Tăng cường khả năng kháng khuẩn của hỗn hợp nano CuO/TiO2 VÀ CƠ CHẾ CỦA NÓ

Cao Học
TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG KHÁNG KHUẨN CỦA
HỖN HỢP NANO MỚI CuO/TiO
2
VÀ CƠ CHẾ CỦA NÓ.
Sơ Lược:
Trong nghiên cứu này, chúng tôi nhằm mục đích để thực hiện một cách đơn giản
chế tạo sợi nano tổng hợp CuO/TiO
2
bằng một quá trình điện hóa sử dụng nitrat đồng và
titan isopropoxide như tiền thân cho đồng oxit và oxit titan tương ứng. Các sợi nano thu
được bằng phương pháp quay điện thu được sấy khô trong chân không ở 80
o
C và sau đó
nung ở 600
o
C. Vi sinh vật Escherichia coli KCCM 11234 và Staphylococcus aureus
KCCM 11256 đã được sử dụng để kiểm tra hiệu quả của sợi nano . Hoạt tính kháng
khuẩn và cơ chế tương tác của các sợi nano tổng hợp CuO/TiO
2
chống lại vi khuẩn đã
được nghiên cứu ở nồng độ tối thiểu ức chế (MIC ) và phương pháp phân tích hình thái
học của tế bào vi khuẩn. Sợi nano CuO/TiO
2
có đường kính 100 nm và độ dài trung bình
khoảng một micromet . Phân tích nguyên tố sử dụng EPMA đã xác nhận được sự hiện
diện của nguyên tử Cu trong sợi nano CuO/TiO
2
. Kết quả cho thấy pha tạp Cu vào TiO
2
thúc đẩy hiệu quả kháng khuẩn và có khả năng kháng khuẩn tuyệt vời dưới ánh sáng nhìn

thấy. Kết quả nghiên cứu của chúng tôi lần đầu tiên nêu bật những tiềm năng của đồng
oxit để tăng thêm hiệu quả diệt khuẩn và do đó có thể được sử dụng trong sản xuất các
thiết bị y tế.
1. Giới thiệu:
Vật liệu nano đã đạt được sự quan tâm ngày càng tăng trong những năm qua do tính
chất độc đáo của nó và một loạt các ứng dụng [1]. Việc chuẩn bị sợi nano với đường kính
nhỏ hơn micrometer từ các loại vật liệu đã được sự chú ý đáng kể do tiềm năng to lớn của
nó cho các ứng dụng đa dạng trong thiết bị điện tử, quang học, y học, cảm biến, tách, lưu
trữ,… Kiểm soát các thành phần hạt nano và hình thái đóng vai trò thiết yếu trong các
ứng dụng của nó. Như các hạt được giảm từ một micromet đến kích thước nanomet, kết
quả là các đặc tính như độ dẫn điện, độ cứng, diện tích bề mặt hoạt động, phản ứng hóa
1
Cao Học
học và hoạt tính sinh học đều thay đổi đáng kể. Tổng hợp các sợi nano kim loại và dây
nano kích thước mong muốn và hình dạng cũng có ý nghĩa rất lớn trong công nghệ nano
do các tính chất phụ thuộc hình dạng đặc trưng và kích thước của nó như tính chất quang
học, điện tử và hóa chất. Các ứng dụng của các sợi nano rất đa dạng. Các thuộc tính mới
của các tài liệu này đã tìm thấy sử dụng rộng rãi trong vi điện tử, điện tử, thiết bị quang
học, xúc tác hóa học và cảm biến sinh hóa [2]. Một số phương pháp tổng hợp sợi nano
kim loại đã được thực hiện trước đây như phương pháp dựa trên hạt [3], điện hoá học [4],
thuỷ nhiệt [5], hoá học ướt [6], quang hoá [7], Trong nghiên cứu này, chúng tôi nổ lực lần
đầu tiên để chuẩn bị tổng hợp sợi nano CuO/TiO
2
bằng phương pháp điện hóa đơn giản
sử dụng nitrat đồng và titan isopropoxide như tiền thân cho đồng oxit và oxit titan tương
ứng. Vật liệu nano có thể được sử dụng trong các hệ thống sinh học được yêu cầu phải
tương thích sinh học [8]. Hiệu quả diệt khuẩn của các hạt nano kim loại đã được đề xuất
là do kích thước của chúng và tỷ lệ cao bề mặt và thể tích. Đặc điểm như vậy nên cho
phép nó tương tác chặt chẽ với các màng vi khuẩn, chứ không phải là hiệu quả là chỉ do
việc giải phóng các ion kim loại [9]. Sự pha trộn của polyme và các hạt nano đang mở ra

con đường mới cho kỹ thuật tổng hợp vật liệu linh hoạt mang những đặc tính mong muốn
và mang lại lợi ích như tính chất cơ học và quang học…[10]. Ngoài ra, vật liệu tổng hợp
bằng hạt nano kim loại hoặc hạt nano polyme hoặc phủ lên bề mặt được biết là có một
loạt các tiềm năng ứng dụng kháng khuẩn. Điều đó cho ta biết rằng màng nano TiO
2
tẩy
sạch vi khuẩn dưới ánh sáng tia cực tím [11,12]. Màng mỏng Pd/TiO
2
, và Pd/SnO
2
[13]
cũng đòi hỏi tia UV-A chiếu vào để khử trùng. Các đặc tính kháng khuẩn của nano bạc
[14,15] và hạt nano đồng [16] đã được báo cáo trước đó, và cả hai đã được phủ lên hoặc
đưa vào vật liệu khác nhau [17]. Tuy nhiên, CuO đã thu hút được sự chú ý đặc biệt bởi vì
nó là thành viên đơn giản trong gia đình của các hợp chất đồng và đưa ra một loạt các
tính chất vật lý có khả năng hữu ích như siêu dẫn nhiệt độ cao, hiệu ứng tương quang
điện tử… [18]. Như một bán dẫn loại p quan trọng, CuO đã tìm thấy nhiều ứng dụng đa
dạng như trong cảm biến khí, xúc tác, pin, chất siêu dẫn nhiệt độ cao, năng lượng mặt trời
chuyển đổi năng lượng và phát xạ trường. Trong lĩnh vực tiết kiệm năng lượng, năng
lượng chuyển chất lỏng chứa đầy các hạt nano có thể cải thiện độ nhớt và nâng cao độ
2
Cao Học
dẫn nhiệt [19]. Cấu trúc tinh thể CuO có một khe hở hẹp, hữu ích cho xúc tác quang hoá
hay tế bào quang điện cũng như chức năng quang dẫn [20]. Hơn nữa, CuO là rẻ hơn so
với bạc, dễ dàng kết hợp với polyme và tương đối ổn định cả về tính chất hóa học và vật
lý. Hạt nano oxit kim loại rất ion, chẳng hạn như CuO, có thể đặc biệt các có giá trị trong
kháng sinh vì chúng có thể được chuẩn bị với diện tích bề mặt rất cao và hình thái tinh
thể bất thường [21]. Tuy nhiên thông tin về hoạt động kháng khuẩn có thể có của nano
CuO có sẵn rất hạn chế. Vì vậy, sự phát triển của sợi cấu trúc nano CuO/TiO
2

với đặc tính
kháng khuẩn được quan tâm đáng kể.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi nhằm mục đích để đại diện cho một cách tiếp cận
đơn giản để chế tạo sợi nano CuO/TiO
2
tổng hợp của một quá trình điện hóa sử dụng
nitrat đồng và titan isopropoxide như tiền thân cho đồng oxit và oxit titan tương ứng bằng
kỹ thuật quay điện Solgel. Khả năng kháng khuẩn để kháng lại Staphylococcus aureus
KCCM 11256 và Escherichia coli KCCM 11234 đã được thực hiện trong ống nghiệm và
một nỗ lực đã được thực hiện để tìm MIC của các sợi nano có khả năng ức chế sự phát
triển của các chủng gây bệnh đề cập ở trên. Để hiểu được hoạt tính kháng khuẩn và diễn
xuất cơ chế tổng hợp sợi nano electrospun CuO/TiO
2
sâu sắc, chúng tôi nghiên cứu
những thay đổi về cấu trúc và hình thái của tế bào vi khuẩn S. aureus KCCM 11256, E.
coli KCCM 11.234 bằng cách sợi nano dựa trên giải thích TEM. Ở đây chúng tôi cung
cấp bằng chứng hỗ trợ để chỉ ra rằng các sợi nano tổng hợp CuO/TiO
2
tổng hợp có thể ức
chế vi khuẩn phát triển và thậm chí giết chết các tế bào dưới ánh sáng nhìn thấy. Nghiên
cứu này chứng minh năng lực của oxit đồng để tăng cường hoạt tính diệt khuẩn và làm
sáng tỏ vào các cơ chế tương tác.
2. Hoá chất và phương pháp:
2.1. Hoá chất:
Polyvinyl acetate (PVAc,Mw= 500,000) được mua từ Aldrich, USA.
N,N-dimethylformamide (DMF) mua từ Showa Co., Japan.
Titanium isopropoxide (TIP) mua từ Junsei Co. Ltd., Japan.
3
Cao Học
Copper (II) nitrate trihydrate, (Cu(NO

3
)
2
.3H
2
O) được mua từ Aldrich, USA.
Nước dinh dưỡng có chứa axit amin Trypton của đậu nành từ Torlak, Belgrade.
Để kiểm tra hoạt động kháng khuẩn, chủng vi sinh vật được mua từ Korean Culture
Centre of Microorganisms (KCCMs). Tất cả các hóa chất khác và dung môi được sử
dụng là các hoá chất tinh khiết phân tích mua từ Aldrich Chemical Co. Ltd.
2.2. Chế tạo các sợi nano CuO/TiO
2
:
Dung dich PVAc (18% khối lượng) được chuẩn bị bằng cách hòa tan PVAc trong
DMF sử dụng máy khuấy từ trong thời gian 8 giờ ở nhiệt độ phòng. 5g TIP được cho vào
một cái chai và cho vào vài giọt acid acetic để dung dịch trở nên trong suốt. Dung dịch
Đồng nitrat (5%) được hoà tan trong etanol và cho thêm dung dịch TIP và khuấy mạnh
trong 10 phút. Cuối cùng cho 6g dung dịch PVAs vào và khuấy chậm với máy khuấy từ.
Sợi nano Titania được tổng hợp bằng cách làm theo phương pháp tương tự, ngoại trừ
thêm tiền thân đồng. Các dung dịch thu được đã được đặt trong một ống tiêm 10ml với
một cây kim bằng thép không gỉ. Một pin đồng kết nối với máy phát điện có hiệu điện thế
cao được cho vào dung dịch như một cực dương trong khi cái trống sắt ở đáy được bao
bọc bởi một màng polyethylene phủ lên như một điện cực. Dung dịch được giữ trong một
ống mao quản được điều chỉnh nghiêng theo một góc nhất định. Một điện thế 20kV được
áp vào dung dịch. Khoảng cách giữa mũi kim và cực góp được cố định là 18cm. Cũng
như tổng hợp thảm từ các sợi, ban đầu được làm khô ở nhiệt độ 80
o
C trong 24 giờ dưới
áp suất chân không và sau đó được nung ở 600
o

C trong 2 giờ tại áp suất khí quyển và tốc
độ gia nhiệt là 2
o
C/min.
2.3. Khả năng chống khuẩn của sợi nano CuO/TiO
2
:
Hoạt động diệt khuẩn của các sợi nano CuO/TiO
2
được sản xuất ra đã được thử
nghiệm bằng cách sử dụng các nghiên cứu ức chế sự phát triển chống lại vi khuẩn Gram
dương và Gram âm. Các tác nhân gây bệnh được thử nghiệm trong nghiên cứu này là S.
aureusKCCM 11256, E. coli KCCM 11234. Phần chủng vi khuẩn đã chuẩn bị qua đêm
trong nước dinh dưỡng (Trypton trong đậu nành với 0,6% chiết xuất từ nấm men; hiệu
4
Cao Học
chỉnh đến pH 7.3) được ủ ở 37
o
C. Khảo nghiệm kháng khuẩn, các chủng vi khuẩn lần đầu
tiên được phát triển trên môi trường thạch rắn và chất dinh dưỡng từ các đĩa thạch, các
chủng vi khuẩn mới được cấy vào 100ml nước dinh dưỡng. Sự phát triển được theo dõi
sau mỗi 3 giờ dưới máy đo quang phổ hấp thu UV – VIS (Shimadzu, UV-2550), cho đến
khi mật độ quang học đạt 0.1 tại 600 nm (OD 0.1 tương phản ứng với nồng độ trung bình
10
8
CFU/ml). Sau đó, 1ml chủng vi khuẩn trong nước dinh dưỡng được tiếp tục thêm vào
để lần lượt được 0, 5, 15, 25, 35 và 45 mg/ml dung dịch sợi nano CuO/TiO
2
và sợi nano
TiO

2
tinh khiết, định mức đến 100mL bằng dung dịch dinh dưỡng đã chuẩn bị. Kiểm soát
dung dịch dinh dưỡng mà không làm tăng lượng dung dịch sợi nano, ủ tất cả các bình ở
37
o
C trên máy rung – lắc (150 vòng/phút). Tốc độ tăng trưởng và nồng độ vi khuẩn được
theo dõi bằng cách đo mật độ quang học (OD) như mô tả ở trên tại một khoảng thời gian
3 giờ/lần lấy đến 20 giờ.
2.4. Đặc tính:
Mô hình nhiễu xạ tia X của sản phẩm tổng hợp đã được ghi lại trên một máy
Rigaku/Max-3A nhiễu xạ tia X với bức xạ CuKa (λ= 1.540 Å) trên góc Bragg từ 20
o
tới
80
o
và điện áp điều khiển được duy trì ở 30 kV và 40 mA. Các thuộc tính nhiệt của các
sợi nano được phân tích nhiệt – trọng lực (TGA, Stanton Redcroft, STA1640, England)
gia nhiệt với tốc độ 10
o
/phút trong khí argon. Để kiểm tra các vi cấu trúc, mẫu bột được
rải đều trên băng carbon, sơn Pt đã được áp dụng trong 10s vào các sợi nano tổng hợp, và
hình ảnh đã được thu thập ở độ phóng đại khác nhau thông qua kính hiển vi phát xạ
trường điện tử quét (FE-SEM, JEOL JSM6700, Janpan) trong khi sự phân bố của các yếu
tố được đo bằng điện tử dò vi phân (EPMA). Các tính năng của kính hiển vi CuO/TiO
2
sợi nano, chủng vi khuẩn và vi khuẩn chưa phơi sáng với CuO/TiO
2
sợi nano được phân
tích thông qua hiển vi điện tử truyền qua (TEM, Hitachi, H-7650, Janpan).
2.5. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM):

Sự phát triển qua đêm của chuẩn vi khuẩn được rửa và cho vào dung dịch đệm đến
nồng độ 10
9
CFU/ml. Các tế bào không có hoặc có sợi nano CuO/TiO
2
điều trị được thu
thập bằng cách ly tâm. Các vi khuẩn thu thập được xử lý như mô tả của tài liệu mà chúng
5
Cao Học
tôi đã đưa ra trước đây [22] và hình ảnh được chụp TEM. Tóm lại, khoảng thời gian
thường xuyên các mẫu được phủ trên lưới TEM đồng bằng phương pháp nhúng phủ và
được nhuộm màu bằng dung dịch axit phosphotungstic (PTA - 2% w / v). Lưới phủ được
để khô qua đêm trong chân không. Cuối cùng là mẫu được quan sát bằng TEM (Bio-
TEM, SN-3000, Hitachi, Janpan).
3. Kết quả và bàn luận:
3.1. Đặc tính của sợi nano hỗn hợp TiO
2
và CuO/TiO
2
:
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã chứng minh được việc chuẩn bị sợi nano
CuO/TiO
2
sợi nano (Sơ đồ 1) thông qua quá trình điện hóa.
Sơ đồ 1: Quá trình điện hóa sử dụng dung dịch hỗn hợp (a) và thiết lập quay điện (b)
6
Cao Học
Hình 1: XRD của (a) TiO
2
và (b) CuO/TiO

2
được ủ ở 600
o
C
Hình 1 cho thấy mô hình XRD của sợi nano CuO/TiO
2
và TiO
2
ủ ở 600
o
C. Các
nhiễu xạ tia X của các sợi nano TiO
2
tinh khiết (Hình 1a) và sợi nano CuO/TiO
2
tổng hợp
(Hình 1b) [23]. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này CuO có thể không được phát hiện bởi
nhiễu xạ tia X bởi vì hàm lượng của nó có thể dưới mức giới hạn phát hiện XRD. Do hàm
lượng Cu thấp và sự khác biệt lớn giữa các bán kính ion của Cu
2+
(0,87 Å) và Ti
4+
(0,745
Å) gây khó khăn cho Cu
2+
để thay thế Ti
4+
. Do đó, có thể là các ion Cu tồn tại chủ yếu
dưới dạng các cụm CuO và phân tán trên bề mặt tinh thể TiO
2

. Từ (101) peak của TiO
2
,
kích thước trung bình của tinh thể (D) được tính bằng công thức Scherrer:
D=Kλ/βcosθ,

trong đó β là chiều rộng một nửa peak của 2θ peak, K hệ số hình dạng của
hạt (thường bằng 0,95). θ λ là góc và bước sóng của X-ray. Các kích thước tinh thể trung
bình của TiO
2
và CuO/TiO
2
bột xác định là (khoảng 16,3 nm) và (khoảng 13,07). Hình 2
cho thấy ảnh hiển vi FESEM của các sợi nano CuO/TiO
2
độ phóng đại thấp và cao tương
ứng. Hình.2a cho thấy hình ảnh FESEM của sợi nano có đường kính đồng bộ, trong khi
đó hình.2b cho thấy hình ảnh phóng đại cao của sợi nano có đường kính trong khoảng
100 nm và độ dài trung bình 1 micromet. Hình.2(c,d) cho thấy EPMA của các sợi nano
7
Cao Học
tổng hợp CuO/TiO
2
. Sự hiện diện của các hạt Cu trong Titania được xác nhận từ hình ảnh
EPMA. Hình ảnh EPMA rõ ràng cho thấy Ti là yếu tố chính và Cu cũng là chất phân tán
trên bề mặt của Titania.
Hình 2: Kết quả đo SEM của sợi nano CuO/TiO2 (a và b) lần lượt được khuếch đại
thấp và khuyết đại cao. Kết quả đo EPMA của sợi nano CuO/TiO2 (c và d).
Phù hợp với các thông số tinh thể mạng, CuO và TiO
2

không thể kết hợp trong một
tinh thể duy nhất. Theo đó, chính các sợi TiO
2
pha tạp với CuO hạt nano là cấu trúc dự
kiến của sản phẩm thu được. Để khẳng định giả thuyết này, phân tích TEM đã được thực
hiện (Hình 3a). Như trong hình.3a, hạt nhỏ màu đen phân bố dọc theo các sợi nano có thể
được quan sát thấy. Hình ảnh TEM lần nữa khẳng định kích thước đường kính của các sợi
nano CuO/TiO
2
là 100 nm. Như thể hiện trong hình ảnh HR-TEM (Hình 3b), vì vậy
8
Cao Học
người ta có thể cho rằng các hạt nano đại diện cho CuO. Hình 3c diễn tả phổ tán sắc năng
lượng tia X (EDX) của sợi nano CuO/TiO
2
. Kết quả cho thấy mẫu có chứa Ti, Cu và O;
không có một nguyên tử tạp chất nào được phát hiện, chỉ ra sản phẩm cuối cùng không có
lẫn tạp chất và là hỗn hợp của CuO và TiO
2
. Kết quả phân tích nhiệt TGA của Titania/ Cu
nitrate/PVAc được ghi nhận trong hình 3d. Như được chỉ ra bởi kết quả TGA, sợi PVAc
tinh khiết phân huỷ 78,5% tại 500
o
C. Sợi hỗn hợp thì bị phân huỷ sau 3 bước. Đầu tiên là
mất khối lượng (~9%) do nước và dung môi bay hơi trong khoảng 25 – 150
o
C. Thứ 2 là
mất khối lượng (~53,5%) do phân huỷ titanium tetra-iso-propoxide và đồng nitrate hoặc
do sự mất nước của PVAc của chuỗi polymer từ 150 – 350
o

C. Thứ 3 là mất khối lượng
(~16%) do phân huỷ chuỗi polymer của PVAc từ 350 – 500
o
C.
9
Cao Học
Hình 3: Kết quả đo TEM (a) và HR – TEM (b) (vòng tròn màu xanh thể hiện hạt CuO),
EDX (c) của sợi nano CuO/TiO
2
và đo nhiệt TGA (d) của Titania/Cu nitrate/PVAc.
3.2. Khả năng kháng khuẩn của sợi nano CuO/TiO
2
:
Những nỗ lực lớn đã được thực hiện để nghiên cứu các hợp chất kháng khuẩn để
điều trị nhiễm trùng do vi khuẩn liên quan đến nhiều bệnh nghiêm trọng, chẳng hạn như
cho nha khoa hoặc một bộ phận được gắn giả, các vấn đề chính phải đối mặt là nhiễm
trùng trước và sau phẫu thuật. Lý do cơ bản cho điều này là mảng răng mà là một trong
những nguyên nhân chính gây bệnh và dẫn đến sâu răng hoặc các vấn đề về răng. Tương
tự như vậy, trong trường hợp cấy ghép xương nhiễm vi sinh cũng là một vấn đề lớn phải
đối mặt với bệnh nhân. Mặt khác, mầm bệnh cũng đã được tìm thấy có khả năng chống
thuốc kháng sinh khác nhau [24]. Để khắc phục những vấn đề sức khỏe liên quan được
tạo ra bởi các bệnh nhiễm trùng vi khuẩn là một thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu
và các nhà khoa học cho đến bây giờ. Các tác nhân gây bệnh phổ biến nhất là vi khuẩn E.
coli và S. aureusand vì lý do đặc biệt này chúng tôi đã chọn hai chủng này như một sinh
vật mô hình để giải quyết các hoạt động kháng khuẩn mà vật liệu nano của chúng tôi có
thể thực hiện.
Để cải thiện hiệu suất xúc tác quang hoá của titanium dioxide TiO
2
; phương pháp
tiếp cận khác nhau đã được phát triển như pha tạp kim loại / phi kim vào TiO

2
, kim loại /
bán dẫn vào TiO
2
, và hợp chất polymer và TiO
2
. Xúc tác quang hoá TiO
2
là một trong
những tài liệu nghiên cứu nhiều nhất trong lĩnh vực ứng dụng kháng khuẩn do khả năng
độc đáo của nó như phá vỡ xúc tác quang hoá của vi khuẩn, không độc tính, và các đặc
tính tự làm sạch [25,26]. Tuy nhiên, mặc dù có rất nhiều bài viết về tác dụng diệt khuẩn
của vật liệu TiO
2
khi chiếu xạ, với sự hiểu biết của tác giả chưa có báo cáo toàn diện về
các tác dụng kháng khuẩn và cơ chế của sợi nano CuO/TiO
2
. Theo đó, công việc này đã
được thiết kế để điều tra các cơ chế khử trùng bằng CuO/TiO
2
tổng hợp chống lại vi
khuẩn gây bệnh phổ biến dưới ánh sáng nhìn thấy được. Vì mục đích này chúng tôi đã
làm việc với chủng Gram - dương S. aureus và Gram - âm E. coli bổ sung dung dịch sợi
10
Cao Học
nano và một nỗ lực đã được thực hiện để tìm nồng độ ức chế tối thiểu của các sợi nano có
khả năng ức chế sự phát triển của các chủng gây bệnh được đề cập ở trên.
Hình 4: Đường cong tăng trưởng của vi khuẩn E. coli và S. aureus (a), tiếp xúc với
dung dịch sợi nano CuO/TiO
2

. Kết quả đo TEM của vi khuẩn E. coli và S. aureus (c) và
kết quả đo TEM của sợi nano CuO/TiO
2
.
Các đường cong tăng trưởng của vi khuẩn E. coli và S. aureus được điều trị với sợi
nano CuO/TiO
2
và sợi nano TiO
2
nguyên sơ được thể hiện trong hình.4a và b bằng cách
đo mật độ quang học ở 600 nm. Trong sự hiện diện của 0, 5, 15, 25, 35 và 45 lg / ml sợi
nano TiO
2
nguyên sơ và sợi nano CuO/TiO
2
, các đường cong tăng trưởng của các chủng
thử nghiệm bao gồm ba giai đoạn: giai đoạn chậm, giai đoạn theo cấp số nhân, và giai
đoạn ổn định. Tuy nhiên, giai đoạn suy giảm trong mỗi đường cong tăng trưởng có thể
11
Cao Học
không được thể hiện vì chúng tôi chỉ khảo nghiệm tổng số vi khuẩn, bao gồm cả những
người sinh sống và chết, dựa trên giá trị của OD
600
. Dưới sự vắng mặt của sợi nano
CuO/TiO2, cả hai sinh vật tăng vọt đạt giai đoạn theo cấp số nhân nhanh chóng. Nhưng
tiếp xúc với nồng độ nêu trên của các sợi nano tế bào E. coli và S. aureus thì tụt đến 4
giờ. Với nồng độ ngày càng tăng của các sợi nano tổng hợp, sự chậm trễ là rõ ràng hơn.
MIC quan sát của các dung dịch sợi nano TiO
2
và CuO/TiO

2
tìm thấy là khác nhau. Các
sợi nano TiO
2
hơi ức chế sự tăng trưởng tế bào vi khuẩn dưới chiếu xạ ánh sáng khi thời
gian tiếp xúc tăng lên. Nano TiO
2
kích thước nhỏ có thể xâm nhập vào tế bào và một
phần cản trở sự tăng trưởng của vi khuẩn. Ngược lại, các sợi nano tổng hợp CuO/TiO
2
thể
hiện khả năng hoạt động kháng khuẩn tuyệt vời chống lại cả E. coli và S. aureus. So với
sợi nano TiO
2
nguyên sơ (Hình. 4a và b), các sợi nano CuO/TiO
2
hiệu quả giết chết cả E.
coli (Hình 4a) và S. aureus (Hình 4b). Tuy nhiên, trong trường hợp của cả hai chủng vi
sinh vật, thấy rằng với sự gia tăng nồng độ của TiO
2
và CuO/TiO
2
, sự ức chế cũng đã tăng
lên. Sự khác biệt đáng chú ý trong tốc độ tăng trưởng đã được quan sát đối với S. aureus,
E. coli từ 3 đến 8 giờ ủ. Nồng độ cao nhất (45 lg/ml) của dung dịch sợi nano tổng hợp
CuO/TiO
2
đã được tìm thấy để thể hiện độc tính tuyệt vời chống lại cả các chủng gây
bệnh được thử nghiệm. Các ảnh hiển vi điện tử bởi TEM của E. coli và S. aureus tế bào
được kháng khuẩn và không được kháng khuẩn với CuO/TiO

2
được hiển thị trong hình. 4
(c và d). Hiển vi (đồ thị 4c, d) cho thấy bề mặt không được kháng khuẩn của E. coli và S.
aureus tế bào được mịn màng và cho thấy đặc tính điển hình của hình que và hình dạng
tương ứng với hình thái nho còn nguyên vẹn, trong khi các tế bào được điều trị bằng
CuO/TiO
2
(Hình 4c và d) đã bị hỏng nặng. Một số tế bào cho thấy lỗ hở lớn, những tế bào
khác bị biến dạng và phân mảnh. Ngoài ra, các hạt điện tử dày đặc hoặc kết tủa cũng
được tìm thấy xung quanh các tế bào vi khuẩn bị hư hỏng. Trong trường hợp của vi
khuẩn E. coli được làm rõ từ các kết quả hình ảnh là các sợi nano có kèm theo đầu vào
màng ngoài của tế bào và sau đó nhập hoàn toàn vào các tế bào dẫn đến giết chết tế bào.
Sự xuất hiện của các sợi dài cũng được quan sát trong trường hợp của vi khuẩn E. coli
(Hình 4c) trong khi sự xuất hiện của các khu vực màu trắng (Hình 4d) có thể có thể là các
phân tử DNA tổng hợp trong S. aureus. Lý tưởng nhất là các tế bào vi khuẩn phát triển
12
Cao Học
bởi một quá trình được gọi là phản ứng phân hạch nhị phân trong đó kích thước một đôi
tế bào sau đó chia đôi để tạo ra hai tế bào con giống hệt nhau [27]. Tuy nhiên, trong sự
hiện diện dung dịch tổng hợp của CuO/TiO
2
, sợi nano liên tục tương tác với các tế bào vi
khuẩn và do đó chúng thể hiện một độc tính tuyệt vời chống lại vi khuẩn E. coli và vi
khuẩn S. aureus. Sự tương tác giữa vi khuẩn và CuO/TiO
2
đã được làm sáng tỏ hơn nữa
thông qua hình ảnh TEM (4c, d). Một thời gian ngắn, đồng giải phóng các ion trong môi
trường có sự hiện diện của nước và khí oxy, tạo thành phức hợp với các hợp chất có trong
vi khuẩn. Các quá trình này có thể dẫn đến thiệt hại cho các tế bào và protein. Hơn nữa,
các ion đồng có thể tương tác với DNA ngăn ngừa vi khuẩn sinh sản [28]. Do vậy, bất kỳ

tài liệu nào cũng có thể đưa ra khả năng kháng sinh của Cu
2+
. Dựa trên cấu trúc màng
khác nhau vi khuẩn được phân loại vi khuẩn Gram dương hay Gram âm. Sự khác biệt về
cấu trúc của màng nằm trong tổ chức của một thành phần quan trọng được gọi là
peptidoglycan. Vi khuẩn Gram âm bao gồm cả E. coli chỉ có một lớp peptidoglycan mỏng
giữa màng tế bào chất và màng ngoài. Chúng tôi cho rằng khi sợi nano tổng hợp
CuO/TiO
2
tổng hợp được phân tán trong sự phát triển của Cu
2+
có trong các sợi nano
tương tác với các tế bào vi khuẩn và dính chặt với thành tế bào vi khuẩn. Tổng điện tích
trên bề mặt tế bào vi khuẩn tại các giá trị pH là điện tích âm, đó là do số lượng carboxylic
vượt quá mức và các nhóm khi phân ly làm cho bề mặt tế bào mang điện tích âm. Vi
khuẩn và Cu
2+
trong các sợi nano có điện tích trái dấu, và lực hút tĩnh điện có thể là lý do
cho độ bám dính và hoạt tính sinh học của nó. Vi khuẩn Gram dương có một màng tế bào
chất và bức tường dày bao gồm đa lớp của peptidoglycan, trong khi vi khuẩn Gram âm có
cấu trúc tế bào phức tạp hơn với một lớp peptidoglycan giữa màng ngoài và màng tế bào
chất. Trong cả hai trường hợp, hoạt tính kháng khuẩn của CuO/TiO
2
có thể được quy cho
sự thiệt hại của màng tế bào, dẫn đến phá huỷ tế bào và giết chết tế bào. Trước đó, một số
tác giả đã so sánh hoạt động kháng khuẩn của các hạt nano bạc với các hạt nano đồng và
đã thể hiện trong các nghiên cứu của họ là cả hai hạt đều kháng khuẩn tốt, mặc dù độ
nhạy khác nhau tùy thuộc vào loài vi sinh vật [30]. Mặt khác, Yoon et al. [31] phát hiện ra
rằng các hạt nano đồng có hiệu suất tốt hơn so với các hạt nano bạc đối với E. coli và
Bacillus subtilis. Hơn nữa, các hạt nano oxit đồng với kích thước từ 20 đến 95nm cũng

13
Cao Học
cho thấy hoạt động kháng khuẩn đối với một số vi khuẩn gây bệnh, bao gồm S. aureus và
E. coli [32]. Đồng là một trong những kim loại mà có xem xét khuyến cáo sử dụng hàng
ngày. Đồng thường được sử dụng như một tác nhân kháng khuẩn trong bể bơi và các nơi
khác [33]. Nó được coi là an toàn với con người [34]. Ngược lại với độ nhạy thấp của
đồng đối với mô người [35], vi sinh vật rất dễ bị tấn công bởi đồng. Ví dụ, gần đây đã có
nhiều kết luận chỉ ra rằng bề mặt đồng làm giảm sự sống sót của bệnh dịch kháng
methicillin S. aureusin môi trường chăm sóc sức khoẻ [36]. Mặc dù cơ chế chính xác mà
các ion kim loại có khả năng kháng khuẩn là không rõ ràng và nó vẫn còn đang được
tranh luận, một số nhà nghiên cứu đã cố gắng giải thích nguyên nhân phá huỷ của tế bào
và màng tế bào bởi sự kết hợp của các ion kim loại. Giải phóng các ion kim loại vào
trong dung dịch có khả năng ngừng hoạt động hoặc tiêu diệt vi khuẩn. Sondi và Salopek-
Sondi (2004) cho thấy trong nghiên cứu của họ mà ion Cu
2+
và Ag
+
đủ nhỏ để phá vỡ
màng tế bào vi khuẩn và xâm nhập để phá vỡ chức năng của các enzym. Tác động gián
tiếp thông qua những thay đổi điện tích trong môi trường xung quanh cũng có thể ảnh
hưởng đến hiệu quả của hạt nano kim loại chống lại các vi sinh vật [14]. Tuy nhiên, gần
đây Delgado et al. [37] đã chứng minh trong các nghiên cứu của họ rằng vật liệu tổng
hợp polypropylene dựa trên các hạt nano đồng có thể giết chết vi khuẩn E. coli tùy thuộc
vào tỷ lệ của ion Cu
2+
từ số lượng lớn của vật liệu. Hơn nữa, các hạt nano CuO có hiệu
quả kháng sinh so với các hạt nano đồng. Kết quả của chúng tôi là hoàn toàn phù hợp với
các báo cáo trước đó. Một lời giải thích cho các hoạt động kháng khuẩn cao hơn CuO là
do sự hình thành của một lớp oxit là cần thiết, do đó tạo thuận lợi cho quá trình phát hành
ion. Cu

2+
trong trạng thái ôxi hóa cao nhất, vì vậy cơ chế tạo ion là sự tan rã của hạt,
trong khi ở các hạt Cu, sự hình thành trước khi một lớp oxit là bắt buộc. Dựa trên kết quả
trên, chúng tôi đã cố gắng đề nghị các cơ chế có thể xảy ra. Có thể tế bào phân giải có thể
được bao gồm hai giai đoạn, quá trình nhanh chóng và thụ động ban đầu liên quan đến
hấp phụ vật lý, trao đổi ion ở bề mặt tế bào và vận chuyển chậm của các ion kim loại vào
trong tế bào vi khuẩn. Trong kết quả đo TEM, sự xuất hiện của dường như rõ ràng, vùng
màu trắng (Hình 4d) và sợi (Hình 4c) có thể do một số ion dương kim loại. Một cách có
thể giải thích các khu vực màu trắng sự tập hợp của các phân tử DNA [38]. Ta dễ dàng
14
Cao Học
nhận ra rằng hình thái của DNA có thể đã thay đổi, có nghĩa là tổ chức bậc cao của nó có
thể đã bị phá vỡ. Theo báo cáo khác, các tế bào sẽ hình thành sợi dài khi chúng được xuất
hiện các điểm chết thông qua các khuyết tật trên DNA, trong khi sự trao đổi chất của nó
vẫn hoạt động. Các chất kháng khuẩn phổ biến dưới bức xạ tia cực tím và hydrogen
peroxide trong vi khuẩn hình sợi bao gồm cả E. coli [39,40]. Đồng có tính chất diệt sinh
vật mạnh nhưng trái ngược với bạc, đồng là một nguyên tố cần thiết [41] đóng một vai
trò quan trọng trong tạo da và mạch máu [42-45]. Nhìn chung, kết quả của chúng tôi chỉ
ra rằng CuO/TiO
2
có khả năng kháng khuẩn cả vi khuẩn Gram dương và âm, do đó thích
hợp cho các ứng dụng đa dạng trong tương lai.
4. Kết luận:
Tóm lại, chúng tôi có thể tóm tắt rằng sợi nano tổng hợp CuO/TiO
2
được chế tạo
thành công bằng phương pháp điện hóa và được đánh giá là chất kháng khuẩn. Việc phân
tích TEM và EPMA cho thấy sợi tổng hợp có kích thước nano, đường kính nano và đồng
nhất trong thành phần. Các sợi nano tổng hợp chứng minh rằng có khả năng tăng cường
kháng sinh đối với vi khuẩn E. coli và S. aureus so với TiO

2
nguyên sơ dưới ánh sáng
nhìn thấy. Hơn nữa, sợi nano tổng hợp CuO/TiO
2
có thể nâng cao hiệu suất kháng khuẩn
do diện tích bề mặt lớn. Nhìn chung, CuO/TiO
2
có khả năng kháng khuẩn sở hữu hoạt
động tuyệt hảo chống lại cả vi khuẩn Gram dương và âm, do đó thích hợp cho các ứng
dụng đa dạng trong tương lai nhất là các ứng dụng trong vật liệu y sinh.
LỜI CẢM ƠN
Chúng tôi chân thành cảm ơn ông Kang JongGyun - Trung Tâm thiết bị nghiên cứu
và giảng dạy trường Đại học Quốc gia Chonbuk. Công trình này được hỗ trợ bởi Chương
trình công nghiệp chiến lược phát triển công nghệ 10037345, được tài trợ bởi Bộ Kinh tế
Tri thức (MKE, Hàn Quốc).
15
Cao Học
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Balazs AC, Emrick T, Russell TP. Nanoparticle polymer composites: where two
small worlds meet. Science 2006;314:1107–10.
[2] Maiyalagan T. Synthesis, Characterization and electrocatalytic activity of silver
nanorods towards the reduction of benzyl chloride. Appl Catal A 2008;340:191–5.
[3] Damian A, Deirdre ML, Matthew G, Kelly JM. Optical properties and growth
aspects of silver nanoprism produced by a highly reproducible and rapid synthesis at
room temperature. Adv Funct Mater 2008;18:2005–16.
[4] Yu YY, Chang SS, Lee CL, Wang CRC. Gold nanorods: electrochemical
synthesis and optical properties. J Phys Chem B 1997;101:6661–4.
[5] Liu B, Zeng HC. Hydrothermal synthesis of ZnO nanorods in the diameter
regime of 50nm. J Am Chem Soc 2003;125:4430–1.
[6] Jana NR, Gearheart L, Murphy CJ. Wet chemical synthesis of high aspect ratio

cylindrical gold nanorods. J Phys Chem B 2001;105:4065–7.
[7] Kim F, Song JH, Yang P. Photochemical synthesis of gold nanorods. J Am Chem
Soc 2002;124:14316–7.
[8] Shin YJ, Lee HI, Kim MK, Wee WR, Lee JH, Koh JH. Biocompatibility of
nanocomposites used for artificial conjunctiva: in vivo experiments. Curr Eye Res
2007;32:1–10.
[9] Morones JR, Elechiguerra JL, Camacho A, Holt K, Kouri JB, Ramirez JT. The
bactericidal effect of silver nanoparticles. Nanotechnology 2005;16:2346–53.
[10] Lin Y, Böker A, He J, Sill K, Xiang H, Abetz C, et al. Self-directed assembly of
nanoparticles/copolymer mixtures. Nature 2005;434:55–9.
[11] Alrousan MAD, Dunlop SMP, McMurray TA, Byrne JA. Photocatalytic
inactivation of E. coliin surface water using immobilised nanoparticle TiO
2
films. Water
Res 2009;43:47–54.
16
Cao Học
[12] Yeung KL, Leung WK, Yao N, Cao SL. Reactivity and antimicrobial roperties
of nanostructured titanium dioxide. Catal Today 2009;143:218–24.
[13] Erkan A, Bakir U, Karakas G. Photocatalytic microbial inactivation over Pd
doped SnO
2
and TiO
2
thin films. J Photochem Photobiol A 2006;184:313–21.
[14] Sondi I, Salopek-Sondi B. Silver nanoparticles as antimicrobial agent: a case
study on E. coli as a model for gram-negative bacteria. J Colloid Interface Sci
2004;275:177–82.
[15] Sheikh FA, Barakat NAM, Kanjwal MA, Nirmala R, Lee JH, Kim H, et al.
Electrospun titanium dioxide nanofibers containing hydroxyapatite and silver

nanoparticles as future implant materials. J Mater Sci: Mater Med 2010;21:2551–9.
16] Cioffi N, Torsi L, Ditaranto N, Tantillo G, Ghibelli L, Sabbatini L. Copper
nanoparticle/polymer composites with antifungal and bacteriostatic properties. Chem
Mater 2005;17:5255–62.
[17] Li Z, Lee D, Sheng X, Cohen RE, Rubner MF. Two-level antibacterial coating
with both release-killing and contact-killing capabilities. Langmuir 2006;22: 9820–3.
[18] Tranquada JM, Sternlieb BJ, Axe JD, Nakamura Y, Uchida S. Evidence for
stripe correlations of spins and holes in copper oxide superconductors. Nature 1995;
375:561–3.
[19] Kwak K, Kim C. Viscosity and thermal conductivity of copper oxide nanofluid
dispersed in ethylene glycol. Korea–Australia Rheol J 2005; 17:35–40.
[20] Xu JF, Ji W, Shen ZX, Tang SH, Ye XR, Jia DZ. Preparation and
characterization of CuO nanocrystals. J Solid State Chem 1999;147:516–9.
[21] Gao F, Pang H, Xu S, Lu Q. Copper-based nanostructures: promising
antibacterial agents and photocatalysts. Chem Commun 2009:3571–3.
[22] Hassan MS, Amna T, Pandeya DR, Hamza AM, Bing YY, Kim HC, et al.
Controlled synthesis of Mn2O3nanowires by hydrothermal method and their bactericidal
17
Cao Học
and cytotoxic impact: a promising future material. Appl Microbiol Biotechnol
2012. />[23] Sorapong P, Yoshikazu S, Yoshikawa S, Kawahata R. Synthesis of titanate,
TiO2 (B), and anatase TiO
2
nano fibers from natural rutile sand. J Solid State Chem
2005;178:3110–6.
[24] Tenover FC. Mechanisms of antimicrobial resistance in bacteria. Am J Med
2006;119:S3–10.
[25] Brunet L, Lyon DY, Hotze EM, Alvarez PJJ, Wiesner MR. Comparative
photoactivity of fullerenes and titanium dioxide: mechanisms, implications on
antimicrobial activity and applications. Environ Sci Technol 2009;43:4355–60.

[26] Kim C, Choi M, Jang J. Nitrogen-doped SiO
2
/TiO
2
core/shell nanoparticles as
highly efficient visible light photocatalyst. Catal Commun 2010;11:378–82. [27] Thiel J,
Pakstis L, Buzby Raffi SM, Ni C, Pochan D, Shah SI. Antibacterial properties of silver
doped titania. Small 2007;3:799–803.
[28] Borkow G, Gavia J. Copper as a biocidal tool. Curr Med Chem 2005;12:2163–
75.
[29] Stoimenov PK, Klinger RL, Marchin GL, Klabunde KJ. Metal oxide
nanoparticles as bactericidal agents. Langmuir 2002;18:6679–86.
[30] Ruparelia JP, Chatterjee AK, Duttagupta SP, Mukherji S. Characterisation of
copper oxide nanoparticles for antimicrobial applications. Acta Biomat 2008;4:707–16.
[31] Yoon KY, Byeon JH, Park JH, Hwang J. Susceptibility constants of Escherichia
coli and Bacillus subtilis to silver and copper nanoparticles. Sci Total Environ
2007;373:572–5.
[32] Ren G, Hu D, Cheng EWC, Vargas-Reus MA, Reip P, Allaker RP.
Characterisation of copper oxide nanoparticles for antimicrobial applications. Int J
Antimicrob Agents 2009;33:587–90.
18
Cao Học
[33] Zeelie JJ, McCarthy TJ. Effects of copper and zinc ions on the germicidal
properties of two popular pharmaceutical antiseptic agents cetylpyridinium chloride and
povidone-iodine. Analyst 1998;123:503–7.
[34] Bilian X. Intrauterine devices. Best Pract Res Clin Obstet Gynaecol
2002;16:155–68.
[35] Hostynek JJ, Maibach HI. Copper hypersensitivity: dermatologic aspects – an
overview. Rev Environ Health 2003;18:153–83.
[36] Noyce JO, Michels H, Keevil CW. Potential use of copper surfaces to reduce

survival of epidemic methicillin-resistant Staphylococcus aureus in the healthcare
environment. J Hosp Infect 2006;63:289–97.
[37] Delgado K, Quijada R, Palma R, Palza H. Polypropylene with embedded
Copper metal or copper oxide nanoparticles as a novel plastic antimicrobial agent. Lett
Appl Microbiol 2011;53:50–4.
[38] Li Q, Liang W, Shang JK. Enhanced visible-light from PdO nanoparticles in
nitrogen-doped titanium oxide thin films in nitrogen-doped titanium oxide thin films.
Appl Phys Lett 2007;90:63–109.
[39] Imlay JA, Linn S. Mutagenesis and stress responses induced inEscherichia coli
by hydrogen peroxide. J Bacteriol 1987;169:2967–76.
[40] Park S, You XJ, Imlay JA. Substantial DNA damage from submicromolar
intracellular hydrogen peroxide detected in Hpx mutants ofEscherichia coli. Proc Natl
Acad Sci 2005;102:9317–722.
[41] Uauy R, Olivares M, Gonzalez M. Essentiality of copper in humans. Am J Clin
Nutr 1998;67:952S–9S.
[42] Borkow G, Gabbay J, Zatcoff RC. Could chronic wounds not heal due to too
low local copper levels? Med Hypotheses 2008;70:610–3.
19
Cao Học
[43] Sen CK, Khanna S, Venojarvi M, Trikha P, Ellison EC, Hunt TK, et al. copper-
induced vascular endothelial growth factor expression and wound healing. Am J Physiol
Heart Circ Physiol 2002;282:H1821–7.
[44] Ahmed Z, Briden A, Hall S, Brown RA. Stabilisation of cables of fibronectin
with micromolar concentrations of copper: in vitro cell substrate properties. Biomaterials
2004;25:803–21.
[45] Rucker RB, Kosonen T, CleggM S, Mitchell AE, Rucker BR, Uriu-Hare JY, et
al. Copper, lysyl oxidase, and extracellular matrix protein cross-linking. Am J Clin Nutr
1998;67:996S–1002S.
20