Luận án tiến sĩ Khoa học vật liệu: Chế tạo và biến tính bề mặt màng mỏng WO3 và chitosan: oxit graphen định hướng ứng dụng trong cảm biến

Gần đây, một thé hệ cảm biến mới là cảm biến trở nhớ có cấu trúc tụ điện đơn giản với cơ chế cảm biến dựa trên sự thay đôi điện trở thuận nghịch của lớp vật liệu điện môi khi được cấp đi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐH KHOA HỌC TU NHIEN VIỆN CÔNG NGHỆ NANO

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐH KHOA HỌC TỰ NHIÊN VIỆN CÔNG NGHỆ NANO

TA THỊ KIEU HẠNH

Nganh: Khoa hoc Vat liéu

Mã sô ngành: 62 44 01 22

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuan

Phản biện 2: PGS.TS Trần Việt Cường

Phản biện 3: TS Nguyễn Thụy Ngọc Thủy

Phản biện độc lập 1: PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuan

Phản biện độc lập 2: TS Nguyễn Tan Tài

NGƯỜI HƯỚNG DAN KHOA HOC

1 GS.TS Phan Bach Thang

2 TS Nguyén Thi Lién Thuong

TP Hồ Chi Minh — Năm 2023

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan luận án tiến sĩ ngành Khoa học Vật liệu, với đề tài chế tạo và biến tính

bề mặt màng mỏng WO; và chitosan:oxit graphen định hướng ứng dụng trong cảm biến là công trình khoa học do Tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của GS.TS Phan Bách Thắng và TS Nguyễn Thị Liên Thương.

Những kết quả nghiên cứu của luận án hoàn toàn trung thực, chính xác và

không trùng lap với các công trình đã công bô trong và ngoai nước.

Nghiên cứu sinh

Tạ Thị Kiều Hạnh

công việc và ngoài xã hội.

Cảm ơn Cô, TS Nguyễn Thị Liên Thương, Cô luôn động viên và hỗ trợ em

trong mọi mặt từ nghiên cứu đến cuộc sống.

Cảm ơn Em Phạm Kim Ngọc và Em Trần Thị Như Hoa, cảm ơn hai em đã đồng hành và san sẻ với chị tất cả thuận lợi và khó khăn trong nghiên cứu, công tác

và cuộc sống trong suốt thời gian qua.

Cảm ơn các Bạn Trần Quang Minh Nhật, Đào Thị Băng Tâm, Trần Kim Mỹ,

Đỗ Đình Phúc và các Bạn Sinh viên đã luôn hỗ trợ Cô/Chị trong lúc thực hiện luận

án Cảm ơn Em Phạm Duy Phong đã hỗ trợ chị đo mẫu lúc công tác bên Hàn vàluôn dõi theo để động viên chị

Cảm ơn GS.TS Trần Đại Lâm, TS Cao Thị Thanh, PGS.TS Nguyễn Thế

Toàn, ThS Vũ Hoàng Nam đã đóng góp cho Luận án của tac gia.

Cảm ơn GS.Hyongky Ju, Đại học Gachon, Hàn Quốc đã tạo điều kiện để Tác giả nghiên cứu ngắn hạn tại Trường Gachon.

Cảm ơn GS.TS Lê Văn Hiếu, PGS.TS Trần Cao Vinh và PGS.TS Trần Thị Thanh Vân đã tạo điều kiện tối đa và luôn động viên em trong suốt thời gian thực

hiện luận án.

Cảm ơn Khoa Khoa học và Công nghệ Vật liệu, Trung tâm Nghiên cứu Vật

liệu Cấu trúc Nano và Phân tử, Phòng thí nghiệm Vật liệu Kỹ thuật cao, Viện Công

nghệ Nano và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM đã hỗ trợ cơ sở vật

chất và tạo mọi điều kiện cho Tác giả thực hiện luận án này.

Cuối cùng xin được chân thành cảm ơn Ba Mẹ và Gia đình đã luôn bên cạnh,

hỗ trợ về vật chất và tinh thần dé con/em có động lực học tập và hoàn thành luận án.

công việc và ngoài xã hội.

Cảm ơn Cô, TS Nguyễn Thị Liên Thương, Cô luôn động viên và hỗ trợ em

trong mọi mặt từ nghiên cứu đến cuộc sống.

Cảm ơn Em Phạm Kim Ngọc và Em Trần Thị Như Hoa, cảm ơn hai em đã đồng hành và san sẻ với chị tất cả thuận lợi và khó khăn trong nghiên cứu, công tác

và cuộc sống trong suốt thời gian qua.

Cảm ơn các Bạn Trần Quang Minh Nhật, Đào Thị Băng Tâm, Trần Kim Mỹ,

Đỗ Đình Phúc và các Bạn Sinh viên đã luôn hỗ trợ Cô/Chị trong lúc thực hiện luận

án Cảm ơn Em Phạm Duy Phong đã hỗ trợ chị đo mẫu lúc công tác bên Hàn vàluôn dõi theo để động viên chị

Cảm ơn GS.TS Trần Đại Lâm, TS Cao Thị Thanh, PGS.TS Nguyễn Thế

Toàn, ThS Vũ Hoang Nam đã đóng góp cho Luận án của tác gia.

Cảm ơn GS.Hyongky Ju, Đại học Gachon, Hàn Quốc đã tạo điều kiện để Tác giả nghiên cứu ngắn hạn tại Trường Gachon.

Cảm ơn GS.TS Lê Văn Hiếu, PGS.TS Trần Cao Vinh và PGS.TS Trần Thị Thanh Vân đã tạo điều kiện tối đa và luôn động viên em trong suốt thời gian thực

hiện luận án.

Cảm ơn Khoa Khoa học và Công nghệ Vật liệu, Trung tâm Nghiên cứu Vật

liệu Cấu trúc Nano và Phân tử, Phòng thí nghiệm Vật liệu Kỹ thuật cao, Viện Công

nghệ Nano và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM đã hỗ trợ cơ sở vật

chất và tạo mọi điều kiện cho Tác giả thực hiện luận án này.

Cuối cùng xin được chân thành cảm ơn Ba Me và Gia đình đã luôn bên cạnh,

hỗ trợ về vật chất và tinh thần để con/em có động lực học tập và hoàn thành luận án.

Chương 1 TONG QUAN oessssssssssssssssssssssssssssssssssssssssesssssssssssssssssssssssssssesssssssssessssesssee 7

1.1 Tổng quan về cảm biến sinh học csssesssessssesssecssecssecssecssecssecssesssesssecsseesseessees 7 1.1.1 Cảm biến sinh học cộng hưởng trên cơ sở thanh nano dao động -.- 7 1.1.2 Cảm biến sinh học điện hoá ¿- 2 + Sk£SkEEEEEEEEEE+EEEEEEEEEEEEEEkeErkrrkerkerrrei 8

1.1.3 Cảm biến nano sinh học trên cơ sở hiệu ứng trường - 2-5 s2 s22 9

1.1.4 Cảm biến sinh học trở nhớ ¿- ¿2+ +++Ex+EE++EE+EE+£EEtzE+erxzreerxerrxerxee 10

1.2 Vat LSU tO MG 1D 13

1.2.1 (8 00 Ú 13

1.2.2 Vật liệu oxit kim loại chuyền tiếp "TỪ 15 1.2.3 Vật liệu dựa trên nền hữu CƠ -¿- Sex EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkEEkrrkrkerkrree 16 1.3 Các phương pháp biến tính bề mặtt 2 2£ + £+£x+2E£+£xzEzerxezrxerkd 18

1.3.1 Cac phurong phap hoa hoc nn 18

1.3.1.1 Hap phu ha 1n a4 19

1.3.1.2 Hóa HOC UOt ccc eeeccccccccccccccesesssssscccecccccccceesssssssssceeessscecceseseessestteeeeseess 22

1.3.1.4 Xử lí pÏaSima Gv HH SH HH HH HH rưy 24

In mi 26

1.3.2 Cac phurong phap Vat LY 26

1.3.2.1 Hấp phụ vat lý - + 2c tk 2k 2k1 211211211211211211 211111111111 26 1.3.2.2 Lắp ráp từng lỚp - + s+SkeEkSEEE1221121121121121121111 111111111 27 1.4 Đối tượng nghiên cứu của luận án ¿- + ©2+x+2+++Ex+Ex£+zxtzxeerxezrerrxee 28

I 0/6 ion 28

I0 (9À no 29

1.4.1.2 Chitosan lai hóa với oxit øraphenn - - «cv ng ng sư, 30

1.4.2 Hợp chất dùng dé biến tính bề mặt vật liệu -2¿ 2 ++zz+cxzzsrsez 34

1.4.2.1 (3-Aminopropy])triethoxy silane (APTIES) Ăn Sex 35

1.4.2.2 Succinic anhydride (SA) << S11 HH HH kg 35

1.4.3 Chat thử sinh học gắn lên bề mặt vật liệu sau khi biến tính - 36

1.4.3.1 NH2-Oligo C6-sybr green Ì - - «+5 1xx v.v ng ng rưy 36

1.4.3.2 Fluorescein isothiocyante (FITTẢC ) - + Sc + + +EEsekesersrserrsereree 36Chương 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM.37

2.1 Phương pháp chế tao màng mỏng WOs, Ag, Ti và CS:GO - 37

2.2 Cac phurong phap phan tich 0n 38

2.3 Quy trình thực nghiỆm - G5 1113 1919011 TH HH Hư 40

2.3.1 Quy trình chế tạo màng mỏng WOs và điện cực Ag, Tì . -: 41 2.3.2 Quy trình chế tạo màng mỏng CS:GO 2-52 2+2E+£E+£EeEEeEEerEerkerreee 43

2.3.3 Quy trình biến tính bề mặt mang mỏng WO2 với APTES và SA 45 2.3.4 Quy trình biến tính bề mặt mang mỏng CS:GO với APTES và SA 48 2.3.5 Quy trình gan chất thử sinh học lên bề mặt màng mỏng trước và sau biến tinh 49

2.3.5.1 Quy trình gắn NHa-Oligo C6-sybr green I lên bề mặt màng mỏng WO: trước

VA Saul iGn tinh 0 -i 49 2.3.5.2 Quy trình gắn FITC lên bề mặt màng mỏng CS:GO trước và sau biến tinh 50

Chương 3 KET QUA CHE TẠO VÀ BIEN TINH BE MAT MÀNG MONG WO; 51

3.1 Kết quả chế tạo mang mỏng WOS csesscsssesssessesssesseessesssessecssessesssessesssessessseess 51

3.1.1 Giãn đồ nhiễu xạ tia X của màng mỏng WOS u scsessesssessessesssessesssessessseeseesseess 51 3.1.2 Phố XPS của màng mỏng WO3 cscsssesssssseesssesssesssecssecssecssecssecssesssessseesseeeseees 52 3.1.3 Phổ FTIR của màng mỏng WO3 cccscssessessessessesssssssssssssesssssessessessesseeseeseesees 53 3.1.4 Đặc trưng I-V của cấu trúc TE/WOz/BE -::22+22+22+t2cverxrerxrerrrees 54 3.1.4.1 Đặc trưng đảo điện trở của cau trúc TE/WOz/BE 2 c+cccsccez 54 3.1.4.2 Co chế truyền dẫn điện tích của cau trúc TE/WOz/BE - 56 3.1.4.3 Cơ chế đảo điện trở của cau trúc Ag/WOz/Pt và Ag/WOz/FTO 63 3.1.4.4 Cơ chế đảo điện trở của cau trúc Ti/WO2/FTO -¿©-s+cx+zsccxs 65 3.2 Kết quả biến tính bề mặt màng mỏng WOa 2: 5+©z+x2zzczxzrxrres 65

3.2.1 Kết quả phân tích phô FTIR - 2-2 +2+2E++EE++2E++2EE++Ex++rxezrxrersrees 66

3.2.2 Ảnh chụp bề mặt FE-SEM c.cccccsscsscssssssessessessessssessssssssssssessessessessessessessesaees 68 3.3 Kết quả gắn chat thử sinh học NH2-C6 Oligo-sybr green I - 69 3.4 Kếtluận Ă 22.2222 2T E212 1e 70

4.1 Kết quả chế tạo mang mỏng CS và CS:GO 2 252+2E+£xc£Ecrterkrrces 71

4.1.1 Giãn đồ nhiễu xạ tỉa X 2:-©2+¿22+22E22E22112711271127112711 221.21 crkrree 71

F0 0:0 a4 73 4.1.3 Phổ tán xạ Raman -2- 2: ©2++©++2EE+EE+SEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErkrrrrervee 76 4.1.4 Kết quả chụp ảnh TEEM - 2-2 SE SE+EE£EE2EE2EE2E12E122127171 71212121 71 4.1.5 Kết quả chụp ảnh FE-SIEM - 5 ST TH HH tr 79

4.1.6 Đặc trưng I-V của cau trúc Ag/CS:GO/FTO -¿- 22 2+2++czxvvrxrcrxesree S0

4.1.6.1 Đặc trưng đảo điện trở của cau trúc Ag/CS:GO/FTO -. - 80 4.1.6.2 Cơ chế đảo điện trở của cấu trúc Ag/CS:GO/FTO -s¿©cs+cse¿ 83 4.2 Kết quả biến tính bề mặt màng mỏng CS, CS:GO -2¿ 2 x+zz+csez 86 4.3 Kết quả gan chất thử sinh hoc EITC ¿22+ ++E++£++£k+rxerxerxerxerreces 92 4.4 — Kếtluận -L 22c 2t 2 T222 2121112111 re 94

Chương 5 KET LUẬN VÀ KIEN NGHỊ, °s<©sscsseessecsseesssessee 95

5.1 €n N< 95 5.2 — Kiến nghị 2S 2H TH E22 1101 11 cere 97

DANH MỤC CONG TRINH KHOA HỌC - s2 s2 ssssecssezssers 98TÀI LIEU THAM KHẢO - 2-2 s£©s£s£seEssEEsseEsserssersserssersssorse 101

DANH MỤC TỪ VIẾT TÁT

Từ viết tắt _ Thuật ngữ tiếng anh Tiêng việt

(3-Aminopropyl)triethoxy

APTES silane

BC Ballistic conduction Dan dan dao

BE Bottom electrode Dién cuc day

CS Chitosan Chitosan

DI Deionized Khử ion

FITC Fluorescein isothiocyante

FRAM Ferroelectric random access Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên sắc điện

memory

FN Fowler-Nordheim Xuyén ngam Fowler-Nordheim

FTIR Fourier-transform infrared Quang phổ hồng ngoại biến đổi

spectroscopy Fourier FTO Fluorine doped tin oxide Oxit thiếc pha tap flo

GO Graphen oxide Oxit graphen

HRS High resistance state Trang thai dién tro cao

LBL Layer-by-layer Từng lớp

LRS Low resistance state Trang thai dién tro thap

MRAM Magnetoresistive random Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ tinh

access memory

OC Ohmic conduction Dan ohmic

PF Poole-Frenkel Phat xa Poole-Frenkel

PRAM Phase-change random access Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên thay đổi

SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tự quét

TE Top electrode Điện cực đỉnh

TEM Tra HSMISSION Electron Kính hién vi điện tử truyền qua

DANH MỤC BANG Bang 2.1 Hóa chất, vật tư và dung môii -2- 2+ 5£ +E+E£+E£+E£EE£EEEEEEEEerkerkerkerreee 40

Bảng 2.2 Thông số chế tạo màng mỏng WO; và điện cực Ag, Ti trong cấu trúc

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Mô hình cảm biến sinh học thanh nano dao động c 8 Hình 1.2 Mô hình đo của cảm biến sinh học điện hoá 2-5 2 cs+z+£zE+zzxszez 8

Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học hiệu ứng trường 9

Hình 1.4 Cấu tạo của bộ nhớ dang trở nhớ ReRAM - -cS-ccsssesereeersres 11 Hình 1.5 Đặc trưng dòng - thé (I-V) của bộ nhớ dang trở nhớ ReRAM 11 Hình 1.6 Đặc trưng dong thé của cau trúc trở nhớ: a) trước và b)sau khi gắn đối tượng

Hình 1.7 Độ lệch chênh lệch điện thé của cảm biến sinh học trở nhớ sợi nano Si thé theo nồng độ đối tượng sinh học ở thang fM 2¿- 2 ©52+2k+EESEEtEEEEEErrEeerkrrrrerkee 13 Hình 1.8 Hình minh họa (a) sơ đồ của cau trúc thiết bị đơn và (b) cau trúc hóa học của

các hạt nano Au và ChIfOSaI - - G SE 0111112111111 1 91111111190 111g vn vn ryy 17

Hình 1.9 Sơ đồ các công nghệ biến tính bề mặt hóa học - 2 «+ +xerzx+ 18 Hình 1.10 Cố định cộng hóa trị của RGD trên bề mặt của sợi nano PCL/P3ANA thông

qua hóa học EDC/NHS - - Án HH TH HH TH TH nh HH TH HH nghệ 19

Hình 1.11 Sử dụng hóa học EDC/NHS đề có định laminin trên bề mặt của giá thé dạng

Hình 1.12 Chức năng hóa bề mặt vật liệu bằng peptide kết dính tế bào để cải thiện độ

bám dính và tăng sinh của tẾ bào ©5222 E2E1E2112212711211711211 2111121 27 Hình 1.13 Cấu trúc tinh thé của WOs a) Cấu trúc lập phương WOs, b) Bát diện WOs.29

Hình 1.14 Phản ứng n-deacetyl hóa chitin tạo thành chitosan eee eres 31

Hình 1.15 Cấu trúc hóa học của graphen, oxit graphen va oxit graphen đã khử 34

Hình 1.16 Cấu trúc hóa học của phân tử AFPTES - 222 +2 ++z++£++zxerxezxeee 35 Hình 1.17 Công thức cau tạo của phân tử của succinic anhydride - 35 Hình 1.18 Công thức cấu tạo của FITC - 2: + + +E+£E£+E££EE£EE2EEEEEeExerkerkerreee 36

Hình 2.1 Quy trình chế tao màng mỏng WO); trên dé (a) không có điện cực đáy và (b)

CO TIEN CUC 0 75 42

Hình 2.2 Quy trình phún xa điện cực đỉnh Ag, Ti (TE) của cau trúc TE/WOz/BE 43

Hình 2.3 Quy trình chế tạo màng mỏng CS:GO trên dé (a) không có điện cực và (b) có

GIEN CUC 077.5 44

Hình 2.4 Sơ đồ quy trình chế tao mang mỏng CS:GO bang phương pháp phủ quay 45 Hình 2.5 Sơ d6 biến tính bề mặt màng mỏng WO; với APTES và SA (a) xử lí dung môi,

(b) xử lí dung môi và plasma 2, - s6 s11 93191 91019 1 vn nh ng rệt 46

Hình 2.6 Quy trình biến tính bề mặt màng mỏng WOs3 với APTES - 41 Hình 2.7 Quy trình biến tính bề mặt màng mỏng WO;@DM-APTES và WO3@Plasma

007.0408.208 0 47

Hình 2.8 Quy trình biến tính bề mặt màng mỏng CS và CS:GO với APTES 48 Hình 2.9 Quy trình biến tính bề mặt màng mỏng CS, CS:GO, CS@APTES và

CS:GO 07.0408.2070 49 Hình 2.10 Quy trình ủ màng với NH2-Oligo C6-Sybr green Ì - -«<-s<+ 50

Hình 2.11 Quy trình ủ màng với FITC - - 5 1k3 net 50

Hình 3.1 Giản đồ XRD của màng mong WO; sau khi lắng đọng .« 51

Hình 3.2 Phố XPS của màng mỏng WOs sau khi lắng dong (a), mức W4f (b) và O1S (c) 52

Hình 3.3 Phổ FTIR của mang mỏng WO, eessesseessesssessesssecssessecseessecsusssessuessesssessecsseeses 54 Hình 3.4 Đặc trưng I-V của cấu trúc (a) Ag/WOz/Pt; (b) Ag/WOz/FTO; (c) Ti/WO3/Pt;

0)Mš/À)/9./31901100Ẻ157 - 54 Hình 3.5 Đặc trưng I-V HRS của cau trúc Ag/WO;/Pt dưới quá trình quét thé từ 0 > - 1,5 V được vẽ theo các cơ chế dẫn (a) SCLC, (b) BC, (c) SC, (d) PF và (e) EN 57 Hình 3.6 Đặc trưng I-V LRS của cau trúc Ag/WO3/Pt dưới quá trình quét thé từ -1,5 V

> 0 được vẽ theo các cơ chế dẫn (a) SCLC, (b) BC, (c) SC, (d) PF và (e) EN 58

Hình 3.7 Đặc trưng I-V LRS của cau trúc Ag/WO;z/Pt dưới quá trình quét thế từ 0 > +2

V được vẽ theo các cơ chế dẫn (a) SCLC, (b) BC, (c) SC, (d) PF và (e,f) EN 59

Hình 3.8 Đặc trưng I-V LRS của cau trúc Ag/WO3/Pt dưới quá trình quét thé từ +2 V>

0 được vẽ theo các cơ chế dẫn (a) SCLC, (b) BC, (c) SC, (d) PF và (e,f) EN 60 Hình 3.9 Cơ chế dẫn điện chủ yếu của cau trúc Ag/WO3/Pt (a) áp thé âm (SCLC > BC

> OC) và (b,c) áp thế dương (OC > EN) -22¿22+22x22EEEESEEEEEerkrrrrrrrrree 61 Hình 3.10 Cơ chế dẫn điện chủ yếu của cấu trúc Ag/WOz/FTO (a) áp thé âm (SCLC >

BC > OC) và (b,c) áp thế đương (OC > EN) 22- 5c 222 c2EcEEcErkrrrkrerrrees 62 Hình 3.11 Cơ chế dẫn điện chủ yếu của cấu trúc Ti/WO3/FTO (a) áp thế dương (SCLC

> BC) va (b,c) áp thế âm (BC > FEN) - 25s SEEE2EE211211211211211 27111111 re, 62 Hình 3.12 Mô hình đảo điện trở cho cấu trúc có đặc trưng I-V theo chiều kim đồng hồ:

các đường dẫn Ag được hình thành bởi phản ứng oxi hóa khử -. - 64

Hình 3.13 Mô hình đảo điện trở cho cau trúc có đặc trưng I-V ngược chiều kim đồng hồ: các ion âm O? di chuyền qua lại mặt phân giới đáy WO2/FTO theo chiều phân cực

Hình 3.16 Kết quả gắn NH2-C6 Oligo-sybr green I của (a) mau WO3 va (b)

WO3@Plasma O2-APTES-SA cà HH HH HH HH TH HH HT HH Hư 69

Hình 4.1 Giản đồ nhiễu xạ XRD của (a) Bột CS, (b) Màng CS, (c) Màng CS:GO, (d)

Mang GO va 8(28:0n69 11 72

Hình 4.2 Phổ FTIR của (a) CS (b) CS:GO (C) GO -¿©2¿-7+©c+2cxzzrerxrrrrerxee 74

Hình 4.3 Phổ tán xạ Raman của CS, GO và CS:GO Ăn HH 222 xxx 76

Hình 4.4 Ảnh TEM dung dịch GO ở các độ phân giải khác nhau a) 500 nm, b) 200 nm,

C) 100 nm, d) 50 1M 00 ã4ã All 78

Hình 4.5 Ảnh FE-SEM bề mặt dé FTO ở các độ phóng đại a) 10 pm, b) 2 pm và bề mặt

màng CS:GO phủ dé FTO c) 10 pm, đ) 2 pm -222-©5225225+22++22+2zxezzxesrseees 80

Hình 4.6 Đặc trưng I-V của cau trúc Ag/CS:GO/FTO o cccscssscsssessssesssessseesseseseseseeesvess 82 Hình 4.7 100 đường đặc trưng I-V, b) giá tri HRS và LRS tại thé doc Vread = -2 V, c) phân bồ xác xuất tích lũy giá tri HRS và LRS của cấu trúc Ag/CS:GO/FTO với 100 lần

I0 83

Hình 4.8 (a) đặc trưng I-V bán logarit, với thang đo tuyến tinh được hiền thị trong hình

nhỏ; đường cong J-E của (b) giai đoạn 1 và 2, (c) giai đoạn 3 và (d) giai đoạn 4 84

Hình 4.9 Phố FTIR của CS trước và sau khi biến tính với SA . -: 87 Hình 4.10 Phổ FTIR của CS:GO trước và sau khi biến tính với SA 88 Hình 4.11 Phố FTIR của mang mỏng CS trước và sau khi biến tính với APTES, SA.90 Hình 4.12 Phố FTIR của màng mỏng CS:GO trước và sau khi biến tính với APTES, SA 91 Hình 4.13 Ảnh chụp kính hiển vi huỳnh quang của mảng mỏng CS, CS:GO khi biến tính với

APTES oo csscssessssssssssessssssscsusssecsusssecsusssecsusssscsusssecsusssessusssessuessessusssusssessessueesssssecsusssessseeees 92

Hình 4.14 Ảnh chụp kính hiển vi huỳnh quang của các mẫu CS và CS:GO khi biến tính

với APTES và SA coccscssssssesssessssssessssssecsusssecsusssecsnsesucsusssecsusssussusssecsuscsecsusssucssecsusesecsseeses 93

MỞ ĐẦUKhoa học vật liệu và công nghệ nano đã phát triển vượt bậc trong 3 thập kỷ

qua và đã có nhiều ứng dụng thực tế phục vụ sản xuất và cuộc sống trong nhiều lĩnh

vực như khoa học sự sống, y sinh học, nông nghiệp, môi trường, xây dựng, điện tử, [1-4] Trong lĩnh vực khoa học sự sống, y sinh học va môi trường, các thế hệ cảmbiến sinh học trên cơ sở điện hóa, hiệu ứng trường, từ tính, đã được nghiên cứurộng rãi [5-8] và trong chân đoán phát hiện sớm và góp phan nâng cao hiệu quả điềutrị các bệnh nan y như ung thư, Cảm biến môi trường như nhiệt độ, độ am, khí,

hoạt động dựa trên cơ sở hóa học, vật ly, cũng đã được ứng dụng trong sản xuấtNông Lâm Ngư nghiệp và Xây dựng.

Các cau trúc cảm biến nêu trên gặp giới hạn trong công nghệ chế tạo và mạchtích hợp theo xu hướng thu nhỏ kích thước linh kiện điện tử Cộng đồng khoa họctrên thé giới đã và đang nghiên cứu dé giải quyết các hạn chế trên Gần đây, một thé

hệ cảm biến mới là cảm biến trở nhớ có cấu trúc tụ điện đơn giản với cơ chế cảm biến

dựa trên sự thay đôi điện trở thuận nghịch của lớp vật liệu điện môi khi được cấp điệnthé đã phan nào giải quyết được các hạn chế nêu trên [9-24] Thành phần chính của

các loại cảm biến là lớp vật liệu có khả năng đáp ứng với các đối tượng cần phát hiện

dưới tác dụng của các kích thích như điện trường, ánh sáng, từ trường, nhiệt độ, lực

cơ học, Do vậy, nghiên cứu các vật liệu có khả năng thay đôi điện trở thuận nghịchtrong cảm biến trở nhớ nhằm ứng dụng trong lĩnh vực khoa học sự sống, y sinh học,

nông nghiệp, môi trường, xây dựng, điện tử có tính thời sự và khoa học.

Cho đến nay, nhiều loại vật liệu nano như perovskite (SrTiOs pha tạp Cr, )các oxit kim loại chuyển tiếp (ZnO, Nb2Os, Al:Oa, TazOs, TiOz, NiO, ), oxit

graphen, vật liệu hữu co đã được nghiên cứu xác định có kha năng ứng dụng làm vật

liệu trở nhớ Sự chuyền đôi điện trở thuận nghịch giữa hai trạng thái điện trở cao và

điện trở thấp của các vật liệu trên không chỉ phụ thuộc vào bản chất vật liệu oxit mà

còn phụ thuộc vao vật liệu điện cực (Au, Pt, Ti, Al, Ag, ITO, ).

Vật liệu trở nhớ trên nền vật liệu perovskite như SrTiO3 pha tap Cr đã đượcnhiều nhà khoa học nghiên cứu về ảnh hưởng của nồng độ pha tạp và vật liệu điệncực đến cơ chế đảo điện trở cũng như sự truyền dẫn điện tích trong lớp vật liệu điện

môi [25-30] Vật liệu oxit kim loại chuyển tiếp hai thành phần NiO cũng được nghiên

cứu bởi Seo và cộng sự từ năm 2014 [31, 32], nhóm ông chế tạo và khảo sát đặc trưngdòng thé của cấu trúc Pt/NiO/Pt với thé chuyên đổi từ trạng thái điện trở cao (HRS)sang trạng thái điện trở thấp (LRS) ~ 0,5 V trong khoảng thế quét từ 0 đến 4,5 V Lee

và cộng sự đã nghiên cứu cấu trúc Au/WOazz/W trên dé dẻo trong khoảng thế quét

từ +l V và có giá trị thế chuyển đổi -0,5 V [33]

Bên cạnh đó, vật liệu trở nhớ dựa trên nền vật liệu hữu cơ hoặc lai hóa vô

cơ/hữu cơ có tính tương thích sinh học và vật liệu sinh học cũng được các nhà khoa

học nghiên cứu rộng rãi Dongqi Li và cộng sự đã chế tạo thành công cấu trúc trở nhớAl/rGO-PDQ/ITO với lớp điện môi hữu cơ gồm polime liên hợp “poly[(1.4-

diethynylbenzene)-alt-(4,4’-(quinoxaline-2,3-diyl)bis(N,N- diphenylaniline))]

(PDQ) và oxit graphen đã khử (rGO) (GO-PDQ) có kha năng dao điện trở lần 1 và

lần 2 ở thế áp tương ứng là -0,74 và -1,44 V [34] Romero và cộng sự đã công bố

việc chế tao màng rGO có khả năng đảo điện trở trong khoảng thé áp từ -3 V — 3 V

và chuyền từ trạng thái điện trở cao sang trạng thái điện trở thấp khi sử dụng điện cực

keo Ag là 2,2 V và điện cực keo cacbon là 2,5 V [35] Pradhan và cộng sự đã khảo

sát cầu trúc Al/rGO/AI và Cr/rGO/Cr trong khoảng thế quét khá thấp từ -0,9 — 0,9 V

và kết quả chuyền trạng thái từ HRS sang LRS lần lượt ở giá trị thế áp 0,68 V và

-0,62 V [36] Raeis-Hosseini và cộng sự đã nghiên cứu vật liệu tổ hop hạt nano Au

boc chitosan dé chế tao linh kiện trở nhớ có cấu trúc thanh chéo dọc-ngang chitosan/Au và khảo sát đặc trưng dòng thé trong khoảng áp thế -3 — 3 V, cho kết quachuyên từ HRS sang LRS ở giá trị thế ~ 2,5 V [37] Nhóm của Raeis-Hosseini cũng

Ag/Au-đã chế tạo cau trúc ngang Au/CQD-chitosan/AI với lớp điện môi là vật liệu tổ hợpcủa chitosan và chấm lượng tử cacbon (CQD-chitosan), khoảng cách giữa hai điệncực là từ 10 — 15 nm và kết quả có giá trị thế chuyên đổi trạng thái là -0,75 V trong

kiện trở nhớ được chế tạo từ các dây nano protein của vi khuẩn Geobacter

sulfurreducens, hoạt động ở điện áp sinh học 40-100 mV vì các dây nano protein xúc

tác quá trình kim loại hóa sẽ dẫn đến sự hình thành đường dẫn trong cấu trúc [39].

Cảm biến sinh học dựa trên tín hiệu trở nhớ thu được từ dây nano Si được

Carrara và cộng sự công bố đầu tiên vào năm 2012 [14] nhóm tác giả đã sử dụng

phương pháp lắng đọng hơi hóa học ở áp suất thấp (LPCVD) và công nghệ quangkhắc dé chế tạo dây nano Si Bé mat dây nano Si được được biến tính bằng cách xử

lí với piranha và sau đó gắn cộng hóa trị glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTS)

và đính kháng thể thỏ đa dòng lên bề mặt dây nano để phát hiện kháng nguyên thỏ

Độ nhạy và giới hạn phát hiện của cảm biến là 37 + 1 mV/fM và 3,4 + I,8fM Puppo

và cộng sự [15] cũng đã chế tạo cảm biến trở nhớ trên nền sợi nano Si sử dụng công

nghệ CMOS khắc chùm electron với chiều dai sợi nano Si lần lượt là 411 + 14 nm,

1000 + 14 nm và đường kính tương ứng là 35 + 10 nm và 90 + 9 nm dùng dé đo pH

ở điều kiện khô, nồng độ [H*] thay đổi dẫn đến giá trị dòng dẫn và khoảng lệch thé

thay đổi theo

Cảm biến trở nhớ trên nền TiO2 đã được dùng dé đo pH, nồng độ đường vàphát hiện protein huyết thanh bò (BSA) [16] Năm 2019, Sahu và Jammalamadaka

đã công bố việc sử dụng cảm biến trở nhớ trên nên vật liệu TiO2 và TiO? lai hóa với

oxit graphen (GO) dé xác định BSA Cả hai loại cảm biến đều có độ nhạy phát hiện

là 4 mg/mL và cảm biến trên nền TiO2-GO thu được tín hiệu có độ tin cậy cao và chu

kỳ quét thế cao hơn cảm biến không có GO [17] Hadis và công sự [18, 19] cũng đã

chế tạo cảm biến trở nhớ trên nền vật liệu TiO» và sử dụng công nghệ kênh dẫn

microfluic dé phát hiện protein phi cau trúc 1 (Non-Structural protein 1 - NS1) nhằm

phát hiện sớm bệnh sốt xuất huyết Dé phát hiện được protein NS1 thi bề mặt cảmbiến phải được biến tính với glycidoxypropyl-trimethoxysilane (GPTS) và gan khángthé don dong glycoprotein kháng DENV-1 NSI, giới hạn phát hiện protein NS1 củacảm biến là 52 nM Ngoài ra, nhóm cũng đã chế tạo cảm biến trở nhớ trên nền vatliệu TiO bằng phương pháp phủ quay từ dung dịch và phương pháp phún xạ

magnetron với tan số radio (RF) kết hợp với kênh dẫn microfluic dé phát hiện glucose

trong dung dịch [20].

Một cảm biến trở nhớ trên nền vật liệu TiO› được chế tạo bằng phương pháp

phủ sol-gel trên dé déo polyethylen dùng dé phát hiện ra bức xạ nhằm ứng dụng tronglĩnh vực sức khỏe, môi trường và an ninh đã được cấp bằng sáng chế Mỹ năm 2022cho nhóm tác giả Mohammad và cộng sự [21].

Một nghiên cứu dựa trên sự mô phỏng đã tìm ra được đặc tính dòng điện đối

với điện áp tương ứng với các thiết bị cảm biến vừa chế tạo có vòng lặp trễ ở điện ápbằng không và khi các chất sinh học được gan trên bề mặt thiết bị, độ trễ cho thấymột khoảng cách điện áp trong đường cong bán logarit của đặc trưng dòng — thé [22]

Adeyemo và cộng sự cũng đã mô phỏng cảm biến trở nhớ trên nền TiO2 được thiết

kế thành ma trận, mỗi một hàng trong ma trận sẽ có thuộc tính giống nhau, trong một

ma trận có thê phát hiện được nhiều loại khí khác nhau [23] Một cảm biến khí NOdựa trên tinh năng đảo điện trở với màng SnO›, TaaOs và HfOa, đã cho thay tính phụchồi nhanh (<1 s/90 ns) và độ nhạy cao 11,66 và 5,22 tương ứng với TazOs va HfOa

ở nhiệt độ phòng Ngoài ra, dé cung cé tinh chon loc trong môi trường nhiều khí, một

mach song song sử dụng ba loại khí có độ nhạy khác nhau đối với khí NO, Oz và

C›Hs cũng được dé xuất Kha nang phuc hồi nhanh, độ nhạy cao, tính chọn lọc cao

và hoạt động ở nhiệt độ phòng của cảm biến khí NO là rat cần thiết dé theo dõi môi

trường, trí tuệ nhân tạo và chân đoán tình trạng của bệnh nhân hen suyén [24]

Dựa vào tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về hướng nghiên cứu

vật liệu và cảm biến trở nhớ cho thấy các đối tượng vật liệu nghiên cứu được trìnhbày ở trên rất đa dạng với nhiều cơ chế đảo điện trở và cảm biến được đề xuất Do

vậy, luận án này được thực hiện với mục tiêu chế tạo và biến tính bề mặt màng mỏng

vô cơ WO3 và màng mỏng hữu co lai hóa chitosan:oxit graphen (CS:GO) định hướng

ứng dụng trong cảm biến với nội dung và bố cục như sau:

Chương 1 Tổng quan

Chương 3 Kết quả chế tao và biến tính bề mặt màng mỏng WOs.

Chương 4 Kết quả chế tạo và biến tính bề mặt màng mỏng CS:GO

Chương 5 Kết luận và kiến nghị

Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm (1) Nghiên cứu, chế tạo được các vật

liệu điện môi/bán dẫn dạng mang mỏng vô co WO; và hữu cơ lai hóa chitosan:oxit

graphen tương thích sinh học có tính đảo điện trở thuận nghịch (tính trở nhớ) và luận

giải được cơ chế truyền dẫn điện tích và đảo điện trở thuận nghịch của vật liệu làm

cơ sở hiểu được cơ chế cảm biến; (2) biến tính thành công bề mặt màng WO; và

CS:GO với các nhóm chức -NH;, -COOH và (3) gắn kết thành công các chất thử lên

bề mặt màng WO; và CS:GO thông qua các nhóm chức -NH2, -COOH

Đôi tượng nghiên cứu của luận án

Sau khi tìm hiêu về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, kêt hợp với sự

kế thừa các nghiên cứu trước đây của nhóm, tác giả và tập thể cán bộ hướng dẫn đã lựa chọn đôi tượng nghiên cứu của luận án như sau:

- Vật liệu tương thích sinh học có tính trở nhớ: WO3 và CS:GO.

- Cac tiền chất dé biến tính bề mặt: (3-Aminopropyl)triethoxy silane (APTES)

dé hình thành nhóm chức -NH; và succinic anhydrid (SA) dé hình thành nhóm

chức -COOH.

- Chat thử sinh hoc: NHạ Oligo C6-sybr green I và fluorescein isothiocyante

(FITC).

Pham vi nghiên cứu của luận án

Luận án được nghiên cứu trong phạm vi phòng thí nghiệm tại cơ sở đào tạo và các phòng thí nghiệm hợp tác trong và ngoài nước.

Phương pháp nghiên cứu trong luận án

Luận án được thực hiện thông qua việc tìm hiểu về tình hình nghiên cứu trong

và ngoài nước đê có được tông quan về cơ sở lý thuyét Từ đó, sử dụng các phương

pháp thực nghiệm dé tiến hành chế tạo cũng như biến tính bề mặt vật liệu, sau đó sử

dụng một số phương pháp đo đạc dé phân tích và đánh giá tính chat của vật liệu

Y nghĩa khoa hoc của luận án

Các kết quả chính của luận án liên quan đến (1) quy trình công nghệ chế tạo

màng WO; và mang mỏng CS:GO có tính trở nhớ, luận giải được cơ chế truyền dẫn

điện tích và đảo điện trở thuận nghịch của các mảng nêu trên là cơ sở xác định cơ chếcảm biến của vật liệu; (2) quy trình biến tính bề mặt mang vô co và hữu co lai hóavới các nhóm chức -NHa, -COOH, luận giải được cơ chế gan kết nhóm chức lên bềmặt vật liệu, (3) quy trình gắn kết chat thử NHa Oligo C6-sybr green I và FITC lên

các nhóm chức -NH2, -COOH.

Các kết quả nêu trên đã được công bố thành công trên 03 tạp chí khoa họcquốc tế SCIE (1 Q1, 2 Q2) và một chương sách tham khảo trong nước, là dữ liệutham chiếu cho cộng đồng khoa học trong cùng lĩnh vực và chủ đề nghiên cứu

Chương 1 TONG QUANNhằm tìm hiểu rõ hơn về cơ sở nghiên cứu cũng như việc lựa chọn các đốitượng nghiên cứu của luận án, trong chương này sẽ trình bày tổng quan về cảm biếnsinh học nói chung và cảm biến trở nhớ nói riêng, một số vật liệu có tính trở nhớ vàcác phương pháp biến tính bề mặt vật liệu.

1.1 Téng quan về cảm biến sinh học

Nhờ công nghệ nano, các cảm biến sinh học với các vật liệu ở thang nano cókhả năng tương tác với các chỉ dấu sinh học, phát hiện tế bào gây bệnh, sàng lọc tế

bào mang bệnh và giúp điều trị bệnh hiệu quả Các nghiên cứu gần đây chú trọng đếnVIỆC chế tạo cảm biến sinh học có độ nhạy cao nhằm phát hiện nhanh các chỉ dấu sinh

học có nông độ rất thấp (nM — fM) Phan lớn các quá trình hình thành và phát triểnung thư đều xảy ra ở quy mô nano Ví dụ, việc phát hiện các chỉ dấu ung thư từ khihình thành (giai đoạn tiền nhiễm bệnh) đòi hỏi thiết bị phát hiện phải hoạt động được

Ở cấp độ nano Phát hiện sớm và định lượng nhanh các chỉ dấu sinh học như glucose,protein, DNA trong bệnh pham cung cấp một khả năng cao va hiệu quả trong ngăn

ngừa và điều trị bệnh, đặc biệt là những bệnh ung thư

1.1.1 Cảm biến sinh học cộng hưởng trên cơ sở thanh nano dao động

Khi các tế bào được gắn kết trên bề mặt thanh nano, các tế bào này đóng vaitrò như một tải trọng đặt lên thanh nano gây ra ứng suất trên bề mặt thanh nano, gây

moment uốn ảnh hưởng đến tần số dao động riêng hoặc độ lệch của đầu thanh nano

Các thông số trên phụ thuộc vào kích thước thanh nano, suất đàn hồi của thanh (vật

liệu) Sự thay đôi độ lệch hoặc tần số dao động của thanh nano phụ thuộc vào s6lượng tế bao được gắn kết trên thanh nano [40] Các phương pháp được dùng dé pháthiện sự thay đổi trên là phương pháp quang học, giao thoa, phương pháp đọc điệndung [41, 42] Dé phát hiện một lượng tế bào nhỏ đòi hỏi thanh nano phải được chếtạo ở kích thước nhỏ tương ứng, đây là yêu cầu khắt khe với tình hình công nghệ hiện

tại ở Việt Nam Không những thế, việc phát hiện những thay đổi rất nhỏ về độ lệch

hay tần số của thanh nano yêu cầu các thiết bị phân tích tinh vi, đắt tiền [43]

Hình 1.1 Mô hình cảm biến sinh học thanh nano dao động [40]

1.1.2 Cảm biến sinh học điện hoá

`XX^

Hiệu điện thế

—**»XSxx++ ¬ `

Hình 1.2 Mô hình đo của cảm biến sinh học điện hoá [44]

Cảm biến sinh học điện hoá là cảm biến sinh học có bộ phận chuyền đổi thành

tín hiệu điện hoá: điện cực biến đổi hoá học (điện cực điện hoá) được chức năng bềmặt Các phương pháp dé đo tín hiệu khi có sự tương tác giữa cảm biến và đối tượngsinh học cần phân tích như phương pháp đo dòng, thé, đo độ dẫn, đo phổ tổng trở

nghiên cứu chính trong những năm gân đây Hạn chê của cảm biên sinh học điện hoá

là phép đo phải được tiến hành trong môi trường dung dịch [43, 45-47]

1.1.3 Cảm biến nano sinh học trên cơ sở hiệu ứng trường

® hạt mang điện dương @hat mang điện âm

hoặc lỗ trông

Thời gian Thời gian

Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học hiệu ứng trường [48]

Khi vật liệu được chế tạo ở dạng sợi nano, sỐ lượng các nguyên tử ton tại trên

bề mặt sợi rất lớn nên các tính chất như điện trở của sợi rất nhạy với các thay đôi của

môi trường bên ngoài hoặc khi sợi có tương tác với tác nhân bên ngoài Nguyên lýhoạt động của cảm biến sinh học sợi nano dựa trên nguyên lý làm việc của transitor

hiệu ứng trường (field effect transistor —FET) [48, 49], cụ thé là:

e Soi bán dan nano có chứa các hạt dan điện (vi dụ tích điện dương) với hai

đâu được kêt nôi với các điện cực Bê mặt sợi bán dan nano được chức năng hoá bởi các môi sinh học nhăm bắt cặp với các chỉ dâu sinh học cân

phát hiện.

e Su bat cặp giữa các môi/chỉ dâu sinh học dién ra trên bê mặt sợi nano xảy

ra khi dung dịch chứa các chỉ dấu sinh học được cho chảy qua sợi nano

e Các chỉ dấu sinh học có điện tích có điện tích dương sẽ làm giảm dòng điện

chạy qua sợi nano (Hình 1.3.b) Ngược lại, khi các chỉ dấu sinh học âm sẽdẫn đến sự tích tụ các hạt dẫn của sợi lên trên bề mặt, làm tăng dòng điện

chạy qua sợi (Hình 1.3.c) Như vậy tín hiệu nhận biết sự tồn tại của các chỉ

dấu sinh học cần phát hiện là giá trị dòng diện chạy qua sợi nano Thường

giá trị dòng rất nhỏ (~ nA) nên yêu cầu thiết bị hiện đại và khả năng chốngnhiều cao.

Tất cả các phương pháp kê trên đều có những điểm chung là cần chức năng

hóa bề mặt vật liệu nano nhằm tạo thành những nhóm chức dé liên kết với đối tượng

sinh học Sự khác biệt là cấu tạo, cơ chế phát hiện và tín hiệu ra (chênh lệch tan số,

kích thước, dòng điện ).

Yêu cầu hiện nay dé chế tao các cảm biến sinh học là cần hướng tới thiết bị

gọn nhẹ, đơn giản, thao tác và phân tích dễ dàng, độ nhạy cao, đặc hiệu, phân tích trong môi trường khô.

Trong các phương pháp khảo sát trên, phương pháp có tín hiệu ra là dòng điện

có ưu thế là đơn giản, dễ nhận biết Tuy nhiên, khi cần phát hiện một lượng nhỏ đối

tượng sinh học, giá trị dòng điện thu được có giá trị nhỏ (nA) nên khó phát hiện độ

chênh lệch của dòng điện khi có và không có đối tượng sinh học

1.1.4 Cảm biến sinh học trở nhớ

Từ năm 2011 đến nay, một thiết bị cảm biến sinh học mới được phát triển vớimột phương pháp đọc tín hiệu đơn giản hơn đó là cảm biến sinh học trở nhớ

(memristive biosensor) Khái niệm trở nhớ (memristor) bắt nguồn từ các công bố

khoa học liên quan đến bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên dạng điện trở (Resistive random

access memory — ReRAM) [27-30, 50-52] Trở nhớ được xem là linh kiện điện tử cơ

bản thứ tư bên cạnh điện trở, tụ điện và cuộn cảm Sự tiến bộ nhanh chóng trong kỹthuật công nghệ thông tin đòi hỏi cần có các loại bộ nhớ điện tử có tốc độ truy cập

cao và khả năng lưu trữ lớn Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (Random access memory

-RAM) được chế tạo từ vật liệu micro — nano gồm bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên dạngsắt điện (FRAM), bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên dang từ tính (MRAM), bộ nhớ truy cập

ngẫu nhiên dạng thay đổi pha (PRAM) và bộ nhớ truy cập ngau nhiên dạng điện trở

(RRAM hay ReRAM) đã được nghiên cứu rộng rãi Bộ nhớ RRAM có lợi thế do chế

hợp cao và khả năng tương thích tốt với các oxit kim loại trong công nghệ bán dẫn

trên nền vật liệu Si hiện nay (CMOS) Cấu tạo của bộ nhớ RRAM thường bao gồmmột vật liệu cách điện I (insulator) kẹp giữa hai điện cực M (metal) dé tạo thành cau

trúc kim loại - cách điện - kim loại (MIM) (Hình 1.4)

Điện cực định

Lớp điện môi

Điện cực day

Hình 1.4 Cấu tạo của bộ nhớ dạng trở nhớ ReRAM

Bằng cách áp một điện áp thích hợp, các tế bào MIM có thé đảo thuận nghịch

giữa hai trạng thái điện trở của lớp vật liệu cách điện: điện trở cao (OFF) và điện trở

thấp (ON) Hai trạng thái này có thể tương ứng với các giá trị logic 1 và 0

Các nhóm nghiên cứu thuộc đại học Nanyang — Singapore, đại học Lausanne

—Thụy sĩ và đại học California — Hoà kỳ [9, 14, 15, 51, 52] đã công bố những nghiêncứu khoa học đầu tiên về cảm biến sinh học trở nhớ với các vật liệu cách điện ở dạng

sợi nano Phương pháp đo truyền thống là áp thế vào hai đầu sợi nano và thu được

dòng điện chạy qua sợi nano So sánh sự chênh lệch giữa dòng điện chạy qua sợi nano

khi không có và có đối tượng sinh học trên bề mặt thanh là tín hiệu nhận biết Tuynhiên, dòng chạy qua thanh nano thường nhỏ (nA) nên rất khó phát hiện, yêu cầu

thiết bị hiện đại, chống nhiễu tốt Với cảm biến trở nhớ, thay vì khảo sát sự chênh

lệch về dòng điện, sự chênh lệch về điện thế là tín hiệu nhận biết Khi không có đốitượng sinh học tồn tại trên cảm biến, giá trị dòng I nhỏ nhất của cảm biến dưới tác

dụng của điện áp thuận và nghịch luôn tương ứng với V = 0 (Hình 1.6a) Khi cảm

biến phát hiện có sự tồn tại của đối tượng sinh học, gia tri dòng I nhỏ nhất của cảm

biến dưới tác dụng của điện áp thuận và nghịch sẽ xuất hiện tại 2 gia trị điện thế +V

fM (Hình 1.7) sẽ giúp việc nhận biết tín hiệu đầu ra đễ dàng hơn Một ưu thế khác là

việc phát hiện các đối tượng sinh học được thực hiện trong môi trường khô, khác so

với phương pháp cảm biến sinh học điện hoá

0 0,5 1 1,5 2 2,5

[VEGF] [fMỊ

Hình 1.7 Độ lệch chênh lệch điện thé của cảm biến sinh học trở nhớ sợi nano Si

thế theo nồng độ đối tượng sinh học ở thang fM [14]

1.2 Vật liệu trở nhớ

1.2.1 Vật liệu perovskite

Beck [25] đề xuất cơ chế truyền dẫn trong màng mỏng SrZrO pha tạp Cr được

điều khiển bởi các khuyết tật do các tạp chất có trạng thái oxi hóa khác nhau Các

khuyết tật từ tạp chất hình thành nhiều mức năng lượng trong vùng cắm, tăng cườngquá trình trao đổi điện tích giữa các mức năng lượng, vi dụ giữa Cr3* và Cr** Thang[27-29] sử dụng phương pháp trở kháng đề tìm hiéu vai trò của nút khuyết oxi trong

cơ chế truyền dẫn và đảo điện trở của màng mong SrTiO; pha tạp Cr Kết quả trở

kháng cho thấy nồng độ nút khuyết oxi ảnh hưởng đến sự mat trật tự của cấu trúc va

tăng cường khả năng định xứ của hạt tải Khi nồng độ nút khuyết oxi nhỏ, trong màng

SrTiO3 pha tap Cr ton tại các trạng thái định xứ yếu, hạt tải được tiêm vào từ điện cực

sẽ bị các trạng thái trên bắt giữ, khi các trạng thái trống hoàn toàn bị lấp day, điện tử

từ điện cực sẽ nhảy trực tiếp vào vùng dẫn của màng SrTiO; pha tap Cr, gây ra sự

đảo điện trở từ trạng thái có điện trở cao (HRS) sang trạng thái có điện trở thấp(LRS) Quá trình đảo từ LRS về HRS là do quá trình điện tử thoát khỏi các trạng thái

định xứ yếu (các bẫy) Cơ chế truyền dẫn điện tích tương ứng là nhảy lò cò (variablerange hopping) và các điện tích không gian được điều khién bởi bay (trap - controlledspace-charge-limited) Khi gia tăng nồng độ nút khuyết oxi, cau trúc trở nên mắt trật

tự và polaron được hình thành Kết quả là các trạng thái định xứ mạnh đã ngăn cản

quá trình truyền dẫn của điện tích và khả năng đảo điện trở của màng hoàn toàn bị

dập tắt Với nghiên cứu cùng loại vật liệu SrTiO3 pha tạp Cr, Szot [26] chỉ ra sự thay

đôi nồng độ oxi tại các vi trí cục bộ trong mang gây ra đảo điện trở Janousch [54] đề

xuất vai trò của nút khuyết oxi trong việc hình thành các đường dẫn Cơ chế đảo điệntrở tương ứng là do sự di chuyển của các nút khuyết oxi dưới tác dụng của điệntrường: khi anod được phân cực âm, nút khuyết oxi mang điện tích đương bị cuốn về

anode và điện trở của cấu trúc chuyên từ HRS sang LRS Ngược lại, khi áp thế đương

vào anod, nút khuyết oxi bị cuốn ra xa khỏi anod, điện trở chuyền từ LRS về HRS

Đối với vật liệu Pro7Cao3MnO3 (PCMO), hiện tượng đảo điện trở phổ biến

xảy ra tại mặt phân giới [55-58] và trong khói [59] Baikalov cho rằng hiện tượng đảođiện trở phụ thuộc vào chiều phân cực của điện trường xảy ra tại mặt phân giớiAg/PCMO thông qua quá trình điện hóa [55] Tsui cho rằng sự đảo điện trở xảy rachủ yếu tại mặt phân giới kim loai/oxit, điện dung của lớp bề mặt thay đôi khi daođiện trở chứng tỏ rằng có sự tồn tại của lớp điện tích không gian và điện trở của mặt

phân giới được quyết định bởi các các điện tích bị bẫy tại mặt phân giới [56] Vì thế

sự đảo điện trở là do sự thay đôi nồng độ bẫy dưới tác động của điện trường, thông qua khảo sát đặc trưng I-V theo nhiệt độ, cơ chế truyền dẫn tại điện trường thấp là

phát xạ nhiệt và dòng điện tích không gian tại điện trường cao do quá trình tiêm điện

tích từ điện cực Odagawa cho rằng rào thế mang đặc trưng Schottky tồn tại trong

vùng nghẻo tại một hoặc cả hai mặt phân giới thông qua quá trình bẫy và giải bẫy tại

các mặt phân giới [58] Sawa thu được kết quả tương tự như đề xuất của Odagawa,

cho thấy sự thay đổi điện trở xảy ra tại mặt phân giới Ti/PCMO vì các trạng thái bẫy

có nồng độ đủ lớn đề hình thành rào thế Schottky [57] Ngược lại với các lập luận vềvai trò của lớp bề mặt, Papagianni [59] dé xuất vai trò của các đường dẫn trong khốilên sự đảo điện trở của màng PCMO và Duhalde [60] cũng cho rằng các đường dẫn

đóng vai trò chủ yêu trong màng Lao7Sro.3MnO3

1.2.2 Vật liệu oxit kim loại chuyến tiếp

Cho đến nay, nhiều loại vật liệu ở dang màng mỏng là các oxit kim loại chuyển

tiếp đã được sử dụng cho ReRAM, chăng hạn như ZnO, Nb2Os, Al2O3, Ta2Os, TiOz,

NiO, và WOs3, Su chuyén đôi điện trở giữa hai trạng thái của các vật liệu trên không

chỉ phụ thuộc vào ban thân vật liệu oxit ma còn phụ thuộc vào vật liệu điện cực (Au,

Pt, Ti, Al, Ag, ITO, ) Vật liệu điện cực khác nhau có thé gây ra đặc trưng chuyềnđổi khác nhau

Mang mỏng NiO là vật liệu được nghiên cứu cho ứng dụng RRAM tất sớm

Seo nghiên cứu vật liệu NiO va chỉ ra ảnh hưởng cua sự không hợp thức Ni/O lên sự

đảo điện trở Nhiều oxi trong quá trình tổng hợp vật liệu dẫn đến sự thiếu hụt Ni hay

tạo ra nhiều nút khuyết Ni Quá trình đảo điện trở thuận nghịch là do sự hình thành

va đứt gay của đường dẫn kim loại Ni [31, 32].

Park [61] có kết quả nghiên cứu tương tự và kết luận rằng, khi gia tăng mật độ

đường dẫn kim loại Ni, trạng thái điện trở thấp biến đổi không thuận nghịch Các kếtquả nghiên cứu về ảnh hưởng của cấu trúc tinh thé chỉ ra rang: cấu trúc Pt/NiO_datinh thé/Pt có tính chất đảo điện trở tốt hơn cấu trúc Pt/Epitaxial NiO/Pt Ngoài ảnhhưởng của của khuyết tật vi cau trúc (nút khuyết Ni, nút khuyết oxi hoặc biên hạt) lên

khả năng và hiệu suất đảo điện trở của mang NiO, vai trò của điện cực và phan ứng

tại bề mặt phân giới kim loai/NiO cũng đã được khảo sát (Pt, Ta, Al, Ag, Cu) [62]

Kết quả cho thay có sự tương tác giữa NiO va vật liệu điện cực (Ag, Cu) và hình

thành các lớp vật liệu oxit điện cực Trong cấu trúc Ag/NiO/Pt Khi áp điện cực dươngvào Pt, cấu trúc cho hiệu ứng đảo điện trở Ngược lại khi áp thế dương vào Ag, cầutrúc không cho hiện tượng đảo điện trở Kết quả XPS đã giúp giải thích kết quả trên

là do sự khác biệt về phản ứng kim loại/oxit tại hai mặt phân giới đã ảnh hưởng đến

quá trình hình thành và đứt gãy đường dẫn kim loại gần điện cực Jung [63] đã pha

tạp Li vào NiO và cho thấy màng mong NiO pha tạp Li có hiệu suất đảo điện trở tốt

hơn mang NiO không pha tap.

Mang mong T1O; ở pha anatase, rutile hay vô định hình thường cho hiện tượngđảo điện trở lưỡng cực [63, 64] Kim chỉ ra rằng sự đảo điện trở trong cấu trúc

PƯTiO2z/Pt và Ir(O)/TiO>/Pt là do sự hình thành và đứt gãy đường dẫn kim loại gầnmặt phân giới anod [65] Tuy nhiên, hiện tượng đảo điện trở trong cấu trúc Pt/TiO2/Pt

là do quá trình tiêm phun điện tử từ điện cực theo cơ chế phát xạ Schottky hoặc dòngdẫn giới hạn bởi điện tích không gian (SCLC) mà không phải do cơ chế đường dẫnkim loại Bằng cách pha tap Gd vào TiO›, Liu đã nâng cao hiệu suất đảo điện trở củamang T1O: [66].

Villafuerte [67] pha tạp S và Co vào ZnO, Mang mong ZnO pha tạp Co có

hiệu suất đảo điện trở ôn định và đồng nhất hon mang pha tạp S Khi pha tap Mg vào

ZnO trong cấu trúc Pt/MgozZnosO/Pt, cửa sô điện trở tăng đột biến lên cao từ 7 đến

9 bậc Hai cơ chế truyền dẫn điện tích là Ohmic cho LRS và dong điện tích khônggian được điều khiển bởi bay cho HRS Cơ chế chuyền đôi điện trở là do nồng độ Mgpha tạp trong mang ZnO [68, 69] Một công bồ khác với cau trúc Ag/ZnO:Mn/Pt cũng

cho cửa số điện trở cao đến 7 bậc nhưng cơ chế đảo điện trở lại liên quan đến đường

dẫn kim loại Ag Hiện tượng đảo điện trở lưỡng cực của màng ZnO trong cấu trúcTiN/ZnO/Pt là do đường dẫn kim loại gồm các nút khuyết oxi Cơ chế đảo điện trở là

do sự phát sinh và tai hợp của nút khuyết oxi và các ion oxi [70] Tran với cau trúc

đa lớp Cu/ZnO/Cu/ZnO/Cu chỉ ra vai trò của đường dẫn kim loại Cu trong hiện tượng

đảo điện trở của ZnO/Cu/ZnO [30].

1.2.3 Vật liệu dựa trên nền hữu cơ

Thành phần ghi nhớ hữu cơ dựa trên tiếp xúc polyaniline-chitosan (PANI-CS)

đã được Angelica Cifarelli và cộng sự công bố vào năm 2018 [71] Chitosan được sửdụng làm chất điện phân polime rắn trong phạm vi hoạt động của thành phần ghi nhớhữa cơ Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên sự thay đổi đáng kể của điện trởpolyaniline ở các trạng thái bị oxi hóa và khử trong vùng tiếp giáp Các thông số thực

nghiệm ảnh hưởng đến cách thức ghi nhớ của các thiết bị dựa trên chitosan đã được

nghiên cứu băng các phép đo đặc trưng I-V Độ dẫn ion trong chất nền cao phân tử

phụ thuộc vào các thông số hóa lý khác nhau của các ion như điện tích, bán kính ion,entanpi hiđrat hóa Tốc độ khuếch tán ion qua chất nền cao phân tử ở trạng thái răn

ảnh hưởng đến sự chuyên đôi điện hóa của polyaniline Do đó, đặc trưng I-V sẽ phụ

thuộc vào thời gian trễ giữa việc áp thế và đọc giá trị dòng

Một bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên chuyên đôi điện trở trong suốt, linh hoạt và

có tính tương thích sinh học dựa trên nền chitosan đã được Niloufar Raeis-Hosseini

và Junsuk Rho nghiên cứu và công bố vào năm 2021 [37] Thiết bị có cấu trúc thanhngang Ag/Au-chitosan/Au (Hình 1.8) thể hiện đặc tính ReRAM không khả biến.ReRAM tương thích sinh học (bioReRAM) dựa trên Au-chitosan này cho thấy hiệu

suất bộ nhớ lưỡng cực đáng tin cậy với tính linh hoạt cơ học cao Thiết bị cho thấy

các đặc điểm bộ nhớ thiết yếu bao gồm khả năng lưu giữ dữ liệu lâu với hàng trămchu kỳ chuyền đổi Nguồn gốc của các đặc tính chuyền đổi điện trở có liên quan đến

sự dẫn điện giới hạn điện tích không gian bởi bẫy ở trạng thái HRS và sự hình

thành/phá hủy của dây tóc dẫn điện ở trạng thái LRS Trong quá trình quét điện áp

dương, cơ chế dòng dẫn trong màng là sự kết hợp của dẫn truyền f và Ohmic cho cả

LRS và HRS Tuy nhiên, trong vùng điện thế âm, cơ chế dòng dẫn trong HRS làSCLC, nhưng trong vùng LRS thì sự vận chuyên hạt tải điện bị ảnh hưởng bởi cơ chế

dân ohmic.

Chitosan va hat nano Au

Hình 1.8 Hình minh họa (a) so đồ của cấu trúc thiết bị đơn va (b) cấu trúc hóa học

của các hạt nano Au và chitosan [37]

Sreedevi Vallabhapurapu và cộng sự [72] đã kết hợp nano oxit graphen đã khử

(rGO) với polyvinyl alcohol (PVA) dé phủ trên dé ITO Trong LRS, sự dẫn điện ban

đâu bị giới hạn bởi điện tích không gian, sau đó chuyên sang ohmic và tôn tại cho

đến khi chuyên sang HRS Trong quá trình quét điện áp ngược, sự dẫn truyền trong

HRS ban đầu là ohmic, sau đó chuyển thành một loại dẫn truyền nhảy lò cò kéo dài

cho đến khi xảy ra chuyên đổi sang LRS

1.3 Cac phương pháp biến tính bề mặt

Biến tính bề mặt được định nghĩa là lớp phủ hoặc biến tính bề mặt của vật liệu

bang cách sử dụng các phương pháp vật lý hay hóa học, sinh học và làm cho vật liệu

có chức năng đặc biệt khác với vật liệu ban đầu Trong số các phương pháp biến tính,

phương pháp hóa học và vật lý đã thu hút nhiều sự chú ý của các nhà khoa học

1.3.1 Các phương pháp hóa học

Các phương pháp hóa học có thé được sử dung đề có định các các nhóm chức,

vật liệu/hạt nano trên bề mặt của chất nền thông qua việc ghép hóa học của các chất

chức năng (silan hóa, flo hóa, kết hợp sulfonate và acetyl hóa) hoặc chức năng hóacác đơn chất chức năng hiện có (khử và oxi hóa) (Hình 1.9) [73-75]

1.3.1.1 Hấp phụ hóa học

Sự hấp phụ hóa học của các phân tử sinh học lên bề mặt của vật liệu xảy rathông qua sự hình thành liên kết cộng hóa trị Genipin là một chất liên kết ngang tựnhiên cho chitosan và các phân tử sinh học khác, và đã được sử dụng để cải thiệnhình thái học bề mặt của sợi nano chitosan Một nhóm amin trong chitosan tương tác

với nhóm COOH của genipin, dẫn đến sự hình thành liên kết cộng hóa trị giữa nhómaldehyde và amin bậc hai và hình thành liên kết đôi ở carbon tại vị trí ortho [76] Một

nghiên cứu cho thấy khả năng chống lại sự thoái hóa và trương nở của lysosome,đồng thời tăng 100% tốc độ phát triển neurite trên bề mặt của sợi nano được xử lýbang genipin [77] Có một số cách tạo liên kết cộng hóa tri nhằm tạo nên bề mặt phản

ứng hóa học để cố định các phân tử sinh học vào vật liệu Liên kết cộng hóa trỊ có ưuđiểm như khả năng kiểm soát cao dé cố định các phân tử sinh học trên bề mặt 1-

ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide/N-hydroxysuccinimide (EDC/NHS),

một chat liên kết hai nhóm chức năng hay còn gọi là chất trung gian đã thu hut nhiều

sự chú ý của cộng đồng khoa học do khả năng hòa tan trong nước của các hợp chấtđược sinh ra dưới dang sản phẩm thừa khi kết thúc phan ứng [78] Liên kết EDC/NHS

không gây ra bat kỳ độc tính tế bào nào trong hệ thống sinh học vì nó không tham giavào liên kết.

Hình 1.10 Có định cộng hóa tri của RGD trên bề mặt của sợi nano PCL/P3ANA

thông qua hóa học EDC/NHS [73]

Việc lựa chọn bề mặt chứa nhóm cacboxylic (-COOH) là một bước quan trọng

dé sử dụng EDC/NHS làm chất liên kết trung gian dé cé định cộng hóa trị các phân

tử sinh học [79] Sự cố định cộng hóa tri dựa trên phản ứng “hoạt hóa bề mặt” giữanhóm amin (-NH›) trên phân tử sinh học và bề mặt bi phân hủy succinimidyl ester (-COOSuc) với sự có mặt của liên kết EDC/NHS Guler và cộng sự đã chế tạo sợi nano

axit arginylglycylasparic (RGD)-polycaprolactone/poly (axit m-anthranilic)

(PCL/P3ANA) bang cách sử dụng EDC/NHS làm chat liên kết trung gian dé thúc day

sự kết dính, tăng sinh và hoạt động tạo xương của tế bào (Hình 1.10) [73] PSANA

cung cấp các nhóm -COOH trên bề mặt dé có định cộng hóa trị của peptit RGD RGD

peptit được liên kết cộng hóa trỊ với sợi nano thông qua việc kích hoạt các nhóm

-COOH trên xương sống anilin của P3ANA bởi liên kết EDC/NHS [73] Beiki và cộng

sự đã tổng hợp chất nền x6p 3D bang cách sử dụng thạch Wharton của con người déthúc day quá trình chữa lành vét thương [80] Liên kết NHS/EDC đã góp phan vào

việc gan cộng hóa trị của các nhóm -COOH từ glycosaminoglycan (GAG) được sulfat

hóa với các nhóm NH: của collagen trong ma trận GAG — collagen được sulfat hóa

và cung cấp sức dé kháng đáng ké của giàn mô đối với sự phân hủy enzym [80]

Manchineella và cộng sự cho thấy các biến đổi cộng hóa trị của mang tơ fibroindẫn đến sự gia tăng của các tế bào mô đệm trung, mô đa năng ở người (hMSC$) sovới sự biến đồi vật lý của màng tơ fibroin [81] Sadeghi và cộng sự đã chứng minhrằng các liên kết EDC/NHS cung cấp đủ độ ôn định của hoạt chất bề mặt, do đó danđến tăng hoạt tính sinh học của bề mặt trong giá poly điện (axit lactic-co-glycolic)

(PLGA) để tái tạo da [82] Chen và cộng sự đã phát triển huyết tương giàu tiêu cầu

(PRP) dạng sợi có chức năng và màng polyhydroxybutyrate (PHB) được liên kết chéo

băng EDC/NHS [83] Dé đưa các nhóm hydroxyl (-OH) và aldehyde dé dán dopaminelên bề mặt, PHB được xử lý bang dung dịch hydrogen peroxide (H2O2) vàglutaraldehyde (GLA) Kết quả cho thay các phân tử dopamine hoạt động giống như

neo và cô định cộng hóa trị chitosan trên bề mặt của sợi PHB Cuối cùng, bằng cách

sử dụng các phân tử liên kết EDC/NHS, PRP được liên kết cộng hóa trị tại các amin

đầu cuối tự do của chitosan [83] Một trong những chat liên kết cung cấp độ 6n định

chính xác và đủ của các chất hoạt động bề mặt trên bề mặt vật liệu cho các ứng dụng

trong công nghệ mô là maleimide [84] Nhóm phan ứng maleimide có khả năng phản

ứng chọn lọc đối với dư lượng cysteine trong protein Park và cộng sự đã chế tạohydrogel dựa trên poly (ethylene glycol) (PEG) với các nồng độ khác nhau của các

nhóm chức maleimide phản ứng thiol thông qua quá trình phân giải quang hoc ở nhiệt

độ phòng [85] Sau đó, các hydrogel PEG được mã hóa sinh học thông qua phương

pháp liên hợp nucleophilic thiolene để tạo điều kiện cho sự cô định của phân tử sinh

học fluorescein isothiocyante (FITC) —streptavidin trên bề mặt của hydrogel PEG Sự

cô định FITC-streptavidin trong hydrogel có thê đạt được băng cách thay đổi mật độ

của nhóm maleimide Hydrogel dựa trên PEG có chứa các nhóm chức maleimide

phản ứng với thiol có thể được sử dụng làm nền tảng cho sự kết dính và tăng sinh tếbao [85] Mobasseri và cộng sự đã tao ra các nhóm -COOH trên bề mặt của PCL sợinano bang cách sử dung dung dịch EDC/NHS [86] Sau khi loại bỏ các phân tửEDC/NHS không liên kết, bề mặt hoạt hóa được xử lý bằng dung dịch maleimide —PEG - amin Cuối cùng, vật liệu liên hợp với trình tự liên kết được ủ với dung dịchpeptit R qua đêm Một phương pháp hóa học khác có thể được sử dung để có địnhcác phân tử sinh học trên bề mặt của vật liệu là sử dụng các phân tử liên hợp [87]

Một phân tử liên hợp được sử dụng rộng rãi dé biến tính bề mặt của vật liệu là

avidin-biotin [S8] Tính đặc hiệu cao, ái lực và tính ôn định của hệ thống liên kết này ảnh

hưởng đến các tính năng cơ học và ưa nước của vật liệu và làm cho chúng trở thành

chất nền thích hợp cho sự phát triển của tế bào và tăng sinh bằng cách liên hợp cácphân tử sinh học trên bề mặt của vật liệu [89] Hệ thong lién két nay là tương tac sinhhọc không hóa trị mạnh nhất và có thé không bị ảnh hưởng bởi các yêu tố môi trườngnhư nhiệt độ, pH, hầu hết các chất biến tính và dung môi hữu cơ Avidin vàstreptavidin có bốn vị trí liên kết và tạo ra một liên kết đặc hiệu và bền vững với cácphân tử biotin có ái lực không đổi gần 1015 M'! [90]

1.3.1.2 Hóa học ướt

Phương pháp hóa học ướt dé dàng kết hợp các thành phan sinh học và hữu cơ

dé đạt được nhiều chức năng sinh học khác nhau như gồm -OH, -NH: và -COOH Kỹ

thuật phân giải amin thường được sử dụng với hóa học EDC/NHS đề đưa các nhóm-NH: sơ cấp hoặc thứ cấp lên bề mặt vật liệu sinh học [91] Sangsanoh và cộng sự

[92] đã cố định laminin trên bề mặt của PHB bằng cách sử dụng kỹ thuật phân giải

amin và EDC/NHS như một tác nhân liên kết chéo Các giá thé PHB được amin hóatrong dung dịch hexamethylenediamine/isopropyl alcohol Sau khi rửa bằng nướckhử ion (DI) và làm khô trong chân không, các giá thé đã bị amin hóa được ngâmtrong dung dịch EDC/NHS và cuối cùng các giá thé được ngâm trong dung dichlaminin Khung laminin-PHB liên kết cộng hóa trị tăng cường rõ rệt khả năng bámdính và tăng sinh của tế bào (Hình 1.11) Hoseinpour và cộng sự [93] đã sử dụng hóa

học EDC/NHS và quá trình amin hóa bề mặt dé chuan bị màng polyethersulfone biến

tính CMC (SCMC) hoặc CMC được sulfat hóa (PES) Quá trình phân giải amin bề

mặt của màng PES được thực hiện thông qua việc ngâm trong dung dịch phân giải

amin (10% trọng lượng diethylenetriamine (DETA) trong nước) Sau đó, sau khi loại

bỏ DETA được hấp phụ vật lý bởi ethanol, màng PES-NH; được ủ trong dung dịchCMC hoặc SCMC có chứa EDC/NHS và axit morpholineethanesulfonic.

HẠNG ANH, OHN-NH, Hooc (Em) COHNVVNHCO

OHN-NH, COHNYYNHCO—CLaminin)

ro OHN-NH, EDCINHS ` COHNZNHCO—((aminin)

Giá thể Amine hóa giá thể Cấy Laminin lên giá thể

dạng sợi PHB dạng sợi PHB (A-PHB) A-PHB (LA-PHB)

Hình 1.11 Sử dụng hóa học EDC/NHS để có định laminin trên bề mặt của giá thể

dạng sợi PHB [92]

Sợi nano poly (Ilactide) (PLLA) đã được amin hóa dé có định nhóm OH,

-NH: và -COOH trên bề mặt Các sợi nano PLLA bi amin hóa được nhúng vào dungdịch oxit graphen (GO) Một kỹ thuật hóa học ướt khác có thể được áp dụng dé cốđịnh các nhóm -COOH trên bề mặt vật liệu là phương pháp thủy phân Xử lý thủy

phân là một kỹ thuật đơn giản có thể được sử dụng để tăng độ nhám bề mặt và tính

ưa nước thông qua việc dùng dung dịch NaOH [94] Yuan và cộng sự đã sử dụng

phương pháp này dé chức năng hóa các vi cầu xốp PLGA (porous

poly(lactic-co-glycolic acid)) bằng cách sử dung poly-l-lysine (PLL) [95] Quá trình thủy phân bề

mặt của vi cầu PLGA được thực hiện thông qua việc ngâm trong dung dịch NaOH0,1M Sau đó, các vi cầu PLGA thủy phân (PLGA-H) được ngâm trong dung dịch

PLL (PLL-g-FITC) được dán nhãn PLL hoặc FITC qua đêm Quá trình thủy phândẫn đến việc tạo ra một cấu trúc xốp liên kết đồng nhất nhờ sự hòa tan của polime

mỏng xung quanh các lỗ xốp Việc biến tính bề mặt với PLL đã thúc đây gan kết tếbào ban đầu và cải thiện tương tác giữa tế bào với chất nền [95] Kích thước va cầutrúc lỗ được tạo ra bởi quá trình phản ứng amin hoặc thủy phân có thê có những ảnhhưởng khác nhau đến tế bào Ví dụ, giá thé poly(e-caprolactone) (PCL) xốp 3D vớikích thước lỗ 200-300 pm sau khi xử lý thủy phân đã cung cấp môi trường tốt hơn

cho sự tạo xương của hMSCs Tuy nhiên, cùng một giá thé với kích thước lỗ

300-450 um và được xử lý bằng phương pháp phân giải amin cho thấy những điều kiệnthuận lợi nhất cho sự khác biệt tạo mầm của hMSCs [96]

Pilipchuk và cộng sự đã nghiên cứu tác động của bốn phương pháp xử lý bềmặt khác nhau của chất nền PCL lên độ bám dính của tế bào: 1) sự phân hủy (hóahọc bề mặt PCL-NH;), 2) chỉ thủy phân, 3) chỉ biến tính với fibronectin và 4) tiền xử

lý thủy phân trước khi biến tính bề mặt băng fibronectin [97] Tương tự như kỹ thuậtphân hủy amin, thủy phân cũng có thé được sử dụng với hóa học EDC/NHS để liên

kết cộng hóa trị các phân tử kết dính tế bào lên bề mặt của vật liệu Tuy nhiên, quá

trình thủy phân phụ thuộc vào pH và sự suy thoái bề mặt có thể xảy ra [98] Brown

và cộng sự [99] đã thủy phân bề mặt PLGA sợi nano băng cách nhúng vào dung dịch

NaOH 0,01 M Sau đó, các giá thé thủy phân được ủ với dung dịch EDC/NHS dé xử

lý bề mặt với các thành phần protein ngoại bào bao gồm collagen I và fibronectin và

dé đánh giá chức năng in vitro của tế bào gan người nguyên phát trên bề mặt của giá

thé Kết qua cho thấy rằng sự kết hợp collagen I trên bề mặt của giá thé sợi nano

PLGA dẫn đến biéu hiện gen đặc hiệu của tế bào gan cao hơn, tiết albumin và chức

năng xúc tác cytochrome P450 so với các giá thê kết hợp với fibronectin và giá thể

PLGA không biến tính Giá thé nano PLGA liên kết với collagen nhiều tế bào cungcấp một môi trường vi mô cụ thé cho sự tôn tại lâu dài trong ống nghiệm va chức

năng của tế bào gan, có thể là do sự hiện diện của collagen I trên bề mặt của giá thểsoi nano.

hóa học giữa các phân tử hoạt tính sinh học và các polime trong quá trình trùng hợp

[103].

1.3.1.4 Xử lí plasma

Plasma được gọi là trạng thái thứ tư của vật chất, nó là hỗn hợp của các hạt

mang điện trái dấu, các ion, các nguyên tử bị kích thích, các nguyên tử trung hòa, cácelectron, các bức xạ, các photon UV và (hoặc) các phân tử Plasma khí có thể đượctạo ra bởi vi sóng, đao động tần số vô tuyến và phóng điện của một dây tóc nóng cungcấp năng lượng cho các điện tử vượt quá ngưỡng ion hóa Plasma được phân loại