Luận án nghiên cứu chế tạo và tính chất của cấu trúc lai ferit từ kim loại (ag, au) kích thước nano định hướng ứng dụng trong y sinh

Ở Việt Nam, theo hiểu biết của chúng tôi, các công bố về phương pháp chế tạo hệ vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý Ag, Au, tích hợp tính chất từ và quang để ứng dụng trong y sinh

MỞ ĐẦU

Những năm gần đây, công nghệ và vật liệu nano ra đời đã tạo nên bước nhảy đột phá trong nhiều lĩnh vực như: điện tử, xúc tác, môi trường và đặc biệt là y sinh [1–3] Các ứng dụng này dựa trên tính chất độc đáo của vật liệu có kích thước nano liên quan đến hiệu ứng bề mặt Trong lĩnh vực y sinh, nhu cầu đối với các giải pháp công nghệ cũng như các vật liệu kích thước nano sử dụng trong chẩn đoán và điều trị bệnh đang trở nên cấp thiết Một trong những loại vật liệu mang lại nhiều tiềm năng cho hướng ứng dụng này là vật liệu nano lai, trong đó phải kể đến cấu trúc lai

từ - quang [4]

Các nghiên cứu gần đây cho thấy sự kết hợp của tính chất từ và tính chất quang trên một cấu trúc nano đã cải thiện ứng dụng của hạt nano (nanoparticles - NPs) đơn lẻ và mở ra những hướng mới trong lĩnh vực y sinh Ưu điểm của cấu trúc lai từ - quang trong lĩnh vực này là chỉ một lần kích hoạt bởi những kích thích vật lý phù hợp đã đạt được mục tiêu mong muốn, do đó giảm thiểu tác dụng phụ của chúng đối với cơ thể Hơn nữa, một số chức năng có thể hoạt động phối hợp để nâng cao hiệu quả trong các phương thức trị liệu [5] Chẳng hạn, cấu trúc lõi - vỏ của nano từ và nano kim loại quý (Ag, Au) được ứng dụng trong kháng khuẩn [6], chẩn đoán hình ảnh [7], từ - nhiệt trị [8], quang - nhiệt trị [9] và kết hợp quang/từ - nhiệt trị [10, 11] Một hạt nano kim loại quý cũng có thể phát triển trên một hạt nano từ tạo nên cấu trúc dumbbell để đạt được các thuộc tính giao thoa thú vị Thuộc tính này có được là do ảnh hưởng của hiệu ứng chuyển điện tử qua giao diện của hạt nano từ và nano kim loại quý (như các hệ Fe3O4-Ag hoặc Fe3O4-Au) dẫn đến sự hình thành bề mặt dị hướng cao [12]

Hiện nay, một số hệ lai từ - quang được nghiên cứu nhằm mục đích ứng dụng trong y sinh, điển hình là hệ nano lai Fe3O4/Au [13, 14] Các nghiên cứu ứng dụng vật liệu Fe3O4/Au trong chẩn đoán hình ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (magnetic resonance imaging - MRI) và điều trị ung thư bằng nhiệt trị (quang/từ - nhiệt) đã thu được một số kết quả đáng chú ý [15] Tuy nhiên, các hạt nano lai (hybrid nanoparticles - HNPs) Fe3O4/Au cấu trúc lõi - vỏ với lớp Au đặc phủ trên bề mặt lõi

Fe3O4 đã hạn chế đáng kể sự kết nối của các proton với thành phần từ, dẫn đến giảm

tín hiệu tương phản ảnh MRI có trọng số T2 Ngoài ra, Fe3O4/Au với kích thước nhỏ (dưới 20 nm) chỉ hấp thụ các bức xạ trong vùng 530 ÷ 600 nm [16] nên hạn chế sự thâm nhập sâu vào các lớp mô, làm giảm hiệu suất gia nhiệt trong phương pháp quang - nhiệt trị Để tăng hiệu quả nhiệt trị, vật liệu cần hấp thụ mạnh bức xạ trong vùng hồng ngoại gần 650 ÷ 950 nm (near infrared - NIR), vì ánh sáng NIR có khả năng xuyên sâu vào các lớp mô, còn gọi là “cửa sổ sinh học” [17] Để đáp ứng điều này, gần đây các nhà khoa học đã nghiên cứu chế tạo một số hệ nano lai Fe3O4/Au

có cấu trúc rỗng Cho đến nay các hệ lai Fe3O4/Au rỗng chế tạo được có kích thước hạt lớn (40 ÷ 100 nm) [17, 18] nên ảnh hưởng đến sự lưu thông trong máu Do đó, việc chế tạo các hạt nano lai Fe3O4/Au rỗng có kích thước hạt nhỏ (dưới 20 nm) và tích hợp cả tính chất từ và quang trong vùng NIR vẫn là một thách thức lớn hiện nay

Ở Việt Nam, theo hiểu biết của chúng tôi, các công bố về phương pháp chế tạo hệ vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý (Ag, Au), tích hợp tính chất từ và quang để ứng dụng trong y sinh còn rất hạn chế Các kết quả nghiên cứu ứng dụng

hệ nano lai Fe3O4-(Ag, Au) làm chất tương phản trong chụp ảnh MRI theo cả hai chế độ trọng T1 và trọng T2, đồng thời làm chất gia nhiệt (quang/từ - nhiệt) trong điều trị ung thư, vẫn chưa được công bố Bởi những lý do trên chúng tôi tiến hành

thực hiện đề tài luận án “Nghiên cứu chế tạo và tính chất của cấu trúc lai ferit từ - kim loại (Ag, Au) kích thước nano định hướng ứng dụng trong y sinh”

Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

Chế tạo cấu trúc lai ferit từ - kim loại (Ag, Au) kích thước nano với đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt nằm trong vùng hồng ngoại gần, có khả năng chuyển đổi quang/từ - nhiệt cao, khả năng tương phản ảnh MRI theo cả hai chế độ chụp trọng T1

và T2 và có khả năng diệt khuẩn mạnh định hướng ứng dụng trong y sinh

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:

Nghiên cứu này mở đường cho việc thiết kế các hệ vật liệu nano lai đa chức năng vừa chẩn đoán, vừa điều trị bệnh hiệu quả nhằm giảm thiểu thiệt hại cho các

mô lành trong quá trình điều trị

Bố cục của luận án:

Luận án có 120 trang (chưa bao gồm tài liệu tham khảo), gồm các nội dung:

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan về hệ vật liệu nano ferit từ - kim loại quý

Chương 2 Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu

Chương 3 Kết quả và thảo luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

VỀ HỆ VẬT LIỆU NANO FERIT TỪ - KIM LOẠI QUÝ

1.1 Giới thiệu chung về vật liệu nano ferit từ - kim loại quý

1.1.1 Tính chất từ của vật liệu ferit từ

Tính chất từ của các vật liệu khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc điện tử của

chúng Các mômen từ của nguyên tử được tạo ra bởi mômen từ của các điện tử

liên quan đến chuyển động nội tại của điện tử (chuyển động spin) và mômen từ

quỹ đạo do chuyển động của điện tử quanh hạt nhân nguyên tử gây ra Trong tự

nhiên, tất cả các vật liệu đều bị từ hóa ở một mức độ nào đó Tính chất từ của vật

liệu được xác định bởi cấu trúc điện tử của nguyên tử tạo nên vật liệu đó Ta có

thể phân loại các vật liệu từ theo độ cảm từ () hay hệ số từ hóa Độ cảm từ có thể

có giá trị từ 10-5 đối với vật liệu từ rất yếu (nghịch từ) đến 10+6 đối với vật liệu từ

rất mạnh (sắt từ) [19]:

Hình 1.1 Sơ đồ minh họa sự sắp xếp các mômen từ của các vật liệu khác nhau khi

không có và có từ trường bên ngoài (H) [20]

Vật liệu nghịch từ: là vật liệu được hình thành từ các nguyên tử không có

mômen từ spin hoặc mômen từ quỹ đạo Khi đặt vật liệu nghịch từ trong từ trường ngoài thì các mômen từ sinh ra trong vật liệu định hướng ngược với hướng của từ trường ngoài và có giá trị rất nhỏ (hình 1.1a) Độ cảm từ của vật liệu có giá trị âm

và có độ lớn khoảng 10-6 ÷ 10-5 (cgs g-1) Nguồn gốc của tính nghịch từ là chuyển động quỹ đạo của điện tử quanh hạt nhân do tác dụng của cảm ứng điện từ bởi từ trường ngoài Tất cả các vật liệu có lớp vỏ điện tử được lấp đầy là các vật liệu nghịch từ

Vật liệu thuận từ: là vật liệu được tạo thành từ các nguyên tử có một phần

lớp vỏ điện tử được lấp đầy Khi không có từ trường ngoài, trong vật liệu có mômen

từ nguyên tử, tuy nhiên chúng sắp xếp hỗn loạn do chuyển động nhiệt nên mômen

từ của toàn bộ vật liệu bằng không Khi có từ trường ngoài đặt vào mẫu, các monmet từ của mẫu sắp xếp theo hướng của từ trường ngoài (hình 1.1b) Vật liệu thuận từ có độ cảm từ dương 10-5

÷ 10-3 (cgs g-1)

Vật liệu sắt từ: là vật liệu mà mômen nguyên tử sắp xếp song song do năng

lượng tương tác giữa các spin là dương và có giá trị lớn, vì vậy tạo ra từ tính tự phát rất lớn ngay cả khi không có từ trường ngoài (hình 1.1c) Các vật liệu sắt từ thông thường nhất là các kim loại chuyển tiếp dãy 3d như Co, Fe, Ni và các hợp kim của chúng

Vật liệu phản sắt từ: cũng giống vật liệu sắt từ ở chỗ nó tạo thành từ các

nguyên tử có mômen từ với độ lớn bằng nhau Tuy nhiên, các mômen từ này định hướng ngược nhau (đối song) nên từ hóa tổng thể của vật liệu phản sắt từ gần bằng

0 khi không có mặt từ trường (hình1.1d) Các loại vật liệu phản sắt từ điển hình là: CoO, NiO, FeO

Vật liệu ferit từ: là vật liệu có các mômen từ không có độ mạnh như nhau và

chúng sắp xếp đối song (hình 1.1.e) Vật liệu ferit từ có từ tính tự phát, nhưng thấp hơn trong vật liệu sắt từ Các oxit của kim loại chuyển tiếp như Fe3O4 hoặc ferit như CoFe2O4 là ví dụ điển hình cho vật liệu ferit từ

Để giảm tối đa năng lượng khử từ, các vật liệu từ như sắt từ hoặc ferit từ có

xu hướng chia nhỏ thành các đômen Kích thước của đômen từ vài chục đến vài trăm nanomet và được xác định bởi hằng số dị hướng và tính chất từ của mỗi vật liệu Trong một đômen, các mômen từ có xu hướng định hướng theo một hướng

nhất định gọi là hướng dễ từ hóa Khi kích thước của hạt giảm xuống thấp hơn kích

thước của một đômen, hạt nano từ là các đơn đômen và trở thành vật liệu siêu thuận

từ ở nhiệt độ phòng Vật liệu siêu thuận từ cũng tương tự như vật liệu thuận từ, tức

là khi không có từ trường ngoài, mômen từ tổng thể của vật liệu sẽ bằng không Khi

đặt chúng trong từ trường ngoài mômen từ của các nguyên tử sẽ định hướng theo

hướng từ trường ngoài, tổng mômen từ của các hạt giống như một mômen từ

“khổng lồ” duy nhất [21] Tuy nhiên khác với vật liệu thuận từ, giá trị từ hóa của

vật liệu siêu thuận từ lớn hơn rất nhiều

1.1.2 Tính chất quang của vật liệu kim loại quý (Ag, Au)

* Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt:

Các kim loại quý (Ag, Au) có mật độ điện tử tự do lớn nên khi được kích

thích bởi điện trường của ánh sáng tới thì chúng dao động Thông thường các dao

động này bị dập tắt nhanh bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh

thể trong kim loại khi quãng đường tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích

thước vật liệu Nhưng khi kích thước của kim loại nhỏ hơn quãng đường tự do

trung bình thì hiện tượng dập tắt không còn nữa mà dao động sẽ lan truyền trên bề

mặt kim loại và điện tử sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích nếu tần số

của sóng ánh sáng tới trùng với tần số dao động riêng của hệ điện tử Do vậy, sự

dao động tập thể của các điện tử dẫn khi tương tác với sóng ánh sáng đã tạo ra một

hiệu ứng quang đặc biệt trong các cấu trúc nano kim loại quý Hiện tượng tất cả

các điện tử dẫn trên bề mặt kim loại được kích thích đồng thời tạo thành một dao

động đồng pha được gọi là hiện tượng “cộng hưởng plasmon bề mặt” [22] Dao

động của các điện tử này xung quanh bề mặt hạt gây ra sự phân tách điện tích, tạo

thành dao động lưỡng cực dọc theo hướng điện trường của ánh sáng (hình 1.2)

Cộng hưởng plasmon bề mặt gây ra sự hấp thụ mạnh ánh sáng tới và có thể đo

được bằng máy quang phổ hấp thụ UV - Vis

Hình 1.2 Sơ đồ minh họa hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt của các hạt nano

kim loại quý (LSP: plasmon bề mặt cục bộ) [23]

* Lý thuyết Mie:

Để giải thích tính chất quang của các hạt nano kim loại quý, Mie đã giải bài toán tán xạ của sóng điện từ trên một hạt cầu kim loại với giả thiết các hạt và môi trường xung quanh nó là đồng nhất Phương trình được mô tả bằng các hàm điện môi quang học trong tọa độ cầu với điều kiện biên thích hợp Điều kiện biên được xác định bởi tính gián đoạn rõ nét của mật độ điện tử tại bề mặt của hạt bán kính R Kích thước hạt, các hàm quang học của hạt và hàm điện môi của môi trường xung quanh được sử dụng như là các thông số đầu vào [24]

Khi đường kính của hạt cầu nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng (d << ), điện trường của ánh sáng có thể được coi là không đổi và tương tác bị chi phối bởi trường tĩnh điện hơn là điện động lực học Khi đó, plasmon của một hạt nano kim loại được xem là một dao động lưỡng cực có tần số plasmon phụ thuộc vào hằng số điện môi của chúng Do hằng số điện môi  của hạt kim loại và m của môi trường

xung quanh phụ thuộc vào bước sóng, nên trong trường hợp này người ta gọi là gần đúng giả tĩnh (quasi-static) Trong chế độ giả tĩnh, các dịch chuyển pha hay các hiệu ứng trễ của trường điện động là không đáng kể, trường điện từ trong hạt là đồng nhất Nếu d >> , trường điện từ trong hạt là không đồng nhất, sẽ có sự dịch pha dẫn tới kích thích dao động đa cực

Lý thuyết Mie đã tìm ra tiết diện dập tắt (ext), bao gồm tiết diện hấp thụ (abs) và tiết diện tán xạ (sct) của hạt như sau:

j=1

2

σ = (2j + 1) Re(a + b )x

Khi kích thước hạt nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng (d << ), thì dao động của điện tử được xem là dao động lưỡng cực và tiết diện dập tắt được viết dưới dạng đơn giản:

 

2 3/2

ε ωω

σ = 9 ε V

c ε (ω) + 2ε + ε ω  (1.5) Trong đó V = (4/3)R3 là thể tích hạt cầu, c là vận tốc ánh sáng,  là tần số góc của ánh sáng kích thích, m là hằng số điện môi của môi trường quanh hạt và

() = 1() + i1() là hàm điện môi của hạt Ở đây () được coi là không phụ thuộc vào tần số của ánh sáng tới, còn () là một hàm phức của năng lượng Hiện tượng cộng hưởng plasmon xảy ra khi 1() = -2m nếu 2 là nhỏ và phụ thuộc yếu vào  Điều này có nghĩa là tiết diện dập tắt của hạt lớn nhất khi ánh sáng truyền toàn bộ năng lượng của nó cho hạt để kích thích plasmon Có thể chia sự đóng góp vào hằng số điện môi thành hai phần: một là từ sự chuyển tiếp liên vùng inter() và hai là sự chuyển tiếp trong vùngintra() bao gồm hiệu ứng bề mặt:

(1.9) Với p là tần số plasmon khối,  là hệ số suy hao liên quan đến độ rộng phổ cộng hưởng plasmon

Từ lý thuyết Mie người ta có thể tính được tiết diện hấp thụ (abs) và tiết diện tán xạ (sct) của một hạt như sau:

Công thức (1.10) và (1.11) cho thấy tiết diện tán xạ của một hạt tỉ lệ với R 6

trong khi tiết diện hấp thụ tỉ lệ với R 3 Vì vậy khi kích thước hạt nhỏ thì hiệu suất tán xạ nhỏ hơn so với hiệu suất hấp thụ

Độ hấp thụ A của một mẫu gồm các hạt nano phân tán trong một môi trường

đồng nhất được cho bởi:

Hình 1.3 Phổ UV-Vis của nano Au với hình dạng và kích thước khác nhau [25]: a) Thanh nano Au, b) Hạt nano SiO 2 @Au cấu trúc lõi - vỏ và c) Hạt nano Au rỗng

1.1.3 Hệ vật liệu lai ferit từ - kim loại quý

Không giống như nanocompozit, thường được hình thành trên cơ sở đưa các yếu tố kích thước nano (chất độn) vào trong một chất rắn dạng ma trận, vật liệu nano lai là sự kết hợp của hai hoặc nhiều thực thể với thành phần khác nhau để tạo

ra vật liệu mới, đa chức năng mà vẫn mang kích thước nano Khi các vật liệu khác nhau được tích hợp với nhau trên một cấu trúc nano, ngoài việc kế thừa các tính chất riêng của từng thành phần, cấu trúc lai còn thể hiện những tính chất mới do sự tương tác giữa hai hệ vật liệu tạo nên [26, 27]

Các hạt nano Fe3O4-Au dumbbell được chế tạo đầu tiên vào năm 2005 bởi Sun và cộng sự [28] Cho đến nay, một số hệ nano lai ferit từ - kim loại quý cũng

được tổng hợp cho các mục đích khác nhau Fantechi và cộng sự đã tổng hợp hạt nano lai Fe3O4/Au cấu trúc dumbbell (hình 1.4a) và dạng lõi – vệ tinh thông qua phương pháp phân hủy nhiệt với sự có mặt của các hạt mầm là các hạt nano vàng [14] Kích thước, hình thái và thành phần của hệ lai được điều khiển bằng cách thay đổi nồng độ tiền chất, nồng độ chất hoạt đồng bề mặt, loại dung môi và nhiệt độ phản ứng Bằng phương pháp nuôi mầm, nhóm nghiên cứu của Reguera đã chế tạo thành công các hạt nano lai Fe3O4/Au với cấu trúc khác nhau trong đó tính chất quang của vật liệu được cải thiện trong vùng NIR [29] Lin và cộng sự đã tổng hợp

hệ lai Fe3O4@Au cấu trúc lõi - vỏ (hình 1.4b) dựa trên các copolyme khối được tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp gốc chuyển nguyên tử [30] Việc điều khiển kích thước lõi và độ dày lớp vỏ Au trong hệ lai làm thay đổi đáng kể các tính chất từ

và quang của chúng Gần đây, Dinh và cộng sự đã tổng hợp các hạt lai Fe3O4/Ag cấu trúc dumbbell (hình 1.4c) cho các ứng dụng từ - nhiệt trị với hiệu suất gia nhiệt tăng đáng kể so với các hạt nano Fe3O4 riêng lẻ [8] Hiện tượng này có thể được giải thích do hiệu suất truyền nhiệt của các hạt kim loại Ag lớn hơn các hạt nano Fe3O4

là thành phần phi kim loại Ngoài ra, khả năng tương thích sinh học và hiệu suất chuyển đổi quang - nhiệt của cấu trúc nano lai cũng được cải thiện so với các hạt nano Fe3O4 và Ag riêng lẻ

Hình 1.4 Ảnh TEM của một số hệ nano lai ferit từ - kim loại quý khác nhau a) Fe 3 O 4 -Au (dumbbell) [14], b) Fe 3 O 4 @Au (lõi - vỏ ) [30], c) Fe 3 O 4 -Ag (dumbbell)

[8], d) Fe 3 O 4 /Pt [31], e) Fe 3 O 4 /Pd [32], f) CoFe 2 O 4 /Pd [33]

Trong những năm gần đây, một số cấu trúc nano lai cấu tạo bởi thành phần

Fe3O4 và Pt/Pd được tổng hợp cho các ứng dụng xúc tác [31, 32] (hình 1.4d, e) Ngoài Fe3O4, một số ferit khác cũng được lựa chọn làm thành phần từ tính cho các

hệ lai ferit từ - kim loại quý như CoFe2O4/Au, CoFe2O4/Ag và CoFe2O4/Pd (hình 1.4f) [33–35]

Ngày nay, các hạt nano ferit từ và đặc biệt là nano Fe3O4 đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng y sinh khi chúng được Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (Food and Drug Administration - FDA) chấp thuận cho các phương pháp điều trị y tế khác nhau và đang được nghiên cứu trong các thử nghiệm lâm sàng [36] Tại Liên minh Châu Âu, các hạt nano Fe3O4 chức năng hóa được chấp nhận để điều trị các khối u não bằng phương pháp nhiệt trị Theo lộ trình này, các cấu trúc lai khác nhau trên cơ sở các hạt nano từ, như Fe3O4/Au, Fe3O4/Ag với kích thước hạt và hình thái khác nhau được thiết kế cho các ứng dụng y sinh [37, 38]

Trong số các hệ lai ferit từ - kim loại quý được chế tạo cho mục đích y sinh, các hạt nano lai Fe3O4/Au thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học Hiện nay, các hệ lai Fe3O4/Au được chế tạo với một số cấu trúc khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng (hình 1.5):

Hình 1.5 Cấu trúc của nano lai Fe 3 O 4 -Au: a) lõi – vệ tinh; b) lõi - vỏ hình cầu;

c) lõi - vỏ không hình cầu và d) Cấu trúc rỗng [15]

Trong số các dạng cấu trúc của hệ lai Fe3O4/Au, cấu trúc rỗng (hollow) có nhiều ưu điểm hơn cho các ứng dụng y sinh Ngoài thể hiện tính chất từ, các hạt lai

Fe3O4-Au cấu trúc rỗng còn hấp thụ mạnh các bức xạ trong vùng NIR Vì vậy, có thể sử dụng chúng như một vật liệu đa chức năng trong chẩn đoán và điều trị ung thư Nghiên cứu của Yongdong Jin và đồng tác giả cho thấy các hạt lai

Fe3O4@polyme@Au có lõi từ và vỏ Au được ngăn cách nhau bởi một lớp polyme

điện môi (hình 1.6a, b), có khả năng hấp thụ ánh sáng NIR cho phép tăng cường độ tương phản ảnh MRI theo chế độ trọng T2 [39] Xiaoyuan Chen và cộng sự đã chế tạo hệ lai Fe3O4@Au rỗng với lớp vỏ Au xốp (hình 1.6c, d), ứng dụng trong chẩn đoán hình ảnh và quang – nhiệt trị [18] Ngoài ra, cấu trúc lai với phía trong rỗng nên cung cấp bề mặt riêng cao vì vậy có thể sử dụng chúng như chất mang thuốc trong điều trị bệnh ung thư Thuốc có thể được nạp bằng cách “đóng gói” bên trong cấu trúc rỗng hoặc gắn lên bề mặt lớp vỏ Au, các phân tử thuốc được liên kết với bề mặt

Au bên trong hoặc bên ngoài bằng các liên kết kém bền [18] Hạn chế chính của các

hệ lai Fe3O4/Au rỗng đã công bố là kích thước hạt của chúng lớn (từ 40 ÷ 100 nm), nên ảnh hưởng đến sự xâm nhập vào các mô và quá trình lưu thông máu trong cơ thể Do đó, việc chế tạo các hệ lai Fe3O4/Au rỗng với kích thước hạt nhỏ, tích hợp cả tính chất từ và quang (trong vùng NIR) vẫn là một thách thức lớn hiện nay

Hình 1.6 Ảnh TEM và minh họa cấu trúc hạt lai Fe 3 O 4 /Au:

Fe 3 O 4 @polyme@Au (a, b) [39] và Fe 3 O 4 @Au rỗng (c, d) [18]

Ở Việt Nam, một số nghiên cứu về chế tạo và ứng dụng các hạt nano từ và nano kim loại quý đã và đang được tiến hành chủ yếu ở Viện Khoa học Vật liệu, Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm KHCNVN; Trường Đại học Quốc gia Hà Nội và Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh Nhóm nghiên cứu của GS Nguyễn Xuân Phúc ở Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm KHCNVN là một trong những nhóm đầu tiên chế tạo các hạt nano từ cho ứng dụng y sinh, đặc biệt là ứng dụng đốt từ trong điều trị bệnh ung thư [40–42] Các nhóm nghiên cứu của GS Nguyễn Hoàng Lương (Trường Đại học Quốc gia Hà Nội) và PGS Lê Anh Tuấn (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) có quan tâm đặc biệt đến chế tạo các hạt nano từ và nano bạc cho mục đích y sinh Nhóm nghiên cứu của PGS Trần Hồng Nhung thuộc Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KHCNVN là những người

đi đầu trong việc chế tạo nano vàng làm tác nhân quang - nhiệt trị [43, 44] Các

nghiên cứu nói trên chủ yếu tập trung vào chế tạo các hạt nano từ hoặc nano kim loại quý riêng rẽ vì vậy sẽ hạn chế phạm vi ứng dụng của chúng Thời gian gần đây, nhóm nghiên cứu của TS Lê Trọng Lư ở Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm KHCNVN đã phát triển các loại vật liệu nano lai giữa nano từ và nano kim loại quý tạo ra vật liệu đa chức năng cho ứng dụng y sinh [45, 46] Kết quả bước đầu cho thấy

hệ vật liệu lai ferit từ - kim loại quý đã khắc phục những hạn chế của các vật liệu riêng rẽ

1.2 Tính chất vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý

1.2.1 Tính chất từ

Để ứng dụng trong y sinh, vật liệu chế tạo được phải siêu thuận từ (lực kháng

từ và từ dư bằng không) Nếu không, các hạt sẽ kết tụ thành khối, gây ra tác dụng không mong muốn như hiện tượng tắc mạch máu Tính chất từ của các hạt lai ferit

từ - kim loại quý chủ yếu được điều khiển bởi thành phần từ tính của chúng, nó phụ thuộc vào kích thước, thành phần và cấu trúc của lõi từ [15]

Hình 1.7 Đường cong từ trễ của một số nano ferit từ và hệ lai ferit từ - kim loại quý: a) MnFe 2 O 4 và MnFe 2 O 4 /Ag [47], b) Fe 3 O 4 và Fe 3 O 4 /Au [48]

Nghiên cứu của Dinh và cộng sự cho thấy từ độ của các hạt lai Fe3O4/Ag giảm đáng kể so với các hạt nano từ Fe3O4 [8] Huy và cộng sự cũng chỉ ra rằng sự

có mặt của nano Ag trong cấu trúc lai MnFe2O4/Ag dẫn đến giảm mạnh giá trị từ độ của hệ lai [47] (hình 1.7a) Sự giảm từ độ bão hòa của Fe3O4/Au HNPs cũng được Pascuala báo cáo trong một nghiên cứu khác [48] (hình 1.7b) Giá trị từ độ của hệ lai ferit từ - kim loại quý giảm so với các ferit từ tinh khiết được giải thích bằng sự tồn tại của thành phần kim loại quý (như Au, Ag) là những thành phần phi từ Ngoài

ra, tương tác lưỡng cực từ giữa các hạt ferit từ trong hệ lai giảm, dẫn đến các giá trị

từ độ bão hòa (Ms), lực kháng từ (Hc) và từ dư (Mr) của hạt lai cũng giảm so với các ferit từ tinh khiết Bên cạnh đó, sự thay đổi cấu trúc và hiệu ứng chuyển điện tử (tại giao diện của thành phần ferit từ và kim loại quý) cũng làm thay đổi đáng kể các mômen từ và tính dị hướng từ của vật liệu [49]

1.2.2 Tính chất quang

Tính chất quang của cấu trúc lai ferit từ - kim loại quý gây ra bởi sự hoạt động của các điện tử trên bề mặt lớp vỏ kim loại quý khi được kích thích bởi sóng điện từ (hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt) Hệ lai Fe3O4/Au có đỉnh SPR được

mở rộng và dịch chuyển về phía bước sóng dài trong phạm vi 530 ÷ 600 nm với các cấu trúc đặc có kích thước dưới 20 nm [16] hoặc 650 ÷ 950 nm với các cấu trúc rỗng [17] (hình 1.8), trong khi các hạt nano Au tinh khiết có vị trí SPR thường là

520 nm (dạng hình cầu đặc) [30] Nghiên cứu tính chất quang trên các hệ lai ferit từ

- kim loại quý khác cũng cho thấy đỉnh SPR của vật liệu được mở rộng và dịch chuyển về phía bước sóng dài so với các hạt kim loại quý riêng rẽ [50]

Hình 1.8 a) Ảnh và phổ UV-Vis của dung dịch chứa các hạt Au rỗng và hạt lai

Fe 3 O 4 – Au rỗng: mẫu Au rỗng (mẫu 1 ÷ 4, với tỷ lệ (Ag, Au) tăng dần) và các hạt lai Fe 3 O 4 – Au rỗng (mẫu 5 ÷ 8, với tỉ lệ kích thước khoang trống/vỏ Au tăng dần); b) Ảnh TEM của các hạt lai Fe 3 O 4 – Au rỗng tương ứng (thang chuẩn 20 nm) [17]

Cường độ hấp thụ plasmon bề mặt cũng được coi là một tiêu chí quan trọng cho hiệu quả ứng dụng của các hạt nano lai ferit từ - kim loại quý trong lĩnh vực y

sinh [51] Sự thay đổi cường độ và vị trí SPR của hạt nano lai phụ thuộc vào tính chất điện tử bề mặt của vật liệu [52] Nếu các điện tử trên bề mặt hạt nano kim loại quý bị dư thừa dẫn đến sự dịch chuyển vị trí SPR sang vùng bước sóng ngắn, trong khi thiếu điện tử gây ra sự dịch chuyển sang vùng bước sóng dài [30] Các hạt nano ferit từ là thành phần thiếu điện tử so với các hạt kim loại quý (Ag, Au), trong hệ lai các điện tử sẽ được chuyển từ kim loại quý sang ferit từ gây ra sự thiếu hụt điện tử trên bề mặt của nano kim loại quý [50] Do đó, đỉnh SPR của các hạt nano lai ferit

từ - kim loại quý bị dịch chuyển về phía bước sóng dài so với các hạt nano kim loại quý tinh khiết

Theo Mie tính chất quang của các hạt Fe3O4-(Ag, Au) cấu trúc lõi - vỏ được giải thích dựa trên mô hình lai, chúng có thể được xem như sự tương tác giữa một hạt nano cầu đặc (Fe3O4) và một hạt nano cầu rỗng (Ag, Au) Độ lớn của lực tương tác giữa các hạt nano đặc và hạt nano rỗng phụ thuộc vào độ dày của lớp vỏ Tương tác là yếu trong trường hợp lớp vỏ dày và tương tác mạnh trong trường hợp lớp vỏ mỏng Vì tồn tại hai plasmon cộng hưởng của các quả cầu đặc và rỗng nên có thể xem hiệu ứng plasmon cộng hưởng của hạt lai là kết quả của sự tương tác giữa 2 nguyên tử, lai với nhau tạo thành hai mode: mode liên kết với năng lượng thấp hơn

và phản liên kết với năng lượng cao hơn (hình 1.9)

Hình 1.9 Mô hình lai mô tả sự tương tác giữa hạt nano cầu đặc và rỗng [53]

Các tần số cộng hưởng plasmon được xác định như sau:

2n+1 p

Trong đó: R1 là bán kính lõi, R2 là bán kính vỏ, n là thứ tự của sóng hình cầu,

p tần số plasmon khối, + là tần số cộng hưởng plasmon ứng với mode phản liên kết, - là tần số cộng hưởng plasmon ứng với mode liên kết

Ta thấy tần số cộng hưởng plasmon n phụ thuộc vào tỷ lệ lõi - vỏ của hạt

Vì vậy, muốn tạo ra được bước sóng hấp thụ plasmon nằm trong vùng hồng ngoại gần ta phải điều chỉnh n chính là điều chỉnh tỷ lệ lõi - vỏ của hạt

Xue và cộng sự đã áp dụng lý thuyết Mie để tính toán sự hấp thụ quang của cấu trúc lõi - vỏ Fe3O4@Au cho hai kích thước hạt khác nhau 60 và 100 nm với các

tỷ lệ khác nhau giữa độ dày vỏ và bán kính lõi là 10%, 20%, 30% và 40% Phổ thu được cho thấy đỉnh SPR bị dịch chuyển sang vùng hồng ngoại gần khi tỷ lệ giữa độ dày vỏ và bán kính lõi giảm [54] Lin và cộng sự đã chỉ ra rằng cực đại hấp thụ của các hạt lõi - vỏ Fe3O4@Au dịch chuyển về phía bước sóng dài hơn so với các hạt nano Au tinh khiết và cường độ của sự dịch chuyển tăng cùng với sự gia tăng kích thước lõi Fe3O4 Khi tỷ lệ thể tích Au/Fe3O4 tăng, đỉnh hấp thụ bị dịch chuyển về phía bước sóng ngắn hướng tới vị trí của các hạt nano Au tinh khiết [30]

1.2.3 Tính tương thích sinh học và ổn định hóa lý

Để sử dụng thành công các vật liệu nano khác nhau trong các ứng dụng y sinh, tính tương thích sinh học là yếu tố rất cần thiết Khả năng tương thích sinh học

của hạt nano được đánh giá bằng cách sử dụng các phân tích in vitro, thử nghiệm

mô hình động vật và cuối cùng là thử nghiệm lâm sàng trước khi sử dụng trong các ứng dụng y sinh Bên cạnh tính tương thích sinh học, tính ổn định hóa lý cũng là một trong những đặc điểm quan trọng của các hạt nano cho mục đích y sinh Sự ổn định hóa lý của các hạt nano không chỉ ngăn chặn sự biến đổi pha, mà còn hỗ trợ việc kiểm soát các tính chất của vật liệu

Các nghiên cứu cho thấy thành phần ferit từ thường thể hiện tính tương thích sinh học trong đó Fe3O4 thể hiện khả năng tương thích sinh học cao [55, 56] Thành phần kim loại quý như Au và Ag có tính ổn định hóa học cao, chúng được sử dụng

để bảo vệ các hạt nano ferit từ khỏi quá trình oxy hóa và thay đổi trạng thái điện tử

của chúng [57] Sự kết hợp giữa thành phần ferit từ và kim loại quý tạo ra cấu trúc nano lai với tính tương thích sinh học và ổn định hóa lý cao hơn khi chúng ở dạng tinh khiết [4] Dinh và cộng sự đã nghiên cứu độc tính của vật liệu nano Ag và

Fe3O4/Ag HNPs trên dòng tế bào ung thư gan (SMMC-7721) và dòng tế bào gan bình thường (L02) ở người Kết quả cho thấy độc tính của nano Ag thể hiện rõ ở nồng độ Ag lớn hơn 10,35 g/mL trong khi Fe3O4/Ag HNPs không gây độc trên hai dòng tế bào ở nồng độ Ag lên tới 24,83 g/mL Như vậy, cấu trúc lai Fe3O4/Ag thể hiện khả năng tương thích sinh học cao hơn so với Ag NPs riêng lẻ [8] Hoskins và cộng sự đã nghiên cứu độc tính của các hạt nano lai Fe3O4/Au trên các tế bào ung thư sắc tố da, kết quả cho thấy không có sự suy giảm tỉ lệ sống của tế bào sau 7 ngày xử

lý trong phạm vi nồng độ 25 ÷ 50 g/mL [58] Gần đây, Lee và cộng sự báo cáo việc

sử dụng lớp phủ polyetylen glycol (PEG) trên các hạt lai MnFe2O4@SiO2@Au lõi -

vỏ để tăng tính ổn định keo và hiệu quả liên hợp kháng thể [59] Việc tạo một lớp tương thích sinh học trên bề mặt hạt lai là phương pháp rất hiệu quả để giảm độc tính

Như vậy, sự kết hợp giữa thành phần ferit từ và kim loại quý trên một cấu trúc nano duy nhất đã ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất từ và tính chất quang cũng như tính tương thích sinh học và ổn định hóa lý, từ đó có thể sử dụng để điều chỉnh các đặc tính cho các ứng dụng khác nhau

1.3 Ứng dụng của vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý trong y sinh

Tính chất siêu thuận từ của thành phần ferit từ cho phép các ứng dụng như từ

- nhiệt trị, chất tương phản ảnh MRI, tách từ và phân phối thuốc hướng đích Ngoài

ra, tính chất quang của nano kim loại quý (Ag, Au) cho phép các ứng dụng như quang – nhiệt trị, chụp ảnh quang, sensor sinh học Sự kết hợp của thành phần ferit

từ và kim loại quý tạo ra các ứng dụng đa dạng hơn so với các hạt nano riêng lẻ Hiệu quả ứng dụng của các hạt lai ferit từ - kim loại quý phụ thuộc vào thành phần, cấu trúc, tính chất bề mặt, kích thước và hình thái hạt lai Một số định hướng ứng dụng chính của hạt nano lai ferit từ - kim loại quý trong lĩnh vực y sinh được trình bày trong các phần dưới đây

1.3.1 Ứng dụng nhiệt trị trong điều trị ung thư

Phương pháp nhiệt trị (hay tăng thân nhiệt) trong điều trị ung thư dựa trên nguyên tắc: các tế bào ung thư nhạy cảm với nhiệt độ, chúng bị tổn thương hoặc bị

tiêu diệt trong một phạm vi nhiệt độ cho phép, trong khi tế bào lành không bị ảnh hưởng trong khoảng nhiệt độ đó

Phản ứng của các tế bào ung

thư khi tiếp xúc với nhiệt độ phụ thuộc

vào thời gian tiếp xúc và độ cao của

nhiệt độ Sự tác động của nhiệt độ lên

tế bào ung thư được trình bày trên hình

1.10 Các nghiên cứu cho thấy khi

nhiệt độ tế bào lớn hơn 39 oC, quá

trình biến tính protein bắt đầu xảy ra

[60, 61] Kết quả của sự biến tính là

các protein dễ bị kết tụ và sau đó có

thể gây ra sự tổn thương hoặc sự hủy

diệt tế bào Khi nhiệt độ của tế bào đạt 40 ÷ 41 oC, không chỉ gây biến tính protein

mà còn làm cho tế bào mất hoạt động tạm thời, quá trình này có thể kéo dài trong vài giờ Các tế bào sống sót xuất hiện đề kháng khi được tiếp xúc thêm với khoảng nhiệt độ này do tạo ra khả năng chịu nhiệt tạm thời (còn gọi là khả năng chịu nhiệt) [62] Áp dụng nhiệt độ cao hơn khoảng 41÷ 42 oC trong thời gian vài giờ, sẽ làm mất khả năng chịu nhiệt tạm thời của tế bào Khi nhiệt độ tế bào đạt 43 ÷ 45 oC, các tế bào bị mất hoạt động lâu dài [63] Trong phạm vi nhiệt độ này, tốc độ của các phản ứng sinh hóa tăng lên đáng kể dẫn đến sự xuất hiện “hiệu ứng oxy hóa” do

sự gia tăng mật độ tế bào dạng oxy phản ứng Những dạng tế bào này có thể gây tổn thương oxy hóa cho protein, lipit và axit nucleic [64] Trong khoảng nhiệt độ

45 ÷ 48 oC gây ra sự chết tế bào ung thư rất nhanh [65] Các nghiên cứu cho thấy khoảng nhiệt độ phù hợp nhất sử dụng trong nhiệt trị là 42 ÷ 46 oC (vùng cửa sổ nhiệt độ trị liệu) [9]

Cho đến nay, đa số các kỹ thuật nhiệt trị trong điều trị ung thư được thực hiện bằng việc đưa một thiết bị vào vị trí khối u để làm nóng và tiêu diệt các tế bào ung thư Tuy nhiên, nhược điểm chính của phương pháp này liên quan đến việc phẫu thuật để đưa thiết bị vào trong cơ thể nên dễ làm tổn thương thậm chí tiêu diệt các mô khỏe mạnh xung quanh Ngoài ra, trong một số trường hợp như ung thư di căn, phương pháp này sẽ không có tác dụng do các tế bào ung thư phân tán khắp cơ

Hình 1.10 Sự tác động của nhiệt độ lên

tế bào ung thư [25]

thể Việc sử dụng các hạt nano lai ferit từ - kim loại quý để tăng thân nhiệt cục bộ trong điều trị ung thư là một giải pháp tiềm năng cho vấn đề này

1.3.1.1 Từ - nhiệt trị

Là phương pháp điều trị ung thư dựa vào hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ, tức là hiện tượng nhiệt độ của các hạt nano từ tăng lên khi chúng hấp thụ năng lượng của từ trường ngoài [66]

Hai cơ chế chính đóng góp vào

quá trình sinh nhiệt của chất lỏng từ

trong từ trường xoay chiều là tổn hao

từ trễ và tổn hao hồi phục Với các hạt

nano từ được sử dụng trong y sinh đòi

hỏi phải siêu thuận từ nên đóng góp

chính vào quá trình sinh nhiệt là cơ chế

hồi phục (bao gồm hồi phục Néel và

hồi phục Brown) và đóng góp của cơ

ra lượng nhiệt đủ lớn dưới tác dụng của từ trường ngoài trong khi phải duy trì tần số (f) và cường độ (H) nằm trong phạm vi an toàn cho phép đối với cơ thể (H.f = 5.109

A/ms) [70]

Phương pháp nhiệt trị dựa trên các hạt nano Fe3O4 và các ferit từ tương thích sinh học khác là một phương pháp đầy hứa hẹn trong điều trị ung thư [71, 72] Nhược điểm chính của các vật liệu này là hiệu suất truyền nhiệt thấp nên hiệu quả nhiệt trị không cao Để khắc phục hạn chế này, trong những năm gần đây các hệ lai ferit từ - kim loại quý đã được chế tạo [50] Vai trò quan trọng của kim loại quý trong cấu trúc

Hình 1.11 Minh họa chuyển động Néel

và Brown ảnh hưởng đến tính chất gia nhiệt của hạt nano từ [67]

lai đối với phương pháp từ - nhiệt trị là làm tăng độ “nhạy nhiệt” của tế bào ung thư

và chúng nhanh chóng bị tiêu diệt trong cả môi trường in vitro và in vivo Như đã đề

cập trong phần 1.2.1, các kim loại quý như Au, Ag đều làm giảm từ độ bão hòa của

hệ lai, nhưng chúng có tác dụng đáng kể đối với việc truyền nhiệt nên có thể cải thiện hiệu suất tăng nhiệt tổng cộng của cả hệ Gần đây, Ding và cộng sự đã nghiên cứu phương pháp từ - nhiệt trị của các hạt nano lai Fe3O4/Ag với các mô hình in vitro và

in vivo [8] Phương pháp này đã ngăn chặn sự phát triển nhanh của khối u

SMMC-7721 trên chuột và hiệu suất chuyển đổi từ - nhiệt trị của hạt nano lai cao hơn nhiều

so với hạt nano Fe3O4 tinh khiết Bằng cách sử dụng các hạt nano lai Fe3O4/Ag cho hiệu ứng từ - nhiệt trị, các khối u ngừng phát triển trong thời gian 7 ngày Ngoài ra, kết quả mô bệnh học của các mẫu cho thấy hiện tượng hoại tử và xơ hóa của các mô ung thư đã xảy ra, điều đó chứng minh tính hiệu quả của các hạt nano lai Fe3O4/Ag trong phương pháp từ - nhiệt trị

1.3.1.2 Quang - nhiệt trị

Phương pháp quang - nhiệt trị được áp dụng để tiêu diệt các tế bào ung thư thông qua nhiệt được tạo ra bởi các hạt nano có tính chất quang khi được chiếu xạ bởi các photon có bước sóng và năng lượng phù hợp [57]

Hình 1.12 Sơ đồ biểu diễn các quá trình khác nhau xảy ra trên hạt nano

khi được chiếu sáng [25]

Cơ chế sinh nhiệt của hạt nano khi được chiếu sáng có thể mô tả như sau: Khi một hạt nano được chiếu sáng bởi một chùm ánh sáng, một số photon tới sẽ bị hấp thụ hoặc tán xạ bởi các hạt nano Các photon bị hấp thụ đóng vai trò sinh nhiệt

(phát ra các phonon) và phát quang (phát ra các photon có năng lượng khác nhau) như được minh họa trên hình 1.12 [25]

Tổng số các photon tương tác với hạt nano được xác định bởi tiết diện dập tắt (ext) Giá trị này bằng tổng tiết diện hấp thụ (abs) và tiết diện tán xạ (sct) của các hạt nano:

Hiệu suất hấp thụ (abs) của một hạt nano được tính bằng tổng số photon hấp thụ (abs) chia cho tổng số photon tới (ext) tương tác với hạt nano:

abs abs ext

Bên cạnh đó, nguồn chiếu sáng

cũng đóng vai trò quan trọng trong

việc nâng cao hiệu suất chuyển đổi

quang - nhiệt Như đã đề cập, ánh sáng

NIR với độ sâu thâm nhập tối đa trong

mô, với hai vùng bước sóng: cửa sổ

đầu tiên nằm giữa 650 ÷ 950 nm, với

giá trị tối ưu ở khoảng 808 nm và cửa

sổ thứ hai 1000 ÷ 1350 nm với giá trị

tối ưu khoảng 1064 nm [73] Giới hạn

cho cửa sổ sinh học NIR chủ yếu được xác định bởi các hệ số hấp thụ của máu và nước (hình 1.13)

Các hạt nano lai ferit từ - (Ag, Au) sau khi được chiếu sáng sẽ chuyển đổi năng lượng quang thành năng lượng nhiệt cho phép phá hủy và tiêu diệt có chọn lọc các tế bào ung thư trong phạm vi nhiệt độ 42 ÷ 46 o

C [50] Do vậy, các hệ lai ferit

Hình 1.13 Độ hấp thụ quang của mô người đối với ánh sáng [25]

từ - (Ag, Au) có tiềm năng trong điều trị ung thư bằng phương pháp quang - nhiệt trị Nghiên cứu của Multari và cộng sự cho thấy sự kết hợp của thành phần Au và Fe3O4trên một cấu trúc nano duy nhất đã tăng cường hiệu suất chuyển đổi quang – nhiệt so với các hệ đơn lẻ [9] Với nồng độ hạt lai 50 μg/mL, sau khi được chiếu sáng các tế bào ung thư biểu mô vảy (HO-1-N-1) đã bị tiêu diệt trong khi đó các tế bào lành nguyên bào sợi ở người (Human Gingivalis Fibroblast - HGF) không bị ảnh hưởng do các

hạt lai được định vị trực tiếp trên khối u nhờ tác dụng của từ trường ngoài

1.3.1.3 Kết hợp quang/từ - nhiệt trị

Để đạt được nhiệt độ trị liệu bằng các kỹ thuật từ - nhiệt hoặc quang - nhiệt như đã đề cập ở trên đòi hỏi phải sử dụng một lượng mẫu đủ lớn Mặt khác, các kỹ thuật này cũng gặp phải một số hạn chế trong các thử nghiệm lâm sàng như: việc sử dụng từ trường với tần số và cường độ lớn hoặc laze có công suất cao sẽ gây thiệt hại cho các mô sinh học khỏe mạnh [74] Sử dụng phương pháp quang/từ - nhiệt kết hợp dựa trên cấu trúc lai ferit từ - (Ag, Au) nhằm khắc phục đáng kể những hạn chế của các phương pháp nhiệt trị riêng rẽ Quá trình nhiệt trị bằng phương pháp kết hợp có thể mô tả tóm tắt theo sơ đồ hình 1.14

Hình 1.14 Minh họa phương pháp quang/từ - nhiệt trị [75]

a) Thuốc được tiêm vào chuột, dưới tác dụng của từ trường và laze các tế bào khối u bị tiêu diệt b) Tăng nhiệt độ cục bộ trong quá trình nhiệt trị

được theo dõi bằng nhiệt hồng ngoại

Espinosa và cộng sự đã nghiên cứu hiệu ứng quang/từ - nhiệt của hệ lai

Fe3O4@Au (cấu trúc đa lõi từ và lớp vỏ Au) Kết quả cho thấy sự gia tăng nhiệt độ

khi áp dụng đồng thời cả từ trường và laze cao gấp 2 lần so với các kỹ thuật riêng rẽ [11] Das và cộng sự đã tổng hợp các sợi nano lai Fe3O4-Ag cho các liệu pháp quang/từ - nhiệt kết hợp Kết quả cho thấy giá trị SLP tăng dưới tác dụng đồng thời của từ trường và laze NIR [74] Sự tăng cường đáng kể hiệu quả sinh nhiệt của các hạt nano oxit sắt-Au khi bị kích thích đồng thời từ trường và laze cũng được báo cáo bởi Ovejero và cộng sự [76] Như vậy, phương pháp nhiệt trị dựa trên kỹ thuật quang/từ - nhiệt kết hợp là phương pháp đầy hứa hẹn trong điều trị ung thư [50]

Để đánh giá khả năng sinh nhiệt

của vật liệu nano người ta thường sử

dụng đại lượng công suất tổn hao riêng

(specific loss power - SLP) Giá trị này

đặc trưng cho khả năng sinh nhiệt của

hệ hạt nano trên một đơn vị khối lượng

và được xác định theo công thức [57,

77]:

s n

m C dTSLP =

Hình ảnh sinh học đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật chẩn đoán y sinh, nó

là công cụ đắc lực giúp cho việc chẩn đoán và điều trị bệnh được hiệu quả Hiện nay nhiều hệ nano lai ferit từ - kim loại quý được sử dụng làm chất tương phản ảnh cho các

kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh khác nhau: hệ lai Fe3O4/Au, Fe3O4/Ag được sử dụng làm chất tương phản ảnh trong các kỹ thuật MRI, chụp cắt lớp vi tính (computed tomography - CT) hay chụp ảnh quang âm (photoacoustic - PA) [78] Hiệu quả của hầu hết các kỹ thuật hình ảnh bị ảnh hưởng bởi tính chất từ và quang của vật liệu nano lai được sử dụng làm chất tương phản Trong phần này, chúng tôi tập trung nghiên cứu định hướng ứng dụng hạt nano lai ferit từ - (Ag, Au) làm chất tăng tương phản ảnh trong kỹ thuật MRI

Hình 1.15 Cách tính tốc độ tăng nhiệt

ban đầu [67]

Phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân (MRI):

Cộng hưởng từ hạt nhân là một kỹ thuật chẩn đoán y khoa tạo ra hình ảnh giải phẫu chi tiết của cơ thể nhờ sử dụng từ trường và sóng radio Phương pháp này cho phép quan sát hình ảnh lớp cắt của các bộ phận cơ thể từ nhiều góc độ trong một khoảng thời gian ngắn Ảnh MRI có độ tương phản cao, rõ ràng, chi tiết, giải phẫu tốt và có khả năng tái tạo 3D mang lại hiệu quả chẩn đoán cho bác sĩ đối với bệnh lý của bệnh nhân

Cơ thể người cấu tạo chủ yếu từ nước (60 ÷ 70%) Trong thành phần của phân tử nước luôn có nguyên tử hydro Về mặt từ tính, nguyên tử hydro là một nguyên tử đặc biệt vì hạt nhân của chúng chỉ chứa 1 proton Mặc dù mômen từ của

1 proton rất nhỏ (bằng 1,5x10-3 mômen từ của điện tử) nhưng trong cơ thể người có một lượng rất lớn proton (khoảng 6 x1019

proton/mm3 nước) nên có thể tạo ra một hiệu ứng có thể đo được [69] Điều đó dẫn đến một hệ quả là: nếu ta dựa vào hoạt động từ của các nguyên tử hydro để ghi nhận sự phân bố nước khác nhau của các

mô trong cơ thể thì có thể ghi hình và phân biệt được các mô đó Mặt khác, trong cùng một cơ quan, các tổn thương bệnh lý đều dẫn đến thay đổi sự phân bố của các phân tử nước tại vị trí tổn thương, dẫn đến hoạt động từ tại đó sẽ thay đổi so với mô lành, nên ta cũng ghi hình được các thương tổn

Như vậy, nguyên lý của phương pháp MRI là dựa trên tín hiệu hồi phục spin của các proton có trong phân tử nước của các khối mô sinh học khi bị kích thích bởi các chuỗi xung tần số radio (Radio Frequency - RF) dưới tác dụng của từ trường ngoài cố định (Bo) [20] Các proton sẽ dao động cộng hưởng nếu như tần số của từ trường trùng với tần số Larmor của proton:

Trong đó: 0: là tần số Larmor, B0: cường độ từ trường ngoài,  : là hệ số từ

cơ của proton

Bằng cách áp dụng một từ trường xoay chiều có tần số radio theo phương vuông góc với Bo (hình 1.16a), spin của các proton sẽ bị kích thích và dẫn đến lệch khỏi hướng ban đầu (hình chiếu của mômen từ lên phương của từ trường cố định Mzgiảm xuống trong khi hình chiếu của nó lên mặt phẳng vuông góc với từ trường ngoài cố định Mzy tăng lên) (hình 1.16b) Sau khi ngắt từ trường xoay chiều, các proton sẽ trở về trạng thái ban đầu thông qua việc giải phóng năng lượng kích thích

qua hai quá trình trao đổi spin-mạng và spin-spin được xác định bởi thời gian hồi phục T1 và T2 tương ứng (hình 1.16c, d) Bằng cách sử dụng các chất tương phản dẫn đến thay đổi thời gian hồi phục T1 và T2 của spin của các proton và do đó làm thay đổi độ tương phản ảnh MRI Hiệu quả của một tác nhân tương phản thường được biểu thị bằng độ hồi phục r1 hoặc r2 Đối với các tác nhân tương phản T1 (tương phản dương), chúng có giá trị r1 cao và tỷ lệ r2/r1 nhỏ, trong khi các tác nhân tương phản T2 (tương phản âm) cho giá trị r2 cao hơn nhiều so với r1 [20]

Hình 1.16 Nguyên lý của chụp ảnh cộng hưởng từ a) spin của các proton của phân tử nước quay tròn dưới sự tác dụng của từ trường ngoài B 0 với tần số Larmor (ω 0 ) b) sau khi áp dụng từ trường xoay chiều tần số radio (RF) có hướng vuông góc với B 0 spin proton sẽ bị kích thích và lệch khỏi hướng ban đầu Khi ngắt từ trường xoay chiều, spin trở lại trạng thái ban đầu và giải phóng năng lượng thông qua 2 quá trình gọi là hồi phục dọc (tương tác spin- mạng) với thời gian hồi phục T 1 và quá trình hồi phục ngang (tương tác giữa các spin-spin với nhau) với thời gian hồi phục T 2 c) thời gian hồi phục dọc T 1 d) thời gian phục hồi ngang T 2 [20]

Cho đến nay, các tác nhân tương phản T1 và T2 đã được sử dụng rộng rãi trong lâm sàng [69] Tác nhân tương phản dương T1 thường sử dụng là các phức của

Gd3+ thuận từ có trị số mômen spin lớn như gadopentetat (tên thương mại là Magnevist), gadobenat (Multihance), gadodiamit (Omniscan), gadoteridol (Prohance) hoặc gadobutrol (Gadovist) Trong quá trình hồi phục, sự tương tác giữa mômen từ của proton với mômen từ của các ion thuận từ làm cho thời gian T1 giảm, nhờ vậy tốc độ hồi phục r1 tăng lên Hạn chế lớn nhất của các phức chất Gd3+ là thời

gian lưu thông trong cơ thể ngắn do chúng bị bài tiết nhanh qua nước tiểu, làm hạn chế hình ảnh độ phân giải cao nên đòi hỏi thời gian quét dài [79] Ngoài ra, các chất tương phản dựa trên Gd3+ không được sử dụng cho các bệnh nhân bị bệnh thận [79]

Để khắc phục nhược điểm trên, các nghiên cứu gần đây trên thế giới tập trung phát triển các chất tương phản T2, là những vật liệu nano từ sử dụng oxit và ferit của các kim loại chuyển tiếp nhóm 3d (Fe, Co hoặc Mn) và bọc chúng bằng các polyme sinh học để tạo ra chất lỏng từ [80] So với các phức của Gd3+, vật liệu nano từ nêu trên

có khả năng tương thích sinh học tốt và có thể được phát hiện ở nồng độ nhỏ hơn trong sử dụng lâm sàng [56, 81] Tuy nhiên, tín hiệu tối được tạo ra bởi các chất tương phản T2 đôi khi bị nhầm lẫn với một số điều kiện nội sinh như vôi hóa, không khí, xuất huyết và đông máu Hơn nữa, từ tính cao của các chất tương phản T2 gây

ra sự nhiễu loạn của từ trường cục bộ, có thể phóng đại kích thước của vùng được đánh dấu và làm mờ hình ảnh [81]

Hình 1.17 a) Ảnh MRI trọng T1 và T2 của hệ lai F-AuNC@Fe 3 O 4 (b, c) đồ thị 1/T 1

và 1/T 2 theo nồng độ Fe của các hạt lai F-AuNC@Fe 3 O 4 [82]

Để khắc phục nhược điểm của các chất tương phản đơn phương phức nói trên (chỉ T1 hoặc T2), hiện nay các nhà khoa học đã thiết kế các hệ lai ferit từ - kim loại quý

có khả năng tương phản kép (rút ngắn cả T1 và T2) nhằm nâng cao hiệu quả trong chẩn đoán MRI [82] Trong số các hệ lai ferit từ - kim loại quý cho mục đích MRI, các hạt nano lai Fe3O4-(Ag, Au) được quan tâm nhiều hơn cả do chúng ổn định về mặt hóa học, khả năng tương thích sinh học cao và có tính chất siêu thuận từ [83, 84] Wang và

cộng sự đã nghiên cứu chế tạo hệ lai gồm hạt nano Au rỗng với các hạt Fe3O4 rất nhỏ (2,2 nm) được chức năng hóa bằng axit folic (F-AuNC@Fe3O4) với kích thước hạt trung bình 70 nm cho hiệu quả tương phản ảnh MRI với cả hai chế độ chụp trọng T1 và trọng T2 (r1 = 6,263 mM-1s-1, r2 = 28,117 mM-1s-1) (hình 1.17) Các

nghiên cứu in vivo cho thấy hệ lai F-AuNC@Fe3O4 tương thích sinh học và có khả năng tích lũy chọn lọc trong các mô khối u Kết quả chụp MRI phương thức T1 và T2 trên chuột ở các khoảng thời gian khác nhau cho thấy hiệu quả tăng cường độ tương phản ảnh MRI sau khi tiêm dung dịch chứa các hạt lai F-AuNC@Fe3O4 được thể hiện rất rõ [82] Tín hiệu tăng cường độ tương phản ảnh có thể được duy trì hơn

6 giờ, dài hơn nhiều so với các phức chất của Gd3+

với tốc độ bài tiết cao (khoảng vài phút ở động vật nhỏ) [85] Kết quả này đã mở ra tiềm năng ứng dụng của hệ lai ferit từ - kim loại quý trong chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân theo phương thức kép

1.3.3 Ứng dụng kháng khuẩn

Hiện nay, sự xuất hiện các chủng vi khuẩn mới kháng thuốc đã trở thành một vấn đề nghiêm trọng trong chăm sóc sức khỏe cộng đồng [86] Ở Anh, vi khuẩn

MRSA (Methicillin-resistant Staphylococcus aureus) giết chết 5000 bệnh nhân mỗi

năm [87] Do đó, việc tìm ra các vật liệu mới có khả năng tiêu diệt các chủng vi khuẩn kháng thuốc là vấn đề cấp thiết hiện nay

Các nghiên cứu gần đây cho thấy các hạt nano Ag, Au, CuO, TiO2 và ZnO đều có hoạt tính kháng khuẩn [88–90], trong đó Ag NPs được chứng minh là chất kháng khuẩn mạnh, chúng có khả năng chống lại các loài vi khuẩn, vi rút và các vi sinh vật nhân thực khác [91] Ưu điểm của nano Ag trong vai trò kháng khuẩn là khả năng tiêu diệt mạnh các vi khuẩn gây bệnh trong khi các chủng vi khuẩn này không có khả năng kháng lại bạc Do đó, nano bạc được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng kháng khuẩn

Theo Qing và cộng sự, hoạt tính kháng khuẩn của nano Ag diễn ra theo 2 cơ chế [92]: (1) Cơ chế kháng khuẩn thông qua tiếp xúc trực tiếp của Ag NPs với vi sinh vật và (2) Cơ chế kháng khuẩn thông qua sự giải phóng các ion bạc từ Ag NPs

Ở cơ chế thứ nhất, nano Ag có thể bám dính vào thành tế bào vi khuẩn và thâm nhập vào màng tế bào, gây ra những thay đổi vật lý trong màng tế bào, như tổn thương màng, thay đổi tính chất của tế bào (hình 1.18a) [93] Khi hệ Ag NPs thâm nhập vào bên trong tế bào vi khuẩn, nó có thể tương tác với các cấu trúc tế bào

và các phân tử sinh học như protein, lipit và DNA dẫn đến rối loạn các chức năng của vi khuẩn và sau đó tử vong Đặc biệt, sự tương tác của nano Ag với ribosom sẽ

ức chế quá trình dịch mã tổng hợp protein (hình 1.18b) Các hạt nano Ag tương tác với các nhóm cacboxyl và thiol, ức chế chức năng sinh học nội bào và dẫn đến chết

tế bào Hơn nữa, cơ chế kháng khuẩn của nano Ag cũng được giải thích do khả năng tạo ra các dạng gốc tự do oxy hóa (reactive oxygen species - ROS) làm phá vỡ màng tế bào hoặc thành tế bào của vi khuẩn [94]

Hình 1.18 Cơ chế kháng khuẩn của các hạt nano Ag [92]

(a) Ag NPs dính lên màng, gây tổn thương màng và dò rỉ nội chất của tế bào (cơ chế 1) (b) Ag NPs xâm nhập sâu, tương tác với các cấu trúc tế bào và các phân tử sinh học như protein, lipit và DNA làm rối loạn các chức năng và làm chết vi khuẩn (cơ chế 1) (c) Ag NPs có thể giải phóng Ag +

trong và ngoài vi khuẩn sau đó chúng tương tác với protein và enzym (cơ chế 2)

Ở cơ chế thứ hai, các hạt nano Ag có thể giải phóng Ag+

ở trong và ngoài tế bào vi khuẩn Nồng độ Ag+ được giải phóng cao nhất trong trường hợp Ag NPs có kích thước nhỏ nhất Ion Ag+

(mang điện tích dương) tương tác với thành tế bào vi

khuẩn (mang điện tích âm) làm biến đổi hình thái tế bào và tăng tính thấm màng hoặc

rò rỉ tế bào gây chết tế bào Ag+ có ái lực lớn với photpho và các phân tử sinh học có chứa lưu huỳnh có trong ngoại bào và các thành phần nội bào (DNA, protein), những phân tử sinh học này ảnh hưởng đến sự phân chia, sự hô hấp và sự sống của tế bào [95, 96] Ngoài ra, sự tương tác của Ag+ với nhóm thiol có thể là nguyên nhân gây ra các dạng ROS, dẫn đến ức chế enzym hô hấp và gây chết tế bào (hình 1.18c) Ion bạc hoạt động như một chất kháng khuẩn bằng cách tương tác với thành tế bào peptidoglycan và màng sinh chất, ngăn cản sự sao chép DNA của vi khuẩn bằng cách can thiệp vào các nhóm thiol trong protein [97]:

Mặc dù nano Ag có thể tiêu diệt vi khuẩn thông qua hai phương thức hoạt động khác nhau được đề cập ở trên, nhưng cơ chế kháng khuẩn thường được coi là tác dụng đồng thời của Ag NPs và Ag+ Quá trình này có thể mô tả theo sơ đồ hình 1.19:

Hình 1.19 Sơ đồ mô tả tương tác của Ag NPs lên vi khuẩn theo thời gian [97]

Để cải thiện khả năng kháng khuẩn của Ag NPs, hiện nay các nghiên cứu tập trung vào các hệ nano lai giữa Ag với các ferit từ như Fe3O4/Ag,MnFe2O4/Ag [98] Nghiên cứu của Chudasama và cộng sự trên hệ lai Fe3O4@Ag cấu trúc lõi - vỏ cho

thấy hoạt tính kháng khuẩn của các hạt lai chống lại vi khuẩn Gram âm Escherichia coli và Proteus vulgaris tốt hơn so với các hạt nano Ag tự do [87] Gong và cộng sự

đã chỉ ra rằng các hạt nano Fe3O4@Ag có khả năng kháng lại nhiều chủng vi khuẩn

khác nhau trong đó có Escherichia coli, Staphylococcus epidermidis và Bacillus subtilis [99] Đặc tính nổi bật của các hạt nano lai ferit từ - bạc so với các hạt Ag đơn

lẻ có cùng kích thước là hoạt tính kháng khuẩn trong cấu trúc lai được tăng cường do

đó sẽ nâng cao hiệu quả điều trị cũng như giảm thiểu tình trạng kháng kháng sinh [100] Vấn đề này có thể được giải thích như sau: i) tốc độ giải phóng Ag+ ở cấu trúc lai nhanh hơn ở các hạt nano Ag đơn lẻ do sự chuyển điện tử từ thành phần Ag sang

Fe3O4 và ii) quá trình ion hóa hạt nano Ag được tăng tốc bởi các ion Fe3+ trong cấu trúc lai

Ngoài ra, sự kết hợp của các hạt lai ferit từ - bạc với thuốc kháng sinh cũng làm tăng hoạt lực của thuốc Ivashchenko và cộng sự đã nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của hệ Fe3O4/Ag gắn kháng sinh rifampicin (hệ thuốc Fe3O4/Ag-rifampicin) trên các chủng vi khuẩn khác nhau, kết quả cho thấy hệ Fe3O4/Ag-rifampicin có hoạt tính diệt khuẩn cao hơn so với trường hợp chỉ sử dụng thuốc kháng sinh [101]

1.3.4 Dẫn thuốc hướng đích

Phương pháp hóa trị và xạ trị trong điều trị ung thư hiện nay bị hạn chế bởi độc tính liên quan đến liều lượng và tác dụng phụ mà chúng gây ra cho các mô lành [102, 103] Do đó việc điều trị hướng đích nhằm làm tăng nồng độ của thuốc tại vị trí khối u mà không bị phân tán ở những vùng mô khoẻ mạnh được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu [104] Ưu điểm của phương pháp này là: (i) thu hẹp phạm

vi phân bố của thuốc trong cơ thể nên làm giảm tác dụng phụ của thuốc và (ii) giảm lượng thuốc điều trị

Các tác nhân hướng đích hiện nay thường là các vật liệu có tính chất từ như các ferit từ và hệ lai ferit từ - (Ag, Au) Li và đồng tác giả đã chế tạo hệ lai

Fe3O4@Au với lớp phủ silica tương thích sinh học cho phép vận chuyển hướng đích thuốc chống ung thư doxorubicin (DOX) [105] Các oligonucleotit liên kết (dsDNA) đã được sử dụng làm chất chặn mao quản, lớp vỏ silica chứa DOX cho phép giải phóng thuốc có kiểm soát Việc dẫn thuốc hướng đích và giải phóng thuốc được điều khiển từ xa bằng từ trường ngoài và chiếu xạ laze trong vùng NIR (hình 1.20) Phương pháp này cũng chứng minh việc tăng hiệu quả điều trị khối u nhờ sự kết hợp giữa quang/từ - nhiệt trị và hóa trị liệu thông qua từ trường và laze NIR [105] Việc dẫn thuốc hướng đích cũng được Sun và cộng sự nghiên cứu trên hệ nano lai Au-Fe3O4 cấu trúc dumbbell [106] Theo nghiên cứu này các hạt lai Au-

Fe3O4 có khả năng dẫn phức platin hướng đích đến tế bào ung thư vú Sk-Br3 ở người (hình 1.21) So với các hạt nano Fe3O4 đơn lẻ được sử dụng cho các ứng dụng

y sinh [107], các hạt nano Au-Fe3O4 dumbbell có nhiều ưu điểm hơn: (1) sự có mặt

của cả hai thành phần Fe3O4 và Au trên một cấu trúc nano tạo điều kiện thuận lợi cho sự gắn kết HER2 (kháng thể herceptin) và phức platin lên cấu trúc lai và (2) cấu trúc lai có thể đóng vai trò như đầu dò từ tính và quang học để theo dõi phức platin trong tế bào và hệ thống sinh học

Hình 1.20 Minh họa quá trình điều trị kết hợp quang – nhiệt trị và hóa trị liệu tế

bào ung thư in vivo theo phương pháp nhắm mục tiêu từ tính [105]

Hình 1.21 Minh họa các hạt nano Au-Fe 3 O 4 cấu trúc dumbbell kết hợp với Herceptin và phức platin để nhắm mục tiêu tế bào và phân phối thuốc [106]

1.4 Phương pháp tổng hợp vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý

Với mục đích tổng hợp các hạt lai nhằm hướng tới ứng dụng y sinh, đòi hỏi các hạt phải phân tán tốt, độ đồng đều cao Hiện nay, có nhiều phương pháp tổng hợp hệ lai ferit từ - kim loại quý (Ag, Au), thông thường quy trình tổng hợp gồm hai bước cơ bản sau [15]:

1) Tổng hợp hạt mầm: có thể là hạt nano ferit từ hoặc nano kim loại quý (Ag, Au) 2) Phát triển thành phần còn lại (kim loại quý hoặc ferit từ) trên hạt mầm đã tổng hợp trước

Luận án này tập trung vào phương pháp tổng hợp hạt mầm là nano ferit từ, sau đó phát triển thành phần kim loại quý (Ag, Au) trên hạt ferit từ đã tổng hợp trước

1.4.1 Tổng hợp vật liệu nano ferit từ

Vật liệu ferit từ thường được chế tạo bằng một số phương pháp hoá học như phương pháp đồng kết tủa, sol-gel, thủy nhiệt và phân hủy nhiệt Trong đó, phương pháp phân hủy nhiệt trong dung môi hữu cơ đã được chứng minh là một trong những phương pháp kiểm soát tốt kích thước và hình dạng của các hạt nano từ [108]

Có hai kỹ thuật được sử dụng để tổng hợp các hạt nano bằng phương pháp phân hủy nhiệt trong dung môi hữu cơ [109]: i) quá trình tổng hợp hạt nano được thực hiện bằng cách phun nhanh các tiền chất là các hợp chất hữu cơ của nguyên tố kim loại cần tổng hợp vào dung môi hữu cơ đang sôi với sự có mặt của chất hoạt động bề mặt (phương pháp hot - injection) hoặc ii) đun nóng từ từ hỗn hợp phản ứng từ nhiệt độ phòng lên nhiệt độ sôi của dung môi (phương pháp heating - up) Phương pháp heating - up được sử dụng rộng rãi hơn, nó cho phép tạo ra các hạt nano đồng đều với sự phân bố kích thước hẹp Quá trình hình thành các hạt nano theo phương pháp heating - up có thể được mô tả như hình 1.22

Hình 1.22 Minh họa sự hình thành NPs theo phương pháp heating – up [110]

Các tiền chất phổ biến nhất được sử dụng trong phương pháp này là các phức chất cacbonyl, axetylaxetonat và oleat của kim loại chuyển tiếp Ngoài ra, một số muối vô cơ như sunphat hoặc clorua cũng được sử dụng Các axit béo (axit oleic -

OA, axit lauric - LA), các amin (oleylamin - OLA, hexadexylamin - HDA), trioctylphotphin oxit (TOPO) hoặc hỗn hợp của chúng được sử dụng như các chất hoạt động bề mặt Các thông số phản ứng như: tỉ lệ nồng độ của tiền chất/chất hoạt

động bề mặt, nồng độ của các chất tham gia phản ứng và loại dung môi thường được sử dụng để điều khiển hình thái và độ đồng đều của hạt nano Ngoài ra, các yếu tố thực nghiệm khác như nhiệt độ phản ứng, tốc độ gia nhiệt và thời gian phản ứng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định hình dạng, kích thước và độ đồng đều của các hạt nano [108]

Tổng hợp hạt nano bằng phương pháp phân hủy nhiệt trong dung môi hữu cơ

ở nhiệt độ cao có nhiều ưu điểm so với các phương pháp khác Thứ nhất, sản phẩm thu được ở nhiệt độ cao có mức độ tinh thể hóa cao Thứ hai, tốc độ tạo mầm và phát triển mầm có thể điều khiển dễ dàng bằng cách thay đổi nhiệt độ phản ứng Sự phát triển của các hạt nano có thể được dừng lại ở bất kỳ thời điểm nào bằng cách làm nguội phản ứng, điều đó là rất quan trọng và nó quyết định không chỉ kích thước, độ đồng đều hạt mà còn ảnh hưởng đến hình dạng, cấu trúc pha tinh thể và tính chất của sản phẩm Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là sản phẩm sau khi tổng hợp không tan trong nước, để ứng dụng trong y sinh thì phải chuyển pha các hạt nano sang dạng ưa nước, đây là một quy trình tương đối khó khăn và phức tạp Dung môi sử dụng là các dung môi hữu cơ nên trước khi thải ra ngoài môi trường phải được xử lý triệt để, tránh gây ô nhiễm môi trường

1.4.2 Tổng hợp vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý

1.4.2.1 Phương pháp nuôi mầm

Đây là phương pháp tạo mầm không đồng nhất, trong đó các hạt mầm được tạo hình trước và đưa vào dung dịch phản ứng Sự phát triển của các hạt mầm được thực hiện bằng cách chúng hấp phụ các chất tan và sau đó hình thành các monome trên bề mặt Phương pháp này có thể được sử dụng để tổng hợp các hạt nano đơn pha [111] hoặc các hạt nano lai [112]

Gần đây có nhiều nghiên cứu liên quan đến việc tổng hợp cấu trúc nano lai với hình thái khác nhau chúng đều bắt nguồn từ quá trình tạo mầm không đồng nhất, tuy nhiên cơ chế phát triển của chúng không giống nhau Để tìm ra cơ chế chi tiết, việc hiểu rõ vai trò của sự không phù hợp mạng tinh thể (F) tồn tại giữa vật liệu lắng đọng và các hạt mầm là rất quan trọng Vì kích thước của các nguyên tử và tinh thể của hai vật liệu này thường khác nhau, dẫn đến sự sắp xếp theo hướng ưu tiên đặc trưng cho mỗi vật liệu cũng khác nhau Ví dụ, các nguyên tử A hình thành trên

bề mặt hạt mầm B, sự không phù hợp mạng tinh thể F giữa hai vật liệu A và B có

thể được xác định qua biểu thức 1.18 [113]:

Trong đó: aA và aB là các hằng số mạng của vật liệu A và B tương ứng

Sự không phù hợp này tạo ra một năng lượng biến dạng dương (γstrain), tăng

nhanh với sự phát triển của hạt nhân Sự không phù hợp càng lớn, năng lượng biến

dạng càng lớn Phần bề mặt chung được hình thành giữa các vật liệu A và B tạo ra

một năng lượng mới được gọi là năng lượng bề mặt chung (γi) Sự tương tác giữa

năng lượng bề mặt chung và năng lượng bề mặt riêng của hai vật liệu này (γA và γB)

có thể quyết định kết quả của quá trình phát triển Năng lượng dư tổng thể (Δγ) của

hệ được tạo ra bao gồm sự đóng góp của bốn dạng năng lượng trên như thể hiện

trong phương trình 1.19 [113]:

Dựa vào các giá trị năng lượng dư tổng thể , ba mô hình phát triển khác

nhau của vật liệu A trên hạt mầm B được mô tả như hình 1.23

Hình 1.23 Mô hình thể hiện sự phát triển khác nhau của vật liệu A trên hạt mầm B [113]

+ Nếu tổng năng lượng bề mặt của vật liệu lắng đọng A, năng lượng biến dạng

và năng lượng bề mặt chung nhỏ hơn năng lượng bề mặt của vật liệu mầm B dẫn đến giá trị  âm trong quá trình phát triển Trong trường hợp này, vật liệu A sẽ lắng đọng trên bề mặt vật liệu B theo kiểu từng lớp hình thành cấu trúc lõi - vỏ Mô hình phát triển này gọi là Frank - van der Merwe (FM) hay phát triển dạng lớp (hình 1.23a)

+ Nếu tổng năng lượng bề mặt của vật liệu lắng đọng A, năng lượng biến dạng và năng lượng bề mặt chung lớn hơn năng lượng bề mặt của vật liệu hạt mầm

B dẫn đến giá trị  dương trong quá trình tăng trưởng Điều đó có nghĩa là sự lắng đọng sẽ làm tăng năng lượng bề mặt của cấu trúc, các lớp có thể giảm năng lượng tổng của nó bằng cách hình thành các nhánh 3D dày bị cô lập và có thể làm giảm năng lượng biến dạng bằng cách tạo ra những khuyết tật về cấu trúc giữa hai bề mặt hình thành giao diện chung Mô hình phát triển này gọi là Volmer - Weber (VW) hay phát triển dạng nhánh (hình 1.23c)

+ Mô hình phát triển thứ ba xảy ra trong các hệ có sự không phù hợp mạng tinh thể giữa các mặt phẳng đang phát triển của hai vật liệu nhưng giá trị  âm ở giai đoạn phát triển ban đầu, vì vậy sự phát triển từng lớp của vật liệu A trên hạt mầm B là phù hợp hơn Tuy nhiên, năng lượng biến dạng tăng tuyến tính với số lớp của nguyên tử A lắng đọng và đạt đến một giá trị ngưỡng khi đó  trở nên dương dẫn đến sự phát triển thay đổi từ mô hình FM sang VW, tức là các nhánh 3D phát triển trên các lớp 2D (đã hình thành trước đó) để giảm năng lượng biến dạng Mô hình phát triển này gọi là Stranski - Krastanov (SK) hay phát triển dạng nhánh trên lớp (hình 1.23b)

Ba mô hình trên rất hữu ích để dự đoán và điều chỉnh kết quả phát triển của cấu trúc nano đa thành phần Ví dụ, để thu được cấu trúc dumbbell, sự phát triển phải đáp ứng các điều kiện áp dụng trong mô hình VW Bằng cách đó, sự phát triển

sẽ hình thành nhánh 3D bị cô lập thu được cấu trúc dumbbell thay vì hình thành các lớp tạo cấu trúc lõi - vỏ Trong sự phát triển của cấu trúc nano đa thành phần, ngoài năng lượng bề mặt và sự không phù hợp mạng tinh thể, các yếu tố khác như năng lượng liên kết kim loại, nhiệt độ, tốc độ khuấy cũng ảnh hưởng đến hình thái và cấu trúc của hệ lai thu được [114]

1.4.2.2 Tổng hợp một số hệ nano lai ferit từ-(Ag, Au) bằng phương pháp nuôi mầm

a) Cấu trúc ferit từ-(Ag, Au)

Lin và cộng sự [30] đã tổng hợp hệ lai Fe3O4@Au cấu trúc lõi - vỏ dạng hình cầu bằng phương pháp nuôi mầm với sự kiểm soát kích thước lõi Fe3O4 (6 ÷ 20 nm)

và độ dày vỏ Au (5 ÷ 18 nm) dựa vào các copolyme khối Sun và đồng tác giả [28]

đã chế tạo hệ Fe3O4-Au dumbbell thông qua việc điều khiển sự phát triển của nano

Fe3O4 trên bề mặt hạt nano Au (hạt mầm) Kích thước của thành phần Fe3O4 và Au trong hệ lai được điều khiển bằng sự thay đổi tỉ lệ giữa Fe(CO)5 và Au (hạt mầm) Như vậy, với phương pháp này nano kim loại quý như Ag và Au được lắng đọng trực tiếp trên bề mặt các hạt nano ferit từ MFe2O4 (hạt mầm) thông qua việc khử các tiền chất Ag+

hoặc Au3+sử dụng các chất khử phù hợp Bằng việc điều khiển các thông số phản ứng như: tỷ lệ tiền chất/hạt mầm, chất hoạt động bề mặt, chất khử, dung môi và nhiệt độ phản ứng có thể thu được các cấu trúc lai khác nhau (hình 1.24)

Hình 1.24 Sự hình thành hệ lai ferit từ-(Ag, Au) [15, 115, 116]

b) Cấu trúc ferit từ@silica/polyme -(Ag, Au)

Nhóm nghiên cứu của Baoliang đã chế tạo thành công hệ lai Fe3O4@SiO2-Ag với cấu trúc lõi - vệ tinh [117] Đầu tiên lớp SiO2 được hình thành trên bề mặt các hạt nano từ Fe3O4 tạo cấu trúc Fe3O4@SiO2 bằng phương pháp sol-gel, sau đó nano

Ag được lắng đọng trên bề mặt các hạt Fe3O4@SiO2 bằng cách sử dụng Sn2+ làm chất khử Các hạt nano lai Fe3O4@SiO2@Au cũng được chế tạo thành công bởi Xue

và cộng sự [118] Sau khi hình thành lớp SiO2 trên bề mặt hạt nano từ bằng phương pháp sol-gel sử dụng TEOS và dung dịch amoniac, các hạt Fe3O4@SiO2 được chức năng hóa bằng hợp chất chứa nhóm amin (N-[3-(trimethoxysilyl)propyl] etylen điamin) để thu hút hạt nano vàng thông qua tương tác điện tích – điện tích, một lượng nhỏ mầm tinh thể nano Au được thêm vào hệ, chúng hoạt động như những tâm phản ứng cho sự phát triển lớp vỏ Au liên tục nhờ phản ứng của dung dịch Au3+

với fomandehit [118]

Hình 1.25 Sự hình thành hệ lai ferit từ@silica-(Ag, Au) [15]

Các giai đoạn chính của quá trình chế tạo hệ lai ferit từ@silica-(Ag, Au) bao gồm: i) phủ một lớp silica lên các hạt nano ferit từ (thường sử dụng phương pháp sol - gel với tiền chất là tetraetyl orthosilicat (TEOS)), ii) lắng đọng thành phần kim loại quý lên bề mặt lớp silica (hình 1.25) Việc lựa chọn chất khử đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển hình thái lớp phủ Au cuối cùng Sử dụng các chất khử như hydroquinon [119] và N,N-dimetyl formamit (DMF) [120] thường tạo ra vỏ

vàng phân nhánh, khi đó hệ lai thu được thể hiện sự hấp thụ mạnh ánh sáng trong vùng hồng ngoại gần

Ngoài phương pháp tạo lớp silica ở giữa lõi từ và lớp vỏ kim loại quý (Ag, Au), các hệ lai ferit từ@polyme-(Ag, Au) cũng được quan tâm nghiên cứu do khả năng hấp thụ mạnh ánh sáng trong vùng NIR Jin và cộng sự đã mô tả các bước chính trong phương pháp chế tạo hệ lai ferit từ@polyme@Au như hình 1.26 [39] Các hạt ferit từ đơn phân tán với bề mặt được bao phủ bởi các phân tử axit oleic (OA) kỵ nước được hòa tan vào nước sử dụng photpholipit-polyetylen glycol tận cùng với nhóm chức axit cacboxylic (PL-PEG-COOH) Gốc PL kỵ nước liên kết với axit oleic thông qua các tương tác kỵ nước – kỵ nước, trong khi đó khối PEG hướng ra ngoài làm cho hạt ferit từ tan trong nước và tích điện âm do có nhóm chức axit cacboxylic tận cùng Để tạo “điểm neo” cho sự phát triển vỏ vàng, một lớp peptit tích điện dương, poly-L-histidin (PLH), được hấp phụ lên bề mặt ngoài của cấu trúc ferit-PEG thông qua tương tác điện tích – điện tích ở pH 5 - 6 Các phân tử hữu cơ đa lớp (OA, PL-PEG và PLH) được phủ trên bề mặt các hạt ferit từ

có chức năng như một hàng rào hiệu quả ngăn chặn các ion vàng phát triển trực tiếp trên lõi ferit từ Việc khử thêm Au3+

bằng các chất khử dẫn đến hình thành các hạt lai đa chức năng với vỏ vàng và lõi ferit từ được ngăn cách nhau bởi các phân

tử hữu cơ [39]

Hình 1.26 Sự hình thành hệ lai ferit từ@polyme@Au [39]

Ưu điểm nổi bật của hệ vật liệu ferit từ@silica (polyme) - (Ag, Au) là khả

năng hấp thụ mạnh bức xạ quang trong vùng NIR Tuy nhiên, nhược điểm chính của

hệ này là kích thước hạt lai tương đối lớn (> 60 nm), do đó dễ gây hiện tượng kết đám khi phân tán chúng trong nước nên ảnh hưởng đến việc ứng dụng thực tế c) Cấu trúc ferit từ - Au rỗng

Lin và cộng sự [18] đã chế tạo hệ lai Fe3O4@Au rỗng gồm các giai đoạn như thể hiện trên hình 1.27a Các hạt nano từ Fe3O4 với lớp phủ OA có đường kính 15 nm

được sử dụng làm lõi từ (hình 1.27b) Sau đó, lớp SiO2 (≈ 18 nm) được phủ trực tiếp trên bề mặt các hạt nano Fe3O4 kỵ nước bằng phương pháp mixen đảo hình thành cấu trúc Fe3O4@SiO2 (hình 1.27c) Sau khi phủ lớp SiO2, các hạt Fe3O4@SiO2

có thể được phân tán trong nước mà không bị kết tụ Sau đó, các hạt Fe3O4@SiO2 được chức năng hóa với 3-aminopropyl triethoxysilan để gắn hạt mầm nano Au (hình 1.27d) Các mầm tinh thể nano Au được thêm vào hệ, chúng hoạt động như những tâm phản ứng cho sự phát triển lớp vỏ Au liên tục thông qua phương pháp nuôi mầm, sản phẩm thu được các hạt lai Fe3O4@SiO2@Aushell (hình 1.27e), lớp vỏ

Au hình thành dày và liên tục hơn khi lượng tiền chất Au tăng Sau khi thêm dung dịch NaOH, lớp SiO2 dần bị hòa tan cho sản phẩm là Fe3O4@Au với khoang rỗng phía trong và lớp vỏ Au tương đối xốp (hình 1.27f) Với phương pháp này, cấu trúc lai ferit từ - Au rỗng thu được hấp thụ ánh sáng trong vùng NIR, tuy nhiên kích thước của vật liệu lớn (65 ÷ 100 nm) Ngoài ra, quá trình tổng hợp gồm nhiều bước thường đòi hỏi các điều kiện công nghệ phức tạp

Hình 1.27 Minh họa các giai đoạn hình thành hệ lai Fe 3 O 4 @Au rỗng (a)

và ảnh TEM các hạt nano Fe 3 O 4 (b), Fe 3 O 4 @SiO 2 (c), Fe 3 O 4 @SiO 2 @Au hạt mầm (d),

Phương pháp mới chế tạo cấu trúc nano rỗng hiện nay là sử dụng phản ứng thế Galvanic dựa vào sự khác nhau về thế điện cực giữa các cặp oxi hóa – khử Với phương pháp này các lỗ trống được tạo thành do quá trình oxi hóa của tinh thể kim loại, các tinh thể này sau đó hoạt động như những khuôn nano cho sự hình thành cấu trúc rỗng Các bước chế tạo hạt nano lai ferit từ - Au rỗng bằng phương pháp thế Galvanic có thể mô tả tóm tắt như sau: đầu tiên chế tạo hệ nano lai ferit từ - Ag bằng phương pháp nuôi mầm, sau đó sử dụng các hạt nano lai ferit từ - Ag làm khuôn cho quá trình tổng hợp cấu trúc rỗng thông qua phản ứng thế Galvanic giữa

Ag (trên hạt lai) và dung dịch H[AuCl4] theo phương trình [17]:

3Ag0 + Au3+ Au0 + 3Ag+ Các nguyên tử Au tạo thành được lắng đọng trên bề mặt khuôn nano, do đó hình dạng và kích thước của cấu trúc rỗng được quyết định bởi hình thái của vật liệu làm khuôn So với các phương pháp trên, phương pháp thế Galvanic thu được các hạt nano lai, cấu trúc rỗng với kích thước nhỏ hơn rất nhiều do đó có thể dễ dàng phân tán chúng trong môi trường nước, đồng thời đây là phương pháp tương đối đơn giản và tiết kiệm chi phí do chỉ sử dụng một lượng nhỏ tiền chất Au

1.4.3 Biến tính bề mặt vật liệu nano lai

Để ứng dụng trong lĩnh vực y sinh, một trong những yêu cầu cơ bản đối với các hạt nano lai ferit từ - kim loại quý là chúng phân tán ổn định trong cả môi trường nước và môi trường sinh lý Với những mục đích này, người ta thường sử dụng phương pháp biến tính bề mặt các hạt nano lai sau khi tổng hợp Việc biến tính bề mặt hạt nano lai ferit từ - kim loại quý đòi hỏi phải đảm bảo tính chất từ, tính chất quang cũng như tính tương thích sinh học Hiện nay một số phương pháp thường được sử dụng để biến tính bề mặt các hạt nano lai như phương pháp trao đổi phối tử và phương pháp bọc hạt bằng các polyme lưỡng cực Việc sử dụng vật liệu

để biến tính bề mặt hạt lai phụ thuộc vào mục đích ứng dụng của chúng đồng thời đảm bảo tương tác đẩy giữa các hạt là lớn nhất để tránh sự kết đám cũng như thu được chất keo ổn định

1.4.3.1 Phương pháp trao đổi phối tử

Với phương pháp này các phối tử trên bề mặt hạt nano lai ferit từ - kim loại quý như polyme hoặc chất hoạt động bề mặt sử dụng trong quá trình tổng hợp sẽ được thay thế bằng các phối tử mới nên được gọi là phương pháp trao đổi phối tử Việc lựa chọn phối tử để trao đổi phải phù hợp với từng loại vật liệu và mục đích sử