Luận án Nghiên cứu xử lý kháng khuẩn, kháng nấm cho da lợn thuộc sử dụng Nano bạc tổng hợp bằng dịch chiết từ thực vật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------o0o---------------------- Vũ Tiến Hiếu NGHIÊN CỨU XỬ LÝ KHÁNG KHUẨN, KHÁNG NẤM CHO DA LỢN THUỘC SỬ DỤNG NANO BẠC TỔNG HỢP BẰNG DỊCH CHIẾT TỪ THỰC VẬT Ngành: CÔNG NGHỆ DỆT, MAY Mã số: 9540204 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ DỆT, MAY Hà Nội - 2023 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------o0o---------------------- Vũ Tiến Hiếu NGHIÊN CỨU XỬ LÝ KHÁNG KHUẨN, KHÁNG NẤM CHO DA LỢN THUỘC SỬ DỤNG NANO BẠC TỔNG HỢP BẰNG DỊCH CHIẾT TỪ THỰC VẬT Ngành: CÔNG NGHỆ DỆT, MAY Mã số: 9540204 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ DỆT, MAY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS. Bùi Văn Huấn 2. TS. Nguyễn Ngọc Thắng Hà Nội - 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các giáo viên hướng dẫn và sự hỗ trợ của các đồng nghiệp. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được tác giả khác công bố. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày. tháng 09 năm 2023 Người hướng dẫn khoa học Tác giả PGS.TS. Bùi Văn Huấn TS. Nguyễn Ngọc Thắng NCS. Vũ Tiến Hiếu ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS. Bùi Văn Huấn, TS. Nguyễn Ngọc Thắng đã trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô giáo trong Bộ môn Vật liệu & Công nghệ Hóa dệt, Viện Dệt may – Da giầy & Thời trang, Phòng Đào tạo - Bộ phận đào tạo sau đại học, Phòng thí nghiệm dự án JST - JICA ESCANBER cùng toàn thể Thầy, Cô của Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hóa học thuộc Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, Khoa Công nghệ Sinh học - Trường Đại học Quốc Tế, Viện Kỹ thuật Công nghệ cao NTT– Trường Đại học Nguyễn Tất Thành, Phòng vi sinh – Viện sinh học nhiệt đới, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự Việt Nam, trường Cao đẳng Công Thương Tp. HCM, Viện nghiên cứu Da giầy Việt Nam đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt kiến thức cho tôi thực hiện luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa Công nghệ Thời trang, các Phòng ban, bạn bè, đồng nghiệp của tôi đang công tác tại trường Cao đẳng Công Thương Tp. Hồ Chí Minh và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án. Tác giả NCS. Vũ Tiến Hiếu iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ I LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. II MỤC LỤC ................................................................................................................ III DANH MỤC CÁC TỪ NGỮ VIẾT TẮT ................................................................. V DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... VII DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ..................................................................... VIII CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ............................................................ 5 1.1. Tổng quan về da thuộc và xử lý kháng khuẩn, kháng nấm vật liệu da ............... 5 1.1.1. Tổng quan về da thuộc ..................................................................................... 5 1.1.2. Tổng quan về xử lý kháng khuẩn, kháng nấm vật liệu da .............................. 14 1.2. Tổng quan về nano bạc ...................................................................................... 23 1.2.1. Nano bạc ......................................................................................................... 23 1.2.2. Phương pháp tổng hợp nano bạc .................................................................... 28 1.3. Các phương pháp đánh giá hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm của nano bạc .. 44 1.3.1. Phương pháp bán định lượng.......................................................................... 44 1.3.2. Phương pháp định lượng ................................................................................ 46 1.4. Các phương pháp và kỹ thuật đánh giá khả năng kháng khuẩn và kháng nấm của vật liệu da thuộc ........................................................................................................ 47 1.4.1. Phương pháp định lượng ................................................................................ 47 1.4.2. Phương pháp đánh giá bán định lượng ........................................................... 50 1.5. Kết luận chương 1 ............................................................................................. 52 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .. 55 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................... 55 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................... 55 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................ 55 2.1.3. Vật liệu, hóa chất sử dụng .............................................................................. 55 2.1.4. Các chủng vi khuẩn sử dụng .......................................................................... 57 2.1.5. Dụng cụ và thiết bị ......................................................................................... 57 2.2. Nội dung nghiên cứu ......................................................................................... 58 2.2.1. Tổng hợp nano bạc bằng phương pháp hóa học xanh từ lá dâu tằm, lá trầu không ........................................................................................................................ 59 2.2.2. Nghiên cứu xử lý kháng khuẩn, kháng nấm cho da lợn thuộc làm lớp lót sản phẩm da bằng nano bạc ............................................................................................ 59 2.3. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 60 2.3.1. Nghiên cứu lý thuyết ...................................................................................... 60 2.3.3. Phương pháp phân tích đặc tính vật liệu ........................................................ 67 2.3.4. Phương pháp xác định tính chất của vật liệu .................................................. 71 iv 2.3.5. Phương pháp đánh giá khả năng kháng khuẩn, kháng nấm của nano bạc ..... 72 2.3.6. Phương pháp đánh giá khả năng kháng khuẩn, kháng nấm của da lợn thuộc 73 2.4. Kết luận chương 2 ............................................................................................. 79 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .............................................................. 80 3.1. Kết quả tổng hợp nano bạc sử dụng dịch chiết từ lá dâu tằm, lá trầu không .... 80 3.1.1. Kết quả tổng hợp nano bạc sử dụng dịch chiết từ lá dâu tằm......................... 80 3.1.2. Kết quả tổng hợp nano bạc sử dụng dịch chiết từ lá trầu không .................... 85 3.1.3. Đề xuất cơ chế tổng hợp hạt nano bạc từ dịch chiết thực vật ......................... 93 3.1.4. So sánh các phương án tổng hợp nano bạc sử dụng dịch chiết lá dâu tằm, lá trầu không ........................................................................................................................ 94 3.2. Kết quả thử hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm của hai loại nano bạc ............. 95 3.2.1. Kết quả thử hoạt tính kháng khuẩn của hai loại nano bạc .............................. 95 3.2.3. Kết quả đánh giá hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm của nano bạc AgNPPBL với các nồng độ khác nhau ....................................................................................... 98 3.3. Kết quả xử lý kháng khuẩn, kháng nấm cho da lợn thuộc bằng nano bạc ...... 102 3.3.1. Kết quả đánh giá khả năng kháng khuẩn của da lợn thuộc .......................... 102 3.3.3. Kết quả đánh giá cấu trúc, hình thái bề mặt da lợn thuộc ............................ 114 3.3.4. Kết quả đánh giá sự thay đổi màu sắc và tính chất cơ lý của da .................. 118 3.3.5. So sánh, đánh giá các phương pháp công nghệ xử lý da lợn thuộc bằng nano bạc ........................................................................................................................... 122 3.4. Kết luận chương 3 ........................................................................................... 126 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP CỦA LUẬN ÁN ...................... 127 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .................................................................. 128 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN ................. 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 130 v DANH MỤC CÁC TỪ NGỮ VIẾT TẮT AAS Atomic Absorption Spectrophotometric – Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử AATCC American Association of Textile Chemists and Colorists - Hiệp hội các nhà hóa dệt và nhuộm màu hàng dệt may Hoa Kỳ ATCC American Type Culture Collection - Bảo tàng giống chuẩn vi sinh vật Hoa Kỳ ADN Acid deoxyribonucleic DNA Deoxyribonucleic acid – Chuỗi phân tử DNA, hay axit nucleic AgNPs Silver nanoparticles – Nano bạc CSSs Colloidal silver solutions – Dung dịch keo bạc CF Chitosan formate CFU Colony-Forming Unit – Đơn vị hình thành khuẩn lạc CLSI Clinical Laboratory Standards Institute - Viện Tiêu chuẩn xét nghiệm lâm sàng PEG-g-CS poly(ethylene glycol)-grafted-chitosan DNJ Deoxynojirimycin EDX (EDS) Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy – Phổ tán sắc năng lượng tia X ESI Electrospray Ionization - Ion hóa phun điện tử ASTM American Society for Testing and Materials - - Hiệp hội thử nghiệm và vật liệu Hoa Kỳ FT-IR Fourier Transform Infrared Spectrometer – Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier HR-TEM High-resolution Transmission Electron Microscopy – Kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao HPLC/MS Liquid chromatography/Mass spectrometry – Sắc ký lỏng/ Khối phổ MIC Minimal Inhibitory Concentration – Nồng độ ức chế tối thiểu Mul Mulberry – Lá dâu tằm MRSA Methicillin-resistant Staphylococcus aureus nm Nano mét LB Luria-Bertani (Môi trường nuôi cấy vi sinh LB) LDH Lactate Dehydrogenase ppm Parts per million – Một phần một triệu (1 ppm = 1 μl/l = 1 mg/kg), vi là đơn vị đo nồng độ PBL Piper betle L– Lá trầu không PU Polyurethane PTN Phòng thí nghiệm PVA Polyvinylalcohol PVP Polyvinylpyrolidon PEG-g-CS Poly(ethylene glycol)-grafted-chitosan ROS Reactive oxygen species – Các gốc oxy hóa hoạt động Sf Square Feet – Feet vuông SCDLP Môi trường trung tính SPR Surface plasmon resonance - Cộng hưởng plasmon bề mặt SEM Scanning Electron Microscope – Kính hiển vi điện tử quét TEM Transmission Electron Microscopy – Kính hiển vi điện tử truyền qua TA Axit tannic TGA Thermogravimetry analysis – Phân tích nhiệt trọng lượng TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam UV Ultraviolet- Tử ngoại UV-Vis Ultraviolet-Visible – Tử ngoại/ Khả kiến XRD X-Ray Difraction – Phổ nhiễu xạ tia X ε Mức ép ZOI Zone of inhibition - Vùng ức chế vi sinh vật vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Mẫu da thuộc được xử lý với các dung dịch keo nano khác nhau . ................ 21 Bảng 1.2. Hạt nano bạc dưới dạng các dung dịch hoặc phân tán ................................... 21 Bảng 1.3. Tổng hợp các nghiên cứu sử dụng các dung dịch chiết từ thực vật để tổng hợp nano bạc [102]. ................................................................................................................ 35 Bảng 1.4: Thành phần các chất chứa trong lá trầu tươi . ................................................. 40 Bảng 1.5. Điều kiện thử nghiệm kháng khuẩn theo CLSI .............................................. 44 Bảng 2.1. Các đặc trưng của da lợn thuộc được sử dụng. ............................................... 56 Bảng 2.2. Bạc nitrat được sử dụng. ................................................................................. 57 Bảng 2.3. Các chủng vi khuẩn và nấm được sử dụng trong nghiên cứu ......................... 57 Bảng 2.4. Các thông số chiết tách lá dâu tằm và lá trầu không. ...................................... 62 Bảng 2.5. Các phương án nghiên cứu điều kiện tổng hợp nano bạc. .............................. 63 Bảng 2.6. Bảng thống kê các giá trị bước sóng và một số nhóm chức tương ứng . ........ 64 Bảng 2.7. Điều kiện xử lý da lợn thuộc phương án ngấm ép bằng AgNPs và ký hiệu mẫu. ......................................................................................................................................... 66 Bảng 2.8. Điều kiện xử lý da thuộc phương pháp ngâm tẩm bằng AgNPs và ký hiệu mẫu. ......................................................................................................................................... 66 Bảng 2.9. Điều kiện xử lý da thuộc phương pháp phun phủ bằng AgNPs và ký hiệu mẫu. ......................................................................................................................................... 67 Bảng 3.1. Thành phần hóa học của lá trầu không. ........................................................... 90 Bảng 3.2. So sánh các phương án tổng hợp nano bạc sử dụng dịch chiết lá dâu tằm, lá trầu không. .............................................................................................................................. 94 Bảng 3.3. Các phương pháp và phương án thí nghiệm xử lý kháng khuẩn, kháng nấm cho da lợn thuộc. .................................................................................................................. 102 Bảng 3.4. Hiệu suất kháng khuẩn của da được xử lý bằng nano bạc tại nồng độ 160 g/ml. ....................................................................................................................................... 107 Bảng 3.5. Hiệu suất kháng khuẩn của da lợn thuộc xử lý nano bạc tại nồng độ 80 g/ml. ....................................................................................................................................... 108 Bảng 3.6. Hiệu suất kháng khuẩn của da lợn thuộc xử lý nano bạc tại nồng độ 20 g/ml ....................................................................................................................................... 109 Bảng 3.7. Tổng hợp hiệu suất kháng khuẩn sau 24 giờ của các mẫu da lợn thuộc được xử lý với nano bạc có nồng độ khác nhau. .......................................................................... 110 Bảng 3.8. Hàm lượng bạc trên da lợn thuộc trước và sau xử lý nano bạc. .................... 116 Bảng 3.9. Kết quả đo màu của các mẫu da lợn thuộc (pLeAg) khi thay đổi mức ép. ... 119 Bảng 3.10. Kết quả đo màu của các mẫu da lợn thuộc (pLeAg) khi thay đổi nồng độ. 119 Bảng 3.11. Kết quả đo màu của các mẫu da lợn thuộc (iLeAg) khi thay đổi nồng độ. . 120 Bảng 3.12. Kết quả đo màu của các mẫu da lợn thuộc (sLeAg) khi thay đổi nồng độ. 120 Bảng 3.13. Kết quả xác định các tính chất cơ lý của da lợn thuộc trước và sau xử lý AgNPs. ....................................................................................................................................... 121 Bảng 3.14. Sự thay đổi màu và hàm lượng bạc trên da lợn thuộc sau xử lý. ................ 123 Bảng 3.15. Hoạt tính kháng khuẩn của da lợn thuộc xác định theo phương pháp bán định lượng. ............................................................................................................................. 123 Bảng 3.16. Hoạt tính kháng khuẩn của da lợn thuộc xác định theo phương pháp định lượng .............................................................................................................................. 123 Bảng 3.17. Hoạt tính kháng nấm của các mẫu da lợn thuộc. ......................................... 124 Bảng 3.18. So sánh điều kiện xử lý da lợn thuộc theo 3 phương pháp ......................... 125 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Mặt cắt da nguyên liệu. ....................................................................................... 5 Hình 1.2. Cấu tạo lớp biểu bì 1. lớp mầm bì; 2. lớp sừng; 3. đầu dây thần kinh ................ 5 Hình 1.3. Các thành phần của bì phu 1) sợi collagen; 2) sợi đàn hồi 3) tế bào kết nối. ..... 6 Hình 1.4. Cấu trúc tổng quát của amino axit (a); glyxin (b) ............................................... 7 Hình 1.5. Cấu tạo của các amino axit cơ bản hình thành nên collagen .............................. 8 Hình 1.6. Liên kết peptit giữa hai axit amin. ...................................................................... 8 Hình 1.7. Cấu trúc mạch polypeptit đơn (a); cấu trúc triple helix của collagen (b) ........... 8 Hình 1.8. (a) Cấu trúc phân cấp của xơ da. ( b-f ) ảnh FE-SEM cấu trúc xơ da ............... 9 Hình 1.9. Mặt cắt đứng của da động vật sau thuộc ........................................................... 11 Hình 1.10. Hình ảnh da lợn thuộc (a) mặt cật, (b) mặt cắt ............................................... 14 Hình 1.11. Cơ chế phản ứng tạo nano bạc ........................................................................ 18 Hình 1.12. Ảnh SEM da xử lý bằng AgNPs@silica ......................................................... 18 Hình 1.13. Ảnh SEM da xử lý nano bạc ........................................................................... 19 Hình 1.14. Ảnh SEM của 3 mẫu da ngâm tẩm: (a) với nước (mẫu đối chứng); (b) với AgNPs và (c) với AgNPs@ SiO2...................................................................................... 19 Hình 1.15. Ảnh SEM mẫu da thuộc bằng các chất khác nhau xử lý AgNPs và Ag@ SiO2. .......................................................................................................................................... 19 Hình 1.16. FE-SEM của mẫu vải cotton, tơ tằm và da thuộc xử lý với AgNPs. .............. 20 Hình 1.17. Khả năng kháng nấm mốc của da lông cừu sau 7 ngày .................................. 21 Hình 1.18. Khả năng kháng nấm mốc Trichoderma viride của da lông sau 7 ngày ......... 21 Hình 1.19. Phổ FT-IR mẫu da xử lý nano bạc (1-4), mẫu da không xử lý nano bạc (5). . 22 Hình 1.21. Cấu trúc tinh thể của bạc ................................................................................ 24 Hình 1.21. Hình dạng, kích thước và đường cong phổ UV-Vis của hạt nano bạc. .......... 24 Hình 1.22. Phổ UV-Vis và màu sắc của AgNPs có đường kính từ 5 - 100 nm. ............... 25 Hình 1.23. Cơ chế kháng khuẩn của nano bạc .................................................................. 27 Hình 1.25. Phổ hấp thụ UV – Vis của ACAgNPs ............................................................ 33 Hình 1.26. Ảnh SEM và phổ hấp thụ UV-Vis của AgNP tổng hợp bằng dung dịch chiết xuất cây nha đam .............................................................................................................. 33 Hình 1.27. Ảnh TEM của AgNPs ..................................................................................... 34 Hình 1.28. Hoạt tính kháng khuẩn nano bạc tổng hợp từ lá trầu không a: 351 mg/L, b: 175 mg/L, c: 88 mg/L, d: dịch chiết lá trầu không .................................................................. 35 Hình 1.29. Hoạt tính kháng khuẩn nano bạc tổng hợp từ lá cây trứng cá a: 518 mg/L, b: 259 mg/L c: 130 mg/L, d: dịch chiết lá trứng cá .............................................................. 35 Hình 1.30. Dâu tằm Việt Nam ..................................................................................