Các hạt nano bạc – Nanosilver particles (NSPs hay AgNPs), là một trong những loại vật liệu nano hấp dẫn nhất và đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, nuôi trồng thủy hải sản, trong đó nổi bật nhất là ứng dụng trong lĩnh vực y tế, bao gồm chẩn đoán, điều trị, phân phối thuốc, phủ nano Ag lên thiết bị y tế và chăm sóc sức khỏe cá nhân.
Việc nano Ag được áp dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực y tế, khiến việc hiểu rõ hơn về nano bạc cũng như cơ chế phản ứng sinh học và độc tính tiềm ẩn của chúng ngày càng trở nên cần thiết.
- Nano bạc ( AgNPs) là gì?
- Nano bạc ( AgNPs) được tổng hợp như thế nào?
- Đặc tính nổi bật của nano bạc
- Ứng dụng của nano bạc trong lĩnh vực y tế – sức khỏe
NANO BẠC (AgNPs) LÀ GÌ?
Nano bạc (AgNPs) là dạng tồn tại của kim loại bạc ở kích thước nano. Nano bạc có kích thước nhỏ đến mức mà mắt thường không thể nhìn thấy được, nhưng so với kim loại bạc thì các hạt nano bạc này có tỉ lệ diện tích bề mặt lớn hơn hàng triệu lần. Do đó, các tính chất đặc hiệu của Ag, bao gồm đặc tính vật lý, hóa học và sinh học cũng vì thế được tăng lên đáng kể.
Kích thước phổ biến của các phân tử Nano Bạc nằm trong khoảng từ 10-100 nm.
Nano bạc (AgNPs) đã trở thành một trong những vật liệu nano được ứng dụng trong việc chăm sóc sức khỏe con người từ hàng trăm năm nay. Gần đây, việc ứng dụng nano bạc trong lĩnh vực y sinh được quan tâm hơn bao giờ hết, bởi vì khả năng kháng khuẩn, kháng nấm, kháng virus, và cả kháng viêm của nó.
TỔNG HỢP NANO BẠC (AgNPs) NHƯ THẾ NÀO?
Phương pháp tổng hợp nano bạc khác nhau sẽ dẫn đến sự khác biệt về kích thước, hình dạng và độ ổn định của thành phẩm nano bạc. Nhìn chung, có thể phân thành 3 phương pháp chính: tổng hợp vật lí, tổng hợp hóa học và tổng hợp sinh học.
1. Tổng hợp vật lý
Hóa hơi/ ngưng tụ và ăn mòn bằng laser là những kỹ thuật được sử dụng để tạo nano bạc từ các mẫu kim loại.
Kỹ thuật ăn mòn bằng tia laser sử dụng tia laser cắt bỏ/ làm mòn kim loại trong dung dịch mà không cần thuốc thử hóa học, giúp thu được nano bạc tinh khiết. Cường độ và số chùm tia laser sẽ ảnh hưởng đến nồng độ và hình thái (morphology) của hạt nano bạc được tạo thành. Thời gian càng lâu và cường độ laser càng cao thì kích thước hạt càng lớn và nồng độ càng cao. Hạt nano bạc thu được thường có kích thước khoảng 10nm.
2. Tổng hợp hóa học
Phương pháp đồng giảm (Chemical reduction) là phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp nano bạc AgNPs, quá trình này cần sử dụng muối bạc, chất khử và chất ổn định (đóng vai trò như chất kiểm soát sự hình thành các hạt nano bạc).
Trong đó, muối bạc nitrat (AgNO3) là muối bạc được chọn dùng để tổng hợp nano bạc, vì chi phí thấp và đặc tính hóa học ổn định hơn so với các loại muối khác trên thị trường. Chất khử có thể là borohydride, citrate, ascorbate và khí hydro. Trong đó, borohydride là một chất khử mạnh, dễ dàng tổng hợp nên các hạt nano có kích thước nhỏ với tốc độ khử nhanh. Phương pháp này khó thu được nano bạc – AgNPs nồng độ cao bởi vì tính không ổn định của quá trình tổng hợp ( aggregate instability). Còn chất ổn định được dùng các chất hoạt động bề mặt (surfactants) và các phối tử (ligand) hoặc polymers chứa các nhóm chức như polyvinylpyrrolidone, poly(ethylene glycol), poly(methacrylic acid), poly(methyl methacrylate),… Phương pháp này tạo ra các hạt nano bạc có kích thước phân bổ khoảng từ 10 -100nm.
3. Phương pháp sinh học
Phương pháp sinh tổng hợp (Biosynthesis) hay còn gọi là tổng hợp xanh – green synthesis để tổng hợp nano bạc AgNPs được quan tâm ngày càng nhiều vì tính chất thân thiện với môi trường, khi sử dụng các chất khử và chất bao phủ (capping) như protein, peptides, carbohydrate, các loài vi khuẩn, nấm, nấm men tảo và thực vật.
Cơ chế của quá trình tổng hợp bằng phương pháp sinh học này bao gồm quá trình khử bằng enzyme và không dùng enzyme. Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate ( NADP+ – ở dạng oxy hóa) có thể tổng hợp nano bạc – AgNPs bằng cách khử enzyme. Đối với quá trình khử bạc không dùng enzyme, tác nhân khử và ổn định là vi sinh vật hoặc thực vật. Quá trình này diễn ra nhanh, trong vài phút và có thể kiểm soát nhiệt độ, pH nhằm tăng tốc quá trình tổng hợp nano bạc.
Ưu điểm của phương pháp này so với các phương pháp khác là quá trình tổng hợp xanh, tránh sử dụng các dung môi hữu cơ (organic solvents) và thuốc thử độc hại ( toxic reagents). Tuy nhiên, cần lưu ý khi áp dụng phương pháp này khi tổng hợp nano bạc, vì quá trình điều chế có thể làm lây lan vi khuẩn gây bệnh, cần thận trọng khi ứng dụng trong lĩnh vực y tế.
ĐẶC TÍNH NỔI BẬT CỦA NANO BẠC (AgNPs)
1. Đặc tính kháng khuẩn – Antibacterial properties
Nano bạc (AgNPs) thể hiện tính chất kháng khuẩn mạnh là do sự thừa hưởng tính chất kháng khuẩn của nguyên tố Bạc và có diện tích hoạt động bề mặt cực lớn.
Nano Ag có tác dụng kháng khuẩn mạnh mẽ đối với các loại vi khuẩn gây bệnh cao như vi khuẩn Gram âm (E. coli), Gram dương (S. aureus) và các chủng vi khuẩn kháng chất kháng sinh (antibiotic-resistant). Hiệu quả kháng khuẩn của nano bạc phụ thuộc vào kích thước hạt và nồng độ của chúng. Thông thường, ở nồng độ cao, Nano bạc hoạt động kháng khuẩn hiệu quả hơn nồng độ thấp. Với các hạt Nano bạc có kích thước nhỏ, Nano bạc sẽ dễ tiêu diệt các loại vi khuẩn hơn.
Về cơ bản, có thể hiểu rằng: Nano bạc – AgNPs có thể thể bám vào thành tế bào vi khuẩn và sau đó thâm nhập vào trong, gây ra sự thay đổi cấu trúc của màng tế bào và tăng tính thẩm thấu của tế bào, dẫn đến chết tế bào (Hình 6).
Sự hình thành các gốc tự do ( free radical) và gây ra tổn thương màng là một cơ chế khác của nano bạc. Ngoài ra, các hạt nano bạc – AgNPs còn có khả năng giải phóng phóng các ion bạc và tương tác với các enzyme quan trọng của vi khuẩn, các base chứa phospho, thông qua đó ức chế một số chức năng của tế bào vi khuẩn, ví dụ như làm ngăn cản quá trình phân chia tế bào hay sao chép DNA (Hình 6).
2. Đặc tính kháng nấm – Antifungal properties
Bên cạnh đặc tính kháng khuẩn, nano bạc (AgNPs) còn được biết đến với ứng dụng chống nấm hiệu quả, có khả năng ứng chế sự phát triển nhiều loại nấm, ví dụ như: Candida albicans, Candida glabrata, Candida parapsilosis, Candida krusei, and Trichophyton mentagrophytes. Nano bạc có khả năng phá vỡ màng tế bào và ức chế quá trình phát triển, nảy chồi của nấm. Cũng nhờ đặc tính này mà nano bạc được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực nông nghiệp – thuốc bảo vệ thực vật.
3. Đặc tính kháng virus – Antiviral properties
Nano bạc đã được các nhà khoa học nghiên cứu và chứng minh, là một chất có khả năng chống virus HIV- 1, virus viêm gan B, virus hợp bào hô hấp, virus herpes simplex, virus đậu mùa. Các nhà khoa học đã phát hiện rằng, nano bạc có khả năng kháng virus tốt hơn nhiều so với muối bạc vì nano ag có thể giải phóng cả nguyên tử bạc – Ag0 (atomic) và cả ion Ag+ (ionic), trong khi muối bạc chỉ giải phóng ion Ag+.
4. Đặc tính kháng viêm – Anti-inflammatory properties
Bên cạnh ba đặc tính nổi bật kể trên, nano ag còn được biết đến với vai trò kháng viêm, trên cả người (nghiên cứu lâm sàng) và động vật. Trong nghiên cứu lâm sàng trên cơ thể người, nano bạc chứa trong băng vết thương đã giúp thúc đẩy quá trình làm lành vết thương, vết loét mãn tính (chronic leg ulcers), không những thế còn giúp làm giảm lượng vi khuẩn xung quanh vết thương và giảm nguy cơ viêm nhiễm.
ỨNG DỤNG CỦA NANO BẠC TRONG Y TẾ – SỨC KHỎE
1. Vật liệu, dụng cụ nha khoa
Nano bạc được ứng dụng trong dụng cụ nha khoa và băng gạc. Qua các nghiên cứu, nano bạc được chứng minh là có khả năng ức chế lâu dài đối với Streptococcus mutans*, khi các dụng cụ vệ sinh răng miệng có chứa vật liệu chứa nano bạc kết hợp với nhựa composite.
Ngoài ra, việc kết hợp sử dụng nano ag trong các vật liệu trám răng giúp tăng khả năng diệt khuẩn, ví dụ như Streptococcus milleri, S. aureus và Enterococcus faecalis. Nano bạc trong chất kết dính nha khoa giúp tăng hiệu quả kháng liên cầu khuẩn (streptococci)* nhưng không làm thay đổi đặc tính cơ học của vật liệu kết dính, vì thế được ứng dụng trong điều trị chỉnh nha (orthodontic treatments).
*Streptococcus mutans là một loại cầu khuẩn gram dương kỵ khí, thường được tìm thấy trong khoang miệng của con người và là một nguyên nhân góp phần đáng kể gây sâu răng.
*Liên cầu là các vi khuẩn Gram dương hiếu khí gây ra nhiều chứng rối loạn, bao gồm viêm họng, viêm phổi, nhiễm trùng vết thương và da, nhiễm trùng huyết, và viêm nội tâm mạc.
2. Chẩn đoán sinh học
Ngày nay, nano bạc được ứng nhiều trong chẩn đoán các bệnh liên quan đến tim mạch và ung thư. Nano bạc giúp xác định sớm đặc điểm của xơ vữa động mạch và bệnh lý tim mạch ở cấp độ phân tử và cấp độ tế bào. Việc kết hợp chẩn đoán hình ảnh sẽ giúp cho việc sử dụng thuốc hiệu quả trên từng bệnh nhân cụ thể. Bên cạnh đó, nano bạc còn có khả năng phát hiện sự tương tác giữa amyloid β-derived diffusible ligands (ADDL) và kháng thể chống ADDL (the anti-ADDL) liên quan quan đến bệnh Alzheimer.
3. Phòng ngừa lây lan dịch bệnh
Thời gian gần đây, sự gia tăng các bệnh truyền nhiễm do vi rút như Covid -19, cúm A / H5N1, cúm A / H1N1, vi rút Dengue, HIV, HBV, và các vi rút viêm não mới đang được quan tâm hàng đầu. Những căn bệnh truyền nhiễm luôn là mối đe dọa đối với sức khỏe và tinh thần con người, đặc biệt là trong tình hình đại dịch Covid-19 hiện nay.
Để phòng tránh lây lan dịch bệnh thì việc rửa tay thường xuyên và khử khuẩn dụng cụ sinh hoạt, đồ vật, môi trường là việc làm cần thiết. Nhờ tính kháng khuẩn rất mạnh nên nano bạc được sử dụng trong các dung dịch rửa tay, khẩu trang y tế, dung dịch khử khuẩn đồ vật, môi trường. Ưu điểm khác của nano bạc là dịu da, không gây kích ứng và thân thiện với môi trường.
4. Chăm sóc vết thương
Robert Burrell đã phát triển thành công sản phẩm băng vết thương nano thương mại đầu tiên trên thế giới (Acticoat ™; Smith and Nephew, London, UK) để điều trị các vết thương khác nhau, bao gồm bỏng, loét mãn tính, hoại tử biểu bì nhiễm độc (toxic epidermal necrolysis) và pemphigus*.
Nano bạc trong băng vết thương làm giảm đáng kể thời gian làm lành vết thương, trung bình giảm 3,35 ngày và còn giúp tăng khả năng diệt vi khuẩn tại vết thương bị nhiễm trùng so với sulfadiazine bạc*, nhưng không gây ra tác dụng phụ nguy hiểm. Băng vết thương chứa nano ag còn được chứng minh là có thể tăng khả năng chữa lành vết thương bỏng nhẹ.
*Pemphigus là bệnh lý thuộc nhóm bệnh da có bọng nước tự miễn, do xuất hiện tự kháng thể IgG lưu hành trong máu, gây phá huỷ liên kết giữa các tế bào biểu mô sừng (keratinocytes) tạo lên hiện tượng ly gai, hình thành phỏng nước trong lớp biểu bì da và niêm mạc.
*Silver sulfadiazine là thuốc thường được sử dụng để điều trị và ngăn ngừa nhiễm trùng do vi khuẩn ở trẻ em 2-3 tuổi trở lên bị bỏng.
5. Cấy ghép tim mạch
Thiết bị y tế dùng để cấy ghép tim mạch đầu tiên có chứa bạc là van tim giả bằng silicon được phủ một lớp bạc, thiết bị đã được thiết kế để ngăn ngừa nguy cơ nhiễm trùng bởi các vi khuẩn bám trên van silicone, bên cạnh đó giúp giảm phản ứng viêm. Tuy nhiên, kim loại Ag có thể gây mẫn cảm, ức chế chức năng bình thường của nguyên bào sợi* (fibroblast), và dẫn đến tổn thương mô, tế bào ở người bệnh. Sau quá trình nghiên cứu, Nano Ag được xác định là đảm bảo an toàn và không độc hại trong các thiết bị y tế, không giống như bạc kim loại. Do đó, các nhà khoa học đã tổng hợp một loại nanocomposite mới với nano bạc cùng một loại carbon giống kim cương (diamond-like carbon) làm lớp phủ bề mặt cho van tim và ống đỡ tim mạnh (stent), và nhận thấy rằng bề mặt của nano composite có đặc tính kháng huyết khối*(antithrombogenic) và kháng khuẩn.
Ngoài ra, nano bạc còn được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu và điều trị ung thư, dùng trong sản xuất lớp phủ kính áp tròng, …
*Nguyên bào sợi ( Fibroblast) là một loại tiền tế bào chuyên biệt nằm ở lớp trung bì của da, bao gồm một tế bào phân nhánh bao quanh một nhân tế bào hình elip. Là một loại tế bào sinh học tổng hợp các cấu trúc nền của da và collagen, khung cấu trúc (stroma) cho các mô động vật, và đóng một vai trò quan trọng trong việc chữa lành vết thương.
*Huyết khối hay cục máu đông được định nghĩa là một quá trình bệnh lý do sự phát động và lan rộng bất hợp lý của các phản ứng đông cầm máu trong cơ thể dẫn đến hình thành cục máu đông trong lòng mạch máu.
CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KÍCH THƯỚC HẠT
Hiện nay, dưới sự phát triển vượt bật của khoa học – công nghệ mà các thông tin về kích thước hạt nano có thể được phân tích, kiểm tra, đánh giá bằng nhiều phương pháp, kỹ thuật khác nhau. Dưới đây, chúng tôi liệt kê sáu phương pháp giúp đánh giá ở mức độ cấp độ tổng thể – ensamble level (E) hoặc ở cấp độ hạt nano đơn lẻ – single nano partical level (SP): :
- Tán xạ ánh sáng động – Dynamic light scattering (E)
- Ly tâm đĩa – Disc centrifugation (E)
- Phân tích theo dõi hạt nano – Nanoparticle tracking analysis (SP)
- Cảm biến xung điện trở có thể điều chỉnh được – Tunable Resistive Pulse Sensing (SP)
- Kính hiển vi lực nguyên tử – Atomic force microscopy(SP)
- Kính hiển vi điện tử – Electron microscopy (SP)
Như đã đề cập ở trên, kích thước phổ biến của các phân tử Nano bạc (AgNPs) nằm trong khoảng từ 10-100 nm. Máy phân tích HORIBA sở hữu khả năng đo kích thước hạt ở một phạm vi rất rộng từ dưới 1 nm đến 30 mm, ở nồng độ từ 1 ppm đến 50 vol% với khả năng xác định hình dạng bắt đầu từ 1 µm. Các mẫu có thể từ bột khô đến dạng huyền phù.
Với dòng máy phân tích kích thước hạt HORIBA SZ-100Z2 có thể đo kích thước hạt trong phạm vi từ 0.3 nm – 10 µm (=10 000 nm). Dòng máy phân tích HORIBA LA-960 V2 sở hữu phạm vi phân tích rộng hơn: từ 10 nm – 3000 µm ( đo ướt) và 5000 µm ( đo khô).
Các dòng máy này sở hữu nhiều tính năng nổi bật, có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, đồ uống, dược phẩm, nông nghiệp.
Quý anh chị cần thêm thông tin về ứng dụng và sản phẩm phân tích kích thước hạt HORIBA, có thể liên hệ với chúng tôI qua hotline: 0889.973.944
References:
1. Liangpeng Ge, Qingtao Li, Meng Wang, Jun Ouyang, Xiaojian Li, and Malcolm MQ Xing. (2014). Nanosilver particles in medical applications: synthesis, performance, and toxicity. Int. J. Nanomedicine, p. 2399—2407. doi: 10.2147/IJN.S55015
2. A. Burdușel, Oana Gherasim, Alexandru Mihai Grumezescu, Laurențiu Mogoantă, Anton Ficai, and Ecaterina Andronescu (2018). Biomedical Applications of Silver Nanoparticles: An Up-to-Date Overview. Nanomaterials (Basel). doi:10.3390/nano8090681.