Nghiên cứu điều chế dung dịch keo nanocomposit từ AgNP và chitosan ứng dụng làm vật liệu kháng khuẩn

Vì vậy, việc sử dụng polyme sinh học để làm chất khử, chất làm bền và môi trường phân tán là một hướng nghiên cứu mới trong điều chế AgNP, ứng dụng trong công nghệ sản xuất mỹ phẩm và cá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

LÊ VĂN TRÍ

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH KEO NANOCOMPOSIT TỪ AgNP VÀ CHITOSAN ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU KHÁNG KHUẨN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Đà Nẵng – Năm 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

LÊ VĂN TRÍ

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH KEO NANOCOMPOSIT TỪ AgNP VÀ CHITOSAN ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU KHÁNG KHUẨN

Chuyên ngành: Hóa hữu cơ

Mã số: 60 44 01 14

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Bá Trung

Đà Nẵng – Năm 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng

đư c ai công ố trong t k công trình nào khác

Tác giả luận văn

Lê Văn Trí

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Nội dung nghiên cứu 3

6 Ý nghĩa của đề tài 4

7 Cấu trúc luận văn 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN LÍ THUYẾT 6

1.1.TỔNGQUANVỀBỎNG 6

1.1.1 Khái niệm bỏng 6

1.1.2 Các triệu chứng bỏng 6

1.1.3 Phân loại bỏng: Bỏng được phân loại theo độ sâu thành 3 độ 6

1.1.4 Nguyên nhân gây bỏng 7

1.1.5 Tại sao vết thương do bỏng lại rất nguy hiểm? 8

1.1.6 Biểu hiện nhiễm khuẩn vết bỏng 8

1.1.7 Phương pháp điều trị bỏng 9

1.2 TỔNG QUAN VỀ CHITOSAN 10

1.2.1 Khái niệm chitosan 10

1.2.2 Cấu trúc hóa học chitosan 10

1.2.3 Các tính chất của chitosan 11

1.2.4 Khái niệm chitosan hòa tan trong nước(WSC) 13

1.2.5 Cấu trúc hóa học của WSC 13

1.2.6 Tính chất của WSC 14

1.2.7 Phương pháp điều chế WSC 14

1.2.8 Ứng dụng của chitosan và WSC 15

1.3 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ NANO 22

1.3.1 LỊch sử hình thành của công nghệ nano 22

1.3.2 Cơ sở khoa học 23

1.3.3 Các nghiên cứu về hạt nano trong và ngoài nước 24

1.3.4 Ứng dụng của công nghệ nano trong sinh học và y học 26

1.4 TỔNG QUAN VỀ NANO BẠC 26

1.4.1 Giới thiệu về kim loại bạc 26

1.4.2 Tính chất của nano bạc 27

1.4.3 Các phương pháp chế tạo hạt nano bạc 31

1.4.4 Tính chất diệt khuẩn của hạt nano bạc 34

1.4.5 Ứng dụng của nano bạc 40

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 45

2.1 ĐIỀU CHẾ CHITOSAN HÒA TAN 45

2.1.1 Hóa chất thí nghiệm sử dụng 45

2.1.2 Dụng cụ 45

2.1.3 Quy trình điều chế WSC 46

2.2 ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH KEO AGNP/WSC 48

2.2.1 Hóa chất thí nghiệm sử dụng 48

2.2.2 Quy trình tổng hợp dung dịch keo và màng AgNP/Chitosan hòa tan 48

2.3 PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TRƯNG VẬT LÍ, HÓA HỌC, SINH HỌC CỦA SẢN PHẨM AGNP/WSC 51

2.3.1 Đặc trưng cộng hưởng plasmon của hạt keo AgNP 51

2.3.2 Phân tích cấu trúc tinh thể của hạt keo AgNP 52

2.3.3 Phân tích xác định kích thước và hình thái bề mặt bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 52

2.3.4 Phân tích đặc trưng cấu trúc của sảm phẩm chitosan và

AgNP-WSC 52

2.3.5 Phân tích xác định thành phần 53

2.4 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG KHÁNG KHUẨN CỦA MÀNG AGNP-WSC 53

2.4.1 Chuẩn bị môi trường nuôi cấy vi khuẩn 53

2.4.2 Đánh giá khả năng kháng khuẩn 54

2.5 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TRỊ BỎNG CỦA VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 56

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 57

3.1 ĐIỀU CHẾ CHITOSAN HÒA TAN 57

3.2 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HÒA TAN CỦA WSC ĐÃ ĐIỀU CHẾ 61

3.3 PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA CHITOSAN HÒA TAN 61

3.4 TỔNG HỢP DUNG DỊCH KEO AGNP -WSC 62

3.4.1 Ảnh hưởng của thời gian 63

3.4.2 Ảnh hưởng của pH 64

3.4.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ 65

3.5 PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA SẢN PHẨM 67

3.5.1 Đặc trưng về kích thước của AgNP đã tổng hợp 67

3.5.2 Phân tích đặc trưng về cấu trúc của AgNP đã tổng hợp 68

3.5.3 Đặc trưng cấu trúc của vật liệu AgNP-WSC 69

3.6 KHẢ NĂNG KHÁNG KHUẨN CỦA MÀNG AGNP - WSC 70

3.7 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ĐIỀU TRỊ BỎNG CỦA TỔ HỢP VẬT LIỆU AGNP-WSC 71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (bản sao)

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 Các ký hiệu

 : Dao động hóa trị

δ : Dao động biến dạng h% : Hiệu suất điều chế chitosan (%)

tnc : Nhiệt độ nóng chảy (oC)

2 Các chữ viết tắt

AgNP : Nano bạc Ag-SD : Bạc sunfađiazin

BC : Bacterial Cellulose DDA : Ðộ đeaxetyl

EDX : Phổ tán sắc năng lượng tia X

IR : Phổ hồng ngoại PMN : Bạch cầu trung tính PVP : Polyvinyl pyrolidone TEM : Kính hiển vi điện tử truyền qua

UV – Vis: Phổ hấp thụ phân tử XRD : Phương pháp nhiễu xạ tia X WSC : Chitosan hòa tan trong nước

DANH MỤC BẢNG BIỂU

2.1 Danh sách các hóa chất sử dụng nghiên cứu 45 3.1 Phương án sắp xếp thí nghiệm theo ma trận quy hoạch

thực nghiệm mở rộng

58

3.2 Kết quả tối ưu hóa thực nghiệm theo đường dốc nhất 60

DANH MỤC HÌNH VẼ

1.1 Công thức cấu tạo của chitosan 11

1.3 Công thức cấu tạo của WSC 13 1.4 Chitosan hòa tan trong nước 14 1.5 Tác động của ion bạc lên vi khuẩn 35 1.6 Ion bạc vô hiệu hóa enzym chuyển hóa oxy của vi

1.9 Minh họa sự hoạt động của các ion bạc, ngăn ngừa sự

phát triển của các vi khuẩn

42

3.1 a) WSC được điều chế ở dạng rắn 61

b) WSC được hòa tan trong nước 61 3.2 Phổ IR của WSC điều chế và chitosan đối chứng 62 3.3 Dung dịch keo AgNP-WSC đã tổng hợp 63 3.4 Đặc trưng cộng hưởng plasmon bề mặt của AgNP được

tổng hợp từ dung dịch AgNO3 với tác nhân khử WSC

ở các thời gian phản ứng khác nhau

64

3.5 Đặc trưng cộng hưởng plasmon bề mặt của AgNP được

tổng hợp từ dung dịch AgNO3 với tác nhân khử WSC

ở các giá trị pH khác nhau

64

3.6 Mẫu sản phẩm AgNP-WSC được tổng hợp ở các nhiệt 66

độ khác nhau

3.7 Đặc trưng cộng hưởng plasmon bề mặt của AgNP được

tổng hợp từ dung dịch AgNO3 với tác nhân khử WSC

ở các giá trị nhiệt độ khác nhau

66

3.8 Ảnh chụp TEM của dung dịch keo AgNP đã được tổng

hợp ở điều kiện tối ưu Phản ứng được thực hiện ở

70oC trong môi trường trung tính với thời gian đun

3.10 Phổ IR ghi ở nhiệt độ phòng của mẫu WSC và

AgNP-WSC được điều chế ứng với nồng độ ion bạc ban đầu

là 100 ppm

70

3.11 Kháng khuẩn đồ của màng AgNP-chitosan sau 24 giờ

ủ: (A) WSC 1%; (B) màng AgNP-WSC; (C) dung dịch

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Bạc và hợp chất của nó được biết đến có khả năng kháng khuẩn cao và

đã được sử dụng làm chất kháng khuẩn trong dược học Vì vậy, trong những năm gần đây, các sản phẩm liên quan đến chăm sóc y tế có sử dụng bạc làm chất kháng khuẩn đã được Bộ Quản lí thực phẩm và dược phẩm Mĩ (FDA) và

Tổ chức an toàn thực phẩm châu Âu (EFSA) công nhận và cho phép sử dụng trong sản xuất sản phẩm chăm sóc sức khoẻ và mỹ phẩm

Khả năng kháng khuẩn của AgNP lớn hơn nhiều so với bạc khối do có bề mặt riêng lớn, tỉ lệ bạc nguyên tử trên bề mặt cao, vì vậy chúng dễ dàng xâm nhập vào bên trong màng tế bào, ức chế sự phát triển và tiêu diệt tế bào chủ

Đã có nhiều phương pháp khác nhau được thực hiện để điều chế AgNP trên nguyên tắc chung là khử ion bạc thành tập hợp AgNP Các chất khử được sử dụng phổ biến là hydrazine hydrate, sodium borohydride, N,N-dimethylformamide, ethylene glycol Tuy nhiên, sự tồn lưu của các chất khử này trên bề mặt của sản phẩm AgNP gây ra mối lo ngại về độc tính đối với người sử dụng Ngoài ra, AgNP điều chế từ các chất khử này thường không bền về tập hợp, chúng dễ dàng ngưng kết để tạo thành hạt bạc có kích thước lớn, làm giảm đi rất nhiều tính chất quý vốn có của AgNP ban đầu Vì lí do này, người ta thường phải thêm vào các chất làm bền để duy trì trạng thái phân tán nano của bạc tạo thành

Vật liệu polyme sinh học ưa nước là môi trường phân tán lí tưởng cho AgNP và không độc tính Vì vậy, việc sử dụng polyme sinh học để làm chất khử, chất làm bền và môi trường phân tán là một hướng nghiên cứu mới trong điều chế AgNP, ứng dụng trong công nghệ sản xuất mỹ phẩm và các sản phẩm kháng khuẩn Trong số các polyme sinh học, chitosan - poly(β-(1-4)-2-

amino-2-deoxy-D-glucose) - được chú ý không chỉ vì khả năng kháng khuẩn rộng đối với nhiều chủng vi khuẩn mà còn khả năng làm lành vết thương và ngăn tạo sẹo Với mục tiêu điều chế màng kháng khuẩn nanocomposit có kích thước hạt nano bé, đồng nhất và phân tán tốt trong nền polymer có hoạt tính sinh học, chúng tôi sử dụng chitosan để làm tác nhân khử và môi trường phân tán cho AgNP tạo thành Đó cũng là lí do chọn đề tài nghiên cứu: “Nghiên

cứu điều chế dung dịch keo nanocomposit từ AgNP và chitosan ứng dụng làm vật liệu kháng khuẩn”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Điều chế và khảo sát tính năng kháng khuẩn của màng chitosan có hàm lượng AgNP phân tán cao dùng làm vật liệu kháng khuẩn

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Dung dịch AgNP và chitosan

- Thỏ có độ tuổi từ 6 – 12 tháng

3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu, khảo sát các điều kiện để tổng hợp chitosan hoà tan

- Nghiên cứu điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp AgNP từ chất đầu AgNO3 với chất khử chitosan/chitosan hòa tan

- Khảo sát tính năng kháng khuẩn của tổ hợp vật liệu AgNP-chitosan có tính kháng khuẩn cao và thử hiệu quả điều trị bỏng trên thỏ

4 Phương pháp nghiên cứu

4.1 Phương pháp nghiên cứu lí thuyết

Thu thập, tổng hợp các tài liệu, thông tin liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của đề tài để tổng quan tình hình nghiên cứu, từ đó xây dựng ý tưởng cho nghiên cứu

4.2 Phương pháp thực nghiệm

- Đặc trưng cộng hưởng plasmon bề mặt của các hạt nano bạc được xác định bằng quang phổ hấp thụ UV-VIS ở nhiệt độ phòng trong khoảng bước sóng từ 350 - 600 nm Dựa trên kết quả đo cường độ hấp thụ và đỉnh hấp thụ cực đại (λmax) của dung dịch keo nano bạc, ta có thể xác định lượng AgNP tạo thành và sự thay đổi kích thước của chúng

- Kích thước và hình thái bề mặt của keo AgNP được xác định thông qua chụp TEM có độ phân giải cao Thành phần của hạt nano bằng phương pháp EDX

- Tương tác giữa AgNP và chitosan được xác định thông qua phân tích nhiệt

- Cấu trúc tinh thể của các hạt AgNP trong nền chitosan được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X Dựa vào cường độ nhiễu xạ Brag (Brag reflections) ứng với các giá trị góc nhiễu xạ 2 cho phép xác định sự có mặt

và cấu trúc tinh thể của các hạt nano bạc

- Phổ hồng ngoại IR được sử dụng để định tính cấu trúc của chitosan, sản phẩm chitosan hòa tan, cũng như sản phẩm tổ hợp AgNP- chitosan

- Tính kháng khuẩn của màng chitosan-AgNP được đánh giá thông qua khả năng ức chế của màng đối với vi khuẩn bằng phương pháp khuếch tán đĩa trên môi trường nuôi cấy agarose

- Thử hoạt tính dược lí điều trị bỏng của gel AgNP- chitosan trên thỏ

5 Nội dung nghiên cứu

5.1 Nghiên cứu tổng quan lí thuyết

Thu thập các thông tin, tài liệu liên quan nội dung của đề tài là cơ sở để viết tổng quan cũng như đưa ra các vấn đề cần giải quyết trong luận văn

5.2 Nghiên cứu thực nghiệm

5.2.1 Tổng hợp chitosan hòa tan trong nước – khảo sát các yếu tố tổng hợp

5.2.2 Phân tích xác định các đặc trưng của sản phẩm chitosan hòa tan (độ hoà tan trong nước, thành phần, cấu trúc )

5.2.3 Tổng hợp AgNP từ chất đầu AgNO3 với chất khử là chitosan/chitosan hòa tan và khảo sát đến các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình

tổng hợp AgNP

- Ảnh hưởng của nhiệt độ

- Ảnh hưởng của pH

- Ảnh hưởng của thời gian

5.2.4 Xác định các đặc trưng của sản phẩm AgNP đã tổng hợp bằng phương pháp phân tích vật lí (cấu trúc tinh thể, thành phần, hình thái bề mặt

5.2.8 Thử nghiệm khả năng điều trị bỏng của vật liệu tổ hợp trên thỏ

6 Ý nghĩa của đề tài

6.1 Ý nghĩa khoa học

- Tìm điều kiện tối ưu hóa quy trình điều chế nano bạc

- Tìm điều kiện tối ưu hóa quy trình điều chế chitosan hòa tan trong nước

6.2 Ý nghĩa thực tiễn

- Tìm hiểu các ứng dụng quan trọng của nano bạc, chitosan hòa tan trong nước

- Nghiên cứu điều chế dung dịch keo nanocomposit từ AgNP - Chitosan

có tính ứng dụng cao trong y sinh như tái tạo mô, làm chóng liền vết thương

và liền sẹo trong điều trị bỏng

- Việc chế tạo dung dịch keo nanocomposit từ AgNP - Chitosan còn khá mới đối với nền khoa học Việt Nam nên đề tài luận văn rất có ý nghĩa khoa học Sản phẩm của đề tài được ứng dụng chế tạo kem trị bỏng mau liền sẹo góp phần giải quyết vấn đề thẩm mỹ cho người bị bỏng Ngoài ra, kết quả còn là cơ sở cho các nghiên cứu ứng dụng tiếp theo của dung dịch keo nanocomposit từ AgNP - Chitosan vào trong y học, sinh học, môi trường…

7 Cấu trúc luận văn

Chương 1: Tổng quan lí thuyết

Chương 2: Những nghiên cứu thực nghiện

Chương 3: Kết quả thảo luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN LÍ THUYẾT

1.1 TỔNG QUAN VỀ BỎNG

1.1.1 Khái niệm bỏng

Bỏng là những tổn thương mô mà có thể gây ra bởi vật nóng, cháy nổ, hóa chất, điện hoặc các phương tiện khác Bỏng có thể coi là vấn đề rất nguy hiểm và đe dọi đến tính mạng của con người và những động vật khác

Điều trị bỏng phụ thuộc vào mức độ nghiêm trọng và kích thước của nó

Có thể điều trị bỏng nhỏ ở nhà bằng cách sử dụng các biện pháp sơ cứu chẳng hạn như làm mát da và áp một lớp kem gây mê hoặc gel lô hội Bỏng sâu và lan rộng cần chăm sóc y tế ngay lập tức

Bỏng là một trong những tai nạn thương tâm nhất thường gặp trong đời sống hằng ngày và thường để lại những di chứng nặng nề về thẩm mỹ cũng như sức khỏe cho con người Theo thống kê, trung bình mỗi năm Viện bỏng quốc gia tiếp nhận trên 2000 trường hợp bỏng, trong đó chiếm hơn một nửa là trẻ em Năm 2005 khoa Phỏng - Chỉnh hình Bệnh Viện Nhi đồng 1 Tp.Hồ Chí Minh đã tiếp nhận gần 2000 trẻ em bị bỏng phải nhập viện, trong đó 79% trường hợp bỏng do nước sôi, 17% do lửa và 4% do hóa chất[7]

1.1.2 Các triệu chứng bỏng

- Đỏ, sưng da

- Ướt hoặc ẩm da

- Xuất hiện mụn nước

- Đen hoặc cháy da trong trường hợp nghiêm trọng

1.1.3 Phân loại bỏng: Bỏng được phân loại theo độ sâu thành 3 độ

Độ I: Bỏng bề mặt

Trường hợp này chỉ lớp ngoài cùng da bị tổn thương làm cho da nơi bị

bỏng đỏ ửng lên và đau rát do đầu mút dây thần kinh bị kích thích Loại bỏng này thường lành hẳn sau 3 ngày.

bị phá hủy và bỏng độ II chuyển thành bỏng độ III

Độ III: Bỏng toàn bộ các lớp da

Toàn bộ các lớp da đều bị tổn thương bao gồm cả lỗ chân lông và tuyến

mồ hôi Vết bỏng trắng nhợt hoặc xám lại, khô cứng và mất cảm giác (không đau) và các đầu nút dây thần kinh bị phá hủy

Trong trường hợp bỏng rất nặng toàn bộ các lớp da thì lớp mỡ dưới da cũng có thể bị phá hủy và để lộ phần cơ

Khi bị bỏng toàn bộ các lớp của da thì vết bỏng chỉ được lành dần từ phía

bờ các vết bỏng và các vết bỏng rất dễ bị nhiễm khuẩn, do vậy thời gian lành vết bỏng thường kéo dài rất lâu

Độ sâu của một vết bỏng nhiều khi không đều nhau vì độ sâu của các vết bỏng phụ thuộc vào nhiệt độ, nồng độ hóa chất và thời gian mà nhiệt độ hoặc hóa chất tác động lên da

1.1.4 Nguyên nhân gây bỏng

Có rất nhiều nguyên nhân khác nhau dẫn đến bỏng, có thể do tác động của nhiệt, của điện, của hóa chất và các tác nhân khác tác động một cách trực tiếp hoặc gián tiếp lên vùng da của chúng ta gây ra các mức độ tổn thương khác nhau Bỏng có thể làm thay đổi cấu trúc, làm rối loạn chức năng vùng bị

tổn thương, nghiêm trọng hơn có thể gây tử vong hoặc tàn phế suốt đời cho nạn nhân

1.1.5 Tại sao vết thương do bỏng lại rất nguy hiểm?

Khi bị bỏng, da của bệnh nhân bị phỏng hoặc trầy, loét mất hàng rào bảo

vệ cơ thể, làm cho vi khuẩn thường trú trên da bệnh nhân và môi trường xung quanh làm cho vi khuẩn dễ dàng thâm nhập vào người bệnh qua vết bỏng Tổn thương bỏng thường có mô hoại tử và nhanh chóng bị nhiễm vi khuẩn

Vi khuẩn gây nhiễm khuẩn tại chỗ, thường là bên dưới lớp vảy của vết bỏng

hoặc toàn thân Trong đó Streptococcus và Staphylococcus là mầm bệnh

chính gây nhiễm khuẩn vết bỏng trước khi có kháng sinh, và hiện nay vẫn còn

là bệnh nguyên quan trọng Các loại khác như P aeruginosa, Pseudomonas, nấm nhất là candida albicans, Aspergillus sp, virus herpes simplex cũng là

tác nhân gây nhiễm khuẩn vết bỏng Mức độ nhiễm khuẩn thường liên quan với vị trí và mức độ tổn thương của vết bỏng Những vết bỏng nặng, diện tích rộng gây tổn thương cho hệ miễn dịch tế bào và miễn dịch dịch thể, tạo nguy

cơ nhiễm khuẩn cao, như giảm số lượng và khả năng hoạt động của những tế bào lympho T giúp đỡ trong hệ tuần hoàn, tăng những tế bào lympho T ức chế, và giảm globulin miễn dịch sau khi bị bỏng rộng Chức năng của bạch cầu trung tính cũng bị suy yếu sau khi bị bỏng Sự gia tăng tính thấm của thành ruột đối với vi khuẩn và nội độc tố của chúng cũng gây rối loạn điều hòa miễn dịch và nhiễm khuẩn Vì thế, bệnh nhân bị bỏng dễ bị nhiễm khuẩn tại những vị trí xa cũng như tại vết bỏng[30]

1.1.6 Biểu hiện nhiễm khuẩn vết bỏng

Những dấu hiệu của nhiễm khuẩn vết bỏng gồm sự thay đổi độ dày, từ một vết bỏng dày từng phần sang thành dày toàn bộ; thay đổi màu sắc như vết thương xuất hiện màu nâu tối hay chuyển màu đen, tại mô bình thường ở bờ vết thương xuất hiện màu đỏ mới hoặc phù nề, mô hoại tử bị tách ra khỏi mô

dưới da một cách đột ngột, và thoái hóa vết thương với sự xuất hiện một mô hoại tử mới; xuất hiện màu xanh tại vết thương hoặc lớp mỡ dưới da hoặc có

vùng hoại tử tại một vị trí xa giúp ta nghĩ tới nhiễm khuẩn P aeruginosa; biến

đổi thân nhiệt, giảm huyết áp, tim đập nhanh, giảm bạch cầu trung tính, giảm tiểu cầu và suy thận có thể là kết quả của tình trạng nhiễm khuẩn và vết bỏng lan rộng Nhưng cần chú ý rằng khi thân nhiệt thay đổi là do rối loạn chức năng điều hòa nhiệt độ, tim đập nhanh và tăng thông khí là do thay đổi chuyển hóa bỏng nặng mà không phải là các dấu hiệu của nhiễm khuẩn

Người ta thường sinh thiết vết bỏng thường quy ở những khoảng thời gian xác định và khảo sát mô học để chẩn đoán nhiễm khuẩn khi có trên 105

vi khuẩn trên 1g mô cho thấy nhiễm khuẩn xâm lấn nhanh và gia tăng nguy

cơ nhiễm khuẩn máu Ngoài nhiễm khuẩn vết bỏng, một số nhiễm khuẩn khác

do ức chế miễn dịch khi vết thương lan rộng, do các thủ thuật có thể gây nhiễm khuẩn cho bệnh nhân như viêm phổi hay gặp nhất trong các bệnh nhân bỏng nằm viện, viêm màng trong tim, nhiễm khuẩn đường tiểu, viêm sụn hay gặp ở bệnh nhân bị bỏng ở tai, nhiễm khuẩn trong ổ bụng

1.1.7 Phương pháp điều trị bỏng

Bỏng điều trị phụ thuộc vào mức độ nghiêm trọng và kích thước của vết bỏng Bỏng nhẹ: Điều trị bỏng độ một và độ hai ở nhà bằng cách sử dụng các biện pháp tự chăm sóc như làm mát da và dùng thuốc giảm đau Bỏng nhẹ thường giải quyết trong một vài ngày hoặc đến vài tuần

Bỏng nghiêm trọng: Bỏng nặng được coi là một cấp cứu y tế và điều trị y

tế khẩn cấp

Thuốc trị bỏng được sử dụng hoặc thuốc giảm đau, kháng sinh tiêm tĩnh mạch để giảm đau và ngăn ngừa nhiễm trùng Thuốc tại chỗ (gel, kem bôi) cũng được sử dụng để giảm đau và tăng tốc độ chữa lành

1.2 TỔNG QUAN VỀ CHITOSAN

1.2.1 Khái niệm chitosan

Chitosan là một polysaccarit mạch thẳng, là polyme sinh học trong tự nhiên không độc, phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường Chúng có thể ứng dụng trong trong rất nhiều lĩnh vực như kích thích tái tạo mô, có khả năng cầm máu, tăng khả năng hấp thu dinh dưỡng của cây, làm giảm stress Nhưng trọng lượng phân tử của chitosan cao khoảng 100.000 – 1.200.000 Dalton, cũng như sự hạn chế hòa tan trong vùng giá trị pH trung tính và pH cao, chính điều này làm ảnh hưởng đến hoạt tính sinh học của nó [5]

Chitosan là một chất rắn xốp nhẹ, hình vảy, có thể xay nhỏ thành các kích

cỡ khác nhau Chitosan là polyme không độc, có khả năng phân hủy sinh học

và tương thích về sinh học Trong nhiều năm qua, các polyme có nguồn gốc từ chitin, đặc biệt là chitosan đã được chú ý như một loại vật liệu mới có ứng dụng trong các ngành công nghiệp dược, y học, thực phẩm và xử lí nước thải Chitosan được xem như những phối tử kim loại thông minh, hình thành phức bền với một vài ion kim loại vì cả hai đều có khả năng hấp phụ kim loại

Do đặc tính của nhóm amino tự do trong cấu trúc chitosan được tạo thành khi đeaxetyl hóa chitin, các phức chelat của nó làm cho khả năng hấp phụ kim loại của chitosan tăng gấp 5 đến 6 lần so với chitin [9]

1.2.2 Cấu trúc hóa học chitosan

Chitosan được cấu tạo từ mắt xích D-glucosamin liên kết với nhau bởi các liên kết β-(1-4)- glicozit, do vậy chitosan có thể gọi là poly β-(1-4)-2-deoxi-D-glucose hoặc là poly β-(1-4)-D- glucosamin

ình 1.1 Công thức c u tạo của chitosan

ình 1.2 Chitosan

Độ nhớt

Ðộ nhớt là một nhân tố quan trọng để xác định khối lượng phân tử của chitosan Chitosan phân tử lượng cao thường là cho dung d ịch có độ nhớt cao

Trọng lượng phân tử

Chitosan là polyme sinh học có khối lượng phân tử cao Khối lượng chitin thường lớn hơn 1 triệu dalton trong khi các sản phẩm chitosan thương phẩm có khối lượng khoảng 100.000 – 1.200.000 dalton

 Tính tan

Chitin tan trong hầu hết các dung môi hữu cơ, trong khi đó chitosan tan trong các dung dịch axit pH dưới 6,0 Các axit hữu cư như axit axetic, fomic, lactic thường được sử dụng để hòa tan chitosan, tạo dung dịch keo nhớt loãng Thường sử dụng nhất là dung dịch chitosan 1% tại pH = 4,0 Chitosan cũng tan trong dung dịch HCl 1% nhưng không tan trong H2SO4 và H3PO4

 Tỉ trọng

Trong một nghiên cứu cho thấy tỉ trọng của chitin và chitosan từ giáp xác rất cao (0,39 g/cm3) Mức độ deaxetyl cũng làm tăng tỉ trọng của chitosan [9]

Khả năng kết hợp với nước và khả năng kết hợp với chất béo

Sự hấp thụ nước của chitosan lớn hơn rất nhiều so với xenlulozo hay chitin Thông thường khả năng hấp thụ của chitosan khoảng 581- 1150% ( trung bình 702%)

Khả năng hấp thụ chất béo của chitin và chitosan trong khoảng 31- 170%, chitosan có khả năng thấp hơn rất nhiều so với chitin [9]

Khả năng tạo màng

Chitosan còn có khả năng tạo màng Màng chitosan được sử dụng nhiều trong bảo quản thực phẩm Màng chitosan khá dai, khó xé rách, có độ bền tương đương với một số chất dẻo vẫn được dùng làm bao gói [9]

Một số phản ứng của chitosan

Các phản ứng của nhóm –OH

+ Phản ứng của nhóm –OH có thể tạo ra các dẫn xuất

+ Dẫn xuất sunfat

+ Dẫn xuất O-axyl của chitin/chitosan

+ Dẫn xuất O-tosyl hóa chitin/chitosan

Phản ứng ở vị trí N

+ Phản ứng N-acetyl hóa chitosan

+ Dẫn xuất N-sunfat chitosan

+ Dẫn xuất N-glycochitosan (N-hydroxyl-etylchitosan)

Các phản ứng xảy ra tại vị trí O,N

+ Dẫn xuất O, N-cacboxymetylchitosan

+ Dẫn xuất N,O- cacboxymetylchitosan

+ Phản ứng cắt đứt liên kết β-(1-4) glycosit

1.2.4 Khái niệm chitosan hòa tan trong nước(WSC)

Chitosan hòa tan trong nước (WSC) là sản phẩm biến tính của chitosan được tạo ra từ biến đổi hóa, lí, sinh học…bằng việc phân cắt mạch trên cấu trúc chitosan làm nó trở nên hòa tan dễ dàng trong nước, cũng như nâng cao hoạt tính sinh học của chitosan

1.2.5 Cấu trúc hóa học của WSC

WSC là một saccarit, được kết hợp bởi các monosaccarit từ 2 ÷ 20 trong cấu trúc của chitin và chitosan

ình 1.3 Công thức c u tạo của WSC

Công thức phân tử: : (C6H11O4N)n với n = 0 ÷ 6

1.2.6 Tính chất của WSC

WSC dạng bột có màu trắng hoặc hơi vàng, không mùi, vị đặc trưng WSC có khả năng tan tốt trong nước, độ nhớt thấp, phân tử lượng nhỏ và

dễ kết tinh

ình 1.4 Chitosan hòa tan trong nước

Chúng có tính chất hoạt động sinh học cao như tãng sức đề kháng, điều hòa lượng cholesterol, cải thiện thiếu máu, bệnh gan, điều hòa huyết áp trong máu, làm tăng khả năng hấp thụ canxi, thúc đẩy quá trình bài tiết axit uric, chống ung thư máu [6]

Ngoài ra, WSC còn tham gia điều trị các bệnh viêm loét dạ dày, bệnh tiêu chảy, bệnh táo bón, chuột rút, đặc biệt có khả năng kết hợp với mangan tham gia vào quá trình hình thành xương sụn rất tốt WSC còn có khả năng kháng bệnh cho cây trồng, vật nuôi, đồng thời cũng là chất kích thích sinh trưởng rất tốt

phân, nhiệt độ thủy phân từ 80-100ºC [19] Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là chi phí dành cho thiết bị cao, phải có thiết bị chống ăn mòn axit, gây

ô nhiễm môi trường và nhất là hiệu suất thu hồi phân đoạn WSC có hoạt tính thấp, sản phẩm là các monome là glucosamin cao (>30%)

Ngoài ra, để tạo WSC bằng phương pháp hóa học còn sử dụng hydro peoxit (H2O2) là một tác nhân hóa học vì nó có khả năng oxi hóa cao, có tác dụng cắt mạch polysacarit mạnh và là một chất tương đối rẻ tiền, dễ kiếm Ưu điểm của phương pháp này là dễ thực hiện, hiệu suất thu hồi WSC cao

b Phương pháp phóng xạ

Bức xạ gamma tăng cường độ đeaxetyl hóa và giảm bớt trọng lượng phân tử của chitosan Quá trình đeaxetyl hóa kiềm mạnh trọng lượng phân từ của chitosan giảm từ 890kDa đến 380kDa (bức xạ 50kGy) và 200kDa (bức xạ 75kGy) Ðiều chế WSC được thực hiện bởi axit clohidric và xenlulozo

c Phương pháp sinh học

Ðể thủy phân chitosan có thể sử dụng nhiều loại enzyme như chitosanase, cellulose, glucanase Phương pháp này được sử dụng khá rộng rãi hiện nay và có nhiều ưu điểm như:

- Hiệu suất thu hồi các phân đoạn cao

- Điều kiện diễn ra các phản ứng thủy phân nhẹ nhàng, nhiệt độ thấp, pH

ôn hòa nên chi phí thiết bị thấp, không gây ô nhiễm môi trường

- Nhược điểm của phương pháp này là chi phí dành cho enzyme khá cao

1.2.8 Ứng dụng của chitosan và WSC

a Trong nông nghiệp

Trong nông nghiệp, chitosan được sử dụng để tăng cường sự hoạt động của các vi sinh vật có lợi trong đất, bọc các hạt giống nhằm mục đích ngăn ngừa sự tấn công của nấm trong đất và tăng cường khả năng nảy mầm của hạt, giảm stress cho cây, kích thích sinh trưởng và tăng năng suất thu hoạch

Ðặc biệt, chitosan có đóng vai trò là chất kích thích hệ miễn dịch của cây và

sự hoạt động của enzyme chitinase

Viện Khoa học Nông nghệp miền Nam và Trung tâm Công nghệ Sinh học thủy sản đã nghiên cứu tác dụng của chitosan đối với các hạt giống dễ mất khả năng nẩy mầm và góp phần thúc đẩy khả năng sinh trưởng của cây con Kết quả là kéo dài thời gian sống và duy trì khả năng nẩy mầm của hạt cà chua và đậu cove sau thời gian bảo quản là 9÷12 tháng ở điều kiện bình thường, hạt sinh trưởng và phát triển tốt

Qua nghiên cứu ảnh hưởng của chitosan và các nguyên tố vi lượng lên một số chỉ tiêu sinh lí, sinh hóa của lúa mạ, ở nhiệt độ thấp thì kết quả cho thấy chitosan vi lượng làm tăng hàm lượng diệp lục và hàm lượng nitơ tổng

số, đồng thời hàm lượng các enzyme như amylase, catalase hay peroxidase cũng tăng lên Ngoài ra, trong nông nghiệp còn sử dụng chitosan để bảo quản thực phẩm, trái cây, do dịch keo chitosan có tác dụng chống mốc, chống sự phá hủy của một số nấm men, vi sinh vật gram âm trên các loại hoa quả Ngày nay, chitosan còn được làm nguyên liệu bổ sung vào thành phần thức ăn cho động vật thủy sản, giúp kích thích tăng trưởng tốt [3]

WSC ảnh hưởng tích cực đến sinh trưởng của rau cải, đậu cove và một số rau khác, có tác dụng tăng năng suất, tăng khả năng kháng bệnh, hạn chế việc

sử dụng thuốc bảo vệ thực vật, góp phần bảo vệ môi trường và thực hiện chương trình rau sạch, rau an toàn

WSC ảnh hưởng tích cực đến sinh trưởng và năng suất của ngô Với nồng độ phun thích hợp là 40ppm, số lần phun là 3 lần/vụ, liều lượng phun là

300 lit/ha, năng suất sau khi sử dụng tăng 20% so với đối chứng (theo nghiên cứu của Ðại học Nông nghiệp I Hà Nội)

b Trong y học

Chitosan và WSC có đặc tính miễn dịch do nó kích thích các tế bào giữ

nhiệm vụ bảo vệ miễn dịch với các tế bào khối u và các tác nhân gây bệnh, WSC được sử dụng làm thuốc giảm cholesterol trong máu Thời gian qua Khoa Dược của trường Ðại học Y Dược thành phố Hồ Chí Minh đã bước đầu nghiên cứu thành công thuốc trị viêm loét dạ dày, tá tràng từ chitosan

Nhật Bản đã sản xuất các sản phẩm, hàng hóa cho người ăn kiêng có chứa chitosan để làm giảm cholesterol, theo các nhà khoa học thì tác dụng hạ cholesterol của N,N,N-trimetylchitosan (TMC) là do trong phân tử của nó có chứa nhóm –N+ (CH3)2 Các nhóm này có khả năng kết hợp với clo của các axit béo có trong muối mật và được đào thải ra khỏi cơ thể, làm giảm lipit trong máu, giảm cân nặng và chống béo phì với mục đích để tránh nguy cơ mắc bệnh tim mạch, tiểu đường

Do có khả năng kháng khuẩn và tạo màng chitosan nên được ứng dụng phối hợp với một số thành phần phụ liệu khác để tạo da nhân tạo chống nhiễm khuẩn và cầm máu [21]

Trong kĩ nghệ bào chế dược phẩm, chitosan được sử dụng làm chất tạo màng, chất tạo dính, viên nang, làm tá dược độn hay các chất mang sinh học dẫn thuốc Trên thế giới việc ứng dụng chitosan trong công nghệ sản xuất thuốc rất mạnh mẽ và hiệu quả Tác dụng của chitosan là bao bọc tá dược hay

cố định thuốc để kéo dài thời gian sử dụng thuốc cũng như tránh các tác dụng phụ của thuốc

Nhìn chung, chitosan có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong y học Hiện nay các nhà khoa học đang nghiên cứu các ứng dụng khác của nó như tác động kích thích miễn dịch, chống sự phát triển của khối u, đặc biệt đặc tính làm giảm cholesterol hay nghiên cứu làm thuốc chữa bệnh viêm loét dạ dày,

tá tràng đang mở ra những hướng đi mới

WSC và các chế phẩm của nó có đặc tính miễn dịch do nó kích thích các

tế bào giữ nhiệm vụ bảo vệ miễn dịch với các tế bào khối u và các tác nhân

gây bệnh Ðồng thời WSC còn được sử dụng làm thuốc để hạ cholesterol trong máu

c Trong công nghiệp

Trong công nghiệp thực phẩm

Chitosan là một polyme tự nhiên không độc và rất an toàn đối với thực phẩm với tính chất khá đặc biệt kháng khuẩn, chống ẩm, tạo màng,

có khả năng hấp thụ màu tốt, hấp phụ một số kim loại nặng, nên chitosan được nghiên cứu ứng dụng trong ngành công nghiệp sản xuất thực phẩm

và bảo quản

Sử dụng màng chitosan bao bọc thực phẩm để kéo dài thời gian bảo quản

và cải thiện chất lượng thực phẩm tươi, thực phẩm cấp đông đã được thử nghiệm suốt những năm qua Những lớp màng ngoài này có thể cung cấp bổ sung và còn là công cụ cần thiết để kiểm soát những sự thay đổi về sinh lí, hình thái, lí hóa ở các sản phẩm thực phẩm [3]

Chitosan có độ chống thấm cao đối với các chất như chất béo và dầu, kiểm soát nhiệt độ, củng cố cấu trúc thực phẩm và giữ mùi Màng chitosan dai, bền, dẻo và rất khó rách

Chitosan dùng để lọc trong các loại nước ép hoa quả, rượu bia, nước ngọt và có thể lọc các nguồn nước thải công nghiệp từ các nhà máy chế biến thực phẩm nhờ khả năng làm đông, có thể lơ lửng protein trong nước thải của quá trình chế biến thịt, rau cải và công nghệ chế biến tôm, cá nhờ

có tính kết dính tốt các ion kim loại nặng Hg, Pb của keo dương chitosan

Vì vậy các ion kim loại trên bị giữ lại mà keo chitosan không bị keo tụ Các sản phẩm thịt rất dễ bị mất mùi và ôi do sự oxy hóa của các thành phần lipit không bão hòa Hiệu quả xử lý của chitosan để ổn định các chất oxy hóa trên thịt bò đã được nghiên cứu, họ quan sát thấy rằng sử dụng chitosan nồng độ 1% dẫn đến giảm 70% giá trị 2-thiobarbi-turic acid (TBA) sau 3 ngày

bảo quản ở 4ºC [26]

Năm 1983, thực phẩm Mĩ (USFDA) đã chấp nhận chitosan được dùng làm chất phụ gia trong thực phẩm và dược phẩm Chitosan tạo màng mỏng bao gói bảo quản thực phẩm, ngoài ra chúng còn dùng để khử màu các sản phẩm màu như dầu cá, nước mắm xuất khẩu

Tại Canada và Mĩ đã từ lâu cho phép sử dụng vỏ bọc thực phẩm bằng màng chitosan, là một dạng của polyme được dùng an toàn cho người, vì có hoạt tính sinh học đa dạng nên chitosan đã được đưa vào thành phần trong thức ăn như sữa chua, bánh kẹo và nước ngọt

WSC có phân tử lượng thấp, tan được trong nước, có khả năng kháng khuẩn cao nên hiện nay WSC đang được chú ý đến để ứng dụng vào các ngành công nghiệp Năm 2005, Hoàng Ngọc Anh đã nghiên cứu về oligoglucosamin để bảo quản thịt heo Năm 2006, có công trình nghiên cứu của Trần Thị Luyến và cộng sự dùng oligoglucosamin làm chất bảo quản xúc xích gà surimi Năm 2009, Trần Thị Luyến và Ðỗ Hải Lưu đã nghiên cứu ảnh hưởng của chitosan, WSC đến một số vi sinh vật gây bệnh trên cá bảo quản bằng nước

Trong công nghệ sinh học

Trong lĩnh vực công nghệ sinh học, chitosan là một chất mang phù hợp cho sự cố định enzyme tế bào Enzyme cố định tế bào là một chất xúc tác sinh học hoạt động trong một không gian linh hoạt Enzyme cố định đã cho phép mở ra việc sử dụng rộng rãi enzyme trong công nghiệp, y học, khoa học phân tích Enzyme cố định được sử dụng lâu dài, không cần thay đổi chất xúc tác, nhất là trong công nghệ làm sạch nước, làm trong nước quả Sử dụng enzyme cố định rất thuận lợi và đạt hiệu quả cao

Ðặc điểm quan trọng của các nguyên liệu được sử dụng làm chất mang enzyme là diện tích bề mặt rộng trên một đơn vị thế tích hay trọng lượng,

không bị phân giải, không tan, bền vững với các yếu tố hóa học, giá rẻ, dễ kiếm Trong các loại polyme, chitosan thỏa mãn các yêu cầu trên, chúng bền vững, không tan, ổn định với các yếu tố hóa học

Phương pháp cố định enzyme bao gồm enzyme được dính trên chất mang bằng liên kết hấp thụ hay liên kết tĩnh điện ( liên kết ion), hoặc liên kết vùi trong lưới gel liên kết ngang Enzyme được cố định trong chitosan bằng liên kết hấp phụ hay liên kết ngang qua chất trung gian như glutaradehit, hoặc

có khi enzyme bị vùi trong lớp lưới gel tạo thành liên kết ngang giữa chitosan

và glutaradehit

Qua nhiều nghiên cứu cho thấy, chitosan có các đặc điểm sau:

Chitosan là nguyên liệu linh hoạt, dẻo Nó có thể dùng để cố định enzyme bằng liên kết hấp phụ đơn giản ở dạng lưới hay bằng liên kết ion qua nhân tố chức năng trung gian hoặc ở dạng thể vùi

 Sự liên kết ion -NH3+ của chitosan với các ion âm tự do trên enzyme là các nhân tố hình thành liên kết hấp phụ và liên kết ion

 Hiệu suất cố định theo phương pháp hấp phụ có khuynh hướng cao hơn theo phương pháp ion, cho phép thực hiện trong điều kiện nhẹ nhàng

Khi so sánh với các chất mang khác thì chitosan có khả năng chứa đựng lượng protein 10÷30mg/gam chitosan

Trong công nghiệp giấy

Do cấu trúc của chitosan tương tự xenlulozo nên người ta bổ sung chitosan vào nguyên liệu làm giấy, chúng giúp giấy có độ bền dai, đồng thời chất lượng in trên giấy cũng tốt hơn Ngoài ra, còn ứng dụng chitosan để sản xuất giấy chịu nhiệt, giấy hoa dán tường [21]

Trong công nghiệp dệt

Chitosan được dùng để hồ vải, cố định hình in hoa, màu sắc Ưu điểm là làm cho vải hoa, tơ sợi bền màu, bền sợi, chịu được cọ sát, mặt ngoài thì ánh

đẹp Tuy nhiên nhược điểm duy nhất là màu sắc hơi vàng, không thích hợp với vải trắng

Chitosan là nguyên liệu quan trọng để hồ lên vải chống nước Hòa tan chitosan trong CH3COOH loãng 1,5% cùng với nhôm axetat và axit stearic thì được hỗn hợp Hỗn hợp này đem sơn lên vải, khi khô tạo thành màng mỏng chắc bền chịu được nước, chống lửa, cách nhiệt, chịu nắng và chống thối Vải này được sử dụng để sản xuất vải bao dây điện, những dụng cụ bảo hộ trong sản xuất, nghiên cứu

- Trong công nghiệp hóa mĩ phẩm

Chitosan được sử dụng trong thành phần sản xuất kem chống khô da, làm kem dưỡng da, làm khả năng hòa hợp sinh học giữa kem thuốc và da, chế tạo thuốc định hình tóc, kem bột da lột mặt

Từ năm 1969, chitosan đã được bắt đầu sử dụng nhiều trong kĩ thuật bào chế mỹ phẩm Vài hãng đã dùng nó trong kem và thuốc bôi ngoài da để làm cho kem đặc lại và những hãng khác đang thí nghiệm để dùng nó trong việc bào chế thuốc trị sốt và vecni sơn móng tay[9]

Chitosan còn được cho thêm vào trong thuốc gội đầu để làm cho nước loãng hơn bằng cách khóa các ion Fe3+, Ca2+ và Mg2+ lại với nhau

d Trong bảo vệ môi trường

Cơ quan bảo vệ môi trường Mĩ (USEPA) đã cho phép chitosan không những được dùng làm thành phần thức ăn, mà còn dùng cả trong việc tinh chế nước uống, tẩy lọc nguồn và hấp phụ các kim loại nặng trong các nhà máy chế biến

Nhiều cuộc hội nghị quốc tế về chitosan đã khẳng định tác dụng điều trị

và tính an toàn của chitosan Chitosan dã được tổ chức y tế thế giới (WHO) đánh giá cao và đã chính thức được WHO cho phép dùng trong y học và thực phẩm

Chitosan được ứng dụng khá phổ biến trong xử lí môi trường nhờ khả năng hấp phụ, tạo phức với các ion kim loại (Pb, Hg, Cd, Fe, Cu ) các chất màu, khả năng keo tụ, tạo bông rất tốt với các chất hữu cơ Do đó, chitosan được sử dụng như là một trong các nhóm tác nhân chính để xử lí nước thải, làm chất hấp phụ, tạo phức trong việc xử lí kim loại trong nước thải, thu hồi protein trong nước thải, trong xử lí chất màu của nước thải từ nhà máy dệt nhuộm

e Trong phim ảnh và một số ngành công nghệ khác

Phim chitosan có độ nét cao, không tan trong nước, axit (trừ axit axetic loãng) Chitosan được làm mực in cao cấp trong công nghệ in

Chitosan làm tăng độ bền của gỗ trong công nghệ chế biến gỗ

Chitosan dùng để cố định enzyme và các tế bào vi sinh vật, làm chất mang trong sắc kí chọn lọc, trong công nghệ sinh học

Hãng kĩ thuật của Matsushita còn dùng chitosan trong việc chế tạo máy phát nhanh

Chitosan còn dùng để xử lí nước thải công nghiệp, có khả năng tạo phức với kim loại nặng độc hại, dùng để lọc trong nước sạch tiêu dùng, thanh lọc nước nhiễm chất độc hại và chất phóng xạ do chitosan khóa chặt các ion kim loại như Hg, Pb và U [9]

1.3 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ NANO

1.3.1 Lịch sử hình thành của công nghệ nano

Thuật ngữ công nghệ nano (nanotechnology) xuất hiện từ những năm 70 của thế kỷ XX, chỉ việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomet Chúng có độ chính xác rất cao 0,1 - 100nm, tức là chính xác đến từng lớp nguyên tử, phân tử

Tiền tố nano xuất hiện trong tài liệu khoa học lần đầu tiên vào năm 1908

khi sử dụng nó để chỉ các sinh vật rất nhỏ với đường kính 200nm[23] Năm

1974 thuật ngữ công nghệ nano hàm ý sự liên kết các vật liệu cho kĩ thuật chính xác trong tương lai[25] Hiện tại trong khoa học, tiền tố nano biểu thị con

số 10-9

m tức kích thước 1 phần tỉ mét Cho tới nay, vẫn chưa có được một định nghĩa thống nhất về công nghệ nano Theo cơ quan Hàng hông Vũ trụ Hoa Kì (NASA), công nghệ nano là công nghệ chế tạo ra các cấu trúc, vật liệu, thiết bị

và hệ thống chức năng với kích thước đo bằng (khoảng từ 1 đến 100nm) và khai thác ứng dụng các đặc tính độc đáo của những sản phẩm này Công nghệ nano cũng có thể hiểu là ngành công nghệ dựa trên các hiểu biết về các quy luật, hiện tượng, tính chất của cấu trúc vật lí có kích thước đặc trưng ở thang nano [5]

Có thể nói, trong thời điểm hiện tại, tiềm năng phát triển của một công nghệ hay kĩ thuật mới rõ nhất qua nguồn ngân sách nghiên cứu hàng năm và doanh thu đem lại từ các sản phẩm thương mại của nó Được toàn thế giới nghiên cứu và đầu tư phát triển, ngân sách đầu tư cho công nghệ nano của các

tổ chức thuộc chính phủ đã tăng khoảng 7 lần từ 430 triệu năm 1997 lên 3 tỉ USD năm 2003 [14]

1.3.2 Cơ sở khoa học

Công nghệ nano dựa trên ba cơ sở khoa học chính:

Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử Khác với vật liệu khối, khi ở kích thước nano thì các tính chất lượng tử được thể hiện rất rõ ràng Vì vậy khi nghiên cứu vật liệu nano chúng ta cần tính tới các thăng giáng ngẫu nhiên Càng ở kích thước nhỏ thì các tính chất lượng tử càng thể hiện một cách rõ ràng hơn Ví dụ một chấm lượng tử có thể được coi như một đại nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử [31]

Hiệu ứng bề mặt: Cùng một khối lượng nhưng khi ở kích thước nano

chúng có diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều so với khi chúng ở dạng khối Điều này, có ý nghĩa rất quan trọng trong các ứng dụng của vật liệu nano có liên quan tới khả năng tiếp xúc bề mặt của vật liệu, như trong các ứng dụng vật liệu nano làm chất diệt khuẩn Đây là một tính chất quan trọng làm nên sự khác biệt của vật liệu có kích thước nanomet so với vật liệu ở dạng khối Kích thước tới hạn: Kích thước tới hạn là kích thước mà ở đó vật giữ nguyên các tính chất về vật lí, hóa học khi ở dạng khối Nếu kích thước vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi Nếu ta giảm kích thước của vật liệu đến kích cỡ nhỏ hơn bước sóng của vùng ánh sáng thấy được (400-700 nm), theo Mie hiện tượng "cộng hưởng plasmon

bề mặt" xảy ra và ánh sáng quan sát được sẽ thay đổi phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng xảy ra hiện tượng cộng hưởng Hay như tính dẫn điện của vật liệu khi tới kích thước tới hạn thì không tuân theo định luật Ohm nữa Mà lúc này điện trở của chúng sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử Mỗi vật liệu đều có những kích thước tới hạn khác nhau và các tính chất khác nhau của chúng Bởi vậy khi nghiên cứu vật liệu nano chúng ta cần xác định rõ tính chất sẽ nghiên cứu là gì Chính nhờ những tính chất lí thú của vật liệu ở kích thước tới hạn nên công nghệ nano có ý nghĩa quan trọng và thu hút được sự chú ý đặc biệt của các nhà nghiên cứu

1.3.3 Các nghiên cứu về hạt nano trong và ngoài nước

a Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam trong những năm gần đây công nghệ nano bắt đầu được đầu tư và thu hút sự chú ý của các nhà khoa học Tuy nhiên cho đến nay số lượng công trình nghiên cứu về kim loại nano được công bố trên tạp trí khoa học trong nước còn rất hạn chế Đề tài nghiên cứu về vàng và platin nano để xúc tác chuyển hóa CO thành CO2 được tác giả Nguyễn Thiết Dũng Viện khoa học Vật liệu Ứng dụng – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam thực

hiện (2009 – 2010) Về bạc, nhóm tác giả Nguyễn Đức Nghĩa, Hoàng Mai Hà công bố trên Tạp chí hóa học (2001) đã chế tạo được hạt nano bạc bằng phương pháp khử các ion bạc sử dụng tác nhân oleate trong polyme ổn định, thu được các hạt bạc có kích thước từ 4–7nm

Các nhà khoa học Việt Nam cũng bắt đầu triển khai ứng dụng công nghệ nano trong chế tạo thuốc và kế hoạch nghiên cứu ứng dụng của các hạt nano trong y sinh học để chẩn đoán và chữa bệnh Bài báo “chế tạo và ứng dụng hạt nano từ tính trong y sinh học” của nhóm tác giả Nguyễn Hữu Đức, Nguyễn Hoài Hà, Trần Mậu Danh Bộ môn Vật liệu và Linh kiện từ tính nano, khoa Vật

lí kĩ thuật và Công nghệ nano, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia

Hà Nội và Trung tâm Khoa học Vật liệu, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội báo cáo tại hội nghị Vật lí toàn quốc lần thứ VI (2005) Tuy nhiên, công nghệ nano vẫn còn mới lạ ở Việt Nam

b Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Phương pháp chế tạo hạt kim loại nano nói chung và chế tạo nano bạc nói riêng đã được rất nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu Phương pháp thường được sử dụng chủ yếu là điện hóa, khử hóa học, khử nhiệt, sinh học, khử do bức xạ ion hóa… Nguyên tắc chung của các phương pháp này là khử ion kim loại trong dung dịch thành nguyên tử kim loại, sau đó các nguyên tử liên kết với nhau thành tập hợp rồi phát triển kích thước thành các hạt nano và sử dụng polyme để ổn định hạt Hướng nghiên cứu ứng dụng chính của nano bạc tập trung vào khả năng kháng lại các loại vi khuẩn, virut, các ứng dụng trong các thiết bị y tế và trong các thiết bị diệt khuẩn, lọc nước

Theo nhận định của nhiều chuyên gia, công nghệ nano sẽ tạo nên một cuộc cách mạng đột phá trong nhiều ngành khoa học và đời sống, tạo tiền đề cho một “thế giới nhỏ hơn và thông minh hơn”

1.3.4 Ứng dụng của công nghệ nano trong sinh học và y học

Do có nhiều tính năng độc đáo và kích thước tương đương với các phân

tử sinh học nên hiện nay, công nghệ nano đang được đầu tư nghiên cứu đặc biệt là trong lĩnh vực y sinh Các ứng dụng tiêu biểu của công nghệ nano trong lĩnh vực này là

a Chẩn đoán

Sử dụng các hạt nano (hạt nano vàng, nano từ, chấm lượng tử…) để đánh dấu các phân tử sinh học, vi sinh vật, phát hiện các chuỗi gen nhờ vào cơ chế bắt cặp bổ xung của DNA hoặc cơ chế bắt cặp kháng nguyên – kháng thể

b Vận chuyển thuốc

Cung cấp thuốc cho từng tế bào cụ thể bằng cách sử dụng các hạt nano nhằm tiết kiệm thuốc và tránh các tác dụng phụ

c Mô kỹ thuật

Công nghệ nano có thể giúp cơ thể tái sản xuất hoặc sửa chữa các mô bị

hư hỏng bằng cách sử dụng “giàn” dựa trên vật liệu nano và các yếu tố tăng trưởng

1.4 TỔNG QUAN VỀ NANO BẠC

1.4.1 Giới thiệu về kim loại bạc

Bạc có kí hiệu Ag, số hiệu nguyên tử 47, khối lượng nguyên tử xấp xỉ

108, thuộc phân nhóm IB, chu kì 5 Bạc thường tìm thấy trong các quặng có lẫn chì, kẽm, đồng và vàng Hàm lượng trong vỏ Trái đất là 10-5 %

Bạc nano là vật liêu có diện tích bề mặt riêng lớn, có những đặc tính sau:

Tính khử khuẩn, chống nấm, khử mùi, có khả năng phát xạ tia hồng ngoại

Không có hại cho sức khỏe con người với liều lượng tương đối cao

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

Vật liệu nano có những tính chất kì lạ khác hẳn với tính chất vật liệu khối

đã nghiên cứu trước Sự khác biệt về tính chất của vật liệu nano so với vật liệu khối được bắt nguồn từ hai hiện tượng sau đây

số f tăng Khi kích thước của vật liệu giảm đến nm thì giá trị f này tăng lên đáng kể Hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thước, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại Ở đây không có giới

hạn nào cả, ngay cả vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ

có điều hiệu ứng này nhỏ thường bị bỏ qua Vì vậy, việc ứng dụng hiệu ứng

bề mặt của vật liệu nano tương đối dễ dàng

b Hiệu ứng kích thước

Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã làm cho vật liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống Đối với một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một độ dài đặc trưng Độ dài đặc trưng của rất nhiều các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước nm Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn đến các tính chất vật lí đã biết Nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so sánh được với độ dài đặc trưng đó thì tính chất có liên quan đến độ dài đặc trưng bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất đã biết trước đó Ở đây không có sự chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi

từ vật liệu khối đến vật liệu nano Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của vật liệu đó

c Tính chất quang

Như trên đã nói, tính chất quang học của hạt nano vàng, bạc trộn trong thủy tinh làm cho các sản phẩm từ thủy tinh có các màu sắc khác nhau đã được người La Mã sử dụng từ hàng ngàn năm trước Các hiện tượng đó bắt nguồn từ hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt do điện tử tự do trong hạt nano hấp thụ ánh sáng chiếu vào Kim loại có nhiều điện tử tự do, các điện tử

tự do này sẽ dao động dưới tác dụng của điện từ trường bên ngoài như ánh sáng Thông thường các dao động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đường tự

do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước Nhưng khi kích thước của kim loại nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình thì hiện tượng dập tắt không còn nữa mà điện tử sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích Do vậy, tính

chất quang của hạt nano có được do sự dao động tập thể của các điện tử dẫn đến từ quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ Khi dao động như vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành một lưỡng cực điện Do vậy xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng các yếu tố về hình dáng, độ lớn của hạt nano và môi trường xung quanh là các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất Ngoài ra, mật độ hạt nano cũng ảnh hưởng đến tính chất quang Nếu mật độ loãng thì có thể coi như gần đúng hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đến ảnh hưởng của quá trình tương tác giữa các hạt

sự tán xạ của điện tử lên các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán xạ với dao động nhiệt của nút mạng Khi kích thước của vật liệu giảm dần, hiệu ứng lượng tử do giam hãm làm rời rạc hóa cấu trúc vùng năng lượng Hệ quả của quá trình lượng tử hóa này đối với hạt nano là xuất hiện một hiệu ứng gọi là hiệu ứng chắn

g Tính chất xúc tác

Do hạt nano có số lượng nguyên tử hoạt động trên bề mặt lớn hơn so với kim loại khối nên hạt nano được sử dụng trong xúc tác sẽ tốt so với những chất rắn theo học thuyết thông thường Những hạt nano của một dãy lớn của sự chuyển tiếp giữa kim loại và oxit kim loại đã được tìm thấy những hoạt tính xúc tác phụ thuộc kích thước các hạt, điều này đang được nghiên cứu mạnh mẽ Hình dạng, sự ổn định và sắp xếp của các hạt đã được chứng minh là có ảnh hưởng tới hoạt tính xúc tác và vì thế cũng là đề tài của nhiều nghiên cứu hiện nay Trong các ứng dụng cụ thể của hạt nano, hoạt tính xúc tác cần đến một chất nền phù hợp để ổn định, bảo vệ, ngăn ngừa sự kết tụ và có thể thu hồi lại

h Chấm lượng tử

Hầu hết các hiệu ứng điện tử quan trọng trong hạt nano bán dẫn là độ rộng của khe hở giữa trạng thái điện tử cao nhất (đỉnh vùng hóa trị) và trạng thái thấp nhất (đáy vùng dẫn) Sự hoạt động này theo sự giam cầm lượng tử

do các hạt có đường kính nhỏ, mà ảnh hưởng trực tiếp tới tính chất quang học của các hạt bán dẫn so với vật liệu khối Năng lượng tối thiểu cần để gây ra một cặp hố-điện tử trong hạt nano bán dẫn được quyết định bởi khe dải Ánh sáng với năng lượng thấp hơn Eg không thể bị hấp thu bởi hạt nano, sự hấp thu ánh sáng cũng phụ thuộc vào kích thước hạt Khi kích thước hạt giảm phổ hấp thụ đối với những hạt nhỏ hơn được dịch chuyển về bước sóng ngắn

i Plasmon

Các hạt nano kim loại có thể có phổ hấp thụ với đỉnh hấp thụ giống với của các hạt nano bán dẫn Tuy nhiên, sự hấp thụ này không bắt nguồn từ sự chuyển tiếp các trạng thái năng lượng điện tử, thay vào đó hạt ở nano kim loại

là phương thức tập hợp của các di chuyển đám mây điện tử bị kích thích Dưới tác động của điện trường, có sự kích thích plasmon các electron tại bề mặt các hạt Sự cộng hưởng này xảy ra tại tần số của ánh sáng tới và kết quả