Nghiên ứu chế tạo fe3o4 chitonsan định hướng ứng dụng xử lý môi trường và làm vật liệu y sinh

Oxit sắt từ dạng hạt cỡ mµ được ứng dụng nhiều trong công nghệ sơn, chất màu, chất độn… Ngày nay, công nghệ nano là lĩnh vực nghiên cứu mới thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học trên

Chuyên ngành : Hóa Cơ Bản

L UẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học : TS Trần Đại Lâm

Hà n - N ội ăm 200 9

L ời cảm ơn

Thầy, Cô Khoa Công nghệ hoá họ c, Trung tâm sau đ i họ ạ c Trư ng Đ i học Bách ờ ạ

thành luận văn này

PGS.TS Lê Văn Hồng, PGS.TS Phạ m Gia Đi n, PGS.TS Nguy n Th ề ễ ị Quì và các

Thầy, Cô, các b ạ đồng nghi p tn ệ ại Phòng Vật liệu nano y sinh và Phòng vật liệu

T -ừ Siêu dẫn- Việ Khoa học Vật liệu, Phòng Công nghệ hoạt chất sinh họ Viện n c-

KHTN, ĐHQG Hà Nộ i đã t o các đi u ki n t i đa để em hoàn thành các phần thực ạ ề ệ ố

nghiệm về ổ t ng hợ p, đặc trưng và thử nghiệm hoạt tính sinh h c c ọ ủ va ật liệu cho

luận văn

Bùi Đình Long

M ỤC LỤ C

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG : TỔNG QUAN1 3

1 C.1 ấu trúc và tính chất của Fe3O4 3

1.1.1 Cấu trúc tinh thể Fe3O4 3

1.1.2 Tính chất vật lý 5

1.1.2.1 Vật liệu nghịch từ… 5

1.1.2.2 ật liệu thuận từ V 5 1.1.2.3 Vật liệu phản sắt từ 5

1.1.2.4 Vật liệu feri từ 5

1.1.2.5 Vật liệu sắt từ 6

1.1.3 Ảnh hư ng củở a kích thư c hạ ếớ t đ n tính chất 7

1.1.4 Một số phương pháp tổng h p hạợ t nano oxit s t t ắ ừ 9

1.1.4.1 Phương pháp từ trên xu ng (top- down) ố 9

1.1.4.2 Phương pháp từ dưới lên (bottom up) 10-

1.1.4.3 Phương pháp sinh học 17

1.1.5 Ứng dụng 18

1 5.1 .1 Ứng dụng để x ử lý môi trường 18

1.1.5.2 Ứng dụng làm vật liệu y sinh 19

1.2 G ới thiệu về Chitosan 23i

1.2.1 Nguồn g c Chitosan (CS) 23 ố 1.2.2 ấu trúc và tính chấ CT/CS C t 23 1.2.2 Tính chất vật lý 241 1.2.2 Tính chất hóa học 242

1.2.2.3 Khả năng hấp phụ ạo phức với các ion kim loại chuyển tiếp của t chitin/chitosan 25

1.2.2.4 Một số ứng dụng của CT/CS và các dẫn xuất 26

1 Gi.3 ới thiệu về Curcumin 29

1.3.2 Hoạt tính sinh học và một số ứng dụng của Curcumin 30

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ẤP PHỤ H TRONG X LÝ MÔI Ử TRƯỜNG 31

2.1 Khái niệm về hấp phụ 31

2.2 Quy luật chung của quá trình hấp phụ 32

2.3 Đẳng nhiệt quá trình hấp phụ 32

2.3.1 Phương trình đẳng nhiệt Langmuir 32

2.3.2 Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 34

2.4 Động học và nhiệt động học của quá trình hấp phụ 35

2.4.1 Động học của quá trình hấp phụ .35

2.4.2 Nhiệt động học của quá trình hấp phụ 36

CHƯƠNG : THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3 37

3.1 Thực nghiệm và chế ạo mẫu t 37 3.1.1 Hóa chất và dụng cụ 38

3.1.2 Điều chế nano oxit sắt từ 38

3.1.3 Điều chế nanocomposit chitosan oxit sắt từ làm mẫu hấp phụ ử lý- x

môi trường và y sinh học 38

3.1.3.1 Nghiên cứu khả năng hấp phụ 40

3.1.3.2 ấp phụ H 41

3.1.4 Điều chế nanocomposit chitosan oxit sắt từ cucurmin- ng d ng trong y sinh hứ ụ ọc 42

3.2 Các phương pháp nghiên cứu 43

3.2.1 Nhi u x ễ ạ tia X (XRD) 43

3.2.2 Các phép đo đường cong t ừ hóa, đường cong ZFC 44

3.2.3 Phổ phân tán năng lượng tia X (EDX) 46

3.2.4 Phổ hấp thụ hồng ngoại FT IR - 46

3.2.5 Hiển vi điện tử quét SEM) ( 47

3.2.6 Kính hiển vi đi n tử truyền qua (TEM) .ể 49

3.2.7 Máy quang phổ ấ h p th t ngo i và khả kiến UV-Vis ụ ử ạ 50 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 51

4 M.1 ẫu thí nghiệm 51

4.1.1 Ảnh mẫu thí nghiệm 51

4.1.2 So sánh 2 phương pháp điề u ch ế 51

4 2 Phổ XRD các mẫu 52

4.3 Đường cong từ hoá của các mẫu 55

4.4 Phổ IR 56

4.5 TEM đặc trưng 58

4.6 Ảnh SEM 60

4.7 Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) của vật liệu 62

4.8 Composit chitosan oxit sắt từ ấp phụ ion kim loại Ni- h 2+ . 64

4.8 1 Xác định các điều kiện ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của Ni2+ 64

4.8.1.1 Xác định thời gian cân bằng ……….……….… 64

4.8.1.2 Xác định ảnh hưởng của pH …… ……….…… … … 67

4.8.1.3 Nhiệt động học của quá trình hấp phụ ……… … ….….… 67

4.8.1.4 Xác định ảnh hư ng của khốở i lư ng hấp phụợ … ……… … 68

4.8.2 Động học của quá trình hấp phụ ……… ………… … 69

4.8.2.1 Phương trình bậc nhất biểu kiến …… …….………… … … 69

4.8.2.2 Phương trình bậc 2 ……….……… ……….… 1 7 4.9 Những kết quả bư c đ u phát triển ứng dụớ ầ ng Chitosan-Fe3O4làm chất mang thuố 7c 2 KẾT LUẬN 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 PHỤ LỤC

M Ở ĐẦ U

Khoa học và công nghệ nano đang đi vào cuộc sống với tốc độ ngày càng nhanh là nhờ những tính chất đặc biệt của vật liệu nano Các đặc tính của vật liệu nano có thể được chia thành hai loại: các đặc tính có liên quan đến hiệu ứng bề mặt

và các đặc tính có liên quan đến kích thước Hiệu ứng bề mặt có thể xảy ra ở bất kì kích thước nào, tuy nhiên, tại kích thước nano thì hiệu ứng bề mặt trở nên đáng kể Kích thước của vật liệu nano đã làm cho vật liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống Đối với một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này

của vật liệu đều rơi vào kích thước nm [14, 17, 18]

Chúng ta biết rằng, Oxit sắt từ là vật liệu từ tính quen thuộc khá phổ biến trong công nghiệp cũng như trong đời sống thường ngày Oxit sắt từ dạng hạt (cỡ

m

µ ) được ứng dụng nhiều trong công nghệ sơn, chất màu, chất độn…

Ngày nay, công nghệ nano là lĩnh vực nghiên cứu mới thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới, oxit sắt từ kích thước nano ứng dụng trong sinh học đang là chủ đề nóng bỏng thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học trong và ngoài nước bởi khả năng ứng dụng rộng rãi của chúng Khả năng ứng dụng phong phú của các hạt nano từ tính trong sinh học là do một số nguyên nhân Thứ nhất, đó là kích thước các hạt nano rất gần với kích thước của các thực thể sinh học, điều này làm chúng có thể dễ dàng tiếp cận mà không gây ra những thay đổi lớn trong hoạt động của các thực thể sinh học Thứ hai, là các hạt nano có diện tích bề mặt lớn do đó làm tăng khả năng liên kết giữa chúng với các thực thể sinh học Thứ

ba, là các hạt nano có từ tính nên chúng ta có thể dùng từ trường mà tác động lên các thực thể sinh học thông qua “cầu nối” là các hạt nano từ tính

Vật liệu lai (hybrid) giữa polyme và các hạt oxit sắt từ nhận được sự quan tâm đặc biệt lớn vì tiềm năng ứng dụng cho y sinh và xử lý môi trường

phương pháp trộn lẫn bằng cơ học, sử dụng polymer dạng gel làm khung và hoặc

phương pháp đồng kết tủa Các phương pháp cổ truyền nhất điều chế composit oxit

với sự định hướng cấu trúc trong chất nền polyme là vấn đề chìa khóa cho hiệu suất cao các hợp chất lai

chitosan, sử dụng phương pháp biến tính composit, ứng dụng xử lý môi trường và làm vật liệu y sinh

Trên thế giới, lĩnh vực ứng dụng từ học nano trong sinh học đã được nghiên cứu từ nhiều năm nay và thu được nhiều kết quả Các công trình chủ yếu nghiên cứu các ứng dụng của hạt nano từ tính như: dẫn truyền thuốc, tăng thân nhiệt cục bộ điều trị bệnh ung thư, phân tách tế bào, tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ[12]…

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu ứng dụng các hạt nanô từ tính trong xử lý môi trường và vật liệu y sinh học mới được tiến hành tại một số phòng thí nghiệm và đang ở những bước đi ban đầu Trên cơ sở thấy rõ khả năng ứng dụng to lớn của lĩnh vực mới này và sự phù hợp của nó với điều kiện trong nước, tôi nghiên cứu đề

và làm vật liệu y sinh ’’

Luận văn này được chia làm 4 chương:

Chương 1 : Tổng quan

Chương 2 : Lý thuyết chung về hấp phụ trong xử lý môi trường

Chương 3 : Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu

Chương 4 : Kết quả và thảo luận

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

xác định phương hướng có ích [12] Trong tự nhiên oxít sắt từ không những được tìm thấy trong các khoáng vật mà còn được tìm thấy trong cơ thể các sinh vật như :

hướng mang tính bản năng của chúng

kim loại như: Fe, Ni, Co, Mn, Mg hoặc Cu

Trong mạng ferit có 2 loại lỗ hổng: loại thứ nhất là lỗ hổng tứ diện (nhóm A) được giới hạn bởi bốn ion oxy, loại thứ hai là lỗ hổng bát diện (nhóm B) được giới

nên hai dạng cấu trúc spinel của nhóm vật liệu ferit Trong dạng thứ nhất, toàn bộ

cấu trúc spinel đảo điển hình Cấu trúc spinel của Fe3O4 được minh hoạ trên hình

tính chất feri từ Mô men từ của các ion kim loại trong hai phân mạng A và B phân

bố phản song song điều này được giải thích nhờ sự phụ thuộc góc của tương tác siêu

Hình 1.2 là cấu hình spin của phân tử Fe3O4 Giống như các vật liệu sắt từ thì

Dựa vào cấu trúc từ mà các vật liệu từ được phân ra một số loại như sau: nghịch từ, thuận từ, phản sắt từ, feri từ, sắt từ Trong đó các vật liệu nghịch từ, thuận từ với độ cảm từ nhỏ thuộc loại từ tính yếu, còn các loại feri từ và sắt từ thuộc loại từ tính mạnh với độ cảm từ lớn

Trong loại vật liệu này ngay khi không có từ trường ngoài tác dụng thì mỗi nguyên

tử đã có một momen từ, các momen từ này độc lập, không tương tác và định hướng hỗn loạn do tác dụng nhiệt (lý thuyết Langevin) Vì vậy khi không có từ trường ngoài thì momen từ tổng cộng của vật liệu thuận từ bằng 0 Dưới tác dụng của từ trường ngoài các momen nguyên tử có sự định hướng theo phương từ trường làm

Vật liệu nghịch từ có độ cảm từ tương đối χ có giá trị âm và độ lớn rất nhỏ,

momen từ, nguồn gốc của tính nghịch từ là sự thay đổi chuyển động quỹ đạo của điện tử quanh hạt nhân do cảm ứng với từ trường ngoài

1.1.2.3 Vật liệu phản sắt từ

Các vật liệu phản sắt từ cũng thuộc loại từ tính yếu như vật liệu thuận từ nhưng trong loại vật liệu này các momen từ sắp xếp thành hai phân mạng phản song song có độ lớn bằng nhau

1.1.2.4 Vật liệu feri từ

Trong vật liệu feri từ các momen từ cũng sắp xếp thành hai phân mạng phản song song nhưng độ lớn momen từ trong hai phân mạng không bằng nhau Do đó từ

độ tổng cộng của vật liệu này khác 0 ngay cả khi từ trường ngoài bằng 0 Từ độ tổng cộng này được gọi là từ độ tự phát và có thể nói trong vật liệu feri từ có sự từ hoá tự phát Tuy nhiên trật tự sắp xếp này cũng lại bị phá vỡ khi nhiệt độ cao hơn

tính chất thuận từ

Vật liệu sắt từ là các vật liệu trong đó các momen từ sắp xếp song song với nhau, vì vậy trạng thái sắt từ cũng là trạng thái từ hoá tự phát Theo lý thuyết Weiss thì ngay cả khi không có từ trường ngoài, trong vật liệu sắt từ đã có sự từ hoá tự phát đến bão hoà [3] Nguyên nhân của sự từ hoá tự phát đó là do các momen từ tương tác với nhau rất mạnh mẽ, tương tác này tương đương với tác dụng của từ

nhau ngay cả khi có tác dụng của kích thích nhiệt hay ở nhiệt độ phòng Để giải thích sự khử từ của vật liệu sắt từ ở từ trường bằng 0, Weiss cho rằng sự từ hoá tự phát đến bão hoà trong loại vật liệu này chỉ xảy ra trong từng domain (mỗi domain

là một vùng từ hoá vi mô) còn giữa các domain với nhau thì các momen từ lại sắp xếp một cách hỗn loạn làm cho từ độ tổng cộng của vật bằng 0 khi không có từ trường ngoài

Với các vật liệu sắt từ tồn tại nhiệt độ tại đó xảy ra sự chuyển pha sắt từ-

giữa các momen từ thắng được kích thích nhiệt do đó vật liệu thể hiện tính sắt từ

từ giữa các momen từ làm cho phân bố các momen từ trở nên hỗn loạn và vật liệu thể hiện tính chất thuận từ Đường cong từ hoá với hiệu ứng trễ là một đặc trưng của các vật liệu sắt từ

Hình 1.3: Đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ

Trên hình 1.3 đường cong ab mô tả quá trình từ hoá vật liệu từ trạng thái ban đầu cho đến khi vật liệu đạt giá trị từ độ bão hòa Ms, từ trường tại điểm vật đạt từ

không còn trở lại trạng thái ban đầu mà có giá trị từ độ là Mr được gọi là từ dư

được gọi là lực kháng từ

Đối với vật liệu sắt từ khi ở kích thước lớn các hạt có xu hướng phân chia thành các domain từ để giảm năng lượng dị hướng từ hình dạng (có hạt đa domain) Khi kích thước hạt giảm đến một giá trị nào đó (tùy loại vật liệu kích thước hạt có thể từ vài chục nano mét đến vài micro mét) thì mỗi hạt là một domain từ (có hạt đơn domain) Hạt đơn domain từ có momen từ sắp xếp theo các phương dễ từ hoá dưới tác dụng của năng lượng dị hướng từ Tiếp tục giảm kích thước hạt qua một

tình huống trong đó năng lượng kích thích nhiệt có xu hướng phá vỡ sự định hướng momen từ của các hạt Khi đó monen từ tổng cộng của hệ các hạt bằng 0 Chỉ khi có

từ trường ngoài tác dụng vào thì mới có sự định hướng momen từ các hạt và tạo ra

Tính chất này là tính chất đặc trưng cho vật liệu thuận từ nhưng ở đây mỗi hạt nano có chứa hàng vạn nguyên tử nên có momen từ lớn hơn hàng vạn lần momen từ nguyên tử vì vậy tính chất này được gọi là tính chất siêu thuận từ

Đường cong từ hoá siêu thuận từ cũng tuân theo hàm Langevin như trường

đổi đường cong từ hóa của vật liệu sắt từ khi kích thước hạt giảm Trong giới hạn đơn domain khi kích thước hạt giảm thì Hc giảm cho đến khi Hc = 0, kích thước tại

c

[5]:

Tk

Siêu thuận

Hình 1.5: Hc ph thuụ ộc vào đường kính h t ạ

Dựa vào điều kiện (1.1) ta có thể đánh giá giới hạn kích thước để hạt thể hiện tính chất siêu thuận từ ở nhiệt độ phòng khi biết giá trị của K

Ngược lại với kích thước hạt xác định (có V xác định) tồn tại nhiệt độ

công thức :

B B

k

KV T

25

thuận từ, dưới nhiệt độ này điều kiện đó không được thoả mãn và hạt thể hiện tính

là biến dạng nguội

b Phương pháp nghiề : Phương pháp nghiền đượn c phát tri n t r t s m đ ể ừ ấ ớ ể

hoạt hóa bề ặ m t giúp cho quá trình nghiền đư c dợ ễ dàng, đ ng thờồ i tránh các h t kạ ết

c Phương pháp ăn mòn laser Vật liệ: u ban đ u là tấm kim loạ ặầ i đ t trong dung

Phương pháp từ dưới lên là tạo hạt nano từ các ion hoặc các nguyên tử kết hợp lại với nhau Phương pháp từ dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối cùng Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ phương pháp này Phương pháp từ dưới lên có thể là

a Phương pháp vật lý: là phương pháp tạo vật li u nano từệ nguyên t ho c ử ặ

ổ cứng máy tính

b Phương pháp hóa họ : c là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion

màng nano, bột nano,

thể Trong dung môi thích hợp, sự thủy phân tạo ra các ion đa nhân chứa những cầu

ngưng tụ:

+ Phương pháp vi nhũ: Nhũ tương (microemulsion) cũng là một phương pháp

+ Phương pháp thủy nhiệt [ ]:11 Thuật ng “th y nhi t” xu t phát t khoa h c ữ ủ ệ ấ ừ ọ

+ Phương pháp đồng kết tủ a và cơ ch phản ứng : Phương pháp đồ ế ng k t t a ế ủ

phân và tạo thành chuỗi mầm tinh thể liên kết với nhau Phản ứng thuỷ phân đơn giản được mô tả theo phương trình dưới đây mà ở đó z là hoá trị của ion kim loại còn n là số bậc của phản ứng thuỷ phân

được đưa ra trong bảng sau:

Tổng kết quá trình hình thành phức kim loại như là một hàm số của pH và

của chúng, trục hoành biểu diễn pH của dung dịch, trục tung biểu diễn hoá trị của kim loại Những sản phẩm của quá trình thuỷ phân tập hợp bên trong phức đa nhân bằng những phản ứng Olation và Oxolation sau đó chúng phát triển giống như những phản ứng ngưng tụ để tạo thành những hạt oxit và hidroxit sắt nhỏ

Độ pH đóng vai trò chính trong việc xác định ưu thế của phản ứng ngưng tụ xảy ra giữa những sản phẩm của phản ứng thuỷ phân Trong những phản ứng Olation nguyên tử kim loại được kết hợp với nhau bằng liên kết cầu bởi nhóm hydroxyl để tạo thành phức đa nhân và sản phẩm phụ là nước

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Phức đa nhân thứ tự tạo thành của oxit và hydroxit sắt là một quá trình trung gian Khi bazơ được thêm vào dung dịch một phức đa nhân màu đỏ đậm được tạo ra

Phức này có tỷ lệ Fe(III)/Fe(II) giống với tỷ lệ của oxit sắt từ Sau đó phức

Ưu điểm: Phương pháp đồng kết tủa đơn giản, dễ chế tạo, cho kết quả

nhanh, chi phí thấp

muối natri sunfit [11]

Muối sunfit đư c tạo nên khi cho muối hidrosunfit tác dụng v i dung dợ ớ ịch

S O O

O

Phương pháp hóa học để chế tạo các hạt nanô từ cũng được phát triển từ lâu Phương pháp hóa học có thể tạo ra các hạt nanô với độ đồng nhất khá cao, rất thích

Nguyên tắc tạo hạt nanô bằng phương pháp hóa học là kết tủa từ một dung dịch đồng nhất dưới các điều kiện nhất định hoặc phát triển hạt từ thể hơi khi một

Trong phương pháp kết tủa từ dung dịch, khi nồng độ của chất đạt đến một trạng thái bão hòa tới hạn, trong dung dịch sẽ xuất hiện đột ngột những mầm kết tinh Các mầm kết tinh đó sẽ phát triển thông qua quá trình khuyếch tán của vật chất

từ dung dịch lên bề mặt của các mầm cho đến khi mầm trở thành hạt nanô Để thu được hạt có độ đồng nhất cao, người ta cần phân tách hai giai đoạn hình thành mầm

và phát triển mầm Trong quá trình phát triển mầm, cần hạn chế sự hình thành của những mầm mới Phương pháp đồng kết tủa là một trong những phương pháp thường được dùng để tạo các hạt ôxít sắt Hydroxide sắt bị ôxi hóa một phần bằng

dịch Nhũ tương (microemulsion) cũng là một phương pháp được dùng khá phổ biến để tạo hạt nanô Các hạt dung dịch nước bị bẫy bởi các phân tử CHHBM trong dầu (các mixen) Do sự giới hạn về không gian của các phân tử CHHBM, sự hình thành, phát triển các hạt nanô bị hạn chế và tạo nên các hạt nanô rất đồng nhất Kích

Ngoài các phương pháp vật lý và hóa học, hiện nay các phương pháp sinh

phân tử

1 5.1 Ứng dụng

Việc nghiên cứu ứng dụng các hạt nano siêu thuận từ đang được tiến hành rất rộng rãi, đặc biệt là ứng dụng trong y sinh học và môi trường Công nghệ nano đang thay làm thay đổi cuộc sống của chúng ta nhờ vào khả năng can thiệp của con người tại kích thước nano mét, tại đó vật liệu nano thể hiện rất nhiều tính chất đặc biệt và

lý thú Các cấu trúc nano có tiềm năng và khả năng ứng dụng rất cao trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống như y sinh học, hóa chất, vật liệu, môi trường, công nghệ thông tin, viễn thông, năng lượng, tự động hóa, hàng không, vũ trụ…

+ Y sinh học : Hạt nano

+ Hóa chất và vật liệu cao cấp : Ống nano

+ Môi trường : Xử lý nước

+ Công nghệ thông tin, viễn thông : Vật liệu xốp nano

+ Năng lượng : Lồng nano

nghiệm cho thấy khi cho hạt nano oxit sắ ừ ớt t v i n ng đ 1g/l vào m u nư c có ồ ộ ẫ ớ

đây là điều chúng ta mong muốn

vật liệu nano được sử dụng để chẩn đoán và điều trị bệnh Y sinh học nano đã và đang được nghiên cứu rất mạnh mẽ nhờ vào khả năng ứng dụng rất linh hoạt và hiệu quả của vật liệu nano [8,19]

nhiều hơn cả vì đây là một vật liệu dễ chế tạo, từ tính mạnh (từ độ bão hoà có thể đạt tới 90 emu/g), tương đối bền trong môi trường cơ thể và quan trọng hơn là có

trường lớn nhất tiêu thụ vật liệu nano, các ứng dụng hạt nano để dẫn truyền thuốc đến một vị trí nào đó trên cơ thể là một trong những ví dụ về ứng dụng của hạt nano Trong ứng dụng này, thuốc được liên kết với hạt nano có tính chất từ, bằng cách điều khiển từ trường để hạt nano cố định ở một vị trí trong một thời gian đủ dài để thuốc có thể khuyếch tán vào các cơ quan mong muốn

Chính vì thế mà hạt nano có thể thâm nhập vào hầu hết các cơ quan trong cơ thể và giúp cho chúng ta có thể thao tác ở qui mô phân tử và tế bào [20] Từ trường không có hại đối với con người nên các hạt nano từ tính được quan tâm sử dụng rất nhiều vào mục đích chẩn đoán và chữa bệnh

Các ứng dụng của hạt nano từ được chia làm hai loại: ứng dụng ngoài cơ thể

và trong cơ thể Chúng tôi chỉ trình bày một số ứng dụng tiêu biểu trong rất nhiều

ứng dụng đã và đang được nghiên cứu Phân tách và chọn lọc tế bào là ứng dụng ngoài cơ thể nhằm tách những tế bào cần nghiên cứu ra khỏi các tế bào khác Các ứng dụng trong cơ thể gồm: dẫn thuốc, đốt nóng cục bộ và tăng độ tương phản

Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tách một loại 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 nano từ tính là một trong những phương pháp thường được sử dụng

Quá trình phân tách được chia làm hai giai đoạn:

Việc đánh dấu được thực hiện thông qua các hạt nano từ tính Hạt nano thường dùng là hạt oxit sắt Các hạt này được bao phủ bề mặt màng có tính tương hợp sinh học như là dextran, polyvinyl alcohol (PVA), Màng bao phủ được chức năng hóa để có thể tạo liên kết với một vị trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử

và còn giúp cho các hạt nano phân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ Giống như trong hệ miễn dịch, vị trí liên kết đặc biệt trên bề mặt tế bào

sẽ được các kháng thể hoặc các phân tử khác như các hormone, acid folic tìm thấy Các kháng thể sẽ liên kết với các kháng nguyên Đây là cách rất hiệu quả và chính xác để đánh dấu tế bào Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa tương tự các phân tử trong hệ miễn dịch đã có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu,

tế bào ung thư phổi, vi khuẩn, tế bào ung thư đường tiết niệu và thể golgi [18] Đối với các tế bào lớn, kích thước của các hạt từ tính đôi lúc cũng cần phải lớn, có thể đạt kích thước vài trăm nano mét

Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài Từ trường ngoài tạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu Các

tế bào không được đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài Lực tác động lên hạt từ tính được cho bởi phương trình sau:

F = 6 pi n R Dn (1.11) Trong đó n là độ nhớt của môi trường xung quanh tế bào (nước), R là bán kính của hạt từ tính, Dn là sự khác biệt về vận tốc giữa tế bào và nước

Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản nhất được trình bày ở hình 1.8

Hỗn hợp tế bào và chất đánh dấu (hạt từ tính bao phủ bởi một lớp chất hoạt hóa bề mặt) được trộn với nhau để các lên kết hóa học giữa chất đánh dấu và tế bào xảy ra Sử dụng một từ trường ngoài là một thanh nam châm vĩnh cửu để tạo ra một gradient từ trường giữ các hạt tế bào được đánh dấu lại

b 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

Phương pháp này có hai lợi ích cơ bản là:

- Thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể nên làm giảm tác dụng phụ của thuốc

Hạt nano từ tính có tính tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị Lúc này hạt nano 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 nano

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 nano từ tính

có hiệu quả ở những vùng máu chảy chậm và gần nguồn từ trường Tuy nhiên, khi các hạt nano 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

Nghiên cứu dẫn truyền thuốc đã được thử nghiệm rất thành công trên động vật, đặc biệt nhất là dùng để điều trị u não Việc dẫn truyền thuốc đến các u não rất khó khăn vì thuốc cần phải vượt qua hàng rào ngăn cách giữa não và máu, nhờ có

hơn rất nhiều Việc áp dụng phương pháp này đối với người tuy đã có một số thành

c Tăng thân nhiệt cục bộ

Phương pháp tăng thân nhiệt cục bộ các tế bào ung thư mà không ảnh hưởng đến các tế bào bình thường là một trong những ứng dụng quan trọng khác của hạt nano từ tính Nguyên tắc hoạt động là các hạt nano từ tính có kích thước từ 20-100

chiều bên ngoài đủ lớn về cường độ và tần số để làm cho các hạt nano 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 Nghiên cứu về kĩ thuật

tăng thân nhiệt cục bộ được phát triển từ rất lâu và có rất nhiều công trình đề cập đến kĩ thuật này nhưng chưa có công bố nào thành công trên người Khó khăn chủ yếu đó là việc dẫn truyền lượng hạt nano phù hợp để tạo ra đủ nhiệt lượng khi có sự

có mặt của từ trường ngoài mạnh trong phạm vi điều trị cho phép Các yếu tố ảnh

phẩm …)

Bằng phổ ộ c ng hư ng từ ạt nhân(NMR), phổ ồng ngoại(IR) và một sốở h h

amit thành nhóm amin thu được CS:

(CT/CS) trong nước và trong một vài dung môi khác như: axit, bazơ hoặc trong các

dung dịch polyme)

Mặt khác CT/CS là những pol me mà các monome được nối với nhau bởi y r

chitin/chitosan

trong đó là mạch polime.

những ưu điềm của từng chất, t o ra v t liạ ậ ệu có khả năng ấp phụ h các ion kim loại

Ngoài ra, Chitosan đã được ứng dụng rộng rãi và có hiệu quả trong kỹ nghệ bào chế dược phẩm, làm thuốc chữa bỏng, giảm đau, thuốc hạ cholesterol, thuốc chữa bệnh dạ dày, chống đông tụ máu, tăng sức đề kháng, chữa xương khớp và chống đựợc cả bệnh ung thư do đặc tính không độc, hợp với cơ thể, tự tiêu huỷ được.Theo một số nhà khoa học thì Chitosan có khả năng khống chế sự gia tăng của

tế bào ung thư Các thí nghiệm thực tế cho thấy chitosan có khả năng ức chế hoạt động của một số loại vi khuẩn như E.Coli

Nói chung các loại thuốc tân dược cho đến nay thường được sản xuất dưới dạng viên nén ở trạng thái bột với kích thước hạt lớn Chính vì vậy thời gian tác dụng của thuốc ngắn, với cùng một tình trạng bệnh ta phải dùng thuốc với liều lượng cao và tần suất sử dụng lớn Dùng thuốc dạng này khả năng đào thải ra ngoài

cơ thể lớn, gây lãng phí và tốn kém Để khắc phục nhược điểm này các nhà Hoá Dược đã nghiên cứu và tìm cách gắn thuốc lên một chất mang polyme với mục đích kéo dài thời gian tác dụng của thuốc (do khả năng phân giải chậm của thuốc trong

cơ thể sau khi đã được gắn với chất mang) Việc dùng thuốc sau khi đã được gắn với chất mang sẽ giảm được liều dùng trong ngày, tần suất sử dụng thấp hơn, đỡ tốn kém và lãng phí

Ngày nay, với mục đích tăng hiệu quả, hấp thụ chọn lọc, giảm nồng độ, độc tính và tác dụng phụ của thuốc cũng như bảo vệ các phân tử hoạt động khỏi bị enzim phân huỷ việc gắn thuốc lên chất mang polime có cấu trúc nanô - công nghệ nanô sinh học được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi

Các hạt nanô là những hạt keo rắn có kích thước từ 10nm đến 1000nm Chúng bao gồm các vật liệu đại phân tử trong đó nhân tố chủ động được hoà tan, bao vỏ và/hoặc kết bám hay đính kèm vào Các hạt nanô này có những đặc tính quý

như độ bền cao và có khả năng thay đổi các đặc tính bề mặt của chúng một cách dễ dàng

Trên thực tế, hầu hết dược phẩm không chỉ có tác dụng dược lý hữu ích mà còn có những tác dụng phụ, vì vậy các hệ thống đặc hiệu và dẫn chuyển dược phẩm trên cơ sở công nghệ nanô ngày càng thu hút sự quan tâm trong nghiên cứu và triển khai Các hệ thống này bao gồm những hạt nanô, vectơ điều khiển dược phẩm tác động trực tiếp vào tế bào đích và không gây ảnh hưởng đến các tế bào xung quanh

Hơn nữa, những polyme dùng để gắn thuốc phải có tính hoà hợp sinh học với

cơ thể, có đặc tính có thể phân huỷ được hay dễ bị thuỷ phân hoặc bị enzim phân huỷ thành những phân tử nhỏ không độc Các polyme phải có những nhóm chức hoạt động để dễ dàng gắn với thuốc bằng liên kết đồng hoá trị, liên kết ion hoặc tạo phức

Chitosan là một polyme có đầy đủ các yêu cầu của một chất mang thuốc: Nó

có tính hoà hợp sinh học với cơ thể, độc tính rất thấp, hơn nữa nó có các nhóm chức

- Thuốc gắn vào polyme được phân giải từ từ trong cơ thể nên duy trì nồng độ thuốc trong máu liên tục, do đó chúng có hiệu lực điều trị kéo dài, giảm thời gian sử dụng thuốc trong ngày

- Thuốc có khả năng kiểm soát đựơc sự phân liều, có thể đIều chỉnh tốc độ phân giải và đinh hướng tác dụng theo ý muốn

- Gắn thuốc vào chất mang polyme có thể làm thay đổi dược lực học, thuốc được tăng cường tác dụng hoặc có tác dụng mới so với thuốc ban đầu

1 .3 Giới thiệu về Curcumin

Hình 1.10: Cấu trúc của Curcumin

1.3.2 Hoạt tính sinh họ và một số ứng dụng củ Curcuminc a

màu cam cho dầu ăn

CHƯƠNG 2:

công nghiệp vì phương pháp này rất vạn năng Phương pháp này cho phép xử lý

2.2 Quy luật chung của quá trình hấp phụ

2.3 Đẳng nhiệt quá trình hấp phụ

Tiền đ xây d ng lý thuyết: ề ự

chỗ

Phương trình đẳng nhiệt :

(2.1 )

Phương trình đẳng nhiệt Langmuir có th chuy n v d ng tuy n tính: ể ể ề ạ ế

Hoặc:

Trong đó :