Nano bạc được ứng dụng trong sơn tĩnh điện kháng khuẩn

Nano bạc được đặc trưng bởi đặc tính kháng khuẩn phổ rộng, mạnh và ổn định, khiến nó trở thành vật liệu đầy hứa hẹn trong các ứng dụng phủ. Tuy nhiên, hiệu quả của nano bạc nhìn chung thấp trong việc phủ màng. Tại đây, chúng tôi đã phát triển một loạt chất kháng khuẩn nano bạc – ion bạc có hoạt tính cao và bền cho sơn tĩnh điện. Để tối ưu hóa hoạt tính kháng khuẩn và độ bền, hai phương pháp tạo nano bạc khác nhau, tức là phương pháp tại chỗ và ngoài hiện trường kết hợp với các vật liệu mang khác nhau, tức là zeolite có khả năng trao đổi ion cao và montmorillonite có cấu trúc phân lớp đã được áp dụng và nghiên cứu. Cả bốn chất phụ gia kháng khuẩn đều cho thấy hoạt tính cao với tỷ lệ khử trên 99,99% và giá trị R trên 5. Chất kháng khuẩn nano bạc ex situ tạo ra với cả hai chất mang đều thể hiện hoạt tính cao hơn về đặc tính kháng khuẩn ban đầu và độ bền kháng khuẩn mà màng phủ đạt được. có thể duy trì mức giảm kháng khuẩn trên 99% sau 20 chu kỳ (1200 lần) lau bằng dung dịch xà phòng. Chúng cũng cho thấy mức chênh lệch màu hơi vàng thấp hơn so với các màng sử dụng phương pháp tạo tại chỗ. Loại có montmorillonite làm chất mang cho thấy đặc tính kháng khuẩn mạnh hơn với giá trị R là 5,88 và hình thức màng tốt hơn một chút với độ chênh lệch màu thấp hơn, giảm độ bóng nhỏ hơn và tăng độ đục so với chất mang zeolit ​​do cấu trúc phân lớp.

Giới thiệu

Sơn tĩnh điện là loại sơn thân thiện với môi trường, có ưu điểm là không phát thải VOC, chi phí thấp, hiệu quả cao và tỷ lệ thu hồi cao 98% so với sơn lỏng truyền thống [ 1 , 2 ]. Với mức sống ngày càng được cải thiện, đặc biệt là sau khi dịch Covid-19 bùng phát vào năm 2019, mọi người chú ý hơn đến điều kiện sức khỏe và vệ sinh của mình. Các mầm bệnh thường có thể tồn tại trên các bề mặt vô tri trong nhiều giờ, nhiều ngày, nhiều tuần hoặc thậm chí lâu hơn, ví dụ thời gian tồn tại của Covid-19 trên bề mặt đồ vật có thể lên tới vài ngày [ 3 , 4 ]. Không thể bỏ qua tình trạng ô nhiễm do vi sinh vật gây ra trong gia đình và môi trường công cộng. Do đó, lớp phủ bột kháng khuẩn chức năng, có thể tiêu diệt vi khuẩn và vi rút trên bề mặt đồ vật và ngăn chặn sự lây truyền gián tiếp của vi khuẩn / vi rút gây bệnh, ngày càng thu hút sự chú ý trong những năm gần đây.

Các chất kháng khuẩn gốc bạc được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống phủ vì phổ rộng, hiệu suất ổn định, đặc tính kháng khuẩn mạnh và không kháng thuốc [ 5 ]. Chúng không chỉ có tác dụng diệt khuẩn tốt đối với vi khuẩn gram dương, vi khuẩn gram âm và nấm [ 6 ] mà còn có tác dụng khử trùng và khử trùng đối với một số loại virus, chẳng hạn như virus viêm gan B, HIV, v.v. [ 7 , 8 ]. Cơ chế gây độc nói chung được coi là chúng có thể làm thay đổi tính thấm của thành tế bào, giảm năng lượng nội bào, phá hủy gradient proton xuyên màng, chiếm vị trí hoạt động của enzyme, làm biến tính protein và tạo ra các loại oxy phản ứng, v.v. [ 9 , 10 , 11 , 12 ].

Hiện nay, chất kháng khuẩn bạc được sử dụng trong lớp phủ nói chung là các ion bạc được nạp trên chất mang zeolit. Là một chất kháng khuẩn giải phóng, các ion bạc được giải phóng thông qua trao đổi ion với các ion môi trường và khuếch tán, di chuyển đến bề mặt lớp phủ để đóng vai trò diệt khuẩn. Tuy nhiên, các chất kháng khuẩn dựa trên đặc tính trao đổi ion rất dễ giải phóng ion bạc trong điều kiện ẩm ướt hoặc trong quá trình làm sạch lớp phủ, dẫn đến mất ion bạc nhanh chóng và do đó độ bền của lớp phủ kém [ 13 ]. Trong những năm gần đây, chất kháng khuẩn hạt nano bạc được kỳ vọng sẽ giải quyết được vấn đề giải phóng dư thừa và bảo quản không đủ. Là một dạng chất kháng khuẩn bạc khác, hoạt động sinh học của hạt nano bạc thường được coi là được thực hiện bằng quá trình oxy hóa thành các ion bạc hoạt động [ 14 ]. Sự giải phóng ion bạc chậm nhưng bền vững từ nano bạc khiến nó có tiềm năng như một bể chứa ion bạc và nâng cao độ bền của lớp phủ kháng khuẩn [ 15 ].

Trong nghiên cứu trước đây, nhóm chúng tôi đã phát triển chất kháng khuẩn tổng hợp ion nano-bạc-bạc. Với nano bạc là chất bổ sung cho các ion bạc, nó phối hợp với ion bạc để kéo dài đáng kể độ bền của lớp phủ kháng khuẩn. Tuy nhiên, các hạt nano bạc thương mại có kích thước hạt lớn (50–60 nm) đã được sử dụng và hoạt tính của chúng tương đối thấp. Khi phần lớn ion bạc được tiêu thụ, chức năng diệt khuẩn hiệu quả không thể đạt được nếu chỉ dựa vào quá trình oxy hóa nano bạc [ 16 ]. Được biết, phản ứng kích hoạt của nano bạc chủ yếu xảy ra trên bề mặt của hạt nano và khả năng phản ứng của nó liên quan trực tiếp đến diện tích bề mặt tiếp xúc cụ thể [ 17 , 18 ]. Các hạt nhỏ có diện tích bề mặt riêng lớn thường có hoạt tính kháng khuẩn mạnh. Vì vậy, để đạt được tác dụng hiệp đồng lâu dài của nano bạc và ion bạc, nano bạc tự chế đã được áp dụng thay cho nano bạc thương mại có kích thước hạt lớn. Có nhiều cách điều chế nano bạc, bao gồm các phương pháp vật lý, hóa học và sinh học [ 17 , 19 , 20 , 21 ]. Các con đường tổng hợp sinh học thân thiện với môi trường, nhưng khả năng tái sản xuất tương đối kém đã hạn chế ứng dụng của chúng [ 22 ]. Phương pháp tổng hợp hóa học truyền thống rất dễ thực hiện và có thể lặp lại nên được áp dụng trong bài báo này. Nano bạc được điều chế theo hai cách thông qua quá trình khử hóa học, cụ thể là tạo tại chỗ và tạo ra ngoài hiện trường. Đối với phương pháp tổng hợp tại chỗ, các ion bạc được khử trực tiếp trên chất mang, trong khi bạc nano được tạo sẵn và chuyển sang chất mang, sau đó là phương pháp tổng hợp ngoài hiện trường.

Ngoài ra, vật liệu mang cũng là thông số quan trọng ảnh hưởng đến chức năng của các thành phần hoạt động. Sự sắp xếp của các ion bạc và hạt nano trên các chất mang zeolite và montmorillonite được minh họa trong Hình 1 . Loại thứ nhất có khả năng trao đổi ion mạnh, thường được sử dụng làm chất mang cho các ion bạc [ 23 ]. Tuy nhiên, có thông tin cho rằng nó không phải là chất mang nano bạc tốt và nano bạc chỉ có thể bám vào bề mặt của các hạt zeolite, rất dễ rơi ra [ 16 ]. Montmorillonite là chất mang nano bạc tốt, thuộc nhóm silicat phân lớp [ 24 ]. Mặc dù khả năng trao đổi ion yếu hơn so với zeolite nhưng miền giữa các lớp có thể chứa nano bạc, do đó hàm lượng nano bạc có thể tăng lên khi sử dụng chất mang này. Hơn nữa, do kích thước của miền xen kẽ có hạn nên kích thước của hạt nano bạc có thể được kiểm soát để thu được hạt nano bạc đồng nhất với kích thước hạt nhỏ. Vì vậy, bài báo này cũng nghiên cứu ảnh hưởng của chất mang zeolite thích hợp để giữ các ion bạc và chất mang montmorillonite thích hợp để chứa nano bạc. Đặc tính kháng khuẩn và độ bền của lớp phủ được nghiên cứu trên sự kết hợp khác nhau của chất mang và nano bạc được tổng hợp từ các phương pháp khác nhau. Bài báo này nghiên cứu tác dụng kết hợp giữa chất mang và thành phần hoạt chất và sẽ hướng dẫn điều chế chất kháng khuẩn nano bạc hoạt tính và bền bỉ, đặc biệt là thiết kế chất mang và sàng lọc chế độ tải bạc tương ứng.

Hình 1. Sự điều tiết của các ion bạc và hạt nano trên zeolite và montmorillonite.

2. Phần thí nghiệm

2.1. Nguyên vật liệu

Sơn bột polyester được cung cấp bởi Công ty TNHH Công nghệ Bột Huajiang Quảng Đông, Triệu Khánh, Trung Quốc. Zeolit ​​​​loại A và montmorillonite (mẫu K10) được sử dụng làm vật liệu mang, được cung cấp bởi PQ Corporation và Clariant Chemicals. Ảnh SEM của chúng được hiển thị trong Hình 2 . Bạc nitrat (AgNO ₃ , độ tinh khiết > 99,9%), đồng nitrat trihydrat (Cu(NO ₃ ) ₂ ·3H ₂ O, độ tinh khiết > 99,9%), kẽm nitrat hexahydrat (Zn(NO ₃ ) ₂ ·6H ₂ O, độ tinh khiết > 99,9%), axit α- Lipoic (LA), natri methylcellulose (Na-CMC) và natri alginate (Na-alginate) được mua từ Aladdin Co., Ltd., Tokyo, Nhật Bản. Polyacrylamide (PAM) được lấy từ Hóa chất Yuanli Thiên Tân. Polyvinylpyrrolidone (PVP), natri citrate (SC) và natri borohydride (NaBH ₄ ) đến từ J&K Scientific Co., Ltd., Bắc Kinh, Trung Quốc. E. coli , ATCC25922 được lấy từ Luwei Technology Co., Ltd., Quảng Đông, Trung Quốc. Chất nền phủ được sử dụng là các tấm nhôm của Công ty TNHH Quảng Châu Shenghua BEVS (Quảng Châu, Trung Quốc).

Hình 2. Ảnh SEM của zeolite Linde loại A ( a ) và montmorillonite ( b ).

2.2. Quy trình điều chế phụ gia và chất phủ kháng khuẩn

2.2.1. Điều chế chất phụ gia bằng hạt nano bạc tổng hợp tại chỗ

Vật liệu mang LTA zeolite hoặc montmorillonite được thêm vào dung dịch AgNO ₃ 1 mmol/L để trao đổi ion, ly tâm và rửa bằng nước khử ion. Chất nổi phía trên được lấy và thêm vào dung dịch NaCl 0,1 M trong quá trình rửa để kiểm tra sự hiện diện của ion bạc thông qua phản ứng kết tủa. Sau khi không có kết tủa, AgCl được quan sát thấy, mẫu rắn được lơ lửng trong 100 mL nước khử ion. Một lượng 2 mmol/L dung dịch NaBH ₄ được thêm từ từ vào huyền phù và khuấy liên tục. Zeolite hoặc montmorillonite chứa nano bạc thu được được trộn với dung dịch bạc 0,03 mol/L, đồng 0,06 mol/L và ion kẽm 0,06 mol/L, khuấy trong 5 giờ, sau đó rửa sạch và sấy khô theo quy trình được mô tả trong [ 13 ]. Sau đó, sản phẩm rắn được bổ sung vào dung dịch polyme ưa nước gồm PAM (1 trọng lượng), Na-alginate (3 trọng lượng%) và Na-CMC (7 trọng lượng). Sau khi khuấy ở 60°C cho đến khi tạo thành chất lỏng nhớt, chúng được chuyển vào tủ hút để khô hoàn toàn. Chất rắn thu được được nghiền thành bột mịn và sàng qua rây 600 mắt. Tất cả các dụng cụ thủy tinh được sử dụng đều được ngâm trong dung dịch axit nitric 10% trong 2 giờ và sau đó khử trùng bằng hơi nước áp suất cao trong 20 phút trước khi sử dụng.

2.2.2. Điều chế chất phụ gia với hạt nano bạc tổng hợp ngoài hiện trường

Các hạt nano bạc được điều chế theo quy trình sau: 300 mL dung dịch 2 mmol/NaBH ₄ được trộn tương ứng với 0,3 g PVP và LA. Sau đó, những lượng dung dịch AgNO ₃ khác nhau được thêm từ từ vào dung dịch trong khi khuấy liên tục và nano bạc được hình thành. Một nhóm huyền phù nano bạc khác được điều chế bằng cách sử dụng 300 mL dung dịch natri citrat 2 mmol/L và 50 mL dung dịch bạc nitrat với quy trình tương tự.

Zeolite LTA và montmorillonite trao đổi ion đã được điều chế theo công việc trước đây của chúng tôi [ 13 ]. Tổng cộng 0,5 g zeolite hoặc montmorillonite LTA trao đổi ion được trộn với huyền phù nano bạc và hỗn hợp này được khuấy trong 1 giờ ở nhiệt độ phòng. Sau đó, 1% trọng lượng dung dịch etanol axit lipoic được thêm vào và tiếp tục khuấy trong một giờ nữa. Sau đó, huyền phù này được trộn với dung dịch polyme ưa nước của PAM, Na-alginate và Na-CMC, được làm khô và nghiền, theo quy trình tương tự như điều chế các chất phụ gia bằng hạt nano bạc tại chỗ. Các mẫu phụ gia đã được xác định, như thể hiện trong Bảng 1 .

Bảng 1. Mô tả và công bố các chất phụ gia kháng khuẩn đã bào chế.

2.2.3. Chuẩn bị lớp phủ kháng khuẩn

Lớp phủ bột polyester được trộn với các chất phụ gia kháng khuẩn (2,0% trọng lượng) và liên kết chặt chẽ với các hạt phụ gia bằng phương pháp liên kết áp suất. Bột kháng khuẩn được phun lên tấm nhôm bằng súng phun tĩnh điện corona (Surecoat, Nordson Corp., Westlake, OH, USA) với điện áp hoạt động 40 kV, áp suất không khí 5 bar và khoảng cách phun 40 cm. Sau khi phun xong, tấm được đưa vào lò đối lưu (Wanrui Corp., Thượng Hải, Trung Quốc) để xử lý. Tất cả các mẫu được xử lý ở 200°C trong 10 phút.

2.3. Đặc tính của chất phụ gia và chất phủ kháng khuẩn

2.3.1. Đặc tính của hạt nano bạc và phụ gia

Máy quang phổ nhìn thấy tia cực tím (DR6000, 190–1100nm, HACH, Ames, IA, USA) được sử dụng để phân tích kích thước hạt nano bạc trong chất kháng khuẩn. Phạm vi bước sóng đo là 300–700 nm. Một cuvet thạch anh 1 cm được sử dụng để tránh sự hấp thụ tia cực tím của thủy tinh thông thường. Do hiệu ứng plasma bề mặt, bạc nano hấp thụ ánh sáng có bước sóng cụ thể và thay đổi theo sự thay đổi kích thước hạt.

Hoạt tính kháng khuẩn của các chất phụ gia được đánh giá bằng phương pháp khuếch tán đĩa. Một lượng 0,5 mL huyền phù E. coli có mật độ tế bào xấp xỉ 10,6 ^đơn vị hình thành khuẩn lạc (CFU/m) được thêm vào và trải đều trên môi trường thạch Mueller Hinton (MH). Các đĩa giấy lọc nhỏ (đường kính 6 mm) trước tiên được nhúng vào dung dịch kháng khuẩn 1 g/L rồi sấy khô ở nơi tối. Sau đó, các đĩa giấy chứa chất kháng khuẩn được đưa vào môi trường MH và ủ trong tủ ấm sinh hóa (SPX-70BIII, Công ty TNHH Dụng cụ Taisite Thiên Tân, Thiên Tân, Trung Quốc) ở 37 ° C trong 24 giờ. Đường kính của vòng ức chế được đo bằng thước cặp. Các thử nghiệm kháng khuẩn được tiến hành trong tủ khử trùng bằng tia cực tím (UVC-11, Lab Companion, Billerica, MA, USA). Tất cả các thử nghiệm được thực hiện ba lần và tính giá trị trung bình.

2.3.2. Đặc tính của lớp phủ kháng khuẩn

Hoạt tính kháng khuẩn của lớp phủ được thử nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM E2180-07. Dung dịch vi khuẩn (khoảng 10 ⁶ CFU/mL) được lấy và nhỏ vào từng mẫu thử và nuôi cấy ở 37°C. Các mẫu được lấy ra khỏi tủ ấm ở các thời điểm cấy khác nhau và đo CFU của vi sinh vật của từng mẫu. Mẫu lớp phủ không có chất phụ gia kháng khuẩn được xác định là mẫu đối chứng. Mỗi bài kiểm tra được thực hiện trong ba lần. Tỷ lệ giảm được tính như sau:

Ở đây X0 là số lượng vi sinh vật sau thời gian ủ 6 giờ đối với lớp phủ đối chứng và X đại diện cho giá trị trung bình của lớp phủ mẫu.

Để đánh giá chính xác hơn hoạt tính kháng khuẩn, giá trị R [ 25 ] của sự thay đổi số lượng vi sinh vật được xác định trong thí nghiệm theo Công thức (2).

Trong đó A đại diện cho số lượng vi sinh vật tại thời điểm ban đầu, B và C lần lượt là số lượng vi sinh vật trung bình trong nhóm đối chứng và trong đĩa kháng khuẩn sau 6 giờ. Theo tiêu chuẩn, tiêu chuẩn đánh giá khả năng kháng khuẩn của bảng kháng khuẩn là giá trị R không nhỏ hơn 2, tức là tỷ lệ kháng khuẩn không dưới 99%.

Hoạt tính độ bền được kiểm tra bằng phương pháp lau. Một miếng bọt biển (2 cm × 2 cm) ngâm với dung dịch xà phòng rửa chén 2,5 g/L cố định trên máy thử độ mài mòn đa chức năng (860, Xiangmin, Trung Quốc) đã được sử dụng để lau lớp phủ. Một lượng vật nặng 800 g được đặt vào để tạo áp suất 20 kPa. Một chu kỳ được định nghĩa là một lần xóa qua lại 60 lần. Hoạt tính kháng khuẩn được đo trước và sau khi lau.

Sự xuất hiện của lớp phủ cũng được đánh giá. Độ bóng và độ khác biệt của hình ảnh (DOI) được kiểm tra bằng thiết bị Rhopoint IQ. Sự thay đổi màu vàng của lớp phủ được đo bằng máy đo màu (WF32, Shanghai Jiabiao, Thượng Hải, Trung Quốc).

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Tổng hợp hạt nano bạc

Dưới tác dụng khử của NaBH4 _, Ag ⁺ nhanh chóng bị khử thành Ag ⁰ và những Ag ⁰ mịn này nhanh chóng hợp nhất thành hạt nhân tinh thể. Quá trình này thường xảy ra trong vòng 200 ms và màu dung dịch nhạt [ 17 ]. Sau đó, các hạt nhân này va chạm và hợp nhất liên tục để thu được các hạt nhân lớn hơn và thu được nano bạc thông qua quá trình hợp nhất và phát triển liên tục. Việc bổ sung các chất xử lý bề mặt sẽ ức chế sự phát triển hơn nữa của các tinh thể. Một đầu của các tác nhân bề mặt này liên kết với nano bạc, đầu còn lại mang điện tích hoặc có nhóm lực đẩy, khiến các hạt nano bạc đẩy nhau và duy trì độ phân tán tốt. Với thời gian kéo dài, do năng lượng bề mặt cao của các hạt mịn, chúng dần dần hòa tan trong quá trình chín và thúc đẩy sự phát triển dần dần của các hạt lớn, đó là quá trình được gọi là quá trình chín Ostwald. Khi màu của dung dịch không còn thay đổi thì thu được dung dịch nano bạc sau khi chín.

Như được hiển thị trong Hình 1 , trạng thái của dung dịch nano bạc thu được bởi PVP và LA là tương tự nhau. Theo quá trình điện khí hóa của các chất xử lý bề mặt khác nhau, bề mặt của nano bạc được biến tính bởi PVP là trung hòa về điện và bề mặt được biến tính bởi LA là với các nhóm cacboxyl. Do số lượng nhóm hydroxyl trên bề mặt của montmorillonite ít hơn so với zeolite LTA nên nó có thể không liên kết chắc chắn với nhóm carboxyl đầu cuối LA, trong khi PVP polymer chuỗi dài dễ dàng liên kết hơn với cấu trúc vi mô montmorillonite. Do đó, các hạt nano bạc phủ PVP được sử dụng làm chất mang montmorillonite, trong khi zeolite LTA chọn các hạt nano bạc phủ LA.

Đối với bạc nano được khử bằng natri citrat, natri citrat đóng vai trò vừa là chất khử vừa là chất xử lý bề mặt. Như được hiển thị trong Hình 1 , màu chất lỏng nhạt khi sử dụng natri citrate để khử, điều này cho thấy hàm lượng nano bạc được tạo ra thấp. Điều này chủ yếu là do khả năng khử của natri citrat yếu nên phần lớn ion bạc không bị khử. Tuy nhiên, natri citrat có tác dụng rõ rệt đối với sự phát triển của nhân tinh thể nên có thể hợp tác với NaBH ₄ để kiểm soát kích thước hạt của nano bạc [ 17 ]. Trong giai đoạn đầu của phản ứng khử, các ion bạc được ưu tiên khử để tạo thành các hạt nhỏ hơn. Sau khi hình thành cụm nano bạc, độ pH của dung dịch chuyển sang kiềm. Lúc này, dưới tác dụng của natri citrat, các ion bạc bị khử dần dần thành bạc nguyên tố trên bề mặt nano bạc, thúc đẩy sự phát triển của hạt nhân tinh thể.

Ngoài ra, để nạp thêm nano bạc vào vật mang, người ta đã chuẩn bị nano bạc với các nồng độ khác nhau. Hình 3 cho thấy hình ảnh và phổ UV nhìn thấy được của nano bạc ở các nồng độ khác nhau. Như trong hình, đỉnh hấp thụ tối đa của nano bạc với nồng độ nhỏ hơn 0,001 và 0,01 mg/mL là khoảng 400 nm, điều này cho thấy nano bạc có kích thước hạt nhỏ hơn. Với sự gia tăng nồng độ, sự va chạm giữa các hạt nano bạc tăng lên, các hạt bạc lớn hơn được hình thành, được xác minh bằng màu sẫm hơn của huyền phù, điều này cũng được quan sát thấy từ các nghiên cứu khác [ 17 , 21 ]. Khi tăng lên 1 mg/mL, màu của huyền phù trở thành xám đen. Có thể thấy trong phổ UV rằng đỉnh hấp thụ cực đại dịch chuyển sang phải khi tăng nồng độ, đạt khoảng 450 nm ở mức 1 mg/mL. Hơn nữa, với sự gia tăng nồng độ, chiều rộng của mỗi đỉnh hấp thụ cũng tăng lên, cho thấy sự phân bố kích thước hạt tăng lên và nồng độ nano bạc cao dẫn đến sự phân bố kích thước hạt rộng hơn. Mặc dù huyền phù nano bạc có nồng độ cao có thể mang lại sự thuận tiện cho việc điều chế các chất kháng khuẩn nhưng kích thước hạt và sự phân bố lớn hơn lại không thuận lợi cho đặc tính kháng khuẩn. Sự phân bố kích thước hạt đồng đều có lợi cho hoạt động kháng khuẩn của nano bạc. Sự phân bố cực đại hấp thụ của dung dịch bạc nano 0,05 mg/L là hẹp, phân bố kích thước hạt tương đối nhỏ và cực đại hấp thụ là khoảng 405 nm, cho thấy kích thước hạt nhỏ khoảng 10–20 nm, mang lại hiệu quả cao tải trọng và hoạt tính kháng khuẩn cao của hạt nano bạc.

Hình 3. ( a ) Hình ảnh các dung dịch AgNP được điều chế bằng các chất bảo vệ khác nhau: PVP, LA và SC (từ trái sang phải); ( b ) hình ảnh; và ( c ) Phổ UV-vis của các dung dịch AgNP được điều chế ở các nồng độ khác nhau của hạt nano bạc sử dụng PVP làm chất đóng nắp và NaNH ₄ và SC làm chất khử: 0,001 mg/mL, 0,01 mg/mL, 0,05 mg/mL, 0,1 mg/ mL và 1 mg/mL (từ trái sang phải).

3.2. Đặc tính kháng khuẩn của các chất kháng khuẩn tổng hợp

Kết quả thử nghiệm vòng ức chế của bốn chất kháng khuẩn chống lại Escherichia coli được thể hiện trong Hình 4 . Từ hình vẽ có thể thấy rằng nhóm đối chứng không có chất kháng khuẩn không biểu hiện vùng kháng khuẩn nào, trong khi tất cả các chất kháng khuẩn đều biểu hiện vùng kháng khuẩn, cho thấy chất kháng khuẩn có hoạt tính kháng khuẩn.

Hình 4. Vùng ức chế của ( a ) chất phụ gia có AgNP tổng hợp ngoài hiện trường và ( b ) chất phụ gia có AgNP tổng hợp tại chỗ: 1. AgNPs(a)-Z; 2. AgNP(a)-M; 3. AgNP(b)-Z; 4. AgNP(b)-M; và 5. Kiểm soát.

Đường kính vùng ức chế xác định bằng thước cặp được thể hiện trong Bảng 2 . Có thể thấy rằng tất cả các tác nhân đều có đường kính vùng ức chế tương tự nhau với sự khác biệt nhỏ. Tác dụng kháng khuẩn của hạt nano bạc tại chỗ nhìn chung yếu hơn so với hạt nano bạc ngoài hiện trường. AgNPs(b)-Z thể hiện khả năng kháng khuẩn yếu nhất. Trong quá trình tổng hợp AgNP tại chỗ, các ion bạc lần đầu tiên được trao đổi trong các lỗ của các hạt zeolit. Khi bị khử, nhiều hạt bạc sinh ra chiếm không gian bên trong của zeolit, tràn vào các lỗ rỗng và bao phủ bề mặt của các hạt zeolit, ảnh hưởng nghiêm trọng đến quá trình trao đổi ion tiếp theo. Do đó, lượng ion bạc mà chất kháng khuẩn có thể trao đổi là nhỏ, không thể tạo thành tác dụng kháng khuẩn tổng hợp của hạt nano bạc và ion bạc, đồng thời đặc tính kháng khuẩn tức thời tương đối kém. AgNPs(b)-M hoạt động tốt hơn một chút so với AgNPs(b)-Z, đó là do cấu trúc khác nhau của montmorillonite và zeolit. Sự hình thành tại chỗ của các hạt nano bạc từ montmorillonite chủ yếu xảy ra ở miền xen kẽ. Do giới hạn của miền xen kẽ nên kích thước hạt nano bạc tạo ra nhỏ hơn, giúp tăng cường tác dụng kháng khuẩn của hạt nano bạc. Ngoài ra, không gian của miền xen kẽ trở nên lớn hơn sau khi hình thành nano bạc, có thể tăng từ 1,45 nm lên 1,54 nm [ 13 , 26 ]. Miền giữa các lớp tăng lên không chỉ không thể chứa một lượng lớn nano bạc mà còn cung cấp nhiều không gian và vị trí hơn cho quá trình trao đổi ion tiếp theo.

Bảng 2. Đường kính vùng ức chế của các chất kháng khuẩn.

Mặc dù các hạt nano bạc được hình thành bởi AgNPs(b)-M trong miền giữa các lớp có kích thước nhỏ hơn, thường nhỏ hơn 2 nm, nhưng các hạt nano bạc liên kết chắc chắn trong miền giữa các lớp, khiến quá trình oxy hóa trở nên khó khăn hơn [ 27 ]. So với chất kháng khuẩn AgNPs(a)-M, nano bạc được thêm vào chủ yếu được gắn vào các lỗ của montmorillonite hơn là đi vào miền xen kẽ. Bạc nano được tạo sẵn không chiếm không gian miền giữa các lớp, chủ yếu dành cho các vị trí trao đổi ion của các ion bạc. Do đó, đặc tính kháng khuẩn của AgNPs(a)-M tốt hơn AgNPs(b)-M.

So với montmorillonite, chất mang zeolit ​​dễ giải phóng ion bạc hơn. Montmorillonite có nhiều lỗ chân lông hơn và các ion trao đổi cần khuếch tán qua các lỗ chân lông nên khả năng kháng khuẩn tức thời hơi kém. Ngoài ra, các ion có thể trao đổi, bạc, đồng và kẽm, nằm trong miền xen kẽ của montmorillonite và có ái lực mạnh với chất mang nên khó giải hấp [ 26 ]. Vì vậy, mặc dù hạt nano bạc có kích thước hạt nhỏ nhưng đặc tính kháng khuẩn tức thời của AgNPs(a)-M không tốt bằng AgNPs(a)-Z.

3.3. Đặc tính kháng khuẩn và độ bền của lớp phủ kháng khuẩn

Bảng 3 thể hiện kết quả thử nghiệm khả năng kháng khuẩn của lớp phủ kháng khuẩn. Số lượng vi khuẩn ban đầu là 3,5 × 10 ⁶ CFU/mL; nếu không thêm chất kháng khuẩn thì số lượng vi khuẩn sẽ tăng lên 6,9 × 10 ⁸ CFU/mL sau 24 giờ. So với mẫu đối chứng, số lượng vi khuẩn trên mỗi màng phủ kháng khuẩn đều giảm 5–6 bậc độ lớn và tỷ lệ giảm hơn 99,99%. Để phân biệt hiệu suất của lớp phủ kháng khuẩn, giá trị R được tính theo Công thức (2). Kết quả cho thấy giá trị R của 4 chất kháng khuẩn đều lớn hơn 5, cho thấy đặc tính kháng khuẩn tuyệt vời. Đặc tính kháng khuẩn của lớp phủ kháng khuẩn hơi khác so với đặc tính kháng khuẩn của chất kháng khuẩn, đó là do môi trường thử nghiệm khác nhau. Trong quá trình thử nghiệm vòng kìm khuẩn, là môi trường thử nghiệm khép kín không đủ oxy, nano bạc rất khó bị oxy hóa. Vì vậy, hoạt tính kháng khuẩn chủ yếu đến từ sự trao đổi ion bạc trên chất mang. Mặt khác, môi trường thử nghiệm lớp phủ thuận lợi hơn, các ion môi trường và oxy dồi dào hơn nên bên cạnh các ion bạc có sẵn, chức năng kháng khuẩn của nano bạc còn được thực hiện bằng cách tạo ra các ion hoạt tính mới.

Bảng 3. Hiệu suất kháng khuẩn của lớp phủ.

Chất kháng khuẩn với montmorillonite làm chất mang sử dụng hạt nano bạc thế hệ ex situ có nhiều ưu điểm hơn zeolit. Điều này là do montmorillonite có số lượng macropores lớn và đường kính lỗ rỗng trung bình là 6,25 nm, lớn hơn nhiều so với zeolite LTA là 0,39 nm. Do đó, có đủ không gian để chứa nano bạc được tạo sẵn, có thể bị oxy hóa và ion hóa để tạo ra các ion bạc nhằm cung cấp hoạt tính kháng khuẩn. Trong thử nghiệm vùng ức chế kháng khuẩn, chất mang montmorillonite yếu hơn chất mang zeolit ​​do sự khuếch tán ion bên trong. Tuy nhiên, lượng lớn ion hóa oxy hóa từ nano bạc đã bù đắp cho khuyết điểm này. Đồng thời, gradient nồng độ lớn hơn sẽ tăng tốc hiệu quả khuếch tán.

AgNP(b)-Z và AgNP(b)-M có nano bạc tại chỗ có đặc tính kháng khuẩn yếu hơn. Lý do phù hợp với lời giải thích về hoạt tính của chất kháng khuẩn. Trong quá trình điều chế, các ion bạc đầu tiên bị khử và các hạt bạc thu được chiếm bề mặt của zeolite hoặc lấp đầy các lỗ của montmorillonite, cản trở quá trình trao đổi ion tiếp theo và do đó làm giảm hoạt tính kháng khuẩn ngay lập tức.

Hình 5 và Bảng S1 thể hiện kết quả thử nghiệm độ bền của lớp phủ kháng khuẩn. Hoạt tính kháng khuẩn của bốn chất kháng khuẩn sau nhiều lần giặt và lau đã được thử nghiệm. Tất cả các thử nghiệm được thực hiện ba lần và độ lệch chuẩn tương đối đều nằm trong khoảng 5%, cho thấy độ lặp lại và độ tin cậy tốt. Tương tự như đặc tính kháng khuẩn tức thời, AgNPs(a)-Z và AgNPs(a)-M được tạo ra bằng quá trình khử dị dưỡng của hạt nano bạc cũng cho thấy độ bền cao hơn, có thể chịu được trên 20 chu trình giặt (1200 lần). Sự suy giảm tốc độ kháng khuẩn của cả hai lớp phủ tương đối nhẹ, cho thấy sự giải phóng các hoạt chất kháng khuẩn tương đối ổn định. Như đã phân tích về hoạt động tức thời của chúng, AgNP(a)-Z thiên về hoạt động của ion bạc hơn và AgNP(a)-M bị chi phối bởi hoạt động hiệp đồng của bạc ion và bạc nano. Cả hai tình huống đều dẫn đến kết quả về độ bền tương tự nhau. Độ bền kháng khuẩn tốt hơn nhiều so với lớp phủ ion bạc, tỷ lệ kháng khuẩn giảm xuống dưới 99% sau 12 chu kỳ giặt [ 13 ]. Kết quả xác minh chức năng chứa của hạt nano bạc. Hơn nữa, AgNP(a)-M và AgNPs(a)-Z cho thấy hoạt tính cao hơn một chút khi so sánh với các chất nano bạc thương mại sau 20 chu kỳ giặt [ 16 ].

Hình 5. Độ bền của lớp phủ kháng khuẩn.

Chất kháng khuẩn AgNPs(b)-Z có đặc tính kháng khuẩn thấp nhất, tỷ lệ khử giảm xuống dưới 99% (R < 2) ở chu kỳ thứ 15. Do thể tích lồng α của zeolit ​​LTA rất nhỏ, khoảng 700Å ³ , nên các hạt bạc thu được từ quá trình khử sẽ rời khỏi phần bên trong zeolit ​​trên bề mặt dưới áp suất của không gian hẹp và bám vào bề mặt zeolit ​​thông qua lực van der Waals, tạo thành một Lớp nano bạc cản trở quá trình trao đổi ion bạc tiếp theo dẫn đến lượng ion bạc có tác dụng kháng khuẩn không đủ. Trong quá trình giặt, các ion bạc bị tiêu hao dần, tác dụng hiệp đồng của các ion nano bạc-bạc mất dần nên độ bền bị suy yếu. Ngoài ra, nano bạc được tạo ra liên kết yếu với bề mặt chất mang bởi lực van der Waals, nano bạc có khả năng rơi ra khỏi zeolit ​​và mất khả năng kháng khuẩn.

So với AgNPs(b)-Z, AgNPs(b)-M với montmorillonite thể hiện độ bền tốt hơn, vì nó là chất mang AgNP tốt hơn và có lỗ xốp lớn hơn, nơi các hạt nano bạc có thể được lắng xuống. Nano bạc được tạo ra ở giai đoạn đầu chủ yếu tồn tại ở miền xen kẽ, vừa là không gian lưu trữ của nano bạc vừa là nơi trao đổi của các ion bạc. Với việc bao bọc các vật liệu ưa nước, tác dụng hiệp đồng của các ion nano-bạc-bạc sẽ dễ dàng hoạt động hơn. Tuy nhiên, một số tài liệu cho thấy trong quá trình trao đổi ion, một số ion bạc cũng sẽ thay thế nano bạc, đẩy nano bạc ra khỏi miền xen kẽ và chiếm giữ các lỗ chân lông, khiến các lỗ chân lông bị tắc nghẽn và quá trình trao đổi ion bị cản trở. do đó bị hạn chế [ 28 , 29 ]. Do đó, độ bền của nó kém hơn so với hạt nano bạc ngoài hiện trường.

3.4. Sự xuất hiện của lớp phủ kháng khuẩn

Sự khác biệt về màu sắc của lớp phủ kháng khuẩn được thể hiện trong Hình 6 và Bảng S2 . Hiệu ứng ố vàng là do bạc tổng hợp và các ion bạc bị khử trong quá trình đóng rắn. Nano bạc được tạo ra tại chỗ có màu vàng lớn hơn, đó là do hàm lượng nano bạc kích thước hạt nhỏ được bổ sung được tạo ra tại chỗ. Ngoài ra, nano bạc được nạp sẽ hấp thụ một lượng lớn ion bạc trong quá trình trao đổi ion tiếp theo. Các ion bạc này không được hình thành bên trong chất mang mà trên bề mặt của nano bạc nên dễ bị khử làm cho màng bị ố vàng trong quá trình đóng rắn. Cũng có thể thấy rằng montmorillonite với vai trò là chất mang có tác dụng làm giảm hiện tượng ố vàng. Điều này là do các lỗ chân lông trong montmorillonite tương đối phong phú và các lỗ chân lông phức tạp cho phép các ion nano bạc và bạc được đưa vào montmorillonite, làm giảm lượng nano bạc tiếp xúc, có tác dụng bảo vệ nhất định. Đồng thời, sự khuếch tán của các ion bạc ra bề mặt bên ngoài đòi hỏi một năng lượng khuếch tán nhất định nên cũng phần nào ức chế quá trình khử của các ion bạc. Điều đáng nói là sự thay đổi màu sắc từ các hạt nano bạc bổ sung đã được biết đến, vì vậy những thay đổi này có thể tránh được bằng cách điều chỉnh việc bổ sung các sắc tố, điều này có thể không phải là vấn đề trong ứng dụng thực tế.

Hình 6. Ảnh hưởng của phụ gia kháng khuẩn đến sự khác biệt màu vàng của lớp phủ.

Hình 7 và Bảng S3 cho thấy ảnh hưởng của chất kháng khuẩn đến độ bóng và độ mờ của bề mặt màng. Khi không có chất kháng khuẩn, nó có độ bóng cao và độ mờ thấp. Sau khi thêm chất kháng khuẩn, độ bóng giảm và độ đục tăng lên. Có thể thấy rằng độ mờ của lớp phủ kháng khuẩn với montmorillonite làm chất mang thấp. Một lý do là các hạt montmorillonite lớn hơn và có hiệu ứng tán xạ ánh sáng ít hơn. Nguyên nhân khác là nano bạc chủ yếu tồn tại trong các lỗ của montmorillonite và ít hơn khi tập hợp nano bạc nằm ở bên ngoài. Người ta cũng nhận thấy rằng độ bóng của lớp phủ kháng khuẩn bằng nano bạc ngoài hiện trường giảm ở mức độ cao hơn so với độ bóng của lớp phủ nano bạc tại chỗ. Điều này có thể là do nano bạc tại chỗ liên kết chặt chẽ với chất mang và khó tách khỏi chất mang.

Hình 7. Ảnh hưởng của các chất phụ gia kháng khuẩn đến độ bóng và sương mù.

4.Kết luận

Trong bài báo này, zeolite và montmorillonite được chọn làm chất mang cho các chất kháng khuẩn tổng hợp ion bạc nano bạc, vì zeolite và montmorillonite lần lượt là những chất mang tốt cho bạc ion và nano bạc. Hai phương pháp đã được áp dụng để điều chế hạt nano bạc: phương pháp tổng hợp tại chỗ và tại chỗ. Trong phương pháp trước đây, nano bạc được chuẩn bị ngay tại chỗ và sau đó được nạp vào chất mang, trong khi phương pháp còn lại trực tiếp tạo ra nano bạc trên chất mang. Kết quả thực nghiệm cho thấy chất kháng khuẩn nano bạc ex situ tạo ra có hiệu quả tốt hơn về đặc tính kháng khuẩn ban đầu và độ bền kháng khuẩn, còn chất kháng khuẩn ex situ với montmorillonite làm chất mang có đặc tính kháng khuẩn ban đầu mạnh nhất. Về hình thức lớp phủ, bạc nano được tạo ra ngoài hiện trường làm tăng mức độ ố vàng của màng phủ ở mức độ nhỏ hơn, trong khi bạc nano với montmorillonite làm chất mang ít ảnh hưởng đến độ bóng của màng hơn so với zeolit. Có thể kết luận rằng loại chất mang và phương pháp nạp hạt nano bạc đóng vai trò quan trọng trong hoạt tính kháng khuẩn và chất lượng lớp phủ. Do đó, việc thiết kế một chất mang xốp phù hợp với các vị trí trao đổi ion thích hợp để chứa cả hạt nano bạc và ion bạc rất đáng để khám phá cũng như sàng lọc các phương pháp nạp bạc tương ứng.

Nguồn tham khảo: Fabrication of Nano-Silver–Silver Ion Composite Antibacterial Agents for Green Powder Coatings
by Haiping Zhang 1,Jixing Cui 1,Jesse Zhu 1,2ORCID,Yuanyuan Shao 3,4 andHui Zhang 2,5,*
first
School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China
2
Department of Chemical and Biochemical Engineering, Western University, London, ON N6A 3K7, Canada
3
Nottingham Ningbo China Beacons of Excellence Research and Innovation Institute, The University of Nottingham Ningbo China, Ningbo 315100, China
4
Particle Technology Industrial Engineering Center, Zhejiang Institute of Tianjin University, Shaoxing 312300, China
5
School of Chemical Engineering and Light Industry, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China