Tổng hợp xanh thanh nano selen sử dụng dịch chiết lá cây trứng cá:
Ảnh hưởng của pH đến hình thái và khả năng kháng khuẩn của vật liệu

Tóm tắt

Trong nghiên cứu này, các vật liệu nano selen (nano-Se) đã được tổng hợp thông qua phương pháp sinh học, trong đó dịch chiết lá của cây trứng cá được sử dụng hiệu quả không chỉ như một tác nhân khử mà còn là chất hoạt động bề mặt giúp ổn định các cấu trúc nano được tạo ra. Cụ thể, ảnh hưởng của độ pH đến hình dạng và khả năng kháng khuẩn của nano-Se đã được nghiên cứu kỹ lưỡng, cho thấy sự hình thành của các thanh nano selen ở pH 8 với kích thước đồng đều, đường kính từ 30–50 nm và chiều dài vài micromet (mẫu Se-pH8). Ngoài ra, vật liệu này có khả năng kháng khuẩn vượt trội đối với cả vi khuẩn Gram âm và Gram dương. Do đó, các kết quả thu được thể hiện tiềm năng to lớn của vật liệu nano-Se trong nhiều ứng dụng công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực y tế và dược phẩm.

Nghiên cứu tập trung này vào hai khía cạnh: tận dụng nguồn sinh khối có giá trị nhưng ít được sử dụng và định hướng ứng dụng vật liệu nano trong y sinh học. Cụ thể, lá cây trứng cá được sử dụng để tạo chiết xuất phục vụ cho quá trình tổng hợp hạt selen. Hơn nữa, nhóm nghiên cứu đã kiểm soát và đánh giá ảnh hưởng của các giá trị pH đến hình dạng của vật liệu selen, đồng thời so sánh hiệu quả kháng khuẩn giữa các dạng hình học khác nhau của vật liệu selen. Nghiên cứu này cho thấy nhiều lợi ích vượt trội, không chỉ ở việc sử dụng chiết xuất lá như một nguồn tái tạo, mà còn ở khả năng ứng dụng trong hiệu suất kháng khuẩn.

Giới thiệu

Selen (Se), một nguyên tố á kim, đóng vai trò thiết yếu trong hoạt động của các sinh vật sống, đặc biệt là các thành phần nội bào như hormone tuyến giáp, protein và enzyme. Trước đây, Se từng bị cho là chất độc hại và gây ô nhiễm trong quặng, nhưng gần đây vật liệu đã được ghi nhận là có nhiều ứng dụng hữu ích, nhờ vào các đặc tính ấn tượng như quang học, quang hóa, điện học và kháng khuẩn. Trong đó, khả năng kháng vi sinh vật của Se là đặc biệt đáng chú ý, vì có thể gây tổn hại, xuyên qua và tiêu diệt vi khuẩn một cách hiệu quả.

Tuy nhiên, việc phối hợp, phủ hoặc pha tạp Se tinh khiết với các thành phần khác được xem là một hướng đi tiềm năng để tạo hiệu ứng hiệp lực và tăng cường khả năng diệt khuẩn. Do đó, vật liệu nano selen (nano-Se) đã được ứng dụng nhờ hình thái thuận lợi và đặc tính kháng khuẩn. Tuy nhiên, với phương pháp tổng hợp nano-Se truyền thống theo hướng “top-down”, như hỗ trợ chiếu xạ hoặc xử lý nhiệt, lại không phù hợp do nhiều tác động tiêu cực. Do vậy, quy trình “bottom-up” nổi lên như một lựa chọn khả thi, trong đó nano-Se được tạo ra từ tiền chất Na₂SeO₃.

Ngày nay, phù hợp với định hướng phát triển bền vững và bảo vệ môi trường, các phương pháp sinh học trong tổng hợp vật liệu đang được nghiên cứu rộng rãi, đặc biệt là việc sử dụng các chiết xuất tự nhiên. Các hợp chất sinh học có trong chiết xuất này được chứng minh là có khả năng giảm hóa và hoạt động bề mặt, giúp thúc đẩy quá trình hình thành vật liệu nano. Nhờ đó, việc tổng hợp sinh học nano-Se từ chiết xuất tự nhiên có thể tạo ra các phân tử selen với đặc tính ưu việt và khả năng diệt khuẩn tốt hơn, đồng thời giảm việc sử dụng các hóa chất độc hại và đắt tiền.

Mặt khác, về hình thái học của nano-Se, vật liệu này đã được nghiên cứu cho thấy có nhiều cấu trúc tinh thể khác nhau, và mỗi dạng lại biểu hiện đặc tính riêng biệt.

Đặc trưng của thanh nano-Se

Sự thay đổi hình thái của vật liệu nano-Se theo sự biến đổi của giá trị pH có thể được phân tích thông qua các ảnh chụp FE–SEM. Như được thể hiện trong Hình 1a–f, sự chuyển đổi từ dạng hạt nano sang dạng thanh nano có thể được quan sát rõ ràng khi pH tăng lên.

Cụ thể, ở môi trường acid với pH = 5, các phân tử nano-Se có hình cầu. Trong khi đó, ở pH = 6, hình thành một cấu trúc dạng tấm dày, trên bề mặt có các hạt nano bám vào. Ngược lại, trong khoảng pH từ 7 đến 10, các thanh nano selen (nanorods) bắt đầu xuất hiện với hình dạng ngày càng dày và tách biệt rõ ràng với nhau hơn. Đáng chú ý là các hạt nano dạng cầu vẫn còn tồn tại trong các mẫu này, nhưng số lượng rất ít, điều này cho thấy có một sự thay đổi pha rõ rệt.

Do đó, có thể kết luận rằng giá trị pH ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hình thành vật liệu nano, đặc biệt là trong giai đoạn tạo tinh thể.

Ở pH = 5, các hạt nano được hình thành và phát triển thông qua quá trình kết tinh đồng đều thông thường, trong đó các tinh thể Se phát triển theo kiểu đẳng hướng. Nhờ vào sự hiện diện của nhiều hợp chất khác nhau trong chiết xuất từ lá trứng cá, một lớp chất hoạt động bề mặt có thể hình thành và giữ ổn định hình dạng cầu của hạt nano, ngăn chặn sự kết tụ.

Tuy nhiên, khi pH tăng, quá trình kết tinh có thể bị thay đổi, dẫn đến sự biến đổi hình thái học như đã đề cập trước đó. Ở pH = 6, sự xuất hiện lượng ít của các thanh nano chứng tỏ rằng quá trình chuyển đổi đã bắt đầu, mặc dù sự biến đổi tổng thể vẫn chưa hoàn tất. Ngoài ra, sự tồn tại của một lớp tấm dày cho thấy rằng các hạt nano ban đầu bị hòa tan và tái kết tinh thành các cấu trúc có kích thước lớn hơn.

Theo các báo cáo, nano-Se là vật liệu dị hướng, và trong điều kiện tái kết tinh cân bằng, chẳng hạn trong môi trường kiềm có mặt nhiều chất hoạt động bề mặt, các tinh thể Se có xu hướng hình thành dạng thanh (nanorods) thay vì dạng cầu.

Trong khi đó, các ảnh TEM của các mẫu được tổng hợp trong khoảng pH từ 7 đến 10 cho thấy hai điểm chính (Hình 1g–k): Khi pH tăng, số lượng hạt nano dạng cầu giảm dần; kích thước của cả hạt nano và thanh nano đều tăng lên đáng kể. Hiện tượng này có thể được giải thích là do ở môi trường pH cao, xảy ra hiệu ứng tương tự như quá trình trưởng thành của Oswald (Oswald ripening), làm cho selen có độ hòa tan cao hơn trong điều kiện kiềm. Nói cách khác, sau khi hình thành nhân tinh thể ban đầu, các tinh thể nhỏ hơn dễ dàng hòa tan để góp phần vào sự phát triển của các tinh thể lớn hơn.

Việc hình thành các thanh nano dị hướng được ưu tiên hơn so với hạt nano đẳng hướng, điều này phù hợp khi nước được sử dụng làm môi trường dung môi chính. Hơn nữa, các hợp chất tự nhiên có trong chiết xuất lá trứng cá cũng tham gia như chất hoạt động bề mặt, hoạt động như rào cản ngăn chặn sự kết tụ và hỗ trợ hình thành các thanh nano selen (Se nanorods) một cách ổn định. 

Hình 1: Hình ảnh FE–SEM của nano-Se ở các mức pH khác nhau: (a) pH 5, (b) pH 6, (c) pH 7,
(d) pH 8, € pH 9, và (f) pH 10; Hình ảnh TEM của nano-Se ở các mức pH khác nhau:
(g) pH 7, (h) pH 8, (i) pH 9, và (k) pH 10.

Khả năng kháng khuẩn của nano-Se

Khả năng kháng khuẩn của vật liệu nano-Se tổng hợp được đánh giá đối với cả hai chủng vi khuẩn: Gram âm (Pseudomonas aeruginosa) và Gram dương (Staphylococcus aureus).

Dựa trên kết quả vùng ức chế vi khuẩn trong Bảng 1 và Hình 2, có thể rút ra rằng S. aureus chịu tác động mạnh hơn so với P. aeruginosa. Một số nghiên cứu trước đây cũng báo cáo xu hướng tương tự, điều này chủ yếu là do sự khác biệt trong cấu trúc và độ dày của màng tế bào, cũng như cơ chế tương tác diệt khuẩn giữa nano-Se và hai loại vi khuẩn.

Bảng 1: Hoạt tính kháng khuẩn của nano-Se tổng hợp ở các mức pH khác nhau

^aĐường kính giấy: 5 mm

Hình 2: Đường kính vùng ức chế của: (1) Se-pH6, (2) Se-pH7, (3) Se-pH8, (4) Se-pH9, (5) Se-pH10, và (6) chiết xuất lá trứng cá đối với: (a) P. aeruginosa và (b) S. aureus.

Ngoài ra, thử nghiệm đối chứng cho thấy chiết xuất từ lá trứng cá có khả năng kháng khuẩn tương đối hiệu quả, đóng vai trò làm nền để đánh giá hiệu suất của nano-Se. Đáng chú ý, mẫu Se-pH6 lại có khả năng ức chế thấp hơn cả chiết xuất, điều này có thể do kích thước hạt lớn làm hạn chế sự tiếp xúc giữa nano-Se với vi khuẩn.

Tuy nhiên, cũng cần xem xét một số yếu tố khác như sự kết hợp giữa chiết xuất và hạt nano-Se trần, có thể giúp tăng độ bền của vật liệu nói chung. Do đó, mặc dù Se-pH6 cho thấy hoạt tính kháng khuẩn thấp hơn ban đầu, nhưng có thể duy trì hiệu quả hơn sau nhiều chu kỳ sử dụng, so với chiết xuất dễ bị rửa trôi hoặc phân hủy bởi cơ chế phòng vệ của vi khuẩn.

Mặt khác, khi sử dụng các mẫu nano-Se khác, đường kính vùng ức chế tăng đáng kể, vượt hơn cả chiết xuất. Đặc biệt, kết quả kháng khuẩn của các mẫu có xu hướng dao động, trong đó mẫu Se-pH8 thể hiện hiệu quả vượt trội hơn cả.

Theo nghiên cứu trước đây, cơ chế kháng khuẩn của nano-Se liên quan đến sự tạo ra các loại oxy phản ứng (ROS) trong quá trình tương tác với vi khuẩn. Ngoài ra, nano-Se còn có thể tác động cơ học lên màng tế bào vi khuẩn, có khả năng làm tổn thương hoặc xuyên thủng thành tế bào nhờ vào cấu trúc tinh thể dạng thanh bất đối xứng.

Về mặt sinh tổng hợp, lượng chiết xuất lá trứng cá còn sót lại trên bề mặt vật liệu cũng có thể góp phần ức chế sự phát triển của vi khuẩn mục tiêu.

Kết luận

Trong nghiên cứu này, vật liệu nano-Se đã được tổng hợp thành công thông qua một phương pháp sinh học với sự tham gia hiệu quả của chiết xuất từ lá trứng cá, trong đó hình thái vật liệu được điều chỉnh bằng cách thay đổi mức pH của môi trường phản ứng mà không cần thêm chất phụ gia. Cụ thể, các phân tử nano-Se duy trì hình dạng cầu trong khoảng pH từ 5 đến 6, trong khi môi trường trung tính cung cấp sự hiện diện kết hợp của hạt nano-Se và thanh nano-Se. Giai đoạn thanh nano-Se bắt đầu trở nên chiếm ưu thế ở pH 8.

Việc tăng pH đến môi trường kiềm sẽ dẫn đến sự hình thành nano-Se dưới dạng tấm. Bên cạnh đó, quá trình chuyển pha của nano-Se cũng có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất kháng khuẩn của nó, trong đó khả năng diệt khuẩn của thanh nano hoặc tấm nano thường vượt trội hơn so với hạt nano nhờ vào sự tương tác mạnh mẽ hơn với vi khuẩn mục tiêu. Đặc biệt, nano-Se được chuẩn bị ở pH 8 thể hiện hiệu suất kháng khuẩn tốt nhất với đường kính vùng ức chế lần lượt là 8,92 và 15,09 đối với P. aeruginosa và S. aureus.

TS. Nguyễn Ngọc Kim Tuyến và nhóm nghiên cứu

Bottom of Form