xây dựng quy trình công nghệ chế tạo vật liệu oxit sắt nono và phức nhằm khảo sát khả năng ứng dụng trong y sinh học

Các hạt nano từ đã được quan tâm nghiên cứu vì các ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực như làm bộ nhớ dung lượng cao, …từ tính, chất hấp thụ sóng viba…đặc biệt là trong lĩnh vực sinh

SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO NGHIỆM THU

ĐỀ TÀI NGHỊÊN CỨU KHCN CẤP SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

TP HỒ CHÍ MINH 2006-2008

Tên đề tài:

XÂY DỰNG QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU OXIT SẮT NANÔ VÀ PHỨC NHẰM KHẢO SÁT KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG Y

SINH HỌC

Chủ nhiệm đề tài:

GS TSKH NGUYỄN CÔNG HÀO

Cơ quan chủ trì: Phân viện Hóa học các HCTN tại TP HCM

TP HỒ CHÍ MINH 2008

BÁO CÁO KẾT QUẢ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC& CÔNG

NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

1 Tên đề tài: Xây dựng qui trình công nghệ chế tạo vật liệu oxit sắt nano và phức nhằm khảo sát khả năng ứng dụng trong y sinh học

2 Chủ nhiệm đề tài: GS.TSKH Nguyễn Công Hào

3 Cơ quan chủ trì đề tài: Phân Viện Hóa học các Hợp chất thiên nhiên tại TP Hồ Chí Minh

4 Cơ quan quản lý đề tài: Sở Khoa học và Công nghệ TP Hồ Chí Minh

5 Danh sách các cán bộ tham gia chính trong đề tài:

vị/chức danh

KH

Ngành chuyên

Liên Hiệp KHSX

IMAG

6 Phạm Ngọc Hoa TS,

Trưởng Khoa

Bác sỹ Bệnh viện Chơ Rẫy TP

MUC LUC

Trang

PHẦN TỔNG QUAN 1

PHẦN 1: NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP OXIT SẮT KÍCH THƯƠC NANÔ ỨNG DỤNG LÀM TĂNG ĐỘ NÉT HÌNH ẢNH TRONG CỘNG HƯƠNG TỪ 5

I.1 Mở đầu I.2 Tổng hợp các hạt nanô oxit sắt Fe3O4 6

I.2.1 Các thiết bị thực nghiệm 6

I.2.2 Hóa chất 6

I.2.3 Qui trình tổng hợp hạt 6

I.3 Kết quả thực nghiệm 8

I.3.1 Phổ nhiễu xạ tia X 8

I.3.2 Đường cong từ hóa 9

I.3.3 Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) 11

I.4 Tổng hợp chất lỏng từ 14

I.4.1 Thiết bị thực nghiệm 14

I.4.2 Hóa chất 14

I.4.3 Quy trình tổng hợp 15

I.4.4 Kết quả đo tính chất từ và phân tích cấu trúc 17

I.4.5 Phân tích cấu trúc hạt 17

I.4.6 Khảo sát tính chất từ 18

I.4.7 Dạng hình học và kích thước 19

I.5 Ứng dụng và kiểm nghiệm 20

I.5.1 Thử nghiệm độc tính cấp 21

I.5.2 Kiểm nghiệm chất sinh nhiệt 23

I.5.3 Chụp ảnh cộng hưởng từ 26

I.6 Kết luận phần I 28

Phần II: NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP GLUCONAT MỘT SỐ MUỐI KIM LOẠI ỨNG DỤNG TRONG PHÒNG CHỐNG BỆNH THIẾU MÁU DO THIẾU SẮT 29

II.1 Nội dung nghiên cứu 29

II.2 Phương pháp nghiên cứu 29

II.3 Nghiên cứu tổng hợp canxi gluconat 30

II.3.1 Tổng hợp canxi gluconat bằng phương pháp khuấy từ 30

II.3.2 Tổng hợp canxi gluconat bằng phương pháp vi sóng 34

II.3.3 Tổng hợp canxi gluconat bằng kỹ thuật siêu âm 37

II.3.4 Một số hằng số vật lý và phân tích phổ của canxi gluconat 39

II.4 Nghiên cứu tổng hợp sắt gluconat 41

II.4.1 Tổng hợp Sắt (II) gluconat 41

II.4.2 Tổng hợp Sắt (III) gluconat 44

II.5 Nghiên cứu tổng hợp Đồng (II) gluconat 46

II 6 Nghiên cứu tổng hợp Mangan (II) gluconat 48

II.7 Nghiên cứu tác dụng bổ huyết của BM1, BM2, BM3 và BM4 52

II.7.1 Phương pháp, phương tiện 52

II.7.2 Kết quả thử nghiệm BM1,BM2 54

II.7.3 Kết luận phần thử nghiệm BM1 và BM2 57

II.7.5 Kết quả thực nghiệm khảo sát tác dụng BM3 và BM4 58

II.7.6 Kết luận thử nghiệm BM3 và BM4 61

II.8 Qui trình pha chế thuốc bổ máu phục vụ cho thử nghiệm sinh học 62

II.9 Kết luận phần II 64

Phần III:

PHẦN KẾT LUẬN 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC 68

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.1 Các mẫu hạt Fe3O4 được đưa đi khảo sát 07

Bảng 1.2 Các mẫu đã tiến hành thực nghiệm 16

Bảng 1.3 Kết quả theo dõi thân nhiệt trong 03 ngày 25

Bảng 1.4 Kết quả thử nghiệm chất sinh nhiệt 25

Bảng 2.1 Các nhân tố phản ứng trong tổng hợp canxi gluconat 31

Bảng 2.2 Kềt quả tối ưu hóa tổng hợp canxi gluconat bằng phương pháp leo dốc 31

Bảng 2.3 Bảng biến thiên của hiệu suất canxi gluconat theo nhiệt độ 33

Bảng 2.4 Bảng biến thiên của hiệu suất canxi gluconat theo thời gian phản ứng 34

Bảng 2.5 Khảo sát tổng hợp canxi gluconat bằng vi sóng theo thời gian phản ứng 35

Bảng 2.6 Khảo sát phản ứng tổng hợp canxi gluconat bằng thanh Siêu âm theo thời gian phản ứng 37

Bảng 2.7 Khảo sát phản ứng tổng hợp canxi gluconat bằng bồn siêu âm theo thời gian phản ứng 38

Bảng 2.8 Kết quả phân tích 13 C NMR canci gluconat 39

Bảng 2.9 Kết quả phân tích phổ 1H NMR 40

Bảng 2.10 Biến thiên của hiệu suất phản ứng tổng hợp sắt (II) theo nhiệt độ và thời gian phản ứng 42

Bàng 2.11 Biến thiên của hiệu suất phản ứng tổng hợp Sắt (II) gluconat theo nhiệt độ và thời gian phản ứng 45

Bang 2.12 Biến thiên của hiệu suất phản ứng tổng hợp Sắt (III) gluconat theo nhiệt độ và thời gian phản ứng 45

Bảng 2.13 Khảo sát phản ứng tổng hợp Mangan(II) gluconat theo nhiệt độ 49

Bảng 2.14 Khảo sát phản ứng tổng hợp Mangan (II) gluconat theo thời gian 50

Bảng 2.15 Số lượng hồng cầu(triệu/mm3) chuột nhắt trước và sau điều trị 54

Bảng 2.16 Trị số Hct(%) của chuột nhắt trước và sau điều trị 55

Bảng 2.17 Trị số Hb(%) của chột nhắt trước và sau khi tiêm APH 56

Bảng 2.18 Trọng lượng lách (g) chuột nhắt trước và sau điều trị 14 ngày 57

Bảng 2.19 Số lượng hồng cầu (triệu/mm3) chuột nhắt trước và sau điều trị 58

Bảng 2.20 Trị số Hct(%) của chuột nhắt trước và sau điều trị 59

Bảng 2.21 Trị số Hb(%) của chột nhắt trước và sau khi tiêm APH 60

Bảng 2.22 Trọng lượng lách (g) chuột nhắt sau điều trị 14 ngày 61

DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ

Đồ thị 2.1 Biến thiên hiệu suất tổng hợp canxi gluconat

theo nhiệt độ phản ứng 33

Đồ thị 2.2 Biến thiên hiệu suất tổng hợp canxi gluconat theo thời gian phản ứng 34

Đồ thị 2.3 Biến thiên hiệu suất tổng hợp mangan(II) gluconat theo nhiệt độ phản ứng 49

Đổ thị 2.4 Biểu diễn hiệu suất tổng hợp mangan (II) gluconat theo thời gian phản ứng 50

Đồ thị 2.5 Số lượng hồng cầu (triệu/mm3) chuột nhắt trước và sau điều trị 54

Đồ thị 2.6 Trị số Hct(%) của chuột nhắt trước và sau điều trị 55

Đồ thị 2.7 Trị số Hb(%) của chuột nhắt trước và sau khi tiêm APH 56

Đồ thị 2.8 Trọng lượng lách (g) chuột nhắt sau điều trị 56

Đồ thị 2.9 Số lượng hồng cầu (triệu/mm3) chuột nhắt trước và sau điều trị 58

Đồ thị 2.10 Trị số Hct(%) của chuột nhắt trước và sau điều trị 59

Đồ thị 2.11 Trị số Hb(%) của chột nhắt trước và sau khi tiêm APH 60

Đồ thị 2.12 Trọng lượng lách (g) chuột nhắt sau điều trị 61

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ tổng hợp hạt nano bằng phương pháp đồng kết tủa 7

Hình 1.2 Phổ nhiễu xạ của mẫu hạt C15 8

Hình 1.3 Phổ nhiễu xạ của mẫu hạt C 65 8

Hình 1.4 So sánh đường cong từ hóa của C9 và C10 9

Hình 1.5 Đường cong từ hóa của hai mẫu C9 và C42 10

Hình 1.6 Các đường cong từ hóa của các mẫu C55, C65, C75 10

Hình 1.7 Ảnh SEM của các mẫu C19 và C15 11

Hình 1.8 Ảnh SEM của các mẫu C9 và C42 11

Hình 1.9 Ảnh SEM của các mẫu C55, C65 và C75 12

Hình 1.10 Ảnh TEM của các mẫu có kích cỡ khác nhau 13

Hình 1.11 Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu H4,H8,H9,H11,H12 17

Hình 1.12 Ảnh TEM của mẫu H4 đã phủ starch 20

Hình 1.13 Ảnh FESEM của mẫu H4 đã phủ starch 20

Hình 1.14 Lấy thân nhiệt của Thỏ 26

Hình 1.15 Gan Thỏ trước khi tiêm chất lỏng từ 26

Hình 1.16 Gan Thỏ sau khi tiêm 2 phút 27

Hình 1.17 Gan Thỏ sau khi tiêm 15 phút 27

Hình 1.18 Xương sống Thỏ khi chưa tiêm chất lỏng từ 27

Hình 1.19 Xương sống Thỏ sau khi tiêm 18 phút 27

PHẦN TỔNG QUAN

Trong những năm gần đây công nghệ nanô đã phát triển mạnh mẽ trên thế giới, nhiều thành tựu đã được ứng dụng trong các ngành kinh tế và trong đời sống Một trong những lĩnh vực đang được thế giới quan tâm và được các nhà khoa học cũng như chính phủ các nước đầu tư cho nghiên cứu ứng dụng là phục vụ cho lĩnh vực y sinh học nhằm bảo vệ sức khỏe con người [1]

Các hạt nano từ đã được quan tâm nghiên cứu vì các ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực như làm bộ nhớ dung lượng cao, …từ tính, chất hấp thụ sóng viba…đặc biệt là trong lĩnh vực sinh y học như chẩn đoán và điều trị các bệnh nan y như ung thư, các phép tách chiết tế bào, DNA, protein, phân phối thuôc đến đúng các mô bệnh, nâng nhiệt cục bộ tại các mô bệnh để diệt tế bào ung thư và trươc hết

là chẩn đoán chính xác căn bệnh ung thư khi còn sơ khai nhờ chụp ảnh cộng hưởng

từ nhờ các chất tương phản nano từ

Giới thiệu về cộng hưởng từ (MR)và ảnh cộng hưởng từ (MRI):

Tạo ảnh cộng hưởng từ là một kỹ thuật hiện đại, cho ta thấy hình ảnh của cơ thể dưạ trên nguyên lý của cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) Đó là sự khác nhau về cường độ của tín hiệu mà mỗi mô trong cơ thể tạo ra tương ứng với xung của tần số vô tuyến Nếu ta đặt một từ trường mạnh B0 không thay đổi lên một tập hợp các proton như hạt nhân hydrogen trong phân tử nước, thì mômen từ spin của proton sẽ chuyển động tuế sai xung quanh trục z của từ trường với tần số Larmor :

ω0 =γB0

Sau đó ta đặt thêm một từ trường xung biến thiên với tần số vô tuyến vuông góc với

từ trường ngoài đúng bằng với tần số larmor thì sẽ có sự hấp thụ cộng hưởng xảy ra, Các proton sẽ chuyển lên các mức năng lượng cao hơn Khi ngắt xung tần số vô tuyến thì có sự hồi phục của proton về trạng thái ban đầu và phát ra một lượng nhỏ của bức xạ điện từ được các cuộn dò phát hiện và chuyển thành hình ảnh Hai tác nhân ảnh hưởng đến ảnh của cộng hưởng từ là mật độ proton và các hằng số thời gian hồi phục từ dọc (T1) và ngang (T2)

Trong 1 mm3 có gần 6.6 x 1019 proton Khi có hiện tượng cộng hưởng xảy ra thì chỉ cần có 2 x 1014 proton trên 1 mm3 nước tham gia quá trình này thì tín hiệu do chúng gây ra cũng đủ để nhận biết trên ảnh cộng hưởng từ

Nếu từ trường ngoài hướng dọc theo trục z thì các thời gian hồi phục dọc ( hay spin- mạng) và hồi phục ngang (hay spin-spin) lên hệ với các tín hiệu hồi phục có dạng:

mz = m(1 − e t/T1)

mx,y = m sin ( ) / 2

0

T t

e

t+φ −ω

t- thời gian, ( hằng số pha)

T1 đặc trưng cho sự mất mát nhiệt cho môi trường xung quanh

T2 đặc trưng cho sự lệch pha của proton với từ trường xoay chiều

Chất lượng của ảnh cộng hưởng từ có thể tăng cường bằng các chất tương phản Nguyên lý về chất tương phản là làm sao để thay đổi được các hằng số T1 và T2 Bằng cách giảm T1 là ta đã tăng độ khuếch đại của tín hiệu lên Bằng cách giảm T2

là ta đã tăng tính tương phản của ảnh Bằng cách dùng các chất tương phản từ tính thì ta có thể làm giảm được các hằng số T1 và T2

Ferrit kích thước hạt nanô được quan tâm đến từ lâu bởi khả năng gắn kết với các

chất có hoạt tính sinh học như enzym, kháng nguyên, DNA Đây cũng là hướng có

nhiều triển vọng ứng dụng trong y sinh học

Trong các vật liệu nanô có từ tính, chúng ta thấy rất nhiều tác dụng trên có thể thu được với ôxit sắt hai (II) và ba (III) Các ôxit sắt có những ứng dụng rất có triển vọng như: dùng ôxit sắt nanô để đánh dấu và phân lập tế bào, chữa bệnh theo phương thức nâng nhiệt cục bộ bởi từ trường, phân phối thuốc và đặc biệt, nâng cao chất lượng hình ảnh của cộng hưởng từ hạt nhân MRI [2] Được tập trung nghiên cứu ứng dụng trong y sinh học như vậy, có lẽ vì ôxit sắt rất thân thiện với thế giới sinh học, trong đó có con người Sắt có trong thành phần của máu, vì vậy từ lâu khi

bị thiếu máu người ta phải uống thuốc chứa sắt để khỏi bệnh! Gần đây đã có những thông báo tổng hợp hạt ôxit sắt nanô và xử lí bề mặt của chúng nhằm sử dụng làm vật liệu sinh học và các loại “thuốc” trị bệnh khác nhau [3]

• Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trước đây có nhiều tác giả nghiên cứu tổng hợp ferrit kích thước nanô trong các điều kiện khác nhau như điều chế từ Fe(OH)2 ở 90oC [4], hay tổng hợp ở nhiệt độ phòng [5] Cả hai công trình trên đều tiến hành trong mội trường kiềm mạnh pH=10-12 Gần đây có tác giả đã công bố phương pháp tổng hợp ferrit kích thước nanô ở trong khoảng 3-20oC, pH=7-9, với điều kiện này phù hợp với các phân tử sinh học nhạy cảm như trypsin, avidin Tuy nhiên với kích thước của ferrit cở 10

nm thì từ lực quá nhỏ khó tách chúng ra khỏi nước do đó cần điều chế kích thước lớn hơn Tác giả Tada M và cộng sự [6] đã thành công trong việc điều chế ferrit kích thước 30 nm khá phù hợp với việc nghiên cứu gắn kết với các chất có hoạt tính sinh học Hatanaka và cộng sự cũng đã thành công trong việc gắn kết FITC-avidin lên hạt ferrit nanô kích thước nhỏ 10 nm [7] Một số tác giả khác lại đưa ra phương pháp tổng hợp ferrit kích thước nanô nhờ phản ứng đồng kết tủa giưa hai dung dịch FeCl2 và FeCl3 bằng pipet nhỏ giọt 0,04 ml/giây và vòi phun áp điện kích cỡ 50 µm, tốc độ 0,01 ml/giây[8] Kích thược hạt thu được khi dùng pipet nhỏ giọt là 5-8 nm, khi dùng vòi phun áp điện là từ 3 đến 5 nm Một công trình nghiên cứu đáng chú ý nữa là tổng hợp ferrit kích thước nanô có điều chỉnh kích cỡ trong các dung dịch điện ly khác nhau [9]

Hầu hết các chất tương phản đều là các chất thuận từ Chất tăng cường tương phản đầu tiên được đưa ra thị trường là chromium-EDTA, nhưng do tính bền trong thời gian quá dài, nên đã hạn chế sử dụng trong lâm sàng Hiện nay trên thị trường đang lưu hành chất axit gadolium-diethylenetriamine pentaacetic ( Gd-DTPA) với tên gọi là Magnetvist, cũng là chất thuận từ ( PM) Một loại khác của chất tương phản được quan tâm rất nhiều là các hạt nanô siêu thuận từ Bởi vì các chất siêu thuận từ không có độ từ hóa còn dư khi ngắt từ trường ngoài Khi sử dụng các chất này thì các hằng số thời gian hồi phục được rút ngắn rất nhiều so với chất tương phản thuận từ như Gd-DTPA Các chất tăng cường tính tương phản cho ảnh của cộng hưởng từ là các hạt nano ôxyt sắt siêu thuận từ hiện đang được quan tâm Chẳng hạn các chất FeridexI.V, được hãng Advance Magnetics tung ra thị trường,

đã đựơc sử dụng chụp ảnh gan, rối loạn túi mật Một chất tương phản ôxít sắt khác

có tên Resovit được sủ dụng chụp các khối u.[10,11]

Các chất tương phản ôxit sắt siêu thuận từ có một sức hấp dẫn đối với các nghiên

cứu và điều trị bệnh vì chúng ít gây độc hại khi hoạt động trong cơ thể, sau khi điều trị thì chúng sẽ tự phân hủy qua đường gan Độ từ hóa bão hòa của chúng lớn nên

dễ diều khiển bằng từ trường ngoài

Tùy theo từng bộ phận trong cơ thể mà người ta sử dụng các hạt có kích thước khác nhau Chẳng hạn, chụp ảnh ruột: đường kính trung bình của hạt không nhỏ hơn 300 nm, chụp ảnh gan, lách: đường kính từ 80 – 150 nm, ảnh u bạch huyết: 20 – 40 nm, ảnh tủy xương : 20 nm…

Kích thước của các hạt phụ thuộc vào các phương pháp tổng hợp: phương pháp vật lý , phương pháp hóa học và chiều dày lớp phủ bên ngoài Lớp phủ bên ngoài phải có tính thích nghi sinh học, Chẳng hạn: Polyethylene glycol (PEG), Dextran, Polyvinylpyrrolidone (PVP), Fatty acids, Polyvinyl alcohol (PVA) , Polyacrylic acid, …

Các chất tương phản ảnh cộng hưởng từ được sử dụng qua đường uống, tiêm vào tĩnh mạch hoặc tiêm thẳng vào bộ phân cần chụp, tùy theo từng bộ phận trong cơ thể[12]

Người ta cũng đã nghiên cứu khả năng gắn kết các chất có hoạt tính sinh học như enzym, kháng nguyên, DNA lên các hạt ferrit kích thước nanô [13]

Tuy nhiên công trình nghiên cứu sự gắn kết của aptamer lên ferrit kích thước nanô còn chưa được khảo sát Đây chính là nội dung chúng tôi thấy cần tiếp tục nghiên cứu Việc chế tạo ra các tổ hợp vật liệu nanô có gắn kết các chất mang hoạt tính sinh học cao có rất nhiều ý nghĩa Một số công trình nghiên cứu nghiên cứu theo hướng sử dụng vật liệu cấu trúc nanô trong chẩn đoán nhanh dịch bệnh Trong đó

có đề cập đến khả năng tận dụng các tính chất của các hạt ferrit kích thước nanô dước tác động của các chất có hoạt tính sinh học như axit nucleic hay protein và virus [14] Khi tạo ra được các tổ hợp aptamer với ferrit kích thước nanô chẳng những có khả năng góp phần chẩn đoán sớm ung thư và các bệnh do virus gây ra

mà aptamer còn có khả năng dẫn các hạt sắt từ nhỏ đến gần tế bào ung thư để tiêu diệt chúng Hơn thế nữa nếu như gắn kết được các thuốc chữa ung thư hiên đang

dùng như taxol lên đó có khả năng tạo ra thuốc hoá trị liệu đặc hiệu chỉ tấn công lên

tế bào ung thư.Đây là các nội dung đã chuyển sang NCCB[15]

Nghiên cứu nâng cao thể lực cũng có liên quan mật thiết đến sự gia tăng hồng huyết cầu trong máu Từ lâu những chứng bệnh thiếu máu do thiếu sắt đã được điều trị bằng các viên thuốc chứa sắt Trong danh mục các biệt dược điều trị căn bệnh này

có trên 10 lọai khác nhau nhưng họat chất chính vẫn là muối của sắt như Sắt sunphat, Sắt fumarat, Sắt gluconat Thời gian cuối người ta nghiên cứu sử dụng nhiều hợp chất phức sắt khác nhau trong đó có Sắt gluconat, sản phẩm điều chế từ muối sắt với gluconic acid Theo nghiên cứu của bệnh viện Massachusetts General Hospital tại Boston trong các năm 1999-2002 cho thấy sử dụng sắt gluconat an tòan hơn là dùng Sắt dextran [16] Việc nghiên cứu tiếp tục đang được triển khai và trong đó công nghệ chế tạo sắt gluconat hiệu suất cao chất lượng tốt cũng là một nội dung đáng quan tâm trong đề tài nghiên cứu về oxitsắt nanô Gần đây có một số công trình nghiên cứu sâu hơn về hoạt tính sinh học của các muối gluconat Sắt, Đồng, Mangan, đặc biệt là khả năng phòng trị bệnh ung thư [23]

• Tình hình nghiên cứu trong nước

Trong một số năm qua, nhất là từ khi chương trình khoa học cơ bản trọng điểm

về khoa học và công nghệ nanô do Giáo sư Viện sỹ Nguyễn Văn Hiệu đề xuất và được nhà nước phê duyệt cho triển khai năm 2004-2005, hàng loạt các nghiên cứu vật liệu nanô và ứng dụng đã xuất hiện Trong lĩnh vực Vật lý và Khoa học Vật liệu, tại hội nghị Vật lý toàn quốc, họp vào đầu tháng 11 năm 2005, Hà Nội, chúng ta thấy có khá nhiều báo cáo của các tập thể khoa học lớn liên quan đến vật liệu ôxit sắt dạng hạt nanô và ứng dụng Như các báo cáo của nhóm nghiên cứu của GS Thân Đức Hiền, ITIMS, ĐH Bách Khoa Hà nội về chất lỏng từ, GS Nguyễn Hữu Đức, ĐH Công nghệ, PGS Trần Hoàng Hải, Phân Viện Vật lý, TP HCM, TS Nguyễn Hoàng Hải, ĐHKHTN, ĐHQG Hà nội về chế tạo dịch keo của ôxit sắt dạng hạt nanô và triển vọng ứng dụng trong y sinh học [17] Theo hướng tổng hợp vật liệu gắn liền với kĩ thuật tương thích sinh học, gần đây còn có công trình của GS Nguyễn Công Hào và TS Nguyễn Cửu Thị Hương Giang nghiên cứu chế tạo tổ hợp ôxit sắt nanô được bao bọc bằng phân tử ADN, tạo nên một siêu phân tử (vật liệu lai hữu cơ - vô cơ cấu trúc nanô), có khả năng tương thích sinh học cao[18] Từ vài năm trước đây, tập thể khoa học của PGS Lê Quốc Minh và GS.TSKH Nguyễn Phú Thuỳ, đã tổng hợp thành công nanocomposite của ôxit sắt trong nền solgel, từ đấy

có thể chế tạo màng mỏng chứa hạt sắt (kim loại) nanô, trong mạng silica [19] Thời gian qua, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học Côngnghệ Việt nam, đã tổ chức một số khảo sát ban đầu về khả năng tổng hợp dung dịch keo (dịch keo huyền phù) nanô của ôxit sắt và bari sunphat định hướng ứng dụng trong công nghệ chuẩn đoán và điều trị [20]

Phân Viện Vật lý tại Tp Hồ Chí Minh trong hơn hai năm nay đã bắt đầu vào việc nghiên cứu công nghệ nanô, đặc biệt đi sâu vào việc tổng hợp các hạt nanô siêu thuận từ ôxit sắt: các loại hạt nanô ferit spinel: M Fe2O4 ( M= Fe, Co, Ni, Zn, Chúng tôi đã thiết lập quy trình công nghệ tổng hợp các hạt nanô siêu thuận từ oxit sắt với sự phân bố kích thước hạt theo các yêu cầu Bước đầu đã phủ một số hợp chất có tính thích nghi sinh học để phục vụ cho các công việc nghiên cứu trong y sinh học, đặc biệt trong việc chẩn đóan chính xác và điều trị các bệnh nan y như ung thư.[21,22]

Nắm bắt nhu cầu cấp thiêt của ngành y tế của nước ta trong chuẩn đoán và điều trị bệnh , cụ thể trong lĩnh vực chuẩn đoán hình ảnh cộng hưởng từ, hiện tại phải nhập ngoại hoàn toàn hoá phẩm dịch tương phản các loại ( khoảng 50.000 liều /năm 2005) phục vụ cho tất cả các cơ sở y tế có thiết bị MRI Trong đề tài nghiên cứu này, đầu tiên chúng tôi sẽ tâp trung tổng hợp các hợp chất tăng cường tính tương phản ảnh cộng hưởng từ nhằm mục đích thay thế cho các chất phải nhập từ nước ngoài

Tiếp đến chúng tôi nghiên cứu khả năng gắn kết giữa ferrit kích thước nanô với DNA và nucleotid khác nhau nhằm tạo ra các chất mang thuốc đến tế bào đích, phục vụ phương pháp hoá trị liệu đặc hiệu trong điều trị bệnh nan y Đồng thời triển khai ứng dụng phức Sắt với các ligan khác nhau như Sắt gluconat, Sắt dextran (nhu cầu 200.000 liều/năm 2005)v.v đã được nghiên cứu nhằm sớm đưa vào sản xuất thử dược phẩm “ chống thiếu máu” ở Việt nam

PHẦN I NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP OXIT SẮT KÍCH THƯỚC NANO ỨNG DỤNG LÀM TĂNG ĐỘ NÉT HÌNH ẢNH TRONG CỘNG HƯƠNG TỪ I.1 Mở đầu:

Bắt đầu từ thập kỷ 80 của thế kỷ trước nền khoa học và công nghệ thế giới đã đặt biệt chú ý tới một hướng nghiên cứu và phát triển đặc biệt kỳ lạ và lý thú mà ngày nay được gọi là khoa học và công nghệ nano Tên gọi nano có ý nghĩa là hướng nghiên cứu này liên quan đến các vật thể, cấu trúc có kích thước khoảng từ 1 đến 100 nanomét (nm), mà một nanomét bằng một phần tỷ của mét.Các vật liệu có kích thước nano thể hiện những thuộc tính không giống với vật liệu khối tương ứng, đồng thời kích thước

và bề mặt có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của vật liệu [1]

Đặc biệt , công nghệ nanô đã và đang có nhiều ứng dụng quan trọng trong khoa

học đời sống và chăm sóc sức khỏe con người Các nhà khoa học ngày càng bị cuốn hút khi nghiên cứu hạt nano từ đặc biệt trong lĩnh vực y – sinh học Bởi vì hạt nano từ được coi là kẻ dẫn đường chỉ điểm lợi hại trong y – sinh như sử dụng hạt nano từ để tách từ, làm tăng tính tương phản ở ảnh cộng hưởng từ hạt nhân, làm chất dẫn thuốc, làm cảm biến thông minh Các ứng dụng này có thể xem như một cuộc cách mạng

về y sinh học vì có thể chuẩn đoán chính xác và điều trị hoàn toàn một số bệnh ung thư

mà trước đây không thể chữa khỏi, các khối u ở các cơ quan của cơ thể người như: gan, phổi, ruột và não… đã được xác định chính xác và phá hủy mà không gây ảnh hưởng đến các mô lành xung quanh

Qua nghiên cứu cho thấy, hạt nanô từ tồn tại trong chất lỏng từ phải không mang độc tố và đảm bảo khả năng lưu thông dễ dàng trong cơ thể Hạt nanô oxít sắt từ Fe3O4

có khả năng đáp ứng được những yêu cầu trên và đang được nghiên cứu, tổng hợp ở Việt Nam Hiện nay phương pháp chẩn đóan bệnh băng chup ảnh cộng hưởng từ là phương pháp tiên tiến nhất trên thế giới và đã được sử dụng phổ biến ở các nươc phát triễn trên thế giới Việc sử dụng các chất tăng độ tương phản trong ảnh chụp cộng hưởng từ như ôxit sắt siêu thuận từ đã giúp cho các bác sĩ phân biệt và chẩn đóan được các bênh tật của người bênh Đặc biệt trong những căn bệnh nan y như ung thư, thi người bác sĩ có thể phát hiện từ rất sớm, như khối u lành tính hay ác tính, đã bị di căn chưa…giúp cho các bác sĩ đưa ra các phát đồ và phương pháp chữa trị kip thời và có thể chữa trị khỏi căn bệnh

Với tính ưu việt như vây , nhưng giá thành rất đắt, nên ở Việt Nam vẫn chưa sử dụng đại trà được Vì vậy trong đề tài nghiên cứu này, chúng tôi hy vọng sẽ tổng hợp được các chất tăng tính tương phản cho ảnh chụp cộng hưởng từ dự trên cơ sở của các hạt nanô ôxít sắt siêu thuân từ với các vỏ bọc có tính thích nghi sinh học để có thể đưa vào trong cơ thể con người

Tham khảo các tài liệu của nước ngoài thì muốn đạt được tiêu chuẩn là chất tăng tính tương phản trong ảnh chụp công hưởng từ thì các chất lỏng từ dựa trên cơ sở của ôxit sắt phải đáp ứng các điều kiện sau đây:

Tính đồng nhất của các hạt cao, từ độ bão hòa lớn và mang tính siêu thuận từ và vật

liệu có tính thích hợp sinh học (không có độc tính), nghĩa là:

- Tính đồng nhất về kích thước liên quan nhiều đến phương pháp chế tạo

- Từ độ bão hòa liên quan đến bản chất của vật liệu

- Tính thích hợp sinh học liên quan đến bản chất của vật liệu phủ bên ngoài

Để thực hiện các điều kiện trên chúng tôi phải tổng hợp được các hạt có kích thước nanô và khống chế được kích thức của các hạt , các hạt tạo ra phải mang tính chất siêu thuận từ, có nghĩa là : các hạt không có độ từ hóa còn dư khi cắt từ trường ngoài, nghĩa

là lực khử từ bằng không và khi có từ trường ngoài thi nhanh chóng đạt giá trị bão hòa

I.2 Tổng hợp các hạt nanô ôxit sắt Fe 3 O 4

I.2.1 Các thiết bị thực nghiệm :

- Máy khuấy siêu âm

- Dụng cụ nâng nhiệt và nhiệt kế

- Nam châm vĩnh cửu

- Thiết bị đo pH

- Máy sấy chân không

I.2.2 Hóa chất :

- Muối Ferric chloride hexahydrate ( FeCl3.6H2O, 99% )

- Muối Ferro chloride tetrahydrate ( FeCl2.4H2O, 99% )

2FeCl3.6H2O + FeCl2.4H2O + 8NaOH = Fe3O4 + 8NaCl + 20H2O

Hỗn hợp trên tiếp tục được khuấy siêu âm trong vòng 10 phút và tiếp tục khử oxy bằng khí N2 Sản phẩm hạt nanô từ Fe3O4 có màu đen được lắng bằng nam châm vĩnh cửu và rửa từ 3-5 lần bằng nước cất để loại bỏ các cặn bẩn Sản phẩm cuối cùng đem sấy khô ở 70OC

I.3 Kết quả thực nghiệm :

Bẳng phương pháp đồng kết tủa hóa học, nhiều mẫu hạt Fe3O4 đã được tổng hợp Tuy nhiên do kinh phí eo hẹp nên chúng tôi chỉ khảo sát ở một số mẫu Các mẫu hạt được khảo sát về cấu trúc tinh thể, kích thước hạt, dạng hình học và độ từ hóabão hòa thông qua ảnh chụp từ các thiết bị như : nhiễu xạ tia X (XRD), Kính hiển vi điện tử quét (SEM), Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) nhằm kiểm tra quá trình tạo hạt

Fe3O4 Từ đó rút ra các nhận xét và đánh giá các kết quả thu được

I.3.1 Phổ nhiễu xạ tia X

Các mẫu phân tích XRD ở dạng bột mịn Sau khi lọc bằng nước cất và lắng bằng nam châm vĩnh cữu vài lần, các mẫu hạt được đem sấy trong tủ chân không ở 70 oC trong khoảng 48 giờ để thu được mẫu hạt khô Fe3O4 Hai mẫu C15 và C16 được đem khảo sát X-Ray

Phổ XRD được khảo sát với điện cực Cu-Kα, bước sóng λ = 1.5405 Ao, góc nhiễu xạ 2θ từ 15o – 17o, hiệu điện thế 40 kV và cường độ dòng điện 50 mA

Phổ nhiễu xạ của mẫu hạt Fe3O4 C15

Hình 1.2: Phổ nhiễu xạ của mẫu hạt C 15

Hình 1.3: Phổ nhiễu xạ của mẫu hạt C 65

Các mẫu được khảo sát ngẫu nhiên, có các đỉnh phổ chính tương đối trùng khớp với phổ chuẩn của hạt Fe3O4 Các hình nhiễu xạ tia X của các mẫu C15 và C65 trên cho ta thấy các đỉnh phổ tương đối trùng nhau ở các góc 2θ, chỉ sai lệch nhau về độ bán rộng của phổ Mẫu C15 có độ bán rộng nhỏ hơn so với mẫu C65 cho thấy kích thước hạt ở mẫu C65 nhỏ hơn kích thước hạt ở mẫu C15 Qua đó cho thấy các yếu tố trong quá trình thực nghiệm ảnh hưởng đến kích thước hạt tạo thành

Dựa vào độ rộng ở ½ đỉnh phổ cực đại tính theo 2θ của các đỉnh phổ chính trong phổ XRD của các mẫu phân tích và thông qua công thức Scherrer , ta có thể tính được kích thướctrung bình của mẫu hạt C15 vào khoảng 16 – 18 nm trong khi mẫu C65 có đường kính trung bình vào khoảng 13 – 15 nm

Như vậy , bằng phổ nhiễu xạ tia X, ta có thể khẳng định phương pháp đồng kết tủa tạo ra được sảnn phẩm hạt chủ yếu nằm ở pha Fe3O4

I.3.2 Đường cong từ hóa

Như ta đã biết , độ từ hóa là một trong những yếu tố quan trọng của hạt Fe3O4 để phục vụ cho các ứng dụng trong y sinh học Do đó các mẫu đã được khảo sát tính chất

từ bằng từ kế mẫu rung (VSM) Từ các số liệu thu được với phần mềm Origin ta có thể vẽ được đường cong từ hóa của các mẫu hạt

Ta nhận thấy các mẫu khảo sát đều cho ta đường cong từ hóa có dạng như nhau là không có lực kháng từ cũng như độ từ hóa còn dư Điều này chứng tỏ rằng các sản phẩm hạt tạo thành đều có tính siêu thuận từ

Qua các kết quả thu được ta nhận thấy rằng có một só yếu tố ảnh hưởng lên độ từ hóa bão hòa của các hạt tạo thành

Trước hết ta xét đến nồng độ OH- ban đầu trong dung dịch phản ứng Với hai mẫu khảo sát là C9 (0.1M) và C15 (0.3M), các số liệu thu được cho ta đường cong từ hóa sau :

Hình 1.4: So sánh các đường cong từ hóa của các mẫu C9 và C15

Hình trên cho ta thấy độ từ hóa bão hòa thay đổi khi ta thay đổi nồng độ OH- ban đầu Khi OH- thay đổi từ 0.1M đến 0.3M thì độ bão hòa tăng từ 59.11 emu/g đến 64.18

emu/g Như vậy, mặc dù nồng độ OH- ban đầu thay đổi không đáng kể, nhưng cũng có ảnh hưởng đến độ từ hóa bão hòa Ms

Tiếp tục phân tích đường cong từ hóa của hai mẫu hạt C9 và C42

Đây là hai mẫu hạt có chung các thông số thực nghiệm : cùng nồng độ muối sắt cũng như OH- ban đầu, phản ứng xảy ra ở 80oC Tuy nhiên , phản ứng tổng hợp mẫu C9 được thực hiện trong điều kiện bình thường , không sục khí ni tơ N2, còn mẫu C42 được sục khí N2 trong quá trình phản ứng

Kết quả nhận được khá rõ ràng Khi được sục khí N2 trong quá trình phản ứng, sản phẩm hạt tạo thành có độ từ hóa cao hơn hẳn so với phản ứng thông thường không được sục khí N2 : từ 59.11 emu/g ở mẫu hạt C9, độ từ hóa bão hòa đã nhảy vọt lên đến 70.73 emu/g ở mẫu C42 Kết quả này cho thấy việc sử dụng khí N2 vào quá trình phản ứng có ảnh hưởng rõ rệt đến kết quả đạt được

Yếu tố khảo sát cuối cùng là nhiệt độ phản ứng Nhiệt độ được thay đổi từ 65oC đến

45oC cho các phản ứng giống nhau, và đều được sục khí N2 Kết quả nhận được là đường cong từ hóa như hình sau :

Như vậy , nồng độ OH- ban đầu cũng như nhiệt độ không ảnh hưởng mạnh mẽ đến

độ từ hóa của sản phẩm hạt tạo thành như điều kiện sục khí N2 trong quá trình thực hiện phản ứng

I 3 3 Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Các hạt được khảo sát có dạng hình học và kích thước trung dựa trên các ảnh SEM Quan sát ảnh SEM của các mẫu hạt , ta có thể nhận thấy sự thay đổi trong kích thước hạt trung bình của các mẫu khảo sát Từ đó có thể phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước hạt như nồng độ OH- ban đầu, điều kiện phản ứng… có hay không sục khí

N2 trong quá trình thực nghiệm, nhiệt độ phản ứng , cũng như đã phân tích ở phần độ

từ hóa bão hòa trước đây

Trước hết , ta quan sát ảnh chụp SEM của hai mẫu hạt C19 và C15 là hai mẫu có điều kiện phản ứng giống nhau, chỉ khác nhau về nồng độ OH- ban đầu

Ảnh SEM của các mẫu hạt C9 và C15

Hình 1.7: Ảnh SEM của các mẫu C19 và C15

Ta có thể dễ dàng thấy mẫu hạt C15 (0.3M) có đường kính trung bình của hạt vào khoảng 17 – 20 nm Kích thước này khá gần với kết quả nhân được từ phổ tia X (XRD) Trong khi đó , đường kính hạt của mẫu C9 (0.1M) có kích thước hạt trung bình nhỏ hơn, khoảng 8 – 10 nm Như vậy khi tăng nồng độ OH- sẽ làm kích thước hạt tăng lên

Tiếp theo ta cũng khảo sát ảnh hưởng các điều kiện phản ứng đến kích thước hạt

Fe3O4 Yếu tố khảo sát đầu tiên là dung dịch phản ứng được sục khí trơ trong quá trình phản ứng

Ảnh SEM của hai mẫu C9 và C42 cho ta thấy kích thước trung bình của hạt nhỏ hơn

và phân bố đồng đều hơn khi quá trìnhphản ứng được sục khí N2 ; mẫu C42 có kích thước hạt trung bình chỉ vào khoảng 5 – 8 nm so với mẫu C9 ( 8 – 12 nm)

Yếu tố còn lại là nhiệt độ phản ứng Trong quá trình thực nghiệm này, các thông số phản ứng được giữ nguyên, chỉ có nhiệt độ phản ứng thay đổi từ 45oC đến 65oC

Hình 1.9: Ảnh SEM các mẫu C55, C65 và C75

Khi nhiệt độ phản ứng thay đổi, kích thước hạt Fe3O4 tạo thành cũng bị ảnh hưởng theo Các ảnh SEM từ hình trên cho thấy kích thước hạt tăng khi nhiệt độ phản ứng giảm Ở mẫu C55, nhiệt độ phản ứng cao nhất trong 3 mẫu, nhưng kích thước hạt khá nhỏ Các mẫu C65, C75, nhiệt độ phản ứng giảm đi thì kích thước hạt trung bình lại tăng lên Tuy nhiên, sự thay đổi kích thước này không đáng kể, nên có thể nói , yếu tố nhiệt độ không ảnh hưởng nhiều đến kích thước hạt tạo thành

Mẫu C75

Mẫu C75

) Mẫu MH- C15 80 KV

¾ KTTB: 16- 20 nm

9 Mẫu MH- C9 thế 60, 80 KV

¾ Hạt nhỏ, rất khó xác định,

dường như bị cluster

¾Hình ảnh mẫu khi invert lại màu

I.4 Tổng hợp chất lỏng từ

Một chất lỏng từ gồm có ba thành phần: hạt nano từ tính, chất hoạt hoá bề mặt

và dung môi Trong đó hạt nano từ tính là thành phần duy nhất quyết định tính chất từ của chất lỏng Chất hoạt hoá bề mặt có tác dụng làm cho hạt nano phân tán trong dung môi, tránh các hạt kết tụ lại với nhau ngay cả khi có mặt của từ trường Chất hoạt hoá

bề mặt còn có tác dụng “che phủ” hạt nano khỏi sự phát hiện của hệ thống bảo vệ cơ thể và tạo mối liên kết hoá học với các phân tử khác Dung môi là chất lỏng mang toàn

bộ hệ Mục tiêu phần thực nghiệm là tạo ra chất lỏng từ bằng phương pháp đồng kết tủa nhằm sử dụng cho các nghiên cứu y sinh học, cụ thể là làm chất tăng tính tương phản cho ảnh cộng hưởng từ Ở đây tôi chọn starch làm chất phủ hoạt hoá bề mặt,bởi

vì starch có tính tương thích sinh học, chi phí thấp Các tính chất cơ bản mà mẫu chất lỏng từ tạo thành cần phải có là thể hiện tính siêu thuận từ, không bị kết tụ, ở trạng thái huyền phù: lơ lững và phân bố đều trong môi trường dung dịch

I.4.1 Thiết bị thực nghiệm

- Máy khuấy bằng sóng siêu âm (công suất 750W)

-Một số cốc thí nghiệm, ống đong

-Dụng cụ nâng nhiệt và nhiệt kế -Nam châm vĩnh cửu

-Thiết bị đo độ pH - Máy sấy chân không

I.4.2 Hóa chất

- Ferric chloride hexahydrate {FeCl3.6H2O,99%}

-Ferrous chloride tetrahydrate {FeCl2.4H2O,99%}

-Natri hydroxit {NaOH }

-Khí Nitơ tinh khiết {N2,99%}

- H2O2 - Starch

Tính chất đặc trưng

+ Thành phần hóa học: nguồn gốc từ khoai tây với hai loại phân tử chính là

Cấu trúc phân tử của Amylose

Amylose (20-30%) và Amylopectin (70-80%)

thay đổi theo nhiệt độ: polyme mạch vòng (nhiệt độ phòng), tạo hệ thống mạch có dạng mạng lưới (nhiệt độ 900C)

một cách tự nhiên trong mô tế bào

I.4.3 Quy trình tổng hợp

-Hòa tan 1,08g (0,1M) FeCl2.4H2O và 2,94g (0,2M) FeCl3.6H2O (tỉ số mol Fe2+/

Fe3+ là 1:2) với 50ml H2O (hỗn hợp 1) Cho hỗn hợp 1 máy khuấy siêu âm để đưa nhiệt độ của hỗn hợp 1 lên 600C

- Nung 70ml H2O lên 900C và cho 6g Starch vào khuấy tan ta được hỗn hợp 2 Sau đó hạ ngay hỗn hợp 2 xuống 600C

- Cho từ từ hỗn hợp 1 vào hỗn hợp 2 (cả hai hỗn hợp đều ở 600C) ta được hỗn hợp 3

- Hoà tan 18g NaOH ( 1,5M ) vào 300ml H2O (hỗn hợp 4) Cho hỗn hợp 4 vào đầu khuấy siêu âm (với công suất của thiết bị siêu âm là 40%) và sục khí Nitơ liên tục, đồng thời nâng nhiệt độ hỗn hợp lên 600C

- Cho từ từ hỗn hợp 3 vào hỗn hợp 4 mỗi lần 5ml cách nhau 5 phút, thời gian

thực hiện công đoạn này khoảng 2 giờ (nhiệt độ của hỗn hợp khoảng 650C) Giữ hỗn hợp ở nhiệt độ này trong thời gian 30 phút

Cấu trúc phân tử của Amylopectin

- Tăng nhiệt độ của hỗn hợp từ từ trong thời gian 60 phút để nhiệt độ đạt được khoảng 86-900C và giữ nhiệt độ này trong thờì gian 30 phút

- Hạ nhanh nhiệt độ của dung dịch xuống 8-100C và để qua đêm

- Rửa mẫu bằng 5 lít nước cất (150C )

- Xử lý mẫu thu được bằng H2O2, cho vào máy ly tâm để lọc bỏ cặn, cuối cùng sản phẩm ta thu được là chất lỏng từ

Quy trình tổng hợp được mô tả bởi sơ đồ sau:

Starch (g)

Công suất (W)

I.4.4 Kết quả đo tính chất từ và phân tích cấu trúc

Trong phần thực nghiệm chúng tôi đã chọn và sử dụng chất xúc tác là NaOH với lượng vừa đủ bởi vì sau phản ứng sản phẩm phụ tạo thành chủ yếu là muối NaCl Với lớp phủ starch, lượng starch thừa sau phản ứng sẽ được lọc rửa bằng nước cất, sau

đó xử lý mẫu với H2O2 thu được sản phẩm là chất lỏng từ Sau đó chúng tôi tiến hành khảo sát cấu trúc, kích thước, dạng hình học và độ từ hóa của các hạt thông qua các thiết bị như TEM, FESEM, XRD và VMS nhằm đưa ra nhận xét và đánh giá kết quả ở phần thực nghiệm

I.4.5 Phân tích cấu trúc hạt

Các mẫu phân tích nhiễu xạ X-ray được sấy chân không dưới dạng bột mịn,phổ XRD được khảo sát với điện cực Cu-Kα, bước sóng λ=1.54056 A0, góc nhiễu xạ 2θ (từ15-

700, điện thế U= 35KV, cường độ I= 45mA) Từ hình cho thấy vị trí các đỉnh phổ đều tương ứng nhau và trùng với mẫu chuẩn của hạt Fe3O4 Điều này chứng tỏ các mẫu này có pha Fe3O4 được tạo thành và lớp phủ starch không làm thay đổi cấu trúc tinh thể của hạt Từ đỉnh XRD, kích thước của các hạt Fe3O4 có thể được tính theo công thức 5-7 Dựa vào công thức này, chúng tôi xác định được kích thước trung bình của các hạt được tạo ra trong quá trình thực nghiệm là 4-5nm

Mẫu H 4

I 4 5 Khảo sát tính chất từ

Tính chất từ của các mẫu được khảo sát bằng từ kế mẫu rung VMS tại Trung tâm

Khoa học vật liệu- Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội

Khi từ trường ngoài thay đổi, đường dốc ban đầu của đường cong từ hóa tăng lên tương đối nhanh, đường cong từ hóa của các mẫu chưa thực sự đạt đến giá trị bão hòa, nhưng lực kháng từ HC rất nhỏ và gần như không xuất hiện độ từ dư Điều này chứng

tỏ các mẫu thể hiện tính siêu thuận từ

So sánh các mẫu H9, H11, H12 có cùng khối lượng starch là 8g, với nồng độ NaOH thay đổi tương ứng là 1,5mol/l; 2mol/l; 2,25mol/l thì mẫu H9 có độ từ hóa cao nhất Vậy khi khối lượng starch không đổi thì độ từ hóa phụ thuộc vào nồng độ NaOH (hình 3.2)

So sánh H4, H8, H12 có cùng nồng độ NaOH là 2,25mol/l ; với khối lượng starch thay đổi tương ứng là 6g, 7g, 8g thì mẫu H8 có độ từ hóa là cao nhất Điều này cho thấy khi nồng độ NaOH không đổi thì độ từ hóa phụ thuộc vào khối lượng starch (hình 3.3)

-10000 -5000 0 5000 10000 -25

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

Hình 3.2 Đường cong từ hóa của các mẫu H9, H 11 , H 12

-10000 -5000 0 5000 10000 -25

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

Hình 3.3 Đường cong từ hóa của các mẫu H4 , H 8 , H 11

Từ các kết quả trên cho thấy, độ từ hóa của mẫu phụ thuộc vào nồng độ của NaOH và khối lượng của starch So sánh giữa các mẫu đã khảo sát thì mẫu H8 với khối lượng của muối Fe2+ là 1,08g , muối Fe3+ là 2,94g; nồng độ của NaOH là 2,25 và khối lượng của starch là 7g với nhiệt độ phản ứng 60-900C, công suất máy siêu âm là 300W thì mẫu đạt được độ từ hóa cao nhất là 21 emu/g

So sánh với kết quả từ bài báo “Characterization and MRI study of coated superparamagnetic nanoparticles administered into the rat brain” của các tác

surfactant-giả D.K Kim, Y Zhang, J Kehr, T Klason, B Bjelke, M Muhammed trên Tạp chí Journal of Magnetism and Magnetic Materials 225 (2001)

256-261 Ta nhận thấy, độ từ hóa của các mẫu tổng hợp (kích thước trung bình của hạt

từ 4-5nm) và được phủ Starch so với độ từ hóa của các mẫu từ bài báo (kích thước trung bình của hạt từ 2-6nm) và được phủ polyoxyethylene (10) oleyl ether là cao hơn rất nhiều Đây chỉ là sự so sánh tương đối vì 2 lớp phủ là khác nhau, tuy nhiên nếu xét

về mặt kích thước thì vẫn có thể so sánh được

I.4.6 Dạng hình học và kích thước

Sau khi phân tích cấu trúc và khảo sát tính chất từ của hạt chúng tôi tiến hành

khảo sát dạng hình học và kích thước trung bình của mẫu chất lỏng dựa vào ảnh TEM (hình 1.12) và ảnh FESEM (hình 1.13)

Khảo sát bằng ảnh TEM và FESEM cho thấy các hạt magnetite phần lớn có dạng hình cầu, có kích thước tương đối đồng đều, đường kính trung bình cỡ 4-5nm đối với hạt phủ starch

Các hạt magnetite có màu đen với độ phân tán của các hạt khá đồng đều Kích

Hình 3.4 Đường cong từ hóa của mẫu Fe3O4 phủ olyoxyethylene (10) oleyl ether [44].

thước hạt được khảo sát bằng ảnh TEM cho kết quả rất phù hợp với sự phân tích của nhiễu xạ tia X

I.5 Ứng dụng và kiểm nghiệm

Ở phần này, chúng tôi tiến hành chọn mẫu chất lỏng từ đã tạo ra để tiến hành nghiên cứu ứng dụng và kiểm nghiệm Trong đó, mẫu được chọn phải ổn định, có độ

từ hoá bão hoà cao, phân tán đều trong dung môi Mẫu chúng tôi chọn để tiến hành

kiểm nghiệm là QT2 (nồng độ 60mg/ml) Nội dung tiến hành ứng dụng và kiểm

nghiệm bao gồm : Thử độc tính cấp, kiểm nghiệm chí nhiệt tố (chất sinh nhiệt), chụp ảnh MRI

I.5.1: Thử nghiệm độc tính cấp :

Nơi thực hiện : Bộ Môn Dược Lý và Dược Lâm Sàng – Trường Đại học Y

Dược TP.HCM

Đối tượng : Chuột nhắt trắng, giống Swiss

Nơi cung cấp : Viện Pastuer Nha Trang

Đường khảo sát : tiêm tĩnh mạch : 0,1 – 0,2 ml/10g Chuột

Xác định độc tính cấp thuốc ở động vật thí nghiệm là vấn đề rất cần thiết Đó là một thông số rất quan trọng để đánh giá độc tính cũng như độ an toàn của thuốc; là hướng để giải quyết liều dùng trong các nghiên cứu thực nghiệm dược lý một cách đúng đắn; là cơ sở để xác định chỉ số điều trị, một thông số rất quan trọng để xác định xem có nên đưa thuốc vào dùng trên người hay không và cũng là cơ sở để suy ra liều dùng trong điều trị ở người

Việc xác định độc tính cấp là bắt buộc khi nghiên cứu một thuốc, dù đó là thuốc

từ hoá chất, thuốc tổng hợp, thuốc bán tổng hợp, thuốc chiết xuất từ dược liệu, nấm mốc hoặc khi nghiên cứu một dược liệu nào đó

I.5.1.1 Định nghĩa :

1 Độc tính của thuốc : là tính gây độc của một chất đối với cơ thể sinh vật

Độc tính của thuốc là tính chất được biểu hiện bằng tác dụng không mong muốn, có hại cho cơ thể Độc tính của thuốc có thể nhẹ như buồn nôn, mẩn ngứa, có thể rất nặng, thậm chí chết người Độc tính được chia ra các dạng : độc tính cấp và độc mạn tính

2 Độc tính cấp : độc tính cấp của thuốc là xảy ra sau khi dùng thuốc một lần

hoặc mấy lần trong ngày

Nghiên cứu độc tính cấp của thuốc trên động vật thí nghiệm, chủ yếu là xác định liều chết trung bình(mean lethal dose) tức là liều làm chết 50% số con vật thí nghiệm, trong những điều kiện nhất định và được ký hiệu là LD50(lethal dose 50%), biểu thị lượng chất độc (mg) đối với 1kg trọng lượng cơ thể có thể gây ra 50% cá thể vật thí nghiệm (thường là chuột và thỏ) LD50 khác nhau tuỳ loại chất độc, con đường xâm nhập(qua miệng, qua da…) vào vật thí nghiệm Nếu chất độc lẫn với không khí (hơi độc, hay ở trong nước) thì ký hiệu LC50 (lethal concentration 50) biểu thị lượng chất độc (mg) trong 1mm3 không khí hoặc 1 lít nước có thể gây chết 50% cá thể thí nghiệm LD50 và LC50 càng thấp chứng tỏ độ độc tính càng cao

3.Độc mạn tính (độc trường diễn) : chỉ khả năng tích luỹ chất độc trong cơ

thể, khả năng gây đột biến, gây ung thư hoặc quái thai, dị dạng

4 Liều chết viết tắt là LD(lethal dose) : là liều gây chết con vật dùng thuốc

Liều chết không áp dụng thử cho người mà chỉ thử trên các con vật thí nghiệm

5 Liều chết tuyệt đối viết tắt là ALD(Absolute lethal dose), thường được ký

hiệu là LD100 là liều nhỏ nhất gây chết 100% các con vật thí nghiệm Tất nhiên, nếu dùng liều cao hơn LD100 thì tất cả các con vật thí nghiệm đều chết cả

6 Liều chết trung bình viết tắt là MLD(methal lethal dose), thường được ký

hiệu là LD50 : là liều làm chết 50% con vật thí nghiệm

7 Liều chết tối thiểu, ký hiệu là LD5 : là liều làm chết 5% số con vật thí nghiệm Có tài liệu quan niệm liều chết tối thiểu là LD25 tức là liều làm chết 25% con vật thí nghiệm

8 Liều dưới liều chết(infralethal dose) ký hiệu là LD 0 : là liều lớn nhất, nhưng không làm chết con vật nào

I.5.1.2 Tầm quan trọng của việc xác định LD 50 :

1 LD50 là một thông số rất quan trọng để đánh giá độc tính của thuốc

2 Biết LD50 sẽ có phương hướng dùng liều thí nghiệm dược lý một cách đúng đắn

3 Liều LD50 và liều có tác dụng dược lý trên động vật thí nghiệm là một trong những cơ sở để suy ra liều dùng trong điều trị ở người dựa vào một số phương pháp tính toán ngoại suy

4 Biết LD50 mới xác định được chỉ số điều trị là một thông số rất quan trọng để quyết định xem có nên đưa thuốc vào dùng trên người hay không

Chỉ số điều trị TI(therapeutic index) là tỉ số giữa liều chết trung bình LD50 và liều hữu hiệu trung bình ED50 :

Chỉ số điều trị được tính ở cùng một loại động vật thí nghiệm và cho khái niệm

về phạm vi điều trị Nếu thử trên các loại động vật khác nhau thì phải dùng phép ngoại suy

Một chất có TI ≥ 10 dùng được trong điều trị và ít gây ra độc hại, nếu dùng ở liều điều trị Nếu chỉ số điều trị càng lớn thì phạm vi điều trị càng lớn và độc tính càng thấp Ví dụ penicilin có TI > 100 nên dùng rất an toàn(trừ những trường hợp có đặc ứng)

Một chất có TI < 10 chỉ dùng trong điều trị nếu :

a) Có tác dụng điều trị rất rõ rệt

b) Chưa có thuốc nào an toàn hơn thay thế

Khi dùng phải rất thận trọng, theo dõi sát tác dụng phụ có hại

I.5.1.3 Tiến hành thử nghiệm :

- Mục đích : xác định liều tối đa để chuột sống 100% và liều tối thiểu gây chết 100% chuột Từ đó đưa ra giá trị an toàn của mẫu thử nghiệm

- Thú thử nghiệm : Chuột nhắt trắng giống Swiss albino, thể trọng 25-30g

do Viện Pastuer Nha Trang cung cấp

- Đường sử dụng : tiêm tĩnh mạch đuôi chuột

- Thể tích tiêm : 0,1-0,2ml/10g chuột

- Liều thử nghiệm : dựa trên liều sử dụng bình thường của người (60mg/60kg), 60mg/ml

- Thời gian theo dõi : 24 – 72 giờ sau khi tiêm

I.5.1.4 Kết quả thử nghiệm :

- Liều 400mg/kg nồng độ khảo sát 40mg/ml trên 8 chuột : tương ứng với

400 lần liều sử dụng ở người (0,1ml/10g) 100% chuột còn sống sau 14 ngày thử nghiệm

- Liều 500mg/kg, nồng độ khảo sát 60mg/ml và 40mg/ml trên 3 chuột: tương ứng với 500 lần liều sử dụng ở người (0,1ml/10g) 2/3 chuột còn sống sau khi tiêm 14 ngày thử nghiệm 1/3 chuột chết ngay sau khi tiêm

- Liều 600mg/kg, nồng độ khảo sát 60mg/ml (trên 8 chuột) : tương ứng với

600 lần liều sử dụng ở người (0,1ml/10g) 6/8 chuột chết sau khi tiêm

- Liều 750mg/kg, 0,2ml/10g nồng độ khảo sát 40mg/ml (trên 11 chuột): tương ứng 750 lần liều sử dụng ở người 10/11 chuột chết sau khi tiêm

- Liều 800mg/kg, 0,2ml/10g, pha 40mg/ml (trên 10 chuột) : tương ứng 800 lần liều sử dụng ở người 9/10 chuột chết sau khi tiêm

- Liều 900mg/kg, 0,15ml/10g, nồng độ khảo sát 60mg/ml (trên 4 chuột) : tương ứng 900 lần liều sử dụng ở người 4/4 chuột chết ngay sau tiêm

- Liều 1200 mg/kg, 0,2ml/10g, nồng độ khảo sát 60mg/ml: tương ứng 1200 lần liều sử dụng ở người 3/3 chuột chết

I.5.1.5 Bàn luận và kết quả :

- Nồng độ 40mg/ml ở liều 400mg/kg (tức là liều gấp 400 lần liều dùng ở người) không gây tử vong cho chuột nhắt khi tiêm tĩnh mạch Vậy LD0 trên chuột nhắt trắng tiêm tĩnh mạch của chất khảo sát là 400mg/kg gấp 400 lần liều dùng

- Nồng độ ở liều từ 900mg/kg trở lên gây tử vong cho 100% chuột nhắt trắng khi tiêm tĩnh mạch LD100 trên chuột nhắt trắng tiêm tĩnh mạch của chất khảo sát nằm trong khoảng 800 – 900mg/kg, gấp 900 lần liều sử dụng cho người

Từ kết quả trên ta thấy rằng : LD0 là 400mg/kg (không chết chuột nào) đây

là giá trị an toàn rất cao(liều an toàn cho phép là 300mg/kg) hay có tính tương thích sinh học

I.5.2: Kiểm nghiệm chất sinh nhiệt (chí nhiệt tố) :

Nơi thực hiện :Bộ môn Dược Lý và Dược Lâm Sàng – Trường Đại học Y

I.5.2.2: Kỹ thuật :

I.5.2.2.1 Chuẩn bị thí nghiệm :

* Phương pháp lấy thân nhiệt thỏ :

• Giữ thỏ cố định trong hộp

• Vẫy nhiệt kế đưa mực thuỷ ngân nhiệt xuống dưới vạch 350C

• Kéo đuôi thỏ ra, một tay nắm đuôi và một phần da lưng của thỏ, nhấc thỏ lên tạo một góc 450-600, nhẹ nhàng đưa nhiệt kế vào hậu môn thỏ sâu 4-5 cm rồi giữ yên Sau 2 phút, rút nhiệt kế ra, nhanh chóng dùng giấy chùi sạch nhiệt kế rồi đọc kết quả

• Khoẻ mạnh, không bị nấm mốc, ghẻ lở, tiêu chảy

Các thỏ chọn đủ điêu kiện trên được theo dõi trong 3 ngày trước khi kiểm nghiệm về sức khoẻ, trọng lượng và thân nhiệt

• Xem xét thỏ vẫn khoẻ mạnh, không bị bệnh

• Cân thỏ

• Để thỏ nằm yên trong hộp 1 giờ 30 phút, lấy thân nhiệt thỏ 3 lần, mỗi lần cách nhau 1 giờ

Điều kiện thỏ dùng làm thử nghiệm :

• Khoẻ mạnh, không ghẻ, nấm, tiêu chảy

• Trọng lượng khoảng 1,7-2,7 kg

• Thân nhiệt nằm trong khoảng 38,8 – 39,50C

• Thân nhiệt thay đổi giữa các lần đo trong ngày nhỏ hơn 0,20C

• Sự thay đổi thân nhiệt trung bình của ngày giữa các ngày nhỏ hơn 0,50C

Trong thời gian lấy theo dõi trước khi làm thử nghiệm, mỗi lô thỏ được nuôi ở chuồng riêng, cho ăn đầy đủ và đồng đều sao cho trọng lượng không thay đổi (không quá 50g), tránh những kích thích bên ngoài như ánh sáng, tiếng ồn…

I.5.2.2.2: Tiến hành thí nghiệm :

* Xác định thân nhiệt chuẩn :

• Kiểm tra lại các điều kiện thỏ đạt tiêu chuẩn dùng để thử nghiệm chất sinh nhiệt trước khi tiến hành thí nghiệm

+ Xem xét tình trạng sức khoẻ của thỏ + Cân thỏ

+ Xác định nhiệt độ chuẩn của thỏ

• Để thỏ nằm trong hộp nghỉ 1 giờ 30 phút Xác định nhiệt độ chuẩn của thỏ bằng cách đo thân nhiệt 2 lần, cách nhau 20 phút Thân nhiệt chuẩn là thân nhiệt trung bình giữa 2 lần đo

• Thân nhiệt giữa 2 lần đo không được thay đổi quá 0,20C

• Thân nhiệt chuẩn của thỏ không được thay đổi quá 0,50C(>0,50C) so với thân nhiệt trung bình ngày hôm trước

* Thử nghiệm chất sinh nhiệt với mẫu tổng hợp :

• Hâm nóng mẫu chất lỏng từ Fe3O4 lên đến 370C

• 15 phút sau khi đo thân nhiệt lần 2, tiêm chậm vào tĩnh mạch vành tai thỏ 1 thể tích tương ứng

• Ghi nhiệt độ của thỏ 1 giờ - 2 giờ - 3 giờ sau khi bơm mẫu vào tĩnh mạch thỏ

• Tính sự tăng thân nhiệt của thỏ bằng cách lấy nhiệt độ tối đa sau khi tiêm trừ đi thân nhiệt chuẩn của thỏ trước khi tiêm

I.5.2.2.3: Đánh giá kết quả :

- Dung dịch không có chí nhiệt tố :

• Cả 3 thỏ đều có độ tăng thân nhiệt của thỏ nhỏ hơn 0,60C

• Tổng độ tăng thân nhiệt của thỏ lớn hơn 1,40C Khi nghi ngờ dung dịch có chứa chất sinh nhiệt phải tiến hành thử tương tự thêm trên 5 thỏ khác

Đánh giá kết quả :

• Dung dịch không có chí nhiệt tố khi : không quá 3 thỏ có độ tăng thân nhiệt bằng hoặc hơn 0,6 và tổng độ tăng thân nhiệt của 8 con thỏ phải nhỏ hơn hoặc bằng 3,7 0C

• Dung dích có chí nhiệt tố khi 1 trong 2 điều kiện trên không đạt Kết quả thí nghiệm thu được :

đa STT

Trọng

lượng

(kg)

Giờ lấy nhiệt

Thân nhiệt chuẩn

Liều dùng (ml)

1 giờ 2 giờ 3 giờ Giảm Tăng Thỏ

10h30 38,8o 10h50 38,8o

39,3o 1,724 39,5o 39,7o 39,7o 0,4o

Biện luận kết quả : Dựa trên những số liệu thu thập được từ thí nghiệm và so

sánh với những nguyên tắc của kiểm nghiệm chất sinh nhiệt(độ tăng thân nhiệt của mỗi thỏ nhỏ hơn 0,60C và tổng độ tăng của 3 thỏ không quá 1,40C), kết luận rằng mẫu

kiểm nghiệm nêu trên không có chứa chất sinh nhiệt, tức mẫu thử nghiệm trên có tính tương thích sinh học

I.5.3 Chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) :

Nơi thực hiện : Bệnh viện Chợ Rẫy – TP.HCM

Đối tượng : Thỏ (2,2kg) Đường tiêm : tĩnh mạch

Lượng tiêm : dd 0,5ml (0,2ml chất lỏng từ Fe3O4 + 0,3ml nước cất pha tiêm)

Gây mê thỏ bằng Uretal 25%

I.5.3.1:Kết quả hình ảnh thu được :

Hình 1.14: Lấy thân nhiệt của Thỏ

Hình 1.15: Gan Thỏ trước khi tiêm chất lỏng từ Fe O

CHO RAY HOSPITAL Avanto FFS

Hình 1.18: Xương sống Thỏ khi chưa

tiêm chất lỏng từ Fe 3 O 4

CHO RAY HOSPITAL Avanto FFS

Hình 1.19: Xương sống Thỏ sau khi

tiêm 18phút

CHO RAY HOSPITAL Avanto FFS

Hình 1.16: Gan Thỏ sau khi tiêm 2 phút

CHO RAY HOSPITAL Avanto FFS

Hình 1.17: Gan Thỏ sau khi tiêm 15 phút

CHO RAY HOSPITAL Avanto FFS

I.5.3.2 Biện luận kết quả :

Khi tiêm đường tĩnh mạch, chất lỏng từ được phân bố hầu hết trong cơ thể của Thỏ thông qua các mạch máu

Ở hình 1.15 khi chưa tiêm chất lỏng từ Fe3O4 vào Thỏ thì hình ảnh gan của thỏ không được thấy rõ ràng, các mạch máu rất mờ, điều đó xác định chính xác vùng của gan là khó khăn Hình 1.16 và 1.17 khi tiêm chất lỏng từ Fe3O4 vào Thỏ thì biểu hiện độ tương phản rõ rệt, các mạch máu ở gan thể hiện rõ nét hơn so với hình 1.15 (hình 1.17 thể hiện độ tương phản tốt hơn hình 1.16 vì tại thời điểm chụp ảnh lượng chất lỏng từ Fe3O4 vào trong gan nhiều hơn )

Tương tự, hình 1.19 cũng thể hiện độ tương phản tốt hơn hình 1.18 Điều này chứng tỏ, chất lỏng từ cũng hiện diện trong xương sống của Thỏ

2 Quy trình bọc lớp thích nghi sinh học:Đã xây dựng được quy trình bọc các

hạt nanô ôxít sắt bằng lớp polimer hữu cơ có họat tính sinh học Starch

3 Quá trình thử nghiệm trên động vật: Chúng tôi đã thử nghiệm trên chuột và

thỏ và theo dõi các động vật đã thử nghiệm trong 30 ngày, kết quả cho thấy rằng : Thỏ (thử chí nhiệt tố) và Chuột (thử độc tính cấp) với LD0 vẫn sống bình thường, không có đột biến nào bất thường, nhiệt độ cơ thể ổn định Điều đó chứng tỏ, chất lỏng từ Fe3O4 được thử nghiệm trên Thỏ và Chuột có tính tương thích sinh học

4 Chụp ảnh cộng hưởng từ: Các hình ảnh chụp cho thấy chất lỏng từ chế tạo ra

làm gia tăng độ sắc nét hình ảnh, hỗ trợ cho chẩn đoán bệnh đươc chuẩn xác hơn

PHẦN II:

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP GLUCONAT MỘT SỐ MUỐI KIM LOẠI ỨNG DỤNG TRONG PHÒNG CHỐNG BỆNH THIẾU MÁU DO

THIẾU SẮT

II 1 Nội dung nghiên cứu

- Tổng hợp canxi gluconat bằng phương pháp hóa học từ nguyên liệu đầu là acid gluconic và CaCO3 Phản ứng xảy ra nhanh, sản phẩm phụ là CO2 và H2O không ảnh hưởng đến sản phẩm phản ứng Ngoài khuấy từ thông thường có thể tiến hành được một số cải tiến trong phương pháp tổng hợp như sử dụng kỹ thuật siêu âm và vi sóng

So sánh hiệu suất tổng hợp bằng phương pháp khuấy cổ điển với hiệu suất tổng hợp bằng kỹ thuật siêu âm và vi sóng

- Tổng hợp các muối sắt, đồng mangan gluconat bằng phản ứng trao đổi giữa canxi gluconat và các muối sunfat tương ứng (phản ứng tổng hợp sắt(II), mangan(II) gluconat được thực hiện trong môi trường khí trơ) Phương pháp tổng hợp này có ưu điểm là sản phẩm phụ CaSO4 ít tan, dễ dàng loại ra khỏi hỗn hợp phản ứng, sản phẩm sinh ra có độ sạch cao Thêm vào đó, có thể kiểm tra độ chuyển hóa của phản ứng và tính được hiệu suất phản ứng dựa vào lượng CaSO4 sinh ra

II 2 Phương pháp nghiên cứu

II 2 1 Tổng hợp canxi gluconat

- Khảo sát hiệu suất chuyển hóa theo nhiệt độ và thời gian phản ứng khi sử dụng khuấy

từ, thanh siêu âm (tần số 50 kHz) và bồn siêu âm (tần số 45 kHz)

- Sản phẩm được xác định một số hằng số vật lý như đo điểm nóng chảy, độ quay cực

và được nhận danh bằng phổ IR, UV-Vis, 1H-NMR, 13C-NMR

II 2 2 Tổng hợp sắt (II), sắt (III), đồng (II), mangan(II) gluconat

- Khảo sát nhiệt độ phản ứng và thời gian khuấy cơ học, xác định điều kiện mà phản ứng cho độ chuyển hóa tốt nhất

- Cách tính hiệu suất phản ứng: CaSO4 sinh ra trong phản ứng có tích số tan rất nhỏ (T=6,1.10-5 ở 10°C), độ tan của CaSO4 trong H2O ở 40-60°C là 0,211% - 0,200%, do

m canxi gluconat thực tế

m canxi gluconat lý thuyết

OH OH

OH HO

sử dụng thiết bị nào là hiệu quả trong phản ứng này

Sản phẩm sau khi điều chế được tinh chế sạch và xác định điểm nóng chảy, đo độ quay cực [α]D, phân tích bằng phổ IR, UV- Vis, 1H- NMR và 13C-NMR

II.3 1 Tổng hợp canxi gluconat bằng phương pháp khuấy từ

Chúng tôi bắt đầu khảo sát điều kiện tối ưu sử dụng cho phản ứng tổng hợp canxi gluconat bằng máy khuấy từ đây là thiết bị khuấy đơn giản, dễ thực hiện và đã được đề cập trong các tài liệu tham khảo của các tác giả trước Quá trình khảo sát mở đầu từ việc quy hoạch thực nghiệm

Quy hoạch thực nghiệm phản ứng tổng hợp canxi gluconat

Nhằm khảo sát những yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng tổng hợp canxi gluconat, chúng tôi tiến hành xác định phương trình hồi quy về hiệu suất phản ứng bằng ma trận mở rộng của phương pháp hoạch định thí nghiệm nhân tố toàn phần với hai yếu tố:

- Nhiệt độ phản ứng x1 (°C)

m CaSO4 gluconat sinh ra lí thuyết

m CaSO4 gluconat sinh ra thực tế

- Thời gian phản ứng x2 (phút)

Vậy: n = 2

Mỗi yếu tố được khảo sát ở hai mức: mức thấp và mức cao Khi đó:

- Tổng số thí nghiệm: N = 2n = 22 = 4

- Thí nghiệm tại tâm được thực hiện ba lần trong cùng điều kiện như nhau về thời gian

và nhiệt độ phản ứng Mỗi thí nghiệm tại tâm này được tiến hành với 7.84 g acid gluconic 50% (0.02 mol), 1.00 g CaCO3 (0.01 mol), khuấy từ có gia nhiệt (khoảng

1000 vòng/ phút)

Các nhân tố khảo sát trong thí nghiệm hoạch định được cho trong bảng 2.1

Kết quả các thí nghiệm hoạch định được trình bày trên bảng 2.2

Bảng 2.1: Các nhân tố phản ứng trong tổng hợp canxi gluconat

Quan sát Nhân tố phản ứng

Thấp Cơ sở Cao

Tối ưu hóa thực nghiệm

Từ chương trình hồi quy thu được, chúng tôi tiếp tục tiến hành tối ưu hóa thực nghiệm bằng phương pháp leo dốc nhằm xác định điều kiện tối ưu cho phản ứng tổng hợp canxi gluconat để thu được lượng sản phẩm nhiều nhất Kết quả tối ưu hóa thực nghiệm được trình bày ở trong phần Phụ lục 1

Bảng 2.2: Kết quả tối ưu hóa tổng hợp canxi gluconat bằng phương pháp leo dốc

Số thí nghiệm Nhiệt độ phản ứng x 1 (°C) Thời gian phản ứng x 2 (giờ) Hiệu suất(%)

Nhận xét và biện luận kết quả

Vì hai hệ số b1 và b2 đều có ý nghĩa, nên cả hai nhân tố: nhiệt độ phản ứng (x1) và thời gian phản ứng (x2) đều có ảnh hưởng mạnh đến quá trình phản ứng:

♦ b1 = 4.4775: chứng tỏ trong vùng khảo sát, nhiệt độ và hiệu suất phản ứng tỉ lệ thuận với nhau, có nghĩa là nhiệt độ phản ứng tăng thì hiệu suất phản ứng cũng tăng

♦ b2 = 4.8275: chứng tỏ trong vùng khảo sát, thời gian và hiệu suất phản ứng tỉ lệ thuận với nhau, có nghĩa là khi thời gian phản ứng tăng thì hiệu suất phản ứng cũng tăng

♦ Do b1 và b2 dương nên chúng tôi tăng các yếu tố: nhiệt độ và thời gian phản ứng nhằm khảo sát sự biến thiên của Y (hiệu suất tương ứng của canxi gluconat) thu được Kết quả của các phản ứng đã được tối ưu hóa ở bảng 2.2đã khẳng định sự phù hợp của nhận xét trên

♦ Từ các kết quả thực nghiệm ở bảng 2.2 cho thấy điều kiện tối ưu cho phản ứng tổng hợp canxi gluconat là:

ƒ Nhiệt độ phản ứng 80-85 °C

ƒ Thời gian phản ứng 90 phút

Tuy nhiên, nếu ta tăng thời gian và nhiệt độ phản ứng đến một giới hạn nào đó thì hiệu suất phản ứng gần như ít hoặc không thay đổi Thí dụ: qua bảng 7 thì chúng tôi nhận thấy nếu tăng nhiệt độ và thời gian phản ứng hơn 80°C và 90 phút thì hiệu suất phản ứng không tăng lên nữa

Như vậy, phản ứng tổng hợp canxi gluconat có thể thực hiện dễ dàng với tác chất acid gluconic 50% và canxi cacbonat bằng máy khuấy từ có gia nhiệt và cho hiệu suất tổng hợp khá tốt (94.88%)

Mặt khác, qua thực nghiệm chúng tôi nhận thấy trong phản ứng tổng hợp canxi gluconat cần lưu ý các vấn đề sau:

Cần phải lắp sinh hàn hồi lưu để khí CO2 thoát ra khỏi bình phản ứng đồng thời thể tích hỗn hợp phản ứng không thay đổi Tuy nhiên nếu ta thực hiện phản ứng trong bình không đậy kín nắp và không gắn sinh hàn hồi lưu thì vẫn đảm bảo cho khí CO2 thoát

ra mà lượng nước bay hơi không đáng kể Điều này làm cho hệ thống dụng cụ phản ứng đơn giản hơn, nếu tổng hợp lượng lớn thì điều này rất có ý nghĩa

- Sản phẩm canxi gluconat sau khi phản ứng được lọc và kết tinh trong cồn 96°, sau đó rửa bằng nước để loại hết acid gluconic còn dư, lại được tái kết tinh trong cồn Cách tinh chế này tuy cho sản phẩm canxi gluconat sạch nhưng lại có nhược điểm là hao tốn

dung môi, nếu tổng hợp lượng lớn thì lượng dung môi hao tốn là rất đáng kể Cho nên,

có thể kết tinh canxi gluconat bằng cách lấy hỗn hợp sau phản ứng lọc, cô dịch lọc còn khoảng 1/3 thể tích rồi để yên qua đêm Canxi gluconat sẽ đông lại và thu được ở dạng nhão Tuy vẫn còn chứa lượng acid gluconic dư nhưng nếu ta nâng cao hiệu suất tổng hợp ( > 90%) thì lượng acid dư này không đáng kể Canxi gluconat dạng nhão có thể được sử dụng cho những phản ứng tổng hợp tiếp theo

Một số đồ thị biểu diễn hiệu suất phản ứng theo nhiệt độ và thời gian phản ứng Bảng 2.3: Bảng biến thiên của hiệu suất canxi gluconat theo nhiệt độ phản ứng

Nhiệt độ (°C) Hiệu suất (%)

Đồ thị 2.1: Biểu diễn hiệu suất tổng hợp canxi gluconat theo nhiệt độ phản ứng

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Bảng 2.4: Bảng biến thiên của hiệu suất canxi gluconat theo thời gian phản ứng

Thời gian (phút) Hiệu suất (%)

Đồ thị 2.2 : Biểu diễn hiệu suất tổng hợp canxi gluconat theo thời gian phản ứng

II 2 Tổng hợp canxi gluconat bằng phương pháp vi sóng

Nhằm cải tiến phương pháp tổng hợp canxi gluconat, chúng tôi đã tiến hành khảo sát phản ứng trên các thiết bị hiện đại như lò vi sóng, thanh siêu âm, bồn siêu âm hiệu suất tổng hợp bằng các thiết bị trên được so sánh với hiệu suất tổng hợp bằng khuấy từ

cổ điển, từ đó nhận định xem các thiết bị trên có ưu điểm hơn và thay đổi được thiết bị khuấy từ cổ điển hay không

Mỗi phản ứng tổng hợp canxi gluconat được tiến hành với 3.92 g acid gluconic 50% (0.01 mol) và 0.5 g CaCO3 (0.005 mol), khuấy trộn đều ở nhiệt độ phòng, sau đó thực hiện phản ứng trong lò vi sóng, công suất là 450 W Tiến hành khảo sát thời gian phản ứng theo cac mức: 6 phút (mức 1), 8 phút (mức 2), 10 phút (mức 3) Kết quả thí nghiệm được ghi nhận trong bảng 2.5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100