Nghiên cứu chế tạo chất lỏng từ nền hạt nano Fe3O4 ứng dụng trong diệt tế bào ung thư

Với nhiều ưu điểm như: mô men từ cao, tính tương hợp sinh học tốt, có thể dễ dàng chế tạo bằng phương pháp hóa học với chi phí thấp, vật liệu nano Fe3O4 được xem là vật liệu tiềm năng nh

MỞ ĐẦU

Có thể nói khoa học và công nghệ nano thực sự là một bước đột phá của nghành khoa học vật liệu trong thế kỷ 21, vật liệu nano góp phần giải quyết được các bài toán nhân loại có tính toàn cầu như y tế, năng lượng, môi trường Trong những năm qua, việc ứng dụng các hạt nano

từ cho y sinh học đặc biệt trong chuẩn đoán và điều trị ung thư đang là vấn đề thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới Khi kích thước của vật liệu từ giảm tới cỡ nano mét, vật liệu sẽ xuất hiện thêm nhiều tính chất mới như hiện tượng hồi phục siêu thuận từ, dị hướng bề mặt, bề măt riêng lớn Các tính chất này làm cho chúng trở nên kì lạ hơn so với vật liệu khối và là ưu thế trong các ứng dụng y sinh Với nhiều ưu điểm như: mô men từ cao, tính tương hợp sinh học tốt, có thể dễ dàng chế tạo bằng phương pháp hóa học với chi phí thấp, vật liệu nano Fe3O4 được xem là vật liệu tiềm năng nhất cho các ứng dụng y sinh đặc biệt ứng dụng trong nhiệt từ trị ung thư Mặc dù có rất nhiều công trình nghiên cứu trên hạt nano Fe3O4 ứng dụng cho nhiệt từ trị nhưng cho đến nay để đưa vào ứng dụng thực tế và lâm sàng trên bệnh nhân vẫn còn là thử thách đối với các nhà khoa học So với vật liệu khối, hiệu ứng kích thước, hiệu ứng bề mặt và ảnh hưởng lớp vỏ bọc làm giảm đáng kể từ tính của vật liệu Việc khống chế kích thước hạt trong vùng siêu thuận từ và nâng cao từ tính đồng thời tăng tính tương hợp sinh học của vật liệu cũng như tăng công suất tỏa nhiệt của các hạt nano từ bọc

vẫn đang là những vấn đề cần nghiên cứu Do vậy, đề tài của Luận án đã

được chọn là: Nghiên cứu chế tạo chất lỏng từ nền hạt nano Fe 3 O 4

ứng dụng trong diệt tế bào ung thư

Mục tiêu của luận án bao gồm: (i) Tổng hợp thành công vật liệu nano Fe3O4 có kích thước khác nhau trong vùng siêu thuận từ bằng phương pháp đồng kết tủa (ii) Nghiên cứu các đặc trưng về cấu trúc, hình thái, tính chất từ và khả năng sinh nhiệt trong từ trường xoay chiều

của các mẫu vật liệu nano Fe3O4 (iii) Lựa chọn mẫu hạt nano Fe3O4 có tính chất phù hợp nhất cho đốt nóng cảm ứng từ và chức năng hóa bề mặt bằng một số polyme tương thích sinh học tạo chất lỏng từ (iv) Nghiên cứu các đặc trưng, tính chất từ và khả năng sinh nhiệt trong từ trường xoay chiều của các mẫu chất lỏng từ (v) Nghiên cứu thử nghiệm tính tương hợp sinh học và thử nghiệm đốt nóng cảm ứng từ trên một số dòng tế bào lành và dòng tế bào ung thư

Đối tượng nghiên cứu của Luận án là các hạt nano Fe3O4 trong vùng kích thước siêu thuận từ, chất lỏng từ nền hạt nano Fe3O4 siêu thuận từ được bọc bằng các polymer tự nhiên như: starch, dextran, chitosan và chitosan biến tính

Nội dung và phương pháp nghiên cứu: Luận án được tiến hành

bằng phương pháp thực nghiệm Các mẫu được chế tạo và được khảo sát

đo đạc và phân tích các đặc trưng, tính chất thông qua phép đo: XRD, FESEM, VSM, PPMS, hệ đốt từ sử dụng máy phát từ trường xoay chiều thương mại RDO-HFI Thực nghiệm đánh giá độc tính qua thí nghiệm

in-vitro và ex-vivo

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Luận án là một công

trình nghiên cứu cơ bản có định hướng ứng dụng Các nội dung nghiên cứu trong luận án nhằm chứng minh khả năng ứng dụng thực tiễn trong

y sinh của vật liệu nano Fe3O4 được thực hiện ở Việt nam Các kết quả nghiên cứu của luận án cho thấy đã làm chủ được công nghệ chế tạo hạt nano Fe3O4 có kích thước mong muốn trong vùng siêu thuận từ Đồng thời kết quả nghiên cứu từ tính làm sáng tỏ hơn về giới hạn kích thước siêu thuận từ và mô hình vỏ lõi cũng như sự suy giảm từ độ trên vật liệu nano Fe3O4 chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa Các nghiên cứu trên các mẫu chất lỏng từ cho thấy rõ hơn vai trò của các cơ chế sinh nhiệt của hạt nano từ bọc và khả năng ứng dụng của chúng trong liệu pháp

nhiệt trị ung thư

Bố cục của luận án: Luận án gồm 150 trang, bao gồm: phần mở đầu, 4

chương nội dung với 93 hình vẽ, kết luận và cuối cùng là danh sách tài liệu tham khảo Các kết quả chính của luận án đã được công bố trong 7 bài báo trên các tạp chí trong nước và quốc tế

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO Fe 3 O 4 VÀ ỨNG DỤNG

a = 0,8398 nm Các ion Fe3+, Fe2+ có bán kính ion nhỏ hơn sẽ phân bố trong khoảng trống giữa các ion O2- Ion Fe2+ chiếm 1/4 ở vị trí bát diện

và ion Fe3+ chiếm 1/8 ở vị trí tứ diện và 1/4 ở vị trí bát diện Cấu trúc này được mô tả như hình 1.1, trong đó một ô cơ bản bao gồm 8 ô đơn vị

và công thức Fe24O32 phân bố như sau: Fe3+8A[ Fe2+8 Fe3+8 ]BO32 , trong

đó A là vị trí tứ diện, B là vị trí bát diện

Hình 1 1 Cấu trúc tinh thể của vật liệu Fe 3 O 4

Nguồn gốc của tính chất từ trong vật liệu Fe3O4 là do tương tác trao đổi gián tiếp giữa các ion kim loại Fe2+ và Fe3+ trong hai phân mạng A

và B thông qua các ion ôxi Giá trị mô men bão hòa ở 5 K và 300 K tương ứng là 98 emu/g và 93 emu/g Cũng như các vật liệu từ khác từ độ trong vật liệu Fe3O4 phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ chuyển pha ferrite sang pha thuận từ ở 585oC Ở vùng nhiệt độ thấp sự phục thuộc của từ

độ vào nhiệt độ tuân theo định luật Bloch:

1 ) 0 ( )

Dị hướng từ là một đặc tính của vật liệu từ, nó liên quan đến các dạng tương tác từ trong tinh thể và có ý nghĩa quan trọng trong ứng dụng của vật liệu Hằng số dị hướng từ tinh thể của vật liệu Fe3O4 ở nhiệt độ phòng có giá trị 1,35x105erg/cm3

1.1.2 Vật liệu Fe 3 O 4 dạng hạt kích thước nanomét

Khi kích thước vật liệu Fe3O4 giảm đến vùng nano mét thì cấu trúc tinh thể của các hạt nano Fe3O4 không thay đổi so với vật liệu khối Các nghiên cứu khảo sát đặc trưng bằng nhiễu xạ tia X chứng minh các hạt nano Fe3O4 có cấu trúc spinel đảo Tuy nhiên, từ tính của vật liệu ở kích thước nano mét chịu ảnh hưởng bởi hiệu ứng kích thước và hiệu ứng bề mặt, do đó chúng trở nên khác biệt so với vật liệu khối

 Tính chất liên quan đến hiệu ứng kích thước

Các hiệu ứng kích thước được nghiên cứu nhiều nhất trong các hạt nano từ là giới hạn đơn đômen và giới hạn siêu thuận từ Thông thường trạng thái từ của vật liệu từ được quyết định bởi sự cạnh tranh của các dạng năng lượng như: năng lượng dị hướng, năng lượng tĩnh từ, năng lượng Zeman, năng lượng trao đổi Các dạng năng lượng này cạnh tranh với nhau theo xu hướng làm cực tiểu năng lượng toàn hệ, do vậy cấu hình của vật liệu từ thường được chia thành các cấu trúc đômen từ Khi kích thước của khối vật liệu giảm tới một giá trị tới hạn nào đó, sự hình thành vách đômen sẽ trở nên không thuận lợn về mặt năng lượng và vật liệu sẽ có cấu trúc đơn đômen Gới hạn đơn đô men phụ thuộc vào hệ số tương tác trao đổi, K hằng số dị huớng từ tinh thể và MS là từ độ bão

hòa Kích thước Giới hạn đơn đômen của các hạt nano Fe3O4 được tính theo lý thuyết có giá trị 84 nm

Khi kích thước hạt giảm, năng lượng dị hướng giảm và tới một kích thước đặc trưng thì năng lượng dị hướng hay rào năng lượng E()=

KeffV có thể tương đương hoặc nhỏ hơn năng lượng nhiệt kbT, lúc này mômen từ tự phát của hạt có thể thay đổi từ hướng của trục dễ sang hướng khác ngay cả khi không có từ trường ngoài Khi kbT > KeffV hệ hạt có đặc tính giống như chất thuận từ, tuy nhiên mômen từ nguyên tử trong chất thuận từ bình thường chỉ cỡ vài Magheton-Bo nhưng với một hạt nano thì mômen từ nguyên tử cỡ vài nghìn Magheton-Bo Hệ hạt như vậy gọi là hệ siêu thuận từ Tốc độ hồi phục siêu thuận từ của hệ hạt cũng tuân theo định luật Arrhenius:

với 0≈ 10-9s Trạng thái siêu thuận từ của các hạt nano không tương tác được mô

tả tốt theo hàm Langevin cho hệ thuận từ Nhiệt độ bắt đầu của trạng thái siêu thuận từ được gọi là nhiệt độ khoá TB (nhiệt độ Blocking) Nhiệt độ Blocking được xác định theo phương pháp đơn giản bằng phép

đo từ độ phụ thuộc nhiệt độ ZFC-FC và phép đo độ cảm từ xoay chiều Kích thước giới hạn siêu thuận từ của hạt nano Fe3O4 được xác định theo lý thuyết là 26 nm Ở trạng thái siêu thuận từ thời gian hồi phục từ

độ diễn ra rất nhanh và hệ hạt nhanh chóng đạt tới trạng thái cân bằng ,

do đó không quan sát được hiện tượng trễ từ hay trên đường từ hóa H C =

0

 Tính chất liên quan đến hiệu ứng bề mặt

Khi kích thước vật liệu từ giản đến cỡ nano mét thì số nguyên tử trên bề mặt là tương đối lớn so với tổng số nguyên tử của vật liệu, do đó hiệu ứng bề mặt đóng vai trò quan trọng và ảnh hưởng nhiều đến tính chất từ Hiệu ứng bề mặt làm giảm mô men từ bão hòa và là nguyên nhân chính tạo ra dị hướng trong các hạt nano Fe3O4 Sự suy giảm mô

men từ bão hòa theo kích thước trong các hạt từ kích thước nano có liên quan tới tỷ lệ đáng kể của diện tích bề mặt so với khối Các hạt được xem như các quả cầu với phần lõi có cấu trúc spin định hướng song song

và từ độ bão hòa tương tự như của mẫu khối đơn tinh thể lý tưởng Trong khi đó phần vỏ có cấu trúc spin bất trật tự do các sai lệch về cấu trúc tinh thể và sự khuyết thiếu các ion, do đó có thể coi từ độ phần vỏ

bé hơn nhiều so với phần lõi Khi kích thước hạt giảm, phần vỏ không từ đóng góp đáng kể vào toàn bộ thể tích của hạt do đó mô men từ giảm Đối với vật liệu từ cỡ nano mét thì hiệu ứng bề mặt là nguyên nhân chính tạo ra dị hướng do sự đóng góp đáng kể của dị hướng từ bề mặt

Dị hướng từ bề mặt được tạo ra do tính đối xứng tại bề mặt hạt bị phá vỡ cùng với sự suy giảm điều phối lân cận gần nhất Khi giảm kích thước hạt, năng lượng dị hướng bề mặt sẽ chiếm ưu thế so với năng lượng dị hướng từ tinh thể và năng lượng tĩnh từ do tỷ số các nguyên tử trên bề mặt hạt so với bên trong hạt tăng lên Năng lượng dị hướng hiệu dụng cho mỗi đơn vị thể tích Keff có thể nhận được khi tính đến đóng góp của

dị hướng khối và bề mặt Cho một hạt hình cầu, công thức hiện tượng luận được dùng để tính toán Keff sẽ là:

d b K eff

Sự mất trật tự của cấu trúc từ tại bề mặt dẫn đến dị hướng từ bề mặt

có độ lớn khác nhau và đối xứng khác nhau tại các vị trí khác nhau

 Tương tác giữa hạt nano từ

Trong hệ hạt nano sắt từ và ferit từ tương tác lưỡng cực đóng vai trò chủ yếu Các hạt đơn đômen từ được xem như có một mômen từ khổng

lồ (so với mômen từ của một spin đơn lẻ) và tạo ra quanh nó một từ trường khá lớn tại các vị trí lân cận Từ trường địa phương có thể khác không ngay cả khi không có từ trường ngoài Do đó khi xét đến trạng thái của hạt nano từ thì tương tác lưỡng cực giữa các hạt là yếu tố không

thể bỏ qua

1.1.3 Chất lỏng từ

Bọc hạt hay chức năng hóa bề mặt hạt nano từ tính sau khi chế tạo

là một yêu cầu quan trọng, đảm bảo tính chất từ cũng như tính tương hợp sinh học của hạt nano từ Khi bề mặt được bọc và chức năng hoá, các hạt nano Fe3O4 dễ dàng phân tán trong một dung môi phù hợp và trở thành những hạt keo đồng nhất hay còn gọi là chất lỏng từ Trong công nghệ bọc hạt thường sử dụng 3 loại vật liệu sau: Một là các Polymer hữu

cơ như dextran, chitosan, polyethylene glycol, polysorbate, polyanilinenano Hai là các chất hoạt động bề mặt hữu cơ như sodium oleate và dodecylamine Ba là các cấu trúc và phân tử sinh học như liposomes, peptide và ligands/receptors Chất lỏng từ là một khái niệm chỉ một dung dịch bao gồm các hạt có từ tính lơ lửng trong chất lỏng

mang

1.2 Ứng dụng của hạt nano Fe 3 O 4 trong nhiệt từ trị

Phần này chúng tôi sẽ trình bày ứng dụng hạt nano Fe3O4 trong nhiệt

từ trị ung thư Nhiệt từ trị ung thư là phương pháp điều trị ung thư dựa trên việc đốt nóng các tế bào bằng việc sử dụng hạt nano từ Trong quá trình này các hạt nano từ được đưa tới các khối u ung thư Tại đó, dưới tác động của từ trường xoay chiều, các hạt nano từ có thể sinh nhiệt lên tới nhiệt độ đủ để tiêu diệt tế bào ung thư hoặc làm tăng hiệu quả của

quá trình hóa trị

1.2.1 Các cơ chế vật lý của hiệu ứng sinh nhiệt sử dụng hạt từ trong

từ trường xoay chiều

 Tổn hao từ trễ

Với các hạt sắt từ hoặc feri từ đa đômen, nhiệt lượng được sinh ra chủ yếu do quá trình tổn hao từ trễ Công suất toả nhiệt trong một chu trình từ trễ của vật liệu tỉ lệ với diện tích của chu trình từ trễ đó và được tính theo công thức: W h y s 0 M H (H d H)



trong đó μ0 = 4π10-7 Vs (Am)-1 là độ từ thẩm chân không,  là khối lượng riêng của vật liệu và MH là thành phần từ độ song song với từ trường

 Tổn hao hồi phục

Khi các hạt ở trạng thái siêu thuận từ, tổn hao từ trễ không còn tồn tại nhưng vẫn có thể thu được công suất toả nhiệt lớn nhờ vào các quá trình tổn hao hồi phục, đó là tổn hao Néel và tổn hao Brown Công suất tổn hao trong trường hợp này tỉ lệ với hàm bậc hai của cường độ từ trường

Công suất tổn hao hồi phụ Neel được xác định bởi biểu thức:

Trong đó μ0 là độ từ thẩm chân không, f là tần số của từ trường xoay

chiều, τN là thời gian hồi phục Neel, M S là từ độ bão hòa, V thể tích của

hạt từ

Bên cạnh tổn hao Néel gây bởi quá trình lật đảo các mômen từ, một kiểu tổn hao khác cũng được sinh ra do quá trình quay các hạt trong dung dịch lỏng, đó là tổn hao hồi phục Brown Với các hạt cầu có bán kính động học rh , thời gian hồi phục Brown được cho bởi:

3

B

r kT

2 0

"( ) ; ,

1

s N

Các dòng điện Fucô bề mặt được tạo ra theo định luật cảm ứng khi

có tác dụng của từ trường xoay chiều và không chỉ giới hạn xảy ra trong vật liệu từ Hiệu ứng này có thể tạo ra công suất toả nhiệt cao trên các vật liệu dẫn điện tốt và có kích thước lớn Với các hạt ôxít sắt, tổn hao

do dòng điện bề mặt không gây được hiệu ứng đốt nhiệt đáng kể vì kích thước các hạt rất nhỏ và độ dẫn điện của chúng thấp Một điều rất quan trọng là từ trường xoay chiều cũng có khả năng tạo ra dòng điện bề mặt

và đốt nóng các mô tế bào, mặc dù độ dẫn điện của các mô tế bào là tương đối thấp (thông thường  ~ 0.6 (m)-1, so với Cu ~ 6107 (m)-

Mẫu chất lỏng từ được tạo bởi các hạt nano Fe3O4 bọc bằng các polymer tự nhiên như: starch, dextran, chitosan và chitosan biến tính phân tán trong môi trường nước

Ngoài ra để xác định cấu trúc, kích thước tinh thể, phân bố của kích thước và dạng thù hình của các hệ hạt nano, luận án đã sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) và kỹ thuật hiển vi điện tử quét cho mẫu bột Các đặc trưng tính chất từ được xác định từ các phép đo từ nhiệt, đường cong từ hóa Các phép đo này được thực hiện chủ yếu trên hệ đo

từ kế mẫu rung (VSM) và trên hệ các tính chất vật lý PPMS 6000 của Phòng thí nghiệm trọng điểm, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học

và Công nghệ Việt Nam, có độ nhậy đạt tới 10-6emu, độ ổn định nhiệt là

0.1K Các phép đo đốt nóng cảm ứng từ được thực hiện trong từ trường xoay chiều có tần số 219 và 236 kHz và cường độ 40-100 Oe Các nghiên cứu thử y sinh được thực hiện dựa trên phương pháp đánh giá độc tính SRB

Chương 3 TỔNG HỢP VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA CÁC HẠT NANO Fe 3 O 4

CÓ KÍCH THƯỚC KHÁC NHAU 3.1 Khảo sát một số yếu tố công nghệ ảnh hưởng tới sự hình thành pha, kích thước hạt và mômen từ bão hòa của vật liệu nano Fe 3 O 4

3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đồng kết tủa

Hình 3.1 trình bày giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau: nhiệt độ phòng 27oC (ký hiệu T1 ), 40oC (ký hiệu T2), 60oC (ký hiệu T3), 80oC (ký hiệu T4) và 100oC (ký hiệu T5)

phương pháp đồng kết tủa ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau: nhiệt độ phòng 27oC (ký hiệu T1 ), 40oC (ký hiệu T2), 60oC (ký hiệu T3), 80oC (ký hiệu T4) và 100oC (ký hiệu T5) Kết quả khảo sát giản đồ nhiễu xạ cho thấy mẫu là đơn pha, các đỉnh đặc trưng cho cấu trúc ferrit spinel của hợp chất oxít sắt Kích thước tinh thể của các mẫu được xác định bằng công thức Scherrer cho thấy khi tăng nhiệt độ phản ứng từ nhiệt độ phòng đến 100oC, kích thước tinh thể của mẫu tăng từ 8,7 nm đến 12,6

nm Kết quả phân tích kích thước hạt thực từ ảnh FESEM cho thấy các hạt có dạng hình cầu với phân bố hạt hẹp Kích thước hạt thực tăng từ từ

10 nm đến 16 nm khi tăng nhiệt độ phản ứng Kết quả khảo sát đường từ hóa ban đầu cho thấy giá trị từ độ bão hòa ở nhiệt độ phòng của các mẫu đạt giá trị từ 26 emu/g đến 67 emu/g tương ứng với nhiệt độ phản ứng tăng từ nhiệt độ phòng đến 100oC Theo lý giải của một sô tác giả, khi nhiệt độ phản ứng tăng dẫn đến sự lớn lên về kích thước hạt, và dẫn đến tăng từ tính của hạt nano Fe3O4

Hình 3 2 Ảnh hiển vi điện tử phát xạ trường FESEM của các

mẫu được chế tạo ở các nhiệt độ khác nhau

3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy từ và nồng độ dung dịch muối ban đầu

Các mẫu hạt nano Fe3O4 được chế tạo ở các nồng độ dung dịch muối ban đầu và tốc độ khuấy từ khác nhau, tương ứng với nồng độ các muối đầu vào FeCl2, FeCl3 thay đổi từ 0.02 M, 0.01 M đến 2 M, 1 M và tốc độ khuấy từ thay đổi từ 350 vòng/phút đến 1300 vòng /phút Kết quả

khảo sát giản đồ nhiễu xạ tia X và ảnh FESEM cho thấy các mẫu tạo ra

là đơn pha, kích thước tinh thể và kích thước hạt thực phụ thuộc vào nồng độ và tốc độ khuấy từ, kích thước tăng khi tăng nồng độ dung dịch muối và giảm tốc độ khuấy từ Giá trị kích thước hạt thay đổi từ 8 nm đến 20 nm tương ứng với giá trị từ độ bão hòa từ 26 emu/g đến 75 emu/g

3.2 Tính chất từ của các hạt nano Fe 3 O 4

Trong phần này, chúng tôi sẽ trình bày chi tiết các kết quả nghiên cứu tính chất từ của các mẫu hạt nano Fe3O4 có kích thước hạt tương ứng 8,3 nm, 10 nm, 11,7 nm, 13,9 nm, 15,7 nm và 19,7 nm từ hai hệ mẫu được ở trên Nội dung chính bao gồm khảo sát mối liên hệ giữa kích thước và đặc tính siêu thuận từ, mối liên hệ giữa kích thước và từ

độ trong các hạt nano Fe3O4 cũng như mô hình vỏ lõi trong các hạt nano

Fe3O4 Ngoài ra, chúng tôi khảo sát khả năng sinh nhiệt trong từ trường xoay chiều của các hạt nanoFe3O4 có kích thước khác nhau nhằm lựa chọn mẫu hạt nano Fe3O4 tối ưu nhất về tính chất để ứng dụng trong các nghiên cứu nhiệt từ trị ung thư