Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nanomet, chia thành 3 trạng thái là rắn, lỏng và khí. Hiện nay, chúng ta đang chủ yếu tập trung nghiên cứu vật liệu nano ở trạng thái rắn, sau đó mới đến các chất lỏng và khí. Hình dáng vật liệu Nano được phân ra thành 3 loại chính gồm: + Vật liệu nano không chiều: cả 3 chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do điện tử (ví dụ: hạt nano, đám nano). + Vật liệu nano một chiều: hai chiều có kích thước nano, một chiều tự do cho điện tử (hai chiều cầm tù, ví dụ: ống nano, dây nano). + Vật liệu hai chiều: một chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên 2 chiều (ví dụ: màng mỏng). Ngoài ra, hình dáng vật liệu nano còn có loại vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite (trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm) hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, 1 chiều và 2 chiều đan xen lẫn nhau
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN KHOA VẬT LÝ VẬT LÝ VẬT LIỆU NANO GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS PHẠM THÀNH HUY HỌC VIÊN : ĐỖ VY PHƯƠNG UYÊN LỚP : VẬT LÝ CHẤT RẮN K19 Chuyên đề: Các vật liệu nano biết đến với khả ứng dụng y-sinh học, nêu ví dụ cụ thể ứng dụng vật liệu nano y-sinh học (mô tả chi tiết cấu trúc, tính chất, thiết kế cách đưa vật liệu nano vào ứng dụng)? I VẬT LIỆU NANO Vật liệu nano gì? Vật liệu nano vật liệu chiều có kích thước nanomet, chia thành trạng thái rắn, lỏng khí Hiện nay, chủ yếu tập trung nghiên cứu vật liệu nano trạng thái rắn, sau đến chất lỏng khí Hình dáng vật liệu Nano phân thành loại gồm: + Vật liệu nano khơng chiều: chiều có kích thước nano, khơng cịn chiều tự điện tử (ví dụ: hạt nano, đám nano) + Vật liệu nano chiều: hai chiều có kích thước nano, chiều tự cho điện tử (hai chiều cầm tù, ví dụ: ống nano, dây nano) + Vật liệu hai chiều: chiều có kích thước nano, điện tử tự chiều (ví dụ: màng mỏng) Ngồi ra, hình dáng vật liệu nano cịn có loại vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite (trong có phần vật liệu có kích thước nm) cấu trúc có nano khơng chiều, chiều chiều đan xen lẫn Tính chất vật liệu nano Vật liệu nano có nhiều tính chất thú vị Tuy nhiên tạm chia tính chất đến từ hai nguồn gốc: diện tích bề mặt vật liệu nano lớn kích thước vật liệu nhỏ kích thước tới hạn tính chất vật liệu Do vật liệu có kích thước nanomét nên số nguyên tử nằm bề mặt chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số ngun tử, diện tích bề mặt vật liệu nano lớn Khi hiệu ứng lien quan đến bề mặt gọi tắt hiệu ứng bề mặt trở nên quan trọng làm cho tính chất vật liệu nano khác với vật liệu khối Các tính chất vật lý, hóa học vật liệu có giới hạn kích thước, gọi kích thước tới hạn Vì kích thước vật liệu nano nhỏ độ dài kích thước tới hạn tính chất mang lại cho vật liệu nano tính chất hóa, lí khác hẳn vật liệu khối thơng thường Do đặc điểm kích thước, tính chất vật liệu nano nằm tính chất lượng tử nguyên tử tính chất khối vật liệu Có nhiều ngun nhân để giải thích tượng tùy thuộc vào kiểu vật liệu Trong chất bán dẫn có hạn chế chuyển động electron không gian nhỏ so với dạng khối Với kim loại quý kích thước hạt giảm đến khoảng vài chục nanomét có hấp thụ mới, mạnh từ dao động cộng hưởng electron vùng dẫn từ bề mặt hạt đến bề mặt hạt khác Sự dao động có tần số tương ứng với vùng khả biến Điều gọi hấp thụ plasmon bề mặt Với nhiều kim loại chuyển tiếp, việc giảm kích thước hạt làm tăng tỉ lệ diện tích bề mặt thể tích hạt Điều làm cho chúng có nhiều ứng dụng khả việc ứng dụng làm chất xúc tác hấp phụ II ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU NANO Vật liệu nano đối tượng nghiên cứu khoa học công nghệ nano Khoa học, công nghệ nano lĩnh vực khoa học công nghệ mới, phát triển nhanh chóng Khoa học cơng nghệ nano sở kết hợp đa ngành tạo nên cách mạng khoa học kỹ thuật Hiện nay, nhiều quốc gia giới xem công nghệ nano mục tiêu mũi nhọn để đầu tư phát triển, có hàng trăm sản phẩm cơng nghệ nano thương mại, ứng dụng nhiều lĩnh vực điện tử, hóa học, y sinh, mơi trường… Sự kết hợp cơng nghệ nano từ tính tạo cơng nghệ đặc biệt, có tiềm ứng dụng cao y học gọi công nghệ nano từ Cốt lõi công nghệ dung dịch nano từ Thành phần dung dịch nano từ thường bao gồm 5% hạt nano từ , 10% chất hoạt động bề mặt 85% chất mang Các hạt nanơ từ tính có kích thước tương ứng với kích thước phân tử nhỏ (1-10 nm) kích thước vi rút (10-100 nm) Chính mà hạt nanơ thâm nhập vào hầu hết quan thể giúp cho thao tác qui mơ phân tử tế bào Từ trường khơng có hại người nên hạt nanơ từ tính quan tâm sử dụng nhiều vào mục đích chẩn đốn chữa bệnh Ngồi ra, dung dịch nano từ cịn mang tính chất vật liệu rắn (từ chất hạt nano từ) nên tạo nhiệt độ cao để phá hủy tế bào hay vật cản không mong muốn Trong loại hạt nano từ, hạt nano từ Fe3O4 có từ tính tương đối tốt, than thiện với môi trường có tính tương hợp sinh học cao Ở tiểu luận em mô tả chi tiết cấu trúc, tính chất, thiết kế cách đưa vật liệu nano Fe3O4 vào ứng dụng y-sinh học Cấu trúc hạt nano Fe3O4 Fe3O4 ôxit hỗn hợp FeO.Fe2O3 có cấu trúc tinh thể spinel ngược, thuộc nhóm ceramit từ, gọi ferit (cơng thức chung MO.Fe2O3, M Fe, Ni, Co, Mn ) Các ferit có cấu trúc spinel thường (thuận) spinel ngược Trong ô đơn vị cấu trúc spinel thường, ion hóa trị chiếm vị trí bát diện cịn ion hóa trị chiếm vị trí tứ diện Cấu trúc spinel ngược xếp cho nửa số ion Fe3+ vị trí tứ diện, nửa số ion Fe3+ lại tất số ion Fe2+ vị trí bát diện Mỗi vị trí bát diện có ion O 2- lân cận gần xếp góc khối bát diện, vị trí tứ diện có ion O 2- lân cận gần xếp góc khối tứ diện Oxy B-Vị trí bát diện C-Vị trí tứ diện Hình 1: Cấu trúc tinh thể ferit thường gặp Ơxit sắt từ Fe3O4 có cấu trúc tinh thể spinel nghịch với ô đơn vị lập phương tâm mặt Ô đơn vị gầm 56 nguyên tử: 32 anion O 2-, 16 cation Fe3+, cation Fe2+ Dựa vào cấu trúc Fe3O4, spin ion Fe3+ chiếm vị trí tứ diện, xếp ngược chiều khác độ lớn so với spin ion Fe3+ ion Fe2+ vị trí bát diện Các ion Fe3+ vị trí bát diện ngược chiều với ion Fe3+ vị trí tứ diện nên chúng triệt tiêu Do mơmen từ tổng cộng tổng mômen từ ion Fe2+ vị trí bát diện gây Vậy phân tử Fe3O4 có mơmen từ spin ion Fe2+ vị trí bát diện gấy có độ lớn 4µB (Bohr magneton) Vì tinh thể Fe3O4 tồn tính dị hướng từ ( tính chất từ theo phương khác nhau) Vật liệu thể tính chất siêu thuận từ vật liệu có kích thước nano đủ nhỏ ta xem hạt Fe3O4 hạt đơn đơmen Tinh thể Fe3O4 có cấu trúc lâp phương, có độ từ hóa bão hịa MS ~ 92 A.m2.kg-1 nhiệt độ Curie khoảng 5800C Ôxit sắt từ ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Đặc biệt kích thước nano, hạt Fe3O4 xem hạt đơn mơmen có tính siêu thuận từ phục vụ chủ yếu cho lĩnh vực y sinh học, làm tác nhân tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ, làm phương tiện truyền dẫn thuốc Tính chất hạt nano Fe3O4 Các hạt ơxit sắt từ kích thước nano loại vật liệu quan trọng Vật liệu nano Fe3O4 cho thấy tiềm y sinh tính chất đáng ý siêu thuận từ tương thích sinh học Ngồi việc dễ tổng hợp, tạo lớp phủ tiếp theo, chức hóa tỷ lệ diện tích bề mặt/thể tích cao hạt nano Fe3O4 cho thấy linh hoạt vô song Hạt nano Fe3O4 với lõi đơn cầu có đường kính nhỏ 20-30 nm, thể tính chất siêu thuận từ chúng dễ bị từ hóa tiếp xúc với từ trường khơng bị từ hóa từ trường bị tắt Một tính chất thú vị khác hạt nano Fe 3O4 khả đặc biệt trở nên nóng chịu tác động trường từ AC bên Nguồn gốc tượng nhiệt bắt nguồn từ lượng trình khử (cụ thể điện năng) Tính chất đặc biệt khám phá phương tiện để điều trị ung thư, thông qua tăng than nhiệt Một số nghiên cứu tập trung vào nỗ lực phát triển chiến lược hóa lý cho tổng hợp hạt Fe3O4 với kích thước, hình dạng, hình thái tính chất từ kiểm sốt Đây thơng số quan trọng để đưa hạt nano Fe3O4 vào ứng dụng khác Các phương thức tổng hợp oxit sắt từ cho thấy tính linh hoạt cao Thay đổi chiến lược chế tạo oxit sắt từ liên quan đến vi khuẩn sử dụng dung môi xanh Tuy nhiên, bề mặt kị nước chúng diện tích bề mặt lớn, oxit sắt từ có xu hướng tập hớp mơi trường sinh học từ trường, tạo mẫu phân bố kích thước khơng đồng Ví dụ, tập hợp ứng dụng thể dẫn đến việc giải phóng nhanh khỏi vịng tuần hồn phản ứng khơng mong đợi Nói chung, cần oxit sắt từ phân tán vào dung môi phù hợp phủ chúng với với phân tử polymer định để tạo nên dung dịch gọi chất lỏng từ Một loạt monome, polyme vật liệu vơ sử dụng cho múc đích ổn định này, cân không gian lực đẩy tĩnh điện quan trọng Vì điểm đẳng điện oxit sắt từ khoảng pH ~ 6,8, bề mặt magnetit trở thành dương hay âm phụ thuộc vào pH thực tế dung dịch Do đó, điểm đẳng điện, proton hóa bề mặt hạt dẫn đến hình thành gốc ≡Fe-OH2+ Sự khử proton xảy điểm đẳng điện làm tăng gốc ≡Fe-O- bề mặt, ảnh hưởng đến gắn kết tĩnh điện polyme bề mặt oxit sắt từ Ngoài việc cho phép ổn đinh cải thiện phân tán, oxit sắt từ phủ với phân tử khác để cải thiện tính tương thích sinh học chức bề mặt tăng, mở khả tạo hạt oxit sắt từ đa phương thức, đa chức Các hạt nano oxit sắt từ khác với loại hạt khác hạt dựa coban niken chỗ có xu hướng tương thích sinh học Do lưu trữ, tiết sắt lại bị loại khỏi thể cách hiệu Tuy nhiên đặc tính hạt oxit sắt từ (kính thước, điện tích, hình thái, lớp phủ polyme ligand khác) quan trọng việc xác định số phận chúng thể Nói chung, hạt có kích cỡ nhỏ 10nm nhanh chóng bị loại bỏ Hạt phạm vi 10-100nm cung cấp kích thước tối ưu thời gian lưu thông thể dài Ứng dụng y sinh học 3.1 Trong phân tách chọn lọc tế bào Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tách loại thực thể sinh học khỏi mơi trường chúng để làm tăng nồng độ phân tích cho mục đích khác Phân tách tế bào sử dụng hạt nanô từ tính phương pháp thường sử dụng Quá trình phân tách chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thực sinh học cần nghiên cứu; tách thực thể đánh dấu khỏi môi trường từ trường Việc đánh dấu thực thơng qua hạt nanơ từ tính Hạt nanơ thường dùng hạt xít sắt Các hạt bao phủ loại hóa chất có tính tương hợp sinh học dextran, polyvinyl alcohol (PVA), Hóa chất bao phủ khơng tạo liên kết với vị trí bề mặt tế bào phân tử mà giúp cho hạt nanô phân tán tốt dung môi, tăng tính ổn định chất lỏng từ Giống hệ miễn dịch, vị trí liên kết đặc biệt bề mặt tế bào kháng thể phân tử khác hc-mơn, a-xít folic tìm thấy Các kháng thể liên kết với kháng nguyên Đây cách hiệu xác để đánh dấu tế bào Các hạt từ tính bao phủ chất hoạt hóa tương tự phân tử hệ miễn dịch tạo liên kết với tế bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi, vi khuẩn, tế bào ung thư đường tiết niệu thể golgi Đối với tế bào lớn, kích thước hạt từ tính đơi lúc cần phải lớn, đạt kích thước vài trăm nanơ mét Q trình phân tách thực nhờ gradient từ trường Từ trường ngồi tạo lực hút hạt từ tính có mang tế bào đánh dấu Các tế bào không đánh dấu không giữ lại ngồi Hình 2: Ngun tắc phân tách tế bào từ trường Hỗn hợp tế bào chất đánh dấu trộn với để lên kết hóa học chất đánh dấu tế bào xảy Sử dụng từ trường nam châm vĩnh cửu để tạo gradient từ trường giữ hạt tế bào đánh dấu lại Hạn chế phương pháp hiệu tách từ không cao Một phương pháp khác sử dụng dùng gradient từ trường xuyên tâm tạo bốn nam châm hình Gradient từ trường xuyên tâm làm tế bào đánh dấu từ bị hút phía thành ống nhanh.Một cải tiến mơ hình áp dụng độ linh động từ tính tế bào đánh dấu từ khác mà tách tế bào khỏi dung dịch Trong ứng dụng dung dịch không chuyển động mà gradient từ trường chuyển động so với dung dịch đứng yên Phụ thuộc vào độ linh động từ tính tế bào đánh dấu từ tính mà tế bào tách khỏi dung dịch thu thập nam châm vĩnh cửu Hình 3: Nguyên tắc tách tế bào từ trường sử dụng bốn nam châm 3.2 Dẫn truyền thuốc Một nhược điểm quan trọng hóa trị liệu tính khơng đặc hiệu Khi vào thể, thuốc chữa bệnh phân bố không tập trung nên tế bào mạnh khỏe bị ảnh hưởng tác dụng phụ thuốc Chính việc dùng hạt từ tính hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết thể (thơng thường dùng điều trị khối u ung thư) nghiên cứu từ năm 1970 ứng dụng gọi dẫn truyền thuốc hạt từ tính Có hai lợi ích là: (i) Thu hẹp phạm vi phân bố thuốc thể nên làm giảm tác dụng phụ thuốc (ii) Giảm lượng thuốc điều trị Hạt nanơ từ tính có tính tương hợp sinh học gắn kết với thuốc điều trị Lúc hạt nanơ có tác dụng hạt mang Thông thường hệ thuốc/hạt tạo chất lỏng từ vào thể thông qua hệ tuần hoàn Khi hạt vào mạch máu, người ta dùng gradient từ trường mạnh để tập trung hạt vào vị trí thể Một hệ thuốc/hạt tập trung vị trí cần thiết q trình nhả thuốc diễn thông qua chế hoạt động enzym tính chất sinh lý học tế bào ung thư gây độ pH, trình khuyếch tán thay đổi nhiệt độ Quá trình vật lý diễn việc dẫn truyền thuốc tương tự phân tách tế bào Gradient từ trường có tác dụng tập trung hệ thuốc/hạt Hiệu việc dẫn truyền thuốc phụ thuộc vào cường độ từ trường, gradient từ trường, thể tích tính chất từ hạt nanơ Các chất mang thường vào tĩnh mạnh động mạch nên thông số thủy lực thông lượng máu, nồng độ chất lỏng từ, thời gian tuần hồn đóng vai trò quan trọng thống số sinh lý học khoảng cách từ vị trí thuốc đến nguồn từ trường, mức độ liên kết thuốc/hạt, thể tích khối u Các hạt có kích thước micrơ mét (tạo thành từ hạt siêu thuận từ có kích thước nhỏ hơn) hoạt động hiệu hệ thống tuần hoàn đặc biệt mạch máu lớn động mạch Nguồn từ trường thường nam châm NdFeB tạo từ trường khoảng 0,2 T gradient từ trường khoảng T/m với động mạch đùi khoảng 100 T/m với động mạch cổ Điều cho thấy trình dẫn thuốc hạt nanơ từ tính có hiệu vùng máu chảy chậm gần nguồn từ trường Tuy nhiên, hạt nanô chuyển động gần thành mạch máu chuyển động chúng khơng tn theo định luật Stoke nên với gradient từ trường nhỏ q trình dẫn thuốc có tác dụng Hình 4: Nguyên lý dẫn thuốc dùng hạt nano từ tính Các hạt nanơ từ tính thường dùng ơ-xít sắt (magnetite Fe3O4, maghemite aFe2O3) bao phủ xung quanh hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học PVA, detran silica Chất bao phủ có tác dụng chức hóa bề mặt để liên kết với phân tử khác nhóm chức carboxyl, biotin, avidin, carbodiimide,… (Hình 9)[22-24] Nghiên cứu dẫn truyền thuốc thử nghiệm thành công động vật, đặc biệt dùng để điều trị u não Việc dẫn truyền thuốc đến u não khó khăn thuốc cần phải vượt qua hàng rào băng cách não máu, nhờ có trợ giúp hạt nanơ từ có kích thước 10-20 nm, việc dẫn truyền thuốc có hiệu nhiều Việc áp dụng phương pháp người có số thành cơng, cịn khiêm tốn 3.3 Đốt nhiệt từ Phương pháp đốt tế bào ung thư từ trường ngồi mà khơng ảnh hưởng đến tế bào bình thường ứng dụng quan trọng khác hạt nanô từ tính Một nghiên cứu đốt nhiệt từ xuất từ năm 1957 Nguyên tắc hoạt động hạt nanơ từ tính có kích thước từ 20-100 nm phân tán mô mong muốn sau tác dụng từ trường xoay chiều với tần số 1,2 MHz bên đủ lớn cường độ tần số để làm cho hạt nanơ hưởng ứng mà tạo nhiệt nung nóng vùng xung quanh Nhiệt độ khoảng 42 °C khoảng 30 phút đủ để giết chết tế bào ung thư tế bào thường an toàn Nghiên cứu kĩ thuật tăng thân nhiệt cục phát triển từ lâu có nhiều cơng trình đề cập đến kĩ thuật chưa có cơng bố thành cơng người Khó khăn chủ yếu việc dẫn truyền lượng hạt nanô phù hợp để tạo đủ nhiệt lượng có có mặt từ trường ngồi mạnh phạm vi điều trị cho phép Thực nghiệm tính tốn cho biết tỉ số phát nhiệt vào khoảng 100 mW/cm3 đủ hầu hết trường hợp thực nghiệm Tần số biên độ từ trường thường dùng dao động khoảng f = 0,05-1,2 MHz, H < 0,02 T Mật độ hạt nanô cần thiết vào khoảng 5-10 mg/cm3 Vật liệu dùng để làm hạt nanơ thường magnetite maghemite có tính sắt từ siêu thuận từ 3.4 Tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ Mặc dù mômen từ prôtôn nhỏ (bằng 1,510-3 mômen từ điện tử) thể động vật có lượng lớn prôtôn (hạt nhân nguyên tử hiđrô phân tử nước, vào khoảng 6,61019 proton/mm3 nước) nên tạo hiệu ứng đo Nếu tác dụng từ trường tĩnh cố định có cường độ B0 = T có ba phần triệu proton (tương đương với 21014 proton) định hướng theo phương từ trường ngồi B0 Tín hiệu đo hấp thụ cộng hưởng sau: tác dụng từ trường xoay chiều vng góc với từ trường cố định B0 có tần số tần số tuế sai Larmor 0 = B0 ( hệ số từ proton) prơtơn hấp thụ cộng hưởng xảy Với hạt nhân nguyên tử hiđrô 1H, tỉ số từ 2,67108 rad s-1 T1 ) Tần số tuế sai Larmor tương ứng với tần số sóng vơ tuyến có giá trị 42,57 MHz Khi có mặt từ trường cố định, prôtôn tuế sai xung quanh hướng từ trường Khi từ trường xoay chiều phát ra, cường độ từ trường yếu nhiều so với từ trường cố định tần số tần số tuế sai nên mô mentừ prôtôn hướng theo phương từ trường xoay chiều, tức vuông góc với từ trường cố định Thực tế người ta tác dụng từ trường xoay chiều theo xung, độ dài xung đủ lớn để tạo hưởng ứng liên kết mơ men từ mà máy đo đo Khi từ trường xoay chiều ngừng tác động, mô men từ trở lại phương từ trường cố định Một cuộn dây thu tín hiệu thu lại thời gian hồi phục mô men từ proton trở lại phương từ trường B0 sau khuyếch đại 50 – 100 lần Các hạt nanô siêu thuận từ tạo thành từ xít sắt hợp chất chứa Gd thường sử dụng tác nhân làm tăng độ tương phản cộng hưởng từ Sự có mặt chúng làm nhiễu loạn từ trường địa phương nên làm T2 (thời gian hồi phục ngang) thay đổi giá trị nhiều Giá trị T1 (thời gian hồi phục dọc) thay đổi mức độ yếu Dựa đặc tính mô thể, tùy loại mô mà độ hấp thụ hạt nanô mạnh hay yếu Từ trường xoay chiều tác dụng thường khởi động theo từ xung Các thơng số quan trọng chu kì xung (thời gian hai xung liên tiếp) thời gian trễ (thời gian bật xung đến đo tín hiệu) Chu kì ngắn tăng hiệu ứng T1, chu kì dài làm cho proton đạt trạng thái hồi phục dọc hoàn toàn nên làm giảm T1 Thời gian trễ ngắn làm giảm T2, thời gian trễ dài làm tăng T2 Như ta thu tín hiệu dựa T1 (tối ưu hóa chu kì giảm thời gian trễ) T2 (chu kì thời gian trễ dài) Hình 5: Thời gian hồi phục có mặt hạt nano từ tính khơng có hạt nano từ tính