Silver Nanoparticle

เทคโนโลยีการยั้บยั้งเชื้อแบคทีเรียในแผ่นกรองอากาศด้วยอนุภาคนาโนซิลเวอร์
 

 

ภาพที่ แสดงเซลล์แบคทีเรีย (a), ถาพถ่ายด้วยกล้อง FESEM photograph แสดงเส้นใยแผ่นกรอง HEPAที่มีการกรองฝุ่นและมีการเคลือบด้วยอนุภาคซิลเวอร์ (b)

         Agอนุภาคซิลเวอร์ หรืออนุภาคเงิน มีการนำมาประยุกต์ใช้งานให้เกิดประโยชน์ต่อมนุษย์มาอย่างยาวนาน ในอดีตตั้งแต่ยุคอาณาจักรกรีกโบราณพบว่าโลหะเงินได้ถูกนำมาใช้เป็นภาชนะในการเก็บรักษาน้ำให้สะอาดปราศจากเชื้อโรค และมีการใช้เหรียญเงินแช่ในนมก่อนดื่มเพื่อให้แน่ใจว่าปราศจากเชื้อโรค[1] นี่จึงเป็นหลักฐานสำคัญจากภูมิปัญญาของบรรพบุรุษ ที่เป็นประโยชน์ในการพัฒนาและวิจัยต่อและพบว่าโลหะเงินมีคุณสมบัติเด่น ในการฆ่าเชื้อแบคทีเรียได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่เนื่องจากเงินเป็นโลหะที่มีราคาแพงและเมื่อเก็บไว้เป็นเวลานานจะถูกออกซิไดซ์จนกลายเป็นสีดำจึงทำให้เกิดข้อจำกัดในการใช้งาน แต่อย่างไรก็ตามด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและนักวิทยาศาสตร์ได้มีการพัฒนาธาตุเงินให้มีขนาดเล็กลงในระดับนาโนเมตร เพื่อเป็นการเพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัส จึงเรียกว่า อนุภาคนาโนเงินหรือ ซิลเวอร์นาโน

 

ปัจจุบันจึงมีการนำซิลเวอร์นาโนมาประยุกต์ใช้ในหลายๆด้านไม่ว่าจะเป็นทางด้านสุขภาพ โดยมีการทดสอบแล้วว่าปลอดภัยต่อร่างกาย เนื่องด้วยปริมาณที่น้อยมากนี้จึงไม่มีผลข้างเคียงใดๆต่อร่างกายเนื่องจากซิลเวอร์เป็นธาตุเฉื่อยที่มีอยู่ในธรรมชาติ[3] จึงนำมาใช้งานกับมนุษย์ได้ เช่น ใช้ซิลเวอร์ผสมในน้ำยาบ้วนปากเพื่อฆ่าเชื้อแบคทีเรียในช่องปาก ใช้เป็นส่วนผสมในวัสดุทำหน้ากากปิดปาก ปิดจมูก และนอกจากนี้ยังมีการนำไปใช้ในงานอุตสาหกรรมต่างๆเช่น ใช้เป็นส่วนผสมในสีทาบ้าน และเป็นส่วนผสมของเส้นใยในแผ่นกรองอากาศ

กลไกการทำงานของอนุภาคซิลเวอร์นาโน
 

 

ภาพที่ แสดงกลไกการทำงานของซิลเวอร์นาโนต่อการฆ่าเชื้อแบคทีเรีย[2]

 

        กลไกการฆ่าเชื้อแบคทีเรียของอนุภาคนาโนนั้น พบว่า อนุโภคซิลเวอร์ที่มีประจุบวก(Ag+) เมื่อสัมผัสกับผนังเซลล์ของแบคทีเรียหรือเชื้อราจะสามารถแพร่กระจายประจุไปเกาะตามผนังเซลล์และแทรกเข้าไปภายในเซลล์ของแบคทีเรียทำให้เกิดภาวะการรวมตัวของ DNA(Condensation) ภายในเซลล์ ทำให้ประจุบวกของซิลเวอร์ (Ag+) เข้าไปจับกับเอนไซม์โปรติเนส (Proteinase) ที่ทำหน้าที่เกี่ยวกับระบบเมตาบอลิซึมของเซลล์ ซึ่งจะจับกับหมู่ซัลฟิดริล (-SH) ที่มีอะตอมของซัลเฟอร์ (S) เป็นองค์ประกอบ ซึ่งมีประจุเป็นลบ (S2-)  และทำให้เกิดกระบวนการทำงานของเอนไซม์หยุดการทำงาน จนกระทั่งเซลล์แบคทีเรียหยุดการเจริญเติบโตและเสื่อมสภาพตายในที่สุด [2].

ดังนั้นกลไกการทำงานของอนุภาคซิลเวอร์นาโน มี 3 ตามขั้นตอนดังนี้

1. อนุภาคซิลเวอร์นาโนในช่วง 1 – 10 nm จับกับผิวหน้าของเยื่อหุ้มเซลล์ของแบคทีเรียและรบกวนการทำงานระดับเซลล์ของแบคทีเรีย เช่น การขนส่งสารเข้าออกจากเซลล์และการหายใจ

2.อนุภาคซิลเวอร์นาโนสามารถแทรกเข้าไปภายในเซลล์แบคทีเรียและรบกวนการทำงานระดับโมเลกุล โดยจับกับสารที่มีซัลเฟอร์ (S) และฟอสฟอรัส (P) เป็นองค์ประกอบ เช่น DNA

3.อนุภาคซิลเวอร์นาโนเกิดการสลายตัวและปลดปล่อย Silver ion (Ag+)เนื่องจากอนุภาคซิลเวอร์นาโนมีขนาดเล็กและมีเป็นจำนวนมาก ทำให้สามารถปลดปลอย Silver ion(Ag+) ออกมาด้วยความเข้มข้นสูง สามารถฆ่าแบคทีเรียได้อย่างรวดเร็ว

เทคโนโลยีการยับยั้งเชื้อแบคทีเรียและเชื้อราในแผ่นกรองอากาศ

                โดยทั่วไปแล้วระบบปรับอากาศที่มีคุณภาพสูงจะถูกออกแบบมาให้มีการควบคุม อุณหภูมิ ความชื้น และการหมุนเวียนของอากาศภายในห้องให้มีประสิทธิภาพสูงสุด นอกจากนี้ยังมีการควบคุมปริมาณอนุภาคของฝุ่นและอนุภาคจุลินทรีย์ต่างๆ ภายในระบบเพื่อรักษาสุขภาพและความปลอดภัยต่อร่างกายของมนุษย์(Barhate and Ramakrishna, 2007; Yu et al., 2009)จึงมีการพัฒนาการต้านเชื้อแบคทีเรีย เช่น Bacillus subtilisด้วยการใช้แผ่นกรองอากาศ (Filter media) ในการดักจับฝุ่นละอองของแบคทีเรีย และสปอร์ที่ฟุ้งกระจายในอากาศ เนื่องจากแบคทีเรียสามารถที่จะเจริญเติบโตได้ดีในที่ที่มีความชื้นและเกาะไปตามฝุ่นละอองไปเกาะที่แผ่นกรองอากาศ ทำให้เพิ่มประสิทธิภาพในการดักจับฝุ่นให้กับแผ่นกรองอากาศได้ดีขึ้น   จากความสามารถการดักจับฝุ่นละอองและอนุภาคแบคทีเรียของ Filter นักวิทยาศาสตร์จึงได้คิดค้นและ พัฒนาเทคโนโลยี ด้วยการใช้อนุภาคซิลเวอร์นาโนเคลือบบนแผ่นกรองอากาศเพื่อยับยั้งการเจริญเติบโตของเชื้อแบคที่เรีย และมีการศึกษาค้นคว้าอย่างแพร่หลาย ยกตัวอย่าง

งานวิจัยของ Yun Haeng Joe และคณะ, ปี 2013 [4] ได้มีการศึกษาดูความสัมพันธ์ของการยับยั้งเชื้อแบคทีเรียของอนุภาคซิลเวอร์นาโนในแผ่นกรองอากาศและการดักจับฝุ่นของแผ่นกรอง ซึ่งตัวอย่างในการทดลองที่ใช้คือ แผ่นกรอง HEPA (High Efficiency Particulate Air Filter) ที่มีการเคลือบด้วยอนุภาคซิลเวอร์นาโน(Silver deposited HEPA filter) ตามภาพที่ 3
 


 

ภาพที่ 3 HEPA Filter เคลือบด้วยอนุภาคซิลเวอร์นาโนเป็นเวลา 60 นาทีโดยยังไม่มีฝุ่น

      เมื่อทำการทดลองใส่ฝุ่นให้ผ่านไปยัง Filter ที่ผ่านการเคลือบด้วยซิลเวอร์นาโนพบว่า มีการเปลี่ยนแปลงของค่า Pressure drop ที่เพิ่มขึ้น ในขณะที่มีค่าการดักจับฝุ่นสูงขึ้น 



ภาพที่ 4 HEPA Filter เคลือบด้วยอนุภาคซิลเวอร์นาโน เป็นเวลา 60 นาทีที่มีฝุ่น
    
   นอกจากนี้ในการทดสอบการยั้บยั้งเชื้อแบคทีเรีย โดยใช้แบคทีเรีย 2 ชนิดในการทดสอบคือ Escherichia coli (E. coli),ชนิดแกรมแบคทีเรียประจุลบ(Gram-negative bacteria) และ Staphylococcus epidermidis (S. epidermidis)ชนิดแกรมแบคทีเรียประจุบวก (Gram-positive bacteria) ผลการทดลองพบว่าเชื้อแบคทีเรียลดลงในบริเวณที่มีการเคลือบด้วยอนุภาคซิลเวอร์นาโนปริมาณมากกว่าเมื่อเทียบกับบริเวณเส้นใยที่ถูกเคลือบด้วยอนุภาคซิลเวอร์นาโนในปริมาณที่น้อยกว่าโดยเฉพาะอย่างยิ่งปริมาณการลดลงของเชื้อ S. epidermidis จะลดลงเร็วกว่าชนิด E. coli  จากผลงานการวิจัยจึงสามารถยืนยันได้ว่า อนุภาคซิลเวอร์นาโนมีความสามารถในการยับยั้งเชื้อแบคทีเรียและสามารถนำไปใช้ในอุตสหกรรมการกรองอากาศ และเป็นสิ่งสำคัญในการพัฒนาคุณภาพของ Filter เพื่อให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นต่อไป


เอกสารอ้างอิง

[1]Barhate, R.S. and Ramakrishna, S. (2007). NanofibrousFiltering Media: Filtration Problems and Solutions from

Tiny Materials. J. Membr. Sci. 296: 1–8.

[2] C. Nordqvist. What Is Body Odor

(B.O.)? What Causes Body Odor? [Online]. Available:http://www.medicaln​ewstoday.com/article​s/173478.php.

[3] Zong-mingXiu, Qing-bo Zhang, Hema

L. Puppala, Vicki L. Colvin, and Pedro J. J. Alvarez. Negligible Particle-Specific Antibacterial Activity of Silver Nanoparticles, Nano Lett., 2012, 12 (8), pp 4271–4275.

[4] Haeng Joe Y., Ju W., Hong Park J., Yoon Y.H, and Hwang J. (2013). Correlation between the Antibacterial Ability of Silver Nanoparticle Coated Air Filters and the Dust Loading. Aerosol and Air Quality Researcher, 13: 1009-1018.