Nano bạc và ứng dụng của Nano bạc trong đời sống

Cuộc sống ngày càng phát triển, theo sự tiến bộ của khoa học công nghệ tìm thêm những vật liệu mới. Kế thừa hoạt tính diệt khuẩn, virus, nấm men của bạc, Nano bạc được coi là hợp chất tiềm năng nhất hiện nay trong điều trị các bệnh nhiễm trùng. Vậy nano bạc là gì, có khác gì so với những hợp chất bạc thông thường, và ứng dụng của nó trong đời sống là gì?

Nano bạc là gì? 

Công nghệ Nano phát triển rất nhanh trong những năm gần đây tạo ra những vật liệu mới trong xây dựng, đời sống và cả trong lĩnh vực y tế với việc tạo ra với những loại thuốc mới với tác dụng vượt trội. Trong đó Nano bạc đang là nguyên liệu được sử dụng nhiều nhất.

Khái niệm Nano bạc

Theo định nghĩa của Cục quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA), Nano bạc là dạng vật chất kim loại bạc ở kích thước nano với đường kính nằm trong khoảng từ 1- 100 nm. Do kích thước nhỏ như vậy nên diện tích bề mặt tiếp xúc của Nano bạc lớn hơn rất nhiều so với nguyên tử bạc thông thường. Chỉ với một hàm lượng nhỏ trong dung dịch ở  nồng độ phần triệu (ppm), Nano bạc cũng thể hiện hoạt tính một cách hiệu quả. 

Nano bạc tồn tại dưới dạng dung dịch trong nước hay còn gọi là keo bạc. Màu của dung dịch là màu của Nano bạc. Trong khi các dung dịch chất thông thường luôn cố định chỉ thay đổi độ đậm- nhạt màu tùy theo nồng độ thì dung dịch Nano bạc thay đổi màu sắc phụ thuộc nồng độ Nano bạc. Dung dịch có màu vàng nhạt với nồng độ 50ppm, chuyển sang màu đỏ với nồng độ 500ppm và có thể chuyển sang xanh đen khi đạt nồng độ 5000ppm. Tính chất đặc biệt này chỉ riêng Nano bạc mới có.

Phân loại Nano bạc theo chuyên gia

Nano bạc có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau dựa vào hình thái hạt Nano, phuong pháp điều chế, chất bảo vệ bề mặt…

Phân loại theo hình dạng của hạt Nano bạc

Quan sát hình ảnh trên kính hiển vi điện tử hạt Nano bạc có rất nhiều hình dạng khác nhau: hình cầu, hình khối, hình que, hình đa giác hay dạng vô định hình,…Hình thái  là một trong những yếu tố quan trọng quyết định khả năng sinh học chẳng hạn như khả năng xâm nhập tế bào, hoạt hóa tế bào,…của hạt Nano bạc . Với dạng hình cầu hạt Nano bạc cho thấy độ ổn định tốt nhất ,khả năng kháng khuẩn vượt trội hơn so với những hình dạng khác.

Phân loại theo phương pháp tổng hợp

Hiện nay, các hạt Nano bạc được tổng hợp qua 3 con đường phổ biến là  vật lí, hóa học và con đường sinh học.

• Phương pháp vật lý: Quá trình tổng hợp vật lý của Nano bạc gồm phương pháp bay hơi-ngưng tụ và kỹ thuật cắt  laser. Cả hai cách đều có thể tổng hợp các hạt Nano bạc với độ tinh khiết cao mà không cần sử dụng hóa chất, nên hạn chế giải phóng các chất độc hại và gây nguy hiểm cho sức khỏe con người và môi trường.

• Phương pháp hóa học: Phương pháp thứ hai để tổng hợp hạt Nano bạc là sử dụng các chất khử hóa học để khử ion Ag+ thành bạc kim loại  . Đây là phương pháp dùng phổ biến hiện nay do quy trình thực hiện đơn giản cũng như chi phí sản xuất nhỏ hơn so với các phương pháp khác. Tuy nhiên dung dịch Nano bạc thu được có độ tinh khiết không cao do vẫn còn bị lẫn muối bạc.

• Phương pháp sinh học: Phát triển công nghiệp hiện nay là đi đôi với thân thiện môi trường. Cũng chính vì thế phương pháp “tổng hợp xanh” để khử ion bạc đang là xu hướng sản xuất. Thay vì sử dụng chất hóa học, vi sinh vật hay dịch chiết thực vật được sử dụng để khử ion Ag. Các chất khử tự nhiên giảm thiểu các sản phẩm phụ độc hại mà còn là chất bảo vệ tăng độ ổn định của các hạt Nano bạc trong các chế phẩm.

Phân loại theo chất bảo vệ

Nano bạc có thể ở dạng cơ bản- gọi là hạt Nano bạc “trần” hay có thể ở dạng kết hợp với các hoạt chất khác. Những chất đó được gọi là chất bảo vệ được phủ bên ngoài cấu trúc nano làm tăng độ ổn định, giảm hiện tượng kết tụ của các hạt Nano bạc trong dung dịch. Hơn thế nữa chất bảo vệ với những đặc tính riêng làm tăng sinh khả dụng cũng như hóa tính của hạt Nano bạc.

Cấu trúc hạt Nano bạc

Nano bạc có cấu trúc 3 phần gồm lõi bạc, lớp điện tích trên bề mặt hạt và chất bảo vệ. Lớp điện tích cùng với chất bảo vệ giúp cấu trúc Nano bạc bền hơn đồng thời tạo ra những đặc điểm mà chỉ ở bạc với kích thước nano mới có được.

• Phần lõi gồm các nguyên tử bạc sắp xếp dạng tinh thể khối với số lượng tùy thuộc vào kích thước và hình dáng hạt Nano bạc. Ví dụ 1 hạt Nano bạc hình cầu, kích thước hạt là 20nm có thể chứa đến 125,000 hạt nguyên tử bạc. Như vậy chỉ với một kích thước nhỏ cỡ nano mà tập trung được một lượng lớn hoạt chất cho thấy chỉ cần ở nồng độ thấp các hạt Nano bạc thể hiện được hoạt tính của mình.
• Bề mặt hạt Nano bạc là các nguyên tử bạc và ion bạc Ag+ xen kẽ nhau. Tại đó liên tục diễn ra quá trình cân bằng động chuyển đổi giữa nguyên tử Ag và ion Ag+. Khi gặp các bề mặt có tính oxi hóa như bề mặt virus, vi khuẩn thì ion Ag+ sẽ được tạo ra liên tục từ hạt Nano bạc cho hiệu quả tiêu diệt virus, vi khuẩn và vi nấm hiệu quả.
• Lớp vỏ hạt Nano bạc được bao quanh là các phân tử bảo vệ giúp ổn định bề mặt hạt, giữ hạt Nano bạc ở kích thước quy định tránh sa lắng và kết tụ. Ngoài ra  một số loại hạt Nano bạc đặc biệt có lớp vỏ bảo vệ có hoạt tính sinh học giúp điều biến tính chất của hạt Nano. Ví dụ TSN- phức hợp của hạt Nano bạc có chứa lớp vỏ là Tannic acid có ái lực mạnh với các loại virus do đó tăng khả năng bám dính của khối Nano bạc vào virus, tạo điều kiện giải phóng nhiều ion Ag+ và tiêu diệt virus. 

Tác dụng của hạt Nano bạc

Từ thời xa xưa bạc đã được sử dụng rất phổ biến. Bạc là kim loại hiếm có giá trị,  màu sắc óng ánh nổi bật nên làm tiền tệ trao đổi hay trang sức như vòng bạc, lắc tay bạc,… vừa để trang trí mà còn để tránh cảm gió.  Bạc còn được đúc thành đồ vật để bảo quản lương thực, thực phẩm tránh nấm mốc. Như vậy tính chất diệt khuẩn của bạc đã được ứng dụng từ rất lâu và trong nền công nghiệp hiện đại cũng áp dụng tính chất đó của bạc trong các sản phẩm phục vụ đời sống và chăm sóc sức khỏe con người.

Tác dụng Nano bạc bảo quản thực phẩm

Trong quá trình chế biến, bảo quản hay đóng gói, thực phẩm rất dễ nhiễm phải vi khuẩn, nấm mốc độc hại. Những tác nhân đó làm thực phẩm nhanh hỏng và những độc tố mà trong quá trình chuyển hóa  vi khuẩn tiết ra độc tố gây hại cho con người. Chất bảo quản hóa học có thể giúp ngăn ngừa thực phẩm bị hỏng nhưng dấy lên mối lo lắng về độ an toàn. 

Gần đây hạt Nano đang được sử dụng rộng rãi trong bao bì đóng gói sản phẩm chống lại nhiều loại vi sinh vật như vi khuẩn, nấm men, nấm và virus nhờ các lợi ích:

• Nano bạc tiêu diệt vi sinh vật gây hỏng thực phẩm: Kích thước nano giúp tăng diện tích tiếp xúc của Nano bạc với các tác nhân vi khuẩn, nấm mốc giúp tiêu diệt nhanh chóng, nâng cao hiệu quả diệt khuẩn. 
• Nano bạc không tạo chất độc hại: Nano bạc được chứng nhận về độ an toàn với sức khỏe con người, không biến đổi tạo chất độc hại cũng hư không ảnh hưởng đến chất lượng thực phẩm trong quá trình bảo quản.  

Trên thị trường hiện nay có nhiều tủ lạnh với công nghệ nano bạc giúp loại bỏ vi khuẩn gây hỏng đồ ăn, giúp thực phẩm bảo quản tốt hơn, tươi hơn giữ được chất dinh dưỡng. 

Tác dụng Nano bạc làm chất xúc tác

Sử dụng Nano bạc như 1 tác nhân xúc tác tổng hợp các chất hữu cơ nhận được sự quan tâm lớn và đang có xu hướng mở rộng trong 10 năm gần đây Nhờ vào tính oxi hóa- khử mạnh mà Nano bạc đang dần thay thế các chất xúc tác hiện nay trong sản xuất công nghiệp.

Sử dụng Nano bạc làm chất xúc tác mang lại nhiều lợi ích như: 

• Hiệu quả cao: Nano bạc có tính chọn lọc xúc tác cao, khả năng kháng khuẩn mạnh nên Nano bạc tăng hiệu suất của quá trình tổng hợp hợp chất tự nhiên cao hơn so với sử dụng xúc tác hóa học. 
• Thân thiện môi trường: Sử dụng xúc tác Nano bạc có thể được thu hồi sau phản ứng xảy ra, tránh thải ra môi trường chất độc hại. 
• Tiết kiệm chi phí sản xuất: Nano bạc đặc biệt thích hợp cho xúc tác công nghiệp vì giá thành tương đối thấp, chỉ bằng 1/50 vàng hoặc bạch kim và khoảng 1/25 so với paladi. Như vậy khi sử dụng Nano bạc làm xúc tác vừa đem lại hiệu quả kinh tế cao và thân thiện với môi trường.

Tác dụng của Nano bạc trong chăn nuôi gia súc gia cầm, thủy hải sản

Nano bạc được ứng dụng nhiều trong các sản phẩm trong chăn nuôi, thủy hải sản nhờ nhiều tác dụng: 

• Nano bạc giúp giảm đáng kể tỷ lệ mắc bệnh ở gia súc, gia cầm do vi khuẩn, virus, nấm và các vi sinh vật đơn bào khác gây ra nhờ hoạt tính kháng khuẩn mạnh. Phổ kháng khuẩn của Nano bạc rất rộng tác động đến nhiều vi khuẩn Gram âm như Escherichia, Salmonella. Pseudomonas,…và vi khuẩn Gram dương như Clostridium, Staphylococcus, Streptococcus, Listeria,…Nano bạc cũng cho thấy hiệu quả diệt nấm trên các chủng vi nấm gây bệnh Aspergillum , Candida và Saccharomyces. Những vi khuẩn này là tác nhân gây bệnh phổ biến cho vật nuôi làm giảm năng suất. 
• Nano bạc nâng cao sức đề kháng cho cây trồng vật nuôi.
• Nano bạc giúp cải tạo môi trường, khử mùi hôi chuồng tại, mùi tanh của nước ao nuôi. 

Tác dụng của Nano bạc lọc không khí, làm sạch nước

Ô nhiễm nguồn nước hay chất lượng không khí suy giảm đang là vấn đề môi trường báo động hiện nay. Trong nước và không khí ô nhiễm chứa rất nhiều virus, vi khuẩn là nguyên nhân gây ra nhiều bệnh lý trên tiêu hóa hay các bệnh về đường hô hấp. Nano bạc với khả năng kháng khuẩn, kháng virus vượt trội đã được sử dụng phổ biến để khử trùng nước cũng như trong các màng lọc không khí.

Tác dụng làm sạch nước của Nano bạc

Nano bạc đang được sử dụng phổ biến làm chất lọc nước hiện nay nhờ các tác dụng:

• Ion Ag+ có khả năng kết tủa các gốc anion Cl-, F-, sulfat,…giảm độc tính cho nguồn nước sử dụng.
• Nano bạc diệt các vi khuẩn có trong nước. Hơn nữa Nano bạc giảm sự bám dính của vi khuẩn trên màng lọc nguyên nhân gây tắc lỗ lọc và giảm hiệu suất lọc. 

Ưu điểm sử dụng Nano bạc lọc nước do với các phương pháp lọc thông thường:

• Nano bạc đảm bảo độ an toàn, không giải phóng các chất độc hại trong quá trình lọc như khi sử dụng các chất lọc hóa học.
• Nano bạc có tác dụng diệt khuẩn hiệu quả hơn khi sử dụng phương pháp lọc cơ học chi lọc bỏ vi khuẩn, chất cặn trong nước. 
• Chi phí sử dụng nhỏ hơn nhiều so với sử dụng phương pháp lọc thẩm thấu ngược.

Tác dụng làm sạch không khí của Nano bạc

Khói bụi, chất hóa học cùng với virus, vi khuẩn…lơ lửng trong không khí là tác nhân gây nên bệnh đường hô hấp như ho, viêm họng, viêm Amydan,…Việc lọc không khí là rất cần thiết để loại bỏ các tác nhân gây bệnh kể trên. 

Khi sử dụng Nano bạc trên các tấm lọc không khí cho chất lượng không khí đi qua được cải thiện. Theo nghiên cứu thực hiện ở trường ĐH Yonsei- Hàn Quốc, Yun Haeng Joe và công sự cho thấy tác dụng liên hợp của Nano bạc vừa giúp giảm thiểu lượng bụi gây kích ứng đường hô hấp vừa có khả năng tiêu diệt vi khuẩn, virus khi không khí đi qua bộ lọc. Hạt Nano bạc bắt giữ, bất hoạt và tiêu diệt vi khuẩn, virus gây bệnh đem lại bầu không khí trong lành, an toàn với sức khỏe. 

Tác dụng của nano bạc trong y học

Với khả năng tiêu diệt vi khuẩn, virus, vi nấm vượt trội, các hạt Nano bạc đang thu hút nhiều sự quan tâm từ các bác sĩ, nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới. Nano bạc được ứng dụng phổ biến nhất trong các sản phẩm Y tế và được coi là giải pháp đầy hứa hẹn trong tương lai đối với các bệnh nhiễm trùng nặng do vi khuẩn, virus chưa có phương pháp chữa khỏi hay để giải quyết cho vấn đề kháng thuốc.

Nano bạc diệt khuẩn, kháng virus, kháng nấm

Một trong những đặc điểm nổi bật nhất của Nano bạc là hoạt tính kháng khuẩn mạnh mẽ được thừa hưởng của nguyên tố Bạc. Cùng với đó khi ở kích thước cỡ nano diện tích hoạt động bề mặt của bạc gấp nhiều lần nên hiệu quả kháng khuẩn, diệt virus cũng vì thế mà trở nên nhanh và mạnh mẽ hơn. 

Nano bạc với khả năng tiêu diệt vi khuẩn

Phổ kháng khuẩn của Nano bạc rất rộng cho thấy tiềm năng ứng dụng trở thành chất kháng sinh thế hệ mới. So với kháng sinh khi chỉ tác dụng trên 5-6 chủng vi khuẩn gây bệnh, phổ kháng khuẩn của Nano bạc bao trùm đến 650 chủng vi khuẩn khác nhau.

Cơ chế tác động chính xác của Nano bạc trong việc tiêu diệt vi khuẩn vẫn còn chưa được biết đến rõ ràng. Một vài giả thuyết đã được đưa ra Nano bạc tiêu diệt vi khuẩn với cơ chế đa tác động thay đổi cấu trúc và hình thái vi khuẩn và tiêu diệt tế bào vi khuẩn. Không chỉ phá hủy màng tế bào , các hạt Nano bạc còn gây ức chế chuỗi hô hấp tế bào của vi khuẩn. Ion bạc giải phóng từ hạt nano liên kết với DNA của tế bào vi sinh vật, phá hủy chức năng của chúng làm vi khuẩn mất khả năng nhân lên. Ngoài ra, các ion bạc còn có khả năng ức chế quá trình phát triển của vi khuẩn bằng cách sản sinh ra oxy nguyên tử siêu hoạt tính như các gốc tự do phá hủy các thành phần của vi khuẩn.

Nano bạc với khả năng kháng virus

Không chỉ tác dụng lên vi khuẩn, các hạt Nano bạc còn thể hiện khả năng kháng virus hiệu quả. Nano bạc tác dụng lên cả 4 bước virus xâm nhập và gây bệnh trên tế bào vật chủ là bám dính, xâm nhập, nhân lên và lây lan từ tế bào nhiễm virus sang tế bào lành khác. 

• Nano bạc ức chế thụ thể trên bề mặt virus, ngăn cản virus tiếp xúc với thụ thể trên bề mặt tế bào vật chủ giảm khả năng virus bám dính để xâm nhập vào tế bào vật chủ. .
• Nano bạc tạo lớn màng bao bọc xung quanh virus khiến virus không thể hòa màng xâm nhập vào ben trong tế bào vật chủ nhân lên và phát triển.
• Hơn nữa các ion Ag+ giải phóng từ hạt Nano có thể liên kết với vật chất di truyền ngăn cản sự nhân lên của virus.
• Nano bạc còn ức chế sự lây lan của virus khi ngăn cản virus mới tạo thành phá bỏ màng tế bào vật chủ để giải phóng ra ngoài. 

Ion bạc trong các hạt Nano bạc có khả năng vô hiệu hóa các loại virus gây bệnh đậu mùa, bệnh cúm và HIV. Nano bạc tác dụng trên cả chủng virus có vỏ như  bacteriophage đường ruột N163, virus Koksaki serotype A-5, A-7, A-14 nhưng cần nồng độ bạc cao hơn (0.5 – 5.0mg/lít – tương đương 5ppm Nano bạc plasma tinh khiết) so với trường hợp xử lý Escherichia, Salmonella, Shigella và các loại virus đường ruột khác (0.1 – 0.2 mg/lít – tương đương 0.1-0.2 ppm Nano bạc Plasma tinh khiết).

Nano bạc có khả năng tiêu diệt nấm gây bệnh

Nhiều nghiên cứu công bố cho thấy khả năng diệt nấm của ion bạc. Tại nồng độ 0.1mg/lít (tương đương 0.1ppm) bạc thể hiện rõ khả năng diệt nấm. Với mật độ 105 tb/lít nấm Candida albicans bị vô hiệu hóa hoàn toàn sau 30 phút tiếp xúc. Nấm Candida albicans thường gây bệnh trên người, đặc biệt là viêm nhiễm phụ khoa sinh dục, viêm miệng lở loét. Ngoài ra, Nano bạc cũng có phổ tác dụng trên nhiều loại nấm khác đã được thử nghiệm sử dụng hiệu quả.

Nano bạc ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị bệnh

Các hạt nano sở hữu các đặc tính quang học và vật lý-hóa học độc đáo ứng dụng trong y sinh học, đặc biệt là trong chẩn đoán và điều trị bệnh. . Các hạt nano cải thiện khả năng phân tích khi so sánh với các kỹ thuật truyền thống khác  giúp phát hiện biểu hiện gen và dấu ấn sinh học thông qua các chiến lược đo màu, đo phổ hoặc điện hóa Cảm biến sinh học chứa hạt nano bạc có thể  phát hiện p53 huyết thanh trong tế bào ung thư biểu mô có vảy ở đầu và cổ.NSP cũng được sử dụng để tạo ra các giá nano nhắm mục tiêu miễn dịch trị liệu / hình ảnh kép để xác định vị trí các tế bào ung thư và có thể hấp thụ ánh sáng và tiêu diệt một cách có chọn lọc các tế bào ung thư thông qua liệu pháp quang nhiệt. Ngoài ra, NSP còn có thể phát hiện sự tương tác giữa các chất khuếch tán có nguồn gốc amyloid phối tử (ADDL) và kháng thể chống ADDL, có liên quan đến sự phát triển của bệnh Alzheimer.

Nano bạc ứng dụng trong thiết bị y tế

Nhờ khả năng kháng khuẩn, kháng virus, vi nấm hiệu quả mà Nano bạc được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị y tế như băng gạc vết thương, ống thông, vật liệu dùng trong nha khoa,…

Băng gạc nano bạc đã được sử dụng trong điều trị nhiều loại vết thương khác nhau như vết bỏng, loét mạn tính, hoại tử biểu bì độc hại và pemphigus (bệnh da phỏng nặng). Khi sử dụng băng có chứa nano bạc làm giảm đáng kể thời gian làm lành vết thương, giảm nhiễm trùng vết thương do bội nhiễm vi khuẩn gây ra. 

Hạt Nano bạc đang được nghiên cứu thử nghiệm làm lớp phủ kháng khuẩn, ngăn ngừa nhiễm trùng trong ống thông tĩnh mạch trung tâm và ống thần kinh. Nhiễm trùng  do vi khuẩn ở ống thông có thể lây lan nhanh chóng sang vết thương và các vùng xung quanh, dẫn đến các biến chứng nghiêm trọng. Do đặc tính kháng khuẩn vượt trội và không gây độc tính, Nano bạc có thể làm giảm tỷ lệ nhiễm khuẩn và biến chứng sau phẫu thuật, do đó chúng đã được chấp nhận sử dụng rộng rãi trong ống thông y tế.

Nano bạc cũng được ứng dụng trong lĩnh vực nha khoa. Nano bạc cho thấy tác dụng ức chế lâu dài chống lại Streptococcus mutans- vi khuẩn gây hủy khoáng dẫn đến sâu răng. .Ngoài ra khi kết hợp trong vật liệu trám răng nội nha đã làm tăng hiệu quả chống vi khuẩn khi có phổ tác dụng lên cả Streptococcus milleri, S. aureus và Enterococcus faecalis.

Nano bạc là một vật liệu tiềm năng mới với nhiều khả năng tiềm ẩn mà khoa học chưa khám phá hết.Hoạt tính sinh học vượt trội cùng với độ an toàn cao nên vật liệu Nano bạc ứng dụng rất nhiều trong các đời sống và sản xuất và đặc biệt trong các vật liệu y tế mở ra kỷ nguyên công nghệ nano tiên tiến trong tương lai.