luận văn tổng hợp các hạt nano từ có các lớp phủ polyme tương thích sinh học để ứng dụng trong y sinh học

Ví dụ như vật liệu sắt từ được hình thành từ những đômen, trong lòng một đômen, các nguyên tử có từ tính sắp xếp song song với nhau nhưng lại không nhất thiết phải song song với mô- men

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

MỞ ĐẦU

Khoa học và công nghệ vật liệu nanô với những đặc tính kì lạ đã và đang thâm nhập vào toàn bộ lĩnh vực đời sống và kinh tế của thế giới Với kích thước nano các loại vật liệu này có thể can thiệp đến từng phân tử -nguyên tử, điều này đặc biệt quan trọng trong ứng dụng y-sinh học

Theo định nghĩa thì vật liệu nanô là vật liệu có cấu trúc khoảng từ 1nm đến dưới 100nm Ở kích thước đó, nhiều tính chất về sinh học, hoá học và vật lý được tăng cường, thay đổi hoặc khác hoàn toàn so với vật liệu khối tương ứng Nhờ vậy mà chúng có những tính chất kỳ diệu mà ở vật liệu khối không có được Ví dụ như vật liệu sắt từ được hình thành từ những đômen, trong lòng một đômen, các nguyên tử có từ tính sắp xếp song song với nhau nhưng lại không nhất thiết phải song song với mô- men từ của nguyên tử ở một đômen khác Giữa hai đômen có một vùng chuyển tiếp được gọi là vách đômen Độ dày của vách đômen phụ thuộc vào bản chất của vật liệu

mà có thể dày từ 10-100 nm Nếu vật liệu tạo thành từ các hạt chỉ có kích thước bằng

độ dày vách đômen thì sẽ có các tính chất khác hẳn với tính chất của vật liệu khối vì ảnh hưởng của các nguyên tử ở đômen này tác động lên nguyên tử ở đômen khác Do

đó vật liệu nano từ tính ngày nay có một ý nghĩa hết sức quan trọng trong lĩnh vực sinh học để dùng trong việc chẩn đóan cũng như điều trị những căn bệnh ung thư và bệnh nan y ở người

Như chúng ta đã biết thì đối với các bệnh ung thư hay nan y, việc chẩn đoán chính xác bệnh có tính chất quyết định đến sự sống còn của bệnh nhân và vì vậy con người không ngừng cải thiện các phương pháp chẩn đoán bệnh Hiện nay thực trạng tỷ lệ người dân mắc các bệnh ung thư trong nước ngày càng gia tăng Công bố mới nhất của hội ung thư Tp HCM con số này tăng với khoảng vài triệu bệnh nhân mỗi năm Theo các nhà nghiên cứu, sự gia tăng này liên quan đến chế độ ăn uống, sự thay đổi của khí hậu, môi trường sống Như vậy bệnh ung thư đã và đang gây ra những hậu quả nghiêm trọng cho sức khỏe người bệnh và có tỉ lệ tử vong rất cao khi những khối u ác tính thường tiến triển chậm và biểu hiện của bệnh thường diễn ra âm thầm hàng năm trời trước khi được phát hiện bằng những chẩn đoán lâm sàng Hầu hết các loại bệnh ung thư đều có khả năng được chữa lành với xác xuất lớn nếu như bệnh được phát hiện sớm Nếu có các triệu chứng của bệnh rồi mới đi tìm bệnh thì có thể bướu đã lớn và di căn sang chỗ khác, và việc chữa trị bằng thuốc men hay giải phẫu sẽ không dứt hẳn bệnh Do đó tất cả cố gắng của y học là làm thế nào chẩn đoán bệnh càng sớm thì khả năng trị dứt hẳn bệnh càng cao

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

Trong y học ngày nay, những thiết bị kỹ thuật cao đã được sử dụng phổ biến nhằm

hỗ trợ cho quá trình chẩn đoán và điều trị bệnh và đã mang lại những kết quả nhanh

chóng và chính xác Trong đó, kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI - Magnetic

Resonance Imaging) được xem là một trong những kỹ thuật tiên tiến nhất vì nó có

khả năng phát hiện những mầm bệnh tiềm ẩn trong cơ thể trên cả vùng mô mềm lẫn

Trên thế giới trong các cơ sở chuẩn đoán y khoa bằng hình ảnh MRI, người ta thường sử dụng chất tương phản thuận từ là những vật liệu nền Gd như: Gd-DTPA (Magnevist), Gd - DOTA (Dotarem), Gd - DTPA - BMA (Ommiscan), Gd - DOBA (Prohance), Gd - BOPTA (Multihance) Còn ở nước ta, Gd - DPTA (Magnevist) đang được sử dụng Những vật liệu này (Magnevist, Eovist) đều có khả năng tạo tương phản tương đối và không gây ảnh hưởng cho bệnh nhân Tuy nhiên, khả năng tăng cường độ tương phản của những vật liệu này vẫn còn tương đối thấp hơn nhiều so với vật liệu siêu thuận từ Đối với nhiều bệnh lý, nếu sử dụng chất tương phản siêu thuận từ thì khả năng nghiên cứu giải phẫu và điều trị sẽ đạt mức độ thành công cao hơn Những hạt siêu thuận từ kích thước lớn khoảng 10-25nm với lớp phủ polymer đã được sản xuất và đưa vào sử dụng trên thế giới như: AMI – 25 (lớp phủ ferumoxid), SHU – 555A (lớp phủ ferucarbontran), ENDO – REM®, RESOVIST® (lớp phủ Dextran), SPIO Feridex®,…Nhưng giá nhập khẩu của các chất tăng cường tương phản cho ảnh chụp cộng hưởng từ này khá đắt (200 USD cho một liều dùng)

Hiện tại, những chất tăng cường tương phản đang được sử dụng tại Việt Nam đều là chất tương phản thuận từ và được mua từ nước ngoài với một mức giá tương đối cao,

vì thế rất khó cho bệnh nhân lao động nghèo có thể sử dụng những kỹ thuật hiện đại để chẩn đoán các bệnh hiểm nghèo

Từ những đòi hỏi cấp thiết như vậy chúng tôi dự định nghiên cứu và tổng hợp các tác nhân tăng cường tính tương phản cho ảnh MRI có kích thước nano và tính tương

các tác nhân tăng cường tính tương phản cho ảnh cộng hưởng từ có kích thước đủ nhỏ

để có thể đi sâu vào các tế bào mà không có độc tính, không làm ảnh hưởng đến chức năng của các cơ quan có ý nghĩa thực tiễn rất cao và là một cách tiếp cận rất tiên tiến

Từ đó chúng tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu để đưa ra qui trình tổng hợp hoàn chỉnh có tính khả thi cao và phù hợp với hoàn cảnh ở Việt nam

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

Như vậy nghiên cứu của chúng tôi mang tên “Tổng hợp các hạt Nanô từ có các

lớp phủ Polymer tương thích sinh học để ứng dụng trong y sinh học” là một

nghiên cứu có khả năng ứng dụng hoàn toàn mới tại Việt Nam Vật liệu chế tạo là

thuận từ được phủ bởi lớp polymer tương hợp sinh học (Dextran) có khả năng ứng

dụng rất lớn trong lĩnh vực y sinh do bởi tính không độc tố, có khả năng tự đào thải và đặc biệt là nó có một độ từ cảm khá lớn

Chất lỏng từ có tính tương hợp sinh học và kích cỡ nano có tính khả thi cao nhất để dùng làm các tác nhân tăng cường tính tương phản trong MRI Đề tài là một giải pháp hữu hiệu trong việc nâng cao hiệu quả chẩn đoán các bệnh hiểm nghèo với giá thành hợp lý, rất phù hợp với điều kiện trong nước hiện nay

Mục đích của đề tài là :

1 Nghiên cứu về vật liệu siêu thuận từ (đặc trưng ,tính chất ), công nghệ tổng

hợp các hạt nanô từ và các ứng dụng của chúng trong y sinh học

2 Nghiên cứu về cộng hưởng từ hạt nhân (nguyên lý , hoạt động ) và các tác

nhân tương phản siêu thuận từ cho ảnh cộng hưởng từ

3 Chế tạo các hạt ôxít sắt từ Fe3O4 có kích thước nano với độ tinh khiết cao

4 Tổng hợp chất lỏng từ có tính tương thích sinh học dựa trên các hạt nano

cường tính tương phản trong MRI

5 Nghiên cứu các đặc tính từ, đặc tính cơ lý và tính tương hợp sinh học của

các tác nhân trên

6 Nghiên cứu để tối ưu hóa các tính chất của các tác nhân tương phản từ đó

đưa ra qui trình chế tạo hoàn chỉnh Tiến tới thay thế các sản phẩm ngoại nhập bằng sản phẩm trong nước được chế tạo phù hợp với hoàn cảnh Việt nam

Nội dung của đề tài này gồm có các phần chính:

♣ Tổng quan về các hạt nanô ôxit sắt siêu thuận từ Fe3O4 và chất lỏng từ

♣ Thực nghiệm tổng hợp các hạt nanô từ Fe3O4 và tác nhân tương phản

♣ Kết quả và biện luận

♣ Kết luận và hướng phát triển của đề tài trong tương lai

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ TỪ HỌC, VẬT LIỆU TỪ VÀ CÁC HẠT NANÔ ÔXIT SẮT SIÊU THUẬN TỪ Fe O 3 4

1.1.CƠ SỞ TỪ TÍNH TRONG CÁC LOẠI VẬT LIỆU TỪ

Nguồn gốc cơ bản của hiện tượng từ ở trong vật liệu là do chuyển động quĩ đạo và chuyển động spin của các điện tử Tương ứng với hai kiểu chuyển động này sẽ có hai loại mômen từ tương ứng là mômen từ quĩ đạo và mômen từ spin

1.1.1 Mômen từ quĩ đạo của điện tử [6]

Chuyển động của điện tử trên quĩ đạo tròn bán kính r với vận tốc dài v và vận tốc

góc ω xung quanh hạt nhân (Hình 1.1) có mômen cơ (mômen động lượng):

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

Manhêtôn Borh thường được sử dụng như là một đơn vị đo từ độ của các nguyên tử

1.1.2 Mômen từ spin của điện tử [6]

Điện tử không chỉ chuyển động xung quanh hạt nhân mà còn tự quay xung quanh trục của nó Chuyển động quay này liên quan đến một mômen spin nội tại Có thể tưởng tượng rằng, một điện tử như một hình cầu có điện tích phân phối trên toàn bề mặt Sự quay của các điện tích này sinh ra các dòng điện và do đó sinh ra mômen từ hướng dọc theo trục quay

Tương tự như trong trường hợp của chuyển động quĩ đạo có thể biểu diễn được mối

Đối với nguyên tử có 1 điện tử, chỉ có mômen từ spin và mômen từ quỹ đạo tương tác nhau tạo ra liên kết spin - quỹ đạo Đối với nguyên tử có nhiều điện tử, mômen từ phụ thuộc vào các liên kết: spin – quỹ đạo, spin – spin, quỹ đạo - quỹ đạo Trong đó liên kết spin – quỹ đạo là liên kết rất yếu có thể bỏ qua được

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

1.1.3 Mômen từ nguyên tử

Mômen từ của nguyên tử gồm tổng các mômen từ của các điện tử và mômen từ của hạt nhân nguyên tử Nhưng vì mômen từ của hạt nhân nguyên tử nhỏ hơn hàng nghìn lần tổng các mômen từ của các điện tử nên khi xét đến tính chất từ của vật liệu ta có thể không xét đến mômen từ của hạt nhân nguyên tử

Như vậy, mỗi điện tử trong nguyên tử có thể xem như một nam châm vĩnh cửu nhỏ

có mômen từ quỹ đạo và mômen từ spin Trong mỗi nguyên tử cô lập, mômen từ quỹ đạo cũng như mômen từ spin triệt tiêu lẫn nhau Mômen từ của một nguyên tử chính là tổng mômen từ của các điện tử trong nguyên tử, bao gồm cả mômen từ quỹ đạo và mômen từ spin

1.1.4 Các khái niệm cơ bản [9]

Cường độ từ trường (H)

Từ trường là khoảng không gian trong đó một cực từ chịu tác dụng của một lực Từ trường có thể gây ra bởi một cực từ khác hoặc bởi một dòng điện Cường độ từ trường biểu thị độ mạnh yếu của từ trường, không phụ thuộc vào môi trường xung quanh, thường kí hiệu là H Trong hệ đơn vị chuẩn SI, cường độ từ trường H có đơn vị là Ampe–vòng/mét (A/m) Ngoài ra, khi nghiên cứu từ học, vì sự liên quan giữa hoá học, vật lý và khoa học vật liệu nên người ta hay sử dụng một hệ đơn vị khác là hệ CGS Trong hệ này, đơn vị của H là Oesterd (Oe)

Độ từ hoá (M)

Vật liệu từ khi đặt trong từ trường đều bị từ hoá, hoặc nhiều hoặc ít Độ từ hoá M

(magnetization) hay độ nhiễm từ (intensity of magnetization) là mômen từ của vật liệu

từ tính trên một đơn vị thể tích Đó là một vectơ hướng từ cực nam đến cực bắc của

Như vậy, hệ số chuyển đổi từ hệ SI sang hệ CGS của cảm ứng từ B và độ từ hoá M

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

Một số đại lượng khác

Bên cạnh đó, các đại lượng độ từ cảm (magnetic susceptibility) và độ từ thẩm (magnetic permeability) của vật liệu từ cũng là những thông số quan trọng cho biết loại vật liệu từ (thuận từ, nghịch từ, …) và độ mạnh của hiệu ứng từ liên quan đến vật liệu từ riêng biệt

Độ từ cảm χ là tỉ số của độ từ hoá M và từ trường H:

không Trong các nghiên cứu về các tính chất từ thì thông số từ thẩm là thông số đặc trưng chính vì nó mô tả sự hưởng ứng của một vật liệu từ với từ trường ngoài

Bảng 1.1 Các đại lượng từ và các hệ số chuyển đổi giữa 2 hệ SI và CGS

Ký hiệu

Hệ số chuyển đổi

nguyên

Không thứ nguyên

Độ từ thẩm chân

không

Không thứ nguyên

–7Henry/m (H/m) 4π.10

μo

1.2 ĐƯỜNG CONG TỪ TRỄ VÀ PHÂN LOẠI CÁC VẬT LIỆU TỪ[1,5]

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

1.2.1 Chu trình từ trễ trong vật liệu sắt từ và feri từ

Đường cong từ trễ cung cấp các thông tin về từ tính của vật liệu như lực kháng từ

được tạo ra do khi cung cấp từ trường và sau đó bị ngắt, vật liệu còn giữ lại một ít độ

từ hóa, được gọi là độ từ dư Để độ từ hóa trở về không, từ trường cung cấp phải có hướng ngược lại cho đến khi không còn độ từ hóa Giá trị cường độ từ trường cần thiết

hướng ngược lại và bị ngắt, sau đó cung cấp từ trường một lần nữa theo hướng dương, chu trình từ trễ được hình thành (Hình 1.2)

Lực kháng từ

Độ từ dư

Hình 1.2 Chu trình từ trễ của vật liệu sắt từ

Vật liệu thể hiện tính trễ có thể được phân loại thành từ cứng và từ mềm Từ cứng

có lực kháng từ lớn Do đó nó có một vùng diện tích lớn trong chu trình từ trễ Nó được gọi là từ cứng vì độ từ hóa khó đạt đến bão hòa và lực kháng từ khó giảm về không Từ mềm có lực kháng từ thấp Điều đó có nghĩa là để đạt đến độ từ hóa bão hòa thì cần từ trường nhỏ hơn nhiều so với trường hợp từ cứng

Ngoài cách phân loại dựa theo giá trị của lực kháng từ, việc phân loại các vật liệu

1.2.2.Vật liệu thuận từ

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

-4 Chất thuận từ là chất có độ cảm từ χ > 0 nhưng rất nhỏ, cỡ 10 Các chất thuận từ khi chưa bị từ hóa đã có mômen từ nguyên tử nhưng do chuyển động nhiệt các mômen này sắp xếp hỗn loạn và mômen từ tổng cộng của toàn khối bằng không (Hình 1.3) Khi đặt chất thuận từ vào từ trường ngoài thì các mômen từ trong chúng định hướng song song, cùng chiều với từ trường ngoài và do đó chúng có độ từ hóa dương tuy rất nhỏ

Ở phần lớn các chất thuận từ, độ cảm từ phụ thuộc nhiệt độ theo định luật Curie:

Chất nghịch từ là chất có độ cảm từ có giá trị âm và rất nhỏ so với một, chỉ vào

chúng không có các mômen từ tự phát (không bị phân cực từ), nhưng khi đặt chất nghịch từ vào trong từ trường ngoài thì ở chúng xuất hiện một từ trường phụ có giá trị rất nhỏ và hướng ngược với từ trường ngoài Nguồn gốc tính nghịch từ là chuyển động của điện tử trên quỹ đạo quanh hạt nhân, tạo ra từ thông có chiều ngược với từ trường ngoài

1.2.4.Vật liệu sắt từ

luôn tồn tại các mômen từ tự phát, sắp xếp một cách có trật tự ngay cả khi không có từ trường ngoài

Trong trạng thái khử từ (H = 0) mômen từ tổng cộng của sắt từ bằng không là do trong vật chia thành những vùng vi mô riêng lẻ, gọi là các đômen Bên trong mỗi vùng, mômen từ của các nguyên tử hướng song song với nhau nhưng mômen từ của các vùng khác nhau hướng khác nhau nên tổng các mômen từ của cả vật bằng không

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

Trong quá trình từ hóa vật liệu, từ trường ngoài chỉ có tác dụng định hướng mômen từ của các đômen Điều này giải thích vì sao chỉ cần một từ trường nhỏ cũng có thể từ hóa bão hòa sắt từ Có thể coi sắt từ là vật liệu có trật tự từ

1.2.5.Vật liệu phản sắt từ

tạo từ những đômen từ, có trật tự từ và từ tính rất mạnh Ở phản sắt từ các mômen từ nguyên tử có giá trị bằng nhau nhưng định hướng đối song song với nhau từng đôi một nên mômen từ tổng cộng của vật luôn luôn bằng không khi không có từ trường ngoài

Hình 1.4 Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ

1.2.6.Vật liệu feri từ (ferit)

mômen từ tự phát Tuy nhiên cấu trúc tinh thể của chúng gồm hai phân mạng mà ở đó các mômen từ spin (do sự tự quay của điện tử tạo ra) có giá trị khác nhau và sắp xếp phản song song với nhau, do đó từ độ tổng cộng khác không ngay cả khi không có từ

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

1.3.1 Bản chất đơn đômen và tính chất siêu thuận từ [6,7, 28]

Sự phân chia thành đômen là tính chất hết sức độc đáo của vật liệu từ Nguyên nhân của sự phân chia thành đômen như vậy là do sự giảm năng lượng tự do của vật thể bằng cách giảm trường phân tán ở ngoài mặt của vật thể Tuy nhiên, sự phân chia đômen lại làm tăng năng lượng tự do của hệ, bằng dạng năng lượng ở vách đômen Kết quả là sự phân chia sẽ dừng lại ở cấu hình nào mà năng lượng tự do của hệ đạt cực tiểu

Hình 1.5 Trật tự mômen từ của các chất (a) nghịch từ, (b)

thuận từ, (c) sắt từ, (d) phản sắt từ, (e) feri từ

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

Trong những hạt có kích thước đủ nhỏ thì sự phân chia thành đômen lại làm tăng

năng lượng tự do của hệ Vì vậy, khi kích thước hạt được thu nhỏ dần thì số lượng các

đômen từ cũng giảm theo Đến một giới hạn nào đó thì không còn thích hợp để tồn tại

nhiều vách đômen nữa Mỗi hạt là một đômen duy nhất, gọi là hạt đơn đômen Lúc

này, sự sắp xếp của các mômen từ khi có từ trường ngoài không còn bị cản trở bởi các

vách đômen, nên thực hiện dễ dàng hơn

Đường kính tới hạn của hạt được cho bởi công thức :

(1.13) 2 2

35( )

Với:

Một vật liệu sắt từ được cấu tạo bởi một hệ các hạt (thể tích V), các hạt này tương

tác và liên kết với nhau Giả sử nếu ta giảm dần kích thước các hạt thì năng lượng dị

hướng KV giảm dần, nếu ta tiếp tục giảm thì đến một lúc nào đó KV<< kT, năng

lượng nhiệt sẽ thắng năng lượng dị hướng và vật sẽ mang đặc trưng của một chất thuận

từ

Thông thường, lực liên kết bên trong vật liệu sắt từ làm cho các mômen từ trong

nguyên tử sắp xếp song song với nhau, tạo nên một từ trường bên trong rất lớn Đó

cũng là điểm khác biệt giữa vật liệu sắt từ và vật liệu thuận từ Khi nhiệt độ lớn hơn

nhiệt độ Curie (hay nhiệt độ Néel đối với vật liệu phản sắt từ), dao động nhiệt đủ lớn

để thắng lại các lực liên kết bên trong, làm cho các mômen từ nguyên tử dao động tự

do Do đó không còn từ trường bên trong nữa, và vật liệu thể hiện tính thuận từ Trong

một vật liệu không đồng nhất, người ta có thể quan sát được cả tính sắt từ và thuận từ

của các phân tử ở cùng một nhiệt độ, tức là xảy ra hiện tượng siêu thuận từ

1.3.2 Siêu thuận từ

Khi giảm kích thước của hạt xuống dưới một giới hạn nhất định, độ từ dư không

còn được giữ theo các định hướng xác định bởi dị hướng hình dạng hoặc dị hướng từ

tinh thể của hạt nữa Trong trường hợp này, ở ngay nhiệt độ phòng, năng lượng nhiệt

đã đủ để làm cho các mômen từ thay đổi giữa hai định hướng cân bằng của từ độ

0 S C

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

Đây chính là trạng thái liên tục từ tính của chuyển động Brown Các chuyển động nhiệt của các phân tử là hỗn độn và bù trừ nhau khi xét đối với toàn hệ (trên toàn không gian) hoặc đối với một hạt khi xét trên toàn thời gian Điều này có nghĩa là :

(vài hạt từ tính) và trong một khoảng thời gian xác định, vẫn hoàn toàn có thể quan sát thấy hiệu ứng của chuyển động phân tử v ≠ 0 và M ≠ 0

Nói chung, các hạt từ tính trở thành siêu thuận từ khi bán kính giảm xuống dưới 25

nm Tính chất từ trở nên thú vị khi bán kính của hạt nằm trong khoảng giới hạn của siêu thuận từ và đơn đômen Siêu thuận từ là hiện tượng các vật liệu từ có tính thuận từ ngay cả khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ Curie (hay nhiệt độ Néel) Hiện tượng này xảy

ra ở các hạt có kích thước rất nhỏ, khi mà năng lượng cần để thay đổi hướng của các mômen từ nhỏ hơn năng lượng dao động nhiệt Năng lượng cần để thay đổi hướng của các mômen từ trong tinh thể gọi là năng lượng dị hướng của tinh thể và phụ thuộc vào tính chất của vật liệu cũng như kích thước của tinh thể Kích thước của tinh thể giảm thì năng lượng đó cũng giảm

Hình 1.7 Đường biểu diễn lực kháng từ H C theo kích thước hạt

Hai đặc trưng cơ bản của các chất siêu thuận từ là:

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

Hình 1.8: Đường cong từ hóa của vật liệu siêu thuận từ

Các chất siêu thuận từ đang được quan tâm nghiên cứu rất mạnh, dùng để chế tạo các chất lỏng từ (magnetic fluid) dành cho các ứng dụng y sinh Đối với vật liệu siêu thuận từ, từ dư và lực kháng từ bằng không, và có tính chất như vật liệu thuận từ, nhưng chúng lại nhạy với từ trường hơn, có từ độ lớn như của chất sắt từ Điều đó có nghĩa là, vật liệu sẽ hưởng ứng dưới tác động của từ trường ngoài nhưng khi ngừng tác động của từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa, đây là một đặc điểm rất quan trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng dụng y sinh học

1.3.3 Hạt nanô Ôxit sắt từ Fe 3 O 4

Cấu trúc của tinh thể magnetite (Fe 3 O 4 ) [17, 19]

là Fe, Ni, Co, Mn…) Các ferit có cấu trúc spinel thường (thuận) hoặc spinel ngược Trong mỗi ô đơn vị của cấu trúc spinel thường, những iôn hóa trị 3 chiếm các vị trí bát diện còn những iôn hóa trị 2 chiếm các vị trí tứ diện Cấu trúc spinel ngược được sắp

khối tứ diện

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

Hình 1.9: Cấu trúc tinh thể ferit thường gặp

Oxy

B-Vị trí bát diện A-Vị trí tứ diện

chất từ khác nhau theo các phương khác nhau) Vật liệu thể hiện tính siêu thuận từ khi

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

3 O 4

Oxit sắt từ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, Đặc biệt, khi ở kích thước

yếu cho lĩnh vực y sinh học, như là tác nhân làm tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ, làm phương tiện dẫn truyền thuốc…

Oxit sắt từ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, Đặc biệt, khi ở kích thước

yếu cho lĩnh vực y sinh học, như là tác nhân làm tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ, làm phương tiện dẫn truyền thuốc…

Sự biến đổi và ổn định của magnetite

khảo sát các tính chất và ứng dụng của các hạt nano từ thì các tính chất vật lý và hoá học ở bề mặt có ý nghĩa rất lớn Trong các dung dịch có nước các nguyên tử Fe kết hợp với nước, các phân tử nước này dễ phân ly để tách nhóm OH trên bề mặt ôxit sắt

Các nhóm OH bề mặt là lưỡng tính và có thể phản ứng lại với cả axit hoặc bazơ [28]

Ở nhiệt độ lớn hơn 300

Tính siêu thuận từ của các hạt nanô oxit sắt từ Fe 3 O 4

đômen vì với kích thước đó nhỏ hơn rất nhiều độ rộng của vách đômen nên không đủ thời gian để các vách đômen có thể hình thành trong hạt Ngay cả trong trường hợp vật liệu có tính dị hướng vuông góc rất lớn, có thể thiết lập các vách đômen có độ dầy cỡ vài nano mét thì việc hình thành các đômen như vậy sẽ tốn năng lượng rất lớn

Khi giảm kích thước của các hạt ôxit sắt Fe

Khi đó năng lượng dao động nhiệt không đủ mạnh để thắng lực liên kết giữa các phân

tử kề nhau nhưng đủ mạnh để thay đổi hướng của mômen từ trong toàn bộ tinh thể

Khi đó năng lượng dao động nhiệt không đủ mạnh để thắng lực liên kết giữa các phân

tử kề nhau nhưng đủ mạnh để thay đổi hướng của mômen từ trong toàn bộ tinh thể Kết quả là có một sự sắp xếp ngẫu nhiên hướng mômen từ trong tinh thể khi không có

từ trường ngoài Do đó mômen từ trong toàn tinh thể bằng không

Kết quả là có một sự sắp xếp ngẫu nhiên hướng mômen từ trong tinh thể khi không có

từ trường ngoài Do đó mômen từ trong toàn tinh thể bằng không

3 O 4 + O 2 6 γ-Fe 2 O 3

khảo sát các tính chất và ứng dụng của các hạt nano từ thì các tính chất vật lý và hoá học ở bề mặt có ý nghĩa rất lớn Trong các dung dịch có nước các nguyên tử Fe kết hợp với nước, các phân tử nước này dễ phân ly để tách nhóm OH trên bề mặt ôxit sắt

Các nhóm OH bề mặt là lưỡng tính và có thể phản ứng lại với cả axit hoặc bazơ [28] Tính siêu thuận từ của các hạt nanô oxit sắt từ Fe 3 O 4

đômen vì với kích thước đó nhỏ hơn rất nhiều độ rộng của vách đômen nên không đủ thời gian để các vách đômen có thể hình thành trong hạt Ngay cả trong trường hợp vật liệu có tính dị hướng vuông góc rất lớn, có thể thiết lập các vách đômen có độ dầy cỡ vài nano mét thì việc hình thành các đômen như vậy sẽ tốn năng lượng rất lớn

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

Hiện tượng này làm hạn chế khả năng ghi lại môi trường từ của những hạt từ nhỏ bởi vì siêu thuận từ sẽ làm cho hạt từ mất đi bộ nhớ từ [17] Điều đó có nghĩa là khi có

sự tác động của từ trường ngoài thì các mômen từ nhanh chóng sắp xếp theo chiều của

từ trường và tồn tại một độ từ hóa riêng Khi từ trường ngoài ngừng tác động, các mômen từ của hạt lại sắp xếp và định hướng ngẫu nhiên như lúc đầu, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa Khi đó độ từ hóa và lực kháng từ bằng 0 ( Hình 1.11 )

Không từ trường

Từ trường

Hình 1.11 Sự định hướng của các hạt siêu thuận từ khi có từ trường và khi từ trường bị ngắt

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CHẤT LỎNG TỪ (MAGNETIC FLUIDS)

2.1 KHÁI NIỆM [6]

Chất lỏng từ là một khái niệm chỉ một dung dịch bao gồm các hạt có từ tính lơ lửng trong một chất lỏng mang Chất lỏng từ gồm ba thành phần chính là: hạt từ tính (chất rắn), chất bao phủ về mặt (còn gọi là chất hoạt hóa bề mặt, là chất rắn hoặc chất lỏng)

và dung môi (là môi trường chứa hạt từ và chất bao phủ bề mặt)

Trong các thành phần trên thì hạt từ tính là thành phần quan trọng nhất trong chất lỏng từ, tính chất đặc biệt của chất lỏng từ phụ thuộc chủ yếu vào tính chất của hạt từ Hạt từ có kích thước từ vài nm (nanômet) đến vài chục nm Các hạt từ tính là có thể là

2.2 ĐẶC TRƯNG CỦA CHẤT LỎNG TỪ

2.2.1.Sự cân bằng nồng độ hạt từ

Chất lỏng từ là một môi trường đa thành phần (gồm hạt từ rắn, chất bao, chất lỏng mang) tương tác hoàn toàn với nhau Khi các thành phần trong chất lỏng từ hòa quyện với nhau thành một thể keo tạo nên sự cân bằng nồng độ hạt từ trong keo

Các yếu tố ảnh hưởng đến trạng thái cân bằng nồng độ keo là hình dạng, kích thước hạt từ, nồng độ hạt, sự tương tác giữa các hạt (có yếu tố lực hấp dẫn và lực từ của hạt),

độ nhớt chất lỏng, nhiệt độ môi trường, khả năng khuếch tán của hạt…

trường H không đổi có thể đạt được sự cân bằng nồng độ hạt sau khoảng thời gian là:

τ ∼ 3KTπηdh (μomG)2 (2.1)

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

- Độ ổn định đối với lực trọng trường

- Độ ổn định đối với gradient của từ trường: các hạt từ không bị lắng đọng, vón cục ở vùng có cường độ từ trường mạnh

- Độ ổn định đối với sự kết tụ của các hạt do hiệu ứng của tương tác lưỡng cực hoặc tương tác Van der Waals

Các điều kiện ổn định này trước hết được quyết định bởi kích thước hạt Hạt phải

đủ nhỏ để chuyển động nhiệt và chuyển động Brown chống lại được sự kết tụ của các

so sánh với các loại năng lượng tham gia vào hiện tượng đó:

- Thế năng : ΔρVgl

từ và chất lỏng, V là thể tích của hạt, g là gia tốc trọng trường, l là độ cao của chất

Đối với một chất lỏng từ thực thụ thì điều kiện ổn định luôn luôn là một đòi hỏi khắt khe Điều này có nghĩa là các hạt không kết đám hoặc bị tách phase kể cả khi được đặt trong từ trường lớn

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

Phần thể tích của hạt từ trong chất lỏng tương ứng theo tỉ lệ:

2.2.4.Khối lượng riêng của chất lỏng từ

Khối lượng riêng của chất lỏng từ được xác định theo biểu thức sau:

ρ= ρsϕs + ρa( ϕh - ϕs ) + ρf ( 1 - ϕh) (2.4)

Mật độ khối lượng phụ thuộc nhiệt độ:

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

Khi độ xoáy của chất lỏng song song với từ trường cung cấp, hạt từ có thể quay tự do

và độ nhớt không còn bị ảnh hưởng bởi từ trường Ngược lại, nếu từ trường và tốc độ trực giao nhau, độ nhớt sẽ tăng lên vì từ trường là lớn nhất

Độ nhớt của chất lỏng từ khi không có từ trường ngoài

Độ nhớt của một chất lỏng phụ thuộc nhiều vào tiền sử của mẫu và tốc độ trượt Khi khảo sát độ nhớt của một mẫu chất lỏng, ta cần phải quan tâm nhiều đến những yếu tố đặt trưng trong quá trình chế tạo mẫu Nếu chất lỏng chứa một lượng đáng kể những hạt thô thì đó chính là nguyên nhân làm cho độ nhớt và những tính chất vật lý khác trở nên phức tạp hơn Khi tách những hạt thô này bằng cách ly tâm chất lỏng thì mật độ của chất lỏng và độ từ hóa bão hòa sẽ thay đổi một ít, tuy nhiên, tính chất của

độ nhớt sẽ thay đổi một cách đáng kể, sự phụ thuộc độ nhớt lên thời gian lưu trữ của một mẫu sẽ biến mất

Khi không có trường ngoài, độ nhớt của chất lỏng từ gây ra do sự hiện diện của những hạt keo đã làm gia tăng ma sát nội tại khi nó đang chuyển động theo dòng Độ nhớt của chất keo gia tăng khi ma sát của hạt gia tăng Bên cạnh đó, sự tương tác của thủy động lực học kết hợp với sự tồn tại của tương tác từ của hạt tác động đến chuyển động tương đối của chúng Vì thế, độ nhớt của chất lỏng từ được xác định dựa trên mức độ của tương tác này

Độ nhớt của chất lỏng từ khi có từ trường ngoài

Độ nhớt của một chất lỏng từ được quyết định bởi độ nhớt của chất lỏng mang Như vậy khả năng chọn các dung môi khác nhau (như nước, dầu… ) cho phép thay đổi

độ nhớt của chất lỏng từ Sự có mặt của các hạt từ trong chất lỏng cũng làm giảm độ nhớt ban đầu của chúng, ngay cả khi không có từ trường tác dụng Độ nhớt của chất lỏng từ phụ thuộc vào từ trường Sự phụ thuộc này gây ra do từ trường tác động lên chuyển động của mômen từ và hậu quả là tác động lên trên một hạt liên quan với chất lỏng

Khi không có từ trường, một hạt từ quay tự do trong một mặt phẳng trượt với một vận tốc góc ω Khi áp một từ trường ngoài vào, hạt chịu tác dụng của mômen của lực làm thay đổi tốc độ quay của hạt Kết quả là ma sát của hạt và chất lỏng xuất hiện Nếu

Khi từ trường đặt vào, các hạt có xu hướng định hướng theo từ trường và gradient của vận tốc trong phần chất lỏng ở xung quanh các hạt và do đó độ nhớt tổng cộng sẽ tăng lên Khi các xoáy của chất lỏng song song với từ trường, các hạt có thể quay một cách tự do và từ trường không ảnh hưởng lên độ nhớt Ngược lại, nếu từ trường và các xoáy vuông góc nhau, độ nhớt của chất lỏng từ sẽ lớn hơn rất nhiều

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

Tác động có hướng của từ trường bị chậm đi bởi cả hai yếu tố lực thủy động lực học và chuyển động nhiệt (~ kT) Vì để một chất keo ổn định, tác động bất định hướng chủ yếu lên mômen từ của hạt là chuyển động quay Brown

2.3 TƯƠNG TÁC TRONG CHẤT LỎNG TỪ

2.3.1.Tương tác giữa những hạt từ - sự hình thành chuỗi [9, 25]

Hạt từ đơn đômen của chất lỏng từ tác dụng với những hạt khác thông qua tương

biểu thức sau:

= ⎢⎣ ⎡ − 5 ⎥⎦ ⎤

2 1 3

2 1 0 dip

r

r) r)(m (m 3 r

m m 4π

μ

Trong đó:

r : Vectơ nối hai mômen từ

xúc và có hướng song song với vectơ r

của hệ là:

(2.8)

12

VMμE

2 p 0 dip =−

So sánh năng lượng nhiệt và năng lượng tương tác lưỡng cực cho một hạt,

sao cho chuyển động nhiệt có thể chống lại sự kết tụ do tương tác lưỡng cực Kích thước tới hạn của các hạt xác định bằng cách này đảm bảo các hạt có thể đẩy nhau ra

xa một khoảng cách ngắn khi không có tác dụng của từ trường Trong mọi trường hợp các hạt thường có khả năng kết tụ thành các chuỗi ngắn Khi có từ trường đặt vào, các mômen từ có xu hướng quay theo từ trường, các hạt kết tụ nối tiếp nhau tạo thành một chuỗi dài và hướng dọc theo phương từ trường Khi từ trường cao hơn, chuỗi dài hơn

Sự hình thành chuỗi trong từ trường là thuận nghịch, chuỗi bị đứt khi từ trường trở về không [19]

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

2.3.2 Tương tác giữa các thành phần của chất lỏng từ [16, 25]

Để đảm bảo sự ổn định của chất lỏng từ, năng lượng chuyển động nhiệt trong chất lỏng từ phải lớn hơn lực hấp dẫn giữa các hạt Trong suốt chuyển động nhiệt, từ trường

tác dụng với hạt từ và truyền năng lượng cho hạt từ, hạt từ tương tác với phân tử của

chất lỏng mang, truyền năng lượng cho chất lỏng mang và ngược lại Năng lượng

độ tuyệt đối)

Toàn bộ hệ chất keo thể hiện sự đồng nhất liên tục hưởng ứng với từ trường ngoài

Sự ổn định của chất lỏng từ phụ thuộc vào sự tương tác của các hạt từ Nếu thế năng tương tác này nhỏ hơn KT, hạt từ không thể kết tụ lại và chất lỏng từ sẽ ổn định

Lực hấp dẫn giữa những hạt từ xấp xỉ bằng lực từ giữa các phân tử Khi các hạt từ tiếp xúc nhau, điện tích được cảm ứng vào trong chúng mà phát sinh lực hấp dẫn (lực

24s

26

lực Vander Waals giảm một cách đáng kể khi hạt từ ở một khoảng cách nhất định

trong khi lực tương tác từ giữa các hạt từ giảm chậm hơn rất nhiều Lực từ có một

khoảng cách tác dụng lớn hơn cho cả trường hợp có mặt và không có mặt của từ

trường ngoài Năng lượng tương tác từ phụ thuộc mạnh mẽ vào kích thước hạt từ Điều

này có ảnh hưởng đáng kể tới sự ổn định của hệ keo từ

Khi hạt từ được phủ một lớp của chất kích hoạt bề mặt có chuỗi phân tử dài tạo sức căng bề mặt, lực đẩy Steric xuất hiện để cắt chuỗi phân tử dài đó làm cho các phân

tử của chất kích hoạt bề mặt bị biến dạng Áp suất thẩm thấu ở lớp vỏ cũng tăng lên có

tác dụng ngăn hạt từ kết tụ lại với nhau Để cắt chuỗi phân tử dài trên, lực đẩy Steric phải có năng lượng và năng lượng này được cho bởi biểu thức sau:

với x < 2 δ

khi x > 2 δ

0

)2

x2δ2

3d()2

xπΓKT(δ3

2PV

s

=

++

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

CHƯƠNG 3 : NGUYÊN LÝ CHỤP ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ MRI VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANÔ ÔXIT SẮT TỪ TRONG Y SINH HỌC

Chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) là một kỹ thuật chụp ảnh y khoa chủ yếu được dùng để xem cấu trúc và chức năng của cơ thể Chúng cung cấp ảnh chi tiết hai chiều hoặc ba chiều của cơ thể ở bất kỳ mặt phẳng nào MRI có độ tương phản mô mềm nhiều hơn do vậy làm cho chúng đặc biệt hữu dụng trong ngành thần kinh, tim mạch

và ảnh ung thư Không giống như CT nó không dùng bức xạ ion hóa nhưng dùng từ trường mạnh để sắp xếp độ từ hóa hạt nhân của các nguyên tử hydrogen của nước trong cơ thể Trường RF được dùng để thay đổi có hệ thống sự sắp xếp của độ từ hóa này làm cho hạt nhân hydrogen sản sinh ra một từ trường xoay mà có thể phát hiện ra bởi máy quét Tín hiệu này có thể được điều khiển bằng từ trường thêm vào để tạo nên thông tin đầy đủ và có thể xây dựng được hình ảnh của cơ thể

Như vậy ảnh cộng hưởng từ được phát triển từ kiến thức nghiên cứu về cộng hưởng

từ hạt nhân Trong đó những hạt nhân hydrogen đóng vai trò chính trong MRI

Những năm gần đây kỹ thuật này được xem như là ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (NMRI) Tuy nhiên cụm từ “Hạt Nhân” làm cho con người liên hệ tới bức xạ ion hóa

do đó được gọi đơn giản là MRI

ωL = γ.B0 (3.2)

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

trong đó

tuyến (tần số RF: 10kHz-100GHz)

1

tuế sai Larmor sẽ tương ứng với tần số sóng vô tuyến và có giá trị là 42,57 MHz

Hình 3.1 : Giản đồ của hạt nhân hydrogen trước và sau khi đặt từ trường B 0 Ở trên : hạt nhân định hướng ngẫu nhiên trước khi có từ trường B 0 Sau khi đặt vào từ trường B 0 , chúng sẽ tiến động theo B tại tần số Larmor, ω 0 L Ở dưới : những spin yếu chiếm giữ trạng thái năng lượng thấp và gây nên một vector từ

độ M

Với spin ½ các hạt nhân hydrogen chỉ có hai hướng là cho phép lượng tử Hai hướng này tương ứng với các mức năng lượng của hạt nhân Một hạt nhân có thể chuyển trạng thái năng lượng, nhưng để di chuyển lên mức năng lượng cao hơn cần cung cấp một năng lượng phát xạ điện từ Phát xạ điện từ nằm trong dải RF (tần số

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

Ở mức độ khối những spin hạt nhân proton được phân bố giữa hai trạng thái theo phân bố Boltzmann, cái mà phụ thuộc vào nhiệt độ và các mức năng lượng khác nhau giữa các trạng thái này Đối với hydrogen, hai mức năng lượng này là spin ‘up’ và spin

‘down’ Phân bố Boltzmann cho thấy nhiều spin yếu chiếm chỗ mức năng lượng thấp

dẫn tới một vector mạng lưới từ độ, M , đó là tổng của tất cả các spin, xung RF được

B 1 làm cho spin lệch khỏi trục z và sinh ra các thành phần x,y (Hình 3.2) Theo qui

phát sinh ra một trường RF thay đổi có thể nhận thấy được

nhân trở về trạng thái ban đầu của chúng đồng thời tương tác với môi trường xung quanh Qúa trình này được gọi là qúa trình hồi phục Khi những spin sắp xếp lại theo

B O thì một dòng điện được sinh ra từ sự xoay này

Hình 3.2 : Giản đồ mô tả đặc tính của vector từ độ M khi đặt trong xung RF

quanh B 0 trên mặt phẳng xy

Sự hồi phục được mô tả bằng hai phần : hồi phục spin-mạng và hồi phục spin-spin Trong hồi phục spin-mạng thành phần z của M trở lại cân bằng được mô tả bởi một

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

Hình 3.3 Quá trình hồi phục ngang và dọc của spin hạt nhân

bởi sự chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử trong môi trường xung quanh Những phân tử này khi chuyển động sẽ có mômen từ và sự di chuyển của những mômen này gây ra một tiếng ồn từ trường chứa đựng một dãi rộng bao gồm cả tần số Larmor Tiếng ồn từ trường ở tần số Larmor sẽ kích thích chuyển xuống trạng thái năng lượng thấp hơn

1 T t 0 z

z( t ) M ( t ) e

Trong đó:

nhân và các dao động mạng Cơ chế hồi phục này còn gọi là sự hồi phục dọc vì nó làm

I >1/2 thường khá ngắn (khoảng vài miligiây)

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

ngẫu nhiên của các phân tử cộng hưởng ở tần số tương tự Sự thăng giáng trong những spin proton riêng làm mất sự gắn kết phase trong mặt phẳng xy mà không mất mạng năng lượng của hệ thống Sự phục hồi spin-spin bị tác động thêm bởi sự lệch phase gia

hoặc giữa mômen từ hạt nhân và mômen từ của các lớp vỏ điện tử Sự hồi phục ngang xác định sự lệch pha giữa các spin đã được kết hợp khi có xung trước đó Vì sự lệch pha trong spin không gây ra bất kì biến đổi nào ở mật độ trạng thái nên không làm thay

2

T t 0 xy

xy( t ) M ( t ) e M

−

Trong đó:

Quá trình tiến động của spin trở về trục z xảy ra chậm theo quỹ đạo xoắn ốc cho

Trong quá trình chụp ảnh cộng hưởng từ MRI, để tạo được một ảnh của những mẫu

dị thể, thông tin không gian được giải mả bằng tín hiệu dùng gradient từ trường biến thiên theo thời gian để thay đổi cường độ từ trường và cho phép đưa ra sơ đồ của những điểm không gian Chuyển đổi toán học được sử dụng để tạo ra ảnh từ những dữ liệu mã hóa không gian này

độ proton trong mẫu Dùng chuỗi xung RF khác nhau, ta có được mật độ ảnh tương

Sự tương phản vốn có có thể được cải thiện bằng cách dùng các tác nhân tương

hóa mật độ r 1 và r 2

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

Hình 3.4.Ảnh MRI của não:(a)ảnh theo T1, (B)ảnh thông thường, (c)ảnh theo T2

MRI có thể phân biệt giữa các phần khác nhau của mẫu dựa trên sự khác nhau của

T 1 , T 2 và mật độ nước Tuy nhiên, khi độ tương phản bên trong thấp, các tác nhân

tương phản sẽ cải thiện chất lượng ảnh Trong những ảnh MRI nhận được từ sự thay

những vùng liên hệ với tâm siêu thuận từ (chẳng hạn các hạt oxide sắt) sẽ làm giảm

bởi các hạt siêu thuận từ phát sinh do sự không đồng nhất của từ trường cục bộ liên quan đến môment từ lớn của những hạt này

Việc sử dụng các hạt sắt siêu thuận từ có thể giúp phân biệt nhiều cấu trúc bên trong khác nhau (các khối u, phù) và có thể phát hiện sớm trạng thái phát triển của các

u dùng các hạt oxide sắt để phát hiện ung thư trong các đốt bạch huyết cũng rất thành công

Các hạt oxide sắt từ cũng hứa hẹn trong việc chẩn đoán ung thư gan Người ta ước tính rằng 25% bệnh nhân bị di căn gan sẽ được điều trị kịp thời nếu phát hiện sớm bằng ảnh

Những hạt nano oxide sắt từ cũng giúp chẩn đoán nhiều loại bệnh ung thư khác, trong đó những hạt nano từ bọc dextran rất hữu dụng để phát hiện và mô tả rất nhiều loại khối u ác tính

3.1.2 Cấu tạo và hoạt động của máy chụp ảnh cộng hưởng từ MRI

Từ khi ra đời, kỹ thuật chụp cộng hưởng từ được xem là một phát minh tối quan trọng trong lĩnh vực chẩn đoán và điều trị bệnh Nó giúp ghi lại hình ảnh của tất cả các

bộ phận cơ thể, đặc biệt là não bộ và tủy sống Về cơ bản, kỹ thuật này đã biến các nguyên tử hydro trong mô cơ thể thành những bộ máy truyền sóng radio siêu việt Chúng hiện diện ở mọi ngóc ngách trong cơ thể, do nguyên tử hydro có trong vô số

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

phân tử nước ở khắp các nội tạng Bằng việc truy tìm vị trí của các nguyên tử hydro, máy chụp MRI có thể ghi lại hình ảnh của tất cả các cơ quan

Thiết kế cơ bản của một máy MRI tất cả nằm trong một khối hình lập phương lớn

Hệ thống lập phương điển hình là 7 feet cao, 7 feed rộng và 10 feed dài (2m x 2m x 3m) Hiện tại có nhiều mẫu mới nhỏ gọn hơn Máy có một ống ngang chạy dọc theo

từ trường từ đầu tới cuối, ống này được hiểu như là ống nòng của nam châm Bệnh nhân, nằm ngửa, được đưa vào nòng trên một bàn đặc biệt

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

Bệnh nhân hoặc được đưa đầu vào trước hay chân vào trước, cũng như đưa vào bao xa trong từ trường sẽ được xác lập bởi hình thức thực hiện kiểm tra Máy quét MRI có nhiều kích cỡ và hình dáng Những kiểu mới hơn có độ mở tứ phía, nhưng về thiết kế cơ bản thì tương tự Phần cơ thể con người cần scan sẽ ở tâm hoặc đẳng tâm của từ trường mà ở đó việc scan có thể tiến hành

Hình 3.7 Thiết kế cơ bản của một máy MRI

Các thành phần chính trong máy MRI

Nam châm:

Bộ phận quan trọng nhất và lớn nhất trong hệ thống MRI là “nam châm” Nam

châm trong hệ thống MRI được đánh giá bằng đơn vị đo lường là Tesla Một đơn vị

khác thường dùng với nam châm là Gauss (1 tesla = 10,000 Gauss) Nam châm được dùng trong MRI ngày nay khoảng từ 0.5 đến 2 tesla, hay từ 5000 đến 20000 gauss Từ trường lớn hơn 2 tesla không được dùng để chụp ảnh y khoa Với từ trường mạnh-trên

60 tesla- thường được dùng trong nghiên cứu So sánh với từ trường trái đất 0.5 gauss, bạn khó tưởng tượng đến độ lớn không nghờ của từ trường này

Có 3 loại nam châm được dùng trong hệ thống MRI :

ống trụ hoặc một cái nòng và dòng điện được chạy qua và phát sinh ra một từ trường Nếu ngắt dòng điện thì từ trường cũng mất Những nam châm này có giá thấp hơn để chế tạo máy so với nam châm siêu dẫn nhưng đòi hỏi một lượng lớn điện năng để vận hành (trên 50 kW) do bởi dây kim loại có điện trở tự nhiên Để tạo ra 3 tesla đối với loại nam châm này thì sẽ vô cùng đắt

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

không đổi do đó chúng không tốn chi phí để giữ lại từ trường Trở ngại lớn nhất của nam châm này là rất nặng Khối lượng rất nhiều nhiều tấn ở mức 0.4 tesla Một từ trường mạnh sẽ đòi hỏi nam châm rất nặng và do đó rất khó khăn trong thiết kế

Nam châm vĩnh cửu ngày càng nhỏ hơn nhưng vẫn bị giới hạn do bởi cường độ từ trường yếu

như một nam châm điện trở, chúng có những cuộn dây hay vòng dây kim loại mà ở đó dòng điện chạy qua và tạo ra từ trường Điều khác biệt quan trọng là dây kim loại được

nhưng chúng dễ dàng tạo ra từ trường từ 0.5 đến 2 tesla, cho phép tạo ra những ảnh chất lượng hơn

Hệ thống tần số radio (RF)

Hệ thống chuyển đổi tần số sóng radio bao gồm một dụng cụ RF, một máy khuếch đại năng lượng và một cuộn chuyển đổi Những chi tiết này được xây dựng bên trong thân của máy quét Năng lượng của máy chuyển đổi là biến thiên Nhưng những máy quét high-end có một đỉnh xuất ra một năng lượng trên 35 kW và có khả năng duy trì ở năng lượng trung bình là 1kW Máy thu bao gồm một cuộn dây, một máy tiền khuếch đại và một hệ thống xử lý tín hiệu Trong khi nó có thể quét dùng chung cuộn dây cho việc chuyển đổi và thu nhận, nếu một miền nhỏ được chụp ảnh thì chất lượng ảnh tốt hơn đạt được bằng cách dùng một cuộn dây vừa khít nhỏ hơn Những cuộn dây khác nhau có thể lắp xung quanh những phần của cơ thể ví dụ như đầu, đầu gối, cổ tay hoặc

ở bên trong như trực tràng

Những phát triển gần đây trong kỹ thuật MRI đã phát triển những cuộn dây chuỗi phase nhiều thành phần và rất tinh vi có khả năng ghi nhận nhiều kênh dữ liệu song song Kỹ thuật ảnh song song này sữ dụng sự phối hợp ghi nhận đồng nhất cho phép

có ảnh được mau hơn bằng cách thay thế những mã hóa không gian khởi đầu từ những gradient từ trường với sự nhạy cảm không gian từ những cuộn dây khác nhau Tuy nhiên gia tăng sự gia tốc chỉ làm giảm tỉ lệ tín hiệu-đến-độ ồn và có thể tạo ra tạo ra các phần dư trong việc tái tạo lại ảnh

Các cuộn dây Gradient từ trường

Gradient từ trường được tạo bởi ba cuộn dây gây ra những gradient trực giao trên những trục x, y và z của máy quét Chúng thường cưỡng lại năng lượng điện từ gây ra bởi những máy khuếch đại tinh vi mà cho phép sự hiệu chỉnh chính xác và nhanh chóng đến cường độ trường và chiều của chúng, những hệ thống gradient loại này có

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

khả năng cung cấp gradient từ 20 mT/m đến 100 mT/m (tức là trong một nam châm 1.5 T, khi một gradient trục z cực đại được cung cấp thì cường độ từ trường sẽ là 1.45

T tại điểm cuối của nòng một met dài và 1.55 T tại đầu kia) những gradient từ trường được xác định bằng mặt phẳng chụp ảnh bởi vì những gradient trực giao có thể được kết hợp tự do với nhau, bất kỳ mặt phẳng nào được chọn để chụp ảnh

Tốc độ quét phụ thuộc vào sự thành lập của hệ thống gradient Những gradient mạnh hơn cho phép chụp ảnh nhanh hơn và độ phân giải cao hơn, tương tự, những hệ thống gradient có thể đóng tắt nhanh hơn sẽ cho phép quét nhanh hơn Tuy nhiên, sự thành lập gradient bị giới hạn bởi sự an toàn liên quan đến kích thích thần kinh

3.2.1.Tăng tính tương phản cho ảnh cộng hưởng từ

Để tăng cường độ tương phản của ảnh chụp MRI, người ta tạo ra sự khác biệt của

một hạt nhân

Tác nhân tương phản thuận từ phổ biến hiện nay chứa ion gel Gd có thể cung cấp một mômen từ vừa đủ để tạo nên hình ảnh rõ ràng hơn sau khi tiêm tĩnh mạch Vật liệu thuận từ là vật liệu được sử dụng làm chất tương phản rộng rãi hiện nay vì nó có khả

từ trường ngoài và có độ từ cảm (+) nhưng độ từ cảm tương đối yếu Các chất thuận từ phổ biến là: Gd_BOPTA, Gd_EOB_DTPA, MnDPDP, được các tế bào lành hấp thu vào và làm cho tín hiệu của những mô này thay đổi, trở nên sáng hơn so với mô bệnh, giúp tăng độ tương phản cho ảnh Tuy nhiên, khi quét trên những mô nhỏ hay những tế bào ung thư rắn đặc biệt trên cơ thể thì MRI cũng như chất tương phản thuận từ vấp phải một sự hạn chế vì khả năng định vị mục tiêu chữa trị khá kém

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

Vật liệu sắt từ cũng là một loại vật liệu được sử dụng làm chất tăng cường độ tương

chúng lại có khả năng tạo ra độ từ dư ngay cả sau khi ngưng tác dụng của từ trường ngoài

Lớp vật liệu từ thứ 3 được sử dụng làm chất tương phản được gọi là chất siêu thuận

vật liệu siêu thuận từ không duy trì độ từ hoá dư sau khi ngắt từ trường ngoài nhưng có

độ từ cảm lớn gần bằng vật liệu sắt từ và lớn hơn nhiều so với vật liệu thuận từ

Nhiều nhà nghiên cứu đã tập trung phát triển chất tương phản mới để tăng cường độ tương phản cho ảnh chụp MRI bằng những hạt siêu thuận từ kích thước nanô Sự có mặt của các hạt nano từ tính ảnh hưởng lên tần số cộng hưởng và sự phục hồi spin trong môi trường xung quanh các hạt nano từ tính Có thể hiểu một cách đơn giản, các hạt nano này giống như các nam châm cực nhỏ, tạo ra một từ trường phụ tác động trực tiếp lên môi trường xung quanh làm thay đổi tính chất cộng hưởng từ Vật liệu này có khả năng làm thay đổi thời gian hồi phục của proton và tăng cường độ tin cậy cho chẩn đoán MRI Chất tương phản mới còn được gọi là SPIO (hạt siêu thuận từ) hay SPION (hạt nanô siêu thuận từ) Chất tương phản siêu thuận từ SPIO hay SPION có đặc tính

là không có độ từ hoá dư sau khi ngắt từ trường ngoài và có độ từ cảm lớn Những hạt SPION có ảnh hưởng rất lớn vì chúng có thể truyền đi trên một khoảng cách rất xa và

có khả năng tăng cường đáng kể ảnh cộng hưởng ở những cơ quan chuyên biệt nhờ vào những mômen từ cực lớn của chúng Những phân tử nước chứa trong mô hay bao phủ bên ngoài đóng vai trò như là một máy khuyếch đại hay thăm dò tín hiệu Những nghiên cứu cũng chứng minh rằng SPION tương tác thuốc trong cơ thể tương đối giống với những chất tương phản khác

Các hạt nanô siêu thuận từ SPION tạo thành từ ôxit sắt thường được sử dụng như tác nhân làm tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ ứng dụng trong y – sinh học

vì ôxit sắt rất thân thiện với thế giới sinh học, trong đó có con người, ít gây độc hại khi hoạt động trong cơ thể, tự phân hủy qua đường gan Mặt khác, độ từ hóa bão hòa của chúng lớn nên dễ điều khiển bằng từ trường ngoài

Hạt nano ôxit sắt có tính siêu thuận từ gây ra sự lệch pha có thể do sự bất đồng nhất

2

B Δ γ T

1 T

1

2

* 2

+

=

(3.5)

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

hơn của các spin, cường độ tín hiệu bị suy giảm nên SPIO được gọi là chất tương phản

âm (tín hiệu thu được là tối)

Nguyên nhân gây ra T 2 *: Do các spin tiến động không cùng pha, nên sau một thời gian độ từ hóa ngang sẽ bằng 0 (các spin không còn kết hợp) nên tín hiệu bị suy giảm SPIO góp phần làm cho các pha giữa các spin khác biệt nhiều hơn, các spin bị mất pha nhanh hơn, gây ra độ tương phản rõ hơn, là vì SPIO đã tồn tại từ trường riêng xung quanh nó Khi đặt trong một từ trường ngoài, các mômen từ của spin prôtôn sắp xếp theo hướng của từ trường ngoài Vì mômen từ của SPIO không tiến động cùng tần số với mômen từ của prôtôn nước trong mô tế bào (tần số Larmor), gây ra sự tiến động không đồng nhất với từ trường, các spin bị lệch pha nhanh hơn (không còn kết hợp),

cường độ tín hiệu của những mô này suy giảm Còn các tế bào bệnh thì không hấp thu hạt, do đó cường độ tín hiệu vẫn không đổi Nhờ gia tăng sự khác biệt giữa tế bào lành

và tế bào bệnh mà SPION được xem là chất tăng tính tương phản cho ảnh cộng hưởng

từ

Dựa trên đặc tính của từng mô trên cơ thể, tùy loại mô mà độ hấp thụ hạt nanô mạnh hay yếu Ví dụ, hạt nanô có kích thước 30nm được bao phủ Dextran có thể nhanh chóng đi vào gan và lách trong khi các cơ quan khác thì chậm hơn Như vậy, mật độ hạt nanô ở các cơ quan khác nhau là khác nhau, dẫn đến sự nhiễu loạn từ trường địa phương cũng khác nhau, sẽ làm tăng độ tương phản của ảnh cộng hưởng từ

do thời gian hồi phục thay đổi khi đi từ mô này sang mô khác Phương pháp thông thường để tổng hợp chất tăng cường tương phản siêu thuận từ là đồng kết tủa dung dịch các muối sắt có sự hiện diện của chất phủ polyme, trong đó Sodium Oleate và Dextran là thông dụng nhất

Rõ ràng, chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) không chỉ là một kỹ thuật chụp ảnh y khoa được sử dụng một cách rộng rãi để thu được những hình ảnh 3 chiều chất lượng cao của những nội quan trong cơ thể con người trong quá trình chẩn đoán lâm sàng MRI còn có khả năng cung cấp những hình ảnh có độ nét về chi tiết giải phẫu và nội mô, tạo

sự thuận lợi trong quá trình định vị và xác định những mô bệnh trong cơ thể MRI rất hữu dụng để phát hiện và dò tìm mô ác tính khi có được sự hỗ trợ của tác nhân tương phản

Khả năng nhận biết tế bào ung thư chuyên biệt thông qua ảnh chụp cộng hưởng từ với chất tương phản được tiến hành bằng cách gắn kết một số loại kháng nguyên phù

phủ bên ngoài bởi chất có hoạt tính sinh học, mà các kháng nguyên này có thể tạo liên

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

kết với một vị trí đặc biệt trên bề mặt tế bào gây ung thư Vị trí liên kết đặc biệt trên bề mặt tế bào sẽ được các kháng thể tìm thấy Đây là một phương pháp mới đang được chú trọng như là một liệu pháp chẩn đoán chính xác bệnh ung thư thậm chí ngay từ giai đoạn ủ bệnh

3.2.2 Phân tách và chọn lọc tế bào

Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tách một loại thực thể sinh học nào

đó ra khỏi môi trường của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho các mục đích khác Phân tách tế bào sử dụng các hạt nano từ tính là một trong những phương pháp thường được sử dụng Quá trình phân tách được chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thực thế sinh học cần nghiên cứu; và tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường

Việc đánh dấu được thực hiện thông qua các hạt nano từ tính Hạt nano thường dùng là hạt oxit sắt Các hạt này được bao phủ bởi một loại hóa chất có tính tương hợp sinh học như là dextran, polyvinyl alcohol (PVA), Hóa chất bao phủ không những có thể tạo liên kết với một vị trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà còn giúp cho các hạt nano phân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ Giống như trong hệ miễn dịch, vị trí liên kết đặc biệt trên bề mặt tế bào sẽ được các kháng thể hoặc các phân tử khác như các hoóc-môn, axít folic tìm thấy Các kháng thể sẽ liên kết với các kháng nguyên Đây là cách rất hiệu quả và chính xác để đánh dấu tế bào Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa tương tự các phân tử trong hệ miễn dịch đã có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi, vi khuẩn, tế bào ung thư đường tiết niệu và thể golgi Đối với các tế bào lớn, kích thước của các hạt từ tính đôi lúc cũng cần phải lớn, có thể đạt kích thước vài trăm nm

Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài Từ trường ngoài tạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu Các tế bào không được đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản nhất được trình bày như Hình 3.8

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

Hạt nano

từ

Tế bào được đánh dấu

3.2.3 Dẫn truyền thuốc

Một trong những nhược điểm quan trọng nhất của hóa trị liệu đó là tính không đặc hiệu Khi vào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố không tập trung nên các tế bào mạnh khỏe bị ảnh hưởng do tác dụng phụ của thuốc Chính vì thế việc dùng các hạt từ tính như là hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể (thông thường dùng điều trị các khối u ung thư) đã được nghiên cứu từ những năm 1970, những ứng dụng này được gọi là dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính Có hai lợi ích cơ bản là: thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể nên làm giảm tác dụng phụ của thuốc, và giảm lượng thuốc điều trị

Hạt nano từ tính có tính tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị Lúc này hạt nano có tác dụng như một hạt mang Thông thường hệ thuốc/hạt tạo ra một chất lỏng từ và đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn Khi các hạt đi vào mạch máu, người ta dùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể Một khi hệ thuốc/hạt được tập trung tại vị trí cần thiết thì quá trình

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

nhả thuốc có thể diễn ra thông qua cơ chế hoạt động của các enzym hoặc các tính chất sinh lý học do các tế bào ung thư gây ra như độ pH, quá trình khuyếch tán hoặc sự thay đổi của nhiệt độ

Quá trình vật lý diễn ra trong việc dẫn truyền thuốc cũng tương tự như trong phân tách tế bào Gradient từ trường có tác dụng tập trung hệ thuốc/hạt Hiệu quả của việc dẫn truyền thuốc phụ thuộc vào cường độ từ trường, gradient từ trường, thể tích và tính chất từ của hạt nano

Các chất mang (chất lỏng từ) thường đi vào các tĩnh mạnh hoặc động mạch nên các thông số thủy lực như thông lượng máu, nồng độ chất lỏng từ, thời gian tuần hoàn đóng vai trò quan trọng như các thống số sinh lý học như khoảng cách từ vị trí của thuốc đến nguồn từ trường, mức độ liên kết thuốc/hạt, và thể tích của khối u Các hạt

động hiệu quả hơn trong hệ thống tuần hoàn đặc biệt là ở các mạch máu lớn và các động mạch

Tuy nhiên, khi các hạt nano chuyển động ở gần thành mạch máu thì chuyển động của chúng không tuân theo định luật Stoke nên với một gradient từ trường nhỏ hơn quá trình dẫn thuốc vẫn có tác dụng