Nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite bạc/graphene oxide ứng dụng trong kháng khuẩn - NCS. Nguyễn Minh Đạt

Tên luận án: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite bạc/graphene oxide ứng dụng trong kháng khuẩn
Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học                
Mã số: 9520301
Họ tên NCS: Nguyễn Minh Đạt
Người hướng dẫn:     PGS. TS. Nguyễn Hữu Hiếu
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Về ý nghĩa khoa học: Luận án đã tìm ra mức độ ảnh hưởng của các yếu tố như tỷ lệ các chất phản ứng, nhiệt độ, và thời gian đến quá trình tổng hợp vật liệu. Ngoài ra, bằng quy hoạch thực nghiệm, luận án đã thể hiện ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố nhiệt độ, thời gian, và tỷ lệ tiền chất đến đặc trưng và khả năng kháng khuẩn của vật liệu Ag/GO.
Về ý nghĩa thực tiễn vật liệu Ag/GO tổng hợp được  từ nghiên cứu của luận án có tiềm năng ứng dụng trong chế tạo vải và màng kháng khuẩn. Với đặc tính kháng khuẩn cao, vải Ag/GO-GL/PP có thể được sử dụng để sản xuất vải kháng khuẩn định hướng ứng dụng trong sản phẩm y tế giúp ngăn ngừa sự phát triển của vi khuẩn, giảm nguy cơ nhiễm khuẩn bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Ngoài ra, màng Ag/GO-CL/CTS có khả năng bảo quản thực phẩm, đặc biệt là trái cây, bằng cách ngăn chặn vi khuẩn gây hại, kéo dài thời gian bảo quản và giảm thiểu lãng phí thực phẩm. Đây là giải pháp thân thiện với môi trường và đáp ứng nhu cầu bảo quản thực phẩm sạch và an toàn. Nghiên cứu với mục tiêu phát triển các sản phẩm có tính ứng dụng, phù hợp với nhu cầu phát triển bền vững của xã hội ngày nay.
2. Đóng góp của luận án
Luận án đã tìm được quy trình tổng hợp vật liệu composite Ag/GO bằng hai loại chất khử GLvà CL đã được tìm ra với đầy đủ thông số chi tiết từng công đoạn. Ảnh hưởng của tỷ lệ chất khử, nhiệt độ, thời gian phản ứng, và pH được khảo sát chi tiết và tìm ra được điều kiện phù hợp để tổng hợp Ag/GO có khả năng kháng khuẩn cao. Quy trình chế tạo và biến tính vải kháng khuẩn được đưa ra trong luận án giúp lớp Ag/GO bám tốt trên bề mặt PP và duy trì hiệu quả kháng khuẩn. Ngoài ra, luận án còn đề xuất quy trình chế tạo màng kháng khuẩn từ chitosan kết hợp vật liệu composite Ag/GO. Màng này có khả năng kháng khuẩn tốt, độ bền cơ học tốt và có tính tương thích sinh học, thích hợp để ứng dụng trong bao gói thực phẩm, giúp kéo dài thời gian bảo quản, và đảm bảo chất lượng sản phẩm.
3. Tóm tắt kết quả đạt được
Trong luận án này, vật liệu composite bạc@graphene oxide (Ag/GO) được tổng hợp thành công từ hai tiền chất là graphene oxide (GO) và silver nitrate (AgNO3) sử dụng chất khử hóa học glucose (GL) và dịch chiết thực vật từ củ nghệ (Curcuma longa (CL)); có ký hiệu tương ứng là Ag/GO-GL và Ag/GO-CL. Vải Ag/GO-GL/PP được chế tạo bằng phương pháp phủ nhúng từ vật liệu Ag/GO-GL và poly(propylene) (PP). Đồng thời, màng Ag/GO-CL/CTS được chế tạo từ Ag/GO-CL và chitosan (CTS) bằng phương pháp đúc dung dịch. Điều kiện tổng hợp, đặc trưng, và khả năng kháng khuẩn của Ag/GO-GL, Ag/GO-CL, vải Ag/GO-GL/PP, và màng Ag/GO-CL/CTS được phân tích. Kết luận chi tiết được trình bày như sau.
Vật liệu Ag/GO-GL: Điều kiện tổng hợp như tỷ lệ GL:AgNO3, nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng, và AgNO3:GO đều ảnh hưởng đáng kể đến quá trình hình thành các hạt nano bạc trên các tấm GO. Tỷ lệ khối lượng GL:AgNO¬3:GO phù hợp là 1:1:1, nhiệt độ phản ứng 60oC trong thời gian 60 phút là điều kiện tổng hợp phù hợp tương ứng với vật liệu Ag/GO-GL-4. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X của Ag/GO-GL-4 cho thấy cấu trúc lập phương tâm mặt, đặc trưng của nano bạc (silver nanoparticles (AgNPs)) được hình thành trên các tấm GO. Phổ quang điện tử tia X cho thấy Ag/GO-GL-4 có các nhóm chức chứa oxygen đặc trưng của GO và Ag tồn tại ở hóa trị không đặc trưng của cấu trúc AgNPs. Kết quả phân tích kính hiển vi điện tử truyền qua cho thấy AgNPs giúp giảm độ dày của các tấm GO và phân bố đồng đều trên các tấm GO với kích thước trung bình 16,66 ± 3,73 nm. Vật liệu Ag/GO-GL-4 có khả năng kháng cao đối với cả vi khuẩn Gram âm (P. aegurinosa và S. enterica) và Gram dương  (S. aureus). Nồng độ ức chế 50% sự phát triển vi khuẩn của Ag/GO-GL-4 đối với P. aeruginosa, S. enterica, và S. aureus lần lượt là 0,9; 14,5; và 6,8 µg/mL. Phân tích cơ chế kháng khuẩn cho thấy Ag/GO-GL-4 có khả năng diệt khuẩn nhờ hình thành các gốc tự do và giải phóng ion Ag+. Ngoài ra, Ag/GO-GL-4 có thể tiếp xúc trực tiếp làm biến dạng màng tế bào vi khuẩn góp phần vào quá trình kháng khuẩn.
Vật liệu Ag/GO-CL: Điều kiện tổng hợp như nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng, thể tích AgNO3, và pH đều có ảnh hưởng đến quá trình hình thành AgNPs. Điều kiện hợp là 1 mL dịch chiết, 800 µL dung dịch AgNO3, và nhiệt độ phản ứng 60°C trong thời gian 35 phút ở môi trường pH 10. Ảnh hưởng đồng thời của ba yếu tố thời gian, nhiệt độ, và tỷ lệ AgNO3/dịch chiết được khảo sát bằng mô hình quy hoạch thực nghiệm theo phương pháp bề mặt đáp ứng và các thí nghiệm được thiết kế theo mô hình CCD. Điều kiện phù hợp để tổng hợp vật liệu Ag/GO-CL tìm được là thời gian phản ứng 35 phút ở nhiệt độ 60oC và tỷ lệ AgNO3/dịch chiết là 0,65 tương ứng với vật liệu Ag/GO-CL thu được có kích thước hạt AgNPs trung bình 22,89 nm. Kết quả quy hoạch thực nghiệm đã cho thấy sự tương tác và ảnh hường đồng thời của ba yếu tố tổng hợp này đến kích thước hạt AgNPs hình thành trên các tấm GO. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X của Ag/GO-CL cho thấy cấu trúc lập phương tâm mặt, đặc trưng của nano bạc (AgNPs) được hình thành trên các tấm GO. Phổ quang điện tử tia X cho thấy Ag/GO-GL có các nhóm chức chứa oxygen đặc trưng của GO và Ag tồn tại ở hóa trị 0 đặc trưng của cấu trúc AgNPs. Kết quả phân tích kính hiển vi điện tử truyền qua cho thấy AgNPs giúp giảm độ dày của các tấm GO và phân bố đồng đều trên các tấm GO với kích thước trung bình 10 – 25 nm. Vật liệu Ag/GO-GL có khả năng kháng cao đối với cả vi khuẩn Gram âm và Gram dương. % ức chế vi khuẩn S. aureus, E. coli, và P. aeruginosa lần lượt là 82, 90, và 88% ở nồng độ Ag/GO-CL 100 µg/L.
Vải kháng khuẩn Ag/GO-GL/PP: Được chế tạo từ vật liệu Ag/GO-GL và poly(propylene) (Ag/GO-GL/PP). Tiền xử lý poly(propylene) (PP) bằng HNO3 với dung môi isopropanol là phù hợp để cải thiện độ bám dính của Ag/GO-GL lên bề mặt PP. Thêm vào đó, số lần nhúng và nồng độ Ag/GO-GL thích hợp tìm được lần lượt là 4 và 2 g/L. Kết quả phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X và phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier cho thấy quá trình tiền xử lý và phủ nhúng không làm ảnh hưởng đến cấu trúc của PP. Ảnh SEM cho thấy Ag/GO-GL được phủ đồng đều trên các sợi PP. Vải Ag/GO-GL/PP có khả năng kháng khuẩn cao đối với cả hai loại vi khuẩn Gram âm và Gram dương. Hai phương pháp biến tính khử GO bằng vitamin C và phủ stearic acid đều có thể tạo ra bề mặt kỵ nước Ag/GO-GL/PP mà không làm thay đổi đáng kể đặc trưng và khả năng kháng khuẩn của Ag/GO-GL/PP, đồng thời giúp tăng độ bền của lớp phủ Ag/GO-GL.
Màng kháng khuẩn Ag/GO-CL/CTS: Được tổng hợp từ vật liệu Ag/GO-CL kết hợp với chitosan. Kết quả phân tích cho thấy độ dày màng và % khối lượng Ag/GO-CL ảnh hưởng đáng kể đến đặc trưng của màng của màng. Màng Ag/GO-CL/CTS-0.350-3 được chế tạo trong điều kiện phù hợp 0,350 mL/cm2 và 3% khối lượng Ag/GO-CL. Màng này  có khả năng kháng khuẩn đối với cả vi khuẩn Gram âm và Gram dương và có làm tăng thời gian bảo quản chuối. Quả chuối phủ màng Ag/GO-CL/CTS-0.350-3 cho thấy tốc độ chín chậm hơn, độ cứng cao hơn, hàm lượng đường và ethanol tổng thấp hơn, và không có dấu hiệu bị mốc sau 10 ngày bảo quản. Ngoài ra, hàm lượng bạc thấp được giải phóng vào bên trong vỏ chuối cho thấy mức độ an toàn của màng khi sử dụng bảo quản trái cây. Kết quả nghiên cứu cho thấy tiềm năng ứng dụng của Ag/GO-CL trong chế tạo màng bảo quản thực phẩm ở Việt Nam.
Kết quả luận án cho thấy hai chất khử GL và CL đều có hiệu quả cao trong tổng hợp vật vật liệu Ag/GO. Kích thước AgNPs thu được có kích thước đồng đều. Ag/GO tổng hợp bằng GL và CL đều có hiệu quả cao trong ứng dụng kháng khuẩn. Sự kết hợp giữa Ag/GO-GL và Ag/GO-CL tương ứng với PP và CTS tạo ra vải và màng kháng khuẩn có tiềm năng định hướng ứng dụng trong các lĩnh vực y tế và bảo quản thực phẩm.