نانو اکسید روی (ZnO) به علت برخورداری از رفتار آنتی باکتریال مطلوب در سال های اخیر مورد توجه صنایع مختلفی نظیر، کاشی و سرامیک، چینی بهداشتی، رنگ، نساجی و….. قرار گرفته است. در این مطلب قصد داریم تا رفتار آنتی باکتریال نانو ذرات اکسید روی و مکانیزم های احتمالی این رفتار را تشریح کنیم و سپس به این مساله بپردازیم که صنایع از این ویژگی نانو اکسید روی با چه هدفی بهره می برند.
مکانیزم رفتار آنتی باکتریال نانو اکسید روی
نانو ذرات اکسید روی یکی از شناخته شده ترین ترکیبات دارای رفتار آنتی باکتریال مطلوب در کنار دیگر ترکیبات از جمله نانو ذرات نقره می باشند که در سالهای اخیر مورد توجه دسته وسیعی از صنایع قرار گرفته اند. با توجه به اهمیت روز افزون این ماده، همواره ای مساله مطرح می باشد که ویژگی آنتی باکتریال نانو اکسید روی از کجا نشات گرفته و ساز و کار آن چگونه است؟
برای فهم بهتر ساز و کار آنتی باکتریال نانو اکسید روی ابتدا لازم است تا ساختار یک سلول باکتری را بشناسیم. هر سلول با کتری از دو قسمت کلی تشکیل شده است:
1. بخش مرکزی که شامل آنزیم، پروتئین و دی ان ای (DNA) سلول است و
2. بخش محافظتی سلول که به آن دیواره سلول گفته می شود.
دیواره سلول وظیفه محافظت از سلول و حفظ استحکام سلول باکتری را در برابر عوامل خارجی بر عهده دارد. در صورتیکه دیواره سلول در اثر عوامل خارجی تخریب شده و بخش مرکزی در معرض نفوذ این عوامل قرار گیرد آنگاه سلول تخریب شده و باکتری از بین می رود و یا از رشد باکتری جلوگیری می شود. بطور کلی در مبحث آنتی باکتریال هر ماده ای که توانایی نفوذ به دیواره سلول باکتری و تخریب آن را دارا باشد می تواند بعنوان ماده انتی باکتریال شناخته شود.
اکسید روی به دلیل ماهیت نیمه رسانایی خود این قابلیت را دارد تا در یک سیستم بیولوژیکی طی اندرکنش هایی شیمیایی با سلول باکتری از رشد آن جلوگیری کرده و آن را از بین ببرد. تا بحال مکانیزم های مختلفی برای رفتار آنتی باکتریال اکسید روی توسط محققین ارائه شده است که در ادامه به آنها می پردازیم تا با نحوه کار نانو اکسید روی بعنوان ماده ای ضد باکتری بیشتر آشنا شویم.
سه مورد از مهمترین مکانیزم های پیشنهاد شده برای رفتار ضد باکتری نانو ذرات اکسید روی به ترتیب اهمیت به شرح زیر است:
- آزاد شدن ترکیبات واکنش پذیر بر پایه عنصر اکسیژن (Reactive oxygen species-ROS) از سطح نانو ذرات اکسید روی: نانو اکسید روی به واسطه نیمه رسانا بودن خود زمانیکه در یک سیستم بیولوژیکی قرار می گیرد تحت فرآیند فوتوکاتالیستی قرار گرفته و از سطح خود ترکیبات یونی واکنش پذیر بر پایه عنصر اکسیژن یا ROS را آزاد می نماید. این ترکیبات که از واکنش پذیری بالایی برخوردار هستند ضمن تماس با دیواره سلول باکتری به داخل آن نفوذ کرده و منجر به تخریب دیوار محافظ سلول می گردد. پس از تخریب دیواره سلول، ROS ها به راحتی به بخش مرکزی سلول باکتری وارد شده و با تخریب دی ان ای، آنزیم و پروتئین سلول منجر به تخریب و یا عدم رشد باکتری می گردند.
- آزاد شدن یون های Zn2+ از سطح نانو ذرات اکسید روی: آزاد شدن یون Zn2+ از سطح نانو ذرات اکسید روی زمانیکه که در سیستم بیلوژیکی قرار می گیرد از دیگر مکانیزم های جلوگیری کننده از رشد باکتری می باشد. یون های آزاد شده از سطح نانو ذرات در سرتاسر دیواره سلول باکتری قرار گرفته و طی فرآیندهای بیو شیمیایی در سطح دیواره سلول منجر به تخریب آن شده و نهایتا مرگ و یا عدم رشد سلول های باکتری را به دنبال خواهد داشت. این مکانیزم بصورت عملی نیز توسط محققین آزمایش شده و صحت آن تایید شده است.
- تخریب دیواره سلول توسط اندرکنش نانو ذرات اکسید روی با دیواره: نتایج تحقیقات انجام شده نشان داده است که در محیط بیولوژیکی، سطح سلول باکتری دارای بار الکتریکی منفی و سطح نانو ذرات اکسید روی دارای بار الکتریکی مثبت می باشد. بدین ترتیب نیروی جاذبه ایجاد شده بین نانو ذرات اکسید روی و سطح دیواره سلول منجر به تجمع نانو ذرات بر روی دیواره سلول می گردد. تجمع نانو ذرات در سطح دیواره سلول باعث ایجاد تنش سطحی در دیواره شده و در نهایت دیواره تخریب می گردد. در نتیجه این امر، سلول باکتری کاملا تخریب شده و یا قابلیت تکثیر خود را از دست می دهد. در صورتیکه نانو ذرات اکسید روی دارای ابعادی کمتر از 10 نانومتر باشند می توانند به راحتی به دیواره سلول نفوذ کرده و منجر به تخریب دیواره و متعاقبا مرگ سلول باکتری گردند.
لازم به ذکر است که سه مکانیزم معرفی شده می توانند بصورت مجزا و یا همزمان با هم صورت گرفته و منجر به جلوگیری از رشد باکتری ها و یا مرگ آنها در محیط شوند.
کاربرد های نانو ذرات اکسید روی در صنایع
صنایعی که اخیرا در ایران توجه خود را به سمت نانو اکسید روی و خاصیت آنتی باکتریال آن معطوف کرده اند عبارتند از: صنعت کاشی سازی، صنعت چینی بهداشتی، صنعت رنگ، صنعت نساجی، صنعت آرایشی بهداشتی، صنعت پزشکی، صنعت قطعات پلیمری و صنعت شیمی ساختمان.
در ادامه به بررسی محصولات تعدادی از بزرگترین صنایع پرداخته و هدف بکارگیری نانو ذرات اکسید روی در محصولاتشان را شرح می دهیم. علاوه بر این موضوع، نتایج بدست آمده از آزمایشاتی که روی خواص آنتی باکتریال محصولات این صنایع با استفاده از نانو اکسید روی آرمان نانو فناور رابین انجام شده اند گزارش گردیده است.
ویژگی آنتی باکتریال نانو اکسید روی در صنعت کاشی سازی:
صنعت کاشی سازی یکی از صنایع بزرگ کشور است که تولیدات آنها در صنعت ساختمان سازی مورد استفاده قرار می گیرد. با توجه به اینکه کاشی در ساخت بخش های مختلفی نظیر بیمارستان ها، خانه ها، مدارس، سرویس های بهداشتی، حمام ها، استخر ها و…. بکار می رود، تولید کنندگان کاشی به این نتیجه رسیدند که ساخت کاشی با خاصیت آنتی باکتریال می تواند به بهبود شرایط بهداشتی محیط کمک نماید. بنابراین، طی چند سال اخیر تقاضای شرکت های کاشی سازی برای تولید کاشی های آنتی باکتریال با استفاده از نانو اکسید روی رشد چشمگیری داشته است. ویژگی مهمی که نانو اکسید روی را از نانو ذرات نقره (نانو ماده آنتی باکتریال) متمایز می کند پایداری حرارتی بالای آن می باشد (قابلیت تحمل دماهای بالاتر از 1000 درجه سانتی گراد).
پایداری حرارتی بالای نانو اکسید باعث می شود تا به راحتی بتوان از آن در فرآیند تولید کاشی استفاده نمود بدون اینکه نانو ذرات اکسید روی حین تولید دچار اکسیداسیون و یا تغییر ترکیب شیمیایی شوند. با توجه به این موضوع، تیم تحقیق و توسعه آرمان نانو فناور رابین از نانو اکسید روی تولید شده در این شرکت در صنعت کاشی سازی استفاده نمود تا عملکرد آن را در ایجاد خاصیت آنتی باکتریال در کاشی بررسی نماید. نتایج به دست آمده از آزمایشات نشان دادند که جهت دستیابی به کاشی با خاصیت آنتی باکتریالی قوی کافی است تا 1 درصد وزنی از نانو اکسید روی تولیدی این شرکت در لعاب کاشی مورد استفاده قرار گیرد.
کاربرد نانو اکسید روی در صنعت نساجی:
وسعت زیاد صنعت نساجی باعث شده است تا تولید کنندگان تعداد زیادی از محصولات نساجی نظیر، پوشاک، جوراب، پارچه، فرش، نخ و…. به سمت تولید محصولاتی با خاصیت آنتی باکتریال حرکت کنند. ایجاد خاصیت آنتی باکتریال در منسوجات علاوه بر تقویت شرایط بهداشتی آنها کمک زیادی به حذف بوی ناخوشایند آنها در اثر حضور باکتری ها و قارچ ها می کند.
بعنوان مثال، تولید کنندگان جوراب یکی از اولین مصرف کننده های نانو اکسید روی برای ایجاد خاصیت آنتی باکتریال در جوراب و حذف بوی بد آن هستند. این صنعت در ابتدا از روش غرقابی برای ایجاد خاصیت آنتی باکتریال در محصولات خود استفاده می نمود. در این تکنیک پارچه جوراب را در حوضچه ای از سوسپانسیون نانو ذرات اکسید قرار می دهند تا نانو ذرات میان تار و پود پارچه نفوذ کرده و قرار گیرند. پس از تکمیل این فرآیند، پارچه برای دوخت جوراب مورد استفاده قرار می گیرد. با این حال، رهایش نانو ذرات (در اثر شستشو) از جوراب های تولید شده به این روش زیاد بوده و خاصیت آنتی باکتریالی آنها به سرعت تضعیف می گردد. از این رو، ایده تولید نخ های پلیمری آنتی باکتریال مطرح گردید تا رهایش نانو ذرات از پارچه و سایر منسوجات به حداقل مقدار ممکن برسد.
دستیابی به نخ های پلیمری آنتی باکتریال باعث شد تا ارائه محصولات دیگری نظیر فرش، موکت و پوشاک آنتی باکتریال امکان پذیر شوند. تیم تحقیق و توسعه آرمان نانو فناور رابین از نانو اکسید روی تولید شده در این شرکت در تولید نخ از جنس پلی پروپیلن (PP) استفاده نمود تا عملکرد آن را در ایجاد خاصیت آنتی باکتریال در نخ بررسی نماید. نتایج به دست آمده از آزمایشات نشان دادند که جهت دستیابی به نخ با خاصیت آنتی باکتریالی قوی کافی است تا 0/09 درصد وزنی از نانو اکسید روی تولیدی این شرکت در فرآیند تولید نخ مورد استفاده قرار گیرد.
ویژگی آنتی باکتریال نانو اکسید روی در صنعت پزشکی:
اسپاند باند ها دسته ای از منسوجات هستند که در صنعت پزشکی کاربرد زیادی دارند. از اسپان باند ها برای تولید روکش تخت های بیمارستانی، البسه بیمارستانی و…. استفاده می گردد. با توجه به کاربرد مهم این منسوج، تولید کنندگان اسپان باند به سوی تولید اسپان باندهای آنتی باکتریال سوق پیدا کردند تا بتوانند شرایط بهداشتی بیمارستان ها و بیماران را بهبود دهند. طی پروژه ای تحقیقاتی، از نانو اکسید روی آرمان نانو فناور رابین برای تولید اسپاند باند آنتی باکتریال استفاده گردید. نتایج به دست آمده از آزمایشات نشان دادند در صورت استفاده از این محصول به مقدار 0/2 – 0/4 درصد وزنی در فرآیند تولید، می توان به اسپان باند با خاصیت آنتی باکتریال مطلوب دست یافت.
ویژگی آنتی باکتریال نانو اکسید روی در صنعت قطعات پلیمری:
قطعات و وسایل پلیمری (پلاستیکی) دارای مصارفی زیاد و متنوعی می باشند، مصارفی نظیر خانگی، بیمارستانی، سرگرمی، بهداشتی و…. که موجب شده است تولید کنندگان این محصولات به استفاده از نانو اکسید روی و ایجاد خاصیت آنتی باکتریال ترغیب شوند. ایجاد خاصیت آنتی باکتریال در این وسایل منجر به بهبود شرایط بهداشتی می گردد موضوعی که در خصوص بیمارستان ها و کلینک های پزشکی حائز اهمیت است. نکته ای که باید به آن اشاره نمود این است که حجم و ابعاد قطعات و وسایل تولید شده در این صنعت تاثیر مهمی بر مقدار مصرف نانو اکسید روی و ایجاد خاصیت آنتی باکتریالی قوی در آنها می گذارد.
در پروژه ای که توسط تیم تحقیق و توسعه آرمان نانو فناور رابین انجام شد مشخص گردید که جهت دستیابی به قطعات و وسایل پلیمری (از جنس PP) با رفتار آنتی باکتریال مطلوب می توان از نانو اکسید روی تولیدی این شرکت به مقدار 0/2 – 0/8 درصد وزنی (بسته با حجم قطعه) استفاده نمود.
ویژگی آنتی باکتریال نانو اکسید روی در صنعت چینی بهداشتی:
دیگر صنعت بزرگ و متقاضی نانو اکسید روی صنعت چینی بهداشتی می باشد. توالت فرنگی، توالت ایرانی، روشویی ها و سایر تجهیزات سرامیکی بهداشتی از محصولات پر کاربرد این صنعت می باشد. با توجه به نوع و کاربرد این محصولات و اهمیت حفظ دائمی بهداشت آنها، تولید کنندگان این صنعت به استفاده از نانو اکسید روی در فرآیند تولید و ایجاد خاصیت آنتی باکتریال در این محصولات روی آورده اند.
ویژگی آنتی باکتریال نانو اکسید روی در صنعت شیمی ساختمان:
یکی از پر مصرف ترین محصولات این صنعت پودر های بندکشی آنتی باکتریال می باشد که امروزه در ایران تحت عنوان پودر بند کشی نانو رایج بوده و مورد استفاده است. پودر های بندکشی عموما برای درزگیری کاشی ها و سرامیک های کار شده در حمام، سرویس های بهداشتی و آشپزخانه کاربرد دارند. با توجه به اینکه چنین محیط هایی مستعد حضور قارچ ها و باکتری ها می باشند بنابراین حفظ بهداشت محیط اهمیت می یابد. علاوه بر این، غالبا درز های کاشی کاری این محیط ها پس از مدتی دچار تیرگی شده و به مرور زمان دیگر قابل حذف نیستند. یکی از دلایل تیرگی درز ها شکل گیری قارچ ها می باشد که ناشی از مرطوب بودن محیط سرویس های بهداشتی و حمام هاست. از این رو، بکارگیری نانو اکسید روی در پودر های بندکشی از رشد قارچ ها نیز جلوگیری کرده و از تیره شدن آنها در گذر زمان جلوگیری می نماید.
منابع:
