Tổng hợp các hạt nano từ tính có đính kháng thể ứng dụng trong chẩn đoán bệnh

TRẦN NGỌC TẠO TỔNG HỢP CÁC HẠT NANO TỪ TÍNH CÓ ĐÍNH KHÁNG THỂỨNG DỤNG TRONG CHẨN ĐOÁN BỆNH Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nano Chuyên ngành đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI

TRẦN NGỌC TẠO

TỔNG HỢP CÁC HẠT NANO TỪ TÍNH CÓ ĐÍNH KHÁNG THỂỨNG DỤNG TRONG CHẨN ĐOÁN BỆNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh – 2015

TRẦN NGỌC TẠO

TỔNG HỢP CÁC HẠT NANO TỪ TÍNH CÓ ĐÍNH KHÁNG THỂỨNG DỤNG TRONG CHẨN ĐOÁN BỆNH

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nano (Chuyên ngành đào tạo thí điểm)

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN HOÀNG HẢI

Thành phố Hồ Chí Minh – 2015

LỜI CÁM ƠN

Đầu tiên, tôi xin gởi lời cám ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Trần Hoàng Hải đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn thạc sĩ này

Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô giảng dạy cao học khóa K19 thuộc Đại học Công nghệ Hà nội và các anh chị làm việc tại phòng thí nghiệm Công nghệ nano thuộc Đại học quốc gia Tp.HCM

Cám ơn các anh chị em ở phòng thí nghiệm vật liệu nano từ tính – Viện vật lý Tp.HCM đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn

Cám ơn Anh Bùi Trung Thành, em Lê Thụy Thảo đã tận tình giúp đỡ và hỗ trợ trong quá trình làm thí nghiệm

Sau cùng, con xin gởi lời cám ơn sâu sắc nhất đến bố mẹ, vợ và các anh chị em

đã luôn động viên con, để con có động lực vượt qua mọi khó khăn nhất

Tp Hồ chí minh, ngày 20 tháng 03 năm 2015

Trần Ngọc Tạo

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những kết quả trong luận án là trung thực có trích dẫn nguồn cụ thể, các kết quả trong luận án là kết quả của quá trình nghiên cứu khoa học của tôi một cách nghiêm túc

Tác giả luận án

Trần Ngọc Tạo

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

Danh mục các chữ viết tắt 7

Danh mục bảng 8

Danh mục hình ảnh 9

LỜI MỞ ĐẦU 12

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 14

1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 14

1.2 Lý thuyết về từ học 15

1.2.1 Các khái niệm cơ bản[3] 15

1.2.2 Phân loại các vật liệu từ[1] 16

1.2.3 Chu trình từ trễ và đường cong từ trễ 17

1.2.4 Bản chất đơn đômen và tính chất siêu thuận từ 18

1.3 Ôxít sắt 20

1.3.1 Cấu trúc của ôxít sắt từ Fe3O4 20

1.3.2 Sự biến đổi và ổn định của ôxít sắt từ Fe3O4 21

1.3.3 Tính siêu thuận từ của ôxít sắt từ Fe3O4 22

1.4 Một số ứng dụng của hạt nano từ tính trong y – sinh học 22

1.4.1 Dẫn truyền thuốc[11] 22

1.4.2 Phân tách và chọn lọc tế bào[12] 24

1.4.3 Phương pháp nâng thân nhiệt cục bộ 24

1.4.4 Chụp ảnh cộng hưởng từ[13, 26] 25

1.4.5 Tách chiết tế bào[12] 25

1.4.6 Chẩn đoán bệnh[13] 26

1.5 Chế tạo hạt nano từ tính bao bọc trong một chất khác 26

1.5.1 Bao bọc hạt nano từ tính bằng SiO2 28

1.5.2 Chức năng hóa bề mặt hạt nano từ tính với APTES 28

1.6 Sơ lược về albumin 30

1.7 Đại cương về kháng nguyên và kháng thể[2] 30

1.7.1 Định nghĩa 30

1.7.2 Lớp Immunoglobulin (Ig) 30

1.7.3 Vai trò của kháng thể 31

1.7.4 Chất miễn dịch và kháng nguyên 32

1.7.5 Ái lực của kháng thể với kháng nguyên 33

1.7.6 Kháng thể đơn dòng và kháng thể đa dòng[32] 33

1.8 Sơ lược về bệnh tiêu chảy cấp[5] 34

1.8.1 Sự nguy hiểm của bệnh tiêu chảy cấp 34

1.8.2 Tác nhân chính gây nên tiêu chảy cấp 34

1.8.3 Đặc điểm kháng nguyên và độc tố 35

1.8.4 Cơ chế gây bệnh 35

CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36

2.1 Phương pháp tổng hợp 36

2.1.1 Phương pháp đồng kết tủa tổng hợp hạt nano từ tính Fe3O4 36

2.1.2 Phương pháp solvothermal tổng hợp hạt nano từ tính Fe3O4 37

2.1.3 Phương pháp tạo lớp bao phủ SiO2 lên hạt nano từ tính Fe3O4 37

2.1.4 Phương pháp chức năng hóa bề mặt hạt nano Fe3O4/SiO2 với APTES 38

2.1.5 Phương pháp xác định hàm lượng protein theo Bradford 39

2.1.6 Phương pháp gắn protein lên Fe3O4/SiO2 40

2.2 Phương pháp phân tích 40

2.2.1 Phân tích cấu trúc bằng phổ nhiễu xạ tia X 41

2.2.2 Máy đo phổ hấp thụ hồng ngoại FT-IR 41

2.2.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 42

2.2.4 Từ kế mẫu rung (VSM) 44

2.2.5 Phổ tử ngoại khả kiến 45

CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM 46

3.1 Hóa chất và dụng cụ 46

3.2 Quy trình tổng hợp hạt nano Fe3O4 47

3.2.1 Tổng hợp hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa 47

3.2.2 Tổng hợp hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp solvothermal 47

3.3 Quy trình bọc SiO2 lên hạt nano Fe3O4 47

3.4 Quy trình phủ APTES lên hạt nano Fe3O4/SiO2 48

3.5 Quy trình gắn Albumin lên hạt nano Fe3O4/SiO2 49

3.6 Quy trình gắn kháng thể khuẩn tả Vibrio cholerae-O 1 lên hạt nano Fe3O4/SiO2 50 3.7 Quy trình chẩn đoán tiêu chảy cấp 50

CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 51

4.1 Điều khiển kích thước hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa 51

4.1.1 Khảo sát theo nhiệt độ 51

4.1.2 Khảo sát thay đổi lượng NH4OH 52

4.1.3 Khảo sát nồng độ Fe2+và Fe3+ban đầu 54

4.1.4 Khảo sát hạt nano ôxít sắt theo tỷ phần mol 55

4.1.5 Khảo sát lượng NH4OH nhỏ chậm 57

4.2 Điều khiển kích thước hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp solvothermal 58

4.3 Kiểm tra đặc tính của hạt Fe3O4 58

4.3.1 Kiểm tra đặc tính phổ FT-IR hạt nano Fe3O4 ở ba kích thước khác nhau 59

4.3.2 Kiểm tra đặc tính phổ XRD hạt nano Fe3O4 ở ba kích thước khác nhau 60

4.3.3 Kiểm tra đặc tính VSM hạt nano Fe3O4 ở ba kích thước khác nhau 62

4.4 Tạo lớp vỏ bảo vệ Silica (SiO2) lên hạt nano Fe3O4 63

4.5 Chức năng hóa APTES lên hạt nano Fe3O4/SiO2 67

4.6 Chức năng hóa Glutaraldehyde lên hạt nano Fe3O4/SiO2/APTES 68

4.7 Định lượng Albumin bám dính lên hạt nano ở ba kích thước khác nhau 69

4.8 Đính kháng thể Vibrio Cholerae-01 lên hạt nano Fe3O4/SiO2/APTES[34] 74

KẾT LUẬN 76

HƯỚNG PHÁT TRIỂN 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

PHỤ LỤC 81

Danh mục các chữ viết tắt

APTES 3-Aminopropyltriethoxysilane 3-aminopropyl

triethoxysilane

Fab Fragment of antigen binding Đầu biến thiên ELISA Enzyme -linked immunosorbent

assay

Phương pháp xét nghiệm

BSA Bovine Serum Albumin Albumin huyết thanh bò

TEOS Tetraethyl orthosilicate Tetraethyl orthosilicat VSM Vibrating Specimen Magnetometer Từ kế mẫu rung

FT-IR Fourier Transform Infrared

spectroscopy

Quang phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier TEM Transmission Electron Microscope Kính hiển vi điện tử truyền

qua

Danh mục bảng

Bảng 1.1 Các đại lượng và đơn vị từ trong hệ đơn vị SI và CGS 16

Bảng 1.2 Phân loại các loại vật liệu từ 17

Bảng 3.1 Danh mục các hóa chất 46

Bảng 4.1 Khảo sát hạt nano ôxít sắt ở ba nhiệt độ khác nhau 51

Bảng 4.2 Khảo sát hạt nano ôxít sắt khi lượng NH4OH thay đổi 52

Bảng 4.3 Thay đổi nồng độ Fe2+, Fe3+ ban đầu 54

Bảng 4.4 Thay đổi tỷ lệ mol Fe2+ và Fe3+ 56

Bảng 4.5 Mẫu M13 cho lượng NH4OH nhỏ chậm 57

Bảng 4.6 Mẫu M14 tạo hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp solvothermal 58

Bảng 4.7 Kết quả VSM của mẫu hạt nano Fe3O4 62

Bảng 4.8 Bọc hạt nano Fe3O4 bằng SiO2 với ba kích thước khác nhau 63

Bảng 4.9 Tương quan giữa các dao động và số sóng của các mẫu: F1, F1S1 65

Bảng 4.10 Kết quả VSM của mẫu hạt nano Fe3O4 (F1,F2,F3) và mẫu hạt nano Fe3O4/SiO2 (F1S1) 65

Bảng 4.11 Kết quả VSM của mẫu F3S3 67

Bảng 4.12: Hiệu suất gắn kết BSA với hạt nano có kích thước khác nhau 71

Bảng 4.13 Độ hấp thu ở bước sóng 595 nm của sáu mẫu albumin chuẩn 71

Bảng 4.14 Kết quả gắn Albumin 72

Bảng 4.15 Kết quả VSM mẫu: hạt nano Fe3O4(F1), hạt nano Fe3O4/SiO2 (F1S1) và mẫu hạt Fe3O4/SiO2/APTES/Glutaraldehyde (F1S1A1G1) 73

Bảng 4.16 Độ hấp thu bước sóng 595nm của mẫu kháng thể Vibrio Cholerae-01 74

Bảng 4.17 Tỷ lệ bám dính kháng thể Vibrio Cholerae-01 trên một số cấu trúc hạt nano 75

Danh mục hình ảnh

Hình 1.1 Kết quả TEM của hạt nano Fe3O4 từ tài liệu tham khảo:(a)[27]; (b)[8] 14

Hình 1.2 Đồ thị M(H) của chất sắt từ (đường cong liền nét), chất phản sắt từ (đường chấm), chất thuận từ (đường nét đứt) 18

Hình 1.3 Đường cong từ hóa của vật liệu siêu thuận từ 19

Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể ferit thường gặp 20

Hình 1.5 Sự sắp xếp các spin trong một phân tử ôxít sắt từ tính Fe3O4 21

Hình 1.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên diện tích bề mặt và sự biến đổi pha của ôxít sắt Mỗi mẫu được chuẩn bị từ magnetite tinh khiết và mỗi khi nung thì được ủ trong 3 giờ 22

Hình 1.7 Sự định hướng của các hạt siêu thuận từ khi có từ trường và khi từ trường bị ngắt 22

Hình 1.8 Nguyên lý dẫn thuốc dùng hạt nano từ tính 23

Hình 1.9 Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản 24

Hình 1.10 Chụp ảnh cộng hưởng từ 25

Hình 1.11 Hình dạng điển hình của các tiểu cầu có chứa hạt nano 27

Hình 1.12 Cấu tạo hạt nano oxít sắt từ có cấu trúc lõi/vỏ 27

Hình 1.13 Cấu trúc vô định hình của SiO2 28

Hình 1.14 Cấu trúc tinh thể của SiO2 28

Hình 1.15 Cấu tạo của phân tử APTES 29

Hình 1.16 Cấu trúc của IgG 31

Hình 1.17 Các độc tố của vi khuẩn bên cạnh một tế bào cơ thể 31

Hình 1.18 Các độc tố trên bị trung hòa bởi kháng thể 32

Hình 1.19 Ái lực giữa kháng thể và kháng nguyên 33

Hình 1.20 Kháng thể đơn dòng liên kết với một epitope đặc hiệu 33

Hình 1.21 Mỗi kháng thể đa dòng liên kết với một epitope khác nhau 34

Hình 1.22 Khuẩn Vibrio Cholerae gây bệnh tả 34

Hình 1.23 Cơ chế gây bệnh tả 35

Hình 2.1 Cơ chế hình thành các hạt nano: Ba cơ chế phát triển mầm 36

Hình 2.2 Sơ đồ quá trình thủy phân và ngưng tụ TEOS 38

Hình 2.3 Mạng lưới silica với sự hình thành nhóm Silanol do TEOS ngưng tụ không hoàn toàn 38

Hình 2.4 Sơ đồ phản ứng gắn APTES lên hạt nano Fe3O4/SiO2 39

Hình 2.5 Sơ đồ mô tả quá trình gắn Protein lên hạt nano từ [8] 40

Hình 2.6 Nhiễu xạ tia X trong mạng tinh thể 41

Hình 2.7 Máy đo phổ hồng ngoại FT-IR 42

Hình 2.8 Kính hiển vi quét trường phát xạ 43

Hình 2.9 Máy đo từ kế mẫu rung (VSM) 44

Hình 2.10 Máy đo phổ UV-VIS 45

Hình 3.1 Quy trình tổng hợp hạt nano Fe3O4 [30] 47

Hình 3.2 Quy trình tổng hợp hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp solvothermal[28] 47

Hình 3.3 Quy trình bọc SiO2 lên hạt nano Fe3O4 48

Hình 3.4 Quy trình phủ APTES lên hạt nano Fe3O4/SiO2 48

Hình 3.5 Quy trình gắn albumin lên hạt nano Fe3O4/SiO2 49

Hình 3.6 Quy trình gắn kháng thể O1 lên hạt nano Fe3O4/SiO2 50

Hình 4.1 Ảnh TEM của hạt Fe3O4 ở nhiệt độ 300C: a) 20 nm; b) 50 nm; c) 100 nm 51 Hình 4.2 Ảnh TEM của hạt Fe3O4 ở nhiệt độ 500C: a) 20 nm; b) 50 nm; c) 100 nm 52 Hình 4.3 Ảnh TEM của hạt Fe3O4 ở nhiệt độ 800C: a) 20 nm; b) 50 nm; c) 100 nm 52 Hình 4.4 Ảnh TEM lượng NH4OH là 20 mL, a) 20 nm, b) 50 nm, c) 100 nm 53

Hình 4.5 Ảnh TEM lượng NH4OH là 40mL, a) 20 nm, b) 50 nm, c) 100 nm 53

Hình 4.6 Ảnh TEM lượng NH4OH là 70mL, a) 20 nm, b) 50 nm, c) 100 nm 53

Hình 4.7 Ảnh TEM Nồng độ Fe2+, Fe3+ 440mL, a) 20 nm b) 50 nm, c) 100 nm 54

Hình 4.8 Ảnh TEM Nồng độ Fe2+, Fe3+ 260mL, a) 20 nm, b) 50 nm, c) 100 nm 55

Hình 4.9 Ảnh TEM Nồng độ Fe2+, Fe3+ 200mL, a) 20 nm, b) 50 nm, c) 100 nm 55

Hình 4.10 Ảnh TEM tỉ lệ mol Fe2+: Fe3+ = 1:1, a) 20 nm; b) 50 nm; c) 100 nm 56

Hình 4.11 Ảnh TEM tỉ lệ mol Fe2+: Fe3+ = 1:1.5, a) 20 nm; b) 50 nm; c) 100 nm 56

Hình 4.12 Ảnh TEM tỉ lệ mol Fe2+: Fe3+ = 1:1.75, a) 20 nm; b) 50 nm; c) 100 nm 57

Hình 4.13 Ảnh TEM NH4OH nhỏ chậm, thang đo a) 20 nm; b) 50 nm; c) 200 nm 57

Hình 4.14 Ảnh TEM phương pháp solvothermal ở thang đo a) 20 nm; b) 50 nm; c)200nm 58

Hình 4.15 Phổ FT-IR của hạt Fe3O4 kích thước khác nhau 59

Hình 4.16 Phổ XRD của hạt nano Fe3O4 ở ba kích thước khác nhau 61

Hình 4.17 Phổ VSM của mẫu hạt nano Fe3O4 ở ba kích thước khác nhau 62

Hình 4.18 Hạt nano Fe3O4 bọc SiO2 : a) 12,5 nm; b) 26 nm; c) 61,2nm 64

Hình 4.19 Phổ FT-IR của các mẫu: Hạt nano Fe3O4 (F1), hạt nano Fe3O4 /SiO2 được tạo bằng cách siêu âm (F1S1) 64 Hình 4.20 Phổ từ kế mẫu rung của các mẫu hạt nano Fe3O4(F1, F2, F3) và mẫu hạt nano Fe3O4/SiO2 (F1S1) 66 Hình 4.21 TEM mẫu F3S3 với các thang đo khác nhau theo thứ tự: 50 nm, 100nm, 500nm 66 Hình 4.22 Phổ VSM của mẫu F3 và F3S3 67 Hình 4.23 Ảnh phổ FT-IR các mẫu: Fe3O4(F1), hạt nano Fe3O4/SiO2 (F1S1), hạt nano Fe3O4/SiO2/APTES(F1S1A1) 68 Hình 4.24 Ảnh phổ FT- IR của mẫu hạt nano Fe3O4/SiO2/APTES với Glutaraldehyde (F1S1A1G1) 69 Hình 4.25 Phổ UV-Vis của dung dịch BSA trước và sau khi gắn kết với các hạt nano Fe3O4/SiO2/APTES/G1A 70 Hình 4.26 Đồ thị đường chuẩn Albumin 72 Hình 4.27 VSM của các mẫu:hạt nano Fe3O4(F1), hạt nano Fe3O4/SiO2 (F1S1) và mẫu hạt Fe3O4/SiO2/APTES/Glutaraldehyde (F1S1A1G1) 73 Hình 4.28 Cơ chế gắn kháng thể Vibrio cholerae-01 74 Hình 4.29 Đồ thị đường chuẩn kháng thể Vibrio Cholerae-01 75

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, sự phát triển của khoa học công nghệ trong những năm qua đã cải thiện không ngừng đời sống con người Tuy nhiên, ngoài những lợi ích, cuộc sống hiện đại cũng mang đến không ít những lo ngại: Các nguồn nước và không khí bị ô nhiễm, môi trường sống bị phá hủy, các loại dịch bệnh như tiêu chảy cấp, sốt xuất huyết, ung thư, HIV, H1N1, H5N1, Ebola vv … ảnh hưởng nghiêm trọng đời sống con người Trong đó, tiêu chảy cấp là bệnh nguy hiểm mà một trong những nguyên nhân gây bệnh chủ yếu là do thực phẩm, nguồn nước và hóa chất độc hại Tại Việt Nam, tỉ lệ mắc các bệnh tiêu chảy cấp, … đang ngày càng gia tăng Vì thế các nhà khoa học vẫn không ngừng nghiên cứu các phương pháp mới để chẩn đoán sớm và chữa trị các loại bệnh

Thời gian ban đầu mới bị nhiễm, mật độ vi khuẩn, virus còn rất thấp, bằng các phép phân tích thông thường như Elisa khó phát hiện ra căn bệnh Khi căn bệnh phát triển đến lúc mật độ các vi khuẩn, virus gây bệnh đủ cao thì bệnh đã vào giai đoạn cuối, lan truyền khắp nơi trong cộng đồng thì bệnh khó có kiểm soát được nữa Các chuyên gia chữa trị cho các căn bệnh truyền nhiễm trên Thế giới cho rằng nếu phát hiện ra căn bệnh truyền nhiễm ngay từ ban đầu, thì đều có khả năng điều trị khỏi bệnh Vấn đề đặt ra là làm sao phát hiện sớm căn bệnh truyền nhiễm này Tức là phải tăng mật độ của các vi khuẩn, virus gây bệnh lên hàng trăm lần thì các phép phân tích thông thường như Elisa cũng có thể phát hiện ra căn bệnh

Như ta đã biết các vi khuẩn, virus gây bệnh của một loại bệnh sẽ tương ứng với một kháng nguyên đặc trưng của loại vi khuẩn hay virus đó Do tương tác giữa các kháng nguyên và các kháng thể cùng loại với nhau, nên chúng sẽ hút nhau và việc phát hiện ra các kháng nguyên nghĩa là sẽ phát hiện ra căn bệnh truyền nhiễm tương ứng loại kháng nguyên đó Nếu ta gắn được kháng thể trên các hạt nano từ tính thì có thể dùng từ trường ngoài tập trung các kháng thể lại và sẽ tăng được mật độ các kháng thể lên hàng trăm lần, nghĩa là tăng mật độ kháng nguyên lên hàng trăm lần Khi đó, bằng phép phân tích Elisa cũng có thể phát hiện ra các căn bệnh truyền nhiễm tương ứng

Với ý nghĩa trên tôi chọn đề tài: “Tổng hợp các hạt Nano từ tính có đính kháng thểứng dụng trong chẩn đoán bệnh” đặc biệt ở đây chúng tôi đưa ra phương

pháp mới là đính kháng thể Vibrio Cholerae (01) để chẩn đoán bệnh tiêu chảy cấp

Chúng tôi nghiên cứu chế tạo hạt nano siêu thuận từ có tính chất phục vụ cho đề tài này, và nghiên cứu phủ các lớp Polymer lên bề mặt hạt nano từ tính sao cho có thể

đính được các kháng thểVibrio Cholerae - 01 lên chúng Nhờ đó có thể tăng mật độ

các virus hay vi khuẩn lên hàng trăm lần ngay từ giai đoạn đầu bị nhiễm bệnh để có thể phát hiện sớm bằng các phép phân tích thông thường

Nội dung của đề tài này gồm các nội dung chính:

Chương I: Tổng quan

Chương II: Phương pháp nghiên cứu

Chương III:Thực nghiệm

Chương IV: Kết quả và bàn luận

Kết luận và Hướng phát triển

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

- Tình hình Nghiên cứu trên thế giới:

Gần đây, trên Thế giới đang ngày càng gia tăng sự bùng phát dịch bệnh truyền nhiễm gây ra bởi virút và vi khuẩn như: Ebola, A/H5N1, A/H7N9, tay-chân-miệng, bệnh sởi, tiêu chảy cấp, dịch tả, sốt xuất huyết vv …Sự bùng nổ này không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng mà còn ảnh hưởng đến sự phát triển kinh tế - xã hội Sự phát hiện nhanh chóng và chính xác của các tác nhân gây bệnh là rất quan trọng trong việc kiểm soát các dịch bệnh và phòng ngừa lây lan trong cộng đồng

Ngày nay, với khoa học phát triển việc ứng dụng hạt nano từ tính trong y sinh học được nhiều nhà khoa học trên Thế giới quan tâm Hạt nano thường được chức năng hóa bề mặt bởi các lớp vỏ vô cơ và các lớp polymer Những lớp vỏ vô cơ được dùng là SiO2 vì tính ổn định hóa học, tương thích sinh học, dễ dàng gắn kết với lớp polyme khác[8] Nhiều tác giả trên Thế giới đã bao bọc hạt nano từ tính Fe3O4 bằng SiO2 (Fe3O4/SiO2) để ứng dụng trong y sinh học đã được công bố[8-9]

(a) (b)

- Tình hình Nghiên cứu trong nước:

Nhiều tác giả trong nước rất quan tâm đến việc tổng hợp các hạt nano từ tính để phục

vụ cho việc ứng dụng trong y – sinh học như :

1 Nghiên cứu tổng hợp các hạt nanô từ phục vụ cho việc nghiên cứu chẩn đoán và điều trị bệnh tronglĩnh vực y sinh học.Chủ nhiệm đề tài TS Trần

Hoàng Hải Cơ quan chủ trì: Phân viện Vật lý TP HCM, 2008

2 Nghiên cứu một số phương pháp chế tạo và các tính chất của một số vật liệu hạt nano từ tính Chủ nhiệmđề tài GS.TSKH Nguyễn Xuân Phúc Cơ quan chủ

trì: Viện Khoa học Vật liệu, 2008

3 Sử dụng hạt nano từ tính mang thuốc để tăng cường khả năng ức chế vi khuẩn của thuốc kháng sinhChloramphenicol Tác giả Nguyễn Hoàng Hải,

Cấn Văn Thạch, Nguyễn Hoàng Lương,… Nguồn: Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ, 2008

4 Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo vật liệu oxit sắt nano và phức nhằm ứng dụng trong chẩn đoánvà điều trị ung thư Chủ nhiệm đề tài GS.TS

Nguyễn Công Hào Cơ quan chủ trì: Phân viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên tại TP HCM, 2006

5 Điều khiển các tính chất từ của các hạt nano ferit spinel dùng trong các ứng dụng dẫn thuốc và nhiệt trị.Tác giả Thân Đức Hiền Nguồn: Hội nghị Khoa

học lần thứ 20 - Kỷ niệm 50 năm thành lập trường Đại học Bách khoa Hà Nội1956 – 2006

6 Công nghệ nano với những khả năng mới trong việc phát hiện, chẩn đoán ung thư Ở giai đoạn sớm Lê Văn Thảo*, Tống Duy Hiển*, Lê Hoàng Minh**,

Phạm Xuân Dũng**, Nguyễn Hoàng Hải***, Đặng Mậu Chiến*

Trong luận văn này, chúng tôi trình bày quá trình nghiên cứu tổng hợp các hạt nano Fe3O4/SiO2 cấu trúc lõi vỏ và chức năng các hạt với APTES, Glutaradehyde, gắn thử nghiệm với albumin Đặc biệt, chúng tôi thử nghiệm đầu tiên gắn kháng thể khuẩn

tảVibrio cholerae- O1 lên hạt nano từ tính tại Việt nam

1.2 Lý thuyết về từ học

1.2.1 Các khái niệm cơ bản[3]

Khi một vật liệu được đặt vào trong một từ trường, thì cảm ứng từ hoặc từ thông xuyên qua tiết diện của vật liệu được xác định bởi biểu thức:

Cảm ứng từ và hệ số từ thẩm là một nhân tố quan trọng cho ta biết các thông tin liên quan đến các loại vật liệu từ (thuận từ, nghịch từ ) và độ mạnh, yếu của các vật liệu từ riêng biệt.Về bản chất, độ cảm từ  là tỉ số giữa độ từ hóa và từ trường ngoài:

Độ từ thẩm của vật liệu µ cho bởi công thức:µ = B / H (1.4)

Độ cảm từ và độ từ thẩm liên hệ nhau qua biểu thức:

Trong nghiên cứu về tính chất từ, độ từ thẩm là thông số chính đặc trưng để mô tả các vật liệu từ tương ứng khi có từ trường ngoài Do từ học liên quan đến hóa học, vật

lý và khoa học vật liệu nên có hai hệ thống đơn vị được thừa nhận hiện nay[3]

Bảng 1.1 Các đại lượng và đơn vị từ trong hệ đơn vị SI và CGS

Đại lượng Kí

hiệu

Hệ đơn vị Gauss (CGS) Hệ đơn vị SI

Các hệ số chuyển từ hệ CGS sang hệ SI

1.2.2 Phân loại các vật liệu từ[1]

Các loại vật liệu bị từ hóa nhiều hay ít trong từ trường ngoài được gọi là các vật liệu từ Từ tính của chúng khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc, biểu hiện bởi đại lượng χ (độ cảm từ) được phân loại chúng thành các vật liệu từ chính sau: nghịch từ, thuận từ, sắt từ, phản sắt từ, feri từ[1]

Bảng 1.2 Phân loại các loại vật liệu từ

Loại vật

liệu từ

Độ cảm từ (χ)

Các nguyên tử không có mômen từ

từ sắp xếp đối song

Ba (χ ~ 3)

1.2.3 Chu trình từ trễ và đường cong từ trễ

Ở trạng thái ban đầu, khi chưa có từ trường ngoài tác dụng, các mômen từ trong vật liệu được phân bố đều theo phương từ hóa dễ, năng lượng của mẫu ở trạng thái cực tiểu và tổng mômen từ của vật liệu bằng không

Nếu ta áp một từ trường ngoài H tăng dần vào một khối vật liệu sắt từ, hoặc feri

từ, vật liệu từ sẽ bị từ hóa, mômen từ của mẫu từ tính phụ thuộc phi tuyến tính vào từ

trường ngoài tác dụng Khi từ hóa mẫu từ tính ở từ trường ngoài với cường độ H có độ lớn nhất định thì giá trị từ độ M được duy trì không đổi dù H tiếp tục tăng Ta nói giá trị này là độ từ hóa bão hòa Ms Sau đó giảm từ trường về không, ta có giá trị độ từ dư

Mr Tiếp tục ta áp một từ trường theo hướng ngược lại, M bằng không tại H=HC Đó là

độ kháng từ HC Tiếp tục tăng từ trường (theo hướng ngược lại) và tăng theo chiều ban đầu Ta thu được đường từ trễ khép kín Hiện tượng mômen từ thay đổi không đồng bộ với từ trường ngoài tác dụng gọi là hiện tượng từ trễ

Hiện tượng từ trễ của vật liệu sắt từ và feri từ có liên quan tới quá trình từ hóa không thuận nghịch Một trong những nguyên nhân gây nên hiện tượng này là do việc ngăn cản sự dịch chuyển các vách đômen của cấu trúc đômen[1]

Hình 1.2 Đồ thị M(H) của chất sắt từ (đường cong liền nét), chất phản sắt từ (đường

chấm), chất thuận từ (đường nét đứt)

1.2.4 Bản chất đơn đômen và tính chất siêu thuận từ

Dưới nhiệt độ Curie, các chất sắt từ, feri từ có trật tự từ tự phát Nghĩa là, các mômen từ định hướng song song (đối với chất sắt từ) và đối song song nhưng không

bù trừ nhau (đối với chất feri từ) Thực tế cho thấy, các mômen từ tự phát chỉ tồn tại ở một vùng nhỏ nhất định của vật liệu từ Ở trạng thái khử từ, mômen từ ở các vùng nhỏ định hướng khác nhau (tùy theo vật liệu), tổng mômen từ của mẫu bằng không Vùng nhỏ ấy được gọi là đômen từ (magnetic domain)

Việc phân chia thành các đômen là để năng lượng của vật liệu (bao gồm năng lượng dị hướng từ, năng lượng tương tác trao đổi, năng lượng đàn hồi từ và đặc biệt là năng lượng trường khử từ) có giá trị cực tiểu Tuy nhiên, sự phân chia đômen không thể tiếp tục vì xuất hiện một dạng năng lượng mới Đó là vách ngăn cách các đômen

với hướng các mômen từ ngược nhau Vách ngăn cách dự trữ một năng lượng gọi là năng lượng vách Việc phân chia thành các đômen tiếp tục diễn ra cho đến khi năng lượng tạo nên các vách đômen không lớn hơn việc giảm năng lượng của mẫu

Trong những hạt có kích thước đủ nhỏ thì sự phân chia thành đômen lại làm tăng năng lượng tự do của hệ Vì vậy, khi kích thước hạt được thu nhỏ dần thì số lượng các đômen từ cũng giảm theo Đến một giới hạn nào đó thì không còn thích hợp để tồn tại nhiều vách đômen nữa Mỗi hạt là một đômen duy nhất, gọi là hạt đơn đômen Lúc này, sự sắp xếp của các mômen từ khi có từ trường ngoài không còn bị cản trở bởi các vách đômen, nên thực hiện dễ dàng hơn

Vậy siêu thuận từ là hiện tượng các vật liệu từ có biểu hiện tính thuận từ khi nhiệt

độ thấp hơn nhiệt độ Curie (hay nhiệt độ Néel) Hiện tượng này xảy ra ở các hạt có kích thước rất nhỏ, khi mà năng lượng cần để thay đổi hướng của các mômen từ nhỏ hơn năng lượng dao động nhiệt Năng lượng cần để thay đổi hướng của các mômen từ trong tinh thể gọi là năng lượng dị hướng của tinh thể và phụ thuộc vào tính chất của vật liệu cũng như kích thước của tinh thể Kích thước của tinh thể giảm thì năng lượng

đó cũng giảm Hai đặc trưng cơ bản của các chất siêu thuận từ là:

 Đường cong từ hóa không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ

 Không có hiện tượng từ trễ, có nghĩa là lực kháng từ HC bằng 0

Hình 1.3 Đường cong từ hóa của vật liệu siêu thuận từ

Đối với vật liệu siêu thuận từ, từ dư và lực kháng từ bằng không, có tính chất như vật liệu thuận từ, nhưng chúng lại nhạy với từ trường hơn, có từ độ lớn như chất sắt từ Điều đó có nghĩa là vật liệu sẽ hưởng ứng dưới tác động của từ trường ngoài nhưng khi ngừng tác động của từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa, đây là một đặc điểm rất quan trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng dụng y sinh học[17]

1.3 Ôxít sắt

1.3.1 Cấu trúc của ôxít sắt từ Fe3O4

Ôxít sắt từ Fe3O4 là một ôxít hỗn hợp FeO.Fe2O3 có cấu trúc tinh thể spinel ngược, thuộc nhóm ceramic từ, được gọi là ferit (công thức chung là MO.Fe2O3, trong

đó M có thể là Fe, Ni, Co, Mn…)

Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể ferit thường gặp

Các ferit có cấu trúc spinel thường (thuận) hoặc spinel ngược Trong mỗi ô đơn vị của cấu trúc spinel, những ion hóa trị III chiếm các vị trí bát diện còn những ion hóa trị II chiếm các vị trí tứ diện Cấu trúc spinel ngược được sắp xếp sao cho một nửa số ion

Fe3+ ở vị trí tứ diện, một nửa số ion Fe3+ còn lại và tất cả số ion Fe2+ ở vị trí bát diện Mỗi vị trí bát diện có 6 ion O2- lân cận gần nhất sắp xếp trên các góc của khối bát diện, trong khi đó ở vị trí tứ diện có 4 ion O2- lân cận gần nhất sắp xếp trên các góc của khối

tứ diện Ôxít sắt từ Fe3O4 có ô đơn vị lập phương tâm mặt Ô đơn vị gồm 56 nguyên tử: 32 anion O2-, 16 cation Fe3+, 8 cation Fe2+ Dựa vào cấu trúc Fe3O4, các spin của 8 ion Fe3+ chiếm các vị trí tứ diện, sắp xếp ngược chiều và khác nhau về độ lớn so với các spin của 8 ion Fe3+ và 8 ion Fe2+ ở vị trí bát diện Các ion Fe3+ ở vị trí bát diện này ngược chiều với các ion Fe3+ ở vị trí tứ diện nên chúng triệt tiêu nhau Do đó, mômen

từ tổng cộng là do tổng mômen từ của các ion Fe2+ ở vị trí bát diện gây ra Vậy mỗi phân tử ôxít sắt từ Fe3O4 vẫn có mômen từ của các spin trong ion Fe2+ ở vị trí bát diện gây ra và có độ lớn là 4B (magneton Bohr) Vì vậy, tinh thể ôxít sắt từ Fe3O4 tồn tại tính dị hướng từ (tính chất từ khác nhau theo các phương khác nhau) Vật liệu thể hiện tính siêu thuận từ khi vật liệu có kích thước nano đủ nhỏ và ta xem mỗi hạt Fe3O4 như

hạt đơn đômen Tinh thể Fe3O4có cấu trúc lập phương, có độ từ hóa bão hòa Ms ~92 A.m2.kg-1 và nhiệt độ Curie khoảng 5800C

Ôxít sắt từ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Đặc biệt, khi ở kích thước nano, hạt Fe3O4 được xem như các hạt đơn đômen và có tính siêu thuận từ phục vụ chủ yếu cho lĩnh vực y sinh học, như là tác nhân làm tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ, làm phương tiện dẫn truyền thuốc…

1.3.2 Sự biến đổi và ổn định của ôxít sắt từ Fe3O4

Pha maghemite có thể biến đổi thành hematite α-Fe2O3 (pha bền vững) khi thiêu kết ở điều kiện môi trường nhiệt độ thích hợp Cụ thể, quá trình này được khảo sát bởi Bradford và các cộng sự[10] và tóm tắt lại như sau:

Chuẩn bị hạt nano magnetite tinh khiết bằng phương pháp kết tủa sau đó nung theo nhiệt độ tăng dần và khảo sát sự biến đổi pha sang maghemite và hematite

- Nếu thiêu kết maghemite (γ-Fe2O3)tinh khiết trong khoảng 250-300˚C (trong năm ngày) thì không có biến đổi pha xảy ra

- Nếu thiêu kết maghemite trong khoảng từ 320˚C đến 450˚C thì chuyển đổi pha rất chậm (10% mẫu bột biến thành α-Fe2O3 khi thiêu kết trong một tuần).Nếu thiêu kết ở 500˚C phản ứng chuyển pha xảy ra nhanh (70-90% γ-Fe2O3 thành α-Fe2O3 chỉ trong một tiếng), để phản ứng chuyển pha xảy ra hoàn toàn cần lâu hơn ba tiếng (nhưng ta cần thời gian lâu hơn đối với maghemite không tinh khiết) Trong quá trình biến đổi từ γ-Fe2O3 thànhα-Fe2O3 thì không có sản phẩm trung gian.Bên cạnh đó, sự chuyển pha còn kèm theo sự thay đổi diện tích bề mặt hạt Thiêu kết ở nhiệt độ dưới 500˚C sự biến đổi pha kèm theo biến đổi ít về diện tích bề mặt hạt Thiêu kết ở nhiệt độ khoảng từ 500˚C đến 650˚C sự biến đổi pha kèm theo sự biến

đổi nhiều về diện tích bề mặt

những khối u làm dính các h

Hình 1.6 Ảnh hưởng của nhi

mẫu được chuẩn bị từ magnetite tinh khi

1.3.3 Tính siêu thuận từ của ôxít sắt từ Fe

Khi giảm kích thước c

đômen, vì với kích thước đó nh

thời gian để các vách đômen có th

nhiệt không đủ mạnh để thắ

thay đổi hướng của mômen t

ngẫu nhiên hướng mômen t

mômen từ trong toàn tinh th

ổi nhiều về diện tích bề mặt tăng kích thước hạt do những biên h

àm dính các hạt nano từ lại với nhau

a nhiệt độ lên diện tích bề mặt và sự biến đổi pha c magnetite tinh khiết và mỗi khi nung thì được ủ

ận từ của ôxít sắt từ Fe3O4

c của các hạt ôxít sắt từ Fe3O4 thì chúng sẽ là nh

c đó nhỏ hơn rất nhiều độ rộng của vách đômen nên không đcác vách đômen có thể hình thành trong hạt Khi đó năng lư

ắng lực liên kết giữa các phân tử kề nhau nhưng đ

a mômen từ trong toàn bộ tinh thể Kết quả là có m

ng mômen từ trong tinh thể khi không có từ trường ngoài Do đó trong toàn tinh thể bằng không

ng của các hạt siêu thuận từ khi có từ trường và khi t

ngắt

ột số ứng dụng của hạt nano từ tính trong y – sinh học

11]

, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố không tập trung nên các t

ng do tác dụng phụ của thuốc Chính vì thế việc dùng các h

Không từ trường

Từ trường

ên hạt xuất hiện

i pha của ôxít sắt Mỗi trong 3 giờ

là những hạt đơn

a vách đômen nên không đủ Khi đó năng lượng dao động nhau nhưng đủ mạnh để

tính như là hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể (thông thường dùng điều trị các khối u ung thư), những ứng dụng này được gọi là dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính

Hạt nano từ tính có tính tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị Lúc này hạt nano có tác dụng như một hạt mang Thông thường hệ thuốc/hạt tạo ra một chất lỏng từ và đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn Khi các hạt đi vào mạch máu, người ta dùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể Một khi hệ thuốc/hạt được tập trung tại vị trí cần thiết thì quá trình nhả thuốc có thể diễn ra thông qua cơ chế hoạt động của các enzym hoặc các tính chất sinh lý học do các tế bào ung thư gây ra như độ pH, quá trình khuyếch tán hoặc sự thay đổi của nhiệt độ

Hình 1.8 Nguyên lý dẫn thuốc dùng hạt nano từ tính

Các hạt nano từ tính thường dùng là ôxít sắt bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học như PVA, detran hoặc silica Chất bao phủ có tác dụng chức năng hóa bề mặt để có thể liên kết với các phân tử khác như nhóm chức carboxyl, biotin, avidin,…

Nghiên cứu dẫn truyền thuốc đã được thử nghiệm rất thành công trên động vật, đặc biệt nhất là dùng để điều trị u não Việc dẫn truyền thuốc đến các u não rất khó khăn vì thuốc cần phải vượt qua hàng rào băng cách giữa não và máu, nhờ có trợ giúp của hạt nano từ có kích thước 10-20 nm việc dẫn truyền thuốc có hiệu quả hơn rất nhiều

1.4.2 Phân tách và chọn lọc tế b

Trong y sinh học, ngư

nào đó ra khỏi môi trường c

Việc đánh dấu được th

dùng là hạt ôxít sắt Các hạt này đư

sinh học như là dextran, polyvinyl alcohol (PVA),

Quá trình phân tách

trường ngoài tạo một lực hút các h

bào không được đánh dấu s

bào đơn giản nhất được trình bày nh

Hình 1.9 S

Hỗn hợp tế bào và ch

mặt) được trộn với nhau để các li

dụng một từ trường ngoài là m

các hạt tế bào được đánh dấu lại

1.4.3 Phương pháp nâng thân nhi

Phương pháp nâng thân nhi

đa các tế bào bình thường

nhiệt vượt quá 56C gây ra ho

trong suốt quá trình trị liệu hóa h

thuận lợi cho khả năng chọn l

ọn lọc tế bào[12]

c, người ta thường xuyên phải tách một loại thự

ng của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích ho

c đích khác Phân tách tế bào sử dụng các hạt nano từ tính là m

c sử dụng

Quá trình phân tách được chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thự

và tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trư

c thực hiện thông qua các hạt nano từ tính H

t này được bao phủ bởi một loại hóa chất có tính tương hran, polyvinyl alcohol (PVA),

Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trư

c hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh d

u sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài Sơ đ

c trình bày như hình 1.9

Hình 1.9 Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản

ào và chất đánh dấu (hạt từ tính bao phủ bởi một lớp hoạt hóa bề

ợc trộn với nhau để các liênkết hóa học giữa chất đánh dấu và tế b

ài là một thanh nam châm để tạo ra một gradient từ tr

ợc đánh dấu lại

Phương pháp nâng thân nhiệt cục bộ

Phương pháp nâng thân nhiệt cục bộ cho các bệnh nhân ung thư,

ng là ứng dụng quan trọng hạt nano từ tính Ch

C gây ra hoại tử, và than hóa các tế bào bình thường c

u hóa học Vì vậy, điều trị bằng nhiệt thông thư

n lọc của các vị trí trị liệu

ực thể sinh học khi phân tích hoặc cho các tính là một trong những

ất đánh dấu (hạt từ tính bao phủ bởi một lớp hoạt hóa bề

ế bào xảy ra Sử

ột thanh nam châm để tạo ra một gradient từ trường giữ

nh nhân ung thư, là làm giảm tối

Chữa bệnh bằng

ng của nạn nhân

t thông thường không

Phương pháp nâng thân nhiệt cục bộ là quá trình điều trị sử dụng các hạt nano siêu thuận từ có thể làm gia tăng thêm nhiệt ở vị trí cục bộ thông qua sự dao động của mômen từ bên trong các hạt nano Tương tự như các lý thuyết ứng dụng khác của các hạt nano từ, khi các hạt đến các mô bệnh với sự giúp đỡ của từ trường ngoài hoặc thông qua gắn các nhóm chức năng đặc biệt, các hạt nano có tỉ lệ hấp thụ cao hơn nhiều so với các hạt từ khối Do vậy, các tế bào ung thư sẽ bị giết, trong khi các mô bình thường vẫn duy trì ở nhiệt độ thấp trong khoảng 42-480C

Do các tính chất vượt trội của các hạt nano từ mang lại, phương pháp nâng thân nhiệt cục bộ tăng hiệu quả trong việc điều trị ung thư

1.4.4 Chụp ảnh cộng hưởng

từ[13, 26]

MRI là công cụ thông

dụng cho chẩn đoán các khối u

ác tính Kỹ thuật này dựa trên

cộng hưởng từ hạt nhân, hạt nhân

của các nguyên tử khác nhau hấp

thụ năng lượng khác nhau và

cộng hưởng tại tần số cố định khi

có từ trường ngoài thay đổi theo

chu kì H2 là một trong những

nguyên tố thích hợp nhất cho ảnh

hưởng cộng hưởng từ hạt nhân và là một trong các yếu tố thông dụng nhất trong cơ thể người Khi so sánh với quét tia X và chụp cắt lớp máy tính (CT), MRI cung cấp hình ảnh rõ ràng hơn của xương và các mô mềm của cơ thể người và là phương pháp an toàn hơn cho việc chẩn đoán, bởi vì cấu trúc xương hấp thụ tia X và thấm qua các khối của tia X trong suốt quá trình chụp CT

1.4.5 Tách chiết tế bào[12]

Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tách một loại thực thể sinh học nào đó ra khỏi môi trường tự nhiên của chúng, để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho các mục đích khác[14] Phân tách tế bào sử dụng các hạt nano từ tính tương thích sinh học là một trong những phương pháp thường được sử dụng Quá trình phân tách được chia làm ba giai đoạn: (a) Đánh dấu thực thể sinh học cần nghiên cứu, (b) Tách

Hình 1.10 Chụp ảnh cộng hưởng từ

các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường (c) Phân tích định lượng phẩm chất các thực thể sinh học nhận được

Việc đánh dấu có thể thực hiện thông qua các hạt nano từ tính được cải biến bề mặt, thường là các hạt ôxít sắt Các hạt này thường được phủ với các phần tử tương thích sinh học như dextran, polyvinyl alcohol (PVA) và phosopholipids Các lớp phủ này không những tạo liên kết với một vị trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà còn giúp cho các hạt nano phân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng

từ Giống như trong hệ miễn dịch, vị trí liên kết đặc biệt trên bề mặt tế bào sẽ được các kháng thể hoặc các phân tử khác như hoóc – môn, axít folic tìm thấy Các kháng thể sẽ liên kết với các kháng nguyên Đây là cách rất hiệu quả và chính xác để đánh dấu tế bào

Quá trình tách chiết được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài Từ trường ngoài tạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu Các tế bào không được đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài

1.4.6 Chẩn đoán bệnh[13]

Các hạt nano ôxít sắt siêu thuận từ đã phủ lớp tương thích sinh học thì được tiêm vào cơ thể bị ung thư Các hạt này đi liền vào khối u thông qua các lỗ ở tế bào nội mô của mạch máu nuôi dưỡng khối u Khi đã vào trong khối u các hạt này sẽ liên kết với nhau nhờ các enzym protease trong khối u Khối hạt liên kết này sẽ phát ra các tín hiệu

từ mạnh, qua đó thông báo vị trí khối u qua cộng hưởng từ hạt nhân

Bằng cách sử dụng các hạt nano hoặc các đầu dò nano có gắn kháng thể để tìm kiếm các tế bào ung thư, các virus, vi khuẩn gây bệnh ở mức độ nano mét nên cực kỳ nhạy nhờ vào phương pháp liên kết đặc hiệu kháng nguyên – kháng thể, mỗi kháng thể chỉ có thể nhận diện được một kháng nguyên duy nhất Dung dịch chứa các hạt nano

từ này sẽ hút các loại vi khuẩn, virus gây bệnh khi được trộn lẫn với huyết tương, huyết thanh của người, sau đó sẽ được tách chiết và phân tích để chẩn đoán bệnh 1.5 Chế tạo hạt nano từ tính bao bọc trong một chất khác

Hạt nano từ tính thường được bao bọc trong một vỏ (có thể là polymer hữu cơ)

có kích thước vài trăm nm (còn gọi là các tiểu cầu chứa hạt nano) để tránh kết tụ khi không có mặt của từ trường ngoài Việc bao bọc như thế tạo ra một bề mặt có tính tương hợp sinh học và dễ dàng chức năng hóa

Các tiểu cầu (microencapsulations) có thể có cấu trúc đa dạng và gồm có các phần chính là lõi và vỏ Hình dạng và các tính chất của lõi và vỏ, theo lý thuyết cho thấy có thể được điều chỉnh bằng cách khống chế các thành phần và các thông số chế tạo Một số dạng tiểu cầu tiêu biểu

Hình 1.11 Hình dạng điển hình của các tiểu cầu có chứa hạt nano

Trong các dạng này, tỉ lệ lõi/vỏ và kiểu kết

cầu là hai yếu tố cơ bản để tạo ra các cấu

trúc khác nhau của tiểu cầu Tuy nhiên

trong thực tế, tiểu cầu rất hiếm khi đồng

đều và hình dạng của chúng có thể rất khác

so với những dạng được mô tả ở trên

Ngoài các cấu trúc lõi/vỏ thông thường của

tiểu cầu còn có cấu trúc mà trong đó các

hạt nano phân bố đều bên trong một nền chất mang Việc tạo ra các tiểu cầu có các tính chất như mong muốn và mang lại những lợi ích có tính ứng dụng trong khoa học

sự sống, công nghệ sinh học, y học, dược học, nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm,

mỹ phẩm, sản xuất giấy… Hạt nano từ tính có cấu trúc lõi/vỏ có tính tương hợp sinh học, có tác dụng như một hạt mang, được gắn kết với thuốc điều trị

Cấu tạo hạt nano ôxít sắt từ có cấu trúc lõi/vỏ:

- Lõi từ: Kích thước nano (10-500nm), có từ tính, có khả năng mang các đại phân tử sinh học

- Vỏ bảo vệ: Bảo vệ lõi từ khỏi bị ăn mòn và ngăn ngừa các thành phần gây độc của lõi vào tế bào/cơ thể và có tính tương hợp sinh học

Hình 1.12 Cấu tạo hạt nano oxít sắt từ

có cấu trúc lõi/vỏ

Hình 1.13 Cấu trúc vô định hình của SiO 2

- Linker: Các đại phân tử sinh học tương tác yếu hay không tương tác với vi hạt nên các linker nhằm mục đích tăng cường khả năng gắn đại phân tử sinh học cũng như kiểm soát cơ chế phóng thích

1.5.1 Bao bọc hạt nano từ tính bằng SiO2

Một trong những vật liệu vô cơ dùng

để chức năng hóa bề mặt hạt nano từ tính

là silica Silica là một ôxít của silicon với

công thức hóa học là SiO2

 Cấu trúc vô định hình

Các nguyên tử được sắp xếp một

cách ngẫu nhiên hỗn độn, không theo

quy luật hình học nào, chúng bị xô lệch

nhau tạo nên một cấu trúc lưới tình cờ,

không có trật tự như hình 1.13

 Cấu trúc tinh thể

Cấu trúc tinh thể của silica có ba

dạng chính: thạch anh, tridymite và

cristobalite được tạo thành từ mạng

lưới không gian ba chiều của các khối

tứ diện [SiO4]4-, các khối này liên kết

với nhau qua đỉnh, sắp xếp một cách có

quy luật, trật tự chặt chẽ và đối xứng

với nhau

 Tính chất và ứng dụng của Silica

Vai trò của silica dùng để bọc lên hạt sắt từ là tạo thành lớp bảo vệ ổn định của lõi từ tính chống lại sự kết tụ và sự ngâm chiết trong môi trường axít, điều khiển khoảng cách phân ly giữa các hạt, làm ổn định các tính chất từ, điều khiển sự phân bố kích thước của các đám nano từ tính, điều khiển sự nung kết và sự ăn mòn, cuối cùng

là bảo vệ chống lại sự ôxi hóa trong suốt quá trình xử lý nhiệt trong không khí

1.5.2 Chức năng hóa bề mặt hạt nano từ tính với APTES

Các hạt nano từ tính thường dùng trong y sinh học là các hạt ôxít sắt (magnetite Fe3O4, maghemite -Fe2O3) được bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có

tính tương hợp sinh học như PVA, dextran hoặc silica Chất bao phủ có tác dụng chức năng hóa bề mặt để có thể liên kết với các phân tử khác như nhóm chức amino, carboxyl, streptavidin, biotin,

Để ứng dụng trong sinh học, các hạt nano cần phải được chức năng hóa bề mặt

để có thể tiếp hợp với các đối tượng sinh học như DNA, kháng thể, enzyme Các nhóm chức thường gặp là nhóm amino, biotin, steptavidin, carbonxyl, thiol Để có được các nhóm chức ở bề mặt hạt nano, chúng ta sử dụng nguyên tắc thủy phân organosilane để tạo một lớp polymer trên bề mặt hạt nano Organosilane là các phân tử có hai nhóm chức có công thức tổng quát là X-(CH2)n-SiRn(OR’)3-n, trong đó X là nhóm chức cần thiết để tiếp hợp các đối tượng sinh học, (CH2)n là lớp đệm hữu cơ, phụ thuộc vào n mà

lớp đệm này có thể dày hay mỏng, SiRn là nhóm liên kết với nhóm hydroxyl của bề mặt hạt nano Alkoxysilane với rất nhiều các nhóm chức X khác nhau đã được thương mại hóa Nhóm amino được sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng sinh học Trong quá trình chức năng hóa bề mặt, với phân tử organosilane, xảy ra hai phản ứng đồng

thời đó là quá trình thủy phân các nhóm silane alkoxy n thành các nhóm silanol hoạt

tính và quá trình hóa rắn của các silanol với nhóm OH tự do trên bề mặt hạt nano để tạo

ra các liên kết Si-O-Si bền vững

Hình 1.15 Cấu tạo của phân tử APTES

Gần đây, phức chất chứa nhóm amino như 3-aminopropyl triethoxysilane (APTES) đã được sử dụng rất rộng rãi có tác dụng làm tăng khả năng bám dính giữa các vật liệu hữu cơ và vô cơ[15] Nhóm chức 3-ethoxy trong mỗi phân tử APTES có thể thủy phân và phản ứng tạo ra nhóm chức năng động (-OH) có thể gắn kết lên bề mặt hợp chất vô cơ Hơn nữa nhóm – NH2 có thể ảnh hưởng, tác động lên bề mặt nhóm hydroxyl Do đó, lực van der Waals giữa các phân tử APTES làm chúng hình thành lớp đơn phân tử theo trật tự nhất định Vì thế, các phân tử APTES với cấu trúc đa lớp có thể gắn kết với một số gốc liên kết hóa học Người ta sử dụng APTES như là chất hoạt hóa bề mặt làm tăng khả năng gắn kết giữa APTES và lớp polymer hay ngay cả giữa các lớp APTES[16]

Chúng tôi sử dụng 3-aminopropyl triethoxysilane (APTES) để tạo ra nhóm amino trên bề mặt hạt nano Ở đây, APTES được sử dụng để gắn với các hạt nano kim loại, làm cho silica có sự tương tác mạnh mẽ giữa nhóm amin và các hạt kim loại Đồng thời, hạt nano được chức năng hóa bề mặt bởi APTES sẽ làm tăng khả năng gắn kháng thể lên gấp nhiều lần so với các hạt nano chưa hoạt hóa bề mặt với phân tử APTES 1.6Sơ lược về albumin

Albumin là một thành phần protein quan trọng nhất, chiếm tới 58-74% lượng protein toàn phần Một trong những chức năng sinh lý quan trọng nhất của albumin là góp phần vào áp lực keo của máu và chức năng vận chuyển Albumin làm ổn định thể tích tuần hoàn của máu và là chất chuyên chở các hormon, enzyme, thuốc, độc tố… Protein BSA (Bovine Serum Albumin- Albumin huyết thanh bò) là một trong những protein được nghiên cứu rộng rãi nhất vì là protein phong phú nhất trong huyết thanh với nồng độ 5g/100ml.BSA có nhiều ứng dụng sinh hóa bao gồm cả xét nghiệm ELISA (Enzyme -linked immunosorbent assay), immunoblots và miễn dịch Nó cũng được sử dụng như là một chất dinh dưỡng trong tế bào và vi sinh vật Protein BSA được sử dụng vì sự ổn định của nó để tăng tín hiệu trong các xét nghiệm, hiệu quả trong nhiều phản ứng sinh hóa, chi phí thấp vì số lượng lớn protein BSA có thể được dễ dàng tinh chế từ máu bò, một sản phẩm phụ của ngành công nghiệp gia súc.Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng BSA để gắn thử nghiệm lên hạt nano từ trước khi thực hiện gắn kháng thể

1.7 Đại cương về kháng nguyên và kháng thể[2]

1.7.1 Định nghĩa

Kháng thể là các phân tử immunoglobulin-Ig (có bản chất glycoprotein), do các tế bào lympho B cũng như các tương bào (biệt hóa từ lympho B) tiết ra để hệ miễn dịch nhận biết và vô hiệu hóa các tác nhân lạ, chẳng hạn các vi khuẩn hoặc virus Mỗi kháng thể chỉ có thể nhận diện một epitope kháng nguyên duy nhất

1.7.2Lớp Immunoglobulin (Ig)

Có 5 loại Ig là IgA, IgM, IgD, IgG, IgE

Cấu trúc của kháng thể miễn dịch: Tất cả các Ig đều có cấu trúc giống nhau, trong

đó IgG là kháng thể lưu hành phổ biến nên ta xem xét như một mô hình chung cho các lớp kháng thể khác