Nghiên cứu chế tạo chất lỏng từ trên nền axit sắt siêu thuận từ định hướng ứng dụng chụp ảnh cộng hưởng từ MRI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÊ THẾ TÂM NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CHẤT LỎNG TỪ TRÊN NỀN OXIT SẮT SIÊU THUẬN TỪ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CHỤP ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ MRI Chun ngành: Hóa vơ Mã số: 9.44.01.13 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS TRẦN ĐẠI LÂM PGS TS NGUYỄN HOA DU Hà Nội - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, hướng dẫn GS.TS Trần Đại Lâm PGS.TS Nguyễn Hoa Du Các số liệu, kết sử dụng luận án trích dẫn từ báo đồng ý đồng tác giả Các số liệu, kết trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận án Lê Thế Tâm LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Trần Đại Lâm PGS.TS Nguyễn Hoa Du - người Thầy hướng dẫn thầy giáo TS Lê Trọng Lư đã dành cho tơi động viên, giúp đỡ tận tình định hướng khoa học hiệu suốt trình thực luận án Bản luận án khơng thể hồn thành khơng có giúp đỡ đồng nghiệp Tôi xin cảm ơn cộng tác giúp đỡ đầy hiệu TS Phạm Hồng Nam, TS Vương Thị Kim Oanh, NCS Nguyễn Thị Ngọc Linh, CN Lê Thị Thanh Tâm cán Phòng Vật liệu nano y sinh, Phòng Vật lý vật liệu từ siêu dẫn - Viện Khoa học vật liệu (VKHVL), Phòng Kỹ thuật điện, Điện tử - Viện Kỹ thuật nhiệt đới (VKTNĐ) - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam (VHLKHCNVN), giúp đỡ thực phép đo quan tâm động viên quý báu với tơi q trình thực luận án Tơi xin gửi lời cảm ơn tới cán bộ môn Mô phôi Tế bào thuộc Khoa Sinh học Trường đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHKHTN) - Đại học Quốc gia Hà Nội (ĐHQGHN), Phòng Sinh học thực nghiệm - Viện Hóa học hợp chất thiên nhiên (VHHHCTN), VHLKHCNVN hợp tác nghiên cứu ứng dụng y sinh Tôi xin gửi lời cảm ơn trân trọng tới BS ThS Nguyễn Thị Hường, BS Nguyễn Văn Đông cán Khoa chẩn đốn hình ảnh - Bệnh viện Quốc tế Vinh giúp đỡ thực phép đo bàn luận khoa học quý báu Tôi xin trân trọng cảm ơn giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi sở đào tạo Học viện Khoa học Công nghệ VKHVL, VKTNĐ - VHLKHCNVN, Viện Cơng nghệ Hóa sinh - Mơi trường, trường Đại học Vinh quan mà công tác, trình thực luận án Luận án thực với hỗ trợ kinh phí từ đề tài nghiên cứu cấp nhà nước, Chương trình nghiên cứu khoa học công nghệ trọng điểm quốc gia phát triển công nghiệp Hóa dược đến năm 2020 GS Trần Đại Lâm, Viện Khoa học vật liệu (VKHVL) - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ Giáo dục Đào tạo với mã số B2019-TDV-03 (Lê Thế Tâm) Luận án thực Phòng Vật liệu nano y sinh Phòng Vật lý vật liệu từ siêu dẫn (VKHVL, VHLKH NVN); Phòng Kỹ thuật Điện - Điện tử (Viện Kỹ thuật nhiệt đới, VHLKH NVN) Viện Công nghệ Hóa sinh - Mơi trường, trường Đại học Vinh Tôi xin cảm ơn tới Ban lãnh đạo Viện CNHS-Môi trường, trường Đại học Vinh, phận quản lý đào tạo Viện Hóa học ln tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình thực luận án Sau cùng, muốn gửi tình cảm yêu thương biết ơn tới vợ, con, bố, mẹ, tất người thân gia đình bạn bè ln cổ vũ, động viên để tơi vượt qua khó khăn hồn thành tốt nội dung nghiên cứu luận án Hà Nội, ngày 26 tháng 04 năm 2019 Tác giả luận án Lê Thế Tâm MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU FERIT SPINEL VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐỐN HÌNH ẢNH BẰNG KỸ THUẬT CHỤP MRI 1.1 Cấu trúc tính chất vật liệu ferit spinel 1.1.1 Cấu trúc vật liệu ferit spinel 1.1.2 Tính chất từ vật liệu ferit spinel 1.1.3 Vật liệu siêu thuận từ 1.2 Tình hình nghiên cứu vật liệu nano từ nước 12 1.2.1 Tình hình nghiên cứu giới 12 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước 15 1.3 Các phương pháp chế tạo chất lỏng từ 17 1.3.1 Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano từ 17 1.3.2 Các công nghệ bọc hạt dung môi nước 23 1.3.3 Các quy trình chuyển pha từ dung môi hữu sang dung môi nước 29 1.4 Các ứng dụng y sinh 34 Kết luận chương 47 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 48 2.1 Chế tạo chất lỏng từ hạt Fe3O4 tổng hợp phương pháp thủy nhiệt 48 2.1.1 Hóa chất thiết bị 48 2.1.2 Quy trình chế tạo hạt nano Fe3O4 48 2.1.3 Quy trình chế tạo chất lỏng từ Fe3O4 bọc chitosan 49 2.2 Tổng hợp hạt nano từ Fe3O4 phương pháp phân hủy nhiệt 52 2.3 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 57 2.3.1 Quy hoạch thực nghiệm 57 2.4 Các phương pháp đặc trưng 62 2.4.1 Nhiễu xạ tia X 62 2.4.2 Phổ hấp thụ hồng ngoại 63 2.4.3 Phân tích nhiệt 63 2.4.4 Hiển vi điện tử 64 2.4.5 Phổ tán xạ laze động (DLS) 67 2.4.6 Phương pháp đánh giá độc tính chất lỏng từ lên tế bào ung thư tế bào lành 67 2.4.7 Đo chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (MRI) 70 Kết luận chương 74 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU HỆ CHẤT LỎNG TỪ TRÊN NỀN Fe TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT 75 3.1 Thực quy hoạch thực nghiệm bậc hai ba mức tối ưu 76 3.2 Đặc trưng cấu trúc hình thái hạt nano từ tính Fe3O4 bọc chitosan 83 3.3 Đặc trưng độ bền hệ chất lỏng từ Fe3O4 bọc chitosan 88 3.4 Thử nghiệm đánh giá độc tính hệ chất lỏng từ Fe3O4 bọc chitosan 90 Kết luận chương 95 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU HỆ CHẤT LỎNG TỪ TRÊN NỀN OXIT SẮT TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY NHIỆT 96 4.1 Khảo sát ảnh hưởng dung mơi nhiệt độ lên tính chất hạt Fe3O4 96 4.1.1 Đặc trưng cấu trúc, hình thái hạt nano Fe3O4 chế tạo phương pháp phân hủy nhiệt 97 4.1.2 Tính chất từ 100 4.1.3 Khảo sát ảnh hưởng thời gian lên tính chất hạt Fe3O4 101 4.2 Chế tạo chất lỏng từ chứa hạt nano từ tính Fe3O4 bọc PMAO 104 4.3 Thử nghiệm đánh giá độc tính hệ chất lỏng từ Fe3O4 chuyển pha bọc PMAO 109 Kết luận chương 113 CHƯƠNG 5: ĐẶC TRƯNG ĐỘ HỒI PHỤC r1, r2, THỬ NGHIỆM ĐỘC TÍNH VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TƯƠNG PHẢN ẢNH BẰNG KỸ THUẬT CHỤP ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ MRI 114 5.1 Đánh giá độ hồi phục r1, r2 hệ chất lỏng từ chế tạo phương pháp khác 114 5.1.1 Đánh giá độ hồi phục r1, r2 hệ chất lỏng từ 114 5.1.2 Đánh giá khả tương phản môi trường khác hệ chất lỏng từ 118 5.2 Khảo sát khả ứng dụng chất lỏng từ động vật thí nghiệm 123 5.2.1 Thử nghiệm in-vivo đánh giá khả ứng dụng hệ chất lỏng từ tính nano Fe3O4 làm thuốc tương phản kỹ thuật cộng hưởng từ MRI động vật 123 5.2.2 Thử nghiệm in-vivo đánh giá khả ứng dụng hệ chất lỏng từ tính nano Fe3O4 làm thuốc tương phản chẩn mô bệnh ung thư kỹ thuật cộng hưởng từ MRI động vật 130 Kết luận chương 137 KẾT LUẬN CHUNG 138 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ 139 TÀI LIỆU THAM KHẢO 142 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Thông số bán kính số ion kim loại Bảng 1.2 Phân bố ion vị trí cấu trúc spinel Bảng 1.3 Bảng tổng kết loại polyme bọc hạt nano từ ưu điểm chúng 28 Bảng 1.4 Tín hiệu T1W T2W mơ/dịch thể 40 Bảng 1.5 Các chất tương phản MRI oxit sắt 44 Bảng 1.6 Các chất tương phản MRI oxit sắt: đặc trưng kích thước hạt, quan đích, liều sử dụng đường truyền thuốc 44 Bảng 2.1: Giá trị mã hóa giá trị thực nghiệm yếu tố thực nghiệm 51 Bảng 2.2: Ma trận thực nghiệm kết tổng hợp chất lỏng từ theo thí nghiệm 51 Bảng 2.3 Sự phụ thuộc độ ổn định hệ keo vào giá trị Zeta 67 Bảng 2.4 a Chuẩn bị dãy nồng độ hệ chất lỏng 71 Bảng 2.4 b Chuẩn bị dãy nồng độ hệ chất lỏng 71 Bảng 2.5 Các tham số chuỗi hình ảnh sử dụng chụp ảnh MRI 73 Bảng 3.1 Giá trị mã hóa giá trị thực nghiệm yếu tố thực nghiệm 76 Bảng 3.2 Ma trận thực nghiệm kết tổng hợp chất lỏng từ theo thí nghiệm 77 Bảng 3.3 Kết phân tích ANOVA tối ưu trình tổng hợp yếu tố 78 Bảng 3.4 Các giải pháp tối ưu với hàm lượng biến xác định giá trị hàm mong đợi tối ưu 81 Bảng 3.5 Kết kiểm tra giá trị từ độ bão hòa Ms thu từ mơ hình thực tế 82 Bảng 3.6 Các vị trí hấp thụ chất 84 Bảng 3.7 Hằng số mạng (a), kích thước tinh thể trung bình (DXRD), kích thước hạt trung bình (DFESEM) mẫu hạt nano Fe3O4 tổng hợp điều kiện phản ứng khác 86 Bảng 4.1 Giá trị từ độ bao gồm lớp vỏ lõi (Fe3O4 +OA+OLA, PMAO), kích thước hạt trung bình (DTEM) 100 Bảng 4.2 Hằng số mạng (a), kích thước tinh thể trung bình (DXRD), kích thước hạt trung bình (DTEM), từ độ 10 kOe (Ms10kOe), lực kháng từ (Hc) mẫu hạt nano 102 Bảng 5.1 Kết tính tốn độ hồi phục r1, r2 tỷ số r1/r2 cho mẫu Fe3O4@PMAO, Fe3O4@CS chất so sánh Resovist 117 Bảng 5.2 Một số tham số chuỗi hình ảnh sử dụng chụp ảnh MRI 124 sau 15 phút, (d) sau 30 phút 134 DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể vật liệu ferit spinel Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể xếp mômen từ vật liệu Fe3O4 Hình 1.4 Đường cong từ trễ đo độ từ hóa vật liệu siêu thuận từ (superparamagnetic, SPM) sắt từ (ferromagnetic, FM) với lực kháng từ Hệ từ độ bão hòa Ms, độ từ dư Mr Hình 1.5 Sự phụ thuộc lực kháng từ (Hc) Fe3O4 vào kích thước hạt 10 Hình 1.6 Mơ hình thuốc lõi nano đa chức 13 Hình 1.7 Minh họa ứng dụng hạt siêu thuận từ Fe3O4 chẩn đoán ung thư (hiệu ứng MRI) điều trị ung thư (hiệu ứng nhiệt trị) 14 Hình 1.8 Tổng hợp hạt nano phương pháp hot injection 21 Hình 1.9 Cấu trúc vài chất hoạt động bề mặt sử dụng tổng hợp hạt nano dung môi hữu 22 Hình 1.10 Mơ hình bọc hạt nano từ 23 Hình 1.11 Các ảnh TEM: A) Các hạt nano sắt phủ cacbon chế tạo phương pháp nổ cảm ứng nhiệt phân ferrocene; B) Các hạt nano sắt ma trận cacbon chế tạo phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi; C) Các hạt nano coban cacbon bảo vệ chế tạo phương pháp nhiệt phân cồn polyfurfuryl 25 Hình 1.12 Sơ đồ minh họa bước thứ phản ứng xúc tác ngưng tụ tetraethylorthosilicate (TEOS) 26 Hình 1.13 Các ảnh TEM hạt nano sắt oxit sắt với lớp SiO2: A) Tổ hợp keo phân tán đơn bao gồm hạt nano hematite khối cầu silic 100 nm; B) Các hạt nano hematite có dạng bát diện lớp SiO2 dày 50 nm; C) hạt nano oxit sắt từ hình cầu silic; D) Các đám nano sắt kẹp chất keo SiO2 26 Hình 1.14 Các phương pháp chuyển pha hạt nano từ sang môi trường nước 29 Hình 1.15 Minh họa quy trình chuyển pha ligand exchange sử dụng poly với nhóm chức COOH 30 Hình 1.16 Ảnh TEM (a) phổ DLS (b) hạt nano Fe3O4 bọc phân tử dophamine sulfonate (DS), quy trình tổng hợp cấu trúc phân tử DS (c) Hình nhỏ bên (hình a) ảnh chụp hạt Fe3O4 bọc phân tử DS phân tán nước 31 Hình 1.17 Minh họa quy trình chuyển pha sử dụng amphiphilic polymer: DSPEPEG (phần trên), PMAO (Phần giữa) Fluronic (phần hình dưới) 32 Hình 1.18 Mơ hình q trình bọc hệ hạt nano PAA bọc PMAO 32 Hình 1.19 Mơ hình bọc hạt nano Fe3O4 nhóm tác giả Sun 33 Hình 1.20 Các ứng dụng hạt nano từ tính 34 Hình 1.21 Mơ hình cấu tạo máy MRI Radio Frequancy Coil: cuộn phát sóng tần số radio, Gradient coils: cuộn gradient, Maggnet: Từ trường, Scanner: Bộ phận quét, Patient: Bệnh nhân Patient Table: Bàn bệnh nhân 36 Hình 1.22 Ngun lý MRI vai trò hạt nano từ tính làm thuốc tăng tương phản (a) spin từ (m) proton nước tiến động xung quanh hướng từ trường bên B0; (b) sau áp dụng xung RF, m tiến động công góc với B0; (c) m hồi phục trở lại trạng thái cân ban đầu thơng qua theo chế độ hồi phục chiều dọc (T1) (d) ngang (T2); (e) Khi có mặt nano từ tính, spin proton nước bắt đầu tiến động không đồng tác dụng bổ sung trường lưỡng cực cục bộ(B1, gây hạt nano Do hồi phục xảy nhanh tạo tín hiệu MRI mạnh 37 Hình 1.23 Tạo ảnh T2, T1 điều chỉnh 40 Hình 1.24 Hiệu ứng tương phản hạt nano từ tính nước 41 Hạt nano từ tính chức hóa để liên kết với số mơ định có tác dụng đánh dấu hiệu Hiện chia chất tương phản làm loại tương ứng với chế T1 theo chế phát gần chế trao đổi bão hòa kèm theo chuyến hóa chất 41 Hình 1.25 Cơ chế trao đổi bão hòa kèm theo chuyển hóa chất (CEST) 42 Hình 1.26 Phân loại thuốc tăng tương phản tương ứng với chế Tl, T2 CEST 43 Hình 1.27 Cơng thức hóa học sản phẩm OMNISCAN thuốc tương phản T1 43 Hình 1.28 Vai trò ảnh hưởng kích thước hạt lên hình ảnh trọng T2 MRI Fe3O4(4, 6, 9,12 nm) từ trường 1,5T 45 Hình 1.29 Giá trị T1 T2 hình ảnh MRI hợp kim nano FeCo/C, so sánh với sản phẩm thương mại Feridex Magnevist 46 Hình 1.30 Chế độ chụp MRI nanohybrid, T1, T2 multimodal 46 Hình 2.1.Quy trình tổng hợp hạt nano Fe3O4 phương pháp thủy nhiệt 49 Hình 2.2 Quy trình tổng hợp hạt nano từ tính Fe3O4 bọc Chitosan 50 Hình 2.3 Hệ thiết bị dùng để chế tạo hệ hạt Fe3O4 phương pháp phân hủy nhiệt (a) (b) sơ đồ trình thay đổi nhiệt độ thời gian tổng hợp hạt nano Fe3O4 54 Hình 2.4 Quy trình tổng hợp hạt nano Fe3O4 phương pháp phân hủy nhiệt 54 Hình 2.5 Mơ hình q trình chuyển pha bọc hệ hạt nano PMAO 56 Hình 2.6 Quy trình chuyển pha bọc hạt Fe3O4 PMAO 56 Hình 2.7 Sơ đồ tín hiệu quy hoạch thực nghiệm 58 Hình 2.8 Vùng xác định ABCD yếu tố yếu tố ảnh hưởng vùng lân cận 60 Hình 2.9 Vùng xác định A’B’C’D’các yếu tố ảnh hưởng vùng lân cận 60 Hình 2.10 Sơ đồ nhiễu xạ tia X từ số mặt phẳng hữu hạn 62 Hình 2.11 Thiết bị nhiễu xạ tia X 63 Hình 2.12 Sơ đồ mơ tả tín hiệu nhận từ mẫu ảnh SEM 65 Hình 2.13 Kính hiển vi điện tử qt HITACHI S-4800 65 Hình 2.14 Kính hiển vi điện tửtruyền qua JEOL TEM 65 Hình 2.15 Hệ đo VSM 66 Hình 2.16 Máy đo MalvernZetasizer Horiba SZ-100 67 Hình 2.17 Xác định giá trị IC50 trực tiếp dựa vào đồ thị đáp ứng liều dòng tế bào thử thuốc với nồng độ khác 68 Hình 2.18 Chuẩn bị đĩa giếng chứa mẫu chất lỏng từ: Fe3O4@PMAO, Fe3O4@CS, Resovist mẫu đối chứng agar 2% (trên) sơ đồ chụp bước chụp ảnh kỹ thuật MRI (dưới) 72 Hình 3.1 Mức độ ảnh hưởng yếu tố theo phân tích ANOVA (p