luận án tiến sĩ mô phỏng monte carlo cho hệ vi cầu từ tính fe3o4polyglycidyl methacrylate

Với những °u iểm ó, vật liệu tổ hợp với thành phần là các h¿t nano từ °ợc nhúng trong lớp vỏ polymer phân hÿy sinh học ã °ợc °a vào āng dụng thực tiễn nh° ánh dấu nhãn sinh học, hệ vi l°

Bà GIÁO DĀC

VÀ ĐÀO T¾O

VIàN HÀN LÂM KHOA HàC

VÀ CÔNG NGHà VIàT NAM

H ỌC VIàN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHà

-

Bà GIÁO DĀC

VÀ ĐÀO T¾O

VIàN HÀN LÂM KHOA HàC

VÀ CÔNG NGHà VIàT NAM

H ỌC VIàN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHà

-

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án: "Mô phỏng Monte Carlo cho há vi cầu từ tính

Fe3O4/Poly(Glycidyl Methacrylate)" là công trình nghiên cāu cÿa chính mình d°ãi sự h°ãng dÁn khoa hác cÿa tập thể h°ãng dÁn Luận án sử dāng thông tin trích dÁn từ nhiều nguồn tham khÁo khác nhau và các thông tin trích dÁn đ°ÿc ghi rõ nguồn gốc Các kết quÁ nghiên cāu cÿa tôi đ°ÿc công bố chung vãi các tác giÁ khác đã đ°ÿc sự nhất trí cÿa đồng tác giÁ khi đ°a vào luận án Các số liáu, kết quÁ đ°ÿc trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và ch°a từng đ°ÿc công bố trong bất kỳ mát công trình nào khác ngoài các công trình công bố cÿa tác giÁ Luận án đ°ÿc hoàn thành trong thåi gian tôi làm nghiên cāu sinh

t¿i Hác vián Khoa hác và Công nghá, Vián Hàn lâm Khoa hác và Công nghá Viát Nam

TP.HCM, ngày 09 tháng 03 năm 2024

Tác giÁ luận án

Nguy ßn Thanh Hoàng

L ỜI C¾M ¡N

Tôi xin bày tỏ lòng biết ¡n sâu sắc đến thầy PGS.TS Nguyßn M¿nh Tuấn, PGS.TS

Trần Hoàng HÁi đã dìu dắt tôi từ những ngày đầu b°ãc chân trên con đ°ång nghiên cāu khoa hác Vãi sự tận tâm và đầy trách nhiám, thầy đã t¿o mái điều kián thuận lÿi nhất để tôi có thể thực hián và hoàn thành luận án này

Tôi xin trân tráng cÁm ¡n Ban lãnh đ¿o Vián Vật lý TP.HCM, Vián Khoa hác vật

liáu āng dāng, Hác vián Khoa hác & Công nghá - Vián Hàn lâm Khoa hác & Công nghá

Viát Nam đã t¿o điều kián cho tôi có c¡ hái tiến b°ãc trên con đ°ång nghiên cāu khoa hác nhiều thách thāc nh°ng cũng đầy lôi cuốn

Xin gửi låi cÁm ¡n chân thành đến những đồng nghiáp đáng kính: TS Huỳnh Thanh Đāc, TS Trần Nguyên Lân, TS Đoàn Trí Dũng – Vián Vật lý TP.HCM vãi sự hß trÿ đầy nhiát thành TS Ngô Văn Thanh – Trung tâm tin hác và tính toán (VAST) cho những đóng góp lãn lao trong viác xây dựng và điều hành há thống máy tính hiáu năng cao (HPC)

Cuối cùng, vãi những yêu th°¡ng đong đầy xin gửi đến gia đình – những ng°åi đã luôn sát cánh, sẻ chia, tiếp thêm đáng lực để giúp tôi hoàn thành luận án này

TP.HCM, ngày 09 tháng 03 năm 2024

Tác giÁ luận án

Nguy ßn Thanh Hoàng

1.1.4 Āng dāng tiềm năng cÿa vật liáu vi cầu Fe3O4/Poly(glycidyl methacrylate) 19

1.2 Mô phỏng máy tính trong khoa hác vật liáu 28 1.2.1 BÁn chất cÿa quá trình mô phỏng trên máy tính 28

1.2.4 Các chi tiết kỹ thuật cÿa quá trình mô phỏng trong khoa hác vật liáu 32

1.2.4.5 Mát số phần mềm để mô phỏng trong khoa hác vật liáu 34

2.1.1.2 Tổng hÿp vi cầu Fe3O4/Poly(Glycidyl methacrylate) 46 2.1.1.3 Tổng hÿp các h¿t nano từ Fe3O4 trần 49

2.1.2.2 Quang phổ hồng ngo¿i biến đổi Fourier (FTIR) 50

2.3.3 Há thống thực hián mô phỏng 66

3.1.7 Āng dāng vật liáu vi cầu Fe3O4/PGMA trong xử lý n°ãc 87

3.2.2.4 Tính chất từ cÿa vi cầu phā thuác kích th°ãc h¿t 99 3.2.2.5 Vai trò và Ánh h°ởng cÿa t°¡ng tác l°ỡng cực lên nhiát đá khóa 1013.2.2.6 Mô-men xoắn cÿa vật liáu vi cầu Fe3O4/PGMA 105

DANH M ỤC CÁC KÝ HIàU, CÁC CHỮ VI¾T TÀT

HRTEM High resolution transmission electron microscopy

PDMS Poly(Dimethylsiloxane)

SPION Super paramagnetic iron oxide nanoparticles

VAST Vietnam Academy of Science & technology

DANH MỤC CÁC B¾NG

BÁng 2.1 Danh sách các hóa chất cần thiết trong thực nghiám [Tr.45]

BÁng 2.2 Các đ¿i l°ÿng và giá trß cā thể cÿa các tham số trong [Tr.60]

mô phỏng MC BÁng 2.3 Các đ¿i l°ÿng từ tính quy đổi về há SI [Tr.65]

BÁng 2.4 Đ¿i l°ÿng và đ¡n vß đo trong VAMPIRE package [Tr.65]

BÁng 2.5 Các thông số từ tính cÿa vi cầu Fe3O4/PGMA [Tr.80]

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐÞ THỊ

Hình 1.1 Sự giÁi phóng thuốc ở các môi tr°ång pH khác nhau [Tr.06]

cÿa vi cầu

polylactic-co-glycolic acid (PLGA) có tÁi thuốc (DOX)

Hình 1.2 Mô hình minh háa vi cầu từ tính Poly(Glycidyl Methacrylate) [Tr.07]

2 chiều (a) và 3 chiều (b)

Hình 1.3 Vi cầu nanocomposite lai hóa đáp āng đa kích thích dựa trên [Tr.08] nano silica xốp và PGMA-CD

Hình 1.4 Quá trình trùng hÿp PGMA từ monomer GMA [Tr.09] Hình 1.5 Cấu trúc tinh thể Ferrite spinel nghßch th°ång gặp [Tr.10] Hình 1.6 Dß h°ãng đ¡n trāc (uniaxial anisotropy) [Tr.13] Hình 1.7 C°ång đá mô-men từ khi áp từ tr°ång ngoài vãi [Tr.13]

các ph°¡ng từ hóa theo các mặt m¿ng cÿa Fe3O4

Hình 1.11 C¡ chế phân phối thuốc h°ãng đích chÿ đáng [Tr.22]

trong hóa trß liáu trên c¡ thể ng°åi

Hình 1.12 Điều trß tăng thân nhiát cāc bá cho bánh nhân bß u não ác tính [Tr.23]

sau khi cấy MNPs

Hình 1.13 Ba d¿ng chính cÿa há lab-on-chip: (a) Sử dāng 2 nam châm [Tr.24]

vĩnh cửu tuyến tính; (b) Sử dāng mát nam vĩnh cửu châm tròn

(c) Sử dāng há nam châm đián vãi lõi là vật liáu từ mềm

Hình 1.14 Āng dāng lab-on-chip nhằm nhận biết phần tử sinh hác [Tr.25] Hình 1.15 Vi cầu Fe3O4/PGMA@PEG phÿ lên đế PDMS cho [Tr.26]

āng dāng vi l°u nhằm phát hián tế bào MCF7 và protein BSA

Hình 1.16 a) Ánh SEM và phổ EDS cÿa vật liáu PMDA-PGMA hấp phā [Tr.27]

iôn Pd2+[51]; b)Vật liáu vi cầu PPA-PGMA/Fe3O4 hấp phā Uranium

Hình 1.17 Mô phỏng máy tính từ há vi mô ở cấp đá nguyên tử đến há [Tr.28]

vĩ mô nh° trái đất – a) Mô phỏng mát phân tử vãi <l°ãi=

năng l°ÿng bằng DFT, b) Mô phỏng màng Graphene oxide (GO) trong

n°ãc bằng DFT, c) Mô phỏng 2 cực từ cÿa trái đất

Hình 1.18 Sự kết hÿp giữa mô hình vật lý và mô hình toán hác để [Tr.30]

biểu dißn há nguyên tử: a) Mô hình vật lý

b) Mô hình toán hác (Ph°¡ng trình Schrodinger 3 chiều)

c) Biểu dißn nguyên tử vãi các orbital đián tử

Hình 1.19 Bên phÁi - S¡ đồ nghiên cāu từ há thống đến mô phỏng [Tr.31]

tổng quát; Bên trái - Ví dā mát mô phỏng DFT cho h¿t nano kim lo¿i

Hình 1.21 Khái quát hóa các ph°¡ng pháp mô phỏng máy tính và các [Tr.35]

c¡ sở lý thuyết t°¡ng āng, đặc thù cho từng đối t°ÿng, thang đo

b) Ánh hiển vi quang hác và huỳnh quang cÿa tế bào HeLa (trên)

và chondrocytes cÿa thỏ (d°ãi) tr°ãc khi phân tách

c) Ành hiển vi huỳnh quang cÿa tế bào Hela sau khi phân tách

Hình 1.24 a) Ành SEM cÿa vi cầu PGMA, b) Kỹ thuật phân tích [Tr.38]

<Western blot= cÿa vật liáu vãi kháng thể DO-1 và CHIP 11.1

cho protetin p53, CHIP protein

Hình 1.25 Vi cầu từ tính PGMA vãi cầu bao Dendrimer peptide [Tr.39] ngoài bề mặt: (a) S¡ đồ tổng hÿp và phổ XPS, (b) Ành SEM cÿa 1 h¿t vi cầu từ tính PGMA, (c) Āng dāng vãi protein albumin huyết thanh bò (bovine serum albumin - BSA), γ-globulin (γ-Gl), fibrinogen (Fg), và hßn hÿp cÿa chúng

Hình 1.26 Vi cầu từ tính PGMA: (a) tÁi protein p46/Myo1C (protein tiềm [Tr.40]

năng cÿa các bánh tự mißn), (b) Ành SEM, (c) Ành TEM

(d) āng dāng vãi huyết thanh máu cÿa các bánh nhân mắc bánh

tự mißn đa x¡ cāng

Hình 1.27 (a) mô hình Hydrogel tổ hÿp poly(glycidyl methacrylate)/ [Tr.41]

polyacrylamide(PGMA/PAM) vãi các <rối/v°ãng víu= (entanglement)

vật lý và liên kết hydro, (b) Ành SEM cÿa vật liáu PGMA/PAM

Hình 1.28 Khái quát các ph°¡ng pháp nghiên cāu cÿa luận án [Tr.43]

Sự kết hÿp nghiên cāu đa chiều: Thực nghiám, lý thuyết và mô phỏng

Hình 2.1 S¡ đồ mô tÁ quy trình tổng hÿp vật liáu vi cầu [Tr.44]

Hình 2.6 S¡ đồ tổng hÿp vật liáu Fe3O4/PGMA [Tr.48] Hình 2.7 Kết tÿa t¿i chß các h¿t nano Fe3O4 trong và trên bề mặt [Tr.58]

Amino-PGMA để t¿o thành vi cầu từ tính Fe3O4/PGMA

Hình 2.8 Sự tranh đấu giữa tr°ång ngoài và dß h°ãng khi h¿t đ°ÿc [Tr.51]

đặt trong từ tr°ång

Hình 2.9 S¡ đồ giÁi thuật mô phỏng Monte Carlo cho các h¿t nano [Tr.60]

Fe3O4 đßnh hình bên trong vi cầu PGMA

Hình 2.10 Các mắt xích trong mô phỏng đa quy mô (Multiscale) [Tr.61] Hình 2.11 Mô hình mô tÁ ph°¡ng trình LLG – chuyển đáng [Tr.64]

cÿa spin nguyên tử trong tr°ång ngoài

(a) Workload manager & Jobs scheduler cÿa há HPC – VAST

(b, c) Các táp Scripts để ch¿y các mô phỏng cÿa luận án trên há HPC

Hình 2.13 Há đián toán l°ãi HCMIP: (a) Há đián toán l°ãi HCMIP [Tr.67]

(b, c) Workload manager & Jobs scheduler cÿa HPC Cluster trong há

(d) Server Data trong há đián toán l°ãi

Hình 3.1 GiÁn đồ nhißu x¿ tia X cÿa: (a) Phổ chu¿n cÿa Fe3O4 [Tr.69]

(b) H¿t nano từ Fe3O4 trần; (c) Vật liáu vi cầu Fe3O4/PGMA

(d, e) Ô c¡ sở và ô c¡ sở đa dián cÿa Fe3O4.

Hình 3.2 GiÁn đồ nhißu x¿ tia X cÿa: (a) Vi cầu Fe3O4/PGMA [Tr.71]

(b) Polymer PGMA

Hình 3.3 Phổ FTIR cÿa 2 mÁu ở chế đá truyền qua [Tr.72]

(a) PGMA; (b) Fe3O4/PGMA; (c) Fe3O4.

Hình 3.5 Liên kết Peptip [Tr.73] Hình 3.6 Ành SEM cÿa vi cầu Fe3O4/PGMA t¿i 2 thang đo: [Tr.74] (a) 10 μm và (b) 2 μm; (c) Mô hình biểu thß các vi cầu Fe3O4/PGMA trong không gian 3 chiều; (d) Biểu đồ phân bố kích th°ãc h¿t và hàm phân bố logarit-chu¿n (Đ°ång in đậm) Hình 3.7 Ành TEM cÿa các h¿t nano từ Fe3O4 trần ở các thang đo: [Tr.76]

(a) 200 nm; (b) 50 nm; (c) 20 nm

Hình 3.8 Đ°ång cong từ hóa M(H) t¿i nhiát đá phòng (300 K) cÿa: [Tr.77]

(a) vi cầu Fe3O4/PGMA

(b) vi cầu Fe3O4/PGMA và các h¿t nano Fe3O4trần

Hình 3.9 Đ°ång cong từ hóa ZFC/FC cÿa vi cầu Fe3O4/PGMA [Tr.79] Hình 3.10 Mối liên há giữa M/Ms–1/H2 cÿa vi cầu Fe3O4/PGMA [Tr.81] t¿i tr°ång lãn Đ°ång nét đậm thể hián <fitting= tuyến tính vãi dữ liáu thực nghiám Hình 3.11 Đ°ång cong từ hóa cÿa Fe3O4/PGMA t¿i nhiát đá phòng [Tr.82]

Đ°ång nét đậm biểu thß <fitting= đ°ång cong M(H) vãi hàm Langevin

Hình 3.12 Ch°¡ng trình nhằm <fitting= đ°ång cong M(H) [Tr.83]

vãi hàm Langevin đ°ÿc xây dựng bằng ngôn ngữ Matlab

Hình 3.13 Program sinh dữ liáu kích th°ãc h¿t tuân theo hàm phân bố [Tr.84]

kích th°ãc h¿t logarit-chu¿n cho tr°ãc

Hình 3.14 Mát cluster các h¿t Fe3O4 thực tế đßnh hình bên trong vi cầu [Tr.85]

Fe3O4/PGMA tuân theo hàm phân bố kích th°ãc t°¡ng āng

Hình 3.15 Mô hình 2D các h¿t Fe3O4 thực tế đßnh hình bên trong vi cầu [Tr.85]

Fe3O4/PGMA tuân theo hàm phân bố kích th°ãc t°¡ng āng vãi các tỉ số nén (mật đá không gian) khác nhau

Hình 3.16 Lãp nhißu lo¿n từ tính trên bề mặt h¿t nano từ Fe3O4 [Tr.86] Hình 3.17 Đ°ång hấp phā đẳng nhiát cÿa vật liáu vi cầu [Tr.88]

Fe3O4/PGMA đối vãi iôn Chì (Pb2+)

Hình 3.18 Mô phỏng Monte Carlo hằng số áp suất cho quá trình đßnh [Tr.89]

hình các h¿t nano Fe3O4 bên trong vi cầu PGMA

Hình 3.19 (a) ô c¡ sở cÿa vật liáu Fe3O4; b) h¿t nano từ Fe3O4 (d=3.8 nm) [Tr.90] đ°ÿc xây dựng từ các ô c¡ sở; (c) Cấu hình spin cÿa 1 h¿t Fe3O4;

(d) Cấu hình spin phóng lãn

Hình 3.20 Mô phỏng đ°ång cong từ nhiát M(T) bằng 2 ph°¡ng pháp [Tr.91]

LLG-Heun và Monte Carlo

Hình 3.21 Cấu hình spin cÿa các h¿t Fe3O4 t¿i [Tr.92]

(a) Nhiát đá tuyát đối (0 K); (b) Nhiát đá Curie (860 K)

Hình 3.22 Đ°ång cong từ hóa mô phỏng và thực nghiám [Tr.93]

t¿i nhiát đá phòng cÿa vật liáu vi cầu Fe3O4/PGMA

Hình 3.23 Đ°ång cong từ hóa cÿa vi cầu Fe3O4/PGMA mô phỏng t¿i 0 K [Tr.94] Hình 3.24 Mô hình tr°ång l°ỡng cực-l°ỡng cực giữa các h¿t Fe3O4 [Tr.95]

tác đáng lên h¿t ở trung tâm

Hình 3.25 Tr°ång l°ỡng cực tác đáng lên các h¿t Fe3O4khi có mặt từ [Tr.95]

tr°ång ngoài, trāc dß cÿa các h¿t (easy axis) trùng vãi ph°¡ng Oz

a) Tr°ång ngoài song song vãi trāc dß

b) Tr°ång ngoài vuông góc vãi trāc dß

Hình 3.26 Các h¿t Fe3O4 trong há vãi khoÁng cách giữa các h¿t khác nhau [Tr.96]

(a) khoÁng cách 0.1 nm; (b) khoÁng cách 10 nm

Hình 3.27 Đ°ång cong từ hóa cÿa Fe3O4 ở 0 K, có mặt t°¡ng tác [Tr.97]

l°ỡng cực-l°ỡng cực vãi khoÁng cách khác nhau giữa các h¿t

Hình 3.28 Sự phā thuác cÿa tính chất từ vào khoÁng cách giữa các h¿t [Tr.98]

Hình 3.29 Đ°ång cong từ hóa cÿa Fe3O4 vãi các kích th°ãc h¿t khác nhau [Tr.99] Hình 3.30 Sự phā thuác cÿa tính chất từ vi cầu Fe3O4/PGMA [Tr.100]

vào kích th°ãc h¿t nano từ Fe3O4bên trong vi cầu

Hình 3.31 Đ°ång cong từ hóa ZFC cÿa Fe3O4/PGMA vãi [Tr.101]

sự có mặt/không cÿa t°¡ng tác l°ỡng cực-l°ỡng cực

Hình 3.32 Snapshot cấu hình spin từ trong mô phỏng đ°ång cong [Tr.102]

ZFC vãi sự tồn t¿i cÿa t°¡ng tác l°ỡng cực-l°ỡng cực

(a) T¿i 0 K; (b) T¿i TB

Hình 3.33 Đ°ång cong từ hóa ZFC cÿa vi cầu Fe3O4/PGMA [Tr.103]

t¿i các góc ph°¡ng vß φ khác nhau

Hình 3.34 GiÁn đồ năng l°ÿng (2D và 3D) cÿa h¿t Fe3O4 trong quá trình [Tr.104]

Đo đ°ång cong từ hóa Zero-field-cool

Hình 3.35 Mô-men xoắn cÿa há h¿t Fe3O4t¿i các nhiát đá khác nhau [Tr.106]

Để °a vào các āng dụng thực tiễn có sử dụng từ tr°ßng ngoài, ặc biệt là các āng dụng trong lĩnh vực y sinh học, việc khÁo sát, phân tích và ánh giá các ặc tr°ng

từ tính, cụ thể là các thông số vi từ nội t¿i nh° dị h°ớng từ, mô-men xoắn, nhiệt ộ khóa (blocking temperature) cÿa các vật liệu này là rất quan trọng, là nhân tố chính chi phối hiệu quÁ cÿa vật liệu khi °a vào āng dụng thực tiễn Do ó, việc xác ịnh chính xác thông tin hàm phân bố kích th°ớc cũng nh° Ánh h°áng cÿa vật liệu nền và vai trò cÿa t°¡ng tác l°ỡng cực-l°ỡng cực cÿa các h¿t nano từ bên trong vật liệu tổ hợp óng vai trò then chốt tr°ớc khi °a vào các āng dụng y sinh

Một mặt, tuy các ph°¡ng pháp phân tích thực nghiệm hiện ¿i có °u iểm là trực quan, có thể ịnh tính và ịnh l°ợng các ¿i l°ợng vĩ mô (macroscopic) nh°ng tốn kém về thßi gian, nhân lực, vật lực, ộ lặp l¿i không cao, nhiều thiết bị ắt tiền ch°a °ợc trang bị trong n°ớc Bên c¿nh ó, các thí nghiệm và o ¿c á những iều

kiện ặc biệt (nhiệt ộ rất cao hoặc nhiệt ộ tuyệt ối 0K, kích thích xung laser tần

số siêu nhanh – ultrafast) là khó thậm chí một vài tr°ßng hợp không thể thực hiện

°ợc Ngoài ra, hệ vật liệu có kích th°ớc á cấp ộ vi mô (microscopic) dẫn ến khÁ năng ịnh l°ợng các ¿i l°ợng cần o trá thành thách thāc ối với các ph°¡ng pháp

o ¿c thực nghiệm

Mặt khác, các lý thuyết từ tính ã có một lịch sử hình thành và phát triển lâu dài bên c¿nh thực nghiệm trực quan, nó khái quát hóa và t¿o ra một nền tÁng vững chắc cho các nghiên cāu cũng nh° āng dụng các vật liệu từ vào thực tiễn Từ ó xây

dựng nên các công cụ tính toán m¿nh mẽ chẳng những góp phần hỗ trợ giÁi quyết những h¿n chế cÿa thực nghiệm mà còn kiến t¿o ra các mô hình toán – khung x°¡ng cÿa các mô phỏng máy tính, cho phép không chỉ ào sâu nghiên cāu h¡n nữa tính

chất vi từ nội t¿i cÿa vật liệu mà còn có thể làm thực nghiệm với giá rẻ, giÁi phóng sāc lao ộng cÿa ng°ßi nghiên cāu, ộ lặp l¿i cao, rút ngắn thßi gian nghiên cāu, có thể tiên nghiệm các tính chất vĩ mô cÿa vật liệu Một thập kỷ trá l¿i ây, các hệ máy tính hiệu năng cao (High performance computer), siêu máy tính (Super computer)

°ợc ra ßi với cấu hình v°ợt trội cộng h°áng cùng các giÁi thuật tính toán song song m¿nh mẽ, cho phép tính toán và mô phỏng các hệ vĩ mô (mẫu thực) từ các tham số á cấp ộ vi mô (nguyên tử) với số l°ợng lên ến hàng tỷ nguyên tử Bên c¿nh ó, gần

ây hệ máy tính l°ợng tử (Quantum computer) ra ßi, càng thúc ẩy tiềm năng to lớn cho các nghiên cāu tính toán và mô phỏng cho khoa học nói chung và khoa học vật

liệu nói riêng Ngoài ra, thành quÁ cÿa cuộc cách m¿ng công nghiệp lần thā t° với sự

ra ßi cÿa các kỹ thuật hiện ¿i nh° dữ liệu lớn (Big data) và học máy (Machine learning) ã má ra các h°ớng nghiên cāu mới mẻ mang ầy tính tiên nghiệm trong việc thiết kế và nghiên cāu vật liệu

Sự liên hệ giữa thực nghiệm, lý thuyết & mô phỏng

máy tính trong khoa học vật liệu

Tuy nhiên, nhiều tính chất và hiện t°ợng cÿa vật liệu xÁy ra trên hai hoặc nhiều quy mô (scale) á cÁ không gian và thßi gian Điều này gây ra sự thiếu thông tin, ánh giá không ầy ÿ á nghiên cāu thực nghiệm hoặc sử dụng các xấp xỉ gần úng/bỏ qua trong các tính toán thuần túy/mô phỏng máy tính, mà nếu cố gắng thực hiện toàn

Thực nghiám

bộ (ví dụ o thật nhiều kỹ thuật o hiện ¿i, ch°a kể ến một số phép o hÿy mẫu dẫn ến phÁi chế t¿o nhiều mẫu, mô phỏng cho hệ lớn nhiều h¿t) sẽ dẫn ến lãng phí thßi gian và tiền b¿c Thiếu sự tham chiếu qua l¿i giữa kết quÁ thực nghiệm, lý thuyết

và tính toán mô phỏng dẫn ến các kết quÁ thu °ợc trá nên <rßi r¿c= Để giÁi quyết vấn ề ó, việc kết hợp cÁ nghiên cāu thực nghiệm, lý thuyết và mô phỏng máy tính

ể khÁo sát tính chất cÿa các lo¿i vật liệu ang dần trá thành một xu h°ớng mới trên thế giới

Māc tiêu cÿa luÁn án:

Với mong muốn xây dựng một mô hình nghiên cāu tính chất từ tính cho các cấu trúc vật liệu tổ hợp thông dụng ang °ợc °a vào các āng dụng y sinh học hiện nay nh° liposome, vi cầu, vi nang, micelles, dendrimer, kể cÁ các vật liệu dựa trên nền carbon (CNT, Graphene) cùng với những hiểu biết h¿n hẹp cÿa bÁn thân, tác giÁ

cố gắng thực hiện một nghiên cāu a chiều kết hợp thực nghiệm, lý thuyết từ tính và

mô phỏng máy tính ể hình thành nên một mô hình cho phép khÁo sát, ịnh l°ợng và

ánh giá một cách chi tiết nhất có thể các tính chất vi từ nội t¿i cÿa hệ vật liệu tổ hợp

Dựa vào các nghiên cāu tr°ớc ây cÿa chúng tôi, ồng thßi nhằm ¡n giÁn hóa ể thuận lợi trong việc khÁo sát, cụ thể hóa nh°ng không làm mất i tính tổng quát cÿa

mô hình, một hệ vật liệu tổ hợp ¡n giÁn °ợc āng dụng trong nhiều lĩnh vực nh° vi cầu từ tính Fe3O4/Poly(glycidyl methacrylate) chāa các h¿t nano từ Fe3O4 °ợc lựa

chọn ể làm ối t°ợng khÁo sát cụ thể Từ ó, tác giÁ thực hiện luận án <Mô phỏng Monte Carlo cho hệ vi cầu từ tính Fe 3 O 4 /Poly(glycidyl methacrylate)= Tên luận án

– do những quy ịnh về chỉnh sửa tên nên không bao hàm °ợc toàn bộ số l°ợng công việc °ợc nghiên cāu sinh thực hiện trong luận án này Phần nội dung luận án bên d°ới sẽ thể hiện ầy ÿ trình tự công việc trong nghiên cāu này

N ội dung cÿa luÁn án:

Trong luận án này, phần ầu tác giÁ trình bày các ph°¡ng pháp thực nghiệm

nhằm chế t¿o và o ¿c các ặc tr°ng vĩ mô ban ầu cÿa vật liệu vi cầu

Fe3O4/Poly(glycidyl methacrylate)

Phần tiếp theo, tác giÁ sử dụng các tính toán số dựa trên các lý thuyết từ nhằm khÁo sát về các thông số nội t¿i cÿa vật liệu tổng hợp °ợc nh° hàm phân bố kích

th°ớc h¿t, hằng số dị h°ớng từ hiệu dụng Các thông số này kết hợp với kết quÁ thu

°ợc từ thực nghiệm sẽ trá thành thông số ầu vào cho các mô phỏng máy tính nhằm biểu thị/¿i diện một cách chính xác nhất vật liệu vi cầu Fe3O4/Poly(glycidyl methacrylate)tổng hợp °ợc, ồng thßi tăng sự chính xác cho các kết quÁ mô phỏng

Cuối cùng, tác giÁ thực hiện các ph°¡ng pháp mô phỏng máy tính cho hệ thực (mẫu vật liệu ã tổng hợp) nh° Monte Carlo, mô phỏng mô hình spin nguyên tử °ợc thực hiện ể khÁo sát, ánh giá và ịnh l°ợng các thông số vi từ nội t¿i cũng nh° hành

vi ộng học từ tính phāc t¿p cÿa vật liệu vi cầu Fe3O4/Poly(glycidyl methacrylate)

Từ những kết quÁ thu °ợc, tác giÁ cố gắng °a ra một số các tiên nghiệm quan trọng cho thực nghiệm

Ngoài ra, ể Ám bÁo các tính toán số và mô phỏng máy tính không <rßi r¿c= với thực nghiệm, các kết quÁ thu °ợc luôn °ợc tác giÁ tham chiếu với các kết quÁ thực nghiệm ã °ợc thực hiện và/hoặc các kết quÁ từ các học giÁ khác trên thế giới

Ý nghĩa khoa hác và thực tißn:

Các ph°¡ng pháp, mô hình tính toán số và các mô phỏng máy tính °ợc thực hiện trong luận án này có thể °ợc áp dụng cho các hệ vật liệu tổ hợp thông dụng khác có cấu trúc c¡ bÁn t°¡ng tự vật liệu vi cầu Fe3O4/Poly(glycidyl methacrylate) nh° vật liệu vi nang nano, micelles, liposome, dendrimer, graphene khử oxít (rGO)…

Góp phần t¿o ra một h°ớng nghiên cāu mới không chỉ ¡n giÁn, tiết kiệm nhân

vật lực, thßi gian mà còn cho phép khÁo sát tính chất vi từ nói chung và ánh giá, °ớc l°ợng các thông số vi từ nội t¿i nói riêng cÿa các vật liệu nano từ riêng biệt (không

°ợc bọc phÿ) cũng nh° các vật liệu tổ hợp ã °ợc liệt kê á trên

Các kết quÁ thu °ợc, có giá trị tiên nghiệm nhất ịnh không chỉ trong ph¿m

vi hẹp ối với các thí nghiệm thực nghiệm mà còn có thể má rộng ra cho thực nghiệm lâm sàng và các āng dụng thực tiễn

CH¯¡NG 1 TàNG QUAN

1.1 Vi cÅu từ tính Fe 3 O 4 /Poly(glycidyl methacrylate)

Vài thập niên trá l¿i ây, các h¿t vi cầu polymer °ợc làm bằng polymer tự nhiên hoặc nhân t¿o °ợc āng dụng vào lĩnh vực y sinh học nh° một hệ thống phân phối thuốc, hệ vi l°u, chất mang và hấp phụ iôn kim lo¿i nặng ngày càng phổ biến rộng rãi Sử dụng vỏ bọc polymer cho phép ¿t °ợc các ặc tính mong muốn nh° giÁi phóng thuốc °ợc kiểm soát và duy trì, diện tích bề mặt riêng lớn, linh ho¿t trong

việc biến tính bề mặt, °a n°ớc Tuy nhiên, iều kiện cần trong việc chọn lựa polymer cho các āng dụng y sinh học bao gồm tính t°¡ng thích sinh học (sinh khÁ dụng) cÿa polymer, ộc tính, tính phân hÿy, chāc năng hóa bề mặt Từ các yêu cầu ó, vật liệu polymer thông minh có khÁ năng tự hÿy sinh học ã và ang trá thành xu h°ớng Khi

có sự thay ổi tính chất vật lý hoặc hóa học cÿa môi tr°ßng, chúng có khÁ năng áp āng l¿i các kích thích ó [1] Bên c¿nh ó, với khÁ năng biến ổi ra nhiều d¿ng trong môi tr°ßng dung dịch, ồng thßi có thể t¿o liên kết cầu trong các d¿ng hydrogel hoặc cấy ghép vào bề mặt tiếp xúc rắn - n°ớc Với nhiều °u iểm nh° diện tích bề mặt riêng lớn, dễ ính kháng nguyên/kháng thể trên bề mặt, tính t°¡ng hợp sinh học tốt,

có khÁ năng hình thành c¡ chế phân phối thuốc thông minh và linh ho¿t dựa vào sự thay ổi cÿa môi tr°ßng (pH, nhiệt ộ, °ßng, uric, từ tr°ßng), các lo¿i vật liệu polymer hydrogel thông minh (IHP) ang ngày càng °ợc sử dụng rộng rãi ể chế t¿o vật liệu nền cho hệ vật liệu nanocomposite chāa các h¿t nano từ/chấm l°ợng

tử/nano kim lo¿i (Au, Ag…) [2] Nhiều nhất phÁi kể ến Chitosan, PAA, PDMS, PMMA, Dextran

Các IHP có khÁ năng thay ổi các ặc iểm nh° cuộn m¿ch, kích th°ớc lỗ xốp, biến ổi trong tr°ßng hợp có kích thích bên ngoài hoặc dựa vào sự thay ổi các iều kiện sinh lý học t¿i vị trí chấn th°¡ng hoặc bệnh tật (ví dụ: thay ổi ộ pH á khối u hoặc vùng c¡ thể, kích th°ớc mao quÁn cÿa vết th°¡ng) vẫn °ợc tập trung nghiên

cāu và cho thấy sự hiệu quÁ và tiềm năng to lớn trong các āng dụng y sinh học nói chung [3] và iều trị ung th° nói riêng [4] (hình 1.1) cho ến thßi iểm hiện t¿i Cụ thể, so với ộ pH t°¡ng ối trung tính °ợc tìm thấy trong nhiều các mô khỏe m¿nh (pH xấp xỉ 7.4), sự thay ổi pH th°ßng thấy á một vị trí khác trong c¡ thể cho dù ó

là °ßng tiêu hóa (pH 1.0-8.2) hoặc óng gói tế bào vào nội soi (pH nội soi 5.0-6.5)

Ngay cÁ sự hiện diện cÿa các tế bào khối u hoặc thiếu máu cục bộ có thể dẫn ến giÁm pH (pH 6.5-7.2) so với giá trị sinh lý Sự phân phối thuốc °ợc kích ho¿t dựa vào những thay ổi trong polymer khi á các tr¿ng thái proton hóa có thể xÁy ra á các giá trị pH khác nhau Khi có sự thay ổi pH, dẫn ến sự biến ổi không hòa tan và chÿ yếu là polymer kỵ n°ớc thành polymer °a n°ớc tích iện và do ó lớp vỏ polymer cÿa hệ phân phối thuốc sẽ hòa tan trong n°ớc và giÁi phóng thuốc iều trị t¿i vị trí mục tiêu

Hình 1.1 Sự giÁi phóng thuốc á các môi tr°ßng pH khác nhau cÿa vi cầu

polylactic-co-glycolic acid (PLGA) có tÁi thuốc (DOX) trong iều trị ung th° [4] Bên c¿nh các IHP °ợc liệt kê á trên, poly(glycidyl methacrylate) (PGMA) là một polymer phổ biến trong cÁ āng dụng công nghiệp lẫn y sinh vì các ặc iểm: rẻ tiền, t°¡ng hợp sinh học và không ộc h¿i, có khÁ năng tự hợp (seft-assembly), phân hÿy sinh học và nh¿y cÁm với pH Hình thái cÿa các dẫn xuất PGMA rất ộc áo, có thể t¿o ra các cấu trúc phāc t¿p bằng cách tự hợp, chẳng h¿n nh° micelle (hình cầu, hình trụ ), micelle Áo (RM), viên nang và h¿t nano [5] Ngoài ra, các tác nhân khác nhau cÿa các yếu tố bên trong và bên ngoài, chẳng h¿n nh° chiều dài và tỷ lệ cÿa phần kỵ n°ớc, pH, thành phần dung môi và nhiệt ộ có thể thay ổi hình thái cÿa chúng [6] Ngoài ra, °u iểm cÿa PGMA là °a n°ớc, các nhóm epoxy có thể dễ dàng

biến ổi ể mang nhiều nhóm chāc phÁn āng nh° NH2, COOH, SH, có thể liên hợp với các phân tử sinh học (kháng thể, peptide, thuốc) [7], và tính ổn ịnh (không kết tụ) trong các môi tr°ßng sinh học khác nhau Để hình thành một hệ vật liệu vi cầu

¡n giÁn °a vào các āng dụng thực tiễn bằng việc sử dụng từ tr°ßng ngoài, các h¿t

nano từ Fe3O4 (một vật liệu quen thuộc, rẻ tiền, dễ tổng hợp, tính t°¡ng hợp sinh học tốt, ộ từ hóa bão hòa cao) °ợc phân tán vào bên trong ma trận polymer Poly(glycidyl methacrylate hình thành nên vi cầu từ tính Fe3O4/Poly(glycidyl methacrylate).

Quá trình phân tán này còn có tác dụng nhằm tránh sự kết tụ cÿa các h¿t nano

từ (nguyên nhân là do các t°¡ng tác l°ỡng cực-l°ỡng cực, lực hút London - Van der Waals giữa các h¿t nano từ) gây Ánh h°áng ến tính chất từ cÿa vật liệu [8] Các khÁo sát tr°ớc ây ã cho thấy tiềm năng to lớn cÿa chúng trong y học nano, công nghệ sinh học và sinh học phân tử [9]

1.1.1 Thành ph ần cấu t¿o

Hình 1.2 Mô hình minh họa vi cầu từ tính Poly(glycidyl methacrylate)

(a) 2 chiều và (b)3 chiều

Hình 1.2 minh họa cấu t¿o vi cầu từ tính Fe3O4/Poly(glycidyl methacrylate) bao gồm 2 thành phần:

+ VÁt liáu nền: Polymer Poly(glycidyl methacrylate) thông minh tự hÿy sinh học,

nh¿y cÁm với sự thay ổi pH cÿa môi tr°ßng

+ H¿t nano từ Fe3 O 4 : Đ°ợc hình thành và phân bố bên trong vật liệu nền – ma trận

polymer Poly(glycidyl methacrylate)

Oxy Carbon Hydro Nit¡ H¿t nano từ Fe 3 O 4

1.1.2 V ật liệu nền Poly(glycidyl methacrylate) [2]

Các danh pháp th°ßng dùng: Poly(glycidyl methacrylate); 2 - Propenoic acid, 2 - methyl-, oxiranylmethyl ester

Ngoài tính chất nh¿y cÁm với pH, °ợc tổng hợp từ monomer glycidyl methacrylate (GMA) (C7H10O3) nên bÁn thân PGMA là một polymer nhiệt dẻo thuộc

họ Poly (acrylic acid), tính bền với môi tr°ßng Chúng °ợc biết với tên gọi khác là nhựa kính (glass plastic) do có ộ trong suốt tuyệt vßi nh° thÿy tinh, cho ánh sáng truyền qua ến 92% mang ến ộ rõ nét quang học nên các Poly(acrylic acid) °ợc āng dụng trong cửa sổ máy bay, èn xe h¡i, ống kính Khi phân tán vào dung môi, PGMA tan nhiều trong n°ớc thậm chí khi khối l°ợng phân tử cÿa chúng tới 1 triệu

p

vC hoặc lớn h¡n Tuy nhiên nếu polymer khô cāng, ặc biệt là á nhiệt ộ cao (lớn h¡n nhiệt ộ chuyển hóa thÿy tinh Tg) ộ tan cÿa chúng giÁm m¿nh

Hình 1.4 Quá trình trùng hợp PGMA từ monomer GMA.

à iều kiện bÁo quÁn thông th°ßng, chúng °ợc làm khô trong iều kiện ÿ

êm dịu ể tránh t¿o l°ới (nh° làm khô bằng ông ặc) Thông th°ßng, chúng á d¿ng rắn, khối l°ợng phân tử trung bình vào khoÁng ~20.000 (vC) xấp xỉ 142.153 g/mol, nhiệt ộ nóng chÁy khoÁng từ 274 – 280 (oC), khối l°ợng riêng là 0,805 g/ml t¿i nhiệt

ộ phòng (25 oC) Khi tiếp xúc với không khí ẩm, chúng hấp thụ ẩm nhanh chóng (~ 8% trong 10 phút) Trên ph°¡ng diện hình thái học, chúng có d¿ng hình cầu, kích th°ớc khá ồng ều, ít bị kết tụ nên °ợc dùng làm tác nhân phân tán Ngoài ra, bề mặt dễ biến tính ể t¿o thêm các nhóm chāc amino NH2- , diện tích bề mặt lớn, uôi

kỵ n°ớc quay vào bên trong lõi t¿o thành một khoÁng trống giữa h¿t vi cầu (hình 1.4)

Thêm vào ó, PGMA có ặc tính tự hÿy sinh học nên có thể áp āng °ợc tính sinh khÁ dụng cao trong các āng dụng y sinh học Tất cÁ các tính chất thú vị cÿa PGMA làm cho nó °ợc āng dụng khá rộng rãi trong mọi mặt cÿa ßi sống nh° dùng làm chất làm ặc trong quá trình làm ặc các hệ latex polymer, là nguyên liệu ể chế

t¿o chất lỏng làm mát chống cháy °ợc sử dụng trong ngành chế t¿o máy bay và công nghiệp úc, thu hồi dầu và °ợc dùng làm tác nhân phân tán PGMA °ợc tập trung nghiên cāu m¿nh mẽ trên thế giới từ những năm 1990 nh°ng cũng chỉ nhằm mục ích h°ớng ến các nhu cầu sinh ho¿t thông th°ßng cÿa cuộc sống, ến năm 2008-2009 l¿i tiếp tục °ợc tập trung nghiên cāu nhằm chế t¿o ra các lo¿i màng có các lỗ xốp

lớn Gần ây, các Poly(acrylic acid) này bắt ầu °ợc sử dụng trong y - sinh học ể

iều trị ục thÿy tinh thể, ống kính nội nhãn trong mắt, cũng nh° sử dụng trong công

GMA

Oxygen Carbon Hydrogen

nghệ MEM (Micro ElectroMechanical) ể óng gói (packaging) các chip sử dụng trong c¡ thể ng°ßi hoặc các trong các hệ t°¡ng tác với các phần tử sinh học

1.1.3 V ật liệu thành phần: H¿t nano từ Fe 3 O 4

Hình 1.5 Cấu trúc tinh thể Ferrite spinel nghịch th°ßng gặp và sự sắp xếp

các spin trong một phân tử sắt từ Fe3O4.Oxit sắt từ Fe3O4 (hay hỗn hợp FeO.Fe2O3) thuộc nhóm ceramic từ, công thāc tổng quát: MO.Fe2O3, với M là Fe, Ni, Co, Mn hoặc Cu Chúng gồm có 2 d¿ng cấu trúc: spinel thuận hoặc spinel nghịch Mỗi ô c¡ sá có 8 vị trí tā diện và 16 vị trí bát

diện Cấu trúc cÿa tinh thể Ferrite th°ßng gặp °ợc biểu thị t¿i hình 1.5

Đối với cấu trúc spinel thuận, trong mỗi ô c¡ sá gồm những ion hóa trị 3 ịnh

xā t¿i các vị trí bát diện Bên c¿nh ó, những ion hóa trị 2 ịnh xā t¿i các vị trí tā diện Mặt khác, mỗi ô c¡ sá cÿa cấu trúc spinel nghịch, các ion hóa trị 2 và 8 ion hóa trị 3 sẽ ịnh xā t¿i vị trí bát diện, những ion hóa trị 3 còn l¿i sẽ ịnh xā t¿i vị trí tā diện Cụ thể, với cấu trúc cÿa Fe3O4, các spin từ cÿa 8 ion Fe3+ ịnh xā t¿i các vị trí

tā diện, chúng có sự khác nhau về ộ lớn so với các spin cÿa 8 ion Fe2+ồng thßi có chiều ng°ợc nhau Kết quÁ là, chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau Tuy nhiên, mỗi phân tử

Fe3O4 vẫn tồn t¿i mô-men từ cÿa các spin trong ion Fe2+ á vị trí bát diện óng góp

(ộ lớn là 4µB) Do ó, tinh thể Fe3O4 mặc nhiên sẽ tồn t¿i tính dị h°ớng từ, tính chất cũng sẽ khác nhau theo các ph°¡ng (mặt m¿ng) khác nhau Những thông tin này sẽ

°ợc sử dụng ể làm c¡ sá cho các mô phỏng phiến hàm mật ộ (DFT) ể tính toán các t°¡ng tác trao ổi giữa các nguyên tử trong tinh thể, làm tiền ề xây dựng thông tin ầu vào (input) cho các mô phỏng mô hình spin nguyên tử °ợc ề cập á phần sau cÿa luận án

à kích th°ớc d°ới 50 nm (kích th°ớc tới h¿n), Fe3O4 có thể āng dụng trong nhiều lĩnh vực quan trọng Lúc này, các h¿t Fe3O4 °ợc xem nh° là ¡n ô-men và

°ợc āng dụng chÿ yếu trong lĩnh vực y-sinh học nh° tác nhân làm tăng ộ t°¡ng

phÁn cho Ánh cộng h°áng từ (MRI), làm ph°¡ng tiện dẫn truyền thuốc Đ°ßng kính tới h¿n cÿa h¿t Fe3O4 °ợc cho bái công thāc:

từ Fe3O4 khi ặt trong từ tr°ßng ngoài cần phÁi °ợc xem xét Khi một h¿t nano từ

ặt trong từ tr°ßng ngoài, chúng chịu tác dụng cÿa những t°¡ng tác sau:

- Năng lượng trao đổi:

Năng l°ợng trao ổi (Exchange energy) °ợc ịnh nghĩa là năng l°ợng hình

thành từ t°¡ng tác trao ổi giữa các spin từ lân cận, lúc này hàm sóng cÿa iện tử xen phÿ nhau và làm cho các spin song song với nhau

- Năng lượng dị hướng:

Năng l°ợng dị h°ớng (Anisotropy energy) là nguyên nhân gây ra tính chất dị h°ớng cÿa vật liệu từ, ph°¡ng từ hóa sẽ ịnh h°ớng °u tiên các mô-men từ và cấu trúc tinh thể cÿa vật liệu từ sẽ quy ịnh quá trình từ hóa Khi không có từ tr°ßng ngoài, các mô-men từ sẽ °u tiên ịnh h°ớng theo trục dễ từ hóa (easy axis) Mặt khác, trục vuông góc với trục dễ (trục khó – hard axis) sẽ hầu nh° không có mô-men từ

ịnh h°ớng theo

Bao gồm các d¿ng sau: dị h°ớng từ tinh thể, dị h°ớng từ hình d¿ng, dị h°ớng āng suất và dị h°ớng trao ổi Hai d¿ng ầu tiên là áng kể và chÿ yếu ối với các h¿t nano từ Fe3O4 Năng l°ợng dị h°ớng Ánh h°áng m¿nh mẽ lên °ßng cong từ hóa, kiểm soát lực kháng từ và ộ từ d° Đối với một vật liệu ẳng h°ớng, sự phân bố năng l°ợng là một hình cầu Tùy thuộc vào ộ phāc t¿p cÿa dị h°ớng mà tính ối

xāng cÿa sự phân bố năng l°ợng bị giÁm Đ¡n giÁn nhất là dị h°ớng ¡n trục (uniaxial anisotropy) (hình 1.6)

Hình 1.6 Dị h°ớng ¡n trục (uniaxial anisotropy).

+Năng lượng dị hướng từ tinh thể (magnetocrystalline anisotropy energy)

Hình 1.7 C°ßng ộ mô-men từ khi áp từ tr°ßng ngoài với các ph°¡ng từ hóa

theo các mặt m¿ng cÿa Fe3O4 [12]

Đ°ợc hình thành do tính chất bất ẳng h°ớng cÿa cấu trúc tinh thể Nguồn gốc

chính cÿa dị h°ớng từ tinh thể là sự t°¡ng tác gián tiếp cÿa spin với m¿ng tinh thể thông qua t°¡ng tác spin-quỹ ¿o và quỹ ¿o-m¿ng tinh thể Tùy thuộc vào ịnh h°ớng tinh thể học cÿa mẫu trong từ tr°ßng mà ộ từ hóa ¿t ến ộ bão hòa trong các tr°ßng khác nhau Đối với Fe3O4, á nhiệt ộ trên 130 K, ph°¡ng <111> là ph°¡ng

dễ từ hóa, <100> là ph°¡ng khó từ hóa và <110> là ph°¡ng từ hóa trung gian à h¿t nano từ Fe3O4 có d¿ng hình cầu, sẽ có 6 ph°¡ng dễ từ hóa t°¡ng āng với 3 trục [111] (hình 1.7)

Năng l°ợng dị h°ớng từ tinh thể °ợc ịnh nghĩa là năng l°ợng cần thiết ể quay mô-men từ từ ph°¡ng cÿa trục dễ sang ph°¡ng cÿa trục khó Các ph°¡ng dễ và khó phát sinh từ t°¡ng tác cÿa mô-men từ spin với m¿ng tinh thể (ghép cặp spin-quỹ

¿o) Chúng phụ thuộc vào sự t°¡ng ối tính trong ịnh h°ớng cÿa mô-men từ với các trục tinh thể và ối xāng tinh thể

Nói chung, hai lo¿i dị h°ớng từ tinh thể cần phÁi °ợc xem xét ối với Fe3O4

á ây là dị h°ớng ¡n trục và dị h°ớng lập ph°¡ng Xét h¿t nano từ Fe3O4 hình cầu

Fe 3 O 4

Ph°¢ng khó từ hóa Ph°¢ng dß

T ừ hóa

Khó Trung gian D ß

có m¿ng tinh thể lập ph°¡ng với dị h°ớng ¡n trục, có trục tinh thể (a, b, c), lúc này

dị h°ớng ¡n trục °ợc mô tÁ toán học dựa trên ph°¡ng pháp khai triển chuỗi Fourier

theo các số h¿ng cÿa các góc (θ) giữa ph°¡ng moment từ và các trục cÿa khối lập

ph°¡ng (trục c) (nên phụ thuộc vào ối xāng cấu trúc tinh thể) Do năng l°ợng ối

xāng theo mặt tinh thể nên do ó dị h°ớng ¡n trục °ợc biễu diễn bằng một chuỗi

lũy thừa chẵn cÿa sin (θ) nh° sau:

E uni 0 1 2( ) 2 4( ) 3 6( )

à ó K1, K2, K3 là hằng số dị h°ớng bậc hai, bốn và sáu Trong một vài tr°ßng hợp

tính toán, ph°¡ng trình trên còn °ợc viết nh° một hàm cÿa cos (θ):

E uni 0' 1' 2( ) 2' 4( ) 3' 6( )

Sử dụng t°¡ng quan l°ợng giác sin2(θ) = 1 2 cos2(θ), các hệ số mới (K’0, K’1,

K’2, K’3…) có thể thu °ợc Ph°¡ng trình (1.10) t¿o ra một bāc tranh phāc t¿p về

năng l°ợng dị h°ớng, nh°ng nhìn chung các giá trị cÿa hằng số dị h°ớng (K) giÁm

khi tăng bậc cÿa số h¿ng và trong nhiều āng dụng chỉ số h¿ng bậc hai cÿa dị h °ớng

°ợc xét ến, do K0 hoặc K0’ không có ý nghĩa vật lý (¡n thuần bái vì nó chỉ là ¿i

diện cho sự diễn dịch cÿa māc tham chiếu, tāc là chỉ có ý nghĩa về mặt toán học)

Trong các tính toán về vật liệu, chỉ cần số h¿ng thā 2 và thā 3 trong khai triển

là ÿ ể biểu diễn năng l°ợng dị h°ớng theo một h°ớng tùy ý Hai số h¿ng này ều

có một hằng số thực nghiệm °ợc liên kết với chúng °ợc gọi là hằng số dị h°ớng

bậc một và bậc hai, hoặc K1/K’1 và K2/K’2 t°¡ng āng Tham khÁo một số nghiên cāu

từ các học giÁ khác, các hằng số dị h°ớng bậc một và bậc hai cÿa vật liệu Fe3O4 khối

thu °ợc bằng thực nghiệm t¿i nhiệt ộ phòng (300 K), t°¡ng āng lần l°ợt là K1 =

Trong ó cx, cy, cz là các ph°¡ng cosin cÿa vect¡ mô-men từ, và Kc1, Kc2 lần l°ợt là hằng số dị h°ớng từ tinh thể bậc 1, bậc 2, tùy thuộc vào giá trị cÿa Kc1 và Kc2

mà có các trục dễ khác nhau V là thể tích vật từ

Hình 1.8 Phân bố năng l°ợng dị h°ớng lập ph°¡ng với Kc1 > 0 và Kc2 = 0

+Năng lượng dị hướng hình d¿ng (Shape anistropy energy):

Đ°ợc ịnh nghĩa là năng l°ợng có °ợc do sự bất ối xāng trong quá trình từ hóa, quyết ịnh bái hình thái học cÿa vật từ quy ịnh, mô-men từ sẽ có xu h°ớng ịnh

h°ớng theo trục dài cÿa vật từ Năng l°ợng dị h°ớng hình d¿ng °ợc xác ịnh bái:

và các °ßng sāc từ °ợc t¿o ra bái thanh nam châm thì ng°ợc l¿i, h°ớng từ cực bắc

ến cực nam

Hình 1.9 Đ°ßng sāc từ và tr°ßng khử từ á thanh nam châmvà h¿t nano từ Fe3O4

Từ hình 1.9 có thể thấy rằng bên trong thanh nam châm, các °ßng sāc từ ng°ợc chiều với mô-men từ và cố ể khử từ mẫu Tr°ßng này °ợc gọi là tr°ßng khử

từ và nó hiện diện trong tất cÁ các vật liệu từ tính Đối với hình d¿ng chung, tr°ßng khử từ khó ể có thể phân tích tính toán và nó không phÁi là hằng số bên trong mẫu Đối với một h¿t từ có d¿ng elip, tr°ßng khử từ luôn ồng nhất bên trong mẫu, Osborn

và cộng sự [13] ã dẫn ra các ph°¡ng trình phân tích Xét một hình elipsoid có hai bán trục bằng a và bán trục thā 3 là c (nh° trong hình 1.10a), tr°ßng khử từ có thể

mô-ồng nhất các mô-men từ, từ ó t¿o ra hai d¿ng tr°ßng: nội tr°ßng (tr°ßng khử từ)

và ngo¿i tr°ßng (tr°ßng phân tán bên ngoài vật) Với hệ nhiều h¿t, t°¡ng tác tĩnh từ giữa các h¿t °ợc gọi là t°¡ng tác l°ỡng cực – l°ỡng cực (dipole-dipole hay dipolar)

Trong hệ các h¿t nano từ nén gần nhau, t°¡ng tác l°ỡng cực-l°ỡng cực óng một vai trò quan trọng trong hành vi từ tính cÿa hệ Nếu hệ rất loãng thì t°¡ng tác l°ỡng cực trá nên nhỏ và có thể bị bỏ qua, nh°ng nếu các h¿t xếp gần nhau thì sự

óng góp cÿa tr°ßng l°ỡng cực vào tổng năng l°ợng tăng lên và trá nên quan trọng Xét một mẫu là một hệ gồm N h¿t nano từ tính, tr°ßng l°ỡng cực °ợc t¿o ra bái tất

cÁ các các h¿t tác dụng lên một h¿t i °ợc tính toán theo ph°¡ng trình sau:

0 3 ( 5)

34

N

j i

j i ij

i i

-Năng lượng Zeeman:

Nguồn gốc cÿa năng l°ợng Zeeman hình thành do t°¡ng tác giữa mô-men từ

và từ tr°ßng ngoài

E Z = −ý0M V e H s M. app (1.20) Trong ó µ0 là ộ từ thẩm cÿa chân không (trong hệ CGS µ0 =1, và với hệ SI µ0= 4π.1027 H/m) Happ là từ tr°ßng ngoài, Ms là ộ từ hóa bão hòa V là thể tích h¿t, �㕒 ⃗⃗⃗⃗⃗ �㕀

là vect¡ ¡n vị cÿa vect¡ từ hóa

-Năng lượng từ giÁo:

Hiệu āng từ giÁo là nguyên nhân hình thành năng l°ợng từ giÁo (Magnetostrictive energy), cụ thể là do sự biến ổi về hình d¿ng hình học cÿa vật từ

do từ tr°ßng ngoài (từ giÁo thuận) hoặc sự thay ổi về thể tích hay hình d¿ng dẫn ến

sự thay ổi tính chất từ BÁn chất là do t°¡ng tác spin-quỹ ¿o trong các iện tử trong vật liệu sắt từ gây nên Điều kiện cần ể hiện t°ợng từ giÁo xÁy ra là ám mây iện

tử không có d¿ng ối xāng cầu và tồn t¿i t°¡ng tác spin-quỹ ¿o m¿nh Khi có mặt

từ tr°ßng ngoài, sự quay cÿa mô-men từ (mô-men spin) từ h°ớng này sang h°ớng khác dẫn ến sự phân bố cÿa các iện tử (á ây là mô-men quỹ ¿o) Kết quÁ là, từ giÁo °ợc t¿o ra khi sự thay ổi t°¡ng āng cÿa t°¡ng tác tĩnh iện giữa iện tử từ và

iện tích cÿa môi tr°ßng xung quanh

Etotal = Eex + + Ek Ed + + Ez Eü (1.22)

Cấu trúc ô-men cÿa h¿t nano từ sẽ °ợc quy ịnh bái cực tiểu hóa năng l°ợng tổng (Etotal) Tùy thuộc hình thái học cÿa h¿t nano từ và cấu hình mô-men từ mà có thể xuất hiện từng d¿ng năng l°ợng t°¡ng āng Tuy nhiên, iều kiện cần cho việc xác

ịnh tr¿ng thái cân bằng cÿa hệ spin là sự cực tiểu hóa năng l°ợng tổng Xác ịnh năng l°ợng tổng là một trong những iều kiện tiên quyết ể thực hiện các ph°¡ng pháp mô phỏng cho hệ h¿t nano từ Thêm vào ó, ể khÁo sát các hành vi ộng học cÿa hệ h¿t nano từ, tāc là khÁo sát sự thay ổi cÿa hệ theo thßi gian thực, các tính toán về năng l°ợng vi từ còn °ợc kết hợp với việc giÁi ph°¡ng trình Landau-Lifshitz-Gilbert [14], iều này sẽ °ợc tác giÁ trình bày chi tiết h¡n á ch°¡ng sau

1.1.4 Āng dụng tiềm năng cÿa vật liệu vi cầu Fe 3 O 4 /Poly(glycidyl methacrylate)

1.1.4.1 Hệ phân phối thuốc hướng đích

Vấn ề cung cấp thuốc ến vị trí cần iều trị cÿa c¡ thể bệnh nhân với một liều l°ợng phù hợp luôn óng vai trò hết sāc quan trọng với hiệu quÁ cÿa phác ồ iều trị bệnh Thêm vào ó, sự phāc t¿p về hóa lý cÿa môi tr°ßng c¡ thể ng°ßi bệnh Ánh h°áng ến các phân tử thuốc, làm giÁm hiệu quÁ tiếp cận các mục tiêu sinh học/bệnh

lý [15] Hệ thống phân phối thuốc h°ớng ích (Targeted drug delivery system - TDDS) °ợc sử dụng nhằm cÁi thiện cấu hình d°ợc ộng học, tính ặc hiệu trong quá trình phân phối thuốc cũng nh° Ám bÁo hiệu quÁ và an toàn cÿa toàn bộ iều trị

Thực nghiệm lâm sàng trên c¡ thể ng°ßi ã cho thấy phân phối thuốc h°ớng

ích t¿i vùng mục tiêu th°ßng °ợc thực hiện bằng các kỹ thuật trực tiếp liên quan

ến xâm lấn: tiêm trực tiếp, ống thông [16,17]… Mặc dù các hệ thống này có °u iểm

là phân phối trực tiếp, nh°ng có sự xâm lấn nên không thuận tiện cho bệnh nhân và

tốn kém ể thực hiện trong nhiều tr°ßng hợp Do ó, các nỗ lực nghiên cāu °ợc thúc ẩy nhằm phát triển TDDS bao gồm việc tinh chỉnh về mặt hóa học, vật lý và sinh học với việc sử dụng hoặc không sử dụng các chất mang Thuốc có thể °ợc liên hợp với các kháng thể, peptit, axit folic ể t¿o ra các tiền chất °ợc nhắm mục tiêu [18] Mặt khác, thuốc có thể °ợc tích hợp vào các chất mang nano hoặc hệ thống nano Chúng bao gồm các hệ mang thuốc nh° liposome, micelle cao phân tử, h¿t nano

cao phân tử, liên hợp thuốc - polymer, nanogel, ống than nano carbon, dendrimers [19] Với các thành quÁ cÿa công nghệ nano, khoÁng một thập niên trá l¿i ây, các

hệ nano ã dần trá thành ph°¡ng tiện hiệu quÁ ể phân phối thuốc với các °u iểm v°ợt trội nh° kích th°ớc nhỏ (tối °u hóa thể tích và liều l°ợng), linh ho¿t trong thiết

kế và āng dụng (dễ dàng thay ổi chất mang hoặc các tác nhân ính kèm), cho phép t°¡ng tác phân tử sinh học một cách hiệu quÁ nhằm giÁm thiểu các tác dụng không mong muốn, tăng tính sinh khÁ dụng cÿa hệ phân phối cũng nh° thuốc ính kèm…[20]

Với những °u iểm v°ợt trội ó, TDDS dựa trên nền tÁng vật liệu vi cầu ã

°ợc āng dụng rộng rãi trong chẩn oán và iều trị ung th° [21] Trong quá trình hóa trị liệu thông th°ßng, các lo¿i thuốc iều trị ung th° phổ biến hiện nay nh° Doxorubicin, Docetaxel, Topotecan, Irinotecan, Epirubicin [22] thực chất là các lo¿i

ộc d°ợc, nó tác dụng lên cÁ tế bào bình th°ßng và tế bào ung th° gây ra những tác

dụng phụ không mong muốn cho bệnh nhân nh° viêm loét d¿ dày, rụng tóc, suy nh°ợc c¡ thể, gây chết những tế bào máu ngo¿i biên, gây ộc tính thần kinh vùng ngo¿i biên [23] Thêm vào ó, tồn t¿i một số c¡ chế sinh học phân tử trong kháng hóa trị cÿa tế bào ung th° (do hệ thống di truyền ngo¿i gen - epigenetic và gen di truyền

- genetic cÿa chính tế bào ung th°) [24], từ sự không ặc hiệu, không tập trung cÿa thuốc ến vùng bệnh lý sẽ dẫn ến sự bùng phát cÿa các tế bào ung th° sống sót giữa các ợt iều trị, vô tình t¿o ra quần thể các tế bào ung th° có khÁ năng kháng l¿i các thuốc iều trị ung th° Thực tế cho thấy, thuốc chỉ có tác dụng tiêu diệt tế bào ung th° nếu °ợc phân phối ến tế bào với nồng ộ ÿ lớn Ngoài ra, còn liên quan tới

khÁ năng thẩm thấu qua các hàng rào cÿa c¡ thể (hàng rào máu não, hàng rào dịch não tÿy) Qua ó cho thấy vai trò quan trọng cÿa vấn ề giÁm tác dụng phụ và tăng tính ặc hiệu cÿa thuốc iều trị ung th° thông qua quá trình phân phối h°ớng ích tập trung trong phác ồ hóa trị liệu iều trị ung th°

Từ những yêu cầu mang tính tuyệt ối ó, các hệ phân phối thuốc nanô dần

°ợc ịnh hình về cấu trúc, thành phần cũng nh° tính chất Về cấu t¿o c¡ bÁn, chúng bao gồm một vật liệu nền làm vỏ bọc bên ngoài nhằm tăng tính sinh khÁ dụng khi āng dụng trên c¡ thể/ tế bào, các chất mang iển hình nh° liposome, các micelle cao phân tử, các h¿t nano polyme, hoặc °ợc phát triển những năm gần ây nh° vật liệu

dựa trên nền carbon (nh° ống than nano – CNT, màng carbon hai chiều – Graphene oxide) [25] Bên c¿nh ó, khÁ năng h°ớng ích cÿa thuốc °ợc Ám bÁo bằng việc

sử dụng một vật liệu thành phần có kích th°ớc nanô, mang tính siêu thuận từ và ộ

từ hóa bão hòa cao (nh° Fe3O4, CoFe2O4, �㗾-Fe2O3) với sự có mặt cÿa từ tr°ßng ngoài Thuốc iều trị ung th° °ợc nén trong lõi cÿa vật liệu vỏ (thông dụng nh° Doxorubicin – DOX) Ngoài ra, TDDS còn có thể °ợc liên hợp với các kháng nguyên/ kháng thể, peptit, axit folic, chấm l°ợng tử tùy vào mục ích sử dụng

Việc sử dụng các h¿t nano từ tính (Magnetic nanoparticles – MNPs) làm tác nhân h°ớng ích ã °ợc khÁo sát nhiều trong lĩnh vực phân phối thuốc h°ớng ích MNPs có thể là kim lo¿i, l°ỡng kim hoặc h¿t nano oxit sắt siêu thuận từ (SPION) Trong số ó, SPION °ợc nghiên cāu rộng rãi cho các āng dụng y sinh vì bÁn chất không ộc h¿i với c¡ thể, có khÁ năng chāc năng hóa với các lớp phÿ h°ớng ích khác nhau và có thể ính kèm thuốc với số l°ợng hợp lý Việc tối °u hóa MNPs cũng nh° từ tr°ßng ngoài là iều quan trọng hàng ầu vì khi āng dụng từ tr°ßng, chúng phÁi có khÁ năng t¿o ra ÿ mô-men từ và graien từ mà MNP có thể thắng °ợc lực cÁn cÿa l°u l°ợng máu (khoÁng từ 0,05–50 cm/s) tùy thuộc vào mục tiêu h°ớng ích [26] MNP ã tìm thấy một số āng dụng trong liệu pháp làm tan huyết khối [27], hình Ánh nội m¿ch và bệnh tim m¿ch [28, 29], hình Ánh và iều trị khối u [30-34], cũng nh° phân phối qua rào chắn máu não [35,36]

Vật liệu vi cầu từ tính PGMA với tính t°¡ng hợp sinh học °ợc tÁi thuốc iều trị (DOX) trong lõi Thuốc °ợc tiêm bắp tay hoặc truyền tĩnh m¿ch và i vào c¡ thể thông qua hệ tuần hoàn Một gradient từ tr°ßng ngoài rất m¿nh °ợc sử dụng ể h°ớng ích thuốc ến vùng c¡ thể có tế bào ung th° Khi thuốc °ợc tập trung t¿i vị trí cần thiết và trÁi qua các quá trình thực bào và thẩm bào cÿa các ¿i thực bào, quá trình nhÁ thuốc sẽ °ợc diễn ra thông qua c¡ chế ho¿t ộng cÿa các enzym hoặc các tính chất sinh lý học do các tế bào ung th° gây ra Chúng làm giÁm ộ pH cÿa vi môi tr°ßng xung quanh, dẫn ến vỏ bọc polymer PGMA nh¿y cÁm pH sẽ bị tr°¡ng ná và giÁi phóng thuốc (hình 1.11)

Mới ây, trong năm 2021, tác giÁ Nasrin Zohreh và cộng sự [37] ã nghiên

cāu tổng hợp vi cầu từ tính sử dụng hai lớp polymer nh¿y cÁm pH là PGMA và Poly(Ethylene Glycol) làm vỏ bọc t¿o thành vi cầu hai lõi – vỏ kép có tÁi DOX nhằm