Chức năng hóa bề mặt hạt nano ôxít sắt từ fe3o4 với 1,1 ’ carbonyldiimidazole (CDI) nhằm ứng dụng cho cấy ghép tủy lu

Tôi xin cảm ơn sự tận tâm và sự hỗ trợ giúp đỡ trong việc cung cấp các tài liệu nghiên cứu của ThS Tạ Thị Kiều Hạnh, các anh chị phụ trách phòng thí nghiệm Kĩ Thuật Cao, PTN Vật liệu và

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHAN BÁCH THẮNG

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2014

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc sự hướng dẫn tận tình về mặt khoa học và sự giúp đỡ động viên tinh thần quý báu của TS Phan Bách Thắng, phó trưởng khoa Khoa học Vật liệu, trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án thạc sĩ này từ năm 2013 cho đến nay

Tôi xin cảm ơn sự tận tâm và sự hỗ trợ giúp đỡ trong việc cung cấp các tài liệu nghiên cứu của ThS Tạ Thị Kiều Hạnh, các anh chị phụ trách phòng thí nghiệm Kĩ Thuật Cao, PTN Vật liệu và Linh Kiện Màng Mỏng, PTN Polymer, PTN Công nghệ sinh học phân tử và môi trường khoa Sinh học trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh; đã tạo điều kiện tốt nhất về cơ sở vật chất cũng như tinh thần để tôi thực hiện thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất

Cám ơn các bạn, các em cùng làm trong phòng thí nghiệm Kĩ Thuật Cao đã giúp tôi suốt thời gian thực hiện luận văn tại phòng thí nghiệm Cám ơn các anh, chị em đồng nghiệp đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành khóa luận

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình tôi là những người lo lắng, giúp đỡ và động viên để tôi vượt qua những khó khăn để có thể hoàn thành khóa học cũng như luận văn này

Mặc dù tôi đã cố gắng để hoàn thành cuốn luận văn này nhưng không tránh khỏi có những thiếu xót, rất mong sự thông cảm, góp ý của quí thầy cô và các bạn

Tp Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 10 năm 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và tài liệu trong luận án là trung thực và có dẫn nguồn cụ thể, các kết luận khoa học trong luận án là kết quả của quá trình nghiên cứu khoa học một cách nghiêm túc của tôi

Tác giả luận án

Lê Thị Thu Hà

Mục lục

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

Danh mục bảng 7

Danh mục hình 8

LỜI MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 13

1.1 Lý thuyết về từ học 13

1.1.1.Các khái niệm cơ bản 13

1.1.2.Phân loại các vật liệu từ 14

a) Vật liệu nghịch từ 14

b) Vật liệu thuận từ 15

1.1.3.Vật liệu siêu thuận từ 15

a) Đômen từ 15

b) Tính chất siêu thuận từ 17

1.1.4 Chu trình từ trễ và đường cong từ trễ 18

1.2 Ôxít Sắt 19

1.2.1.Các dạng tinh thể của sắt ôxít 19

1.2.2.Sự biến đổi và ổn định của magnetite 21

1.2.3.Tính siêu thuận từ của các hạt nanô ôxít sắt từ Fe3O4 22

1.3 Chế tạo hạt nanô từ tính bao bọc trong một chất khác 23

1.4 Chức năng hóa bề mặt bằng vật liệu hữu cơ và vô cơ 24

1.4.1.Chức năng hóa bề mặt bằng vật liệu hữu cơ 24

a) Sơ lược về axit oleic (OA) 24

b) Sơ lược về 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPS): 25

1.4.2.Chức năng hóa bề mặt bằng vật liệu vô cơ 26

1.5 Sơ lược về sự ứng dụng của nanô từ tính trong y-sinh học 28

1.5.1.Phân tách và đánh dấu tế bào 28

1.5.2.Dẫn truyền thuốc 29

1.5.3.Tăng thân nhiệt cục bộ 31

1.6 Sơ lược về protein BSA 32

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33

2.1 Phương pháp nghiền 33

2.2 Phương pháp hóa học 33

2.2.1.Phương pháp đồng kết tủa 34

2.2.2.Phương pháp Stober 35

2.3 Phương pháp tạo lớp bao phủ SiO2 lên hạt nanô ôxít sắt từ 37

2.3.1.Quá trình sol-gel 37

a) Phản ứng thủy phân 37

b) Phản ứng ngưng tụ 37

2.3.2.Phương pháp micelle 37

2.4 Phương pháp phân tích 38

2.4.1.Phân tích cấu trúc bằng phổ nhiễu xạ tia X 38

2.4.2.Máy đo phổ hấp thụ hồng ngoại 38

2.4.3.Từ kế mẫu rung 39

2.4.4.Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 40

2.4.5.Đo mật độ quang 40

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM 41

3.1 Hóa chất và dụng cụ 41

3.2 Các quy trình thực nghiệm 42

3.2.1.Quy trình tổng hợp hạt nanô ôxít sắt Fe3O4 trong hệ kín 42

3.2.2 Quy trình xử lý bề mặt hạt Fe3O4 43

3.2.3 Quy trình bao bọc hạt nanô Fe3O4 đã xử lý bằng SiO2 45

3.2.4.Quy trình xử lý bề mặt Fe3O4@SiO2 bằng piranha 46

3.2.5.Quy trình gắn kết GPS lên bề mặt Fe3O4@SiO2 đã xử lý 47

3.2.6.Giải vòng epoxy trên GPS 48

3.2.7.Cố định CDI lên hạt Fe3O4@SiO2/GPS-O 49

3.2.8.Quy trình gắn kết protein BSA lên mẫu hạt Fe3O4@SiO2/GPS-O và mẫu hạt Fe3O4@SiO2/GPS-O/CDI 50

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 52

4.1 Tổng hợp hạt nanô ôxít sắt Fe3O4 52

4.1.1.Khảo sát hạt nanô ôxít sắt theo nhiệt độ khác nhau 52

a) Phổ hấp thụ hồng ngoại FT-IR 54

b) Phân tích dạng hình học và kích thước của hạt nanô ôxít sắt từ 56

4.1.2.Khảo sát hạt nanô ôxít sắt siêu âm và khuấy cơ 58

a) Phổ hấp thụ hồng ngoại FT-IR 58

b) Phân tích dạng hình học và kích thước của hạt nanô ôxít sắt từ 59

4.2 Xử lý hạt nanô ôxít sắt Fe3O4 60

4.3 Bao phủ hạt nanô ôxít sắt bằng lớp vỏ SiO2 65

4.3.1.Khảo sát bao phủ hạt nanô ôxít sắt từ theo thời gian 65

4.3.2.Khảo sát bao phủ hạt nanô ôxít sắt từ theo tỉ lệ TEOS 68

4.5 Cố định CDI lên mẫu Fe3O4@SiO2/GPS 72

4.6.Gắn kết BSA với mẫu Fe3O4@SiO2/GPS-O và Fe3O4@SiO2/GPS-O-CDI 74 KẾT LUẬN 76

HƯỚNG PHÁT TRIỂN 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

GPS 3-Glycidyloxypropyl

imethoxysilane

3-Glycidyloxypropyl imethoxysilan

CDI 1,1‟-Carbonyldiimidazole 1,1‟-Cacbonyldiimidazol

BSA Bovine Serum Albumin Albumin huyết thanh bò

TEOS Tetraethyl orthosilicate Tetraethyl orthosilicat

VSM Vibrating Specimen

FT-IR Fourier Transform Infrared

spectroscopy

Quang phổ hồng ngoại chuyển đổi

Fourier

TEM Transmission Electron

Microscope Kính hiển vi điện tử truyền qua

Danh mục bảng

Bảng 1.1 Các đại lượng và đơn vị từ trong hệ đơn vị SI và CGS 14

Bảng 3.1 Danh mục các hóa chất 41

Bảng 3.2 Thành phần các dung dịch để tiến hành phản ứng với protein BSA 51

Bảng 4 hả sát hạt trần t s t tạ được sấ các nhiệt đ hác nh u 52

Bảng 4.2 Khảo sát hạt nanô t s t si u và huấ cơ 59

Bảng 4 3 Các điều kiện xử lý hạt Fe 3 O 4 của 3 mẫu M1, M2 và M3 60

Bảng 4 4 Các d đ ng đặc trưng của M1, M2, M3 và dung dịch OA 61

Bảng 4.5 Kết quả đường cong từ hóa của M3 63

Bảng 4.6 Bảng tương qu n giữ các d đ ng và số sóng của mẫu M3_S 65

Bảng 4.7 So sánh kết quả đường cong từ hóa của mẫu M3 và M3_S 67

Bảng 4 8 Các d đ ng đặc trưng tương ứng với số sóng của GPS tinh khiết và mẫu M3_SG 71

Bảng 4 9 Các d đ ng đặc trưng ẫu M3_SG-O và M3_SG-O-C 74

Bảng 4.10 Kết quả đ OD của mẫu M3_SG-O và M3_SG-O-C 75

Danh mục hình

Hình Định hướng các mômen từ trong vật liệu nghịch từ 15

Hình 2 Định hướng các mômen từ trong vật liệu thuận từ 15

Hình 1.3 Sự phân chia thành đ en, vách đ en tr ng vật liệu khối 16

Hình 4 Đường cong từ hóa của vật liệu siêu thuận từ 18

Hình 5 Đồ thị M(H) của chất s t từ (đường cong liền nét), chất phản s t từ (đường chấm), chất thuận từ (đường nét đứt) 19

Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể của Fe 3 O 4 20

Hình 1.7 Sự s p xếp các spin trong phân tử s t từ Fe 3 O 4 21

Hình 1.8 Ảnh hư ng của nhiệt đ lên diện tích bề mặt và sự biến đổi pha của ôxít.s t Tính siêu thuận từ của các hạt nanô ôxít s t từ Fe 3 O 4 22

Hình 1.9 Sự định hướng của các hạt siêu thuận từ khi có từ trường và khi bị ng t từ trường ngoài 23

Hình 1.10 Cấu trúc 3D của axit oleic 25

Hình 1.11 Công thức phân tử của phân tử GPS 25

Hình 1.12 Công thức cấu tạo của CDI 26

Hình 1.13 Mô hình phản ứng của CDI với các nhóm chức củ rượu hoặc amin 26

Hình 1.14 Cấu trúc tinh thể của SiO 2 27

Hình 1.16 Protein BSA 32

Hình 2 Cơ chế hình thành các hạt n n B cơ chế phát triển mầm 35

Hình 2 2 Sơ đồ quá trình thủ ph n và ngưng tụ TEOS 36

Hình 2.3 Mạng lưới silica với sự hình thành nhó Sil n l d TEOS ngưng tụ không hoàn toàn 36

Hình 2.4 Các hệ micelle a Hệ micelle thuận b Hệ icelle đảo 37

Hình 2.5 Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặc tinh thể chất r n 38

Hình 2 6 Sơ đồ cấu tạo củ á đ VSM 39

Hình 3.1 Quy trình tổng hợp hạt nanô ôxít s t Fe 3 O 4 42

Hình 3.2 Quy trình xử lý bề mặt hạt Fe 3 O 4 bằng HNO 3 43

Hình 3.3 Quy trình xử lý hạt Fe 3 O 4 bằng OA 44

Hình 3.4 Quy trình tổng hợp và xử lý trực tiếp bề mặt hạt Fe 3 O 4 bằng OA 45

Hình 3.5 Quy trình bao bọc hạt Fe 3 O 4 đã ử lý bằng SiO 2 45

Hình 3.6 Mô hình của hạt Fe 3 O 4 xử lý OA được phủ lớp SiO 2 (lớp màu cam) 46

Hình 3.7 Quy trình xử lý bề mặt Fe 3 O 4 @SiO 2 bằng piranha 46

Hình 3 8 Cơ chế g n GPS lên Fe 3 O 4 @SiO 2 47

Hình 3.9 Quy trình g n kết GPS trên bề mặt Fe 3 O 4 @SiO 2 đã ử lý 48

Hình 3.10 Mô hình của mẫu M3_SG đã giải vòng epoxy 48

Hình 3.11 Quy trình thủy phân vòng epoxy cho hạt Fe 3 O 4 @SiO 2 /GPS 49

Hình 3 3 Cơ chế g n của CDI 50

Hình 3.14 Quy trình g n kết protein BSA 51

Hình 3 5 Cơ chế g n protein BSA 51

Hình 4.1 Giản đồ nhiễu xạ XRD của các mẫu oxit s t sau khi tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa 53

Hình 4.2 Giản đồ nhiễu xạ XRD của các mẫu oxit s t Fe 3 O 4 và γ-Fe 2 O 3 54

Hình 4.3 Màu s c của các mẫu hạt trần Fe 3 O 4 được tổng hợp 50°C trong hệ kín và s u đó sấy khô nhiệt đ 50°C, 70°C trong chân không và ngoài không khí 54

Hình 4.4 Phổ FT-IR của các mẫu hạt trần Fe 3 O 4 được tổng hợp 50°C trong hệ kín và s u đó sấy khô nhiệt đ 50°C, 70°C trong chân không và ngoài không khí 55

Hình 4.5 So sánh phổ FT-IR của các mẫu hạt trần Fe 3 O 4 và γ-Fe 2 O 3 56

Hình 4.6 Ảnh TEM của hạt trần Fe 3 O 4 50°C 56

Hình 4.7 Ảnh TEM hạt trần Fe 3 O 4 nhiệt đ phòng 57

Hình 4.8 Phổ FT-IR của các mẫu hạt trần Fe 3 O 4 được tạo bằng siêu âm 58

và khuấ cơ 58

Hình 4.9 Ảnh TEM hạt nanô ôxít s t bằng siêu âm (bên trái) và 59

khuấ cơ (b n phải) 59

Hình 4.10 Kết quả FT-IR của các mẫu M1, M2, M3 và dung dịch OA tinh khiết 61

Hình 4.11 Kết quả ảnh TEM của các mẫu M1, M2, M3 62

Hình 4.12 Giản đồ XRD của mẫu Fe 3 O 4 và Fe 3 O 4 -OA (M3) 62

Hình 4.13 Phổ VSM của mẫu Fe 3 O 4 (M3) 64

Hình 4.14 So sánh phổ FT-IR của mẫu M3 bọc trong thời gian 4 giờ, 8 giờ 65

Hình 4.15 So sánh kết quả VSM của mẫu Fe 3 O 4 (M3) và Fe 3 O 4 @SiO 2 (M3_S) 66

Hình 4.16 Ảnh TEM của mẫu M3_S các th ng đ 5 µ , 00 n và 200 n 68

Hình 4.17 Ảnh TEM của mẫu M3_S với tỉ lệ TEOS là 1/500, 1/100 và 1/25 69

Hình 4.18 Phổ FT-IR của mẫu M3_SG và dung dịch GPS tinh khiết 70

Hình 4.19 PhổFT-IR của mẫu M3_S và mẫu M3_SG 71

Hình 4.20 Phổ FT-IR của mẫu M3_SG-O và M3_SG-O-C 73

LỜI MỞ ĐẦU

Ca ghép tủy xương đầu tiên của Việt Nam được Bệnh viện Truyền máu huyết học thực hiện vào tháng 7/1995 và thực hiện truyền tế bào gốc máu ngoại vi lần đầu từ tháng 10/1997 Sau đó, cũng chính Bệnh Viện Truyền máu và Huyết học TPHCM đã tiến hành ghép tế bào gốc lấy từ máu cuống rốn đầu tiên ở Việt Nam Hiện tại, trong

kỹ thuật cấy ghép, Bệnh viện Truyền máu huyết học có 3 loại sản phẩm ứng dụng tế bào gốc từ tủy xương, tế bào gốc máu ngoại vi và tế bào gốc từ máu cuống rốn Bệnh viện đã thực hiện thành công trên 105 ca cấy ghép, trong đó gần một nửa là ở trẻ em,

và chuyển giao thành công kỹ thuật này cho một số bệnh viện trong nước

Việc ghép tủy dị cá thể với HLA phù hợp tuy đem lại nhiều kết quả hứa hẹn nhưng chưa được áp dụng rộng rãi vì nhiều nguyên nhân trong đó chi phí cho thực hiện tương đối cao và biến chứng sau ghép khá nặng Trong ghép dị cá thể thường xảy

ra hiện tượng GVHD (graft-versus-host-disease) hay còn gọi là bệnh vật ghép chống chủ Nguyên nhân chính là do toàn bộ tủy của người cho được ghép vào người nhận

mà không thông qua bước phân tách các tế bào lympho trưởng thành, nhất là các tế bào T/CD3 Các tế bào này là nguyên nhân chính của các biến chứng nặng nề sau ghép thường thấy ở các bệnh nhân do chúng tấn công các tế bào, mô của người nhận một cách không kiểm soát Ngoài ra, trong trường hợp ghép tự thân của các ca ung thư tủy xương còn có thể dẫn tới hiện tượng tái phát do các tế bào ung thư chưa được loại

bỏ khỏi mẫu tủy ghép Như vậy, việc nghiên cứu phát triển một phương pháp loại bỏ các tế bào lympho và sau này có thể cả các tế bào ung thư tủy xương trong mẫu tủy ghép nhằm ứng dụng cho các ca ghép tủy ở Việt Nam hiện nay là một nhu cầu hết sức bức bách

Trên thế giới hiện nay, có nhiều phương pháp được sử dụng để loại bỏ các tế bào không mong muốn ra khỏi mẫu tủy ghép Trước đây, các nhà lâm sàng cấy ghép

sử dụng phương pháp kết tụ tế bào T/CD3 bằng soy bean agglutinin và loại bỏ bằng tế bào hồng cầu cừu, hay sử dụng phương pháp CCE (counterflow centrifugation elutriation) nhằm phân riêng tế bào dựa trên kích thước hoặc sử dụng kháng thể

Alemzutumab nhằm loại bỏ tế bào T/CD3 thông qua hoạt động ly giải của bổ thể Tuy nhiên các phương pháp này vẫn còn có một số nhược điểm như tác động không chọn lọc, khả năng phân riêng không cao, sử dụng hóa chất đắt tiền mà không tái sử dụng được và quan trọng hơn là rất khó tự động hóa Gần đây, FACS (Fluorescent-Activated Cell Sorting) và MACS (Magnetic-Activated Cell Sorting) là hai phương pháp được sử dụng chủ yếu nhất cho việc phân tách tế bào và đã có các thiết bị cho các ứng dụng lâm sàng đã được thương mại hóa Mặc dù FACS cho phép thực hiện nhiều ứng dụng hơn MACS nhưng sự vận hành thiết bị đòi hỏi đội ngũ cán bộ tinh thông về huỳnh quang/laser, cân chỉnh các thông số ban đầu cũng như thiết bị đắt tiền Ngược lại, tuy không có nhiều ứng dụng như FACS nhưng MACS lại có ưu điểm là đơn giản, nhanh chóng, dễ thực hiện và thiết bị rẻ tiền Phương pháp này dựa trên việc

sử dụng hạt từ đánh dấu với kháng thể đặc hiệu kết hợp với lực từ để tách riêng các tế bào mong muốn chỉ bằng một bước duy nhất MACS đặc biệt thích hợp cho việc chọn lọc âm tính (negative selection) trong cấy ghép tủy do mẫu tủy cần chỉ loại bỏ tế bào lympho (như T/CD3 chẳng hạn) và các tế bào còn lại sau chọn lọc âm tính là các tế bào có thể sử dụng cho cấy ghép

Phương pháp MACS phân tách tế bào sử dụng các hạt nanô từ tính gồm hai giai đoạn: đánh dấu thực thể sinh học cần nghiên cứu bằng hạt nanô từ tính; và tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường Như vậy có thể thấy yếu tố mấu chốt của kỹ thuật này là kháng thể đặc hiệu cho kháng nguyên bề mặt của

tế bào đích và hạt từ

Xuất phát từ nhu cầu thực tế, vấn đề đặt ra là phải có những nghiên cứu để tìm

ra phương pháp chẩn đoán bệnh nhanh và hiệu quả kết hợp với những đặc tính đặc biệt của hạt nanô từ tính và hạt nanô lõi - vỏ nên tôi tiến hành nghiên cứu đề tài “Chức năng hóa bề mặt hạt nanô ôxít sắt từ Fe3O4 với

1,1‟-cacbonyldiimidazol (CDI) nhằm ứng dụng trong cấy ghép tủy” với các nội dung

chính sau:

Mục tiêu của đề tài là:

1 Nghiên cứu về vật liệu siêu thuận từ (đặc trưng, tính chất…) công nghệ tổng hợp các hạt nanô và các ứng dụng của chúng trong y sinh học

2 Chế tạo các hạt ôxít sắt từ Fe3O4 có kích thước nanô, có tính siêu thuận từ

và có khả năng tương thích sinh học

3 Tổng hợp hạt sắt từ Fe3O4@SiO2 có cấu trúc lõi vỏ

4 Chức năng hóa bề mặt cấu trúc Fe3O4@SiO2 với 1,1‟-Cacbonyldiimidazol (CDI) và khảo sát khả năng bắt giữ Protein BSA

Nội dung của đề tài gồm có các phần chính:

Chương 1 Tổng quan

Chương 2 Thực nghiệm tổng hợp các hạt nanô từ Fe3O4

Chương 3 Kết quả và biện luận

Chương 4 Kết luận và hướng phát triển của đề tài trong tương lai.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Lý thuyết về từ học

1.1.1 Các khái niệm cơ bản

Khi một vật liệu được đặt vào trong một từ trường, thì cảm ứng từ hoặc từ thông xuyên qua tiết diện của vật liệu được xác định bởi biểu thức:

Trong đó:

 B là cảm ứng từ

 H là từ trường ngoài

 M là độ từ hóa hưởng ứng với từ trường ngoài

 µ0 là độ từ thẩm của chân không

Trong hệ Gauss :

Cảm ứng từ và hệ số từ thẩm là một nhân tố quan trọng cho ta biết các thông tin liên quan đến các loại vật liệu từ (thuận từ, nghịch từ ) và độ mạnh, yếu của các vật liệu từ riêng biệt

Về bản chất, độ cảm từ  là tỉ số giữa độ từ hóa và từ trường ngoài:

Trong nghiên cứu về tính chất từ, độ từ thẩm là thông số chính đặc trưng để mô

tả các vật liệu từ tương ứng khi có từ trường ngoài Do từ học liên quan đến hóa học, vật lý và khoa học vật liệu nên có hai hệ thống đơn vị được thừa nhận hiện nay [3]

Bảng 1.1 Các đại lượng và đơn vị từ trong hệ đơn vị SI và CGS

1.1.2 Phân loại các vật liệu từ

Bất cứ vật liệu nào đều có sự huởng ứng với từ truờng ngoài (H), thể hiện bằng

độ từ hóa (từ độ - M) Tỷ số χ = M/H được gọi là độ cảm từ Tùy thuộc vào giá trị, độ cảm từ có thể phân ra làm các vật liệu từ khác nhau:

Tùy theo mức độ, bản chất và sự tương tác của các chất với từ trường ngoài, người ta chia ra ba loại vật liệu từ: nghịch từ, thuận từ và sắt từ

Các hệ số chuyển từ hệ CGS sang hệ SI

ngoài không thật lớn, ta có với χ < 0 Tính nghịch từ có liên quan với xu hướng của các điện tích muốn chắn phần trong của vật thể khỏi từ trường ngoài (tuân theo định luật Lentz của hiện tượng cảm ứng từ)

Hình 1.1 Định hướng các mômen từ trong vật liệu nghịch từ

từ trường ngoài

Hình 1.2 Định hướng các mômen từ trong vật liệu thuận từ

1.1.3 Vật liệu siêu thuận từ

a) Đômen từ

Trong vật liệu từ, ở dưới nhiệt độ Curie (hay nhiệt độ Néel) có tồn tại độ từ hóa

tự phát của vật liệu; nghĩa là độ từ hóa tồn tại ngay cả khi không có từ trường Với vật liệu có kích thước thông thường, mômen từ của cả vật đều bằng không, vật ở trạng

thái khử từ Điều này đã được Weiss giải thích rằng vật được chia thành các đômen Trong mỗi đômen vectơ độ từ hóa tự phát có hướng xác định Nhưng các đômen khác nhau thì vectơ độ từ hóa tự phát sẽ có hướng khác nhau Các đômen lân cận phân cách nhau bởi vách đômen Qua vách đômen, hướng của mômen từ thay đổi dần

Thông thường các đômen có kích thước vi mô và trong đa tinh thể, mỗi hạt có thể chứa một số đômen đơn Do đó một vật rắn sẽ có một số lượng lớn các đômen với những từ hóa khác nhau Mômen từ hóa M của vật rắn sẽ là tổng vectơ từ hóa của tất

cả các đômen Phần đóng góp của mỗi đômen phụ thuộc vào thể tích của nó Nếu không có từ trường ngoài, năng lượng nhiệt làm cho mômen từ của các đômen trong toàn khối sẽ sắp xếp hỗn độn, do đó độ từ hóa của vật rắn vẫn bằng không

Đômen

Vách đômen

Hình 1.3 Sự phân chia thành đômen, vách đômen trong vật liệu khối

Khi có từ trường ngoài tác dụng, các đômen thay đổi hình dạng và kích thước nhờ sự dịch chuyển các vách đômen Khi có tác động của từ trường ngoại, các vách đômen sẽ dịch chuyển, những đômen nào có mômen từ gần với hướng của từ trường

sẽ được mở rộng, còn những đômen nào có mômen từ có hướng ngược hướng với từ trường sẽ bị thu hẹp lại Qua đó sẽ làm tăng năng lượng của hệ, độ từ hóa của vật liệu

sẽ tăng dần đến một giới hạn gọi là độ từ hóa bão hòa Tại đó hướng của mômen từ trùng với hướng của từ trường

Đường kính tới hạn của hạt (để không còn tồn tại nhiều vách đômen) được cho bởi công thức :

1/2 2 0

C

S

KA D

- K là mật độ năng lượng dị hướng từ (J.m–3)

- A là mật độ năng lượng trao đổi (J.m–3)

số dị hướng, V là thể tích của mẫu) giảm dần, thì đến một lúc nào đó KV << kT, năng lượng nhiệt sẽ thắng năng lượng dị hướng và vật sẽ mang đặc trưng của một chất thuận từ

Thông thường, lực liên kết bên trong vật liệu sắt từ làm cho các mômen từ trong nguyên tử sắp xếp song song với nhau, tạo nên một từ trường bên trong rất lớn

Đó cũng là điểm khác biệt giữa vật liệu sắt từ và vật liệu thuận từ Khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Curie (hay nhiệt độ Néel đối với vật liệu phản sắt từ), dao động nhiệt đủ lớn để thắng lại các lực liên kết bên trong, làm cho các mômen từ nguyên tử dao động

tự do Do đó không còn từ trường bên trong nữa, và vật liệu thể hiện tính thuận từ Trong một vật liệu không đồng nhất, người ta có thể quan sát được cả tính sắt từ và thuận từ của các phân tử ở cùng một nhiệt độ, tức là xảy ra hiện tượng siêu thuận từ

Tính siêu thuận từ có được khi kích thước nhỏ đến mức năng lượng nhiệt phá

vỡ trạng thái trật tự từ Kích thước chuyền sắt từ - siêu thuận từ được xác định bởi công thức sau:

Trong đó, K là hằng số dị hướng từ tinh thể, V là thể tích hạt nanô, kB là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ Với một kích thước nhất định khi nhiệt độ thấp hạt nanô thể hiện tính sắt từ, khi nhiệt độ cao nanô thể hiện tính siêu thuận từ Nhiệt độ mà ở đó hạt nanô chuyển từ sắt từ sang siêu thuận từ gọi là nhiệt độ chuyển TB

Ở trạng thái siêu thuận từ vật liệu hưởng ứng mạnh với từ trường bên ngoài nhưng khi không có từ trường hạt nanô ở trạng thái mất từ tính hoàn toàn Bằng việc lựa chọn bản chất vật liệu và kích thước, chúng ta có thể có được hạt nanô siêu thuận

từ như mong muốn

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

 Đường cong từ hóa không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ

 Không có hiện tượng từ trễ, có nghĩa là lực kháng từ HC bằng 0

Hình 1.4 Đường cong từ hóa của vật liệu siêu thuận từ

Các chất siêu thuận từ đang được quan tâm nghiên cứu rất mạnh, dùng để chế tạo các chất lỏng từ (CLT) dành cho các ứng dụng y sinh Đối với vật liệu siêu thuận

từ, từ dư và lực kháng từ bằng không, và có tính chất như vật liệu thuận từ, nhưng chúng lại nhạy với từ trường hơn, có từ độ lớn như của chất sắt từ Điều đó có nghĩa

là, vật liệu sẽ hưởng ứng dưới tác động của từ trường ngoài nhưng khi ngừng tác động của từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa, đây là một đặc điểm rất quan trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng dụng y sinh học

1.1.4 Chu trình từ trễ và đường cong từ trễ

Ở trạng thái ban đầu, khi chưa có từ trường ngoài tác dụng, các mômen từ trong vật liệu được phân bố đều theo phương từ hóa dễ, năng lượng của mẫu ở trạng thái cực tiểu và tổng mômen từ của vật liệu bằng không

Nếu ta áp một từ trường ngoài H tăng dần vào một khối vật liệu sắt từ, hoặc feri từ, vật liệu từ sẽ bị từ hóa, momen từ của mẫu từ tính phụ thuộc phi tuyến tính vào

từ trường ngoài tác dụng Khi từ hóa mẫu từ tính ở từ trường ngoài với cường độ H có

độ lớn nhất định thì giá trị từ độ M được duy trì không đổi dù H tiếp tục tăng Ta nói giá trị này là độ từ hóa bão hòa Ms Sau đó giảm từ trường về không, ta có giá trị độ từ

dư Mr Tiếp tục ta áp một từ trường theo hướng ngược lại, M bằng không tại H=HC.

Đó là độ kháng từ HC Tiếp tục tăng từ trường (theo hướng ngược lại) và tăng theo chiều ban đầu Ta thu được đường từ trễ khép kín Hiện tượng mômen từ thay đổi không đồng bộ với từ trường ngoài tác dụng gọi là hiện tượng từ trễ

Hiện tượng từ trễ của vật liệu sắt từ và feri từ có liên quan tới quá trình từ hóa không thuận nghịch Một trong những nguyên nhân gây nên hiện tượng này là do việc ngăn cản sự dịch chuyển các vách đômen của cấu trúc đômen [1]

Hình 1.5 Đồ thị M(H) của chất sắt từ (đường cong liền nét), chất phản sắt từ

(đường chấm), chất thuận từ (đường nét đứt)

1.2 Ôxít Sắt

1.2.1 Các dạng tinh thể của sắt ôxít

Fe3O4 là một ôxít hỗn hợp FeO.Fe2O3 có cấu trúc tinh thể spinel ngược, thuộc nhóm ceramic từ, được gọi là ferit (công thức chung là MO.Fe2O3, trong đó M có thể

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

sap cho một nữa số ion Fe3+ở vị trí tứ diện, một nữa số ion Fe3+ còn lại và tất cả số ion

Fe2+ở vị trí bát diện Mỗi vị trí bát diện có 6 ion O2- lân cận gần nhất sắp xếp trên các góc của khối bát diện, trong khi đó ở vị trí tứ diện có 4 ion O2- lân cận gần nhất sắp xếp trên các góc của khối tứ diện

Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể của Fe 3 O 4

Ôxít sắt từ Fe3O4 có cấu trúc tinh thể spinel nghịch đối với ô đơn vị lập phương tâm mặt Ô đơn vị gồm 56 nguyên tử: 32 anion O2-, 16 cation Fe3+, 8 cation Fe2+ Dựa vào cấu trúc Fe3O4, các spin của 8 ion Fe3+ chiếm các vị trí tứ diện, sắp xếp ngược chiều và khác nhau về độ lớn so với các spin của 8 ion Fe2+ ở vị trí bát diện Các ion

Fe3+ ở vị trí bát diện này ngược chiều với các ion Fe3+ ở vị trí tứ diện nên chúng triệt tiêu nhau Do đó, mômen từ tổng cộng là do tổng mômen từ của các ion Fe2+ở vị trí bát diện gây ra Vậy mỗi phân tử Fe3O4 vẫn có mômen từ của các spin trong ion Fe2+ ở

vị trí bát diện gây ra và có độ lớn là 4µB (Bohr magneton) Vì vậy, tinh thể Fe3O4 tồn tại tính dị hướng từ (tính chất từ khác nhau theo các phương khác nhau) Vật liệu thể hiện tính siêu thuận từ khi vật liệu có kích thước nanô đủ nhỏ và ta xem mỗi hạt Fe3O4 như hạt đơn đômen

Tinh thể Fe3O4 có cấu trúc lập phương, có độ từ hóa bão hòa Ms ~ 92 A.m2.kg-1

và nhiệt độ Curie khoảng 580°C

Hình 1.7 Sự sắp xếp các spin trong phân tử sắt từ Fe 3 O 4

Ôxít sắt từ được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực Đặc biệt khi ở kích thước nanô hạt Fe3O4 được xem như các hạt đơn đômen và có tính siêu thuận từ phục

vụ chủ yếu cho lĩnh vực y sinh học, như các tác nhân làm tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ, làm phương tiện dẫn truyền thuốc, đánh dấu tách tế bào…

1.2.2 Sự biến đổi và ổn định của magnetite

Magnetite dễ bị oxi hóa trong không khí thành maghemite (γ-Fe2O3) theo phương trình:

4 Fe3O4 + O2 6γ-Fe2O3Pha maghemite có thể biến đổi thành hematite α-Fe2O3 (pha bền vững) khi thiêu kết ở điều kiện môi trường nhiệt độ thích hợp Cụ thể, quá trình này được khảo sát bởi S.P Sidhu và các cộng sự [14] và tóm tắt lại như sau:

- Chuẩn bị hạt nanô magnetite tinh khiết bằng phương pháp kết tủa sau đó nung theo nhiệt độ tăng dần và khảo sát sự biến đổi pha sang maghemite và hematite

- Nếu thiêu kết maghemite (γ-Fe2O3) tinh khiết trong khoảng 250-300oC (trong năm ngày) thì không có biến đổi pha xảy ra

- Nếu thiêu kết maghemite trong khoảng từ 320oC đến 450oC thì chuyển đổi pha rất chậm (10% mẫu bột biến thành α-Fe2O3 khi thiêu kết trong một tuần)

- Nếu thiêu kết ở 500oC phản ứng chuyển pha xảy ra nhanh (70-90% γ-Fe2O3 thành α-Fe2O3 chỉ trong một tiếng), để phản ứng chuyển pha xảy ra hoàn toàn cần lâu hơn ba tiếng (nhưng ta cần thời gian lâu hơn đối với maghemite không tinh khiết)

Trong quá trình biến đổi từ γ-Fe2O3 thành α-Fe2O3 thì không có sản phẩm trung gian Bên cạnh đó, sự chuyển pha còn kèm theo sự thay đổi diện tích bề mặt hạt Thiêu kết ở nhiệt độ dưới 500oC sự biến đổi pha kèm theo biến đổi ít về diện tích

bề mặt hạt Thiêu kết ở nhiệt độ khoảng từ 500oC đến 650oC sự biến đổi pha kèm theo sự biến đổi nhiều về diện tích bề mặt (tăng kích thước hạt do những biên hạt xuất hiện những khối u lên làm dính các hạt nanô từ lại với nhau, hình 1.8)

Hình 1.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên diện tích bề mặt và sự biến đổi pha của

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

Khi giảm kích thước của các hạt nanô ôxít sắt từ Fe3O4 thì chúng sẽ là những hạt đơn đômen vì với kích thước đó nhỏ hơn rất nhiều độ rộng của vách đômen nên không đủ thời gian để các vách đômen có thể hình thành trong hạt Ngay cả trường hợp vật liệu có tính dị hướng vuông góc rất lớn, có thể thiết lập các vách đômen có độ dày cỡ vài nanô mét thì việc hình thành các đômen như vậy sẽ tốn năng lượng rất lớn

Khi đó năng lượng dao động nhiệt không đủ mạnh để thắng lực liên kết giữa các phân tử kề nhau nhưng đủ mạnh để thay đổi hướng của mômen từ trong tinh thể khi không có từ trường ngoài Do đó mômen từ trong toàn tinh thể bằng không

Hiện tượng này làm hạn chế khả năng ghi lại môi trường từ của những hạt từ nhỏ bởi vì siêu thuận từ sẽ làm cho hạt mất đi bộ nhớ từ Điều đó có nghĩa là khi có sự tác động của từ trường ngoài thì các mômen từ nhanh chóng sắp xếp theo chiều của từ trường và tồn tại một độ từ hóa riêng Khi từ trường ngoài ngừng tác động, các

mômen từ của hạt lại sắp xếp và định hướng ngẫu nhiên như lúc đầu, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa Khi đó độ từ hóa và lực kháng từ bằng 0

Hình 1.9 Sự định hướng của các hạt siêu thuận từ khi có từ trường và khi bị ngắt

từ trường ngoài

1.3 Chế tạo hạt nanô từ tính bao bọc trong một chất khác

Hạt nanô từ tính thường được bao bọc trong một vỏ hoặc nền phi từ tính có kích thước vài trăm nm (còn gọi là các tiểu cầu chứa hạt nanô) để tránh kết tụ khi không có mặt của từ trường ngoài Việc bao bọc như thế tạo ra một bề mặt có tính tương hợp sinh học và dễ dàng chức năng hóa Việc chế tạo các tiểu cầu bên trong có kích thước micro hoặc nanô là một quá trình trong đó các chất ở thể khí, lỏng, rắn có chứa muối sắt được bọc bên trong các lớp vỏ tạo bởi vật liệu thứ hai (có thể là polymer hữu cơ hoặc vô cơ), lớp vỏ này có tác dụng bảo vệ và cách ly vật liệu làm lõi với môi trường đồng thời cũng quyết định các tính chất của lõi cho phù hợp với những đòi hỏi đặt ra (chẳng hạn phân ly được trong nước, bền vững trong môi trường…) [3]

Các tiểu cầu (microencapsulations) có thể có cấu trúc đa dạng và gồm có các phần chính là lõi và vỏ Hình dạng và các tính chất của lõi và vỏ, theo lý thuyết cho thấy có thể được điều chỉnh bằng cách khống chế các thành phần và các thông số chế tạo Dưới đây là một số dạng tiểu cầu tiêu biểu theo lý thuyết

Trong các dạng này, tỉ lệ lõi/vỏ và kiểu kết cầu là hai yếu tố cơ bản để tạo ra các cấu trúc khác nhau của tiểu cầu Tuy nhiên trong thực tế, tiểu cầu rất hiếm khi đồng đều và hình dạng của chúng có thể rất khác so với những dạng được mô tả ở trên Lưu ý rằng, ngoài các cấu trúc lõi/vỏ thông thường của tiểu cầu còn có cấu trúc

mà trong đó các hạt nanô phân bố đều bên trong một nền chất mang Việc tạo ra các tiểu cầu có các tính chất như mong muốn và mang lại những lợi ích có tính ứng dụng

trong khoa học sự sống, công nghệ sinh học, y học, dược học, nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm, sản suất giấy…

Việc lựa chọn các thành phần để làm lõi và vỏ được tiến hành phụ thuộc vào các tính chất mong muốn của sản phẩm cuối cùng, hướng áp dụng, và quy trình chế tạo Có rất nhiều vật liệu hữu cơ hay vô cơ để làm lõi đã được đem kết nang chẳng hạn như chất keo, các bon hoạt hóa các hợp chất hữu cơ, các chất xúc tác, dược phẩm

và thuốc, các chất đối chiếu sử dụng trong việc chuẩn đoán, các enzyme hoạt hóa Hầu hết vỏ nang tạo bởi các polymer tự nhiên hay tổng hợp, tuy nhiên, trên thực tế theo một số báo cáo cho thấy còn có thể sử dụng các axít béo, thậm chí còn sử dụng các vật liệu dạng có dạng „glass‟

Tỉ lệ lõi/vỏ là một yếu tố quan trọng để chế tạo nên các tiểu cầu Việc điều chỉnh cả hai thông số độ dày của vỏ và tỉ lệ lõi/vỏ là rất quan trọng đối với viêc chế tạo tiểu cầu Chẳng hạn, độ dày vỏ thường tác động đến sự giải phóng của chất hoạt tính làm thay đổi thời gian tồn tại của sản phẩm cuối cùng …

1.4 Chức năng hóa bề mặt bằng vật liệu hữu cơ và vô cơ

1.4.1 Chức năng hóa bề mặt bằng vật liệu hữu cơ

Lí do chính sử dụng vật liệu hữu cơ chức năng hóa bề mặt hạt nanô ôxít sắt từ

là :

 Tránh sự tích tụ trong chất lỏng từ (ferrofluids) trong và sau khi tạo

 Để mở rộng phạm vi ứng dụng trong sinh học của hạt nanô oxit sắt từ, một số phân tử sinh học cũng được sử dụng nhằm nâng cao khả năng tương thích sinh học

a) Sơ lƣợc về axit oleic (OA)

Axit oleic có công thức C₁₈H₃₄O₂ là một axit béo có một nối đôi omega-9 được tìm thấy trong nhiều động và thực vật Theo IUPAC, tên của axít oleic là axít cis-9-octadecenoic, và tên ngắn gọn là 18:1 cis-9 Dạng bão hoà của axít oleic là axit stearic

Axit oleic có đầu là nhóm cacboxyl (COO-) ưa nước và đuôi là nhóm (-OH) kỵ nước Vì thế nó là một bề mặt lý tưởng thường được sử dụng để ổn định các hạt nanô

từ, giúp chống lại sự kết tụ của các hạt ôxít sắt Một số nghiên cứu cũng đã chứng minh rằng liên kết mạnh mẽ có thể được hình thành giữa axit cacboxylic và hạt nanô oxit sắt vô định hình được sử dụng phổ biến để chức năng hóa bề mặt hạt nanô hay đơn giản được sử dụng để xử lý bề mặt hạt trần nanô oxit sắt nhằm tạo cơ sở cho các liên kết kế tiếp [4].

Hình 1.11 Công thức phân tử của phân tử GPS

Bên cạnh những tính chất trên, vì GPS là một loại epoxy silane được sử dụng

để tăng cường độ bám dính giữa vật liệu hữu cơ và vô cơ Trong phản ứng thủy

phân, liên kết Si-OH được hình thành có thể có phản ứng ngưng tụ với nhóm hydroxyl trên bề mặt của các vật liệu vô cơ thông qua liên kết cộng hóa trị Do đó dựng lên trên bề mặt vật liệu vô cơ một “cầu nối” liên kết bền vững nhằm đạt được hiệu quả của mục tiêu ứng dụng

c) Sơ lƣợc về 1,1’-Carbonyldiimidazole (CDI):

CDI là một hợp chất hữu cơ với công thức phân tử (C3H3N2)2CO Đó là một tinh thể màu trắng, thường được sử dụng để kết nối các axit amin nhằm tổng hợp peptide và làm thuốc thử trong phòng thí nghiệm

Hình 1.12 Công thức cấu tạo của CDI

CDI cũng dễ dàng phản ứng thủy phân tạo ra imidazole và CO2 theo phương trình:

(C3H3N2)2CO + H2O -> 2C3H4N2 + CO2

Ngoài ra, CDI cũng được dùng để chuyển đổi rượu và amin thành este và urea

Hình 1.13 Mô hình phản ứng của CDI với các nhóm chức của rượu hoặc amin

1.4.2 Chức năng hóa bề mặt bằng vật liệu vô cơ

Mặc dù có nhiều tiến bộ đáng kể trong việc tổng hợp vật liệu vô cơ chức năng hóa bề mặt nanô oxit sắt từ, đồng thời là việc kiểm soát hình dạng kích thước, ổn định sinh học, cấu trúc bề mặt, tính chất từ vẫn còn nhiều thách thức Vật liệu vô cơ chức năng hóa bề mặt nanô oxit sắt từ phải đảm bảo bảo vệ hạt nanô oxit sắt không bị oxi hóa, bảo vệ tính chất từ và những tính chất khác Việc tổng hợp vật liệu vô cơ chức năng hóa bề mặt nanô oxit sắt từ hứa hẹn nhiều ứng dụng trong việc làm chất xúc tác,

đánh dấu sinh học, phân tách tế bào Một trong những vật liệu vô cơ thường được sử dụng làm chất chức năng hóa bề mặt là silica

Silica là một ôxít của silicon với công thức hóa học là SiO2 Silica thường được tìm thấy trong tự nhiên là cát, thạch anh và trong thành tế bào của tảo silic Nó là thành phần chính của hầu hết các loại thủy tinh và chất nền như bê tông Silica là khoáng vật chiếm nhiều nhất trong lớp vỏ trái đất

 Cấu trúc của silica:

Cấu trúc tinh thể của silica có ba dạng chính: thạch anh, tridymite và cristobalite được tạo thành từ mạng lưới không gian ba chiều của các khối tứ diện [SiO4]4-, các khối này liên kết với nhau qua đỉnh, sắp xếp một cách có quy luật, trật tự chặt chẽ và đối xứng với nhau

Hình 1.14 Cấu trúc tinh thể của SiO 2

 Tính chất và ứng dụng của Silica

Phủ SiO2 thì còn được dùng để cải tiến các tính chất của những ô xít sắt Điều này có thể tạo thành lớp bảo vệ ổn định của lõi từ tính chống lại sự kết tụ và sự ngâm chiết trong môi trường axít, điều khiển khoảng cách phân ly giữa các hạt, làm ổn định các tính chất từ, điều khiển sự phân bố kích thước của các đám nanô từ tính, điều khiển sự nung kết và sự ăn mòn Cuối cùng là bảo vệ chống lại sự ôxi hóa trong suốt quá trình xử lý nhiệt trong không khí

Vai trò của silica dùng để bọc lên hạt sắt từ là tạo thành lớp bảo vệ ổn định của lõi từ tính chống lại sự kết tụ và sự ngâm chiết trong môi trường axít, điều khiển khoảng cách phân ly giữa các hạt, làm ổn định các tính chất từ, điều khiển sự phân bố kích thước của các đám nanô từ tính, điều khiển sự nung kết và sự ăn mòn, cuối cùng

là bảo vệ chống lại sự ôxi hóa trong suốt quá trình xử lý nhiệt trong không khí

Phương pháp phổ biến dùng để bọc silica lên hạt nanô ôxít sắt từ là phương pháp sol-gel, phương pháp Stober và phun nhiệt phân Lớp phủ silica làm tăng kích thước của hạt và làm thay đổi tính chất từ của hạt nanô từ Lớp bọc silica có độ dày khoảng 5- 200nm có thể được điều khiển bằng cách thay đổi nồng độ amoniac và tỉ lệ của TEOS với nước Bên cạnh đó lớp phủ silica dễ dàng được hình thành trên bề mặt hạt nanô ôxít sắt từ thông qua nhóm hyroxyl trong môi trường nước, đặc biệt khi dùng phương pháp Stober và phương pháp sol-gel

1.5 Sơ lƣợc về sự ứng dụng của nanô từ tính trong y-sinh học

Các ứng dụng của hạt nanô từ duợc chia làm hai loại: ứng dụng ngoài cơ thể và trong cơ thể Chúng tôi chỉ trình bày một số ứng dụng tiêu biểu trong rất nhiều ứng dụng đã và đang đuợc nghiên cứu Phân tách và chọn lọc tế bào là ứng dụng ngoài cơ thể nhằm tách những tế bào cần nghiên cứu ra khỏi các tế bào khác Các ứng dụng trong cơ thể gồm: dẫn thuốc, nung nóng cục bộ và tăng độ tương phản trong ảnh cộng huởng từ [10]

1.5.1 Phân tách và đánh dấu tế bào

Trong y sinh học, nguời ta thuờng xuyên phải tách một loại thực thể sinh học nào đó ra khỏi môi truờng của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho các mục đích khác Phân tách tế bào sử dụng các hạt nanô từ tính là một trong những phương pháp thường được sử dụng Quá trình phân tách đuợc chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thực thế sinh học cần nghiên cứu; và tách các thực thể đuợc dánh dấu ra khỏi môi truờng bằng từ truờng.Việc đánh dấu đuợc thực hiện thông qua các hạt nanô từ tính Hạt nanô thuờng dùng là hạt ôxít sắt Các hạt này đuợc bao phủ bởi một loại hóa chất có tính tương hợp sinh học như là dextran, polyvinyl alcohol (PVA),… Hóa chất bao phủ không những có thể tạo liên kết với một vị trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà còn giúp cho các hạt nanô phân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định

của CLT Giống như trong hệ miễn dịch, vị trí liên kết đặc biệt trên bề mặt tế bào sẽ đuợc các kháng thể hoặc các phân tử khác như các hóc-môn, a-xít folic tìm thấy Các kháng thể sẽ liên kết với các kháng nguyên Ðây là cách rất hiệu quả và chính xác để đánh dấu tế bào Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa tương tự các phân

tử trong hệ miễn dịch đã có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thu phổi, vi khuẩn, tế bào ung thư đường tiết niệu và thể golgi [19] Ðối với các tế bào lớn, kích thuớc của các hạt từ tính đôi lúc cũng cần phải lớn, có thể đạt kích thước vài trăm nanô mét Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài

Từ trường ngoài tạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu Các tế bào không được đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài Lực tác động lên hạt từ tính được cho bởi phương trình sau:

Trong đó là độ nhớt của môi truờng xung quanh tế bào (nuớc), R là bán kính

của hạt từ tính, = vm – vw là sự khác biệt về vận tốc giữa tế bào và nước Hỗn hợp

tế bào và chất đánh dấu (hạt từ tính bao phủ bởi một lớp chất hoạt hóa bề mặt - CHHBM) được trộn với nhau để các liên kết hóa học giữa chất đánh dấu và tế bào xảy

ra Sử dụng một từ trường ngoài là một thanh nam châm vĩnh cửu để tạo ra một gradient từ trường giữ các hạt tế bào được đánh dấu lại

1.5.2 Dẫn truyền thuốc

Một trong những nhược điểm quan trọng nhất của hóa trị liệu đó là tính không đặc hiệu Khi vào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố không tập trung nên các tế bào mạnh khỏe bị ảnh huởng do tác dụng phụ của thuốc Chính vì thế việc dùng các hạt từ tính như là hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể (thông thường dùng điều trị các khối u ung thư) đã đuợc nghiên cứu từ lâu, những ứng dụng này được gọi

là dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính Có hai lợi ích cơ bản là: (i) thu hẹp phạm vi phân

bố của các thuốc trong cơ thể nên làm giảm tác dụng phụ của thuốc; và (ii) giảm luợng thuốc điều trị

Hạt nanô từ tính có tính tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị Lúc này hạt nanô có tác dụng như một hạt mang Thông thuờng hệ thuốc/hạt tạo ra một CLT và đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn Khi các hạt đi vào mạch máu,

nguời ta dùng một gradient từ truờng ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể Một khi hệ thuốc/hạt được tập trung tại vị trí cần thiết thì quá trình nhả thuốc có thể diễn ra thông qua cơ chế hoạt động của các enzym hoặc các tính chất sinh lý học do các tế bào ung thư gây ra như độ pH, quá trình khuyếch tán hoặc

sự thay đổi của nhiệt độ Quá trình vật lý diễn ra trong việc dẫn truyền thuốc cũng tương tự như trong phân tách tế bào Gradient từ truờng có tác dụng tập trung hệ thuốc/hạt Hiệu quả của việc dẫn truyền thuốc phụ thuộc vào cuờng độ từ truờng, gradient từ truờng, thể tích và tính chất từ của hạt nanô Các chất mang (chất lỏng từ) thuờng đi vào các tĩnh mạch hoặc động mạch nên các thông số thủy lực như thông luợng máu, nồng độ CLT, thời gian tuần hoàn đóng vai trò quan trọng như các thống

số sinh lý học như khoảng cách từ vị trí của thuốc đến nguồn từ truờng, mức độ liên kết thuốc/hạt, và thể tích của khối u Các hạt có kích thuớc micrô mét (tạo thành từ những hạt siêu thuận từ có kích thuớc nhỏ hơn) hoạt động hiệu quả hơn trong hệ thống tuần hoàn đặc biệt là ở các mạch máu lớn và các động mạch Nguồn từ trường thường

là nam châm NdFeB có thể tạo ra một từ trường khoảng 0,2 T và gradient từ trường khoảng 8 T/m với động mạch đùi và khoảng 100 T/m với động mạch cổ Ðiều này cho thấy quá trình dẫn thuốc bằng hạt nanô từ tính có hiệu quả ở những vùng máu chảy chậm và gần nguồn từ trường Tuy nhiên, khi các hạt nanô chuyển động ở gần thành mạch máu thì chuyển động của chúng không tuân theo định luật Stoke nên với một gradient từ trường nhỏ hơn quá trình dẫn thuốc vẫn có tác dụng

Các hạt nanô từ tính thuờng dùng là ôxít sắt (magnetite Fe3O4, maghemite

α-Fe2O3) bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học như PVA, detran hoặc silica Chất bao phủ có tác dụng chức năng hóa bề mặt để có thể liên kết với các phân tử khác như nhóm chức carboxyl, biotin, Nghiên cứu dẫn truyền thuốc đã đuợc thử nghiệm rất thành công trên động vật, đặc biệt nhất là dùng

để điều trị u não Việc dẫn truyền thuốc đến các u não rất khó khăn vì thuốc cần phải vuợt qua hàng rào băng cách giữa não và máu, nhờ có trợ giúp của hạt nanô từ có kích thuớc 10-20 nm, việc dẫn truyền thuốc có hiệu quả hơn rất nhiều Việc áp dụng phương pháp này đối với người tuy đã có một số thành công, nhưng còn rất khiêm tốn

1.5.3 Tăng thân nhiệt cục bộ

Phương pháp tăng thân nhiệt cục bộ các tế bào ung thư mà không ảnh huởng đến các tế bào bình thường là một trong những ứng dụng quan trọng khác của hạt nanô từ tính Nguyên tắc hoạt động là các hạt nanô từ tính có kích thước từ 20-100 nm được phân tán trong các mô mong muốn sau đó tác dụng một từ truờng xoay chiều bên ngoài đủ lớn về cường độ và tần số để làm cho các hạt nanô huởng ứng mà tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh Nhiệt độ khoảng 42°C trong khoảng 30 phút có thể đủ để giết chết các tế bào ung thư Nghiên cứu về kỹ thuật tăng thân nhiệt cục bộ được phát triển từ rất lâu và có rất nhiều công trình đề cập đến kỹ thuật này nhưng chưa có công bố nào thành công trên nguời Khó khăn chủ yếu đó là việc dẫn truyền lượng hạt nanô phù hợp để tạo ra đủ nhiệt luợng khi có sự có mặt của từ trường ngoài mạnh trong phạm vi điều trị cho phép Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nung nóng cục bộ là lưu lượng máu và phân bố của các mô Thực nghiệm và tính toán cho biết tỉ số phát nhiệt vào khoảng 100 mW/cm3 là đủ trong hầu hết các trường hợp thực nghiệm Tần số và biên độ của từ truờng thuờng dùng dao động trong khoảng f = 0,05-1,2 MHz, H < 0,02T Mật độ hạt nanô cần thiết vào khoảng 5-10 mg/cm3 Vật liệu dùng để làm hạt nanô thường là magnetite và maghemite và có thể có tính sắt từ hoặc siêu thuận từ Phần lớn các thí nghiệm được tiến hành với hạt siêu thuận từ Vì vậy, ở đây chúng tôi chỉ giải thích cơ chế vật lý cho hạt siêu thuận từ Với hạt siêu thuận từ, khi áp dụng một từ truờng xoay chiều thì hạt sẽ hưởng ứng dưới tác dụng của từ trường đó Sự hưởng ứng được thể hiện bằng chuyển động quay vật lý và quay

mô men từ của hạt Hai quá trình quay này được đặc trưng bới hai thông số là thời gian hồi phục Brown (tB) và thời gian hồi phục Néel (tN ) Lượng nhiệt thoát ra được cho bởi phương trình sau:

trong đó µ0 là từ thẩm của môi truờng, f là tần số từ truờng xoay chiều, χ11 là thành

phần lệch pha của độ cảm từ phức (độ hấp thụ), H là cuờng độ từ truờng Nếu chuyển

động của hạt nanô từ tính lệch pha so với từ truờng thì một phần năng luợng từ chuyển thành nội năng của hệ Một chất lỏng từ được đặc trưng bởi tốc độ hấp thụ Với chất lỏng từ tốt giá trị này có thể đạt giá trị 45 W/g tại từ trường cỡ 0,01 T [10]

1.6 Sơ lƣợc về protein BSA

Protein BSA (Bovine Serum Albumin- Albumin huyết thanh bò) là một trong những protein được nghiên cứu rộng rãi nhất vì là protein phong phú nhất trong huyết thanh với nồng độ 5g/100ml

BSA có nhiều ứng dụng sinh hóa bao gồm cả xét nghiệm ELISA (Enzyme linked immunosorbent assay), immunoblots và miễn dịch Nó cũng được sử dụng như là một chất dinh dưỡng trong tế bào và vi sinh vật Protein BSA được sử dụng vì

-sự ổn định của nó để tăng tín hiệu trong các xét nghiệm, hiệu quả trong nhiều phản ứng sinh hóa, chi phí thấp vì số lượng lớn protein BSA có thể được dễ dàng tinh chế

từ máu bò, một sản phẩm phụ của ngành công nghiệp gia súc

Hình 1.16 Protein BSA

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Hạt nanô từ tính có thể được chế tạo theo hai nguyên tắc: vật liệu khối được nghiền nhỏ đến kích thuớc nanô (top-down) và hình thành hạt nanô từ các nguyên tử (bottom-up) Phương pháp thứ nhất gồm các phương pháp nghiền và biến dạng như nghiền hành tinh, nghiền rung Phương pháp thứ hai được phân thành hai loại là phương pháp vật lý (phún xạ, bốc bay, [11]) và phương pháp hóa học (phương pháp kết tủa từ dung dịch và kết tủa từ khí hơi, [15]) Phần duới đây chỉ trình bày sơ luợc những phương pháp phổ biến nhất

2.1 Phương pháp nghiền

Phương pháp nghiền được phát triển từ rất sớm để chế tạo CLT dùng cho các ứng dụng vật lý như truyền động từ môi truờng không khí vào buồng chân không, làm chất dẫn nhiệt trong các loa công suất cao, Trong những nghiên cứu đầu tiên về CLT, vật liệu từ tính ôxít sắt Fe3O4, đuợc nghiền cùng với CHHBM (a-xít Oleic) và dung môi (dầu, hexane) CHHBM giúp cho quá trình nghiền được dễ dàng và đồng thời tránh các hạt kết tụ với nhau Sau khi nghiền, sản phẩm phải trải qua một quá trình phân tách hạt rất phức tạp để có được các hạt tương đối đồng nhất Phương pháp nghiền có ưu điểm là đơn giản và chế tạo được vật liệu với khối lượng lớn Việc thay đổi CHHBM và dung môi không ảnh huởng nhiều đến quá trình chế tạo Nhược điểm của phương pháp này là tính đồng nhất của các hạt nanô không cao vì khó có thể khống chế quá trình hình thành hạt nanô CLT chế tạo bằng phương pháp này thường được dùng cho các ứng dụng vật lý [18]

2.2 Phương pháp hóa học

Phương pháp hóa học để chế tạo các hạt nanô từ cũng được phát triển từ lâu Phương pháp hóa học có thể tạo ra các hạt nanô với độ đồng nhất khá cao, rất thích hợp cho phần lớn các ứng dụng sinh học Nguyên tắc tạo hạt nanô bằng phương pháp hóa học là kết tủa từ một dung dịch đồng nhất dưới các điều kiện nhất định hoặc phát triển hạt từ thể hơi khí một hóa chất ban đầu bị phân rã

Trong phương pháp kết tủa từ dung dịch, khi nồng độ của chất đạt đến một trạng thái bão hòa tới hạn, trong dung dịch sẽ xuất hiện đột ngột những mầm kết tụ Các mầm kết tụ đó sẽ phát triển thông qua quá trình khuếch tán của vật chất từ dung dịch lên bề mặt của các mầm cho đến khi mầm trở thành hạt nanô Ðể thu đuợc hạt có

độ đồng nhất cao, nguời ta cần phân tách hai giai đoạn hình thành mầm và phát triển mầm Trong quá trình phát triển mầm, cần hạn chế sự hình thành của những mầm mới [19] Các phương pháp sau đây là những phương pháp kết tủa từ dung dịch: đồng kết tủa, nhũ tương, polyol, phân ly nhiệt Phương pháp đồng kết tủa là một trong những phương pháp thuờng được dùng để tạo các hạt ôxít sắt Hydroxide sắt bị ôxi hóa một phần bằng một chất ôxi hóa khác hoặc tạo hạt từ Fe+2 và Fe+3 trong dung môi nuớc Kích thuớc hạt (4-15 nm) và diện tích bề mặt được điều khiển bằng độ pH và ion trong dung dịch

2.2.1 Phương pháp đồng kết tủa

Phương pháp đồng kết tủa là phương pháp đã lâu đời và đơn giản bởi vì nó không yêu cầu phương tiện chuyên biệt nào Chất tạo phản ứng là các muối vô cơ như FeCl2, FeCl3, FeSO4, …được hòa tan trong môi trường nước, sau đó được cho phản ứng với dung dịch bazơ hyđôxít như KOH, NaOH, NH4OH,…để tạo kết tủa Hạt nanô hình thành có kích thước khoảng 2-30nm Ta có thể điều khiển kích thước hạt bằng việc thay đổi độ pH, thay đổi lượng nước, nồng độ dung dịch muối ban đầu, nhiệt độ trong lúc chế tạo [9] Để thu được hạt có độ đồng nhất cao, cần phân tách thành hai giai đoạn hình thành mầm và phát triển mầm Quá trình tạo mầm được đặc trưng bởi

sự tăng nồng độ của chất đến gần nồng độ bão hoà tới hạn Trong quá trình phát triển mầm, nồng độ của dung dịch giảm Có ba cơ chế phát triển mầm (hình 2.1): hạt đồng nhất phát triển nhờ sự khuyếch tán (đường cong I), hạt đồng nhất phát triển do sự kết hợp các phần tử nhỏ lại với nhau (đường cong II), hạt đồng nhất nhận được do sự kết hợp của nhiều mầm (đường cong III)

Hình 2.1.Cơ chế hình thành các hạt nanô Ba cơ chế phát triển mầm

Cơ chế tổng hợp hạt nanô Fe3O4 như sau: với tỉ phần mol Fe3+/Fe2+ = 2 trong

môi trường kiềm có pH = 9 – 14

Fe3+ + H2O → Fe(OH)x3-x (thông qua quá trình mất proton)

Fe2+ + H2O → Fe(OH)y2-y (thông qua quá trình mất proton)

Fe(OH)x3-x + Fe(OH)y2-y → Fe3O4 (thông qua quá trình oxi hóa và dehydride hóa)

Tổng hợp các phản ứng trên chúng ta có phương trình sau:

FeCl 2 4H 2 O + 2 FeCl 3 6H 2 O + 8NaOH → Fe 3 O 4 + 8NaCl + 14 H 2 O

Magnetite dễ bị oxi hoá trong không khí thành maghemite (-Fe2O3) theo phương trình:

4 Fe 3 O 4 + O 2 → 6-Fe 2 O 3

Ở nhiệt độ cao, maghemite bị oxi hoá thành hematite (α- Fe2O3)

Mặc dù đồng kết tủa là phương pháp đơn giản nhưng khi các hạt hình thành

chúng kết tụ rất mạnh [7]

2.2.2 Phương pháp Stober

Phương pháp Stober phương pháp này được Stober, Fink và Bohn phát triển là quá trình sol-gel tức là phản ứng thủy phân và ngưng tụ của các silicon alkoxyde được pha loãng ở nồng độ thấp trong dung môi nuớc và chất đồng dung môi như acetone,

ethanol, propanol và n-butanol hoặc trong hỗn hợp các ruợu cũng như trong các ête Dựa trên cơ sở của quá trình thủy phân và ngưng tụ, chúng ta có thể chế tạo hạt nanôshell Fe3O4@SiO2 bằng phương pháp Stober Sử dụng nguyên liệu: ethanol, nuớc, NH4OH, TEOS

Để thúc đẩy hình thành cấu trúc đặc sít hơn là mạng polymer thì trong quá trình điều chế hạt tỉ lệ thể tích của nước/TEOS thường là lớn hơn 20/1 và độ pH cao [6] Cơ chế thủy phân và ngưng tụ TEOS được mô tả như sơ đồ hình 2.2, và hình thành nên

mạng silica với nhóm silanol trên mặt ngoài (hình 2.3)

Thủy phân (hydrolysis)

(alkolxides Silicon) (silanols) Ngƣng tụ (polycondensation)

(siloxane ) Hình 2.2 Sơ đồ quá trình thủy phân và ngưng tụ TEOS

Hình 2.3 Mạng lưới silica với sự hình thành nhóm Silanol do TEOS ngưng tụ

không hoàn toàn

2.3 Phương pháp tạo lớp bao phủ SiO 2 lên hạt nanô ôxít sắt từ

2.3.1 Quá trình sol-gel

a) Phản ứng thủy phân

Phản ứng thủy phân thay thế nhóm alkoxide (–OR) trong liên kết kim loại alkoxide bằng nhóm hydroxyl (–OH) để tạo thành liên kết kim loại hydroxyl

Theo phương trình phản ứng sau rút gọn sau

R‟-Si(OR)3-x (OH)x + H2O  R-Si(OR)2-x(OH)x+1 + ROH

là một đơn vị cơ bản của polyme vô cơ

2.4 Phương pháp phân tích

2.4.1 Phân tích cấu trúc bằng phổ nhiễu xạ tia X

Khi chiếu chùm tia X tới, tia X bị tán xạ trên các nút mạng theo mọi phương, hai tia tán xạ song song có thể giao thoa với nhau và tạo thành các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ Vì vậy, theo các phương ta đều có hiện tuợng nhiễu xạ ánh sáng, tuy nhiên chỉ theo phương phản xạ gương (phương có góc phản xạ bằng góc tới) mới quan sát đuợc hiện tuợng nhiễu xạ vì theo phương đó cuờng độ nhiễu xạ lớn Phương pháp phân tích cấu trúc tinh thể và pha bằng nhiễu xạ tia X dựa trên hiện tượng nhiễu xạ tia

X bởi mạng tinh thể khi thỏa mãn điều kiện phản xạ Bragg:

Trong đó Ɵ là góc phản xạ, λ là buớc sóng tia X, n là bậc nhiễu xạ

Hình 2.5 Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặc tinh thể chất rắn

Qua phổ XRD chúng ta xác định được cấu trúc vật liệu, và các tạp chất không mong muốn, định tính được các chất trong mẫu nghiên cứu

Sản phẩm sau khi tổng hợp xong được đo nhiễu xạ tia X bằng máy Siemens Diffrak tometer Viện Vật Lý Việt Nam

2.4.2 Máy đo phổ hấp thụ hồng ngoại

Phổ hấp thụ là đường biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ của môi trường vật vào bước sóng của ánh sáng tới Khi chiếu một chùm tia sáng đơn sắc có cường độ

I0 song song vào một môi truờng vật chất có bề dày l (cm) và nồng độ C (mol/l), chùm tia này sẽ bị môi trường hấp thụ, tán xạ hoặc truyền qua Cường độ I của chùm tia truyền qua môi trường này bị giảm theo quy luật theo biểu thức toán học của định luật Beer-Lamber sau:

ln (I0/I) = Kn (2.2)

hay: ln (I0/I) = ɛlC

Trong dó: K- là hệ số hấp thụ

n- số mol chất nghiên cứu đặt trên đuờng đi của bức xạ

Đại lượng ln (I0/I) gọi là mật độ quang (D) hay độ hấp thụ (A), ɛ là hệ số hấp thụ mol

Sản phẩm sau khi tổng hợp được tiến hành đo tại phòng thí nghiệm Vật liệu kĩ

thuật cao, F.17, trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, Tp Hồ Chí Minh

2.4.3 Từ kế mẫu rung

Từ kế mẫu rung (Vibrating Specimen Magnetometer – VSM) thường được dùng để đo lường tính chất từ của vật liệu như một hàm của từ trường, nhiệt độ và thời gian VSM thì dựa trên sự dao động của mẫu trong từ trường để tạo ra một mômen từ xoay chiều trong hệ có đầu dò thích hợp

Từ kế mẫu rung hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ, sức điện động sinh

ra bởi mẫu sắt từ khi chúng dao động với tần số không đổi, dưới sự có mặt của từ trường không đổi và đồng nhất

Hình 2.6 Sơ đồ cấu tạo của máy đo VSM