Chế tạo và đặc trưng hóa các vật liệu 3D mềm ttemplated vi xốp hoạt tính quang cho việc khử trùng nước trong chế độ đợt và dòng chảy liên tục
Tóm tắt
Việc làm sạch nước có thể được thực hiện theo chế độ đợt hoặc dòng chảy liên tục. Đối với dòng chảy liên tục, một loại cấu trúc phải giữ lại các tác nhân làm sạch để tránh bị rửa trôi. Các cấu trúc xốp cung cấp tỷ lệ bề mặt trên thể tích lý tưởng để nước tiếp cận các vị trí hoạt động một cách tối ưu và có khả năng thúc đẩy quá trình vận chuyển chất lỏng nhanh chóng và hiệu quả nhằm duy trì dòng chảy ổn định. Khi được chức năng hóa với các tác nhân hoạt tính quang phù hợp, chúng có thể được sử dụng trong quá trình khử trùng quang xúc tác bằng năng lượng mặt trời. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng phương pháp viên đường để chế tạo các vật liệu dựa trên PDMS chứa ba loại cảm biến ánh sáng khác nhau về bước sóng và cường độ hấp thụ, điện tích cũng như khả năng tạo ra oxy đơn. Các miếng bọt thu được được đặc trưng hóa bằng kính hiển vi điện tử quét và kính hiển vi số. Phương pháp Archimedes được sử dụng để đo độ rỗng và mật độ. Chúng tôi cho thấy rằng các vật liệu có khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy và tạo ra các loài oxy phản ứng (ROS) cần thiết để tiêu diệt vi khuẩn. Khả năng khử trùng đã được thử nghiệm bằng cách xem xét thời gian chiếu sáng và chế độ hoạt động (đợt so với dòng) ảnh hưởng đến hiệu suất của vật liệu. Chiến lược hiện tại có tính linh hoạt cao để áp dụng cho các hệ thống dòng chảy tác động áp suất khác (trung bình) và có tiềm năng hứa hẹn cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm các phản ứng quang trong dòng chảy liên tục.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Murray, C. J. L., Ikuta, K. S., Sharara, F., Swetschinski, L., Aguilar, G. R., Gray, A., Han, C., Bisignano, C., Rao, P., Wool, E., Johnson, S. C., Browne, A. J., Chipeta, M. G., Fell, F., Hackett, S., Haines-Woodhouse, G., Kashef Hamadani, B. H., Kumaran, E. A. P., McManigal, B., … Mturi, N. (2022). Global burden of bacterial antimicrobial resistance in 2019: A systematic analysis. Lancet, 399, 629–655.
Jimenez, C. E. P., Keestra, S., Tandon, P., Cumming, O., Pickering, A. J., Moodley, A., & Chandler, C. I. R. (2023). Biosecurity and water, sanitation, and hygiene (WASH) interventions in animal agricultural settings for reducing infection burden, antibiotic use, and antibiotic resistance: A One Health systematic review. Lancet Planet Health., 7, e418–e434.
Hernando-Amado, S., Coque, T. M., Baquero, F., & Martínez, J. L. (2019). Defining and combating antibiotic resistance from One Health and Global Health perspectives. Nature Microbiology, 4, 1432–1442.
Nnadozie, C. F., & Odume, O. N. (2019). Freshwater environments as reservoirs of antibiotic resistant bacteria and their role in the dissemination of antibiotic resistance genes. Environmental Pollution, 254, 113067.
Zodrow, K. R., Li, Q., Buono, R. M., Chen, W., Daigger, G., Dueñas-Osorio, L., Elimelech, M., Huang, X., Jiang, G., Kim, J.-H., Logan, B. E., Sedlak, D. L., Westerhoff, P., & Alvarez, P. J. J. (2017). Advanced materials, technologies, and complex systems analyses: Emerging opportunities to enhance urban water security. Environmental Science and Technology, 51, 10274–10281.
Ma, B., Ke, Q., & Ulbricht, M. (2023). Simultaneous removal of natural organic matters and copper (II) with ultrafiltration for drinking water treatment. Journal of Membrane Science, 671, 121408.
Wang, Y., Ma, B., Ulbricht, M., Dong, Y., & Zhao, X. (2022). Progress in alumina ceramic membranes for water purification: Status and prospects. Water Research, 226, 119173.
Daigger, G. T. (2009). Evolving urban water and residuals management paradigms: Water reclamation and reuse, decentralization, and resource recovery. Water Environment Research, 81, 809–823.
Larsen, T. A., Hoffmann, S., Lüthi, C., Truffer, B., & Maurer, M. (2016). Emerging solutions to the water challenges of an urbanizing world. Science, 352, 928–933.
Priyadarshini, M., Das, I., Ghangrekar, M. M., & Blaney, L. (2022). Advanced oxidation processes: Performance, advantages, and scale-up of emerging technologies. Journal of Environmental Management, 316, 115295.
Zhai, Q., Song, L., Ji, X., Yu, Y., Ye, J., Xu, W., & Hou, M. (2022). Research progress of advanced oxidation technology for the removal of Microcystis aeruginosa: A review. Environmental Science and Pollution Research, 29, 40449–40461.
Richards, B. S. & Schäfer, A. I. (2010). Chapter 12. Renewable energy powered water treatment systems. In I. C. Escobar, & A. I. Schäfer (Eds.), Sustainability science and engineering (pp. 353–373). Elsevier.
Rani, A., Snyder, S. W., Kim, H., Lei, Z., & Pan, S.-Y. (2022). Pathways to a net-zero-carbon water sector through energy-extracting wastewater technologies. NPJ Clean Water, 5, 49.
Hossain, F., Perales-Perez, O. J., Hwang, S., & Román, F. (2014). Antimicrobial nanomaterials as water disinfectant: Applications, limitations and future perspectives. Science of the Total Environment, 466–467, 1047–1059.
Li, Q., Mahendra, S., Lyon, D. Y., Brunet, L., Liga, M. V., Li, D., & Alvarez, P. J. (2008). Antimicrobial nanomaterials for water disinfection and microbial control: Potential applications and implications. Water Research, 42, 4591–4602.
Wainwright, M., Maisch, T., Nonell, S., Plaetzer, K., Almeida, A., Tegos, G. P., & Hamblin, M. R. (2017). Photoantimicrobials—are we afraid of the light? The Lancet. Infectious Diseases, 17, e49–e55.
Aroso, R. T., Schaberle, F. A., Arnaut, L. G., & Pereira, M. M. (2021). Photodynamic disinfection and its role in controlling infectious diseases. Photochemical & Photobiological Sciences, 20, 1497–1545.
Galstyan, A. (2021). Turning photons into drugs: Phthalocyanine-based photosensitizers as efficient photoantimicrobials. Chemistry—A European Journal, 27, 1903–1920.
Hu, X., Zhang, H., Wang, Y., Shiu, B.-C., Lin, J.-H., Zhang, S., Lou, C.-W., & Li, T.-T. (2022). Synergistic antibacterial strategy based on photodynamic therapy: Progress and perspectives. Chemical Engineering Journal, 450, 138129.
DeRosa, M. C., & Crutchley, R. J. (2002). Photosensitized singlet oxygen and its applications. Coordination Chemistry Reviews, 233–234, 351–371.
Mesquita, M. Q., Dias, C. J., Neves, M. G. P. M. S., Almeida, A., & Faustino, M. A. F. (2018). Revisiting current photoactive materials for antimicrobial photodynamic therapy. Molecules, 23, 2424.
Zarrintaj, P., Moghaddam, A. S., Manouchehri, S., Atoufi, Z., Amiri, A., Amirkhani, M. A., Nilforoushzadeh, M. A., Saeb, M. R., Hamblin, M. R., & Mozafari, M. (2017). Can regenerative medicine and nanotechnology combine to heal wounds? The search for the ideal wound dressing. Nanomedicine, 12, 2403–2422.
Riesco, R., Boyer, L., Blosse, S., Lefebvre, P. M., Assemat, P., Leichle, T., Accardo, A., & Malaquin, L. (2019). Water-in-PDMS emulsion templating of highly interconnected porous architectures for 3D cell culture. ACS Applied Materials & Interfaces, 11, 28631–28640.
Wang, W., Zhou, M., & Yuan, D. (2017). Carbon dioxide capture in amorphous porous organic polymers. Journal of Materials Chemistry A., 5, 1334–1347.
Liang, J., Wang, S., Yu, H., Zhao, X., Wang, H., Tong, Y., Tang, Q., & Liu, Y. (2020). Solution-processed PDMS/SWCNT porous electrodes with high mass loading: Toward high performance all-stretchable-component lithium ion batteries. Sustainable Energy & Fuels., 4, 2718–2726.
Khurana, B., Gierlich, P., Meindl, A., Gomes-da-Silva, L. C., & Senge, M. O. (2019). Hydrogels: Soft matters in photomedicine. Photochemical & Photobiological Sciences, 18, 2613–2656.
Dong, J., Ghiladi, R. A., Wang, Q., Cai, Y., & Wei, Q. (2018). Protoporphyrin-IX conjugated cellulose nanofibers that exhibit high antibacterial photodynamic inactivation efficacy. Nanotechnology, 29, 265601.
Stoll, K. R., Scholle, F., Zhu, J., Zhang, X., & Ghiladi, R. A. (2019). BODIPY-embedded electrospun materials in antimicrobial photodynamic inactivation. Photochemical & Photobiological Sciences, 18, 1923–1932.
Galstyan, A., & Strokov, K. (2022). Influence of photosensitizer concentration and polymer composition on photoinduced antimicrobial activity of PVA- and PVA-chitosan-based electrospun nanomaterials cross-linked with tailor-made silicon(IV) phthalocyanine. Photochemical & Photobiological Sciences, 21, 1387–1398.
Sambiagio, C., & Noël, T. (2020). Flow photochemistry: Shine Some Light on Those Tubes! Trends in Chemistry., 2, 92–106.
Buglioni, L., Raymenants, F., Slattery, A., Zondag, S. D. A., & Noël, T. (2022). Technological innovations in photochemistry for organic synthesis: Flow chemistry, high-throughput experimentation, scale-up, and photoelectrochemistry. Chemical Reviews, 122, 2752–2906.
Williams, J. D., & Kappe, C. O. (2020). Recent advances toward sustainable flow photochemistry. Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry, 25, 100351.
Zhu, D., Handschuh-Wang, S., & Zhou, X. (2017). Recent progress in fabrication and application of polydimethylsiloxane sponges. Journal of Materials Chemistry A., 5, 16467–16497.
Dąbrowski, J. M., Pucelik, B., Regiel-Futyra, A., Brindell, M., Mazuryk, O., Kyzioł, A., Stochel, G., Macyk, W., & Arnaut, L. G. (2016). Engineering of relevant photodynamic processes through structural modifications of metallotetrapyrrolic photosensitizers. Coordination Chemistry Reviews, 325, 67–101.
Spagnul, C., Turner, L. C., & Boyle, R. W. (2015). Immobilized photosensitizers for antimicrobial applications. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology., 150, 11–30.
Galstyan, A., Majiya, H., & Dobrindt, U. (2022). Regulation of photo triggered cytotoxicity in electrospun nanomaterials: Role of photosensitizer binding mode and polymer identity. Nanoscale Advances, 4, 200–210.
Schneider, C. A., Rasband, W. S., & Eliceiri, K. W. (2012). NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods, 9, 671–675.
Lee, S. Y., Kang, D., Jeong, S., Do, H. T., & Kim, J. H. (2020). Photocatalytic degradation of Rhodamine B dye by TiO2 and gold nanoparticles supported on a floating porous polydimethylsiloxane sponge under ultraviolet and visible light irradiation. ACS Omega, 5, 4233–4241.
Xia, Y., & Whitesides, G. M. (1998). Soft lithography. Angewandte Chemie International Edition, 37, 550–575.
Park, Y.-B., Im, H., Im, M., & Choi, Y.-K. (2011). Self-cleaning effect of highly water-repellent microshell structures for solar cell applications. Journal of Materials Chemistry A., 21, 633–636.
Mark, J. E., & Curro, J. G. (1983). A non-Gaussian theory of rubberlike elasticity based on rotational isomeric state simulations of network chain configurations. I Polyethylene and polydimethylsiloxane short-chain unimodal networks. Journal of Chemical Physics, 79, 5705–5709.
Durmus, F. Ç., Maiorano, L. P., & Molina, J. M. (2022). Open-cell aluminum foams with bimodal pore size distributions for emerging thermal management applications. International Journal of Heat and Mass Transfer, 191, 122852.
Mills, A., Hawthorne, D., Burns, L., & Hazafy, D. (2017). Novel temperature-activated humidity-sensitive optical sensor. Sensors and Actuators, B: Chemical, 240, 1009–1015.
Galstyan, A., & Dobrindt, U. (2019). Determining and unravelling origins of reduced photoinactivation efficacy of bacteria in milk. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology., 197, 111554.
Wen, X., Zhang, X., Szewczyk, G., El-Hussein, A., Huang, Y.-Y., Sarna, T., & Hamblin, M. R. (2017). Potassium iodide potentiates antimicrobial photodynamic inactivation mediated by rose bengal in in vitro and in vivo studies. Antimicrobial Agents and Chemotherapy., 61(7), e00467. https://doi.org/10.1128/aac.00467-17
Kurosu, M., Mitachi, K., Pershing, E. V., Horowitz, B. D., Wachter, E. A., Lacey, J. W., Ji, Y., & Rodrigues, D. J. (2023). Antibacterial effect of rose bengal against colistin-resistant gram-negative bacteria. Journal of Antibiotics., 76, 416–424.
Dong, X., Mitchell, D. G., Garcia Cervantes, M. Y., Chitara, B., Yang, L., & Yan, F. (2022). Rose bengal-integrated electrospun polyacrylonitrile nanofibers for photodynamic inactivation of bacteria. Environmental Science: Advances, 1, 736–745.