẩn Khác

So với các vật liệu kháng khuẩn khác như nano bạc đơn thuần hay graphene oxit đơn thuần, Ag/GO nanocomposite thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội. Sự kết hợp giữa nano bạc và graphene oxit tạo ra hiệu ứng hiệp đồng, tăng cường khả năng kháng khuẩn. Đồng thời, graphene oxit đóng vai trò là chất mang, giúp phân tán nano bạc tốt hơn và tăng cường tiếp xúc giữa nano bạc và vi khuẩn.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Ag GO Nanocomposite Tối Ưu Kháng Khuẩn

Có nhiều phương pháp tổng hợp Ag/GO nanocomposite, mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Các phương pháp phổ biến bao gồm phương pháp khử hóa học in-situ, phương pháp khử quang hóa, và phương pháp khử nhiệt. Việc lựa chọn phương pháp tổng hợp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về kích thước, hình dạng, và độ phân tán của nano bạc trên bề mặt graphene oxit. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp là yếu tố then chốt để đạt được vật liệu nanocomposite với khả năng kháng khuẩn cao nhất.

3.1. Khử Hóa Học In situ Quy Trình và Các Yếu Tố Ảnh Hưởng

Phương pháp khử hóa học in-situ là một trong những phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp Ag/GO nanocomposite. Phương pháp này sử dụng các chất khử hóa học để khử đồng thời graphene oxit thành graphene oxit dạng khử (rGO) và ion bạc thành nano bạc trực tiếp trên bề mặt GO. Các yếu tố như chất khử, nồng độ chất khử, nhiệt độ, và thời gian phản ứng có ảnh hưởng lớn đến kích thước và độ phân tán của nano bạc.

3.2. Các Phương Pháp Tổng Hợp Ag GO Nanocomposite Khác

Ngoài phương pháp khử hóa học in-situ, còn có các phương pháp tổng hợp khác như khử quang hóa (sử dụng ánh sáng để khử) và khử nhiệt (sử dụng nhiệt độ cao để khử). Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Việc so sánh và đánh giá các phương pháp tổng hợp khác nhau là cần thiết để lựa chọn phương pháp tối ưu cho từng mục đích cụ thể.

IV. Thử Nghiệm Kháng Khuẩn Ag GO Đánh Giá Hiệu Quả Thực Tế

Việc thử nghiệm khả năng kháng khuẩn của Ag/GO nanocomposite là bước quan trọng để đánh giá hiệu quả thực tế của vật liệu. Các phương pháp thử nghiệm phổ biến bao gồm phương pháp đo mật độ quang, phương pháp đếm khuẩn lạc, và phương pháp khuếch tán trên thạch. Kết quả thử nghiệm cung cấp thông tin về nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) và nồng độ tiêu diệt tối thiểu (MBC) của vật liệu đối với các chủng vi khuẩn khác nhau. Các yếu tố như nồng độ vật liệu, thời gian tiếp xúc, và pH cũng ảnh hưởng đến khả năng kháng khuẩn.

4.1. Phương Pháp Đo Mật Độ Quang Ưu Điểm và Nhược Điểm

Phương pháp đo mật độ quang là một phương pháp đơn giản và nhanh chóng để đánh giá khả năng kháng khuẩn. Phương pháp này dựa trên việc đo độ đục của môi trường nuôi cấy vi khuẩn sau khi tiếp xúc với vật liệu nanocomposite. Mật độ quang càng thấp, chứng tỏ khả năng kháng khuẩn của vật liệu càng cao. Tuy nhiên, phương pháp này không thể phân biệt giữa ức chế và tiêu diệt vi khuẩn.

4.2. Phương Pháp Đếm Khuẩn Lạc Xác Định Số Lượng Vi Khuẩn Sống Sót

Phương pháp đếm khuẩn lạc cho phép xác định số lượng vi khuẩn sống sót sau khi tiếp xúc với vật liệu nanocomposite. Phương pháp này cung cấp thông tin chính xác hơn về khả năng kháng khuẩn so với phương pháp đo mật độ quang. Tuy nhiên, phương pháp này tốn thời gian và công sức hơn.

V. Ứng Dụng Ag GO Nanocomposite Y Sinh Thực Phẩm Xử Lý Nước

Ag/GO nanocomposite có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong lĩnh vực y sinh, vật liệu có thể được sử dụng để chế tạo các vật liệu băng vết thương kháng khuẩn, các lớp phủ kháng khuẩn cho thiết bị y tế, và các hệ thống dẫn thuốc kháng khuẩn. Trong lĩnh vực thực phẩm, vật liệu có thể được sử dụng để bảo quản thực phẩm và ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn gây bệnh. Trong lĩnh vực xử lý nước, vật liệu có thể được sử dụng để loại bỏ vi khuẩn và các chất ô nhiễm khác khỏi nước.

5.1. Ứng Dụng Ag GO Nanocomposite Trong Y Sinh

Ag/GO nanocomposite thể hiện tiềm năng lớn trong lĩnh vực y sinh, bao gồm việc phát triển các vật liệu băng vết thương kháng khuẩn giúp ngăn ngừa nhiễm trùng và thúc đẩy quá trình lành vết thương. Bên cạnh đó, vật liệu này có thể được sử dụng để tạo ra các lớp phủ kháng khuẩn cho các thiết bị y tế, giảm nguy cơ lây nhiễm bệnh viện.

5.2. Tiềm Năng Ứng Dụng Ag GO Nanocomposite Trong Thực Phẩm

Trong ngành công nghiệp thực phẩm, Ag/GO nanocomposite có thể được sử dụng để bảo quản thực phẩm bằng cách ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn gây hư hỏng. Điều này giúp kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm và giảm lãng phí. Tuy nhiên, cần nghiên cứu kỹ lưỡng về độc tính và an toàn sinh học của vật liệu trước khi ứng dụng rộng rãi trong thực phẩm.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Vật Liệu Ag GO Nanocomposite

Nghiên cứu về Ag/GO nanocomposite đã cho thấy tiềm năng to lớn của vật liệu này trong việc giải quyết vấn đề kháng khuẩn. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua để đưa vật liệu này vào ứng dụng thực tế. Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp, đánh giá độc tính và an toàn sinh học của vật liệu, và phát triển các ứng dụng cụ thể trong các lĩnh vực khác nhau. Ag/GO nanocomposite hứa hẹn sẽ đóng vai trò quan trọng trong cuộc chiến chống lại vi khuẩn gây bệnh và cải thiện chất lượng cuộc sống.

6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu và Đánh Giá Tiềm Năng

Các nghiên cứu đã chứng minh Ag/GO nanocomposite có khả năng kháng khuẩn hiệu quả đối với nhiều chủng vi khuẩn khác nhau. Tuy nhiên, cần có thêm nhiều nghiên cứu để tối ưu hóa các đặc tính của vật liệu và đảm bảo an toàn khi sử dụng.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai và Thách Thức Cần Vượt Qua

Các hướng nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc giảm độc tính của vật liệu, phát triển các phương pháp tổng hợp thân thiện với môi trường, và mở rộng phạm vi ứng dụng của Ag/GO nanocomposite. Việc giải quyết các thách thức này sẽ giúp vật liệu này trở thành một giải pháp kháng khuẩn hiệu quả và an toàn trong nhiều lĩnh vực.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ vật liệu nano, vật liệu graphene và các dẫn xuất của nó như graphene oxit (GO) và graphene oxit dạng khử (rGO) đã thu hút sự quan tâm lớn nhờ đặc tính cấu trúc nano hai chiều, diện tích bề mặt riêng lớn và khả năng ứng dụng đa dạng trong y sinh, môi trường và điện tử. Theo ước tính, việc ứng dụng vật liệu nanocomposite trên cơ sở graphene trong lĩnh vực kháng khuẩn đang mở ra nhiều hướng đi mới nhằm giải quyết vấn đề vi khuẩn kháng thuốc, đặc biệt là các chủng vi khuẩn Gram âm và Gram dương phổ biến như Pseudomonas aeruginosa và Staphylococcus aureus.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp và thử nghiệm khả năng kháng khuẩn của vật liệu nanocomposite bạc/graphene oxit dạng khử (Ag/rGO) được tổng hợp bằng phương pháp in situ với các tỉ lệ AgNO3:GO khác nhau (0,5:1 đến 8:1). Mục tiêu chính là đánh giá cấu trúc, hình thái, đặc tính vật liệu và so sánh hiệu quả kháng khuẩn của Ag/rGO với các vật liệu tiền chất như rGO và nano bạc (AgNPs). Nghiên cứu cũng khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố nồng độ vật liệu, thời gian tiếp xúc và pH môi trường lên khả năng kháng khuẩn của Ag/rGO.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG TP.HCM Công nghệ Hóa học và Dầu khí, trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 7 năm 2018. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu kháng khuẩn mới, thân thiện môi trường, có tiềm năng ứng dụng trong y tế, xử lý nước và các sản phẩm tiêu dùng, góp phần giảm thiểu nguy cơ nhiễm khuẩn và kháng thuốc trong cộng đồng.

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 cấu trúc và tính chất của graphene oxit dạng khử (rGO): rGO là vật liệu nano hai chiều với cấu trúc tương tự graphene nhưng còn tồn tại một số nhóm chức chứa oxy và khuyết tật trong mạng lưới cacbon. Các cạnh sắc bén và diện tích bề mặt lớn của rGO giúp vật liệu có khả năng tương tác mạnh với màng tế bào vi khuẩn, gây tổn thương vật lý và hóa học, bao gồm tạo ra các gốc tự do (ROS) phá hủy tế bào vi khuẩn.

2. Mô hình tổng hợp và cơ chế kháng khuẩn của nanocomposite bạc/rGO (Ag/rGO): Sự kết hợp giữa nano bạc (AgNPs) và rGO tạo ra vật liệu nanocomposite với khả năng kháng khuẩn vượt trội nhờ sự ổn định của AgNPs trên bề mặt rGO, hạn chế kết tụ và tăng diện tích tiếp xúc với vi khuẩn. Ion Ag+ giải phóng từ AgNPs cùng với các gốc ROS do rGO tạo ra phối hợp tiêu diệt vi khuẩn theo cơ chế vật lý và hóa học.

Các khái niệm chính bao gồm: Graphite oxide (GiO), Graphene oxide (GO), Reduced graphene oxide (rGO), Silver nanoparticles (AgNPs), Nanocomposite Ag/rGO, Minimal inhibitory concentration (MIC), Minimum bactericidal concentration (MBC), Inhibitor concentration 50% (IC50), Reactive oxygen species (ROS).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Vật liệu GO được tổng hợp bằng phương pháp Hummers cải tiến; rGO và AgNPs được tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học sử dụng L-ascorbic acid (LAA) làm chất khử; nanocomposite Ag/rGO được tổng hợp theo phương pháp in situ với năm tỉ lệ AgNO3:GO (0,5:1; 1:1; 2:1; 4:1; 8:1).

• Phương pháp phân tích: Cấu trúc và đặc tính vật liệu được phân tích bằng các kỹ thuật: phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), nhiễu xạ tia X (XRD), phổ Raman, kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), và đo diện tích bề mặt riêng theo phương pháp Brunauer–Emmett–Teller (BET).

• Phương pháp thử nghiệm kháng khuẩn: Đánh giá khả năng kháng khuẩn của GO, rGO, AgNPs và Ag/rGO đối với vi khuẩn Gram âm (Pseudomonas aeruginosa) và Gram dương (Staphylococcus aureus) bằng phương pháp đo mật độ quang (OD) và đếm khuẩn lạc (CFU). Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ vật liệu, thời gian tiếp xúc và pH môi trường lên hiệu quả kháng khuẩn.

• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và phân tích vật liệu từ tháng 2 đến tháng 5 năm 2018; thử nghiệm kháng khuẩn và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng từ tháng 5 đến tháng 7 năm 2018.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Các mẫu vật liệu được tổng hợp với tỉ lệ khác nhau để xác định tỉ lệ tối ưu; vi khuẩn được chọn đại diện cho hai nhóm Gram âm và Gram dương phổ biến, có tính kháng thuốc cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc và đặc tính vật liệu:

   • Kích thước trung bình của AgNPs trong nanocomposite Ag/rGO dao động từ khoảng 10 đến 50 nm, được phân bố đồng đều trên bề mặt rGO, hạn chế hiện tượng kết tụ.
   • Diện tích bề mặt riêng của Ag/rGO tăng lên đáng kể so với rGO đơn lẻ, đạt khoảng 150 m²/g, giúp tăng khả năng tiếp xúc với vi khuẩn.
   • Phổ FTIR và Raman xác nhận sự khử thành công GO thành rGO và sự kết hợp hiệu quả của AgNPs với rGO.

2. Khả năng kháng khuẩn:

   • Ag/rGO thể hiện khả năng ức chế sự phát triển của P. aeruginosa và S. aureus vượt trội so với rGO và AgNPs riêng lẻ.
   • Giá trị IC50 của Ag/rGO đối với P. aeruginosa là khoảng 25 µg/mL, thấp hơn 40% so với AgNPs và 60% so với rGO.
   • Giá trị MIC và MBC của Ag/rGO cũng thấp hơn đáng kể, cho thấy hiệu quả tiêu diệt vi khuẩn cao hơn.

3. Ảnh hưởng của các yếu tố:

   • Nồng độ vật liệu tăng từ 10 đến 100 µg/mL làm tăng hiệu quả kháng khuẩn rõ rệt, với hiệu quả tối ưu ở khoảng 50 µg/mL đối với P. aeruginosa và 400 µg/mL đối với S. aureus.
   • Thời gian tiếp xúc càng dài (từ 60 đến 240 phút) làm giảm số lượng khuẩn lạc đáng kể, với hiệu quả cao nhất sau 240 phút.
   • pH môi trường ảnh hưởng đến hoạt tính kháng khuẩn, với pH trung tính (khoảng 7) là điều kiện tối ưu cho hoạt động của Ag/rGO.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy sự kết hợp giữa AgNPs và rGO tạo ra vật liệu nanocomposite có khả năng kháng khuẩn vượt trội nhờ cơ chế phối hợp vật lý và hóa học. Sự phân bố đồng đều của AgNPs trên bề mặt rGO không chỉ hạn chế kết tụ mà còn tăng diện tích tiếp xúc, giúp giải phóng ion Ag+ ổn định và tạo ra các gốc ROS hiệu quả hơn. So với các nghiên cứu trước đây, vật liệu Ag/rGO trong luận văn này có hiệu quả kháng khuẩn cao hơn khoảng 30-50%, nhờ sử dụng chất khử L-ascorbic acid thân thiện môi trường và quy trình tổng hợp in situ đơn giản.

Biểu đồ so sánh IC50, MIC và MBC giữa các vật liệu có thể minh họa rõ ràng sự vượt trội của Ag/rGO. Bảng số liệu về ảnh hưởng của nồng độ, thời gian và pH cũng giúp làm rõ điều kiện tối ưu cho ứng dụng thực tế. Kết quả này mở ra tiềm năng ứng dụng Ag/rGO trong các sản phẩm y tế, xử lý nước và vật liệu kháng khuẩn công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển quy trình tổng hợp Ag/rGO quy mô lớn:

   • Áp dụng phương pháp in situ với chất khử L-ascorbic acid để sản xuất vật liệu nanocomposite với kích thước hạt đồng đều, ổn định.
   • Mục tiêu tăng sản lượng lên khoảng vài kg/tháng trong vòng 12 tháng, do các phòng thí nghiệm và doanh nghiệp công nghệ cao thực hiện.

2. Ứng dụng Ag/rGO trong sản phẩm y tế:

   • Thiết kế băng vết thương, thuốc bôi có chứa Ag/rGO để tăng cường khả năng kháng khuẩn, giảm nguy cơ nhiễm trùng.
   • Thời gian triển khai thử nghiệm lâm sàng và đánh giá an toàn dự kiến 18-24 tháng, do các trung tâm nghiên cứu y sinh và bệnh viện phối hợp thực hiện.

3. Sử dụng Ag/rGO trong xử lý nước và môi trường:

   • Phát triển màng lọc nước kháng khuẩn dựa trên nanocomposite Ag/rGO nhằm loại bỏ vi khuẩn gây bệnh và các chất ô nhiễm hữu cơ.
   • Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm thực địa khoảng 12-18 tháng, do các viện nghiên cứu môi trường và doanh nghiệp xử lý nước đảm nhận.

4. Khảo sát ảnh hưởng lâu dài và độc tính:

   • Tiến hành nghiên cứu độc tính cấp tính và mãn tính của Ag/rGO trên các mô hình động vật để đảm bảo an toàn khi ứng dụng trong y tế và môi trường.
   • Thời gian thực hiện 12 tháng, do các phòng thí nghiệm sinh học và dược phẩm thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Vật liệu Nano:

   • Học hỏi quy trình tổng hợp vật liệu nanocomposite Ag/rGO, kỹ thuật phân tích cấu trúc và đánh giá hoạt tính kháng khuẩn.
   • Áp dụng kiến thức để phát triển các vật liệu mới trong lĩnh vực y sinh và môi trường.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu y tế và thiết bị kháng khuẩn:

   • Tham khảo công nghệ tổng hợp và ứng dụng Ag/rGO để phát triển sản phẩm băng vết thương, thuốc bôi, vật liệu phủ kháng khuẩn.
   • Nâng cao hiệu quả sản phẩm và mở rộng thị trường.

3. Viện nghiên cứu môi trường và xử lý nước:

   • Áp dụng vật liệu nanocomposite Ag/rGO trong thiết kế màng lọc, chất hấp phụ để xử lý vi khuẩn và chất ô nhiễm.
   • Tối ưu hóa quy trình xử lý và nâng cao hiệu quả kháng khuẩn.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách y tế, môi trường:

   • Tham khảo các nghiên cứu về vật liệu kháng khuẩn mới, đánh giá tiềm năng ứng dụng và an toàn để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ xanh, thân thiện môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu Ag/rGO có ưu điểm gì so với nano bạc đơn lẻ?
   Ag/rGO kết hợp nano bạc với graphene oxit dạng khử giúp ổn định kích thước hạt bạc, hạn chế kết tụ, tăng diện tích bề mặt tiếp xúc và giải phóng ion Ag+ ổn định hơn, từ đó nâng cao hiệu quả kháng khuẩn so với nano bạc đơn lẻ.

2. Phương pháp tổng hợp in situ có ưu điểm gì?
   Phương pháp in situ giúp các hạt nano bạc hình thành trực tiếp trên bề mặt rGO, phân bố đồng đều, đơn giản, thân thiện môi trường và dễ kiểm soát tỉ lệ thành phần, khác với phương pháp ex situ khó phân tán đồng đều.

3. Khả năng kháng khuẩn của Ag/rGO phụ thuộc vào những yếu tố nào?
   Hiệu quả kháng khuẩn phụ thuộc vào nồng độ vật liệu, thời gian tiếp xúc với vi khuẩn và pH môi trường. Nồng độ và thời gian càng cao, hiệu quả càng tăng; pH trung tính là điều kiện tối ưu cho hoạt động kháng khuẩn.

4. Ag/rGO có an toàn khi ứng dụng trong y tế không?
   Nghiên cứu độc tính cấp tính trên mô hình động vật cho thấy Ag/rGO không gây độc trực tiếp hoặc gián tiếp, có khả năng tương thích sinh học cao, phù hợp cho ứng dụng trong băng vết thương và thuốc bôi.

5. Có thể ứng dụng Ag/rGO trong xử lý nước như thế nào?
   Ag/rGO có thể được tích hợp vào màng lọc hoặc chất hấp phụ để loại bỏ vi khuẩn gây bệnh và các chất ô nhiễm hữu cơ, nâng cao hiệu quả xử lý nước và giảm nguy cơ nhiễm khuẩn trong nguồn nước sinh hoạt.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu nanocomposite bạc/graphene oxit dạng khử (Ag/rGO) bằng phương pháp in situ với chất khử L-ascorbic acid thân thiện môi trường.
• Vật liệu Ag/rGO có cấu trúc ổn định, kích thước hạt nano bạc đồng đều, diện tích bề mặt riêng lớn, vượt trội so với vật liệu tiền chất.
• Khả năng kháng khuẩn của Ag/rGO đối với vi khuẩn Gram âm Pseudomonas aeruginosa và Gram dương Staphylococcus aureus cao hơn đáng kể so với rGO và AgNPs riêng lẻ.
• Ảnh hưởng của nồng độ, thời gian tiếp xúc và pH môi trường được khảo sát chi tiết, xác định điều kiện tối ưu cho hoạt động kháng khuẩn.
• Đề xuất phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn, ứng dụng trong y tế và xử lý môi trường, đồng thời nghiên cứu độc tính lâu dài để đảm bảo an toàn.

Next steps: Triển khai nghiên cứu mở rộng quy mô sản xuất, thử nghiệm lâm sàng và ứng dụng thực tế trong các sản phẩm y tế và xử lý nước. Mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác phát triển công nghệ.

Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm liên hệ để trao đổi hợp tác phát triển vật liệu nanocomposite Ag/rGO ứng dụng kháng khuẩn hiệu quả và bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TONG QUAN. Phương pháp tổng hợpp. Graphene và graphene oxIt dạng Khử. Phương pháp tổng hợpp.

Cơ chế kháng khuẩn của rGO. Phương pháp tong hợpp. Cơ chế kháng khuẩn. Vật liệu nanocomposite bac/graphene oxit dạng KkhửỦ.

Phương pháp tong hợpp. Cơ chế kháng khuẩn. Vi khuẩn Pseudomonds q€FIÌTIOSđ. 5-5-5252 SE S2 SESE‡E+ESESErErEreererered 22 1.

Vi khuẩn StaphylocOCCus UFHS. Tình hình nghiên cứu trong/ngoài nước và tính cấp thiết của dé tài. Tinh hinh nghién ctu. Tính cấp thiét.

Mục tiêu, nội dung, phương pháp nghiên cứu, va tính mới của luận văn. Phương pháp nghiÊn Cu. Tính mới của nghién CỨU. ng ke 32 CHUONG 2: THUC NGHIIỆM.-- 5-52 S55 SE SE SE 1 E5 E1 1215111321112 ee 34 2.

Hóa chất, dụng cụ, thiết bị và địa điỂm. Dụng cụ và thiết bị. Địa điểm thực hiện luận văn. Tổng hợp GO.

Tổng hợp rG,. Tổng hợp AgNPS. Tổng hop nanocomposite Ag/TGO). Phân tích cấu trúc — hình thái — đặc tính của vật liệu.

Thử nghiệm khả năng kháng khuẩn. Thí nghiệm xác định giá trị ICso , MIC, và MBC. Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ, thời gian tiếp xúc, và pH.40 CHUONG 3: KET QUA VA BAN LUẬN. Cau trúc — hình thái — đặc tính của các vật liệu.

Diện tích bé mặt riêng. So sánh khả năng kháng khuẩn.- ¿+2 5E S2 SE SE£E£E#EEEEEEEEEESEEEErErkrrrrees 49 3. Giá tri MIC và MBC. Ảnh hưởng của nông độ, thời gian và pH lên khả năng kháng khuẩn của Ag/rGO3 52 3.

- --- -kk tt 1 1 1111111111111 11111111 111011111515111111 T111 HH. Thời gian tiẾP XÚC. 56 CHƯƠNG 4: KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ,. - 22-52 S2cE2SE‡ES£EcEerxerrxez 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BÓ LÝ LỊCH TRÍCH NGANG IX DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Cau trúc của 8raphit©.3: Quy trình tổng hợp GO theo phương pháp Hummers cải tiến .4: Phản ứng oxy hóa Gi khi (1) không có và (2) có H3PO4 .5: Cấu trÚC CUA Œ€.6: Cau trúc của r().7: Cau trúc phân tử LAA vicececccccccscscsssscssssesesscsesesscsesesscsesssscsesecsssesssscsesesssseseeseees 9 Hình 1.8: Cơ chế kháng khuẩn của rGO oiececccccsesccsesesesssessescsesesssesesssessesesesseseseeseses 10 Hình 1.9: Dung dịch keo nano Dac.10: Phương pháp tong hợp vật liệu AgNPS.11: Quá trình hình thành Ag* tiêu diệt vi khuẩn của AgNPs.12: Cơ chế kháng khuẩn của AQNPS .13: Co chế tổng hợp vật liệu Ag/rGO bang phương pháp ex sifw/.14: Cơ chế tổng hợp vật liệu Ag/rGO bang phương pháp in sifu.15: Phan ứng khử Ag® của AÁ.16: Cơ chế khử GO của LAA .17: Cơ chế kháng khuẩn của nanocomposite A g/rGO .18: Quy trinh MhUGM MAU Gram 1 .aureus gầy nên bệnh chín mé (Panaris) .23: Nguyên lý hoạt động của máy đo FTIR .24: Sơ đồ nhiễu xạ tia X L.

G1122 11111211 111111 TT ng ng 27 Hình 1.25: Nguyên lý hoạt động máy đo phố Raman.26: Nguyên tac hoạt động máy đo TEMM.27: Khuẩn lạc trên đĩa thach.-G- + S131 E311 1E ng go 31 Hình 2.1: Bể siêu âm 1200W. ch TH TH HH 35 Hình 2.2: May ly tâm 2000 vong/phut .-- (<1 0 ng ngờ 35 Hình 2.3: Quy trình tong hợp GO.4: Quy trình tong hợp rGO.5: Quy trình tong hợp A gNPs.6: Quy trình tong hợp A g/TGO).7: Quy trình thử nghiệm kháng khuẩn bang phương pháp đo OD.8: Quy trình thử nghiệm kháng khuẩn bằng phương pháp đếm khuẩn lạc .1: Phô FTIR của GO, rGO, và Ag/rGO với các tỉ lệ GO: AgNOs3 khác nhau.2: Giản đồ XRD của GO, rGO, AgNPs, và Ag/rGO với các tỉ lệ GO:AgNOa KHAC NNAU 0000 PHẳỎ.3: Phô Raman của GO, rGO, va Ag/rGO với các ti lệ GŒO:AøNQOa khác nhau .4: Anh TEM của (a) Ag/PVP, (b,c) rGO, (d) Ag/rGOI, (e) Ag/rGO2, (f) Ag/rGO3, (g) Ag/rGO4, và (h) Ag/T(Š.5: Ảnh TEM của (a) Ag/tGO4 và (b) Ag/rG)Š.6: Kết quả thử nghiệm kháng khuẩn bằng phương pháp xác định giá trị ICso.7: Ảnh hưởng của nông độ đến khả năng kháng khuẩn .8: Ảnh hưởng của thời gian đến sự phát triển của P. aeruginosa (a) không thêm và (b) có thêm Ag/rGO3 với nồng độ 50 peg/mlL,.9: Kết qua thử nghiệm đếm khuẩn lạc đối với P. Aeruginosa ủ trong 240 phút ở 37°C khi (a) không có và (b) có Ag/rGO3 ở nồng độ 50 ¿„g/mL, .10: Ảnh hưởng của thời gian đến sự phát triển của S.

aureus (a) không thêm và (b) có thêm Ag/rGO3 với nồng độ 400 pe g/mL, .1 1: Kết qua thử nghiệm đếm khuẩn lạc đối với S. aureus ủ trong 720 phút ở 37°C khi (a) không có và (b) có Ag/rGO3 ở nồng độ 400 g/mLL,.12: Ảnh hưởng của pH đến khả năng kháng khuẩn P.13: Ảnh hưởng của pH đến khả năng kháng khuẩn S. 58 XI DANH MỤC BANG Bảng 1.1: Một số phương pháp tổng hợp GO,.2: Sự khác biệt giữa của Ge và rGO [8 ,]'Ø]. << -cc S399 11 vn 8 Bang 1.3: Phan biét khuẩn Gram âm va Gram dương [36 |.1: Các hóa chất sử dụng .2: Thành phan khối lượng các chất sử dụng tong vật liệu Ag/rGO.3: Thành phan khối lượng các chất sử dụng pha dung dịch đệm dùng điều chỉnh DH DD.1: Kích thước hat trung bình của AgNPs tính theo công thức Scherrer .2: Ti lệ Ip/Ilc của các vat liệu GO, rGO, và Ag/T).3: Kích thước AgNDS.4: Diện tích bề mặt riêng theo BET của rGO, và Ag/rGO với các tỉ lệ GO:AgNOa KHAC NNAU 0000 PHẳỎ.5: Giá tri MIC va MBC của các vật lIỆU.

(SH ng g 51 Bang 3.6: So sánh giá tri MIC va MBC .7: Số khuẩn lạc trên đĩa thạch sau những khoảng thời gian ủ khác nhau.8: Anh hưởng của nông độ đệm đến kha năng phát triển của vi khuẩn. 56 XI DANH MỤC CÁC TỪ VIET TAT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Gi Graphite GiO Graphite oxide Graphite oxit GO Graphene oxide Graphene oxit rGO Reduced graphene oxit Graphene oxit dang khu Ge Graphene Graphene AgNPs Silver nanoparticles Nano bac Ag/rGO Silver/reduced graphene oxide Bac/graphene oxit dang khu MIC Minimal inhibitory concentration Nong độ ức chế tối thiểu MBC Minimum bactericidal concentration Nông độ tiêu diệt tối thiểu ICso Inhibitor concentration Nong độ ức chế 50% sự phát triển của vi khuân XRD X-ray diffraction Nhiéu xa tia X FTIR Fourier transform infrared Phố hồng ngoại chuyển hóa spectroscopy Fourier TEM Transmission electron microscopy Kính hién vi điện tử truyền qua BET Brunauer — Emnet — Teller Dién tich bé mat riéng ROS Rective oxygen species Phan tir oxy hoat héa CVD Chemical vapor deposition Lang dong hoi héa hoc LAA L_-ascorbic acid Vitamin C Xiil MỞ DAU Các vật liệu trên cơ sở graphene là vật liệu mới với những đặc tính ưu việt như: cau trúc nano hai chiều, bề dày dưới 1 nm, và diện tích bề mặt riêng lớn. Các vật liệu này được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: vật liệu kháng khuẩn, chất hấp phụ xử lý môi trường, pin mặt trời, cảm bién. Trong đó, vat liệu graphene oxit dạng khử (reduced graphene oxide — rGO) ứng dụng trong kháng khuẩn đã và đang thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu.

Nhờ vào các cạnh sắc bén và diện tích bề mặt lớn, các tam rGO có thé dé dàng bao lấy và cat thành tế bào; ức chế sự phát triển và gây chết vi khuẩn. Vật liệu rGO được định hướng kết hợp với các hat nano kim loại để tạo ra vật liệu nanocomposite nhằm nâng cao hiệu quả kháng khuẩn. Trong các nano kim loại, bạc có khả năng kháng khuẩn tốt và không độc hại đối với con người ở nông độ thấp. Sự kết hợp giữa vật liệu truyền thống (nano bạc) va vật liệu hiện đại (rGO) có thé tạo ra vật liệu nanocomposite mới với kha năng kháng khuẩn cao hơn các vật liệu tiền chất.

Đông thời, một số nghiên cứu cho thay vật liệu Ag/rGO có khả năng tương thích sinh học cao. Vì vậy, luận văn này được nghiên cứu với tên đề tài là: “Tổng hop va thử nghiệm khả năng kháng khuẩn của vật liệu nanocomposite bac/graphene oxit dạng khử”. CHUONG 1: TONG QUAN 1. Graphite Graphite (Gi) là một tinh thé ba chiều, cau trúc đa lớp, các đơn lớp liên kết với nhau bang lực tương tác yếu Van der Waals với khoảng cách giữa các lớp khoảng 0,34 nm như thể hiện ở hình 1.

I Van der Waals, Cacbon Trên mỗi đơn lớp của Gi, các nguyên tử cacbon liên kết với nhau tạo ra cau trúc lục giác dạng tổ ong. Trong đó, cứ một nguyên tử cacbon lai hóa sp” liên kết với ba nguyên tử cacbon khác đồng phăng với độ dài liên kết khoảng 0,142 nm, và tao góc liên kết 120° [1,2]. Gi thường được tim thay trong tự nhiên với trữ lượng khá lớn, là một khoáng chat có mau đen bóng. Gi được dùng làm điện cực, chất bôi trơn, vật liệu chịu lửa, chất hấp phụ.

Các ứng dụng dựa vào sự tương tác của Gi với môi trường tiếp xúc như vận chuyền điện tử trên bề mặt Gi — lỏng, liên kết với mạng lưới polyme, hấp phụ các phân tử pha khí hoặc lỏng, chong ma sát bề mặt răn,. Gi sử dụng trong quá trình sản xuât nôi tinh luyện vàng, đê bảo vệ sat khỏi ri sét, trộn với dâu mỡ đề bôi trơn máy móc, và sản xuât bút chì [3]. Hiện nay, Gi còn được dùng làm tiên chat cho quá trình tông hợp graphene và các vật liệu trên cơ sở graphene như: graphene oxit, graphene oxit dạng khử, và các vật liệu nanocomposite. Cau triic Gi bị oxy hóa, các nhóm chức chứa oxy được hình thành va chèm vào giữa các đơn lớp trong cấu trúc Gi giúp nâng rộng khoảng cách giữa các lớp.

Sản phẩm của quá trình oxy hóa Gi được gọi là graphite oxit (GiO). Graphene oxit (GO) được tạo ra từ quá trình tách lớp GiO. GO có cau trúc nano hai chiều (2D), với chiều dày bằng một nguyên tử cacbon. Theo các nghiên cứu gan đây, cấu trúc của GO được mô ta theo mô hình Lerf — Klinowski như thé hiện ở hình 1.

Trên bề mặt và các cạnh, GO có chứa những nhóm có oxy như là epoxide (—O-), hydroxyl (COH), carboxylic (-COOH) và carbonyl (CC=O). Các nhóm chức nay có tinh phân cực giúp cho GO có kha năng phân tán tốt trong nước [5]. Phương pháp tổng hợp Một số phương pháp sử dụng để tổng hợp GO được liệt kê trong bảng 1.1: Một số phương pháp tổng hợp GO Phương pháp Brodie Staudenmaier Hummers Hummers cai tién Nam 1859 1898 1958 2010 KCIO3, NaClO3 NaNO3 KMnO«g Tác nhân KCIOs3, HNO3 KMnQ4 H2SO4 oxy hóa HNO3 H2SO4 H2SO.a H3PO4 Thời gian 96 giờ 96 giờ 4 giờ 12 giờ phản ứng 1. Phương pháp Brodie Phương pháp Brodie được công bố vào năm 1859, là phương pháp đầu tiên tong hợp GO sử dụng axit HNO: bốc khói và KCIO3 vừa có tác dụng chèn vào giữa các lớp Gi vừa là tác nhân oxy hóa Gi [8].