Chế tạo vải không dệt kháng khuẩn sử dụng Graphene Nanoribbon và nano bạc bằng phương pháp nhúng tẩm (thời gian ngắn)

TÓM TẮT:

Nghiên cứu khảo sát tính kháng khuẩn của vải không dệt khi sử dụng kết hợp nano bạc và vật liệu dải nano Graphene (Graphene Nanoribbon). Những phương pháp như quang phổ UV-Vis, kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) được sử dụng để đánh giá sự xuất hiện và phân bố của Graphene Nanoribbon và nano bạc trên vải không dệt. Hoạt tính kháng khuẩn của vải sau khi nhúng tấm Graphene Nanoribbon và nano bạc được thử nghiệm trên hai chủng vi khuẩn E. coli và S. aureus. Kết quả cho thấy, với nồng độ Graphene Nanoribbon 200ppm và nano bạc 315ppm trong dung dịch với thời gian nhúng tẩm <30 giấy thu được vải có nồng độ nano bạc là 157.5 ppm và Graphene Nanoribbon 100 ppm đã cho thấy khả năng kháng khuẩn trên 2 chủng vi khuẩn E. coli và S. aureus.

Từ khóa: nano bạc, Graphene Nanoribbon, vải kháng khuẩn, E. coli, S. aureus.

1. Đặt vấn đề

Trước diễn biến phức tạp của đại dịch Covid-19, biện pháp ngăn chặn lây nhiễm tốt nhất là sử dụng khẩu trang và các loại đồ bảo hộ từ vải, mà thông dụng nhất là vải không dệt. Khẩu trang và các loại quần áo bảo hộ bên cạnh việc bảo vệ người mặc tránh khỏi bụi bẩn, các tác nhân gây hại từ môi trường còn có tác dụng rất lớn trong việc ngăn chặn vi khuẩn và tốt hơn khi được thêm tính năng kháng khuẩn cho vải. Hiện nay, các loại vải thông dụng được sử dụng chủ yếu là vải dệt thoi, dệt kim và vải không dệt, cấu trúc của 3 loại vải này có điểm chung là có các lỗ trống trên bề mặt. Các lỗ trống này cho phép không khí cũng như hơi nước đi qua , do đó cũng chính là con đường để vi khuẩn và các tác nhân gây hại xâm nhập vào cơ thể.

Có 2 phương pháp vật lý và hóa học để giúp vải ngăn chặn vi khuẩn và các tác nhân xâm nhập qua vải, trong đó tác nhân vật lý được cho là an toàn và thân thiện môi trường vì không sử dụng đến hóa chất độc hại. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là làm cho các lỗ trống trên vải nhỏ lại và dày lên, đồng thời dẫn đến khả năng thẩm thấu cũng như không khí đi qua không thuận lợi, dẫn đến các ứng dụng như khẩu trang hay đồ bảo hộ dùng một lần khó ứng dụng. Phương pháp thứ hai là phương pháp hóa lý, đưa các hoạt chất kháng khuẩn lên bề mặt vải trong lúc kéo sợi hoặc sau khi hình thành sản phâm, các hoạt chất thường được sử dụng là ion kim loại, triclosan, amoni bậc 4, chitosan, Nano bạc và gần đây xuất hiện thêm một vật liệu mới là graphene. Hiện nay, vải kháng khuẩn được sản xuất chủ yếu theo phương pháp đưa chất kháng khuẩn lên bề mặt vải bằng cách sử dụng phương pháp bức xạ, plasma hoặc phun và ngâm ép… [1-7]

Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đề xuất một phương án chế tạo vải kháng khuẩn khi kết hợp Graphene Nanoribbon và nano bạc bằng phương phám nhúng tẩm thời gian ngắn. Chúng tôi tiến hành khảo sát và tối ưu hàm lượng kháng khuẩn của nano bạc.

2. Hóa chất sử dụng

Graphene Nanoribbon >99% (Trung tâm Nghiên cứu Triển khai khu Công nghệ cao), dung dịch nano bạc với kích thước < 100 nm (Trung tâm Nghiên cứu Triển khai khu Công nghệ cao), nước DI điện trở suất 18 mΩcm (Trung tâm Nghiên cứu Triển khai khu Công nghệ cao), vải không dệt Polypropylene (PP) (Trung Quốc), Escherichia coli, Staphylococcus aureus china (Trung Quốc).

3. Phương pháp

3.1. Phương pháp nghiên cứu

Chuẩn bị dung dịch kháng khuẩn Graphene Nanoribbon và nano bạc nồng độ 225 ppm như sau:

Cân 0.02 g Graphene Nanoribbon thêm nước vào cho đủ 50g phân tán bằng siêu âm đầu dò với công suất 1370 W trong thời gian 20 giây và lặp lại 3 lần và thu được hệ phân tác graphene, sau đó phân cho 50g dung dịch nano bạc vào từ từ và khuấy với tốc độ 200 rpm, cuối cùng thu được dung dịch kháng khuẩn. Tương tự, chuẩn bị dung dịch kháng khuẩn với các nồng độ nano bạc: 270, 315, 360 ppm.

Chuẩn bị vải kháng khuẩn.

Sau khi chuẩn bị dung dịch kháng khuẩn theo nồng độ khảo sát chứa Graphene Nanoribbon và nano bạc, tiến hành nhúng tẩm vải không dệt. Vải với kích thước 5x5cm được nhúng vào nồng độ khác nhau với thời gian <30 giây và gạt bằng que thủy tinh thu được vải có khối lượng gấp 1,5 lần so với khối lượng vải ban đầu. Vải kháng khuẩn được sấy ở nhiệt độ 100⁰C trong 20 phút.

Đánh giá khả năng kháng khuẩn của vải [8]
Chuẩn bị dung dịch mẫu thử ở các nồng độ khác nhau.
Hoạt hóa vi khuẩn trong môi trường Lysogeny broth (LB) lỏng. Pha loãng dịch khuẩn sao cho nồng độ vi khuẩn khoảng 10⁶CFU/ml.
Hút 100µl dịch khuẩn đã pha loãng cho vào đĩa môi trường thạch dinh dưỡng và trải đều dịch khuẩn đến khô trên thạch.
Tiến hành đặt mỗi đĩa 4 miếng (1x1cm) mẫu thử nghiệm có nồng độ khác nhau.
Các đĩa được ủ ở nhiệt độ 37°C với thời gian thích hợp. Sau thời gian ủ tiến hành đo bán kính vòng ức chế vi khuẩn của mẫu thử. Lặp lại thí nghiệm 3 lần.
Hiệu quả kháng khuẩn dựa vào bán kính vòng ức chế vi khuẩn được tính từ mép của mẫu thử đến vị trí có khuẩn lạc mọc, đơn vị (mm).

3.2. Phương pháp phân tích

Phương pháp quang phổ UV-Vis đánh giá phổ hấp thụ của dung dịch chứa nano bạc (V-670-Jasco, nhật bản), phương pháp phân tích kính hiển vi điện tử quét đánh giá bề mặt vải kháng khuẩn (FE-SEM S4800 Hitachi nhật bản)”, phổ tán xạ năng lượng tia X xác định hàm lượng và sự phân bố của nano bạc và Grapheen Nanoribbon trên bề mặt vải không dệt (EDX Horiba H-7593 Anh) và phương pháp đánh giá kháng khuẩn.

4. Kết quả và bàn luận

4.1. Kết quả định tính sự xuất hiện nano bạc trong dung dịch kháng khuẩn

Để đánh giá định tính của nano bạc trong dung dịch kháng khuẩn, nghiên cứu tiến phần phân tích quang phổ UV-Vis mẫu dung dịch kháng khuẩn ở 4 nồng độ nano bạc khác nhau. Hình 1 phổ UV-Vis cho thấy sự xuất hiện phổ đặc trưng của hai vật liệu Graphene và nano bạc, cụ thể ở bước sóng 218nm thể hiện độ hấp thu của graphene và 410 nm của nano bạc. Độ hấp thu của phổ tăng dần khi tăng nồng độ nano bạc trong dung dịch từ 225 ppm đến 316 ppm.

Hình 1. Phổ UV-Vis dung dịch kháng khuẩn với các nồng độ nano bạc

khác nhau

4.2. Kết quả FE-SEM phân tích bề mặt vải sau khi nhúng tẩm graphene Nanoribbon và Nano bạc

Hình 2. Vải không dệt sau khi nhúng tẩm dung dịch kháng khuẩn

với các nồng độ nano bạc khác nhau

Hình 2 thể hiện mẫu vải ở 4 nồng độ nano bạc khác nhau đều cho thấy sự bám dính của dải nano Graphene và nano bạc. Hệ dung dịch phân tán thay đổi theo hàm lượng nano bạc cho thấy khả năng thấm ướt trong thời gian ngắn khác nhau ở nồng độ 225 ppm và 270 ppm, vải có màu nhạt hơn và dải nano Graphene bám dính thấp hơn so với mẫu vải ở nồng độ 315 ppm và 360 ppm, vải không dệt không đồng đều.

Để đánh giá rõ hơn bề của vải không dệt sau khi nhúng tẩm Graphene Nanoribbon và nano bạc, nhóm tác giả sử dụng kính hiển vi điện tử quét SEM để đánh giá và thu được kết quả như Hình 3.

Kết quả phân tích ảnh SEM cho thấy cả 4 mẫu vải đều có sự xuất hiện của dải nano Graphene và nano bạc, cụ thể ở nồng độ nano bạc 225 ppm vì khác hệ phân tán, nên khi nhúng vải vào với thời gian ngắn các dải Graphene và nano bạc chưa bám lên được sợi vải dẫn đến các sợi vải còn lỗ trống, vì thế mẫu vải (Hình 2) cho màu nhạt, khi tăng hàm lượng nano bạc lên nồng độ 270-360 ppm dẫn đến hệ dung dịch phân tán thay đổi tạo điều kiện thuận lợi để các dải nano Graphene và nano bạc xen phủ bám dính lên được sợi vải không dệt với thời gian phủ rất ngắn. Kết quả quan sát qua kính hiển vi điện tử quét SEM phù hợp với ảnh cảm quan sau khi vải đã nhúng và sấy khô ở 4 nồng độ nano bạc 225-360 ppm.

Hình 3. Ảnh SEM vải sau khi nhúng tẩm dung dịch dải nano Graphene

và 4 nồng độ nano bạc khác nhau

4.3. Kết quả phân tích thành phần nguyên tố của vải sau khi nhúng tẩm Graphene Nanoribbon và nano bạc

Sau khi vải không dệt được nhúng tẩm, nhóm tác giả sử dụng phổ tán xạ năng lượng tia X để đánh giá sự phân bố của các thành phần nguyên tố của mẫu vải có nồng độ nano bạc 225 ppm và kết quả được trình bày ở Hình 4.

Hình 4 kết quả EDX cho thấy, sự phân bố của nguyên tố bạc, carbon, oxy và không có sự xuất hiện của nguyên tố lạ nào khác. Thành phần chính của vải không dệt và dải nano Graphene đều là carbon và oxy, các chấm mày đỏ và xanh lá hình thành dạng sợi thể hiện ở Hình 4-C và Hình 4-O, tương tự trong Hình 4-Ag các chấm màu xanh dương thể hiện có xuất hiện bạc trên vải sau khi nhúng tẩm.

Từ những phân tích đánh giá trên cho thấy, ở 4 nồng độ Nano bạc 225, 270, 315, 360 ppm, hệ dung môi phân tán rất đồng đều và ở nồng độ nano bạc 270-360 ppm dải nano Graphene và nano bạc bám dính lên vải khồng dệt tốt hơn ở nồng độ 225 ppm. Nhóm tác giả tiến hành đánh giá khả năng kháng khuẩn của 4 mẫu vải ở 4 nồng độ nano bạc với 2 chủng vi khuẩn E. coli và S. aureus.

Hình 4. Kết quả EDX-MAPPING của vải sau khi nhúng tẩm dải graphen

và Nano bạc

ket-qua-edx-mapping-cua-vai

4.4. Kết quả khảo sát tính kháng khuẩn của vải sau khi nhúng tẩm Graphene và nano bạc ở 4 điểm Nano bạc khác nhau

Hình 5-E. coli cho thấy, ở nồng độ nano bạc 225-270 ppm có tính kháng khuẩn thấp khi mép của mẫu vải và vị trí khuẩn lạc mọc mờ và không đều. Trong khi đó, ở 2 nồng độ nano bạc cao hơn là 315 và 360 ppm đều cho thấy khả năng kháng khuẩn của vải khi mép của mẫu vải và nơi khuẩn lạc mọc không dính vào nhau. Tương tự Hình 5-S. aureus ở nồng độ nano bạc 225 và 270 ppm đều không có khả năng kháng khuẩn khi mép mẫu thử và khuẩn lạc mọc không có khoảng trống, khi tăng nồng độ nano bạc lên 315 và 360 ppm có sự thay đổi rõ rệt khi mép của mẫu thử vải và điểm khuẩn lạc mọc cách xa nhau có khoảng trống rõ ràng. Từ kết quả trên cho thấy, vải không dệt nhúng tẩm dải nano Graphene và nano bạc ở nồng độ nao bạc 315ppm có khả năng kháng được 2 chủng vi khuẩn E. coli và S. aureus.

Hình 5. Tính kháng khuẩn của vải sau khi nhúng tẩm Graphene

và nano bạc ở 4 nồng độ khác nhau

5. Kết luận

Chế tạo thành công vải kháng khuẩn kết hợp của Graphene Nanoribbon và nano bạc trên nền vải không dệt với các thông số sau: Graphene Nanoribbon 200 ppm (trong dung dịch), nano bạc 315 ppm (trong dung dịch), thời gian nhúng < 30 giây cho khả năng kháng được 2 chủng vi khuẩn E. coli và S. aureus ở nồng độ khuẩn 10⁶CFU/ml.

6. Kiến nghị

Tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng dải nano Graphene đến khả năng kháng khuẩn, đồng thời nghiên cứu kết hợp vật liệu chitosan và khảo sát ảnh hưởng của vật liệu này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

M. Faridul Hasan, Haona Wang, Sakil Mahmud, Md Anwar Jahid, Moyinul Islam, Wangbao Jin, Cao Genyang. (2020). Colorful and antibacterial nylon fabric via in-situ biosynthesis of chitosan mediated Nanosilver. Journal of Materials Research and Technology, 9 (6), 16135-16145
Ya-Nan Gao, Ye Wang, Tian-Ning Yue, Yun-Xuan Weng, Ming Wang. (2021). Multifunctional cotton non-woven fabrics coated with silver Nanoparticles and polymers for antibacterial, superhydrophobic and high performance microwave shielding. Journal of Colloid and Interface Science, 582, Part A, 112-123.
Xiaolong Deng , AntonYu Nikiforov, Tom Coenye, Pieter Cools, Gaelle Aziz, Rino Morent, Nathalie De Geyter & Christophe Leys. (2015). Antimicrobial Nano-silver nonwoven polyethylene terephthalate fabric via an atmospheric pressure plasma deposition process. Scientific Reports, 5, Article number: 10138.
M. Fahmy, A. A. AlyA, Abou-Okeil. (2018). A non-woven fabric wound dressing containing layer - by - layer deposited hyaluronic acid and chitosan. International Journal of Biological Macromolecules, 114, 929-934.
Dhiman G., Chakraborty J. N. (2015). Antimicrobial performance of cotton finished with triclosan, silver and chitosan. Fashion and Textiles, 2, 13.
Nuruzzaman Noor, Suhas Mutalik, Muhammad Waseem Younas, Cheuk Ying Chan, Suman Thakur, Faming Wang, Mian Zhi Yao, Qianqian Mou and Polly Hang-mei Leung. (2019). Durable Antimicrobial Behaviour from SilverGraphene Coated Medical Textile Composites. Polymers, 11, 2000.
Boubker Ouadil, Othmane Amadine, Younes Essamlali, Omar Cherkaoui, Mohamed Zahouily. (2019). A new route for the preparation of hydrophobic and antibacterial textiles fabrics using Ag-loaded graphene Nanocomposite. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Volume 579, 123713.
Li, P. Leung, L. Yao, Q.W. Song, E. Newton. (2006). Antimicrobial effect of surgical masks coated with Nanoparticles. Journal of Hospital Infection, 62, 58-63.

Making nanosilver and graphene nanoribbon antibacterial nonwoven fabric by using the soaking method in short time

Master. NGUYEN CONG DANH ¹

Master. THAI DUONG ¹

PHAN THI KIM NGAN ¹

VO NHI KIEU ¹

PhD. MAI NGOC TUAN ANH ¹

PhD. NGO VO KE THANH ¹

Master. TIEU TU DOANH ¹

Master. DO THANH SINH ¹

¹Saigon Hi-tech Park Research Laboratories

ABSTRACT:

This research examines the antimicrobial properties of nonwoven fabric which is made from nanosilver and graphene nanoribbons. Methods such as UV-Vis spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) are used to evaluate the appearance and distribution of graphene nanoribbons and nanosilver on the nonwoven fabric. The antibacterial activity of the fabric which is coated with graphene nanoribbons and nanosilver was tested to E. coli and S. aureus. The results show that with the content of graphene nanoribbons at 200ppm and the nanosilver at 315ppm in the solution with the impregnation time <30 sheets, the obtained fabric which has the nanosilver concentration of 157.5 ppm and the graphene nanoribbon of 100 ppm has antimicrobial activity against E. coli and S. aureus.

Keywords: nanosilver, graphene nanoribbon, antibacterial fabric, E. coli, S. aureus.