nghiên cứu chế tạo chất lỏng từ nền hạt nano fe3o4 ứng dụng trong diệt tế bào ung thư

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU PHẠM HOÀI LINH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CHẤT LỎNG TỪ NỀN HẠT NANO Fe 3 O 4 ỨNG DỤNG TRONG DIỆT TẾ BÀO UNG THƯ Chuyên ngành: Vật liệu điện tử Mã số: 62 44 01 23 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. Lê Văn Hồng 2. TS. Hà Phương Thư HÀ NỘI – 2014 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc nhất của mình tới PGS.TS Lê Văn Hồng, GS.TSKH. Nguyễn Xuân Phúc và TS. Hà Phương Thư – những người Thầy đã định hướng, ân cần chỉ bảo cũng như tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện Luận án. Lời cảm ơn trân trọng nhất tôi xin được gửi tới TS. Phạm Thanh Phong và TS. Đỗ Hùng Mạnh vì sự quan tâm sâu sắc, sự giúp đỡ tận tình và những bàn luận khoa học quý báu. Bản luận án này sẽ không thể hoàn thành nếu không có sự giúp đỡ của các đồng nghiệp. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn của mình tới tất cả các thành viên thuộc Phòng Vật lý Vật liệu Từ - Siêu dẫn và Phòng Vật liệu Nano Y- sinh vì sự giúp đỡ thực hiện các phép đo và sự quan tâm động viên hết sức quý báu với tôi trong quá trình thực hiện Luận án. Đặc biệt, tôi xin được gửi tới PGS. TS. Vũ Đình Lãm, TS. Trần Đăng Thành, TS. Ngô Thị Hồng Lê, ThS. Nguyễn Anh Tuấn, ThS. Nguyễn Chí Thuần, ThS. Phạm Hồng Nam, ThS. Phạm Văn Thạch lời cảm ơn và những tình cảm chân thành. Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS. TS. Nguyễn Thị Quỳ, TS. Hoàng Thị Mỹ Nhung và các học viên của bộ môn Mô phôi và Tế bào thuộc khoa Sinh học trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội vì những hợp tác nghiên cứu trong các ứng dụng y sinh cũng như những góp ý quan trọng để hoàn thiện Luận án. Qua đây, tôi cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn tới PGS. TS. Hoàng Nam Nhật, PGS. TS. Trần Hồng Nhung, PGS. TS. Lê Quang Huấn vì những ý kiến góp ý cho bản luận án đạt được kết quả tốt nhất. Tôi cũng xin được cảm ơn Viện Khoa học vật liệu, bộ phận đào tạo Viện khoa học Vật liệu, Bộ Giáo dục và Đào tạo, đề tài nghiên cứu cơ bản định hướng ứng dụng 04/02/742/2009/HÐ-ÐTÐL, các đề tài cơ bản cấp cơ sở Viện Khoa học vật liệu và cấp Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam mã số: 103.02.48.09, 4.107.06, đã tạo nhiều điều kiện về thời gian và kinh phí để tôi có thể hoàn thành luận án này. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến những người thân trong gia đình Bố, Mẹ, các anh chị và bạn bè, đặc biệt là chồng và hai con, nguồn động viên tinh thần và là hậu phương vững chắc giúp tôi yên tâm hoàn thành luận án. Hà Nội, tháng 11 năm 2014. Tác giả Phạm Hoài Linh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Lê Văn Hồng và TS. Hà Phương Thư. Hầu hết các số liệu, kết quả trong luận án được trích dẫn lại từ các bài báo đã và sắp được xuất bản của tôi và các cộng sự. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình khoa học khác. Tác giả Phạm Hoài Linh MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt, các Hình và Bảng MỞ ĐẦU 23 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO TỪ Fe 3 O 4 DẠNG HẠT VÀ ỨNG DỤNG TRONG NHIỆT TỪ TRỊ 28 1.1. Tổng quan về vật liệu Fe 3 O 4 28 1.1.1. Vật liệu Fe 3 O 4 dạng khối 28 1.1.1.1. Cấu trúc tinh thể. 28 1.1.1.2. Tính chất từ 29 1.1.2. Vật liệu Fe 3 O 4 dạng hạt kích thước nano mét 34 1.1.2.1. Cấu trúc tinh thể 34 1.1.2.2. Tính chất từ trong hạt nano Fe 3 O 4 35 1.1.2.3. Tương tác giữa các hạt nano Fe 3 O 4 47 1.1.2.4. Các nghiên cứu chế tạo hạt nano từ Fe 3 O 4 48 1.1.3. Chất lỏng từ 50 1.1.3.1. Khái niệm 50 1.1.3.2. Tổng quan về các loại vật liệu bọc. 53 1.2. Ứng dụng hạt nano Fe 3 O 4 trong y sinh 57 1.2.1. Các cơ chế vật lý của hiệu ứng sinh nhiệt sử dụng hạt từ trong từ trường xoay chiều 57 1.2.1.1. Tổn hao từ trễ 57 1.2.1.2. Tổn hao hồi phục 59 1.2.1.3. Một số cơ chế sinh nhiệt khác 63 1.2.2. Các nghiên cứu ứng dụng hạt nano từ Fe 3 O 4 trong nhiệt từ trị ung thư 65 Kết luận chương 1 67 CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 68 2.1. Chế tạo mẫu hạt nano Fe 3 O 4 68 2.1.1. Phương pháp đồng kết tủa 68 2.1.2. Quy trình chế tạo mẫu hạt nano Fe 3 O 4 72 2.2. Chế tạo chất lỏng từ nền nano Fe 3 O 4 bọc bằng polymer tương thích sinh học 75 2.2.1. Quy trình tạo chất lỏng từ nền hạt nano Fe 3 O 4 bọc bằng tinh bột 76 2.2.2. Quy trình tạo chất lỏng từ nền hạt nano Fe 3 O 4 bọc bằng chitosan và chitosan biến tính 77 2.3. Các phương pháp thực nghiệm 78 2.3.1. Nhiễu xạ tia X 78 2.3.2. Hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) 79 2.3.4. Các phép đo từ 80 2.2.5. Phép đo phổ hấp thụ hồng ngoại 81 2.2.6. Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermal Gravity Analysis-TGA) 82 2.2.7. Thực nghiệm đo bán kính động học của hạt nano từ bọc 82 2.2.8. Thực nghiệm đốt nhiệt cảm ứng từ 83 2.2.9. Phương pháp đánh giá độc tính của chất lỏng từ lên các dòng tế bào sinh học 84 Kết luận chương 2 88 CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA CÁC HẠT NANO Fe 3 O 4 CÓ KÍCH THƯỚC KHÁC NHAU 89 3.1. Khảo sát một số yếu tố công nghệ ảnh hưởng tới sự hình thành pha, kích thước hạt và mômen từ bão hòa của vật liệu nano Fe 3 O 4 90 3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đồng kết tủa 90 3.1.1.1. Pha cấu trúc và kích thước tinh thể 90 3.1.1.2. Hình dạng và kích thước hạt thực 94 3.1.1.3. Từ độ bão hòa ở nhiệt độ phòng 97 3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy từ và nồng độ dung dịch muối ban đầu 98 3.1.2.1. Pha cấu trúc và kích thước tinh thể 99 3.1.2.2. Hình dạng và kích thước hạt thực 101 3.1.2.3. Từ độ bão hòa ở nhiệt độ phòng 103 3.2. Tính chất từ của các hạt nano Fe 3 O 4 105 3.2.1. Đặc tính siêu thuận từ 106 3.2.2. Từ độ của hạt nano Fe 3 O 4 và cấu hình vỏ lõi 112 3.2.3. Khả năng sinh nhiệt trong từ trường xoay chiều của các hạt nano Fe 3 O 4 117 Kết luận chương 3 121 CHƯƠNG 4: CHẤT LỎNG TỪ NỀN HẠT NANO Fe 3 O 4 VÀ ỨNG DỤNG TRONG DIỆT TẾ BÀO UNG THƯ 123 4.1. Nghiên cứu thử nghiệm chế tạo chất lỏng từ nền hạt nano Fe 3 O 4 bọc tinh bột (SF) và ứng dụng diệt tế bào ung thư. 124 4.1.1. Các đặc trưng và tính chất từ. 124 4.1.2. Ứng dụng chất lỏng từ nền hạt nano Fe 3 O 4 bọc tinh bột diệt tế bào ung thư bằng phương pháp nhiệt từ trị. 130 4.2. Chất lỏng từ nền hạt nano Fe 3 O 4 bọc chitosan, chitosan biến tính và khả năng ứng dụng trong y sinh. 133 4.2.1. Các đặc trưng và tính chất từ của chất lỏng từ bọc chitosan và chitosan biến tính. 134 4.2. 2. Nghiên cứu tương tác chất lỏng từ Fe 3 O 4 bọc chitosan với đại thực bào. 142 4.2.3. Nghiên cứu độc tính của chất lỏng từ bọc O-carboxymethyl chitosan với tế bào lành biểu mô thận chó MDCK. 144 Kết luận chương 4 148 Kết luận chung 127 Danh mục các công trình công bố Tài liệu tham khảo CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 1. Các chữ viết tắt A% : Tỷ lệ tăng sinh BSE : Điện tử tán xạ ngược CTS : Chất chitosan DTA : Phân tích nhiệt vi sai D SP : Kích thước tới hạn siêu thuận từ D SD : Kích thước tới hạn đơn đô men ĐPĐ : Độ phóng đại của ảnh hiển vi quang học FC : Làm lạnh trong từ trường Fe 3 O 4 -OCMCS : Hạt nano Fe 3 O 4 bọc chitosan biến tính Fe 3 O 4 - CTS : Hạt nano Fe 3 O 4 bọc chitosan IC 50 : Chỉ số nồng độ gây ức chế sinh trưởng tế bào 50% SF : Chất lỏng từ bọc tinh bột FESEM : Ảnh hiển vi điện tử phát xạ trường FWMH : Độ rộng bán vạch nhiễu xạ tia X MDCK : Tế bào lành biểu mô thận chó MFH : Đốt nóng cảm ứng từ MRI : Ảnh cộng hưởng từ NNH : Mô hình nhảy lân cận gần nhất PPMS : Hệ đo các tính chất vật lý PEG : Polyethylene glycol OCMCS : Chất O-carboxymethyl chitosan OD : Mật độ quang học của dung dịch SRB R 2 : Sai số trùng phù của kết quả khớp giữa thực nghiệm và lý thuyết T : Tesla TCA : Axit trichloroacetic TGA : Phân tích nhiệt khối lượng SE : Điện tử thứ cấp SQUID : Từ kế giao thoa lượng tử siêu dẫn SRB : Phương pháp phân tích protein tổng số SW : Mô hình Stoner-Wohlfarth SLP : Công suất tỏa nhiệt riêng SAR : Tốc độ hấp thụ nhiệt riêng VSM : Hệ đo từ kế mẫu rung XRD : Nhiễu xạ tia X ZFC : Làm lạnh không từ trường VKHVL : Viện khoa học Vật liệu 2. Các ký hiệu A : Vị trí của các ion sắt trong cấu trúc ferit spinel A ex : Hệ số tương tác trao đổi a hkl : Hằng số mạng B : Vị trí của các ion sắt trong cấu trúc ferit spinel B’ : Bề rộng vạch ở 1/2 giá trị cường độ cực đại a : Thông số tiêu chuẩn để đánh giá tương tác từ giữa các hạt r cr : Bán kính tới hạn D s : Hệ số sóng spin D d : Khoảng cách tâm giữa hai hạt d c : Đường kính lõi hạt d total : Đường kính hạt tổng cộng train a E : Năng lượng từ giảo E A : Năng lượng dị hướng từ tinh thể E a : Rào năng lượng E k : Năng lượng kích thích của sóng spin E pt : Năng lượng của một hạt đơn đô men cô lập [...]... sĩ: Nghiên cứu chế tạo chất lỏng từ nền hạt nano Fe3O4 ứng dụng trong diệt tế bào ung thư Mục tiêu của luận án: Chế tạo được chất lỏng từ chứa hạt nano Fe3O4 có khả năng ứng dụng thử nghiệm trong diệt tế bào ung thư bằng phương pháp đốt nóng cảm ứng từ Nội dung cụ thể như sau:  Tổng hợp vật liệu nano Fe3O4 có kích thư c khác nhau trong vùng siêu thuận từ bằng phương pháp đồng kết tủa  Nghiên cứu. .. nghiên cứu ứng dụng hạt nano từ tính trong tách chiết tế bào và điểm tế bào bạch cầu) Viện Vật lý thành phố Hồ Chí Minh (đã nghiên cứu chế tạo chất lỏng từ ứng dụng trong chụp ảnh cộng hưởng từ) Tuy nhiên, việc nghiên cứu ứng dụng các hạt nano từ trong đốt nhiệt từ chữa trị ung thư vẫn còn là một vấn đề mới tại Việt Nam Hiện nay một vài công bố về lĩnh vực này chỉ mới được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu. .. hạt nano Fe3O4 có kích thư c 9,6 nm [176] 1.1.2.2 Tính chất từ trong hạt nano Fe3O4 Cũng như các vật liệu từ khác, ở kích thư c nano mét tính chất từ của hạt nano Fe3O4 cũng chịu ảnh hưởng bởi các hiệu ứng kích thư c và hiệu ứng bề mặt  Tính chất liên quan đến hiệu ứng kích thư c Các hiệu ứng kích thư c được nghiên cứu nhiều nhất trong các hạt nano từ là giới hạn đơn đômen và giới hạn siêu thuận từ. .. ứng dụng của vật liệu nano Fe3O4 trong liệu pháp nhiệt trị ung thư Bố cục của luận án Luận án được chia thành 4 chương, nội dung cụ thể các chương như sau: Chương 1:Tổng quan về vật liệu nano Fe3O4 và ứng dụng trong nhiệt từ trị Chương 2: Các kỹ thuật thực nghiệm Chương 3:Tổng hợp và tính chất từ của hạt nano Fe3O4 có kích thư c khác nhau Chương 4: Chất lỏng từ nền hạt nano Fe3O4và ứng dụng trong diệt. .. trị nghiên cứu cơ bản vừa có giá trị triển khai ứng dụng trong thực tiễn Các nội dung nghiên cứu trong luận án nhằm chứng minh khả năng ứng dụng thực tiễn trong y sinh của vật liệu nano Fe3O4 được thực hiện ở Việt nam Các kết quả nghiên cứu của luận án cho thấy đã làm chủ được công nghệ chế tạo hạt nano Fe3O4 có kích thư c mong muốn trong vùng siêu thuận từ Đồng thời kết quả nghiên cứu từ tính và nghiên. .. cảm ứng từ của chất lỏng từ hạt nano Fe3O4 bọc chitosan ở các nồng độ khác nhau 118 Hình 4.26 Đường đốt nóng cảm ứng từ của chất lỏng từ hạt nano Fe3O4 bọc chitosan biến tính ở các nồng độ khác nhau 118 Hình 4.27 Ảnh hiển vi quang học của đại thực bào: khi chưa ủ với hạt từ (A), ủ với hạt từ (B), đại thực bào ăn hạt từ (C) 120 Hình 4.28 Ảnh hiển vi quang học của: khối ung thư thực nghiệm (A), khối ung. .. thư ngay sau khi ủ với hạt từ (B), đại thực bào (a), đại thực bào xâm nhậm vào khối u (b) 120 Hình 4.29 Ảnh hiển vi quang học của khối u ung thư thư : sau 1 ngày ủ với đại thực bào mang hạt nano từ (A) và sau 4 ngày ủ với đại thực bào mang hạt từ (B), đại thực bào mang hạt từ (a), đại thực bào không mang hạt từ (b) 121 Hình 4.30 Ảnh hiển vi quang học của mẫu tế bào đối chứng (A), mẫu tế bào ủ với Fe3O4- OCMCS... hình thái, tính chất từ và khả năng sinh nhiệt trong từ trường xoay chiều của các mẫu vật liệu nano Fe3O4  Lựa chọn mẫu hạt nano Fe3O4 có tính chất phù hợp nhất cho đốt nóng cảm ứng từ và chức năng hóa bề mặt bằng một số polyme tương thích sinh học tạo chất lỏng từ  Nghiên cứu các đặc trưng, tính chất từ và khả năng sinh nhiệt trong từ trường xoay chiều của các mẫu chất lỏng từ  Nghiên cứu thử nghiệm... Hình 4.5 Đường cong từ trễ của 10 µl chất lỏng từ hạt nano Fe3O4 bọc tinh bột 103 Hình 4.6 Đường cong từ trễ của chất lỏng từ sau khi sấy khô (SF) và mẫu Fe3O4 chưa bọc 103 Hình 4.7 Đường đo M(H) lúc mới chế tạo và sau 2 tháng của mẫu bọc sau khi sấy khô 104 Hình 4.8 Đường đốt nóng cảm ứng từ của mẫu chất lỏng từ Fe3O4 bọc tinh bột 105 Hình 4.9 Đường đốt nóng cảm ứng từ của chất lỏng từ ở các nồng độ... Nam Đốt nóng cảm ứng từ (MF) là phương pháp đốt nóng các tế bào bằng việc sử dụng các hạt nano từ Trong quá trình này các hạt nanô được đưa đến các tế bào tại đó chúng được đốt nóng bởi tác dụng của từ trường xoay chiều Nhiệt trị đã được xem như là một liệu pháp đầy triển vọng trong việc chữa trị ung thư Kết quả nghiên cứu thu được trong nhiều năm cho thấy các hạt nano Fe3O4 siêu thuận từ là vật liệu . hạt nano Fe 3 O 4 117 Kết luận chương 3 121 CHƯƠNG 4: CHẤT LỎNG TỪ NỀN HẠT NANO Fe 3 O 4 VÀ ỨNG DỤNG TRONG DIỆT TẾ BÀO UNG THƯ 123 4.1. Nghiên cứu thử nghiệm chế tạo chất lỏng từ nền hạt. hạt nano Fe 3 O 4 bọc tinh bột (SF) và ứng dụng diệt tế bào ung thư. 124 4.1.1. Các đặc trưng và tính chất từ. 124 4.1.2. Ứng dụng chất lỏng từ nền hạt nano Fe 3 O 4 bọc tinh bột diệt tế bào. ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU PHẠM HOÀI LINH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CHẤT LỎNG TỪ NỀN HẠT NANO Fe 3 O 4 ỨNG DỤNG TRONG DIỆT TẾ BÀO UNG THƯ