TÌM HIỂU PHỤ GIA CHỐNG VI SINH VẬT CHO POLYMER – NANO BẠC

Dưới tác dụng của các Ion bạc, tế bào của hơn 650 loại vi khuẩn bị phá hủy và tiêu diệt, ngoài ra nano bạc còn có tính năng ngăn mùi hôi.Nano bạc có đặc tính kháng khuẩn và ngăn ngừa vi

LỜI MỞ ĐẦU

Trong công nghệ polymer phụ gia là những chất được đưa vào với hàm lượng nhỏ nhưng rất quan trọng Khi có mặt của phụ gia những tính chất tốt của vật liệu được cải thiện đồng thời cũng hạn chế đến mức thấp nhất các tính chất không mong muốn Phụ gia không chỉ hỗ trợ cho quá trình tổng hợp gia công mà nó còn có tác dụng bảo vệ vật liệu chống lại các tác nhân phá hủy trong quá trình sử dụng Trong đó có các loại phụ gia như: phụ gia chống oxy, phụ gia chống lão hóa, và đặc biệt là phụ gia chống vi sinh vật cho polymer Nhiều loại phụ gia chống vi sinh vật có nguồn gốc hữu cơ, vô cơ được nghiên cứu, phát triển và sử dụng trong công nghệ polymer như: như arsine, isothiazolinones, Cl phenol, bạc, Zn Sử dụng các loại phụ gia này thì polymer có khả năng chống lại nấm mốc, rêu, vi khuẩn phát triển trên bề mặt Yêu cầu khi sử dụng các loại phụ gia này là phải an toàn, không độc với con người và môi trường Và nano bạc là một trong những phụ gia có thể đáp ứng được yêu cầu này

Sử dụng bạc để ngăn ngừa nhiễm khuẩn đã biết từ thời Hy Lạp và La Mã cổ đại Thời trung cổ, bạc đã được dùng để khử trùng nước và thức ăn lưu trữ, điều trị bỏng và vết thương Đầu những năm 1900, mọi người thường bỏ đồng tiền bạc vào trong bình sữa

để giữ cho sữa tươi lâu Năm 1920, dung dịch muối bạc được FDA (Food and Drug Administration của Hoa Kỳ) chấp thuận cho sử dụng làm chất kháng khuẩn Ngày nay, nhiều loại gạc chứa bạc đã được thương mại hóa và sử dụng rộng rãi để điều trị vết thương trong bệnh viện

Nano bạc là chất được xem như là “dung dịch bạc” được khai thác và phát triển bằng công nghệ tiên tiến hàng đầu mang nguyên lý kháng khuẩn, tiệt trùng siêu mạnh Dưới tác dụng của các Ion bạc, tế bào của hơn 650 loại vi khuẩn bị phá hủy và tiêu diệt, ngoài ra nano bạc còn có tính năng ngăn mùi hôi.Nano bạc có đặc tính kháng khuẩn và ngăn ngừa vi khuẩn phát sinh tới 99,99%, ích lợi hơn gấp nhiều lần so với các sản phẩm kháng khuẩn khác

Nội dung của tiểu luận này ta sẽ tìm hiểu về các tính chất, cơ chế diệt khuẩn, các phương pháp điều chế cũng như các ứng dụng của nano bạc

PHẦN 1

TÍNH CHẤT CỦA NANO BẠC

1.1 Giới thiệu về hạt nano bạc

Cấu hình electron của bạc: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1

Bán kính nguyên tử Ag: 0,288 nm

Bán kính ion bạc: 0,23 nm

Bạc là chất rắn có màu ánh bạc hay ánh xám sáng Nhưng khi ở kích thước dưới 20nm, thì nó lại có ánh vàng

Hạt nano bạc là các hạt bạc có kích thước từ 1nm đến 100nm Do có diện tích bề mặt

lớn nên hạt nano bạc có khả năng kháng khuẩn tốt hơn so với các vật liệu khối do khả năng giải phóng nhiều ion Ag+ hơn

Các hạt nano bạc có hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt Hiện tượng này tạo nên màu sắc từ vàng nhạt đến đen cho các dung dịch có chứa hạt nano bạc với các màu sắc phụ thuộc vào nồng độ và kích thước hạt nano

Kích thước của hạt nano Ag (nm) Số nguyên tử chứa trong đó

Bảng 1: Số nguyên tử bạc trong một đơn vị thể tích

1.2 Một số tính chất đặc trƣng của nano bạc

- Vì nano bạc ở trạng thái keo không phải dạng ion như thường gặp, mà tồn tại ở dạng bạc nguyên tố nên không bị thất thoát trong khi chùi rửa Trong khi ứng dụng sản phẩm chỉ cần một phần bạc rất nhỏ để kháng khuẩn Khả năng kháng khuẩn có tác dụng suốt quá trình sử dụng sản phẩm

- Ứng dụng của nano bạc vào sản phẩm ở nồng độ rất thấp, không có hại cho sức khỏe con người với liều lượng tương đối cao, không có phụ gia hóa chất

- Như đã nói, sản phẩm có chứa nano bạc được đưa vào sản phẩm qua quy trình nóng chảy của nhựa, điều khiến sự thất thoát qua sự chà sát (vật lý) không thể xảy ra Mọi tác động chà sát bào mòn gây thất thoát ở cấp độ lớn hơn cấp nano

- Nano bạc ở dạng keo có tính chất làm ảnh hưởng đến màu sắc của sản phẩm Ví dụ: sản phẩm trắng trong sẽ trở nên hơi có màu beige, trắng tự nhiên, hoặc màu như rượu champagne Đối với các màu vàng, cam, xanh nhạt, thì không bị ảnh hưởng Có thể xảy

ra hiện tượng màu cơ bản bị biến đổi, tuy nhiên không nhất thiết phải xảy ra hiện tượng này Bù lại sản phẩm sẽ không bị vàng ố, tức là không có sự thay đổi màu qua ánh sáng hoặc qua các quy trình giặt giũ,

- Phụ thuộc vào diện tích lớn của các sản phẩm sợi như micro fiber chúng ta cần cho mỗi sản phẩm những thông số khác nhau, tuy nhiên hàm lượng nano bạc sẽ vẫn thấp hơn 0,05 – 0,5 phần nghìn Đối với các thùng chứa, chai, bình, thông số lại hoàn toàn khác hẳn Nồng độ nano bạc từ 0,2 – 0,5 phần nghìn là chuẩn, tuy nhiên vẫn còn phụ thuộc các yếu tố sản xuất khác

- Tính khử khuẩn, chống nấm, khử mùi, có khả năng phát xạ tia hồng ngoại đi xa, chống tĩnh

- Có khả năng phân tán ổn định trong các loại dung môi khác nhau (trong các dung môi phân cực như nước và trong các dung môi không phân cực như benzene, toluene)

- Độ bền hóa học cao, không bị biến đổi dưới tác dụng của ánh sáng và các tác nhân oxy hóa khử thông thường

- Chi phí cho quá trình sản xuất thấp

- Ổn định ở nhiệt độ cao

1.3 Đặc tính kháng khuẩn của bạc

Bạc và các hợp chất của bạc thể hiện tính độc đối với vi khuẩn, virus, tảo và nấm Tuy nhiên, khác với các kim loại nặng khác (chì, thủy ngân…) bạc không thể hiện tính độc với con người

Từ xa xưa, người ta đã sử dụng đặc tính này của bạc để phòng bệnh Người cổ đại

sử dụng các bình bằng bạc để lưu trữ nước, rượu dấm Trong thế kỷ 20, người ta thường đặt một đồng bạc trong chai sữa để kéo dài độ tươi của sữa Bạc và các hợp chất của bạc

được sử dụng rộng rãi từ đầu thế kỷ XIX đến giữa thế kỷ XX để điều trị các vết bỏng và khử trùng

Sau khi thuốc kháng sinh được phát minh và đưa vào ứng dụng với hiệu quả cao người ta không còn quan tâm đến tác dụng kháng khuẩn của bạc nữa Tuy nhiên, từ những năm gần đây, do hiện tượng các chủng vi sinh ngày càng trở nên kháng thuốc, người ta lại quan tâm trở lại đối với việc ứng dụng khả năng diệt khuẩn và các ứng dụng khác của bạc, đặc biệt là dưới dạng hạt có kích thước nano

1.4 Ảnh hưởng của nano bạc đến sức khoẻ con người

Về ảnh hưởng của nano bạc đến sức khoẻ con người, các nhà khoa học cho rằng nano bạc có khả năng diệt vi khuẩn, mà tiêu hóa của con nguời có được là do các vi khuẩn có lợi cho cơ thể và vì thế, họ vẫn nghi ngờ rằng các hạt nano bạc cũng có thể diệt các vi khuẩn này và ảnh hưởng đến sức khoẻ Tuy nhiên cho đến nay chưa thấy công trình nào công bố sự tác hại của nano bạc Các nghiên cứu tại Odense Universitets Hospital cũng đã chứng minh rằng các hạt nano bạc được hấp thu vào trong cơ thể mà không hề gây ra một tác dụng phụ nào cũng như gây độc cho cơ thể Các nhà khoa học còn chứng minh các hạt nano bạc sẽ được giải phóng ra khỏi cơ thể theo thời gian Các hãng sản xuất những sản phẩm chứa nano bạc chẳng hạn như Samsung phát biểu rằng các sản phẩm của họ đều được thử nghiệm và cho đến nay họ vẫn khẳng định tính an toàn của nó đối với sức khoẻ của người sử dụng

PHẦN 2

CƠ CHẾ DIỆT KHUẨN CỦA NANO BẠC

Bạc nano là những hạt bạc có kích thước nằm trong khoảng 0,1 – 100nm Bạc

nano thường ở dưới dạng các dung dịch keo với các chất bảo vệ là các polymer (polyvinylalcol PVA, polyethylenglycol PEG, polyvinyl pyrolidone PVP) để các hạt nano bạc không bị kết tụ Bạc ở kích thước nano có những đặc trưng rất khác so với bạc bình thường Đó là một kháng sinh tự nhiên và rất mạnh, có khả năng phòng ngừa nhiều bệnh truyền nhiễm Nhìn chung, nano bạc có những đặc điểm đáng quan tâm sau đây:

• Diệt trên 650 loại vi khuẩn

• Hiệu quả cao

• Tác dụng nhanh

• Không độc

• Không kích thích

• Không gây dị ứng

Tính kháng khuẩn của nano bạc được giải thích theo một số cơ chế sau:

- Các đặc tính kháng khuẩn của bạc bắt nguồn từ tính chất hóa học của các ion Ag+

Ion này có khả năng liên kết mạnh với peptidoglican, thành phần cấu tạo nên thành tế bào của vi khuẩn và ức chế khả năng vận chuyển oxy vào bên trong tế bào dẫn đến làm tê liệt

vi khuẩn Nếu các ion bạc được lấy ra khỏi tế bào ngay sau đó, khả năng hoặt động của vi khuẩn lại có thể được phục hồi Do động vật không có thành tế bào, vì vậy chúng ta không bị tổn thương khi tiếp xúc với các ion này

- Với tính chất xúc tác, nano bạc vô hiệu hoá các enzyme mà vi khuẩn và nấm cần cho quá trình trao đổi chất của tế bào dẫn đến rối loạn quá trình biến dưỡng của vi khuẩn Tác động này làm cho vi khuẩn bị tiêu diệt nhanh chóng

- Hạt nano bạc liên kết với các nhóm chứa phospho trong phân tử DNA làm rối loạn quá trình sao chép DNA làm chết vi khuẩn

Hình 1: Tác động của ion bạc bẻ gãy DNA của vi khuẩn

- Các hạt nano bac tương tác với nhóm -SH của các protein, enzyme trên màng tế bào dẫn đến sự thay đổi hình thái và gia tăng tính thấm của màng Sự vận chuyển vật chất qua màng tăng làm vỡ màng tế bào của vi khuẩn

- Nano bạc giúp tạo ra các oxyen hoạt tính từ trong nước hoặc không khí tương tác với các lipid màng làm tổn thương màng

Hình 2: Cơ chế diệt khuẩn của bạc

Nhờ có kích thước rất nhỏ (0,1nm – 100nm), diện tích bề mặt tổng cộng của bạc

nano rất lớn và hiệu quả hoạt động của bạc nano tăng đáng kể so với hạt bạc có kích thước lớn hơn (micro) Đây là ưu điểm của hạt nano bạc so với hạt bạc có kích thước lớn hơn và với ion Theo tính toán lý thuyết bạc nano có hoạt tính mạnh hơn ít nhất 40 lần trên mỗi đơn vị bạc so những dung dịch keo bạc thông thường Vì vậy, người ta có thể sử dụng ít bạc hơn để đạt được hiệu quả tương đương Điều này rất có ý nghĩa vì theo EPA (Environmental Protection Agency), một người chỉ có thể dùng tối đa 350 µg/liều dùng mỗi ngày, nếu nhiều hơn sẽ bị hiện tượng Argyria hay còn gọi là trúng độc bạc Nếu dùng

1 – 2 muỗng càphê/ngày (20 ppm) tương đương 100 – 200 µg/ngày (thấp hơn so với khuyến cáo của EPA về hàm lượng bạc trong nguồn nước cung cấp ở Mỹ), ta sẽ có hiệu quả phòng bệnh rất tốt Điều này đảm bảo cho người dùng có thể sử dụng nano bạc như một chất bổ sung trong bữa ăn hay trong nước uống mà không bị hiện tượng Argyria

PHẦN 3

PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP NANO BẠC

Có hai phương pháp để tạo vật liệu nano, phương pháp từ dưới lên và phương pháp từ trên xuống Phương pháp từ dưới lên là tạo hạt nano từ các ion hoặc các nguyên

tử kết hợp lại với nhau Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo vật liệu nano từ vật liệu khối ban đầu

Đối với hạt nano kim loại như hạt nano vàng, bạc, bạch kim, thì phương pháp thường được áp dụng là phương pháp từ dưới lên Nguyên tắc là khử các ion kim loại như Ag+, Au+ để tạo thành các nguyên tử Ag và Au Các nguyên tử sẽ liên kết với nhau tạo ra hạt nano Các phương pháp từ trên xuống ít được dùng hơn nhưng thời gian gần đây đã có những bước tiến trong việc nghiên cứu theo phương pháp này

3.1 Phương pháp ăn mòn laser

Đây là phương pháp từ trên xuống Vật liệu ban đầu là một tấm bạc được đặt trong một dung dịch có chứa chất hoạt động bề mặt Một chùm laser xung có bước sóng 532

nm, độ rộng xung 10 ns, tần số 10 Hz, năng lượng mỗi xung là 90 mJ, đường kính vùng

kim loại bị tác dụng là 1 – 3mm Dưới tác dụng của chùm laser xung, các hạt nano có kích thước khoảng 10nm được hình thành và được bao phủ bởi chất hoạt động bề mặt

CnH2n+1SO4Na với n = 8; 10; 12; 14 có nồng độ từ 0,001M đến 0,1M

3.2 Phương pháp khử vật lý

Phương pháp này sử dụng các tác nhân vật lý như điện tử, sóng điện từ năng lượng cao như tia gamma, tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia laser, tia UV để khử ion Ag+ thành nguyên tử Ag

Dung dịch muối bạc không có thêm chất phụ gia nào khác có thể được chiếu bằng phương pháp chiếu xạ với bức xạ năng lượng cao, quá trình này tạo ra các electron hydrate hóa và hydro nguyên tử có khả năng khử bạc ion

Một thí dụ sử dụng phương pháp vật lý để chế tạo hạt nano bạc là dùng các tia laser xung có bước sống 500nm, độ dài xung 6sn, tần số 10Hz công suất 12-14mJ chiếu vào dung dịch AgNO3 như là nguồn kim loại và sodium dodecyl sulfate (SDS) như chất hoạt động bề mặt để thu được hạt nano bạc Kích thước của hạt nano Ag tạo ra bằng phương pháp laser phụ thuộc vào chiều dài bước sóng và cường độ của laser Phương pháp khử vật lý đơn giản hơn phương pháp khử hóa học, tuy nhiên để tạo tác nhân vật lý cần thiết

bị hiện đại và đắt tiền

3.3 Phương pháp khử hóa lý

Đây là phương pháp trung gian giữa hóa học và vật lý Nguyên lý là dùng phương pháp điện phân kết hợp với sóng siêu âm để tạo hạt nano Phương pháp điện phân thông thường chỉ có thể tạo được màng mỏng kim loại Trước khi xảy ra sự hình thành màng, các nguyên tử kim loại sau khi được điện hóa sẽ tạo các hạt nano bám lên điện cực âm Lúc này người ta tác dụng một xung siêu âm đồng bộ với xung điện phân thì hạt nano kim loại sẽ rời khỏi điện cực và đi vào dung dịch

3.4 Phương pháp khử sinh học

Phương pháp sinh học sử dụng các tác nhân như vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm có khả năng khử ion bạc tạo nguyên tử bạc kim loại

Từ lâu người ta đã biết các vi sinh vật như vi khuẩn, nấm men, nấm mốc giữ vai trò quan trọng trong việc xử lý các độc tố kim loại nhờ khả năng khử các ion kim loại Sastry

và cộng sự đã nhận thấy có sự hình thành các hạt nano vàng khi cho loài nấm Verticillum

sp tiếp xúc với ion vàng Klaus và cộng sự cũng đã chứng minh được có sự hiện của nano bạc trong vùng chu chất của Pseudomonas stutzeri AG259 khi cho vi khuẩn này tiếp xúc với dung dịch bạc nitrate Tuy nhiên việc áp dụng đặc tính khử kim loại để biến vi sinh vật thành các nhà máy sản xuất các hạt nano kim loại chỉ mới được quan tâm đến trong thời gian gần đây

Phương pháp này có nhiều ưu điểm như: thiết bị nuôi cấy đơn giản, môi trường nuôi cấy rẻ tiền, không phụ thuộc nhiều vào hóa chất và thiết bị đắt tiền, dễ thực hiện, thân thiện với môi trường do không sử dụng các hóa chất độc hại Ngoài ra nó có thể áp dụng với quy mô sản xuất lớn mà chi phí đầu tư ban đầu lại rất thấp Vì vậy, các nhà nghiên

cứu ngày càng quan tâm đến các phương pháp sinh tổng hợp Phương pháp sinh tổng hợp tạo ra các hạt nano bạc có độ phân bố khá đồng đều và có khả năng sản xuất với qui mô lớn do các hạt được ổn định ngay trong quy trình sản xuất bởi các protein

3.5 Phương pháp khử hóa học

Trong phương pháp này, các tác nhân hóa học được sử dụng để khử ion bạc tạo thành bạc kim loại

Trong phương pháp này, ion Ag+ dưới tác dụng của chất khử sẽ tạo ra nguyên tử

Ag0, sau đó các nguyên tử này kết hợp với nhau tạo thành các hạt bạc có kích thước nano Các tác nhân hóa học có thể sử dụng là: NaBH4, sodium citrate, citric acid, EDTA, ethanol, ethylene glycol, hydrogen, hydrogen peroxid, hydroxylamine, hydrazine, formaldehyde và các dẫn xuất của nó,

Để các hạt phân tán tốt trong dung môi mà không bị kết tụ thành đám, người ta sử dụng phương pháp tĩnh điện để làm cho bề mặt các hạt nano có cùng điện tích và đẩy nhau hoặc dùng phương pháp bao bọc chất hoạt động bề mặt Phương pháp tĩnh điện đơn giản nhưng bị giới hạn bởi một số chất khử Phương pháp bao phủ phức tạp nhưng vạn năng hơn, hơn nữa phương pháp này có thể làm cho bề mặt hạt nano có các tính chất cần thiết cho các ứng dụng Các hạt nano Ag, Au, Pt, Pd, Rh với kích thước từ 10 đến 100 nm

có thể được chế tạo từ phương pháp này

Sau đây quy trình điều chế dung dịch nano bạc sử dụng kỹ thuật khử hóa học với bức xạ UV kích thích

3.5.1 Hóa chất thí nghiệm sử dụng

AgNO3 (bạc nitrat): Độ tinh khiết 99%, NaOH (natri hydroxyt), NH4OH (amoni hydroxyt), C6H12O6 (đường glucozo), C17H33COOH (axit oleic)

Axit oleic có công thức cấu tạo: CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH là chất không màu, không mùi, không vị, nóng chảy ở 140C Khi thủy phân chất béo người ta thu được cả axit oleic cùng với các loại axit no và không no khác