Tẩy trắng răng thông qua vật liệu áp điện BaTiO₃

Các phương pháp tẩy trắng răng truyền thống

Ngày nay, với sự nâng cấp liên tục trong tiêu chuẩn thẩm mỹ, ngày càng có nhiều người mong muốn cải thiện ngoại hình của họ với một nụ cười trắng sáng hơn. Tuy nhiên, đối với hầu hết mọi người, giữ gìn một hàm răng trắng luôn là thách thức khi mà sự ố màu và bám bẩn dễ dàng đến với răng không chỉ do thói quen hút thuốc lá mà còn từ sở thích ăn các loại trái cây có màu cũng như uống một số thức uống chứa trà và cà phê (hình 1) [1]. Chính vì vậy, nhiều nhà sản xuất trên thế giới đã nhanh chóng cho ra đời các sản phẩm tẩy trắng răng. Đồng thời, các kỹ thuật tẩy trắng cũng liên tục được phát triển, dần dần trở thành một trong những quy trình nha khoa thẩm mỹ quan trọng nhất [2].

Hình 1. Răng dễ dàng bị ố màu khi tiếp xúc với thuốc lá, rượu, cà phê và các loại thực phẩm có màu

Một cách tổng quát, để có một hàm răng trắng, cách đơn giản nhất là đánh răng hàng ngày với kem đánh răng có chức năng mài mòn và tẩy trắng. Biện pháp này không chỉ an toàn mà còn tiết kiệm thời gian và tiền bạc. Tuy nhiên, những mảng bám trên răng chỉ thật sự bị loại bỏ khi có sự va chạm, ma sát hiệu quả giữa răng và các hạt mài mòn không tan như Al(OH)₃, CaCO₃ và SiO₂. Điều này vừa khiến cho khả năng làm trắng của kem đánh răng bị hạn chế, vừa có nguy cơ gây ra các vết xước nhẹ trên bề mặt răng [3]. Để tăng mức độ hiệu quả, một vài phương pháp làm trắng răng chuyên nghiệp đã được phát triển và phổ biến, như kỹ thuật đánh bóng và bọc sứ [3]. Nhưng tiếc thay, các kỹ thuật này lại cần các giai đoạn nghiền, mài mòn, cắt men răng, vốn có thể gây ra những thiệt hại cho răng không thể hồi phục được. Hơn nữa, đánh bóng và bọc sứ thường có chi phí cao cũng như đòi hỏi nhiều thời gian [4].

Tẩy trắng răng thông qua các quá trình oxy hóa nâng cao

Những giới hạn của các kỹ thuật làm trắng răng nêu trên đã thúc đẩy các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu các giải pháp mới. Một trong những kỹ thuật được đề nghị gần đây là sử dụng hydrogen peroxide (H₂O₂) nồng độ cao làm tác nhân tẩy trắng [5]. Khi tiếp xúc với nước và răng, H₂O₂ trong thành phần thuốc tẩy sẽ sinh ra các tiểu phân oxy hoạt hóa, không bền nhưng có khả năng tấn công vào những phân tử hữu cơ tạo màu trên bề mặt răng, phân hủy các vết bẩn thông qua quá trình oxy hóa [6]. Kết quả là bề mặt răng nhanh chóng được tẩy trắng hiệu quả. Tuy nhiên, việc tẩy trắng bằng H2O2 lại đem đến những tác dụng phụ không mong đợi, chẳng hạn nguy cơ làm suy giảm cấu trúc men răng cũng như làm tăng độ sần sùi của bề mặt men [7], khiến phương pháp này không được ưa chuộng trên thế giới. Mặc dù vậy, từ cơ chế hoạt động của H₂O₂, các nhà khoa học nhận ra rằng, một vật liệu nếu có khả năng kích thích và sản sinh ra các tiểu phân oxy hoạt hóa, hoàn toàn có thể được ứng dụng cho mục đích tẩy trắng răng.

Xuất phát từ ý tưởng này, một số nghiên cứu đã thử nghiệm sử dụng các hạt nano TiO₂ với hiệu ứng quang xúc tác dưới ánh sáng tia tử ngoại để có thể tẩy trắng răng một cách hiệu quả [8]. Thật vậy, so với H₂O₂, xúc tác quang hóa TiO₂ không chỉ đem đến khả năng tẩy trắng tốt hơn mà còn không gây ảnh hưởng đến cấu trúc men răng. Tuy nhiên, để có thể kích thích TiO₂ trong thành phần thuốc tẩy trắng, bàn chải đánh răng cần phải được trang bị đèn tử ngoại, khiến cho giải pháp này vừa bất tiện, vừa tốn kém. Ngoài ra, việc bắt buộc sử dụng tia tử ngoại còn có thể gây ra những tác động xấu đối với sức khỏe con người [9, 10]. Vì vậy, một lần nữa, giới khoa học cần tìm ra một giải pháp khác phù hợp hơn.

Trong bối cảnh đó, những vật liệu áp điện (piezoelectric materials) được nhắc đến như là một lựa chọn mới hứa hẹn cho mục đích tẩy trắng răng. Được khám phá vào năm 1880 bởi hai anh em Pierre Curie và Jacques Curie, hiệu ứng áp điện là hiện tượng tích lũy điện tích trong một số vật liệu pha rắn có cấu trúc bất đối xứng khi các vật liệu này phải chịu các ứng suất cơ học [11]. Một số vật liệu áp điện thậm chí còn rất nhạy cảm với các dao động cơ học như chuyển động của dòng nước, sự vận động của cơ bắp, ngay cả việc hít thở cũng có thể kích thích tạo ra các điện tích trong vật liệu [12]. Nhờ khả năng chuyển đổi kích thích cơ học thành tín hiệu điện, những vật liệu áp điện đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm đầu dò cảm biến, bộ truyền động, máy thu năng lượng cho các thiết bị tự cấp nguồn và đặc biệt là lĩnh vực xúc tác. Thật vậy, các nhà khoa học nhận thấy những vật liệu áp điện có thể đóng vai trò như những xúc tác mới, được đặt tên "xúc tác piezo" (piezocatalyst) với cách thức vận động tương tự như xúc tác quang hóa, tức là dưới một nguồn kích thích phù hợp có thể sinh ra các tiểu phần oxy hoạt hóa [13, 14]. Trong số nhiều vật liệu khác nhau, ZnO [15], BaTiO₃ [16] và BiFeO₃ [17] là các xúc tác piezo được nghiên cứu phổ biến nhất. Nhận thấy tiềm năng của vật liệu xúc tác piezo, mới đây, nhóm nghiên cứu của TS Yaojin Wang (Khoa Khoa học công nghệ vật liệu, Đại học Khoa học và Kỹ thuật Nanjing, Trung Quốc) đã đề nghị đưa các hạt BaTiO3 vào thành phần kem đánh răng. Khi đó, dưới tác dụng cơ học của việc đánh răng bằng bàn chải, các hạt xúc tác piezo này sẽ bị kích thích và sinh ra các gốc tự do, từ đó giúp làm sạch các vết ố trên răng, đem lại một hàm răng trắng sáng hơn [18].

Tổng hợp vật liệu áp điện BaTiO₃

Cụ thể, trong nghiên cứu của mình, TS Yaojin Wang đã cùng các cộng sự tổng hợp nano BaTiO3 bằng phương pháp thủy nhiệt. Đầu tiên, 3,41 ml dung dịch Ti(C4H9O)4 được cho vào 10 ml ethanol, khuấy trộn đều trong 30 phút. Tiếp theo, NH3 được cho từng giọt vào dung dịch đến khi kết tủa được hình thành. Hệ huyền phù Ti(OH)4 này được cho vào trong bình thủy nhiệt Teflon. Mặt khác, 9,45 g Ba(OH)₂.8H₂O được hòa tan hoàn toàn vào 20 ml nước cất rồi trộn đều với hỗn hợp huyền phù trong bình Teflon. Nhóm tác giả điều chỉnh pH của hệ đến giá trị 12 bằng cách sử dụng dung dịch KOH 6M. Tiếp theo, toàn bộ hệ trong bình Teflon kín sẽ được gia nhiệt ở 180^oC trong vòng 48 giờ. Sau cùng, các sản phẩm được rửa với acid acetic, ethanol và nước cất, rồi được sấy khô ở 80^oC trong 24 giờ.

Hình 2 trình bày giản đồ nhiễu xạ tia X của sản phẩm vừa điều chế trong nghiên cứu của TS Yaojin Wang. Theo đó, tất cả các mũi nhiễu xạ đều thuộc về cấu trúc perovskite, không có bất cứ tín hiệu pha tạp nào được nhận thấy. Đặc biệt, hình ảnh phóng to của giản đồ còn thể hiện rõ tín hiệu mũi kép quanh mặt mạng 002, vốn đặc trưng cho pha perovskite tứ phương của BaTiO₃. Hình 3 thể hiện ảnh kính hiển vi điện tử quét của các hạt BaTiO₃ đồng thời với biểu đồ phân tán kích thước hạt thống kê cho diện tích 5×5 μm trên bề mặt mẫu. Có thể nhận thấy các hạt BaTiO₃ đều có hình dạng khối chữ nhật đồng đều với kích thước trung bình trong khoảng 130 nm. Các kết quả này chứng tỏ phương pháp thủy nhiệt đơn giản đã giúp nhóm nghiên cứu tổng hợp thành công vật liệu nano BaTiO₃.

Hình 2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của BaTiO3.

Hình 3. Ảnh kính hiển vi điện tử quét (A) và giản đồ phân bố kích thước hạt (B) của các hạt nano BaTiO3.

Để kiểm tra đặc tính áp điện của vật liệu, nhóm nghiên cứu sử dụng kỹ thuật chụp ảnh kính hiển vi lực áp điện (piezoresponse force microscopy), vốn là một biến thể của kính hiển vi lực nguyên tử. Hình 4 cho thấy, dưới tác động của dòng điện xoay chiều, biên độ tín hiệu của hạt nano BaTiO3 có độ tương phản rõ ràng so với phần nền silicon, chứng tỏ BaTiO₃ có đặc tính áp điện đặc trưng và hoàn toàn có thể được ứng dụng cho mục đích xúc tác piezo.

Hình 4. Ảnh kính hiển vi lực áp điện của BaTiO₃.

Ứng dụng vật liệu BaTiO₃ cho mục đích tẩy trắng răng

Để thử nghiệm khả năng tẩy trắng răng của các hạt xúc tác piezo BaTiO₃, nhóm nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng đánh răng như hình 5A. Đồng thời, các mẫu răng khỏe mạnh sẽ được chọn lọc rồi được ngâm vào dung dịch trà đen, rượu và nước ép quả việt quất trong vòng 1 tuần. Sau đó, răng sẽ cố định vào hệ thí nghiệm và được đánh bằng bàn chải điện trong mô hình với hệ dung dịch huyền phù chứa các hạt BaTiO3 liên tục trong mỗi 2 phút rồi dừng 2 phút. Quá trình này được kéo dài trong 10 giờ.

Hình 5. (A) Mô hình thử nghiệm tẩy trắng răng bằng BaTiO₃; (B) So sánh kết quả tẩy trắng răng giữa việc đánh răng với nước cất và đánh răng với huyền phù BaTiO₃.

Kết quả cho thấy, khi đánh răng với nước cất, màu sắc ố bẩn trên răng chỉ được giảm nhẹ, răng vẫn còn ố vàng nhiều ở phía gần chân răng. Ngược lại, việc sử dụng nano BaTiO₃ khi đánh răng cho phép tẩy trắng răng rõ ràng sau 10 giờ. Các mảng ố vàng gần như biến mất hoàn toàn (hình 5B). Điều này có thể được giải thích thông qua cơ chế xúc tác piezo của BaTiO₃. Theo đó, bản chất của việc đánh răng là đưa bàn chải tác động tới bề mặt răng, tạo ra các dao động cơ học trên răng (hình 6A). Lúc này nếu đánh răng với huyền phù BaTiO3, các hạt xúc tác sẽ được phân bố rãi rác trên bề mặt răng (hình 6B). Nhờ vậy, quá trình chà bàn chải trên răng sẽ kích thích các hạt BaTiO₃, vốn đang cân bằng điện tích (hình 6C), chuyển sang trạng thái tích điện. Cụ thể, khi chịu dao động, biên độ cực hóa bên trong các hạt sẽ giảm, khiến cho các electron vùng biên không còn bị điện tích dương bên trong vật liệu giữ, sẽ tự do di chuyển ra ngoài dung dịch, phản ứng với các phân tử O2 để tạo thành gốc tự do O2^•–. Tương tự, các điện tích dương ở biên hạt lúc này cũng không còn bị electron bên trong giữ chặt, sẽ dễ dàng tác kích vào các phân tử nước để tạo thành gốc tự do ^•OH (hình 6D). Những gốc tự do này, với khả năng oxy hóa mạnh mẽ, sẽ tấn công vào các mảng bám bẩn hữu cơ trên bề mặt răng, phân hủy chúng và qua đó giúp tẩy trắng răng hữu hiệu (hình 6E).

Hình 6. (A) Minh họa tác động cơ học giữa răng và bàn chải; (B) Quá trình giải phóng các hạt xúc tác khi đánh răng với huyền phù BaTiO₃; (C) Sự phân bố điện tích trong hạt BaTiO₃ trước khi nhận kích thích cơ học; (D) Sự phân bố điện tích trong BaTiO₃ sau khi có tương tác cơ học; (E) Minh họa quá trình tẩy trắng răng bằng cơ chế xúc tác piezo.

Như vậy, bằng cách ứng dụng xúc tác piezo BaTiO₃, các nhà khoa học trong nhóm nghiên cứu của TS Yaojin Wang đã đề nghị một kỹ thuật mới cho phép tẩy trắng răng hiệu quả. Đặc biệt, phương pháp này còn tỏ ra tiện lợi và an toàn khi không cần sử dụng nguồn ánh sáng tử ngoại kích thích hay hóa chất nguy hiểm cho sức khỏe, qua đó đem đến khả năng ứng dụng rộng rãi trong việc chăm sóc răng miệng tại nhà.   


TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] V.L.P. Colares, S.N.L. Lima, N.C.F. Sousa, M.C. Araújo MC, D.M.S. Pereira, S.J.F. Mendes, S.A. Teixeira, C.A. Monteiro, M.C. Bandeca, W.L. Siqueira, E.B. Moffa, M.N. Muscará, E.S. Fernandes (2019), “Hydrogen peroxide-based products alter inflammatory and tissue damage-related proteins in the gingival crevicular fluid of healthy volunteers: a randomized trial”, Sci. Rep., 9, pp.3457.

[2] M.Q. Alqahtani (2014), “Tooth-bleaching procedures and their controversial effects: a literature review”, Saudi Dent. J., 26, pp.33-46.

[3] F. Lippert, M.A. Arrageg, G.J. Eckert, A.T. Hara (2017), “Interaction between toothpaste abrasivity and toothbrush filament stiffness on the development of erosive/abrasive lesions in vitro”, Int. Dent. J., 67, pp.344-350.

[4] S. Kimyai, M. Bahari, F. Naser-Alavi, S. Behboodi (2017), “Effect of two different tooth bleaching techniques on microhardness of giomer”, J. Clin. Exp. Dent., 9, pp.e249-e253.

[5] C.J. Tredwin, S. Naik, N.J. Lewis, C. Scully (2006), “Hydrogen peroxide toothwhitening (bleaching) products: review of adverse effects and safety issues”, Br. Dent. J., 200, pp.371-376.

[6] S.R. Kwon, P.W. Wertz (2015), “Review of the mechanism of tooth whitening”, J. Esthet. Restor. Dent., 27, pp.240-257.

[7] T. Abouassi, M. Wolkewitz, P. Hahn (2011), “Effect of carbamide peroxide and hydrogen peroxide on enamel surface: an in vitro study”, Clin. Oral. Investig., 15, pp.673-680.

[8] F. Zhang, C. Wu, Z. Zhou, J. Wang, W. Bao, L. Dong, Z. Zhang, J. Ye, L. Liao, X. Wang (2018), “Blue-light-activated nano-TiO₂@PDA for highly effective and nondestructive tooth whitening”, ACS Biomater. Sci. Eng., 4, pp.3072-3077.

[9] B.M. Maran, A. Burey, T. de Paris Matos, A.D. Loguercio, A. Reis (2018), “Inoffice dental bleaching with light vs. without light: a systematic review and meta-analysis”, J. Dent., 70, pp.1-13.

[10] F. Yoshino, A. Yoshida (2018), “Effects of blue-light irradiation during dental treatment”, Jpn. Dent. Sci. Rev., 54, pp.160-168.

[11] J. Curie, P. Curie (1880), “Développement par compression de l'électricité polaire dans les cristaux hémièdres à faces inclinées”, Bull. de. Minéralogie, 3, pp.90-93.

[12] Y. Feng, H. Li, L. Ling, S. Yan, D. Pan, H. Ge, H. Li, Z. Bian (2018), “Enhanced photocatalytic degradation performance by fluidinduced piezoelectric field”, Environ. Sci. Technol., 52, pp.7842-7848.

[13] X. Wang, G.S. Rohrer, H. Li (2018), “Piezotronic modulations in electro- and photochemical catalysis”, MRS Bull., 43, pp.946-951.

[14] M.B. Starr, X. Wang (2015), “Coupling of piezoelectric effect with electrochemical processes”, Nano Energ., 14, pp.296-311.

[15] D. Hong, W. Zang, X. Guo, Y. Fu, H. He, J. Sun, L. Xing, B. Liu, X. Xue (2016), “High Piezo-photocatalytic efficiency of CuS/ZnO nanowires using both solar and mechanical energy for degrading organic dye”. ACS Appl. Mater. Interfaces, 8, pp.21302-21314.

[16] E. Lin, J. Wu, N. Qin, B. Yuan, D. Bao (2018), “Silver modified barium titanate as a highly efficient piezocatalyst”, Catal. Sci. Technol., 8, pp.4788-4796.

[17] F. Mushtaq, X. Chen, M. Hoop, H. Torlakcik, E. Pellicer, J. Sort, C. Gattinoni, B.J. Nelson, S. Pané (2018), “Piezoelectrically enhanced photocatalysis with BiFeO3 nanostructures for efficient water remediation”, iScience, 4, pp.236-246.

[18] Y. Wang, X. Wen, Y. Jia, M. Huang, F. Wang, X. Zhang, Y. Bai, G. Yuan, Y. Wang (2020), “Piezo-catalysis for nondestructive tooth whitening”, Nat Commun., 11, pp.1328.