ChitosanOligochitosan nano hybrid materials prepation, properties, and biomedical applications

Từ trường và cảm ứng từ có mối liên hệ với nhau: Trong môi trường chân không, Trong đó: B 0 , B là cảm ứng từ trong môi trường chân không, môi trường thông thường H là từ trường ngoài

Chương 1: Tổng Quan

1.1 Chitosan

Chitosan là một polysaccharide, thuộc polymer sinh học tích điện dương Chitosan có nguồn gốc khá đang dạng như vách tế bào nấm, tảo, vi khuẩn, vỏ trứng giun hoặc chitosan công nghiệp có nguồn gốc từ chitin tồn tại trong vỏ cua, tôm, hàu, mai mực1 Đây là sản phẩm từ quá trình deacetyl hóa chitin bằng dung dịch kiềm, hoặc thủy phân bằng enzym chitin deacetylase Chitosan và chitin có cấu trúc mạch thẳng tạo bởi các vòng amino glucopyran gồm 2-amino-2-deoxy-β-D-glucopyranose và 2-acetamido-2-deoxy-β-D-glucopyranose, đây dạng deacetyl hóa và acetyl hóa của nhóm D-glucosamine

Hai nhóm D-glucosamine liên kết với nhau bằng liên kết β(1→4)-glycosidic (Hình 1)

Hình 1 Cấu trúc của chitosan

Chitosan có màu vàng nhạt hoặc trắng ngà, tồn tại ở dạng bột hoặc vảy Chitosan có các nhóm chức năng gồm nhóm NH2 ở C2 và nhóm OH ở vị trí C3 và C6 Độ acetyl hóa (DA) của chitin là tỉ lệ nhóm 2-acetamido-2-deoxy-β-D-glucopyranose so với nhóm 2-amino-2-deoxy-β-D-glucopyranose và giá trị này sẽ ảnh hưởng đến độ tan của chitin Độ acetyl hóa của chitin khoảng 90% và khi khử nhóm N-acetyl trong chitin, DA sẽ giảm dần đến khi giá trị này nhỏ hơn 35-40% hay độ deacetyl hóa (DD) lớn hơn 60%, chitin sẽ được gọi là chitosan và giá trị DD hay DA thường được phân tích bằng phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), phổ hồng ngoại (FTIR)2

Tính chất của chitosan

 Độ tan

Chitosan thường tan trong dung dịch acid loãng như acid acetic, acid formic, acid lactic, acid succinic, acid malic và không tan trong hầu hết các dung môi khác Độ tan của chitosan phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể và liên kết hydro nội phân tử và giữa các phân tử ở trạng thái rắn Chitosan tích điện dương là do nhóm amino của chitosan và độ lớn của mật độ điện tích phụ thuộc vào độ deacetyl hóa, lực ion và pH Khi hòa tan trong môi trường acid loãng, nhóm NH2 tích điện dương thành NH3+

 Độ nhớt

Dung dịch chitosan có độ nhớt cao, với các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt gồm độ deacetyl hóa, khối lượng phân tử, nồng độ, lực ion, pH, nhiệt độ Độ nhớt của dung dịch chitosan sẽ giảm khi nhiệt độ tăng

 Khả năng tạo phức với ion kim loại

Nhóm –NH2 ở vị trí C2 ở đơn vị D-Glucosamine tạo nên tính chất hóa học thú vị cho chitosan3 Nhóm amin này có thể tạo phức vòng càng (chelate) với ion kim loại do cặp electron trên nguyên tử N sẽ nhường cho ion kim loại4, như các ion kim loại Pb2+, Cd2+, Hg2+, Ni2+, Cu2+,

Fe2+, Mn2+, Zn2+, Co2+, Cr3+

 Kháng khuẩn, kháng nấm

Chitosan có khả năng chống lại một số loài vi sinh vật như vi khuẩn, nấm, tảo Tuy nhiên hoạt tính kháng khuẩn này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại chitosan, độ polymer hóa, vật chủ, thành phần hóa học và dinh dưỡng, điều kiện môi trường như nước, độ ẩm Cơ chế kháng khuẩn của chitosan, chitin hay dẫn xuất của nó vẫn chưa biết một cách chính xác nhưng đã có một vài cơ chế được đề xuất Chitosan hoạt động chủ yếu với bề mặt của vi khuẩn Chitosan tích điện dương

sẽ liên kết với bề mặt vi khuẩn tích điện âm dẫn đến sự rò rỉ các chất protein và các thành phần chất nền khác Chitosan tương tác với màng tế bào để thay đổi tính thấm của tế bào Chitosan liên kết với DNA và ngăn cản quá trình sản xuất mRNA và protein khi chitosan xâm nhập vào nhân của vi sinh vật5

Bên cạnh đó, chitosan còn có một số tính chất khác như tương thích sinh học, không độc hại, có thể phân hủy sinh học khi bị cắt đứt liên kết β(1→4)-glycosidic bằng một số enzyme như lysozyme hoặc chitinase

Chitosan có thể dùng để tạo dung dịch, sợi, màng và hydrogel3 Màng polymer sinh học có một vài chức năng như chống lại độ ẩm, oxy, mùi, hương vị, dầu để cải thiện chất lượng thực phẩm và gia tăng thời hạn sử dụng của sản phẩm thực phẩm Màng sinh học bảo vệ thực phẩm khỏi sự thâm tím hoặc bị gãy giúp thực phẩm còn nguyên vẹn Ngoài ra màng sinh học còn có một

số đặc tính như chống oxy hóa, chống nấm, kháng khuẩn,… Màng kháng khuẩn thường dùng cho một số thực phẩm như thịt, cá, gia cầm, ngũ cốc, phô mai, trái cây, rau củ6 Chitosan có cấu trúc gần giống với glycosamino glycan, đây là thành phần cơ bản có tác dụng liên kết, làm nền cho các

tế bào và trao đổi chất với nó Vì vậy, màng chitosan có thể làm nền cho da thay thế nên chitosan

có thể được sử dụng để làm da nhân tạo, màng trị vết thương do bỏng Ngoài màng, chitosan có thể ở dạng hydrogel với các mạch polyme liên kết với nhau bằng các tương tác vật lý hoặc hóa học, tạo mạng lưới polyme có cấu trúc 3D

Chitosan và chitin có khả năng kháng nấm và vi khuẩn nên có thể ứng dụng trong mỹ phẩm như kem thoa da- dưỡng da, thuốc uốn tóc, sơn móng tay Chitosan còn có thể ứng dụng trong các lĩnh vực như y dược, công nghệ thực phẩm, sản xuất giấy, dệt3

1.2 Oligochitosan

Với có khối lượng phân tử lớn, độ nhớt cao, chitosan gây khó khăn đối với một vài ứng dụng trong sinh học Do đó, các nhà khoa học nghiên cứu cách giảm khối lượng phân tử của chitosan bằng cách giảm cấp polymer để tạo thành oligomer hoặc monomer Oligochitosan tan tốt nên có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực Các phương pháp tổng hợp oligochitosan gồm phương pháp hóa học như thủy phân bằng acid, phương pháp vật lý như sử dụng nhiệt, chiếu xạ bằng sóng

vi ba hoặc phương pháp sinh học sử dụng enzyme chitosanase, pronase, pectinases, lipases, papain7 Trong phương pháp hóa học, oligochitosan được thủy phân bằng các acid HCl, HNO3,

CH3COOH nhưng phương pháp này sẽ gây ô nhiễm môi trường do vấn đề xử lý chất thải Bên cạnh đó, có thể sử dụng chất oxy hóa như H2O2 để cắt mạch chitosan, tuy nhiên hiệu quả thấp Phương pháp giảm cấp chitosan bằng enzyme gây tốn kém nên giá thành sản phẩm sẽ cao Trong khi đó, sử dụng các phương pháp vật lý dùng để cắt mạch chitosan bằng cách chiếu xạ bằng tia tử ngoại, tia gamma, sóng âm, trong đó cắt mạch bằng tia gamma là hiệu quả nhất

Khối lượng phân tử trung bình khối và khối lượng phân tử trung bình của oligochitosan được phân tích bằng phương pháp đo sắc ký thấm gel GPC và độ deacetyl hóa được xác định bằng phổ hồng ngoại IR dựa trên độ hấp thu của 2 đỉnh ở vị trí 1320 và 1420 cm-18 với công thức

DD (%) = 100 – ([ A1320/A1420 – 0,3822]/0,03133) Trong đó:

1.3.1 Các khái niệm cơ bản

Các loại vật liệu được cấu tạo từ các nguyên tử Trong nguyên tử chứa các hạt mang điện như electron và proton Các hạt này chuyển động tạo nên từ trường, đặc trưng bởi moment từ Vì moment từ của hạt nhân nguyên tử rất nhỏ so với electron nên moment từ của nguyên tử chủ yếu

là moment từ sinh ra do quá trình chuyển động của electron Chuyển động của electron chủ yếu có hai loại chính là chuyển động xoay quanh hạt nhân và chuyển động tự xoay của electron Electron

chuyển động trên quỹ đạo xung quanh hạt nhân nên tạo ra một từ trường cảm ứng có moment từ dọc theo trục hạt nhân trong khi moment từ tạo nên do sự tự quay của electron, gọi là moment từ spin, có hướng theo trục quay của electron Do đó mỗi electron trong nguyên tử có thể được coi như là một nam châm nhỏ Các đại lượng đặc trưng thường dùng trong từ học sẽ được trình bày như phần dưới đây

Cảm ứng từ, được kí hiệu là B, dùng để biểu diễn số đường sức từ xuyên qua tiết diện của vật liệu (nên còn gọi là mật độ từ thông), có đơn vị là Testa (T) hay weber/m2 (Wb/m2)

Từ trường và cảm ứng từ có mối liên hệ với nhau:

Trong môi trường chân không,

Trong đó:

B 0 , B là cảm ứng từ trong môi trường chân không, môi trường thông thường

H là từ trường ngoài

μ là độ từ thẩm, có thứ nguyên là Wb/(A.m) hoặc Henri/met (H/m)

μ 0 là độ từ thẩm trong chân không, có giá trị 4π.10-7 (hoặc 1,257.10-6) H/m

Ngoài ra còn có từ độ của vật liệu (kí hiệu M), được định nghĩa là tổng số moment từ trên đơn vị thể tích, có đơn vị là A/m, được biễu diễn qua biểu thức:

(Hệ SI)

(Hệ CGS)

M là độ từ hóa hưởng ứng với từ trường ngoài

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

Độ lớn của từ độ tỉ lệ với từ trường ngoài:

χm được gọi là độ cảm từ hay hệ số từ hóa

Độ cảm từ và độ từ thẩm liên hệ nhau qua biểu thức:

(Hệ SI)

(Hệ CGS) Trong nghiên cứu về tính chất từ, độ từ thẩm là thông số chính đặc trưng để mô tả các vật liệu từ tương ứng khi có từ trường ngoài

Ngoài các đơn vị trong hệ thống SI, các đại lượng đặc trưng trong từ học còn sử dụng đơn

vị trong hệ đơn vị CGS (Bảng 1)

Bảng 1 Các đại lượng và đơn vị từ trong hệ đơn vị SI và CGS

Đại lượng Kí hiệu Hệ đơn vị

Gauss (CGS) Hệ đơn vị SI

Các hệ số chuyển từ hệ CGS sang hệ SI

-4

H≠0

Hình 2 Định hướng của các momen từ của vật liệu nghịch từ khi có từ trường ngoài

1.3.2.2 Vật liệu thuận từ

Vật liệu thuận từ có độ cảm từ dương, độ lớn khoảng 10-5-10-2 và độ thẩm từ dương Khi không áp từ trường ngoài vào vật liệu, các moment từ của nguyên tử định hướng hỗn loạn (Hình 3) Khi áp từ trường ngoài, các moment từ định hướng theo từ trường ngoài, cảm ứng từ tổng tăng lên

Hình 3 Định hướng của các momen từ trong vật liệu thuận từ

1.3.2.3 Vật liệu sắt từ

Trong vật liệu sắt từ, các moment từ sắp xếp song song nhau (Hình 4) và độ cảm từ của vật liệu sắt từ có giá trị khoảng 106 Các moment từ trong vật liệu có sắp xếp định hướng giống nhau tạo thành vùng trong cấu trúc tinh thể, gọi là domain Do các vùng domain nên khi áp từ trường ngoài vào, vật liệu có hiện tượng từ trễ và tính trễ này thể hiện trên đường cong từ hóa vật liệu

Hình 4 Định hướng của các moment từ trong vật liệu sắt từ

Nhiệt độ Curie (ký hiệu là TC) là nhiệt độ chuyển pha trong vật liệu sắt từ hay ferrit từ sang thuận từ Khi nhiệt độ dưới nhiệt độ Curie, vật liệu mang tính chất của sắt từ và trên nhiệt độ Curie, vật liệu sẽ trở thành thuận từ

1.3.2.4 Vật liệu phản sắt từ

Vật liệu phản sắt từ có các moment từ sắp xếp phản song (Hình 5), và MnO là một trong các vật liệu phản sắt từ

Hình 5 Định hướng của các moment từ của vật liệu phản sắt từ

Nhiệt độ Néel (kí hiệu là TN ) là đại lượng đặc trưng của vật liệu phản sắt từ Ở dưới nhiệt

độ Néel, vật liệu mang tính chất phản sắt từ Khi trên nhiệt độ Néel, trật tự phản sắt từ bị phá vỡ

và vật liệu sẽ chuyển sang tính chất thuận từ

Hình 6 Định hướng của các moment từ trong vật liệu ferrit từ

1.3.3 Đường cong từ hóa và hiện tượng từ trễ

Vật liệu nghịch từ thường có độ cảm từ âm (~ -10-5) và không có monent từ nguyên tử Trong khi đó, vật liệu thuận từ có độ cảm từ dương (10-5-10-3) và các moment từ nguyên tử nằm cách xa nhau nên gần như không có sự tương tác giữa chúng Khi áp từ trường ngoài vào, các moment từ nguyên tử quay rất chậm theo hướng của từ trường ngoài

Vật liệu sắt từ và ferrit từ có độ cảm từ dương, lớn (102-104) Dưới tác dụng của từ trường ngoài, các moment từ quay dễ dàng theo hướng của từ trường ngoài để đạt trạng thái bão hòa Ở lần từ hóa đầu tiên, H tăng dần từ 0 lên từ độ bão hòa, tạo thành đường cong từ hóa và gọi là đường cong từ hóa cơ bản Sau đó bắt đầu giảm từ trường ngoài về 0 và tăng theo phương ngược lại rồi giảm đến 0 và tiếp tục tăng từ trường ngoài đến điểm xuất phát ban đầu Đường cong này không trùng với đường cong từ hóa cơ bản của vật liệu nên gọi là có hiện tượng từ trễ và đường cong mới gọi là đường cong từ trễ (Hình 7) Các giá trị lực kháng từ (Hc), từ độ bão hòa (Ms), độ

từ dư (Mr) hay cảm ứng từ dư (Br) cung cấp thông tin về từ tính của vật liệu thể hiện trên đường cong từ trễ Đường cong M(H) có thể bão hòa nhưng đường cong B(H) không bão hòa mà luôn có

xu hướng tăng theo H với hệ số góc μo Và HC của đường cong B(H) và M(H) có giá trị khác nhau9

Hình 7 Đường cong M(H) (A) và đường cong B(H) (B)

1.3.4 Hạt đơn domain và tính siêu thuận từ

Trong vật liệu sắt từ hoặc ferri từ, khi ở nhiệt độ nhỏ hơn TC sẽ tồn tại các vùng nhỏ, có kích thước xác định Trong đó mỗi vùng sẽ có các moment từ định hướng giống nhau, vùng đó được gọi là domain (Hình 8A) Các domain được ngăn cách nhau bởi vách domain (Hình 8B) Khi

đó sự chuyển phương từ hóa giữa hai domain không xảy ra đột ngột mà thực hiện liên tục qua nhiều mặt phẳng nguyên tử (Hình 8B) Vách ngăn cách dự trữ một năng lượng gọi là năng lượng vách Việc phân chia thành các domain tiếp tục diễn ra cho đến khi năng lượng tạo nên các vách domain không lớn hơn việc giảm năng lượng của mẫu

Hình 8 Domain (A) và vách domain (B)

Trong các vật đa tinh thể, mỗi hạt chứa nhiều hơn một domain Các domain trong vật chất

có các định hướng từ hóa khác nhau Độ lớn của độ từ hóa trong các vật rắn là tổng véc tơ từ hóa trong tất cả các domain Đối với các vật liệu không có từ tính, tổng vectơ từ hóa của các domain bằng không10

Khi hình thành các domain, năng lượng tĩnh từ hay năng lượng khử từ có liên quan đến sự tồn tại của các cực từ trên bề mặt mẫu Các domain tồn tại để làm giảm năng lượng tĩnh từ của vật liệu Khi chia nhỏ tinh thể của vật liệu thành các domain, năng lượng khử từ của tinh thể giảm

dần Trong quá trình giảm kích thước hạt, số lượng các domain từ cũng giảm theo Đến một giới hạn nào đó thì không còn thích hợp để tồn tại nhiều vách domain nữa Mỗi hạt là một domain duy nhất, gọi là hạt đơn domain Lúc này, sự sắp xếp của các moment từ khi có từ trường ngoài không còn bị cản trở bởi các vách domain, nên thực hiện dễ dàng hơn Ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Curie, năng lượng nhiệt đủ lớn để thắng lại các lực liên kết bên trong vật liệu, làm cho các moment từ nguyên tử dao động tự do và vật liệu sắt từ hoặc ferrit từ chuyển sang có tính thuận từ

Dưới nhiệt độ Curie, khi kích thước hạt từ giảm xuống dưới một giới hạn nhất định, độ từ

dư không còn được giữ theo các định hướng xác định bởi dị hướng hình dạng hoặc dị hướng từ tinh thể của hạt nữa.Và trong trường hợp này, ở ngay nhiệt độ phòng, năng lượng nhiệt đã đủ để làm cho các moment từ thay đổi giữa hai định hướng cân bằng của từ độ

Với các hạt có kích thước đủ nhỏ, trạng thái khử từ sẽ diễn ra ngay lập tức sau khi tắt từ trường Các hạt này có từ độ tự phát với độ lớn bằng N’μm/V với N’ là số nguyên tử có từ tính trong hạt và μm là moment từ của nguyên tử Dưới tác dụng của từ trường ngoài, các hạt từ có hệ

số từ hóa (χ) lớn hơn nhiều so với các chất thuận từ thông thường vì thay cho giá trị moment từ nguyên tử μm, các moment từ định xứ bây giờ có giá trị là N’μm Do đó hệ số từ hóa của chất siêu thuận từ tỉ lệ với (N’)2

Đường cong từ hóa M(H) của chất siêu thuận từ tương tự như vật liệu sắt từ với đặc điểm

là tiến tới bão hòa theo định luật Langevin nhưng không có hiện tượng từ trễ (Hình 9), lực kháng

từ HC bằng không Quá trình khử từ của vật liệu siêu thuận từ xảy ra không cần lực kháng từ vì đó không phải là quá trình tác dụng của từ trường ngoài mà là do tác dụng của năng lượng nhiệt9

Hình 9 Đường cong từ hóa của vật liệu siêu thuận từ

1.4 Vật liệu oxit sắt

Vật liệu oxit sắt bao gồm một vài pha như magnetite (Fe3O4), maghemite (γ-Fe2O3), hematite (α-Fe2O3), lepidocrocite (γ-FeOOH), akagenite (β-FeOOH), goethite (α-FeOOH), ferrihydrite (Fe5HO8.4H2O) Trong đó, Fe3O4 và γ-Fe2O3 có các tính chất nổi trội, thân thiện môi trường, tương thích sinh học, có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như công nghệ sinh học, phân

tách, ghi từ, thiết bị lưu trữ, chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI), dẫn truyền thuốc, đánh dấu tế bào, v v… nên được các nhà khoa học chú ý nghiên cứu, đặc biệt là các hạt nano Fe3O4

là (A II ) tet (B III ) 2 oct O 4 Trong khi đó, ở cấu trúc spinel đảo, khối tứ diện gồm một nữa số ion hóa trị

3 và khối bát diện gồm các ion hóa trị 2 và phần còn lại của ion hóa trị 3, với công thức chung là

(B III ) tet (A II B III ) oct O 4

Hình 10 Mạng tứ diện (A) và bát diện (B) trong cấu trúc spinel

Trong cấu trúc tinh thể của Fe3O4, các ion Fe2+ và một nữa các ion Fe3+ thuộc khối bát diện

và một nữa số ion Fe3+ còn lại thuộc khối tứ diện (Hình 11)

Hình 11 Cấu trúc tinh thể của Fe 3 O 4

Bảng 2 Sự phân bố của các moment từ của các ion sắt trong ô đơn vị Fe3O4

Cation Mạng bát diện Mạng tứ diện Moment từ

↑↑↑↑

↑↑↑↑

Các moment từ ở 2 khối tứ diện và bát diện phân bố phản song song và do các ion Fe3+ đều

có mặt ở cả 2 mạng nên moment từ của Fe3O4 do moment từ của các ion Fe2+ quyết định10

Dưới nhiệt độ Curie khoảng 858K, Fe3O4 là vật liệu ferri từ, nhưng khi T>TC, vật liệu trở thành thuận từ Ở nhiệt độ phòng Fe3O4 rất dễ bị oxy hóa thành pha maghemite (γ-Fe2O3) hoặc khi được nung ở nhiệt độ khoảng 270°C thì hầu như Fe3O4 đã chuyển thànhγ-Fe2O3 hoàn toàn

1.4.2 Fe 2 O 3

Fe2O3 có các pha chính: α–Fe2O3, γ–Fe2O3, β–Fe2O3, ε–Fe2O3, trong đó có pha α-Fe2O3

(hematite), γ–Fe2O3 (maghemite) là 2 pha phổ biến

Maghemite (γ–Fe2O3) là vật liệu ferri từ, có cấu trúc spinel đảo, tương tự như Fe3O4 Tuy nhiên, maghemite có màu nâu và trong cấu trúc tinh thể của γ–Fe2O3 chỉ có ion Fe3+ Do cấu trúc tương tự như Fe3O4 nên sự oxi hóa trong không khí để chuyển pha từ Fe3O4 sang γ-Fe2O3 xảy ra

dễ dàng

Hình 12 Cấu trúc tinh thể của γ-Fe 2 O 3 (A) và α-Fe 2 O 3 (B)

Pha α–Fe2O3 có cấu trúc lục giác xếp chặt, các ion oxy bao quanh ion Fe3+ tạo nên khối bát diện Đây là oxit sắt ổn định nhất

1.5 Ứng dụng của hạt nano oxít sắt từ

1.5.1 Trong phân tách và chọn lọc tế bào

Trong phân tách và chọn lọc tế bào, người ta thường xuyên phải phân tách một thực thể

sinh học nào đó ra khỏi môi trường của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho các mục đích khác Phân tách tế bào sử dụng các hạt nanô từ tính là một trong những phương pháp thường được sử dụng

Quá trình phân tách được chia ra làm hai giai đoạn:

 Giai đoạn 1: Đánh dấu thực thể sinh học cần nghiên cứu

 Giai đoạn 2: Tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường Các hạt nano sắt từ thường được bao phủ bởi chất có tính tương hợp sinh học như dextran, polyvinyl alcol (PVA)… Hóa chất bao phủ không những có thể tạo liên kết với một một

vị trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà còn giúp cho các hạt nano phân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ Qúa trình phân tách được thực hiện bằng một gradien từ trường ngoài Từ trường ngoài tạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu Các tế bào không được đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài

1.5.2 Trong dẫn truyền thuốc

Một trong những nhược điểm quan trọng nhất của hóa trị liệu đó là tính không đặc hiệu Khi vào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố không tập trung nên các tế bào mạnh khỏe bị ảnh hưởng do tác dụng phụ của thuốc Chính vì thế việc dùng các hạt từ tính như là hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể (thông thường dùng điều trị các khối u ung thư) đã được nghiên cứu từ những năm 1970, những ứng dụng này được gọi là dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính Có hai lợi ích cơ bản là: (i) thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể nên làm giảm tác dụng phụ của thuốc; và (ii) giảm lượng thuốc điều trị Hạt nanô từ tính có tính tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị Lúc này hạt nanô có tác dụng như một hạt mang Thông thường hệ thuốc/hạt tạo ra một chất lỏng từ và đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn Khi các hạt đi vào mạch máu, người ta dùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể Một khi hệ thuốc/hạt được tập trung tại vị trí cần thiết thì quá trình nhả thuốc có thể diễn ra thông qua cơ chế hoạt động của các enzym hoặc các tính chất sinh lý học do các tế bào ung thư gây ra như độ pH, quá trình khuyếch tán hoặc sự thay đổi của nhiệt độ Quá trình vật lý diễn ra trong việc dẫn truyền thuốc cũng tương tự như trong phân tách

tế bào Gradient từ trường có tác dụng tập trung hệ thuốc/hạt Hiệu quả của việc dẫn truyền thuốc phụ thuộc vào cường độ từ trường, gradient từ trường, thể tích và tính chất từ của hạt nanô Các chất mang thường đi vào các tĩnh mạnh hoặc động mạch nên các thông số thủy lực như thông lượng máu, nồng độ chất lỏng từ, thời gian tuần hoàn đóng vai trò quan trọng như các thống số sinh lý học như khoảng cách từ vị trí của thuốc đến nguồn từ trường, mức độ liên kết thuốc/hạt, và thể tích của khối u Các hạt có kích thước micrô mét (tạo thành từ những hạt siêu thuận từ có kích thước nhỏ hơn) hoạt động hiệu quả hơn trong hệ thống tuần hoàn đặc biệt là ở các mạch máu lớn và các động mạch Nguồn từ trường thường là nam châm NdFeB có thể tạo ra

một từ trường khoảng 0,2 T và gradient từ trường khoảng 8 T/m với động mạch đùi và khoảng

100 T/m với động mạch cổ Điều này cho thấy quá trình dẫn thuốc bằng hạt nanô từ tính có hiệu quả ở những vùng máu chảy chậm và gần nguồn từ trường (Hình 13) Tuy nhiên, khi các hạt nanô chuyển động ở gần thành mạch máu thì chuyển động của chúng không tuân theo định luật Stoke nên với một gradient từ trường nhỏ hơn quá trình dẫn thuốc vẫn có tác dụng

Hình 13 Nguyên lí dẫn thuốc dùng hạt nanô từ tính

1.5.3 Tăng thân nhiệt cục bộ

Phương pháp đốt các tế bào ung thư bằng từ trường ngoài mà không ảnh hưởng đến các

tế bào bình thường là một trong những ứng dụng quan trọng khác của hạt nanô từ tính Một trong những nghiên cứu đầu tiên về đốt nhiệt từ xuất hiện từ năm 1957 Nguyên tắc hoạt động là các hạt nanô từ tính có kích thước từ 20-100 nm được phân tán trong các mô mong muốn sau đó tác dụng một từ trường xoay chiều với tần số 1,2 MHz bên ngoài đủ lớn về cường độ và tần số để làm cho các hạt nanô hưởng ứng mà tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh Nhiệt độ khoảng 42°C trong khoảng 30 phút có thể đủ để giết chết các tế bào ung thư trong khi các tế bào thường vẫn an toàn

1.5.4 Chất tăng tính tương phản cho MRI

Ảnh cộng hưởng từ (MRI) dựa trên sự cộng hưởng từ hạt nhân của các proton trong phân

tử, chủ yếu là nước tồn tại trong mô tế bào Vì môi trường xung quanh của mỗi mô tế nào thay đổi phụ thuộc vào vị trí của chúng trong cơ thể, nên có thể dùng MRI để xác định những dạng

mô khác nhau

Đây là một phương pháp tiên tiến để chuẩn đoán một cách chính xác căn bệnh, đặc biệt

là những bệnh nan y như ung thư Phương pháp này có thể cho ta phân biệt được các khối u lành tính hay ác tính, đã di căn chưa, để có thể có biện pháp điều trị thích hợp và kịp thời

Hình 14 So sánh ảnh cộng hưởng từ khi dùng chất tăng tính tương phản

1.6 Vật liệu Fe 3 O 4 - chitosan

Chitosan là một trong các polymer thường dùng để bao phủ hạt nano oxit sắt từ Khi lớp

vỏ chitosan bao phủ hạt oxit sắt, nguyên tử H trong nhóm amine của chitosan sẽ liên kết với nguyên tử O trong hạt nano oxit sắt tạo thành liên kết hydro Có nghiên cứu cho thấy nhóm –OH không tạo liên kết với hạt nano và nguyên tử H trong nhóm OH (C6) sẽ tích điện dương trở thành –

Hình 15 Ảnh minh họa cấu trúc Fe 3 O 4 /Chitosan

Bên cạnh đó hạt nano oxit sắt từ có thể hình thành trong chitosan theo phương pháp in situ đồng kết tủa, tạo thành vật liệu nanocomposite từ tính (Hình 16)14 Khi đó, chitosan trở thành lớp

vỏ bảo vệ hạt nano oxit sắt, đồng thời mạng lưới polymer sẽ giúp các hạt có kích thước đồng đều hơn và kích thước hạt giảm Khi hòa tan dung dịch chitosan và ion Fe2+, Fe3+, mỗi ion kim loại sẽ liên kết với 2 mol nhóm amin và 4 phân tử oxy

H H

O

O O

O

H 2 NHH H

H

O O

OH

O

O

H N 2

H

H H

H

O

O HOH

Hình 16 Cơ chế hình thành hạt nano oxit sắt từ trong dung dịch chitosan (in-situ) với dung dịch

chitosan (a), phức Fe-chitosan (b) và chitosan ferrogel (c)

Với dung dịch chitosan có độ nhớt cao, chitosan sẽ bị tủa ở pH > 6 nên khi sử dụng dung dịch kiềm để tổng hợp hạt nano oxit sắt, dung dịch chitosan sẽ bị tủa và hình thành hydrogel chitosan Kết hợp hydrogel với các hạt từ sẽ tạo thành ferrogel

1.7 Tổng quan về vật liệu bọc

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 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 17

Hình 17 Các dạng bọc hạt nano từ : Lõi - Vỏ (Core-Shell), Ma trận (Matrix), Vỏ-Lõi -Vỏ

(Shell-Core-Shell) 13

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 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 tụ các hạt cũng như thu được chất keo ổn định

Có thể bọc để ổn định hạt nano sắt từ bằng nhiều chất khác như: các phân tử nhỏ và chất hoạt động bề mặt; các phân tử sinh học như protein, polypeptide, kháng nguyên, biotin hay adivin; các vật liệu vô cơ như vàng, bạc, platin, palladium, cacbon hay silica13 ; các phân tử lớn - polyme Các nghiên cứu trước đã tiến hành bọc hạt nanô sắt từ (Fe O ) bằng polymer có độ tương thích

sinh học cao là chitosan15 Polyme này có nguồn gốc tự nhiên và thuộc nhóm polysaccharide Trong ứng dụng y sinh CS thể hiện nhiều ưu điểm như: có tính tương hợp sinh học cao được ứng dụng rộng rãi trong y dược; cấu trúc phân tử chứa nhiều nhóm chức hóa học có ái lực hóa học cao với bề mặt hạt nano Fe3O4; giúp ổn định tính chất và làm tăng tính tương hợp sinh học của các hạt nano Fe3O4; phân tử lượng tương đối lớn, do đó lớp vỏ bọc này tạo ra lực đẩy lớn, cân bằng với các lực hút tác động lên hạt nano và ngăn các hạt nano kết đám và phân tán tốt trong dung môi; giúp ngụy trang các hạt nano từ thoát khỏi hệ thống lưới nội mô của tế bào; có khả năng liên kết với các phân tử sinh học polypeptide, kháng thể, en-zim, DNA Tuy nhiên, tính tan trong nước kém của chitosan làm cho nó khó khăn trong ứng dụng về thực phẩm và y sinh Không giống với chitosan, oligochitosan có thể tan trong nước do chiều dài mạch phân tử ngắn và những nhóm amine trong đơn vị D-glucosamine Độ nhớt thấp và tính tan tốt của oligochitosan ở pH trung tính

đã thu hút nhiều quan tân của các nhà khoa học

Độ tinh khiết (%)

Xuất xứ

Iron(II) Chloride

Iron(III) Chloride

Acid 5-sulfosalicylic C 7 H 6 O 6 S.2H 2 O 254,22 ≥ 99 Trung Quốc Ethylene diamine tetracetic

Một số dụng cụ- thiết bị được sử dụng trong thí nghiệm gồm: ống đong, becher, bình cầu 3

cổ, pipet, kim tiêm, đĩa petri, cối, chày, cá từ, buret, cân, tủ hút, tủ sấy chân không, máy khuấy cơ, máy siêu âm v…v…

2.2 Quy trình thực nghiệm

2.2.1 Phân tích tính chất của nguyên liệu chitosan

Nguyên liệu chitosan được khảo sát bằng nhiều phương pháp khác nhau như:

 Xác định khối lượng phân tử của chitosan bằng phương pháp sắc ký thẩm thấu gel GPC

 Xác định cấu trúc, độ deacetyl của nguyên liệu ban đầu bằng phương pháp ghi phổ IR

2.2.2 Tinh chế chitosan ban đầu

Hòa tan chitosan vào acid lactic, khuấy bằng máy khuấy từ đến khi hòa tan hoàn toàn Lọc dung dịch chitosan qua lưới thép không gỉ để loại bỏ tạp chất không tan Lấy dung dịch vừa lọc, trung hòa bằng dung dịch NH4OH cho đến pH khoảng 6-7 Sau đó kết tủa mẫu chitosan bằng cồn tuyệt đối, lọc thu kết tủa, đem sấy khô, nghiền thành bột mịn (CS01), và đem phân tích GPC, IR và XRD

tan chitosan sau khi ngâm trong H2O2 ở những nồng độ khác nhau bằng acid lactic, khuấy đều đến khi hòa tan hoàn toàn Lọc dung dịch qua lưới thép không gỉ đem trung hòa bằng NH4OH đến pH khoảng 6-7 Sau đó kết tủa mẫu chitosan bằng cồn tuyệt đối, lọc thu kết tủa, rửa lại bằng cồn rồi đem sấy khô, nghiền thành bột mịn (CS02) và đem phân tích GPC, IR nhằm xác định khối lượng phân tử và %DD của chitosan

2.2.3.2 Xử lí cắt mạch đồng thể dung dịch chitosan/H 2 O 2 bằng chiếu xạ Co 60

Sau khi ngâm chitosan trong dung dịch H2O2 lần lượt ở nồng độ 1%, 2% trong 24 giờ, thêm acid lactic, khuấy đều trong 2h để hòa tan hoàn toàn chitosan Lọc dung dịch qua lưới thép không gỉ Thêm H2O2 và nước cất vào dung dịch vừa lọc và đem chiếu xạ ở nguồn gamma SVST Co-60/B tại Trung tâm VINAGAMMA, TP.HCM trong các khoảng liều cho đến 24 kGy Kí hiệu

CS1, CS2, CS3, CS4, CS5, CS6 lần lượt là mẫu chitosan được tạo thành khi chiếu xạ dung dịch chitosan/H2O2 ở các liều xạ 4, 8, 12, 16, 20, 24 kGy Kết tủa mẫu chitosan từ dung dịch chiếu xạ

và lọc rửa kết tủa nhiều lần, sấy khô, nghiền nhỏ và đem phân tích GPC, IR

2.2.4 Quy trình tổng hợp hạt nano Fe 3 O 4

Hạt nano oxit sắt từ được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa trong điều kiện nhiệt

độ phản ứng là nhiệt độ phòng và 70 °C

Hình 18 Quy trình tổng hợp hạt nano Fe 3 O 4