Oxit kẽm nano, với tư cách là một loại vật liệu kháng khuẩn vô cơ mới thuộc nhóm oxit kim loại, sở hữu đa dạng về hình thái, độ dẻo cao, nguồn tài nguyên dồi dào, chi phí thấp, hiệu suất ổn định và mức độ ô nhiễm môi trường tối thiểu. Vật liệu này có triển vọng ứng dụng rộng rãi và giá trị thực tiễn trong y sinh học, sản xuất thực phẩm và các lĩnh vực khác.
I. Cơ chế kháng khuẩn của oxit kẽm nano
Hoạt tính kháng khuẩn của oxit kẽm nano không phải là một tác dụng đơn lẻ, mà là sự kết hợp hiệp đồng của hai cơ chế chính: quá trình tạo ra các gốc oxy phản ứng (ROS) thông qua xúc tác quang học và sự giải phóng từ từ các ion kẽm (Zn²⁺), kết hợp với các hiệu ứng vật lý ở quy mô nano, tạo thành một hệ thống tiêu diệt vi sinh vật toàn diện.
- Sự hình thành các gốc tự do oxy trong quá trình quang xúc tác
Là một vật liệu bán dẫn có khoảng cách dải rộng, oxit kẽm nano, dưới tác động của tia cực tím (đặc biệt là dải UVA), sẽ khiến các electron trong dải valence hấp thụ năng lượng và chuyển sang dải dẫn, tạo thành các cặp electron-lỗ trống (e⁻-h⁺). Các chất mang điện tích này di chuyển lên bề mặt vật liệu và phản ứng với các phân tử oxy và nước trong không khí để tạo ra các gốc oxy phản ứng như hydrogen peroxide. Các chất oxy hóa phản ứng này phá hủy một cách bừa bãi các thành phần quan trọng của màng tế bào vi khuẩn, như lipid, protein và DNA, kích hoạt phản ứng dây chuyền peroxy hóa lipid làm tan rã hoàn toàn cấu trúc tế bào và chức năng trao đổi chất, cuối cùng dẫn đến cái chết của vi khuẩn. Hơn nữa, kích thước hạt nano oxit kẽm càng nhỏ, diện tích bề mặt riêng càng lớn, hoạt tính quang xúc tác càng mạnh và hiệu quả kháng khuẩn càng tốt.
- Cơ chế hòa tan ion kẽm (Zn²⁺)
Trong môi trường ẩm ướt hoặc chứa nước, oxit kẽm nano trải qua quá trình hòa tan nhẹ, từ từ giải phóng ion Zn²⁺. Khi nồng độ ion kẽm giải phóng đạt đến một mức nhất định, điện tích dương của các ion này làm thay đổi trạng thái phân cực bên trong và bên ngoài màng sinh học, tạo ra độ dốc nồng độ ion. Điều này cản trở quá trình vận chuyển các chất cần thiết cho sự duy trì tế bào, dẫn đến mất cân bằng chuyển hóa ở vi khuẩn, làm rối loạn trạng thái cân bằng nội môi của vi khuẩn và gây tổn thương tế bào vi khuẩn. Đồng thời, các ion kẽm xâm nhập vào tế bào vi khuẩn cũng gây ra sự biến tính protein và rối loạn chức năng tế bào, dẫn đến cái chết của vi khuẩn. Trong môi trường axit, tốc độ hòa tan của oxit kẽm nano tăng lên, việc giải phóng ion kẽm diễn ra nhanh hơn và hiệu quả kháng khuẩn tốt hơn.
- Tác dụng kháng khuẩn khi tiếp xúc trực tiếp
Các hạt nano oxit kẽm thường có kích thước từ 1–100 nm, với diện tích bề mặt riêng lớn gấp hàng chục lần so với oxit kẽm thông thường, giúp tăng đáng kể diện tích tiếp xúc với vi khuẩn. Đồng thời, các hạt nano có thể hấp phụ trực tiếp lên bề mặt vi khuẩn, thâm nhập qua thành tế bào và xâm nhập vào bên trong tế bào, từ đó tăng cường hiệu quả của ion Zn²⁺ và các gốc tự do (ROS), mang lại tác dụng kép “tiếp xúc vật lý + tác động hóa học”.”
Ⅱ. Các ứng dụng của tác dụng kháng khuẩn của oxit kẽm nano
- Lĩnh vực Y tế và Sức khỏe
Việc bổ sung oxit kẽm nano vào áo phẫu thuật, khẩu trang, ga trải giường và băng gạc giúp ức chế các tác nhân gây bệnh phổ biến trong bệnh viện như Staphylococcus aureus và Pseudomonas aeruginosa, từ đó giảm nguy cơ lây nhiễm chéo và chịu được quá trình tiệt trùng ở nhiệt độ cao nhiều lần. Nó cũng có thể được sử dụng làm lớp phủ trên bề mặt ống thông, bộ truyền dịch và dụng cụ phẫu thuật để giảm sự bám dính và định cư của vi khuẩn, đặc biệt phù hợp với các thiết bị đặt lâu dài, giúp giảm khả năng nhiễm trùng. Trong chăm sóc vết thương, với vai trò là băng gạc kháng khuẩn, nó có thể thúc đẩy quá trình lành vết thương, giảm tiết dịch và nhiễm trùng, và phù hợp cho các trường hợp loét mãn tính, vết thương sau phẫu thuật và các tình huống khác.
- Sản xuất thực phẩm
Khi được bổ sung vào các loại màng/hộp đóng gói thực phẩm như PE, PP và PET, oxit kẽm nano có tác dụng ức chế sự phát triển của vi khuẩn Listeria và nấm mốc, giúp kéo dài thời hạn sử dụng của trái cây, rau củ, thịt và thực phẩm chế biến sẵn lên đến hơn 20%. Trong ngành chế biến thực phẩm, chất này được sử dụng làm lớp phủ cho các thùng chứa thực phẩm và thiết bị chế biến nhằm giảm thiểu sự nhiễm khuẩn trong quá trình chế biến.
- Vật liệu xây dựng và vật liệu phủ
Khi được bổ sung vào các loại sơn tường trong nhà và ngoài trời, oxit kẽm nano có tác dụng ức chế sự phát triển của vi khuẩn và nấm mốc trên bề mặt tường, từ đó ngăn ngừa sự xuất hiện của nấm mốc và hiện tượng đen xỉn. Sản phẩm này phù hợp cho các bệnh viện, trường học, khu dân cư và các địa điểm tương tự khác. Ngoài ra, nó còn được sử dụng trong men gạch men, màng chống thấm và ống nhựa để mang lại tính năng kháng khuẩn, giúp giảm sự phát triển của vi khuẩn trong hệ thống ống nước và các thiết bị vệ sinh.
Oxit kẽm nano, nhờ đặc tính kháng khuẩn vốn có, đang được sử dụng rộng rãi trên thị trường, đáp ứng hoàn hảo nhu cầu của xã hội hiện đại về các vật liệu kháng khuẩn hiệu quả, thân thiện với môi trường và an toàn. Với những tiến bộ công nghệ không ngừng, giá trị kháng khuẩn của oxit kẽm nano sẽ tiếp tục được phát huy.