Nghiên cứu chế tạo chất lỏng từ trên nền axit sắt siêu thuận từ định hướng ứng dụng chụp ảnh cộng hưởng từ MRI

Do tổng hợp trong môi trường nước nên các hạt nano từ chế tạo được có chất lượng chưa cao, các hạt không đồng đều về cỡ hạt và không đồng nhất về hình dạng và vì vậy chúng bị hạn chế sử

KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS.TS TRẦN ĐẠI LÂM PGS TS NGUYỄN HOA DU

Hà Nội - 2019

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn của GS.TS Trần Đại Lâm và PGS.TS Nguyễn Hoa Du Các số liệu, kết quả sử dụng trong luận án được trích dẫn từ các bài báo đã được sự đồng ý của các đồng tác giả Các

số liệu, kết quả này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Lê Thế Tâm

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất của mình tới GS.TS Trần Đại Lâm và PGS.TS Nguyễn Hoa Du - những người Thầy hướng dẫn và thầy giáo TS Lê Trọng Lư vì đã đã dành cho tôi sự động viên, giúp đỡ tận tình và những định hướng khoa học hiệu quả trong suốt quá trình thực hiện luận án

Bản luận án này sẽ không thể hoàn thành nếu không có sự giúp đỡ của các đồng nghiệp Tôi xin được cảm ơn sự cộng tác và giúp đỡ đầy hiệu quả của TS Phạm Hồng Nam, TS Vương Thị Kim Oanh, NCS Nguyễn Thị Ngọc Linh, CN Lê Thị Thanh Tâm

và các cán bộ Phòng Vật liệu nano y sinh, Phòng Vật lý vật liệu từ và siêu dẫn - Viện Khoa học vật liệu (VKHVL), Phòng Kỹ thuật điện, Điện tử - Viện Kỹ thuật nhiệt đới (VKTNĐ) - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VHLKHCNVN), vì sự giúp đỡ thực hiện các phép đo và sự quan tâm động viên hết sức quý báu với tôi trong quá trình thực hiện luận án

Tôi xin được gửi lời cảm ơn tới cán bộ bộ môn Mô phôi và Tế bào thuộc Khoa Sinh học Trường đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHKHTN) - Đại học Quốc gia Hà Nội (ĐHQGHN), và Phòng Sinh học thực nghiệm - Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên (VHHHCTN), VHLKHCNVN vì những hợp tác nghiên cứu trong các ứng dụng y sinh.Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn trân trọng nhất tới BS ThS Nguyễn Thị Hường, BS Nguyễn Văn Đông và các cán bộ Khoa chẩn đoán hình ảnh - Bệnh viện Quốc tế Vinh vì sự giúp

đỡ thực hiện các phép đo và những bàn luận khoa học quý báu

Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi của cơ sở đào tạo

là Học viện Khoa học và Công nghệ cùng VKHVL, VKTNĐ - VHLKHCNVN, và Viện Công nghệ Hóa sinh - Môi trường, trường Đại học Vinh cơ quan mà tôi công tác, trong quá trình thực hiện luận án

Luận án được thực hiện với sự hỗ trợ kinh phí từ đề tài nghiên cứu cấp nhà nước, Chương trình nghiên cứu khoa học công nghệ trọng điểm quốc gia phát triển công nghiệp Hóa dược đến năm 2020 của GS Trần Đại Lâm, Viện Khoa học vật liệu (VKHVL) - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, và đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo với mã số B2019-TDV-03 (Lê Thế Tâm) Luận án được thực hiện tại Phòng Vật liệu nano y sinh và Phòng Vật lý vật liệu từ và siêu dẫn (VKHVL, VHLKH NVN); Phòng Kỹ thuật Điện - Điện tử (Viện Kỹ thuật nhiệt đới, VHLKH NVN) và Viện Công nghệ Hóa sinh - Môi trường, trường Đại học Vinh

Tôi cũng xin được cảm ơn tới Ban lãnh đạo Viện CNHS-Môi trường, trường Đại học Vinh, bộ phận quản lý đào tạo Viện Hóa học đã luôn tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình thực hiện bản luận án

mẹ, cũng như tất cả những người thân trong gia đình và bạn bè đã luôn cổ vũ, động viên để tôi vượt qua khó khăn hoàn thành tốt nội dung nghiên cứu trong bản luận án này

Hà Nội, ngày 26 tháng 04 năm 2019

Tác giả luận án

Lê Thế Tâm

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU FERIT SPINEL VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH BẰNG KỸ THUẬT CHỤP MRI 5

1.1 Cấu trúc và tính chất của vật liệu ferit spinel 5

1.1.1 Cấu trúc của vật liệu ferit spinel 5

1.1.2 Tính chất từ của vật liệu ferit spinel 6

1.1.3 Vật liệu siêu thuận từ 8

1.2 Tình hình nghiên cứu vật liệu nano từ trong và ngoài nước 12

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 12

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 15

1.3 Các phương pháp chế tạo chất lỏng từ 17

1.3.1 Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano từ 17

1.3.2 Các công nghệ bọc hạt trong dung môi nước 23

1.3.3 Các quy trình chuyển pha từ dung môi hữu cơ sang dung môi nước 29

1.4 Các ứng dụng trong y sinh 34

Kết luận chương 1 47

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 48

2.1 Chế tạo chất lỏng từ trên nền hạt Fe3O4 tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt 48

2.1.1 Hóa chất và thiết bị 48

2.1.2 Quy trình chế tạo hạt nano Fe3O4 48

2.1.3 Quy trình chế tạo chất lỏng từ Fe3O4 bọc chitosan 49

2.2 Tổng hợp hạt nano từ Fe3O4 bằng phương pháp phân hủy nhiệt 52

2.3 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 57

2.3.1 Quy hoạch thực nghiệm 57

2.4 Các phương pháp đặc trưng 62

2.4.1 Nhiễu xạ tia X 62

2.4.2 Phổ hấp thụ hồng ngoại 63

2.4.3 Phân tích nhiệt 63

2.4.4 Hiển vi điện tử 64

2.4.5 Phổ tán xạ laze động (DLS) 67

2.4.6 Phương pháp đánh giá độc tính của chất lỏng từ lên tế bào ung thư và tế bào lành 67

2.4.7 Đo và chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (MRI) 70

Kết luận chương 2 74

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU HỆ CHẤT LỎNG TỪ TRÊN NỀN Fe TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT 75

3.3 Đặc trưng về độ bền của hệ chất lỏng từ Fe3O4 bọc chitosan 88

3.4 Thử nghiệm đánh giá độc tính của hệ chất lỏng từ Fe3O4 bọc chitosan 90

Kết luận chương 3 95

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU HỆ CHẤT LỎNG TỪ TRÊN NỀN OXIT SẮT TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY NHIỆT 96

4.1 Khảo sát ảnh hưởng của dung môi và nhiệt độ lên tính chất của hạt Fe3O4 96

4.1.1 Đặc trưng cấu trúc, hình thái của hạt nano Fe3O4 chế tạo bằng phương pháp phân hủy nhiệt 97

4.1.2 Tính chất từ 100

4.1.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lên tính chất của hạt Fe3O4 101

4.2 Chế tạo chất lỏng từ chứa hạt nano từ tính Fe3O4 bọc bằng PMAO 104

4.3 Thử nghiệm đánh giá độc tính của hệ chất lỏng từ Fe3O4 chuyển pha và bọc bằng PMAO 109

Kết luận chương 4 113

CHƯƠNG 5: ĐẶC TRƯNG ĐỘ HỒI PHỤC r1, r2, THỬ NGHIỆM ĐỘC TÍNH VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TƯƠNG PHẢN ẢNH BẰNG KỸ THUẬT CHỤP ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ MRI 114

5.1 Đánh giá độ hồi phục r1, r2 của các hệ chất lỏng từ chế tạo bằng các phương pháp khác nhau 114

5.1.1 Đánh giá độ hồi phục r1, r2 của hệ chất lỏng từ 114

5.1.2 Đánh giá khả năng tương phản trong các môi trường khác nhau của hệ chất lỏng từ 118

5.2 Khảo sát khả năng ứng dụng chất lỏng từ trên động vật thí nghiệm 123

5.2.1 Thử nghiệm in-vivo đánh giá khả năng ứng dụng hệ chất lỏng từ tính nano Fe3O4 làm thuốc tương phản trong kỹ thuật cộng hưởng từ MRI trên động vật 123

5.2.2 Thử nghiệm in-vivo đánh giá khả năng ứng dụng hệ chất lỏng từ tính nano Fe3O4 làm thuốc tương phản trong chẩn mô bệnh ung thư bằng kỹ thuật cộng hưởng từ MRI trên động vật 130

Kết luận chương 5 137

KẾT LUẬN CHUNG 138

DANH MỤC CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ 139

TÀI LIỆU THAM KHẢO 142

Bảng 1.1 Thông số bán kính của một số ion kim loại 5

Bảng 1.2 Phân bố ion trong các vị trí của cấu trúc spinel 6

Bảng 1.3 Bảng tổng kết các loại polyme bọc hạt nano từ và các ưu điểm của chúng 28

Bảng 1.4 Tín hiệu T1W và T2W của các mô/dịch cơ thể 40

Bảng 1.5 Các chất tương phản MRI nền oxit sắt 44

Bảng 1.6 Các chất tương phản MRI nền oxit sắt: đặc trưng kích thước hạt, cơ quan đích, liều sử dụng và đường truyền thuốc 44

Bảng 2.1: Giá trị mã hóa và giá trị thực nghiệm của các yếu tố thực nghiệm 51

Bảng 2.2: Ma trận thực nghiệm và kết quả tổng hợp chất lỏng từ theo từng thí nghiệm 51

Bảng 2.3 Sự phụ thuộc độ ổn định của hệ keo vào giá trị thế Zeta 67

Bảng 2.4 a Chuẩn bị dãy nồng độ của hệ chất lỏng 71

Bảng 2.4 b Chuẩn bị dãy nồng độ của hệ chất lỏng 71

Bảng 2.5 Các tham số chuỗi hình ảnh được sử dụng trong chụp ảnh MRI 73

Bảng 3.1 Giá trị mã hóa và giá trị thực nghiệm của các yếu tố thực nghiệm 76

Bảng 3.2 Ma trận thực nghiệm và kết quả tổng hợp chất lỏng từ theo từng thí nghiệm 77

Bảng 3.3 Kết quả phân tích ANOVA tối ưu quá trình tổng hợp các yếu tố 78

Bảng 3.4 Các giải pháp tối ưu với hàm lượng 3 biến xác định và giá trị hàm mong đợi tối ưu 81

Bảng 3.5 Kết quả kiểm tra giá trị từ độ bão hòa Ms thu được từ mô hình và thực tế 82

Bảng 3.6 Các vị trí hấp thụ chính của các chất 84

Bảng 3.7 Hằng số mạng (a), kích thước tinh thể trung bình (DXRD), kích thước hạt trung bình (DFESEM) của các mẫu hạt nano Fe3O4 tổng hợp ở các điều kiện phản ứng khác nhau 86

Bảng 4.1 Giá trị từ độ bao gồm cả lớp vỏ và lõi (Fe3O4 +OA+OLA, PMAO), kích thước hạt trung bình (DTEM) 100

Bảng 4.2 Hằng số mạng (a), kích thước tinh thể trung bình (DXRD), kích thước hạt trung bình (DTEM), từ độ tại 10 kOe (Ms10kOe), lực kháng từ (Hc) của các mẫu hạt nano 102

Bảng 5.1 Kết quả tính toán độ hồi phục r1, r2 và tỷ số r1/r2 cho mẫu Fe3O4@PMAO, Fe3O4@CS và chất so sánh Resovist 117

Bảng 5.2 Một số tham số chuỗi hình ảnh được sử dụng trong chụp ảnh MRI 124

sau 15 phút, (d) sau 30 phút 134

Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể của vật liệu ferit spinel 5

Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể và sự sắp xếp mômen từ trong vật liệu Fe3O4 6

Hình 1.4 Đường cong từ trễ đo độ từ hóa của vật liệu siêu thuận từ (superparamagnetic, SPM) và sắt từ (ferromagnetic, FM) với lực kháng từ Hệ từ độ bão hòa Ms, độ từ dư Mr 9

Hình 1.5 Sự phụ thuộc lực kháng từ (Hc) của Fe3O4 vào kích thước hạt 10

Hình 1.6 Mô hình thuốc lõi nano đa chức năng 13

Hình 1.7 Minh họa các ứng dụng của hạt siêu thuận từ Fe3O4 trong chẩn đoán ung thư (hiệu ứng MRI) và điều trị ung thư (hiệu ứng nhiệt trị) 14

Hình 1.8 Tổng hợp hạt nano bằng phương pháp hot injection 21

Hình 1.9 Cấu trúc của một vài chất hoạt động bề mặt được sử dụng trong tổng hợp hạt nano trong dung môi hữu cơ 22

Hình 1.10 Mô hình bọc hạt nano từ 23

Hình 1.11 Các ảnh TEM: A) Các hạt nano sắt được phủ cacbon chế tạo bằng phương pháp nổ cảm ứng nhiệt phân của ferrocene; B) Các hạt nano sắt trong một ma trận cacbon chế tạo bằng phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi; C) Các hạt nano coban được cacbon bảo vệ chế tạo bằng phương pháp nhiệt phân cồn polyfurfuryl 25

Hình 1.12 Sơ đồ minh họa bước thứ nhất của phản ứng xúc tác ngưng tụ tetraethylorthosilicate (TEOS) 26

Hình 1.13 Các ảnh TEM của các hạt nano sắt oxit và sắt với lớp ngoài SiO2: A) Tổ hợp keo phân tán đơn bao gồm các hạt nano hematite trong khối cầu silic 100 nm; B) Các hạt nano hematite có dạng bát diện trong lớp vở SiO2 dày 50 nm; C) các hạt nano oxit sắt từ trong hình cầu silic; D) Các đám nano sắt kẹp trong chất keo SiO2 26

Hình 1.14 Các phương pháp chuyển pha hạt nano từ sang môi trường nước 29

Hình 1.15 Minh họa quy trình chuyển pha ligand exchange sử dụng poly với các nhóm chức COOH 30

Hình 1.16 Ảnh TEM (a) và phổ DLS (b) của hạt nano Fe3O4 bọc bởi phân tử dophamine sulfonate (DS), và quy trình tổng hợp và cấu trúc phân tử của DS (c) Hình nhỏ bên trong (hình a) là ảnh chụp các hạt Fe3O4 bọc bởi các phân tử DS phân tán trong nước 31

Hình 1.17 Minh họa quy trình chuyển pha sử dụng các amphiphilic polymer: DSPE-PEG (phần trên), PMAO (Phần giữa) và Fluronic (phần hình dưới) 32

Hình 1.18 Mô hình quá trình bọc hệ hạt nano bằng PAA và bọc bằng PMAO 32

Hình 1.19 Mô hình bọc hạt nano Fe3O4 của nhóm tác giả Sun 33

Hình 1.20 Các ứng dụng của hạt nano từ tính 34

Hình 1.21 Mô hình cấu tạo máy MRI Radio Frequancy Coil: cuộn phát sóng tần số radio, Gradient coils: cuộn gradient, Maggnet: Từ trường, Scanner: Bộ phận quét, Patient: Bệnh nhân Patient Table: Bàn bệnh nhân 36

Hình 1.22 Nguyên lý của MRI và vai trò của hạt nano từ tính làm thuốc tăng tương phản (a) spin từ (m) của các proton nước tiến động xung quanh hướng của từ trường bên ngoài B0; (b) sau khi áp dụng một xung RF, m tiến động công góc với B0; (c) m hồi phục

động không đồng nhất dưới tác dụng bổ sung của trường lưỡng cực cục bộ(B1, gây ra bởi các hạt nano Do đó các hồi phục xảy ra nhanh hơn và tạo ra một tín hiệu MRI mạnh

hơn 37

Hình 1.23 Tạo ảnh T2, T1 điều chỉnh 40

Hình 1.24 Hiệu ứng tương phản của các hạt nano từ tính trong nước 41

Hạt nano từ tính được chức năng hóa để liên kết với một số mô nhất định sẽ có tác dụng đánh dấu hiệu quả hơn Hiện tại có thể chia các chất tương phản làm 3 loại tương ứng với các cơ chế T1 và theo 1 cơ chế mới phát hiện gần đây là cơ chế trao đổi bão hòa kèm theo chuyến hóa chất 41

Hình 1.25 Cơ chế trao đổi bão hòa kèm theo chuyển hóa chất (CEST) 42

Hình 1.26 Phân loại các thuốc tăng tương phản tương ứng với các cơ chế Tl, T2 và CEST 43

Hình 1.27 Công thức hóa học và sản phẩm OMNISCAN của thuốc tương phản T1 43 Hình 1.28 Vai trò ảnh hưởng của kích thước hạt lên hình ảnh trọng T2 MRI của Fe3O4(4, 6, 9,12 nm) trong từ trường 1,5T 45

Hình 1.29 Giá trị T1 và T2 và hình ảnh MRI của hợp kim nano FeCo/C, so sánh với 2 sản phẩm thương mại là Feridex và Magnevist 46

Hình 1.30 Chế độ chụp MRI nanohybrid, T1, T2 và multimodal 46

Hình 2.1.Quy trình tổng hợp hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp thủy nhiệt 49

Hình 2.2 Quy trình tổng hợp hạt nano từ tính Fe3O4 bọc Chitosan 50

Hình 2.3 Hệ thiết bị dùng để chế tạo hệ hạt Fe3O4 bằng phương pháp phân hủy nhiệt (a) và (b) sơ đồ quá trình thay đổi nhiệt độ và thời gian tổng hợp hạt nano Fe3O4 54

Hình 2.4 Quy trình tổng hợp hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp phân hủy nhiệt 54

Hình 2.5 Mô hình quá trình chuyển pha và bọc hệ hạt nano bằng PMAO 56

Hình 2.6 Quy trình chuyển pha và bọc hạt Fe3O4 bằng PMAO 56

Hình 2.7 Sơ đồ tín hiệu của quy hoạch thực nghiệm 58

Hình 2.8 Vùng xác định ABCD các yếu tố yếu tố ảnh hưởng và vùng lân cận 60

Hình 2.9 Vùng xác định A’B’C’D’các yếu tố ảnh hưởng và vùng lân cận 60

Hình 2.10 Sơ đồ nhiễu xạ tia X từ một số mặt phẳng hữu hạn 62

Hình 2.11 Thiết bị nhiễu xạ tia X 63

Hình 2.12 Sơ đồ mô tả các tín hiệu nhận được từ mẫu trong ảnh SEM 65

Hình 2.13 Kính hiển vi điện tử quét HITACHI S-4800 65

Hình 2.14 Kính hiển vi điện tửtruyền qua JEOL TEM 65

Hình 2.15 Hệ đo VSM 66

Hình 2.16 Máy đo MalvernZetasizer và Horiba SZ-100 67

Hình 2.17 Xác định giá trị IC50 trực tiếp dựa vào đồ thị đáp ứng liều của các dòng tế bào khi thử thuốc với các nồng độ khác nhau 68

Hình 2.18 Chuẩn bị đĩa giếng chứa các mẫu chất lỏng từ: Fe3O4@PMAO, Fe3O4@CS, Resovist và mẫu đối chứng agar 2% (trên) và sơ đồ chụp các bước chụp ảnh bằng kỹ thuật MRI (dưới) 72

Hình 3.1 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố theo phân tích ANOVA (p<0,05) 78

Hình 3.3: Đồ thị bề mặt đáp ứng biểu diễn sự tác động của từng cặp yếu tố (AB, AC)

đến giá trị từ độ và mức độ mong muốn theo các cặp tương tác 80

Hình 3.4: Đường cong từ độ bão hòa của các mẫu hạt nano Fe3O4 bọc chitosan ở các

điều kiện tổng hợp khác nhau và tại điều kiện tối ưu bằng phương pháp thủy nhiệt 80 Hình 3.5 Đường M(H) fit theo hàm Langevin của mẫu tại điều kiện tối ưu 83

Hình 3.6 Mô hình liên kết của hạt nano từ Fe3O4 với chitosan khi phân tán hạt từ trong mạng lưới chitosan ………83 Hình 3.7 Ảnh nhiễu xạ tia X của vật liệu nano Fe3O4 tinh khiết và vật liệu nano 84

Hình 3.8 Phổ FTIR của Chitosan (CS), Fe3O4 và hạt nano từ tính Fe3O4@CS 85

Hình 3.9 Ảnh FESEM của mẫu Fe3O4 tổng hợp ở các điều kiện phản ứng khác nhau 86

Hình 3.10 Ảnh TEM hạt Fe3O4@CS điều chế ở điều kiện khác nhau chế tạo bằng

phương pháp thủy nhiệt 87

Hình 3.11 Ảnh TEM hạt Fe3O4@CS điều chế ở điều kiện tối ưu (nồng độ Fe3+ 0,21M; nhiệt độ phản ứng 1650C; thời gian ủ mẫu 2giờ 55 phút) chế tạo bằng phương pháp thủy

nhiệt (a) và giản đồ phân tích nhiệt TGA với lớp vỏ bọc CS (b) 87

Hình 3.12 Giản đồ phân bố kích thước hạt (DLS) của chất lỏng từ Fe3O4@CS tại các

giá trị pH khác nhau (a) và nồng độ muối NaCl khác nhau (b) 88

Hình 3.13 Giản đồ phân bố kích thước hạt (DLS) của Fe3O4@CS ở các nồng độ muối

100 mM (a) và 300 mM (b) 89

Hình 3.14 Quá trình quét thế Zeta của các hạt nano phân tán trong chất lỏng ở các thời điểm khác nhau: cho 0 ngày (a), 90 ngày (b), 180 ngày (c), và (d) ảnh của huyền phù

Fe3O4@CS dưới tác động của từ trường trong phòng nhiệt độ trong 90 ngày 90

Hình 3.15 Đường cong từ hóa của các mẫu Fe3O4@CS sau 90 ngày chế tạo Đường liền

nét là đường làm khớp theo hàm Langevin 90

Hình 3.16: Hình thái của tế bào Sarcoma 180 đạt chuẩn trước khi tiến hành thử nghiệm

MTT 91 Hình 3.17 Phản ứng trong thử nghiêm màu MTT 91

Hình 3.18 Tỷ lệ sống sót của tế bào Sarcoma 180 sau khi ủ trong 48 tiếng với

Fe3O4@CS Dãy đồng độ thử nghiệm như sau: (C1): 500 µg/ml, (C2): 250 µg/ml, (C3):

125 µg/ml, (C4): 62,5 µg/ml, (C5): 30,25 µg/ml and (C6): 15,125 µg/ml Các giá trị

được biểu diễn dưới dạng giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn (SD) 92

Hình 3.19 Hình thái tế bào Sarcoma 180 quan sát dưới kính hiển vi soi ngược CA: đối chứng sinh học CB: Đối chứng dung môi DMSO Dải nồng độ chất lỏng từ Fe3O4@CS (C1): 500 µg/ml, (C2): 250 µg/ml, (C3): 125 µg/ml, (C4): 62.5 µg/ml, (C5): 30.25 µg/ml and (C6):

15.125 µg/ml Hình ảnh quan sát dưới vật kính 20X, độ phóng đại 5.6 93

Hình 4.1 Giản đồ XRD của các mẫu Fe3O4 được chế tạo ở các nhiệt độ phản ứng khác

nhau trong các dung môi khác nhau 97

Hình 4.2 Ảnh TEM hạt của các mẫu Fe3O4 được chế tạo ở các nhiệt độ khác nhau trong

các dung môi khác nhau trong thời gian 1 giờ 98

Hình 4.4 Đường cong từ hóa và đường cong từ hóa phóng đại trong vùng từ trường nhỏ

dùng để xác định Hc của các mẫu ở các nhiệt độ trong các dung môi khác nhau 101

Hình 4.5 Giản đồ XRD của các mẫu Fe3O4 được chế tạo ở các thời gian phản ứng khác nhau trong vùng từ 0,5 đến 2 giờ tại nhiệt độ phản ứng 298 oC 101

Hình 4.6 Ảnh TEM hạt của các mẫu Fe3O4 được chế tạo ở các thời gian khác nhau ở nhiệt độ phản ứng 310oC 102

Hình 4.7 Đường cong từ hóa và đường cong từ hóa phóng đại trong vùng từ trường nhỏ

dùng để xác định Hc của các mẫu ở các thời gian khác nhau 103

Hình 4.8 Ảnh mẫu Fe3O4 trước và sau khi chuyển pha (a) và ảnh HRTEM của hạt Fe3O4trước khi chuyển pha và bọc PMAO trong dung môi hexane và hạt Fe3O4 bọc bởi PMAO

trong nước (b) 104

Hình 4.9 Ảnh TEM của các mẫu: Fe3O4@PMAO (a) và Fe3O4@PMAO pha loãng 105

Hình 4.10 Ảnh HRTEM hạt của các mẫu Fe3O4 sau khi được chuyển pha 105

Hình 4.11 Phổ FTIR của Fe3O4 chế tạo bằng phương pháp phân hủy nệt với lớp vỏ b bọc OA,

OLA (a), của PMAO (b) và của vật liệu sau khi chuyển pha và bọc bằng PMAO (c) 106

Hình 4.12 Giản đồ TGA của Fe3O4 với lớp vỏ bọc OA, OLA chế tạo bằng phương pháp

phân hủy nhiệt (a) và sau khi bọc PMAO (b) 107

Hình 4.13 Gía trị thế zeta và hình ảnh mẫu chất lỏng từ Fe3O4@PMAO sau 1 tháng chế

tạo (a) 3 tháng (b) và sau 6 tháng chế tạo (c) 107

Hình 4.14 Đường M(H) ở nhiệt độ phòng của các mẫu Fe3O4, Fe3O4@PMAO 108 Hình 4.15 Hình ảnh mẫu chất lỏng trong các môi trường nồng độ muối khác nhau 108

Hình 4.16 Gía trị thế zeta và hình ảnh mẫu chất lỏng từ Fe3O4@PMAO ở các nồng độ

muối khác nhau 109

Hình 4.17 Kết quả độc tính của hệ nano từ Fe3O4@PMAO trên ba dòng tế bào ung thư người Hep-G2, MCF-7 và RD cùng 1 dòng tế bào lành của khỉ Vero Nồng độ của

Fe3O4@PMAO trong đồ thì này là 25 ug/ml; DMSO được dùng làm đối chứng dung

môi và chất chuẩn pha trong DMSO được dùng làm đối chứng dương 110

Hình 4.18 Hình ảnh tế bào quan sát dưới kính hiển vi Optika 4083.B1 với vật kính 40X

Tế bào ung thư gan Hep-G2 trong DMSO (A) và ủ với 25 ug/ml chất lỏng nano từ

Fe3O4@PMAO (B) Tế bào thận khỉ Vero trong DMSO (C) và ủ với 25 ug/ml chất lỏng nano từ Fe3O4@PMAO (D) 110

Hình 5.1 Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân của hệ nano từ ở chế độ T1W, TR=

100 ms (a), TR =200 ms (b), TR =400 ms (c), TE =12 ms đối với các mẫu (A) hệ nano

từ Fe3O4@PMAO trong môi trường agar 2%, (B) Hệ nano từ Fe3O4@CS trong môi trường agar 2% Nồng độ sắt từ trong mỗi giếng là (1) 2,5 µg/ml, (2) 5,0 µg/ml, (3) 10,0

µg/ml, (4) 15,0 µg/ml, (5) 25,0 µg/ml và (6) 30,0 µg/ml 115

Hình 5.2 Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân của hệ nano từ ở chế độ T2W, TE =11

ms (a), TE =23 ms (b), TE = 34 ms (c), TE= 57 ms (d), TE =91 ms (e), TE =113 ms (f),

TR =4000 ms đối với các mẫu (A) hệ nano từ Fe3O4@PMAO trong môi trường agar 2%, (B) Hệ nano từ Fe3O4@CS trong môi trường agar 2% Nồng độ sắt từ trong mỗi

Hình 5.3 Đường cong hồi phục T2 (suy giảm về 0) đo cho các mẫu chất lỏng từ

Fe3O4@PMAO (a) Fe3O4@CS (b) ở các nồng độ khác nhau 116

Hình 5.4 Tốc độ hồi phục ngang (a) và hồi phục dọc (b) của mẫu chất lỏng từ

Fe3O4@PMAO (a) và Fe3O4@CS (b) 116

Bảng 5.1 Kết quả tính toán độ hồi phục r1, r2 và tỷ số r1/r2 cho mẫu Fe3O4@PMAO,

Fe3O4@CS và chất so sánh Resovist 117 Hình 5.5 Hình ảnh chụp MRI xác định độ hồi phục r1, r2 118

Hình 5.6 Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân của hệ nano từ ở chế độ T2W trong môi trường nước, TE= 12 ms (a), TE =25 ms (b), TE =37 ms (c), TE =50 ms (d), TE=

62 ms (e), TE =75 ms (f), TR =4000 ms đối với các mẫu (A) hệ nano từ Fe3O4@PMAO trong môi trường nước, (B) Hệ nano từ Fe3O4@Dextran (Resovist) trong môi trường agar 2%, (C) Hệ nano từ Fe3O4@CS trong môi trường nước, (D) Mẫu đối chứng (không

có hạt từ) trong môi trường nước 119

Hình 5.7 Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân của hệ nano từ ở chế độ T1W trong môi trường nước, TR= 100 ms (a), TR =400 ms (b), TE =15 ms đối với các mẫu (A) hệ nano

từ Fe3O4@PMAO trong môi trường nước, (B) Hệ nano từ Fe3O4@Dextran (Resovist) trong môi trường nước, (C) Hệ nano từ Fe3O4@CS trong môi trường nước, (D) Mẫu đối

chứng (không có hạt từ) trong môi trường nước Nồng độ sắt từ trong mỗi giếng là 119

Hình 5.8 Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân của hệ nano từ ở chế độ T2W trong môi trường pH khác nhau, TE= 11 ms (a), TE = 23 ms (b), TE =34 ms (c), TE =57 ms (d) đối với các mẫu (A) hệ nano từ Fe3O4@PMAO, (B) Hệ nano từ Fe3O4@Dextran

(Resovist) Nồng độ sắt từ trong mỗi giếng 45,0 µg/ml trong môi trường có 121

Hình 5.9 Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân của hệ nano từ ở chế độ T1W trong môi trường pH khác nhau, TR= 100 ms (a), TR = 200 ms (b), TR =400 ms (c), TE =12

ms đối với các mẫu (A) hệ nano từ Fe3O4@PMAO, (B) Hệ nano từ Fe3O4@Dextran (Resovist) Nồng độ sắt từ trong mỗi giếng 45,0 µg/ml trong môi trường có (1) pH =2,

(2) pH =3, (3) pH =7, (4) pH =9, (5) pH =12 121

Hình 5.10 Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân của hệ nano từ ở chế độ T2W trong

môi trường nồng độ muối khác nhau 122

Hình 5.11 Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân của hệ nano từ ở chế độ T1W trong môi trường nồng độ muối khác nhau, TR= 100 ms (a), TR =400 ms (b), TE =12 ms đối với các mẫu (A) Hệ nano từ Fe3O4@Dextran (Resovist), (B) Hệ nano từ Fe3O4@PMAO, (C) Mẫu đối chứng (không có hạt từ) trong môi trường nước Nồng độ sắt từ trong mỗi giếng 45,0 µg/ml trong môi trường có nồng độ muối khác nhau (1) 50 mM, (2) 100 mM,

(A) Thỏ trước khi tiêm chất lỏng từ, (B) Thỏ sau khi tiêm chất lỏng từ 126

Hình 5.15 Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ trên mô gan thỏ của

hệ nano Fe3O4@PMAO ở chế độ T2W (SAGITAL), TE= 94 ms, TR =3571 ms đối với

(A) Thỏ trước khi tiêm chất lỏng từ, (B) Thỏ sau khi tiêm chất lỏng từ 127

Hình 5.16 Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ trên thận thỏ của hệ nano Fe3O4@PMAO ở chế độ T2W (SAGITAL), TE= 94 ms, TR =3571 ms đối với (A)

Thỏ trước khi tiêm chất lỏng từ, (B) Thỏ sau khi tiêm chất lỏng từ 128

Hình 5.17 Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ của hệ nano Fe3O@PMAO

ở chế độ T1W (CORONAL) trên thỏ, TE= 20 ms, TR =550 ms đối với (A) Thỏ trước khi tiêm

chất lỏng từ, (B) Thỏ sau khi tiêm chất lỏng từ (a) Trước tiêm, (b) sau tiêm 129

Hình 5.18 Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ của hệ nano

Fe3O4@PMAO ở chế độ T2W (CORONAL) trên thỏ, TE= 112 ms, TR =7500 ms đối với (A) Thỏ trước khi tiêm chất lỏng từ, (B) Thỏ sau khi tiêm chất lỏng từ (a) Trước

tiêm, (b) sau tiêm 30 phút, (c) sau tiêm 60 phút 129 Hình 5.19 Chuột nhắt trắng Swiss 131 Hình 5.20 Chuột trắng swiss lên u báng ở đùi sau 15 ngày tạo khối u……… 131 Hình 5.21 Tiêm tĩnh mạch (a) và tiêm trực tiếp tại khối u (b) trên chuột nhắt trắng 131 Hình 5.22 Một số hình ảnh chuột sau khi gây mê trước khi đưa vào chụp ảnh MRI 133

Hình 5.23 Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ của hệ nano

Fe3O4@PMAO ở chế độ T2W (CORONAL) trên chuột, TE= 91 ms, TR =3970 ms trên chuột

……….133

Hình 5.24 Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ của hệ nano

Fe3O4@PMAO ở chế độ T2W (AXIAL) trên khối u chuột sau khi tiêm tiêm trực tiếp khối u, TE= 91 ms, TR =3970 ms trên chuột (a) không tiêm, (b) ngay sau tiêm, (c) sau

15 phút, (d) sau 30 phút 134

Hình 5.25 Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ của hệ nano

Fe3O4@PMAO ở chế độ T2W (AXIAL) trên khối u chuột sau khi tiêm theo tĩnh mạch, TE=

91 ms, TR =3970 ms trên chuột (a) không tiêm, (b) sau 2 giờ, (c) sau 12 giờ, (d) sau 24 giờ 135

Hình 5.26 Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ của hệ nano

Fe3O4@PMAO ở chế độ T2W (AXIAL) trên mô gan chuột, TE= 91 ms, TR =3970 ms

trên chuột (a) không tiêm, (b) tiêm tĩnh mạch 136

I Danh mục các ký hiệu

A Tỷ số tăng sinh

Aex Hệ số tương tác trao đổi

dSP Kích thước giới hạn siêu thuận từ

EA Năng lượng dị hướng tinh thể

Ec Năng lượng dị hướng hình dạng

rc Bán kính đơn đômen tới hạn

TH Giá trị trung bình của mật độ quang học ở các giếng thử với mẫu

Tz Giá trị trung bình của mật độ quang học ở các giếng nuôi tế bào ở thời

điểm zero lúc bắt đầu tra mẫu để thử

AAS Atomic Absorption Spectroscopy (Phổ hấp phụ nguyên tử)

DLS Dynamic Light Scattering (Tán xạ ánh sáng động)

EDS Energy Dispersion Spectroscopy (Phổ phân tán năng lượng tia X) FT-IR Fourier Transformation Infrared (Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier) ILP Intrinsic Loss Power (Công suất tổn hao riêng)

MIH MNPs Magnetic Inductive Heating (Đốt nóng cảm ứng từ) Magnetice Nano

Particles (Các hạt nano từ) MRI Magnetic Resonance Imaging (Ảnh cộng hưởng từ)

PPMS Physical Property Measurement System (Hệ đo các tính chất vật lý) SAR Specific Absorption Rate (Tốc độ hấp phụ riêng)

SEM Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét)

TGA Thermogrametric Analysis (Phân tích nhiệt vi trọng)

VSM Vibrating Sample Magnetometer (Từ kế mẫu rung)

XRD X-ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X)

DPA Phân tử dopamine

DSC (Differential Scaning Calorimetry) Phân tích nhiệt lượng quét vi sai DSPE-PEG 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N [amino

(polyethylene glycol)-2000 DTA Phân tích nhiệt vi sai (Differential Thermal Analysis)

FA Các axit béo

FC Làm lạnh có từ trường

MỞ ĐẦU

Công nghệ nano đã và đang làm thay đổi đời sống của con người Các nghiên cứu

từ cơ bản đến ứng dụng trong lĩnh vực này giúp chúng ta hiểu biết tường tận hơn về các tính chất đặc biệt và lý thú của vật liệu khi ở kích thước nano, qua đó phát huy các ưu điểm nổi bật, hạn chế và ngăn ngừa các tác hại có thể có để từng bước ứng dụng công nghệ và vật liệu nano vào phục vụ cuộc sống ngày một tốt hơn Hạt nano từ tính là một

ví dụ điển hình trong ứng dụng hạt nano vào lĩnh vực y sinh học do đặc điểm dễ chế tạo, giá thành thấp và tính tương thích cao với cơ thể sống Gần đây các ứng dụng của hạt nano từ trong các ứng dụng y sinh, đặc biệt là trong chẩn đoán hình ảnh bằng kỹ thuật cộng hưởng từ MRI đã thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới [49,

138, 109, 108] Hiện nay trong chẩn đoán hình ảnh bằng chụp cộng hưởng từ MRI, các tác nhân tương phản T1 đã trở thành thương phẩm truyền thống, đó là phức của ion thuận từ có trị số mômen spin lớn như Gd3+ (có 7 điện tử chưa ghép cặp) [65, 111, 29, 15] Các ion Gd3+ này được kết hợp với các phân tử như DTPA (axit dietylentriamin penta axetic) và tạo ra các cấu trúc dạng phức vòng chelat Gd-DTPA [33] Trong quá trình hồi phục, sự tương tác giữa mômen từ của proton với mômen từ của các ion thuận

từ khiến cho thời gian T1 bị giảm, nhờ vậy tốc độ hồi phục R1 tăng lên Nồng độ các tác nhân là khác nhau trong mỗi vùng mô tế bào, do vậy mang lại hiệu quả tương phản trên ảnh chụp MRI Trong khoảng gần 20 năm nay, cùng với sự phát triển của công nghệ nano hạt nano sắt oxit (iron oxide - IO) đang được nghiên cứu mạnh và thực tế đến nay

đã có nhiều dòng sản phẩm thương mại chất tăng mức độ tương phản MRI dùng loại vật liệu sắt oxit này, chứng minh rằng các sắt oxit-MRI có thể cho chất lượng tăng mức độ tương phản tốt hơn cả loại Gd-DTPA vì hạt sắt oxit có hệ số cảm từ lớn hơn [143, 40, 154,107, 12] Các chất IO-MRI có thể làm giảm cả T1 và T2, tăng được tốc độ hồi phục MRI chụp theo cả 2 chế độ chụp MRI trọng Tl và trọng T2 [96,152, 163, 131, 18] Các yêu cầu quan trọng đối với sản phẩm tăng tương phản ảnh MRI là hạt nano từ tính phải

có độ phân bố hạt tương đối đều và từ độ bão hòa đủ lớn, và chất bọc phải có độ tương hợp sinh học tốt [49,75,116, 61] Trong khi một số sản phẩm thương mại trên thế giới như Resovist dùng chất bọc là dextran [103, 135], với hạt lõi cỡ 65nm tạo ra từ độ bão hòa khoảng 65 emu/g Các sản phẩm với cỡ hạt trong vùng 20-40nm như AMI-227: Sinerem/Combidex là thích hợp với bạch huyết và xương [23] Trong khoảng 10 năm gần đây người ta đang nghiên cứu để chế tạo các hạt nano siêu thuận từ với cỡ hạt nhỏ hơn 20 nm (còn được gọi là loại siêu nhỏ nếu cỡ hạt D<10 nm) và đặc biệt là các hạt sắt oxit có đánh dấu từ nhằm mục đích chụp ảnh MRI hướng đích (targeted imaging) [24,

62, 118, 95, 122] Tại Việt Nam, cho đến nay việc chế tạo các hạt nano nói chung và hạt

nano từ nói riêng đã được tập trung nghiên cứu theo hai phương diện: Nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu định hướng ứng dụng Các kết quả nghiên cứu sâu sắc được công bố chủ yếu từ các cơ sở nghiên cứu mạnh như: Đại học Quốc gia Hà Nội, Đại học Bách khoa Hà Nội và Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam [98, 129, 76, 89] Việc tổng hợp vật liệu nano từ đa phần được thực hiện trong môi trường nước và bằng các phương pháp tổng hợp như phương pháp đồng kết tủa, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp vi sóng và phương pháp tổng hợp điện hóa siêu âm Do tổng hợp trong môi trường nước nên các hạt nano từ chế tạo được có chất lượng chưa cao, các hạt không đồng đều

về cỡ hạt và không đồng nhất về hình dạng và vì vậy chúng bị hạn chế sử dụng cho các

ứng dụng in vivo trong y sinh như dùng làm thuốc tương phản trong chẩn đoán hình ảnh

bằng kỹ thuật chụp cộng hưởng từ MRI, đốt nóng cảm ứng từ v.v, ngoài ra chính sự không đồng đều đó còn ảnh hưởng ngay cả đến kết quả nghiên cứu các tính chất từ của chúng Do đó, cho đến nay việc lựa chọn các điều kiện trong quá trình chế tạo chất lỏng

từ tính nano Fe3O4 nhằm chế tạo ra các hạt có cỡ hạt bé, có sự phân bố đều, đồng nhất

về hình dạng, độ bền cao, từ tính cao và có khả năng tương thích sinh học cao, nhờ đó

có khả năng ứng dụng làm thuốc tương phản trong chẩn đoán hình ảnh bằng kỹ thuật chụp cộng hưởng từ MRI, tạo ra các trị số tối ưu của các xung TR, TE khi chụp theo chế

độ T1, T2, đồng thời xác định trị số hồi phục r1, r2 để đánh giá chất lượng của chất lỏng

từ làm thuốc tương phản trong chẩn đoán hình ảnh bằng kỹ thuật chụp cộng hưởng từ MRI vẫn đang đòi hỏi những nghiên cứu tiếp tục một cách toàn diện và có hệ thống Xuất phát từ tình hình nghiên cứu về vật liệu nano từ trên thế giới cũng như ở Việt Nam, căn cứ vào tiềm lực nghiên cứu, đào tạo tiến sĩ của Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam, dưới sự hướng dẫn của tập thể

các nhà khoa học giàu kinh nghiệm, chúng tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo chất lỏng từ trên nền oxit sắt siêu thuận từ định hướng ứng dụng chụp ảnh cộng hưởng

từ MRI” để thực hiện cho nội dung luận án này

Mục tiêu luận án:

Mục tiêu của luận án nhằm xây dựng được qui trình chế tạo chất lỏng từ tính kích thước nano trên nền oxit sắt siêu thuận từ (kích thước hạt đồng đều và từ độ bão hòa cao) với công nghệ ổn định; nghiên cứu đặc trưng các tính chất từ của các hạt nano từ; đánh giá độc tính và thử nghiệm tác động lên tế bào, hướng tới mục đích làm thuốc tăng tương phản trong chẩn đoán hình ảnh bằng kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ MRI, ứng dụng trong xác định chính xác mô bệnh ung thư Các nhóm nội dung chính sau đã được tiến hành trong luận án:

1 Tổng hợp thành công hạt nano siêu thuận từ Fe3O4 có kích thước hạt đồng đều

và từ độ bão hòa cao bằng phương pháp thủy nhiệt và phân hủy nhiệt

2 Chế tạo thành công các mẫu chất lỏng từ có độ bền cao trên nền hạt nano siêu thuận từ Fe3O4 tổng hợp bằng hai phương pháp trên

3 Nghiên cứu đánh giá độc tính và độ bền của hệ chất lỏng từ

4 Nghiên cứu khả năng ứng dụng làm chất tăng cường độ tương phản ảnh trong

kỹ thuật chụp cộng hưởng từ MRI

Nội dung của luận án được trình bày bao gồm:

Chương 1 trình bày tổng quan giới thiệu về cấu trúc, tính chất của vật liệu ferit spinel, các phương pháp chế tạo hạt nano nói chung và đặc biệt đối với hạt nano từ Fe3O4nói riêng Các quy trình bọc hạt cũng như các quá trình chuyển pha trên nền hạt nano từ

Fe3O4 cũng được trình bày tổng quát Trong chương 2, các quy trình chế tạo hạt Fe3O4, quy trình chế tạo chất lỏng từ trên nền hạt Fe3O4 và nguyên lý của các phép đo nhằm phân tích và biện luận các kết quả trong luận án được trình bày chi tiết Các kết quả thu nhận được của luận án và các thảo luận liên quan được tập trung trình bày chi tiết trong chương 3, chương 4 và chương 5 Chương 3 trình bày các kết quả nghiên cứu tổng hợp vật liệu Fe3O4 bằng phương pháp thủy nhiệt cùng các kết quả phân tích về cấu trúc, hình thái học, và các tính chất từ của chúng Các kết quả nghiên cứu trong chương 4 liên quan đến hệ vật liệu Fe3O4 được tổng hợp bằng phương pháp phân hủy nhiệt cùng các đặc trưng cấu trúc, hình thái, và tính chất từ được trình bày, phân tích và biện luận chi tiết Chương 5 trình bày các kết quả nghiên cứu định hướng ứng dụng trong y sinh bao gồm các kết quả nghiên cứu độ bền, đánh giá độc tính và thử nghiệm làm chất tăng cường độ tương phản ảnh trong chụp cộng hưởng từ MRI

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:

Bản thân việc tổ chức thực hiện đề tài đã có ý nghĩa quan trọng đối với phát triển một hướng khoa học công nghệ đa ngành là công nghệ nano cho Y học Sẽ có sự trao đổi học thuật, học hỏi lẫn nhau giữa các nhóm nghiên cứu trong các ngành xưa nay xem như độc lập với nhau Về mặt khoa học, từ độ của hệ hạt từ cho ứng dụng y sinh bị ảnh hưởng rất mạnh bởi nhiều yếu tố mà cơ chế của các ảnh hưởng này vẫn là vấn đề chưa được nghiên cứu một cách cơ bản Nhiều hệ hạt nano từ sau khi chế tạo có từ độ bão hòa bị suy giảm đến 60-70% so với vật liệu khối Đối với ứng dụng y sinh, việc này lại càng quan trọng, vì chế tạo được hệ có từ độ cao sẽ giảm được liều lượng chất lỏng từ cần đưa vào cơ thể sống, đồng nghĩa với giảm được độc hại trong chẩn đoán và điều trị bệnh

Đối với ứng dụng chẩn đoán và điều trị bệnh ung thư, công nghệ nano nói chung đang tạo một kỳ vọng lớn, đó là có thể đóng góp vào việc giải quyết vấn đề chẩn đoán bệnh sớm và thuốc đưa tới đích hay vùng can thiệp được khu trú tại đích Đề tài thực hiện có đặt mục tiêu dùng chất lỏng từ nâng cao được độ tương phản chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (CHTHN), có thể góp phần phân tích mô ung thư giai đoạn sớm Đối với nước ta, nếu chế tạo được chất lỏng từ làm chất tăng tương phản cũng sẽ đảm bảo được một lượng đáng kể nhu cầu thuốc tăng tương phản đang nhập khẩu hiện nay

Những đóng góp mới của luận án:

Đưa ra được quy trình ổn định chế tạo chất lỏng từ tính và hồ sơ đánh giá chất lượng độc tính của hệ chất lỏng từ tính để làm thuốc tăng tương phản trong chẩn đoán chụp ảnh MRI đạt tiêu chuẩn được ứng dụng với các tiêu chí tương đương sản phẩm nhập ngoại Resovist (Schering AG, CHLB Đức), mở ra định hướng ứng dụng vật liệu nano này trong y-sinh học nhằm phát hiện, chẩn đoán sớm, chính xác tế bào ung thư, khối ung thư Nâng cao được hiểu năng tương phản ảnh MRI nhằm xác định chính xác xác mô bệnh ung thư, các chất lỏng từ chế tạo được Thiết lập được hồ sơ thử nghiệm

in-vivo thuốc tăng tương phản

Phương pháp nghiên cứu:

Đây là đề tài nghiên cứu thực nghiệm, các phương pháp nghiên cứu sử dụng đều

là các phương pháp thực nghiệm Đề tài đã sử dụng các thiết bị tốt nhất tại phòng thí nghiệm trọng điểm của Viện Khoa học vật liệu, thiết bị chụp ảnh cộng hưởng từ MRI hiện đại nhất khu vực Bắc Miền Trung tại bệnh viện Quốc tế Vinh thuộc tập đoàn Hoàn

Mỹ, trung tâm thực hành thí nghiệm trường Đại học Vinh, và một số thiết bị đo đạc đặc thù tại các Trường và Viện nghiên cứu ở Hà Nội

Bố cục của luận án:

Luận án có 137 trang (chưa bao gồm tài liệu tham khảo), bao gồm phần mở đầu, 5 chương nội dung và kết luận Cụ thể như sau:

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU FERIT SPINEL

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU HỆ CHẤT LỎNG TỪ TRÊN NỀN Fe3O4 SIÊU THUẬN

TỪ TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU HỆ CHẤT LỎNG TỪ TRÊN NỀN Fe3O4 SIÊU THUẬN

TỪ TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY NHIỆT

CHƯƠNG 5: ĐẶC TRƯNG ĐỘ HỒI PHỤC r1, r2 và ĐỘC TÍNH, ĐÁNH GIÁ ĐỘ

TƯƠNG PHẢN ẢNH BẰNG KỸ THUẬT CHỤP ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ MRI

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU FERIT SPINEL VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH BẰNG KỸ THUẬT CHỤP MRI

1.1 Cấu trúc và tính chất của vật liệu ferit spinel

1.1.1 Cấu trúc của vật liệu ferit spinel

Ferit spinel là thuật ngữ dùng để chỉ loại vật liệu có cấu trúc hai phân mạng mà các tương tác giữa chúng là phản sắt từ hoặc ferit từ [24] Một đơn vị ô cơ sở của ferit spinel (với hằng số mạng tinh thể, a  8,4 nm) được hình thành bởi 32 nguyên tử O2- và 24 cation (Fe2+, Zn2+, Co2+, Mn2+, Ni2+, Mg2+, Fe3+, Gd3+) Trong một ô cơ sở có 96 vị trí cho các cation (64 ở vị trí bát diện, 32 ở vị trí tứ diện) Số cation ở vị trí bát diện nhiều hơn ở vị trí tứ diện (A), cụ thể có 16 cation chiếm ở vị trí bát diện (B) trong khi đó ở vị trí tứ diện

có 8 cation (bao gồm cation hóa trị 2+ hoặc 3+)

Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể của vật liệu

do đó ion này trong mạng hầu như nằm sát nhau và tạo thành một mạng lập phương tâm mặt xếp chặt [1] Một ô cơ sở của ferit spinel chứa 8 nguyên tử (A)[B2]O4, các ion kim loại hóa trị 2+ và 3+ có thể có mặt ở các vị A và B trong cấu trúc ferit spinel Ở cả hai ví trí A và B xen kẽ bởi các nút mạng bị chiếm chỗ bởi các cation Khi tất cả các cation hóa trị 2+ chiếm ở vị trí A, trong khi tất cả các cation hóa trị 3+ chiếm ở vị trí B, kiểu sắp sếp cation như vậy được gọi là cấu trúc spinel thuận (A)[B2]O4 Khi tất cả các cation hóa trị 2+ chiếm ở vị trí B, một nửa cation hóa trị 3+ chiếm ở vị trí A và một nửa

ở vị trí B, gọi là cấu trúc spinel hỗn hợp với dạng sau (B)[AB]O4 (bảng 1.2)

Bảng 1.2 Phân bố ion trong các vị trí của cấu trúc spinel [1, 4]

Vị trí Số vị trí có

sẵn

Số được sử dụng

Kiểu cấu trúc Spinel thuận Spinel đảo

Fe3O4 (Magnetite) là hợp chất ôxít phổ biến của nguyên tố sắt, vật liệu này thuộc

họ vật liệu ferit spinel Vật liệu Fe3O4 có cấu trúc spinel đảo Công thức phân tử:

Fe3O4 = FeO Fe2O3 = Fe Fe2O4 Mô hình ion: [Fe3+]A[ Fe3+Fe2+]B O4

2-Các ion O2- hình thành nên mạng lập phương tâm mặt với hằng số mạng

a = 0,8398 nm Các ion Fe3+, Fe2+ có bán kính ion nhỏ hơn nên sẽ phân bố trong khoảng trống giữa các ion O2- Vì ion Fe2+ chiếm 1/4 ở vị trí bát diện và ion Fe3+ thì được chia bằng nhau: 1/8 ở vị trí tứ diện và 1/4 ở vị trí bát diện nên magnetite có cấu trúc spinel đảo Cấu trúc này được mô tả như hình 1.2, trong đó một ô cơ bản bao gồm 8 ô đơn vị

và có công thức Fe24O32 phân bố như sau [21]:

Fe3+

8A[ Fe2+

8 Fe3+

8 ] BO32Trong đó A là vị trí bát diện còn B là vị trí tứ diện Trong spinel đảo Fe3O4, ion Fe3+

có mặt ở cả hai phân mạng nhưng vì momen từ của ion này sắp xếp đối song nên mômen

từ tổng cộng chỉ do ion Fe2+ quyết định, tính chất này được mô tả như hình 1.2

Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể và sự sắp xếp mômen từ trong vật liệu Fe3O4

1.1.2 Tính chất từ của vật liệu ferit spinel

Các vật liệu khi hưởng ứng với từ trường thì sẽ có tính chất từ Đặc trưng tính chất

từ của các vật liệu là độ từ hóa và độ từ cảm:

- Độ từ hóa là momen từ trung bình của mẫu vật (hoặc trong một đơn vị thể tích của mẫu vật) Nếu từ trường không quá lớn thì độ từ hòa M tỷ lệ với cường độ từ trường H: M = χ H

- Độ từ cảm χ, là tỷ số của độ từ hóa và từ trường, biểu hiện sự hưởng ứng của vật liệu với từ trường ngoài: χ =𝑀

𝐻 (độ từ cảm này có thể âm hoặc dương, thường được tính theo đơn vị thích hợp sao cho độ từ cảm không có thứ nguyên)

Dưới tác dụng của một từ trường bên ngoài, phụ thuộc vào hưởng ứng của từ trường ngoài mà người ta phân vật liệu thành các dạng như sau: nghịch từ (DM), thuận từ (PM), sắt từ (FM) và siêu thuận từ (SPM)

c) Sắt từ

Vật liệu sắt từ là các chất có tính từ mạnh, hay khả năng hưởng ứng mạnh dưới tác dụng của từ trường ngoài, mà tiêu biểu là sắt (Fe), và tên gọi “sắt từ” được đặt cho nhóm các chất có tính chất giống với sắt Các chất sắt từ có hành vi gần giống với các chất thuận từ ở đặc điểm hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài Đặc trưng của chúng là ở dưới nhiệt độ nào đó (tùy từng chất) tồn tại momen từ trung bình một cách tự phát (gọi

là độ từ hóa tự phát) ngay khi không có từ trường ngoài Ở 0 K, các momen từ nguyên

tử sắp xếp trật tự ngày khi không có từ trường ngoài Giá trị của độ từ cảm χ của các chất từ trật tự này lớn hơn nhiều so với chất thuận từ và chất nghịch từ

Các thông số xác định tính chất của vật liệu từ, ngoài độ cảm từ còn có từ độ bão hòa (từ độ đạt cực đại từ trường lớn, MS), độ từ dư (từ độ còn dư sau khi ngừng tác động của từ trường ngoài MR), lực kháng từ (từ trường ngoài cần thiết để một hệ sau khi đạt được trạng thái bão hòa từ, bị khử từ, HC)

d) Siêu thuận từ

Siêu thuận từ là trạng thái từ tính xảy ra ở các vật liệu từ, mà ở đó vật liệu biểu hiện cá tính chất giống như các chất thuận từ, ngay ở dưới nhiệt độ Curie (TC, nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ) hay nhiệt độ Neel (TN, nhiệt độ chuyển pha sắt từ- thuận từ) Đây là một hiệu ứng kích thước, về mặt bản chất là sự thắng thế của năng lượng nhiệt so với năng lượng định hướng khi kích thước của hạt quá nhỏ Các thảo luận chi tiết về vật liệu siêu thuận từ sẽ được trình bày chi tiết dưới đây

1.1.3 Vật liệu siêu thuận từ

1.1.3.1 Đômen từ

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

tự phát của vật liệu, nghĩa là độ từ hóa tồn tại ngày cả khi không có từ trường Với vật liệu có kích thước thông thường, momen từ của các vật thường bằng không (trạng thái khử từ) Điều này được Weiss giải thích rằng vật liệu được chia thành các đômen Trong mỗi đômen vecto từ hóa tự phát có hướng xác định Nhưng các đômen khác nhau thì vecto từ hóa tự phát sẽ có hướng khác nhau Các đômen lân cận phân cách nhau bởi vách đômen Qua vách đômen, hướng của momen từ dần thay đổi

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 hướng từ hóa khác nhau Momen từ hóa M của vật rắn sẽ là tổng vecto 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 momen từ của các đômen trong toàn khối sẽ sắp xếp hỗn độn, do đó độ từ hóa của vật rắn vẫn bằng)

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 Những đômen nào có momen từ gần với hướng của từ trường sẽ được mở rộng, còn những đômen nào có momen từ có 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 từ độ bão hòa Tại đó hướng của momen từ trùng với hướng của

từ trường

1.1.3.2 Tính chất siêu thuận từ

Một vật liệu sắt từ được cấu tạo bởi một hệ các hạt (thể tích V), các hạt này tương tác và liên kết với nhau Giả sử nếu ta giảm dần kích thước các hạt thì năng lượng dị hướng KV giảm dần, nếu ta tiếp tục giảm thì đến một lúc nào đó KV<< kT, năng lượng nhiệt sẽ thắng năng lượng dị hướng và vật sẽ mang đặc trưng của một chất thuận từ Thông thường, lực liên kết bên trong vật liệu sắt từ làm cho các momen 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 đọ Curie (hay nhiệt độ Neel đối với vật liệu phản sắt từ), dao động nhiệt đủ lớn để thắng lại các lực liên kết bên trong, làm cho các momen 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 sắt thuận từ

Hình 1.4 Đường cong từ trễ đo độ từ hóa của vật liệu siêu thuận từ

(superparamagnetic, SPM) và sắt từ (ferromagnetic, FM) với lực kháng từ Hệ từ độ

bão hòa M s , độ từ dư M r [32]

Hệ là siêu thuận từ khi lực kháng từ, HC→ 0 và các momen từ m của các hạt sắp xếp hỗn loạn khi từ trường ngoài bị tắt Điều này thể hiện bằng sự trùng khít nhau của đường cong M(H) nạp từ (đo khi H tăng) và khử từ (đo khi H giảm qua điểm 0)

Tính siêu thuận từ có được đối với các chất sắt từ có cấu tạo bởi các hạt tinh thể nhỏ Khi kích thước hạt lớn, hệ sẽ ở trạng thái đa đômen (tức là mỗi hạt sẽ cấu tạo bởi nhiều đômen từ) Khi kích thước hạt giảm dần, chất sẽ chuyển sang trạng thái đơn đômen, có nghĩa là mỗi hạt sẽ là một đômen Khi kích thước hạt giảm quá nhỏ, năng lượng định hướng (mà chi phối chủ yếu ở đây là năng lượng dị hướng từ tinh thể) nhỏ hơn nhiều so với năng lượng nhiệt, khi đó năng lượng nhiệt sẽ phá vỡ sự định hướng song song của momen từ, và khi đó momen từ của hệ hạt sẽ định hướng hỗn loạn như trong chất thuận từ [24] Giới hạn siêu thuận từ xảy ra khi năng lượng định hướng nhỏ hơn năng lượng nhiệt, khi:

K1Vo<<kB T (1.1)

Với K1, V0 lần lượt là hằng số dị hướng từ tinh thể bậc 1 của vật liệu, thể tích của hạt, kB, T là hằng số Boltzmann, nhiệt độ của môi trường xung quanh

Khi xảy ra hiện tượng siêu thuận từ, chất vẫn có momen từ lớn của chất sắt từ, nhưng lại thể hiện các hành vi của chất thuận từ, có nghĩa là momen từ biến đổi theo Langevin [24]:

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 1.5 Sự phụ thuộc lực kháng từ (H c ) của Fe3O4 vào kích thước hạt [66]

Có hai vùng kích thước đặc trưng cho tính chất từ của hệ MNPs là kích thước đơn đômen, Dc, và kích thước siêu thuận từ, Dsp Kích thước tới hạn Dc được liên hệ với dị hướng hiệu dụng Keff, hằng số tương tác trao đổi A, từ độ bão hòa M bởi công thức:

Ở đây 0 là độ thẩm từ chân không Giá trị Dc phụ thuộc mạnh vào loại vật liệu, ví

dụ như Dc = 7, 15,55 và 128mm tương ứng cho các hạt nano Co(fcc), Fe, Ni và Fe3O4 [73] Kích thước siêu thuận từ bé hơn kích thước đơn đômen, chẳng hạn với hạt magnetite, Fe3O4, Dsp  9nm

Một đặc tính quan trọng khác của siêu thuận từ là ngay khi có từ trường ngoài, các momen từ m của các hạt không phải định hướng cố định theo hướng từ trường ngoài mà có thể dao động theo cơ chế hồi phục gọi là hồi phục Neel Thời

gian hồi phục Neel, τ, phụ thuộc vào tương quan giữa rào thế Keff.V và nhiệt năng kB.T:

có độc tính) Tính đồng nhất về kích thước là tính chất liên quan nhiều đến phương pháp chế tạo còn từ độ bão hòa và tính tương hợp sinh học liên quan đến bản chất của vật liệu

Các hạt nano từ được chức năng hóa bề mặt có thể phân tán đồng nhất trong dung môi gọi là chất lỏng từ (còn gọi là nước từ) Một chất lỏng từ gồm ba thành phần: hạt nano từ tính, chất chức hóa bề mặt và dung môi Hạt nano từ tính là thành phần quyết định đến tính chất từ của chất lỏng từ Chất chức năng hóa 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 ngoài Ngoài ra nó còn có tác dụng “che phủ” hạt nano khỏi sự đào thải của hệ thống bảo vệ cơ thể sống và tạo các mối liên kết hóa học với các phân tử khác Các chất chức hóa bề mặt thường gặp như polyme hữu cơ, kim loại Au, các oxit vô cơ (như SiO2, Al2O3) và xa hơn nữa là sử dụng các phân tử có hoạt tính sinh học Dung môi

là chất lỏng mang toàn bộ hệ

Một hệ vận tải thuốc đa chức năng với hạt lõi là hạt nano từ tính (nano vecto) có thể “đảm đương” thêm ba chức năng đó là: (i) chức năng tăng độ tương phản (contrast agent), (ii) chức năng hướng đích (targeting) và (iii) chức năng chữa trị (therapy) Cơ sở cho việc thiết kế các chức năng này là nhờ hạt nano từ có momen từ M, mà khi tương

tác với một từ trường ngoài H, hệ sẽ gây nên sự thay đổi tín hiệu của cộng hưởng từ hạt nhân MRI của vùng mô nơi hạt từ khu trú (ứng dụng cho trường hợp (i)), được lôi kéo

và hoặc neo đậu tại địa điểm mong muốn (ứng dụng cho trường hợp (ii)) và gây gia nhiệt cục bộ (ứng dụng cho trường hợp (iii)) Các ứng dụng của hạt siêu thuận từ Fe3O4trong chẩn đoán (hiệu ứng MRI) và điều trị ung thư (hiệu ứng nhiệt trị) được trình bày

ở hình 1.6 và 1.7

1.2 Tình hình nghiên cứu vật liệu nano từ trong và ngoài nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Các kết quả nghiên cứu KH-CN Nano cho tới đầu những năm 2000 trên thế giới

đã sớm chứng tỏ triển vọng tiềm tàng của ứng dụng công nghệ và vật liệu nano cho y học, thể hiện ở chỗ đã hình thành một lĩnh vực khoa học liên ngành mới đang được hết sức quan tâm là Nano Y học (Nanomedicine) mà ngành chuyên sâu hơn là Công nghệ Nano Ung thư-CNNNUT (Cancer nanotechnology) [31, 26, 20, 153] Đối với CNNNUT, người ta đã có thể chế tạo một số hệ nanovector dẫn thuốc bằng con đường tiêm ví dụ như: các liposome dùng cho chữa ung thư vú, các chất từ tính tăng tương phản trong chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân MRI kích thước nano và hướng đích sinh học và các phương pháp phân tích mới dựa trên hạt nano cho việc phát hiện với tính đặc hiệu cao các thực thể sinh học như DNA và protein Theo quan điểm của nhiều chuyên gia thuộc Viện Ung thư Quốc gia (NCI) Hoa Kỳ thì các đặc tính định hình cho lĩnh vực CNNNUT chính là tiềm năng mang tính đột phá (breakthrough) cho việc chẩn đoán, điều trị và ngăn ngừa ung thư thể hiện qua vài ví dụ nêu trên Nói là tính đột phá vì trong suốt gần 40 năm qua mặc dù các nước phát triển đã đầu tư khá nhiều nguồn lực nghiên cứu nhưng các phương pháp chữa trị ung thư hiện nay hầu như chưa có được sự tiến bộ

gì đáng kể Người ta vẫn sử dụng 3 phương pháp truyền thống là giải phẫu, xạ trị và hóa trị Các phương pháp này thực chất chỉ mới tác động ở cấp độ “vĩ mô” (kích thước trên milimet), do vậy khi điều trị thường gây hiệu ứng phụ (giết chết cả vùng tế bào hoặc mô lành, gây rụng tóc v.v ), và hiệu quả, trung bình, chỉ có thể cứu sống được chưa tới 10% các ca đã điều trị Trong khi đó, dự báo của tổ chức y tế thế giới (WHO) cho thấy tỷ lệ mắc bệnh ung thư trên toàn cầu từ năm 2005 đến 2020 có thể tăng gần 50% và sẽ có thêm khoảng 15 triệu ca mắc bệnh mới, trong đó tại châu Á sẽ tăng 60% với số bệnh nhân mới khoảng 7,1 triệu người Ở Việt Nam, số ca mắc bệnh ung thư hàng năm ước tính cũng đến khoảng 120.000 người, còn số bệnh nhân tử vong hàng năm vì căn bệnh này là khoảng 70.000 Đứng trước nhu cầu và tiềm năng dự báo nói trên, nhiều quốc gia

trên thế giới, không chỉ các nước đã phát triển như Hoa Kỳ, EU, Nhật Bản, Hàn Quốc

mà các nước mới nổi khác như Ấn Độ, Trung Quốc, Đài Loan (TQ), Singapore, Nga,

Úc, v.v đang đầu tư nguồn lực cho nghiên cứu lĩnh vực nano y sinh và cụ thể là CNNNUT

Hình 1.6 Mô hình thuốc lõi nano đa chức năng

Để thiết kế được một hệ tải thuốc đa chức năng nanovector, người ta thường dùng một nhân là hạt nano, mà vật liệu có thể thuộc các loại khác nhau như chấm lượng từ (bán dẫn), các oxit kim loại (bán dẫn, điện môi), các hạt nano polymer và hạt nano từ Trong các loại hạt lõi nói trên hạt nano từ tính (MNP) chiếm vị trí khá quan trọng, đó là nhờ ngoài các đặc tính chung về bề mặt của hạt nano loại hạt từ tính còn có thể “đảm đương” thêm 3 chức năng của hệ tải thuốc đa chức năng đề cập trên hình 1a, đó là: (i) chức năng tăng độ tương phản (contrast agent, là nội dung chính của đề tài này), (ii) chức năng hướng đích (targeting) và chức năng chữa trị (therapy) Bảo đảm cho việc thiết kế các chức năng này là nhờ hạt nano từ có mô men từ m, mà khi tương tác với một từ trường ngoài H, hệ sẽ gây nên sự thay đổi tín hiệu ảnh cộng hưởng từ hạt nhân MRI cửa vùng mô nơi MNP khu trú (ứng dụng cho trường hợp (i)), được lôi kéo và hoặc neo đậu tại địa điểm mong muốn (ứng dụng cho trường hợp (ii) và gây gia nhiệt cục bộ (ứng dụng cho trường hợp (iii) Các ứng dụng của hạt siêu thuận từ Fe3O4 trong chẩn đoán ung thư (hiệu ứng MRI) và điều trị ung thư (hiệu ứng nhiệt trị) được trình bày ở hình dưới

H

Hình 1.7 Minh họa các ứng dụng của hạt siêu thuận từ Fe 3 O 4 trong chẩn đoán ung thư (hiệu ứng MRI) và điều trị ung thư (hiệu ứng nhiệt trị)

Về các phương pháp chế tạo: Các hệ nanovector lõi hạt từ, các tổng quan [36, 37,

13, 50] cho thấy, cho đến nay người ta đã sử dụng khá đa dạng các phương pháp hóa-lý

để chế tạo các hệ vật liệu có thành phần lõi và vỏ khác nhau như:

Phương pháp đồng kết tủa (Co-precipitation): Là phương pháp hóa học dễ và thuận tiện Phương pháp cho đến nay đã được sử dụng chủ yếu là tổng hợp hạt nano ôxit sắt (cả Fe3O4 và γ-Fe2O3), kích thước của hạt nằm trong khoảng 5-20nm, và từ độ bão hòa phổ biến đạt được cỡ 30-50 chung, còn bé hơn rất nhiều so với từ độ của mẫu khối, 90emu/g [100,123 114]

Phương pháp phân hủy nhiệt (Thermal Decomposition): Phương pháp này sử dụng các tiền chất cơ kim, dùng nhiệt độ (từ 150 - 350C) để phân hủy và có thể chế tạo các nano tinh thể từ tính như các ôxit sắt từ dịch thước có thể từ 5-50nm), hoặc các hạt nano

từ kim loại hợp kim (Co, CoPt, FePt, FeP…)[129, 48, 28]

Phương pháp vi nhũ tương (Microemulsion): Đây là phương pháp phân tán 2 chất lỏng có độ ưa kỵ nước rất khác nhau, từ đó tạo phản ứng (cơ chế đồng kết tủa hoặc sol-gel) tổng hợp các oxit đơn hoặc đa kim loại [5, 82] Ưu điểm của phương pháp này là thu được các hạt mịn với độ phân bố rất đều Người ta đã sử dụng phương pháp này để chế tạo các hạt nano ferrit spinel MFe2O4 và hoặc oxit sắt

Phương pháp nhiệt thủy nhiệt (Hydrothermal synthesis): Sử dụng điều kiện thủy phân đã chế tạo hàng loạt các oxit sắt từ, như Fe3O4, CoFe2O4 kích thước khá đồng đều trong vùng 9-12nm, và khi dùng thêm một số hóa chất phụ trợ (như ethylene glycol) kết hợp ủ nhiệt tại 2000C một vài ngày có thể thu được hệ hạt oxit sắt kích thước 200-800nm khá đều [134, 73, 142]

Phương pháp hóa siêu âm (Sonochemical): Sử dụng phương pháp hóa siêu âm có thể chế tạo được hệ oxit sắt bọc chitosan, kích thước như của phương pháp đồng kết tủa

(cỡ 15nm) nhưng nhờ có độ tinh thể tốt hơn nên từ độ bão hòa đạt trên 80emu/g Phương pháp này còn cho ưu điểm là có thể sử dụng chất hoạt hóa bề mặt loại phổ biến như axit oleic kết hợp trong quá trình chế tạo và bọc hạt nano

Các hệ hạt nano từ khi tổng hợp phải được tiến hành ổn định bằng cách bọc một lớp bảo vệ (hình 1.7) Quá trình này có thể tiến hành đồng thời với quá trình tổng hợp hoặc sau khi hệ hạt nano đã tổng hợp xong Lớp bọc bảo vệ có thể là chất vô cơ và hoặc hữu cơ Với các hạt lõi là kim loại sắt từ người ta có thể tạo lớp bảo vệ bằng cách thụ động hóa bề mặt bằng một lớp oxit, ví dụ như Co@CoO Rất nhiều trường hợp người ta

sử dụng các polymer để bền hóa các hạt nano từ (như đối với Fe3O4, MnFe2O4 ) Gần đây nhằm ứng dụng cho y sinh nhiều hệ hạt nano từ đã được nghiên cứu bao bọc bởi kim loại như Au, cacbon Quá trình bọc ổn định có thể ảnh hưởng mạnh đến tính chất

từ của các hạt trong lõi Đối với trường hợp vật liệu bọc là hữu cơ (như polymer chẳng hạn) hoặc vô cơ phi từ hoặc phi kim loại (silica) tính chất từ chỉ phụ thuộc tính tương tác dipole giữa các hạt Đối với các hệ hạt đa lớp từ tính khác như lõi kim loại từ, vỏ ferrit từ hoặc lõi kim loại từ vỏ kim loại Au hoặc C, các đặc trưng từ tính sẽ trở nên phức tạp hơn nhiều Do vì các hệ cấu trúc nano dị tính chất này có thể cho một số tính chất mới khả dụng nên mấy năm gần đây được giới nghiên cứu rất quan tâm Gần đây (2011) nhóm nghiên cứu tại Hàn Quốc vừa công bố kết quả nghiên cứu hệ hạt nano lõi là CoFe2O4 vỏ là MnFe2O4 có kích thước khoảng 15nm cho tính chất từ ghép tương tác (exchange-coupling) lợi dụng được cả tính từ cứng (Hc lớn) của hạt lõi với từ mềm (Hcnhỏ) của vỏ, nâng được hiệu suất gia nhiệt (sẽ trình bày ở dưới) lên trên 10 lần, áp dụng cho nhiệt trị chữa lành khối u trên chuột thí nghiệm với liều chất lỏng từ tiêm vào giảm được một bậc

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, một số nhóm nghiên cứu ở Viện Khoa học vật liệu, Trung tâm Đào tạo Quốc tế về Khoa học vật liệu - Trường ĐH Bách khoa Hà nội và ĐH Quốc gia Hà nội (ĐHQGHN) cũng đã có công bố về chế tạo các hạt nano từ cho ứng dụng y sinh và cho các nghiên cứu cơ bản Đi tiên phong trong việc chế tạo các hạt nano từ cho các ứng dụng y sinh nói chung và đặc biệt là cho các ứng dụng đốt từ nói riêng là nhóm của GS Nguyễn Xuân Phúc ở Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam Phòng thí nghiệm Vật liệu nano y sinh hiện nay và trước đây là phòng Vật lý vật liệu từ và siêu dẫn của Viện Khoa học vật liệu đã bắt đầu nghiên cứu về hạt nano từ

thông qua đề tài NCCB “Nghiên cứu một số phương pháp chế tạo, các tính chất của một

số vậtliệu hạt nano từ tính”, thực hiện trong giai đoạn 2006-2007 Kết quả chính của đề

tài cấp Bộ này là đã thử nghiệm thành công việc bọc hệ hạt nano Fe3O4 bằng tinh bột

(starch), từ đó thử nghiệm in-vitro chất lỏng từ này cho thấy hiệu ứng diệt tế bào ung thư dưới tác động nhiệt từ Tuy nhiên, chất lỏng hạt từ magnetit bọc tinh bột,

Fe3O4@starch, đã không thể đưa vào cơ thể chuột thí nghiệm được Viện Khoa học vật liệu, sau đó được Viện KHCNVN tài trợ một đề tài độc lập giai đoạn 2009-2010 với đầu

đề 'Nghiên cứu công nghệ chế tạo một số vật liệu hạt nano Fe 3 O 4 theo định hướng ứng dụng trong y sinh”, với mục tiêu là tập hợp đội ngũ liên ngành, phối hợp công nghệ vật

liệu với công nghệ sinh học Kết quả đã chế tạo được chất lỏng từ lõi là hạt Fe3O4 đồng kết tủa, bọc bằng một loại co-polyme (styreile-axit acrylic), đính với kháng nguyên/kháng thể virus viêm gan B để nhằm tăng độ nhạy phân tích vi khuẩn bệnh có đánh dấu và làm giàu từ Các đề tài này đã ở giai đoạn kết thúc với một số kết quả nghiên

cứu đối về hạt nano từ cho y sinh đáng chú ý như: đã bước đầu thử nghiệm in-vitro và in-vivo với loại Fe3O4@ copolymer (styrene-axit acrylic) diệt được tế bào và u báng (Sarcoma 180) Tuy nhiên vấn đề độc tính của copolymer (styrene-axit acrylic) cũng như hiệu ứng làm tăng độ tương phản cho MRI của hạt từ là những vấn đề chưa được giải quyết sau đề tài này

Hiện tại nhóm của GS Nguyễn Xuân Phúc kết hợp với nhóm của TS Lê Trọng

Lư (Viện Kỹ thuật nhiệt đới - Viện KHCNVN) đã bắt đầu chuyển hướng sang tổng hợp bằng phương pháp phân hủy nhiệt trong dung môi hữu cơ với các hệ vật liệu như: Fe3O4, CoFe2O4 hoặc các cấu trúc lõi vỏ trên nền hợp kim CoFe có chất lượng cao cho ứng dụng nhiệt từ trị tế bào ung thư và làm chất tương phản trong kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ MRI [98, 125, 75, 84]

Hạt nano từ được một số nhà Vật lý ở Đại học Bách khoa Hà Nội (do GS TSKH Thân Đức Hiền chủ trì) quan tâm nghiên cứu từ năm 2004-2005 và đến nay tập thể này định hướng mục tiêu ứng dụng là cho điện tử và cơ khí Nhóm nghiên cứu Ở Đại học KHTN-ĐHQG Hà Nội do GS TSKH Nguyễn Hoàng Lương và PGS TS Nguyễn Hoàng Hải chủ trì đã và đang tiến hành một vài đề tài nghiên cứu chế tạo các hạt nano

từ tính và định hướng ứng dụng cho xử lý môi trường hoặc phân tích DNA Tại đây hàng loạt các hệ vật liệu nano từ như: ôxít sắt từ (Fe2O3, Fe3O4), ferit (CoFe2O4, NiFe2O4) hoặc hợp kim FePt và CoPt đã được chế tạo cho mục đích nghiên cứu cơ bản [126, 101, 78,43] Việc tổng hợp vật liệu đa phần được thực hiện trong môi trường nước

và hoàng loạt các phương pháp tổng hợp như: phương pháp đồng kết tủa, phương pháp tổng hợp với sự hỗ trợ của sóng microwave hoặc phương pháp tổng hợp điện hóa siêu

âm Trong hầu hết các công trình đã công bố của nhóm tác giả này, các hạt nano từ chế tạo ra có chất lượng thấp, các hạt không đồng đều về kích thước và không đồng nhất về

hình dạng và vì vậy hạn chế khả năng sử dụng cho các ứng dụng in vivo trong y sinh

như MRI, đốt từ

Việc nghiên cứu chế tạo hạt nano Fe3O4 làm chất tăng tương phản chụp ảnh (MRI)

đã được nhóm của PGS.TS Trần Hoàng Hải (Viện Vật lý Tp HCM) tiến hành trong các năm 2007-2010 với sự tài trợ của một đề tài cấp Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam

và một đề tài NCCB của Quỹ NAFOSTED, tuy nhiên kết quả chỉ dừng lại ở mức thử nghiệm ban đầu Hiện trong nước chưa có một công bố nào về việc tổng hợp các hạt nano từ cho phép điều khiển tốt về hình dạng, kích thước, độ đồng nhất và có tính lặp lại cao Ngoài ra, trong nước cũng thiếu các nghiên cứu có tính hệ thống về vai trò của các phân tử hữu cơ (surfactants, ligands ) đến hình thái, tính chất từ, xúc tác, khả năng phân tán và độ bền của các hạt trong môi trường nước

1.3 Các phương pháp chế tạo chất lỏng từ

1.3.1 Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano từ

Có rất nhiều phương pháp chế tạo hạt nano nói chung và hạt nano từ nói riêng như phương pháp vật lý và phương pháp hóa học Song có thể chia làm 2 nguyên tắc chính

đó là, nghiền nhỏ vật liệu khối đến kích thước nano (top-down) và hình thành hạt nano

từ việc kết hợp các nguyên tử (bottom-up) Nguyên tắc thứ nhất bao gồm các phương pháp nghiền và biến dạng như nghiền hành tinh và nghiền rung Nguyên tắc thứ 2 bao gồm phương pháp vật lý và phương pháp hoá học Phương pháp nghiền có ưu điểm là đơn giản và chế tạo được vật liệu có khối lượng lớn, tuy nhiên nhược điểm là cho sản phẩm có tính đồng nhất không cao vì không khống chế được quá trình hình thành hạt nano Với các ứng dụng trong y sinh, vật liệu thường được chế tạo bằng một số phương pháp hoá học như phương pháp đồng kết tủa, solgel, vi nhũ tương, thủy nhiệt, phân hủy nhiệt, vi lưu, v.v Các phương pháp hóa học có thể tạo ra các hạt nano với độ đồng nhất khá cao và tạo môi trường thuận lợi để có thể bọc hạt và chuyển pha các hạt từ môi trường dầu sang môi trường nước Mỗi phương pháp nêu trên đều có những đặc điểm khác nhau Sau đây, chúng tôi sẽ trình bày một số phương pháp thường được sử dụng

trong tổng hợp vật liệu nano từ tính

M2+ +2Fe3+ + 8OH- → MFe2O4 + 4H2O (1) Trong đó M là: Fe, Co, Ni, Mn, Zn, Mg

Một trong những nhóm nghiên cứu đầu tiên về phương pháp đồng kết tủa phải kể đến nhóm của tác giả Massart đã sử dụng phương pháp đồng kết tủa để chế tạo hạt nano oxit sắt vào năm 1981 Theo nhóm tác giả này, các hạt nano Fe3O4 được tạo ra bằng cách kết tủa dung dịch muối FeCl2 và FeCl3 trong môi trường kiềm Kích thước, hình dạng và độ phân tán của hạt phụ thuộc nhiều tới các yếu tố như: môi trường kiềm, độ

pH, tốc độ nhỏ giọt, tốc độ khuấy và tỷ lệ Fe2+/Fe3+ Tùy vào từng điều kiện phản ứng

có thể thu được hạt có kích thước từ 4,2 - 16,6 nm Nhóm tác giả này cũng tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của chất hữu cơ (ion citrate) lên kích thước hạt nano Fe3O4 Khi tăng lượng ion citrate, các hạt nano bọc citrate giảm từ 8nm xuống 3nm Trong phương pháp đồng kết tủa, tỷ lệ Fe2+/Fe3+là yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hình thành hạt nano từ Fe3O4 Jolivet đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ x= Fe2+/Fe3+ lên thành phần, kích thước, hình dáng cũng như tính chất từ của hạt nano kết tủa Khi tỷ lệ

Fe2+/Fe3+ nhỏ sản phẩm tạo ra có dạng oxit sắt ngậm nước Với x = 0.3 ngoài pha Fe3O4còn tồn tại pha hydroxit của sắt Với x = 0.5 các hạt tạo ra đơn pha Fe3O4 và tương đối đồng nhất

Một số nhóm tác giả khác cũng cho rằng, việc kiểm soát hình dạng, kích thước, độ đồng nhất và cấu trúc của hạt có thể được thực hiện bằng cách điều chỉnh độ pH, bản chất của các tiền chất ban đầu, nhiệt độ cũng như nồng độ của chất phản ứng Ví dụ như, Chinnasamy đã tiến hành một loạt các nghiên cứu tổng hợp hạt CoFe2O4 sử dụng các tiền chất là CoCl2 và FeCl3 ở điều kiện nhiệt độ và độ pH khác nhau Kết quả đã chỉ ra rằng khi tăng nhiệt độ phản ứng từ 70 lến 98oC, kích thước hạt sẽ tăng từ 14 - 18 nm Trong khi thay đổi nồng độ NaOH trong dải từ 0,7 - 1,3 M, kích thước hạt CoFe2O4 có thể điều khiển trong khoảng từ 6 -19 nm

Nhìn chung, phương pháp đồng kết tủa chế tạo khá đơn giản vì sử dụng ngay nước làm dung môi và không cần phải sử dụng đến chất hoạt động bề mặt, chính điều này đã làm cho các hạt từ tạo thành thường có co cụm lại với nhau Để ngăn chặn sự kết đám của các hạt nano, các tác giả đã nghiên cứu ra một “ligand’’ làm ổn định hạt (dùng bọc hạt) thường được đưa vào trong thời gian tổng hợp Trong nhiều trường hợp sự kết tủa của hạt có thể tránh bằng cách hấp thụ các ion như H+ hay OH- lên bề mặt hạt trong các điều kiện pH khác nhau

Việc thêm các ligand với mục đích làm ổn định hạt (chống kết đám, khống chế kích thước hạt) như polyme hoặc các chất hoạt động bề mặt vào trong quá trình tổng hợp hạt nano từ bằng phương pháp đồng kết tủa là rất quan trọng Sự có mặt của ligand không chỉ giúp các hạt phân tán tốt trong dung môi tổng hợp mà còn góp phần điều khiển kích thước hạt Ngoài ra các nhóm chức của các ligand còn cho phép liên kết các hạt nano với các phân tử sinh học cho mục đích ứng dụng trong lĩnh vực y sinh như đã nêu ở trên Bergemam và các cộng sự đã công bố kết quả tổng hợp hạt nano Fe3O4 phân

tán trong nước bằng cách đồng kết tủa muối sắt cacbonat (FeCO3) trong dung dịch hydroxit (NaOH) Kích thước hạt thu được có thể khống chế từ vài chục nanomet đến hơn 1 micromet đơn giản chỉ bằng cách tăng nhiệt độ từ 5 oC đến 100 oC dưới sự có mặt của các ligand khác nhau như tinh bột, polysaccharit, polyacrylic hoặc polyvinyl alcohol polyme Li và các cộng sự đã công bố nghiên cứu tổng hợp hạt nano Fe3O4 bền trong nước bằng cách đồng kết tủa Fe3+ và Fe2+ trong dung dịch amoni đậm đặc có mặt poly methacrylic acid- pentaerythritol tetrakis (PMAA-PTTM) polyme Theo đó, kích thước của hạt có thể thay đổi từ 4,5 - 6,1 nm bằng cách giảm số lượng của nhóm COOH trên polyme (giảm trọng lượng phân tử polyme) Bề mặt của hạt nano chế tạo được sau đó

có thể được gắn với các phân tử axit glumic để tạo ra các hạt nano phát quang Sử dụng cách tổng hợp tương tự để tổng hợp các hạt Fe3O4 bọc bởi dextran, Paul và các đồng nghiệp đã cho thấy rằng bằng cách thay đổi trọng lượng phân tử của polyme, không chỉ kích thước hạt mà cả tính chất từ của hạt có thể điều khiển được Tăng trọng lượng phân

tử polyme từ 1.000 đến 70.000 g mol-1 làm giảm kích thước hạt từ 2,7 µm đến 21 nm Mặc dù có ưu điểm là đơn giản, rẻ tiền và ít gây tác động đến môi trường do sử dụng dung môi là nước Tuy nhiên, phương pháp này có hạn chế là tạo ra các hạt nano

có chất lượng kém, các hạt tạo ra thường không đồng đều về kích thước (với sai số kích thước > 30%), không đồng nhất về hình dạng và thường có mức độ tinh thể hoá thấp

1.3.1.2 Phương pháp vi nhũ tương

Phương pháp vi nhũ tương là phương pháp tạo hạt nano nhờ vào các phản ứng bên trong các hạt micen của các hệ vi nhũ tương Có thể hiểu hệ vi nhũ tương là sự phân tán cân bằng nhiệt động của hai pha lỏng (nước - dầu) không tan lẫn nhau khi có chất hoạt động bề mặt đồng thời các phân tử chất hoạt động bề mặt sẽ hình thành một đơn lớp tại

bề mặt tiếp giáp giữa dầu - nước Trong cấu trúc này, pha nước phân tán thành các giọt nước nhỏ được bao xung quanh bởi một đơn lớp phân tử chất hoạt động bề mặt gọi là các hạt micen Kích thước của hạt micelle được xác định bằng tỷ lệ nước trên chất hoạt động bề mặt Khi trộn hai hệ vi nhũ tương chứa các chất phản ứng, các hạt micelle sẽ kết tụ vào nhau và tạo phản ứng trong hạt micelle Sản phẩm sau phản ứng được thu hồi khi thêm một số dung môi vào hệ nhũ tương như: cồn, axeton Các hạt nano từ được chế tạo bằng phương pháp vi nhũ tương thường có dạng hình cầu hoặc ống với phân bố kích thước hạt hẹp

1.3.1.3 Phương pháp sol-gel

Một phương pháp thông dụng khác hiện đang được sử dụng phổ biến để tổng hợp các vật liệu nano nói chung và các hệ nano ferit nói riêng là phương pháp sol-gel Kỹ thuật sol-gel liên quan đến quá trình phản ứng thuỷ phân (hydrolysis) và phản ứng hoá đặc (condensation) của các muối vô cơ hoà tan trong dung môi thông thường là nước

hoặc cồn (sol) dưới điều kiện axít hoặc kiềm Tiếp theo của các phản ứng này là quá trình polyme hoá hay là các phản ứng tạo gel để tạo thành một mạng không gian 3 chiều các liên kết metal-oxide Sản phẩm cuối cùng của quá trình thu được bằng cách loại bỏ dung môi thông qua việc xử lý nhiệt Các thông số của phản ứng như bản chất của dung môi, nhiệt độ, độ pH và nồng độ của các các tiền chất ban đầu cũng như tốc độ khuấy ảnh hưởng đến cấu trúc và hình thái của các hạt ferit thu được Ví dụ như, bản chất dung môi và độ pH của dung dịch ảnh hưởng tới động học của các phản ứng thuỷ phân và hoá đặc cũng như điểm trung tính và độ bền của các sol, do đó có vai trò quyết định đến kích thước và sự kết đám của các hạt ferit tạo thành Tương tự như phương pháp đồng kết tủa, phương pháp sol-gel có ưu điểm là rẻ tiền, tương đối thân thiện môi trường và cho phép tổng hợp được các hạt nano với khối lượng lớn Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là tạo ra sản phẩm chủ yếu ở dạng vô định hình, ngoài ra các hạt nano tạo thành thường bị kết đám và rất khó điều khiển hình dạng và độ đồng đều

1.3.1.4 Phương pháp thủy nhiệt

Tổng hợp hạt nano bằng phương pháp thủy nhiệt được thực hiện dựa trên khả năng thủy phân và khử nước của các muối ở áp suất và nhiệt độ cao Phản ứng hóa học luôn được thực hiện trong các hệ kín (nồi hấp hoặc autoclave) ở áp suất cao Ở nhiệt độ cao,

sự hòa tan và khả năng phản ứng của các chất tăng lên Nhiều tiền chất không tan trong nước ở điều kiện bình thường có thể được sử dụng trong phương pháp thủy nhiệt Hiện nay quá trình thủy nhiệt đang được sử dụng rộng rãi để tổng hợp các hạt nano từ tính như ôxít, ferit hoặc hợp kim Các thông số như áp suất, nhiệt độ, thời gian phản ứng, nồng độ tiền chất và độ pH có thể được sử dụng để điều khiển kích thước, hình dạng và

độ kết tinh của sản phẩm Có hai cơ chế để hình thành hạt nano từ dưới các điều kiện thủy nhiệt là có sử dụng chất hoạt động hoặc không dùng chất hoạt động bề mặt Wang

và cộng sự đã sử dụng phương pháp này để chế tạo hạt nano Fe3O4 có độ tinh thể hóa cao mà không sử dụng chất hoạt động bề mặt Mẫu hạt thu được có kích thước 40 nm

và mômen từ bão hòa 85 emu/g Khi sử dụng chất hoạt động bề mặt sodium bis ethylhexyl) sulfosuccinate (AOT), Zheng và cộng sự thu được hạt có kích thước 27 nm

(2-và hạt thể hiện tính siêu thuận từ ở nhiệt độ phòng

Tổng hợp hạt nano bằng phương pháp thủy nhiệt có ưu điểm là thân thiện với môi trường vì nó không sử dụng đến bất kỳ dung môi hữu cơ nào cũng như không yêu cầu bất kỳ công đoạn xử lý nhiệt nào sau khi tổng hợp mà vẫn cho ra các sản phẩm có mức

độ tinh thể hóa cao Phương pháp này còn có thể chế tạo ra các hạt nano với khả năng điều khiển về kích thước và hình dạng Ngoài ra, các hạt nano nhiều thành phần (các loại vật liệu gốm kích thước nano) không phải luôn dễ dàng tổng hợp bằng phương pháp hóa ướt khác, có thể được tổng hợp bởi phương pháp thủy nhiệt Nhược điểm của

phương pháp này là việc sử dụng nồi hấp hoặc lò phản ứng áp suất cao để tổng hợp mẫu

và điều này có thể gây nên rủi ro cháy nổ

1.3.1.5 Phương pháp phân hủy nhiệt

Trong số các phương pháp tổng hợp hạt nano đã nói ở trên, mỗi phương pháp đều đem đến những ưu nhược điểm riêng và cho phép kiểm soát kích thước, hình dạng, tính chất của hạt nano theo cách riêng Nhưng trong một số ứng dụng chẳng hạn như ứng dụng đốt từ trong y sinh thì yêu cầu độ đồng nhất về hình dạng, đồng đều về kích thước cũng như khả năng điều khiển tốt kích thước hạt được đặt lên hàng đầu, thì hầu như các phương pháp nói trên chưa cho hiệu quả cao Trong những năm gần đây, một phương pháp tổng hợp mới liên quan đến sự phân hủy nhiệt các tiền chất trong dung môi hữu cơ

ở nhiệt độ cao để tạo ra các hạt nano từ được các nhà khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm Với phương pháp này, các hạt nano từ thường được tạo thành bằng cách phun nhanh các tiền chất là các hợp chất hữu cơ của nguyên tố kim loại cần tổng hợp vào trong dung môi hữu cơ đang sôi với sự có mặt của chất hoạt động bề mặt (phương pháp hot injection) [93] hoặc bằng cách đun nóng từ từ hỗn hợp phản ứng từ nhiệt độ phòng lên nhiệt độ sôi của dung môi (phương pháp heating up)) [121, 33, 77,137] Hình 1.8 minh họa kỹ thuật tổng hợp hạt nano bằng phương pháp hot injection

Hình 1.8 Tổng hợp hạt nano bằng phương pháp hot injection [93]

Các hợp chất hữu cơ của các kim loại như cacbonyl, hoặc các hợp chất acetylacetonat là các tiền chất phổ biến nhất được sử dụng trong phương pháp này Mặc

dù muối kim loại vô cơ sulphat hoặc chlorua cũng thường được sử dụng Các axit béo (FA), oleylamin (OLA), trioctylphosphin oxit (TOPO) hoặc hỗn hợp của chúng được sử dụng rộng rãi như là các chất hoạt động bề mặt [148] Cấu trúc của một vài chất hoạt động bề mặt thông dụng dùng để tổng hợp hạt nano trong dung môi hữu cơ được chỉ ra trên hình 1.9 Để điều chỉnh hình thái và độ đồng đều của hạt, các thông số phản ứng như: tỉ lệ nồng độ của tiền chất/chất hoạt động bề mặt, nồng độ của các chất hoặc thời gian phản ứng thường được sử dụng [22, 128] Ngoài ra, các yếu tố thực nghiệm khác như nhiệt độ phản ứng, tốc độ gia nhiệt hoặc loại dung môi sử dụng cũng đóng một vai

trò quan trọng trong việc quyết định hình dạng, kích thước và độ đồng đều của các hạt nano [149-151, 44]

Hình 1.9 Cấu trúc của một vài chất hoạt động bề mặt được sử dụng

trong tổng hợp hạt nano trong dung môi hữu cơ

Tổng hợp hạt nano trong dung môi hữu cơ ở nhiệt độ cao mang đến nhiều ưu điểm vượt trội hơn các phương pháp khác Thứ nhất, hạt thu được ở nhiệt độ cao có mức độ tinh thể hóa cao Thứ hai, tốc độ tạo mầm (nucleation) và phát triển (growth) của hạt nano có thể dễ dàng điều khiển được bằng cách thay đổi nhiệt độ phản ứng Sự phát triển của các hạt nano có thể được dừng lại bất kỳ thời điểm nào bằng cách làm nguội phản ứng, điều đó là rất quan trọng và nó quyết định không chỉ kích thước, độ đồng đều hạt mà còn ảnh hưởng đến cả hình dạng hoặc cấu trúc pha tinh thể của sản phẩm Ví dụ như, Puntes và các cộng sự đã tổng hợp các hạt nano Co bằng cách phun nhanh Co2(CO)8vào dung dịch dichlorobenzene có chứa hỗn hợp chất hoạt động bề mặt acid oleic (OA)

và trioctylphosphine oxide (TOPO) ở nhiệt độ 182oC Phản ứng được làm nguội nhanh tại các thời điểm khác nhau dẫn đến sự hình thành các hình dạng khác nhau Ban đầu tác giả thu được các đĩa nano (nanodisk) Co với kích thước từ 4x25 đến 4x75 nm Khi tăng thời gian phản ứng, các đĩa nano chuyển sang dạng hình cầu rất đồng đều với kích thước 8 nm Ngoài ra tác giả cũng quan sát thấy rằng cấu trúc pha tinh thể của sản phẩm thu được chuyển từ dạng sáu phương xếp chặt hcp-Co với các đĩa nano ở thời gian phản ứng ngắn sang thành dạng ε-Co của các hạt nano hình cầu khi kéo dài thời gian phản ứng Các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng sử dụng các hợp chất cacbonyl có ưu điểm là tạo ra các sản phẩm chất lượng cao, tuy nhiên các tiền chất này rất độc hại, tác động xấu đối với môi trường và không bền ở điều kiện thông thường (nhiệt độ phòng và môi trường không khí) Việc cân đo các hóa chất cũng như tổng hợp mẫu cần thực hiện dưới điều kiện khí trơ (N2 hoặc Ar)

Với ưu điểm vượt trội hơn các phương pháp khác, chúng tôi sử dụng phương pháp này để chế tạo hạt nano oxit sắt trong luận án, việc tổng hợp mẫu được thực hiện bằng phương pháp phân hủy nhiệt trong dung môi hữu cơ Ở đây, thay vì sử dụng các tiền chất là các muối cacbonyl (Co2(CO)8 và Fe(CO)5) độc hại và không bền, chúng tôi đã

sử dụng hợp chất acetylacetonate của sắt Fe(acac)3 Các hợp chất này không độc hại và bền ở điều kiện thường do đó cho phép tiến hành các thí nghiệm một cách tiện lợi hơn Các chất hoạt động bề mặt sử dụng là axit oleic (OA) và oleylamine (OLA), OLA được

sử dụng với mục đích vừa là chất hoạt động bề mặt vừa là tác nhân khử Dibenzyl ether được sử dụng làm dung môi để tổng hợp mẫu [89, 129]

1.3.2 Các công nghệ bọc hạt trong dung môi nước

Đối với các hạt nano được tổng hợp bằng phương pháp hóa học trong dung môi nước thì việc bọc hạt hay chức năng hóa bề mặt hạt nano sau khi chế tạo là một yếu tố rất quan trọng để có thể vừa đảm bảo được tính chất từ cũng như tính tương hợp sinh học Khi bề mặt được bọc và chức năng hóa, các hạt nano dễ dàng phân tán trong một dung môi phù hợp và trở thành những hạt keo đồng nhất gọi là chất lỏng từ Thông thường các hạt nano thường được bọc bởi các nhóm vật liệu sau: nhóm vật liệu vô cơ, nhóm vật liệu hữu cơ và nhóm các phân tử sinh học Nếu giả thuyết các hạt nano từ là lõi, vật liệu bọc là vỏ thì mô hình bọc hạt được chia thành ba loại: Lõi - vỏ, ma trận (Mosaic-bọc một đám hạt, vỏ - lõi), vỏ - lõi - vỏ (hình 1.10) Trong mô hình lõi vỏ các hạt nano từ được bọc đơn hạt bởi các vật liệu bọc, với mô hình ma trận vật liệu bọc có thể bọc một đám các hạt nano từ hoặc các hạt nano từ bao xung quanh vật liệu bọc Khi một lớp vỏ các phân tử hữu cơ bọc lên một cấu trúc vỏ - lõi của các hạt nano từ chúng

ta sẽ có mô hình bọc vỏ -lõi -vỏ

Hình 1.10 Mô hình bọc hạt nano từ [46]

Các hạt keo từ ổn định trong chất lỏng nhờ sự cân bằng giữa các lực tác dụng lên hạt bao gồm lực hút và lực đẩy giữa các hạt Việc sử dụng vật liệu bọc phụ thuộc vào mục đích ứng dụng của hạt nano từ, sao cho tương tác đẩy giữa các hạt là lớn nhất để tránh sự kết đám các hạt cũng như thu được chất keo ổn định

1.3.2.1 Bọc hạt bằng lớp vỏ vô cơ

Ngoài các vật liệu hữu cơ, một số kim loại hay vật liệu vô cơ phi kim cũng được dùng để bọc hạt oxit sắt như: vàng, bạc, platin, palladium, cacbon hay silica Tùy vào từng mục đích ứng dụng để lựa chọn vật liệu kim loại bọc phù hợp Với các ứng dụng trong y sinh và ứng dụng làm chất xúc tác các hạt nano từ có thể bọc bằng vàng, bạc hay cacbon để tránh oxi hóa và giảm giá trị mô men từ của chúng theo thời gian Thông thường, có hai phương pháp để bọc hạt nano từ bằng vật liệu đơn kim loại sạch Phương pháp thứ nhất là khử trực tiếp các ion kim loại này lên bề mặt hạt nano từ Theo phương pháp này, Mandal và cộng sự đã tiến hành khử trực tiếp Au+ và Ag+ lên bề mặt hạt nano

Fe3O4 và thu được hạt có kích thước từ 18 đến 30 nm có tính chất từ ổn định trong thời gian dài Phương pháp thứ hai là phương pháp phổ biến, với phương pháp này các hạt nao từ thường được bọc bằng một lớp vỏ hữu cơ và sau đó các ion đơn kim loại được khử trực tiếp lên bề mặt của hệ hạt bọc hữu cơ - nano từ Với phương pháp này một số tác giả nghiên cứu bọc vật liệu vàng lên hạt nano từ, lớp vỏ bọc vàng không những làm tăng tính ổn định của hạt nano từ trong dung dịch mà nó còn giúp gắn các thực thể sinh học có nhóm -SH trên bề mặt hạt cho các ứng dụng y sinh Theo nghiên cứu của nhóm tác giả Wei Wu, hạt nano từ hoàn toàn được bọc bởi kim loại vàng với kích thước sau bọc là 30 nm và giá trị mô men từ khá cao cỡ 63 emu/g Trong ứng dụng ghi từ và làm mực in, các hạt nano từ thường được bọc bằng cacbon Lớp cacbon không những bảo

vệ hạt nano từ khỏi bị oxi hóa mà chúng còn tạo ra lực đẩy Van der waal ngăn các hạt kết đám Mặc dù vật liệu bọc C có làm giảm giá trị mô men từ của hạt nano từ nhưng chúng có nhiều ưu điểm hơn một số vật liệu vô cơ khác như: tính bền cơ học cao, khả năng chịu nhiệt lớn có hoạt tính hóa học mạnh và tương hợp sinh học Có nhiều cách để bọc C lên bề mặt hạt nano từ, theo phương pháp của Wang và cộng sự họ tiến hành bọc cacbon lên hạt nano từ Fe3O4 bằng cách đốt nóng dung dịch chứa hạt nano Fe3O4 bọc glucose và axit oleic Mặc dù lớp vỏ bọc C có rất nhiều ưu điểm nhưng hạn chế của phương pháp là rất khó khăn về mặt thực nghiệm và khó tránh khỏi việc tạo ra các liên kết cacbon từ phản ứng ở nhiệt độ cao Hơn nữa, các hạt thu được thường có sự phân bố rộng Hình 1.11 miêu tả ba mẫu hạt nano từ được phủ graphite Từ hình ảnh HR-TEM

ta quan sát thấy lớp vỏ bọc bao quanh hạt nano sắt và coban chứng tỏ có hình thành lớp

vỏ graphite