NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA CẤU TRÚC LAI FERIT TỪ - KIM LOẠI (Ag, Au) KÍCH THƢỚC NANO ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ _ NGUYỄN THỊ NGỌC LINH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA CẤU TRÚC LAI FERIT TỪ - KIM LOẠI (Ag, Au) KÍCH THƢỚC NANO ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH Chun ngành: Hóa vơ Mã số: 44 01 13 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội - 2020 Luận án đƣợc hồn thành tại: Phịng Kỹ thuật Điện - Điện tử, Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam Phịng Vật liệu nano y sinh, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Ngƣời hƣớng dẫn khoa học 1: TS Lê Trọng Lƣ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học 2: PGS.TS Ngô Đại Quang Phản biện 1: GS.TS Thái Hoàng Phản biện 2: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Thị Hiền Lan Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Học viện tổ chức Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi ngày tháng năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Trong năm gần đây, vật liệu nano lai thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học chúng tích hợp tính chất từ thành phần riêng rẽ Sự kết hợp tính chất từ tính chất quang cấu trúc nano cải thiện ứng dụng hạt nano (nanoparticles - NPs) đơn lẻ mở hướng lĩnh vực y sinh đặc biệt chẩn đoán điều trị bệnh Ưu điểm cấu trúc lai từ - quang lĩnh vực lần kích hoạt kích thích vật lý phù hợp đạt mục tiêu mong muốn, giảm thiểu tác dụng phụ chúng thể Hơn nữa, số chức hoạt động phối hợp để nâng cao hiệu phương thức trị liệu Hiện nay, số hệ lai từ - quang nghiên cứu nhằm mục đích ứng dụng y sinh, điển hình hệ nano lai Fe3O4/Au Các nghiên cứu ứng dụng vật liệu Fe3O4/Au chẩn đốn hình ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (magnetic resonance imaging - MRI) điều trị ung thư nhiệt trị (quang/từ - nhiệt) thu số kết đáng ý Tuy nhiên, hạt nano lai Fe3O4/Au cấu trúc lõi - vỏ với lớp Au đặc phủ bề mặt lõi Fe3O4 hạn chế đáng kể kết nối proton với thành phần từ, dẫn đến giảm tín hiệu tương phản ảnh MRI có trọng số T2 Ngồi ra, Fe3O4/Au với kích thước nhỏ (dưới 20 nm) hấp thụ xạ vùng 530 ÷ 600 nm nên hạn chế thâm nhập sâu vào lớp mô, làm giảm hiệu suất gia nhiệt phương pháp quang - nhiệt trị Để tăng hiệu nhiệt trị, vật liệu cần hấp thụ mạnh xạ vùng hồng ngoại gần 650 ÷ 950 nm (near infrared - NIR), ánh sáng NIR có khả xun sâu vào lớp mơ, cịn gọi “cửa sổ sinh học” Để đáp ứng điều này, gần nhà khoa học nghiên cứu chế tạo số hệ nano lai Fe3O4/Au có cấu trúc rỗng Cho đến hệ lai Fe3O4/Au rỗng chế tạo có kích thước hạt lớn (40 ÷ 100 nm) nên ảnh hưởng đến lưu thơng máu Do đó, việc chế tạo hạt nano lai Fe3O4/Au rỗng có kích thước hạt nhỏ (dưới 20 nm) tích hợp tính chất từ quang vùng NIR thách thức lớn Ở Việt Nam, theo hiểu biết chúng tôi, công bố phương pháp chế tạo hệ vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý (Ag, Au), tích hợp tính chất từ quang để ứng dụng y sinh hạn chế Các kết nghiên cứu ứng dụng hệ nano lai Fe3O4-(Ag, Au) làm chất tương phản chụp ảnh MRI theo hai chế độ trọng T1 trọng T2, đồng thời làm chất gia nhiệt (quang/từ - nhiệt) điều trị ung thư, chưa công bố Bởi lý tiến hành thực đề tài luận án “Nghiên cứu chế tạo tính chất cấu trúc lai ferit từ - kim loại (Ag, Au) kích thước nano định hướng ứng dụng y sinh” Mục tiêu nghiên cứu luận án Chế tạo cấu trúc lai ferit từ - kim loại (Ag, Au) kích thước nano với đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt nằm vùng hồng ngoại gần, có khả chuyển đổi quang/từ - nhiệt cao, khả tương phản ảnh MRI theo hai chế độ chụp trọng T1 T2 có khả diệt khuẩn mạnh định hướng ứng dụng y sinh Các nội dung nghiên cứu luận án Tổng hợp hạt nano ferit từ MFe2O4 (M: Fe, Co, Mn) kích thước hạt đồng đều, đơn phân tán từ độ bão hòa cao phương pháp phân hủy nhiệt dung môi hữu Tổng hợp hệ vật liệu lai Fe3O4/Ag kích thước nhỏ (dưới 20 nm) phương pháp ni mầm Tổng hợp hệ lai Fe3O4/Au rỗng, kích thước nhỏ (dưới 20 nm), hấp thụ ánh sáng NIR sử dụng khuôn nano Fe3O4/Ag phương pháp Galvanic dung môi hữu Chuyển pha mẫu tổng hợp từ dung môi hữu sang dung mơi nước Nghiên cứu đánh giá độc tính độ bền dung dịch hạt lai nước Nghiên cứu khả ứng dụng dung dịch hạt lai y sinh: hoạt tính kháng khuẩn, khả chuyển đổi quang/từ - nhiệt, khả tương phản ảnh MRI CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ VẬT LIỆU NANO FERIT TỪ - KIM LOẠI QUÝ 1.1 Giới thiệu chung vật liệu nano ferit từ - kim loại quý 1.1.1 Tính chất từ vật liệu ferit từ Tính chất từ vật liệu khác tùy thuộc vào cấu trúc điện tử chúng Các mômen từ nguyên tử tạo mômen từ điện tử liên quan đến chuyển động nội điện tử (chuyển động spin) mômen từ quỹ đạo chuyển động điện tử quanh hạt nhân nguyên tử gây 1.1.2 Tính chất quang vật liệu kim loại quý (Ag, Au) * Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt: tượng tất điện tử dẫn bề mặt kim loại kích thích đồng thời tạo thành dao động đồng pha * Lý thuyết Mie: Lý thuyết Mie tìm tiết diện dập tắt (ext), bao gồm tiết diện hấp thụ (abs) tiết diện tán xạ (sct) hạt Độ hấp thụ A mẫu gồm hạt nano phân tán môi trường đồng cho bởi: Trong đó: (ext) hệ số dập tắt mẫu bước sóng  N số hạt lít, l độ dày mơi trường hấp thụ (cm) 1.1.3 Hệ vật liệu lai ferit từ - kim loại quý Khi vật liệu khác tích hợp với cấu trúc nano, ngồi việc kế thừa tính chất riêng thành phần, cấu trúc lai thể tính chất tương tác hai hệ vật liệu tạo nên 1.2 Tính chất vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý 1.2.1 Tính chất từ 1.2.2 Tính chất quang 1.2.3 Tính tương thích sinh học ổn định hóa lý 1.3 Ứng dụng vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý y sinh Sự kết hợp thành phần ferit từ kim loại quý tạo ứng dụng đa dạng so với hạt nano riêng lẻ 1.3.1 Ứng dụng nhiệt trị điều trị ung thư 1.3.2 Chẩn đốn hình ảnh 1.3.3 Ứng dụng kháng khuẩn 1.3.4 Dẫn thuốc hướng đích 1.4 Phương pháp tổng hợp vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý Có nhiều phương pháp tổng hợp hệ lai ferit từ - kim loại quý (Ag, Au), thông thường quy trình tổng hợp gồm hai bước bản: 1) Tổng hợp hạt mầm: hạt nano ferit từ nano kim loại quý (Ag, Au) 2) Phát triển thành phần lại (kim loại quý ferit từ) hạt mầm tổng hợp trước Luận án tập trung vào phương pháp tổng hợp hạt mầm nano ferit từ, sau phát triển thành phần kim loại quý (Ag, Au) hạt ferit từ tổng hợp trước 1.4.1 Tổng hợp vật liệu nano ferit từ 1.4.2 Tổng hợp vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý 1.4.2.1 Phương pháp nuôi mầm 1.4.2.2 Tổng hợp số hệ nano lai ferit từ - kim loại q phương pháp ni mầm 1.4.3 Biến tính bề mặt vật liệu nano lai 1.4.3.1 Phương pháp trao đổi phối tử 1.4.3.2 Bọc hạt lai polyme lưỡng cực CHƢƠNG THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên liệu hóa chất 2.2 Tổng hợp vật liệu 2.2.1 Tổng hợp hạt nano ferit từ 2.2.1.1 Tổng hợp hạt nano Fe3O4 với tiền chất nồng độ thấp 2.2.1.2 Tổng hợp nano ferit từ với tiền chất nồng độ cao 2.2.2 Tổng hợp hệ nano lai ferit từ - kim loại (Ag, Au) 2.2.2.1 Hệ nano lai Fe3O4/Ag Các hạt nano lai Fe3O4/Ag tổng hợp phương pháp nuôi mầm (sử dụng hạt mầm Fe3O4) dung môi ODE Phản ứng thực điều kiện  = [Ag]/[Fe] thay đổi khoảng 0,5 ÷ 13,6 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đến hình thái cấu trúc lai 2.2.2.2 Hệ nano lai Fe3O4/Au a) Hệ nano lai Fe3O4/Au đặc Vật liệu nano lai Fe3O4/Au đặc tổng hợp phương pháp nuôi mầm tương tự hệ lai Fe3O4/Ag (mục 2.2.2.1) thay AgNO3 HAuCl4.3H2O b) Hệ nano lai Fe3O4/Au rỗng Hệ nano lai Fe3O4/Au rỗng tổng hợp phương pháp Galvanic sử dụng Fe3O4/Ag (mục 2.2.2.1) làm khuôn Khảo sát ảnh hưởng lượng dung dịch H[AuCl4] đến hình thành cấu trúc Fe3O4/Au rỗng 2.2.3 Chuyển pha hạt nano sang môi trường nước Các hạt nano sau tổng hợp chuyển pha sang môi trường nước sử dụng PMAO 2.3 Các phƣơng pháp đặc trƣng vật liệu 2.3.1 Kính hiển vi điện tử truyền qua 2.3.2 Nhiễu xạ tia X 2.3.3 Từ kế mẫu rung 2.3.4 Phổ hấp thụ phân tử UV-Vis 2.3.5 Phổ hấp thụ hồng ngoại 2.3.6 Phổ tán sắc lượng tia X 2.3.7 Phân tích nhiệt khối lượng 2.3.8 Phương pháp tán xạ ánh sáng động 2.4 Phƣơng pháp đánh giá độc tính vật liệu Độc tính hệ vật liệu nano lai dịng tế bào AGS MKN45 đánh giá phương pháp MTT 2.5 Phƣơng pháp đánh giá hoạt tính kháng khuẩn vật liệu Thí nghiệm đánh giá hoạt tính kháng khuẩn vật liệu phương pháp khuếch tán giếng thạch Các loài vi khuẩn kiểm định: + Gram dương: Bacillus subtilis (viết tắt: B subtilis), Lactobacillus plantarum (L.plantarum), Sarcina lutea (S lutea) + Gram âm: Serratia marcescens (S marcescens), Escherichia coli (E coli) 2.6 Phƣơng pháp xác định hiệu ứng quang/từ - nhiệt Hiệu ứng quang/từ - nhiệt vật liệu thực ba điều kiện: (i) hiệu ứng từ - nhiệt (MHT) từ trường có cường độ 100 – 300 Oe tần số 450 kHz, (ii) hiệu ứng quang - nhiệt (PTT) laze 808 nm, mật độ công suất 0,2 - 0,65 W/cm2 (iii) hiệu ứng quang/từ - nhiệt kết hợp (MHT + PTT) thực cách tác dụng đồng thời từ trường laze với điều kiện hệ riêng rẽ 2.7 Phƣơng pháp chụp ảnh cộng hƣởng từ hạt nhân Hình ảnh MRI nồng độ vật liệu khác thực thiết bị cộng hưởng từ Siemens (Model: MAGNETOM Avanto 1.5 T), với từ trường xoay chiều có tần số 64 MHz, từ trường 1,5 tesla CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Hạt nano ferit từ 3.1.1 Hình thái học 3.1.1.1 Tổng hợp hạt nano Fe3O4 với tiền chất nồng độ thấp Quá trình tổng hợp nano Fe3O4 theo phương pháp phân hủy nhiệt thường tiến hành dung môi dibenzyl ete, loại dung mơi hữu có độc tính cao Trong luận án này, thử nghiệm sử dụng 1-octadecen loại dung mơi có độc tính thấp nhiều Ảnh hưởng số điều kiện tổng hợp (thời gian, nhiệt độ phản ứng, nồng độ chất hoạt động bề mặt nồng độ tiền chất vơ cơ) đến kích thước hạt nano Fe3O4, xác định phương pháp phân tích TEM, kết trình bày bảng 3.1 Bảng 3.1 Ảnh hưởng điều kiện phản ứng đến kích thước hạt nano Fe3O4 Nồng độ tiền chất (mM) Nồng độ chất HĐBM (mM) Nhiệt độ phản ứng (oC) Fe(acac)3 FeSO4 7H2O FeCl2 4H2O OA OLA 190 0 372 372 295 190 0 558 558 295 190 0 744 744 295 190 0 930 930 295 126,7 63,3 558 558 126,7 63,3 558 558 270 295 315 315 Thời gian phản ứng (ph t) 30 60 120 10 30 60 120 10 30 60 120 10 30 60 60 Ký hiệu mẫu dTEM (nm) F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 F11 F12 F13 F14 F15 F16 F17 F18 3,6 ± 0,7 4,5 ± 0,7 7,2 ± 1,0 3,2 ± 0,5 4,1 ± 0,6 6,3 ± 0,9 10,7 ± 1,4 3,4 ± 0,5 6,7 ± 0,7 8,1 ± 0,7 13,9 ± 1,1 5,8 ± 0,9 11,3 ± 1,2 14,7 ± 1,3 4,8 ± 1,0 8,4 ± 1,5 10,2 ± 0,5 10,8 ± 2,4 a) Ảnh hưởng thời gian phản ứng Hình 3.1 Ảnh TEM mẫu F8 (a), F9 (b), F10 (c), F11(d) biểu đồ phân bố kích thước hạt tương ứng (e) Các hạt Fe3O4 thu có dạng hình cầu, đơn phân tán, kích thước đồng Khi thời gian phản ứng tăng từ 10 ÷ 120 phút, kích thước hạt tăng nằm khoảng 3,2 ÷ 14,7 nm b) Ảnh hưởng nồng độ chất hoạt động bề mặt Hình 3.2 Ảnh TEM mẫu F2 (a), F6 (b), F10 (c) F14 (d) biểu đồ phân bố kích thước hạt tương ứng (e) Các hạt thu dạng hình cầu, đồng đều, đơn phân tán, kích thước hạt trung bình tăng nồng độ OA OLA tăng c) Ảnh hưởng tiền chất vô Chúng thay phần Fe(acac)3 muối sắt (II) vô có giá rẻ nhiều, để giảm giá thành sản phẩm, mở rộng phạm vi ứng dụng vật liệu mL hệ lai thu có dạng hình cầu rỗng giống lồng nano với kích thước lỗ trống tăng dần, 2,0 mL vật liệu có kích thước lớn đạt 17,0 nm Tăng tiếp thể tích H[AuCl4] hình cầu rỗng dần bị phá vỡ, mẫu 3,5 mL cấu trúc Fe3O4/Au rỗng bị phá vỡ hồn tồn Hình 3.17 Ảnh TEM Fe3O4@Ag (a), hệ nano lai Fe3O4/Au (b-i) tổng hợp với lượng dung dịch H[AuCl4] khác phân bố kích thước hạt (k) (a e) Sự phát triển hình thái cấu trúc lai Fe3O4/Au phụ thuộc vào lượng dung dịch H[AuCl4] sử dụng Mối quan hệ tóm tắt theo sơ đồ hình 3.18: Hình 3.18 Ảnh hưởng lượng dung dịch H[AuCl4] đến hình thái cấu trúc lai Fe3O4/Au 14 3.2.2 Cấu trúc pha tinh thể Cấu trúc Fe3O4@Ag lõi – vỏ, không quan sát thấy pic Fe3O4, xuất pic đặc trưng cho Ag cấu trúc lập phương tâm mặt Trong đó, cấu trúc Fe3O4-Ag dumbbell xuất pic đặc trưng cho Fe3O4 spinel với cường độ giảm mạnh, ngồi cịn xuất pic Ag với Hình 3.19 Giản đồ nhiễu xạ tia cường độ mạnh X hạt nano Fe3O4, Ag hệ 3.2.3 Tính chất quang nano lai Fe3O4/Ag Trong vùng bước sóng từ 300 - 900 nm hạt nano từ Fe3O4 không xuất đỉnh hấp thụ, hạt nano Ag xuất đỉnh SPR vị trí 405 nm, hạt nano lai Fe3O4/Ag xuất đỉnh SPR 410 nm với cấu trúc lõi - vỏ (mẫu F10@A60; 16,0 nm) 420 nm với cấu trúc dumbbell (mẫu F10-A60; 8,1 – 16,3 nm) Nhìn chung, đỉnh SPR hạt nano lai Fe3O4/Ag nhỏ 450 nm Hình 3.20 Phổ UV-Vis hạt nano dung môi n-hexan: a) Fe3O4, Ag hệ nano lai Fe3O4/Ag, b) Fe3O4 hệ nano lai Fe3O4/Au Tính chất quang Fe3O4/Au phụ thuộc vào hình thái cấu trúc vật liệu Hệ Fe3O4/Au đặc có đỉnh SPR 530 nm, hệ Fe3O4/Au rỗng có đỉnh SPR 707 nm (mẫu mL Au3+) Vị trí SPR hệ nano lai Fe3O4/Au rỗng phụ thuộc vào lượng dung dịch H[AuCl4] (bảng 3.10) Bảng 3.10 Ảnh hưởng lượng H[AuCl4] đến vị trí SPR Fe3O4/Au H[AuCl4] (mL) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Đỉnh SPR Fe3O4/Au (nm) 410 587 627 645 707 592 585 565 15 3.2.4 Tính chất từ Giá trị từ độ bão hòa lực kháng từ mẫu lai Fe3O4/Ag thấp mẫu hạt từ tinh khiết, nhiên khả đáp ứng từ mẫu lai tương đối tốt Hình 3.21 a) Đường cong từ trễ Fe3O4 Fe3O4/Ag; b) Dung dịch hạt Fe3O4/Ag phân tán n-hexan khơng có có nam châm Sự hình thành cấu trúc Fe3O4/Au rỗng khơng làm thay đổi tính chất siêu thuận từ so với vật liệu khuôn Fe3O4@Ag giá trị từ độ bão hịa tăng nhẹ (hình 3.22) Hình 3.22 Đường cong từ trễ khuôn nano Fe3O4@Ag Fe3O4/Au rỗng, ảnh lồng bên hạt nano lai Fe3O4/Au rỗng n-hexan khơng có có nam châm 3.2.5 Thành phần hóa học Thành phần cấu trúc lai Fe3O4/Ag gồm nguyên tố Fe, Ag O Fe3O4/Au rỗng gồm Fe, Ag, Au O Bằng phương pháp mapping EDS-SEM với mẫu Fe3O4/Au rỗng (mẫu mL Au3+) cho thấy tính đồng nguyên tử Hình 3.25 Sự phân bố nguyên tử hệ (hình 3.25) hệ nano lai Fe3O4/Au rỗng theo phương pháp mapping DS-SEM 16 Tóm tắt kết phần 3.2: Hệ vật liệu nano lai Fe3O4/Ag chế tạo thành công phương pháp nuôi mầm dung mơi ODE, điều khiển hình thái cấu trúc lai thông qua việc thay đổi tỷ lệ  = [Ag]/[Fe] thời gian phản ứng: Với   6,8 hạt lai thu có cấu trúc dạng lõi - vỏ Fe3O4@Ag (giá trị  xác định từ kết EDS 2,1),  tăng đến 9,0 cấu trúc dumbbell Fe3O4-Ag hình thành (giá trị  xác định từ kết EDS 4,5); Khi thời gian phản ứng tăng kích thước lớp vỏ Ag cấu trúc lõi - vỏ hạt Ag cấu trúc dumbbell tăng Hệ vật liệu nano lai Fe3O4/Au hình cầu rỗng chế tạo thành cơng sử dụng khuôn nano Fe3O4/Ag thông qua phản ứng galvanic Ag Au3+ Vật liệu thu có kích thước trung bình 17 nm với đỉnh SPR điều khiển đến 707 nm Với tỉ lệ [Au]/[Ag] = 0,83 vật liệu Fe3O4/Au rỗng có kích thước lỗ trống lớn nguyên tố phân bố đồng Hệ nano lai Fe3O4-(Ag, Au) chế tạo có tính chất siêu thuận từ nhiệt độ phòng, giá trị từ độ bão hịa khoảng ÷ 27 emu/g, thấp so với mẫu hạt mầm Fe3O4 (50 ÷ 64 emu/g) 3.3 Hạt nano bọc PMAO 3.3.1 Quá trình chuyển pha hạt nano PMAO Các hạt nano lai trước bọc PMAO phân tán tốt n-hexan sau bọc PMAO chúng phân tán tốt nước (hình 3.26) Hình 3.26 Quá trình chuyển pha hạt nano PMAO (a), dung dịch hạt Fe3O4@Ag (b), Fe3O4-Ag (c) Fe3O4/Au rỗng (d) trước (1) sau chuyển pha (2) 3.3.2 Tính chất quang vật liệu Sự thay đổi màu sắc dung dịch hạt lai thể dịch chuyển đỉnh SPR vật liệu (hình 3.27) Trong số 17 dung dịch Fe3O4/Au rỗng bọc PMAO, mẫu 2,0 mL Au3+ có vị trí SPR dịch chuyển mạnh vùng hồng ngoại gần Do đó, chúng tơi lựa chọn mẫu đại diện cho hệ Fe3O4/Au rỗng thực nghiên cứu Hình 3.27 Dung dịch (a) phổ UV-Vis (b) Fe3O4@Ag@PMAO hệ lai Fe3O4/Au rỗng@PMAO với lượng Au3+ khác 3.3.3 Cấu trúc lớp vỏ bọc vật liệu Phổ FT - IR xác nhận việc bọc thành công hạt nano lai PMAO Giản đồ TGA xác nhận tổng khối lượng lớp vỏ sau bọc PMAO chiếm 58% khối lượng thực hạt lai Fe3O4/Au rỗng chiếm 42% khối lượng mẫu Hình 3.28 Phổ FT-IR Fe3O4/Au Hình 3.29 Giản đồ TGA Fe3O4/Au rỗng trước sau chuyển pha rỗng trước sau chuyển pha Kích thước động (DLS) hạt lai Fe3O4@Ag@PMAO Fe3O4/Au rỗng@PMAO tương ứng 25,85 nm 28,84 nm Thế Zeta dung dịch hạt nano lai Fe3O4@Ag@PMAO Fe3O4/Au rỗng@PMAO nước tương ứng -42,5 mV -40,0 mV Ngoài ra, hạt nano lai bền mơi trường có nồng độ muối NaCl từ 150 ÷ 250 mM pH từ ÷ 11 Các kết chứng minh dung dịch hạt nano lai chế tạo có độ bền ổn định cao điều kiện khảo sát 3.3.5 Đánh giá độc tính vật liệu Độc tính dung dịch hạt lai Fe3O4@Ag@PMAO Fe3O4/Au rỗng@PMAO đánh giá hai dòng tế bào ung thư dày AGS MKN45 phương pháp MTT 18 *) Hệ nano lai Fe3O4@Ag@PMAO: Ở nồng độ Fe3O4@Ag@PMAO NPs 20 µg/mL, tế bào AGS MKN45 phát triển bình thường, khơng có khác biệt so với mẫu đối chứng Ở nồng độ mẫu cao (20 ÷ 100 µg/mL) hình thái tế bào nhân tế bào bị thay đổi Giá trị IC50 xác định cho dòng tế bào AGS MKN45 42 µg/mL 58 µg/mL Hình 3.33 Tỉ lệ tăng sinh tế bào AGS (a) MKN45 (b) sau 48 h xử lý với vật liệu Fe3O4@Ag@PMAO Hình 3.34 Hình thái tế bào (a) nhân tế bào AGS (b) sau 48 h xử lý với vật liệu Fe3O4@Ag@PMAO Hình 3.35 Hình thái tế bào (a) nhân tế bào MKN45 (b) sau 48 h xử lý với vật liệu Fe3O4@Ag@PMAO *) Hệ nano lai Fe3O4/Au rỗng@PMAO: Hình 3.36 Tỉ lệ tăng sinh tế bào AGS (a) MKN45 (b) sau 48 h xử lý với vật liệu Fe3O4/Au rỗng@PMAO 19 Hình 3.37 Hình thái tế bào (a) nhân tế bào MKN45 (b) sau 48 h xử lý với vật liệu Fe3O4/Au rỗng@PMAO Hình 3.38 Hình thái tế bào (a) nhân tế bào MKN45 (b) sau 48 h xử lý với vật liệu Fe3O4/Au rỗng@PMAO Hệ vật liệu Fe3O4/Au rỗng@PMAO không gây độc tế bào AGS MKN45 phạm vi nồng độ thử nghiệm 10 ÷ 100 g/mL Tóm tắt kết phần 3.3: Hạt nano lai chuyển pha thành công sang môi trường nước PMAO, tính chất quang vật liệu nước không bị thay đổi so với môi trường hữu Hệ lai Fe3O4/Au rỗng@PMAO có vị trí SPR nằm vùng NIR, đạt tới 707 nm Các hạt nano lai sau chuyển pha có độ bền ổn định 12 tháng, với giá trị Zeta đạt 37 mV Hệ nano lai Fe3O4@Ag@PMAO Fe3O4/Au rỗng@PMAO bền mơi trường có nồng độ muối từ 150 ÷ 250 mM pH từ ÷ 11 Hạt nano lai Fe3O4@Ag@PMAO thể độc tính với dịng tế bào AGS MKN45 phụ thuộc vào nồng độ vật liệu, giá trị IC50 xác định cho dòng tế bào AGS MKN45 42 µg/mL 58 µg/mL Vật liệu Fe3O4/Au rỗng@PMAO khơng thể độc tính tế bào AGS MKN45 phạm vi nồng độ 10 ÷ 100 g/mL 3.4 Khả ứng dụng vật liệu nano lai y sinh + Nghiên cứu hoạt tính kháng khuẩn dung dịch nano lai Fe3O4/Ag bọc PMAO với hai cấu trúc: lõi – vỏ Fe3O4@Ag@PMAO (mẫu F10@A60@PMAO) dumbbell Fe3O4-Ag@PMAO (mẫu F10A60@PMAO), so sánh với hệ riêng lẻ Fe3O4@PMAO (mẫu F10@PMAO) Ag@PMAO 20 + Nghiên cứu hiệu ứng chuyển đổi quang/từ - nhiệt tương phản ảnh MRI với vật liệu Fe3O4/Au rỗng@PMAO (mẫu mL Au3+]) 3.4.1 Hoạt tính kháng khuẩn vật liệu Fe3O4@PMAO Ag@PMAO Fe3O4@Ag@PMAO Fe3O4-Ag@PMAO Hình 3.39 Hoạt tính kháng khuẩn vật liệu Fe3O4@PMAO, Ag@PMAO Fe3O4/Ag@PMAO Dung dịch hạt nano Ag@PMAO có khả ức chế vi khuẩn, nhiên vịng trịn kháng khuẩn thu khơng rõ nét với vi khuẩn thử nghiệm Mặc dù hạt nano Fe3O4@PMAO (hạt mầm) khơng có tác dụng kháng khuẩn nhiên chúng kết hợp với nano bạc cho cấu trúc lai Fe3O4/Ag@PMAO hoạt tính kháng khuẩn hệ lai tăng 3.4.2 Hiệu ứng chuyển đổi quang/từ - nhiệt vật liệu 3.4.2.1 Hiệu ứng từ - nhiệt Hình 3.40a cho thấy phụ thuộc nhiệt độ vào cường độ từ trường ngồi chúng có xu hướng tăng cường độ từ trường tăng Giá trị tối đa SLP ~ 310 W/g đạt áp dụng từ trường có cường độ 300 Oe, tần số 450 kHz Để đạt nhiệt độ đến 21 vùng cửa sổ nhiệt trị (42 ÷ 46 oC) cần phải áp dụng từ trường với cường độ tối thiểu 150 Oe Hình 3.40 Hiệu ứng MHT hệ lai Fe3O4/Au rỗng@PMAO từ trường 100 ÷ 300 Oe, tần số 450 kHz (a) giá trị SLP tương ứng (b) 3.4.2.2 Hiệu ứng quang - nhiệt Hình 3.41 Hiệu ứng PTT hệ lai Fe3O4/Au rỗng@PMAO laze 808 nm với mật độ cơng suất 0,2 ÷ 0,65 W/cm2 giá trị SLP tương ứng (b) Khi chiếu laze có cơng suất 0,2 ÷ 0,35 W/cm2 nhiệt độ cao đạt 40 oC sau 1200 s chiếu xạ Để đạt đến cửa sổ nhiệt độ trị liệu, cần phải chiếu laze có cơng suất tối thiểu 0,50 W/cm2 Khi mật độ công suất laze tăng 0,2 ÷ 0,65 W/cm2, giá trị SLP tăng 152,70 ÷ 1074,62 W/g 3.4.2.3 Hiệu ứng quang/từ - nhiệt kết hợp Hình 3.42 Đường đốt quang/từ (a) giá trị SLP (b) hệ nano lai Fe3O4/Au rỗng@PMAO H2O tác dụng từ trường laze 22 Tốc độ gia nhiệt trường hợp (MHT + PTT) PTT xảy nhanh trường hợp MHT: độ biến thiên nhiệt độ (T) sau 300 s phương thức gia nhiệt kép (MHT + PTT) 36 oC, lớn lần so với trường hợp MHT (6 oC) PTT (21 oC) lớn 3,5 lần so với MHT Sau 1200 s xử lý, nhiệt độ thay đổi đáng kể tất điều kiện thí nghiệm Nhiệt độ cao đạt theo ba phương thức gia nhiệt MHT, PTT (MHT + PTT) tương ứng 52,0; 55,0 68,5 o C, ứng với độ biến thiên nhiệt độ T 38,5; 25,0 22,0 oC Với mẫu đối chứng (nước cất) cho thấy mức tăng nhiệt độ thấp (1,0 ÷ 2,5 oC) với ba phương thức thí nghiệm *) Ảnh hưởng cường độ từ trường (H): Hình 3.43 Hiệu ứng (MHT + PTT) hệ lai Fe3O4/Au rỗng@PMAO từ trường 100 ÷ 250 Oe (a), giá trị SLP tương ứng a (b), nhiệt độ đốt cao Tmax (sau 1200 s) (c) giá trị SLP tương ứng (d) điều kiện MHT (MHT + PTT) Khi cường độ từ trường tăng 100 ÷ 250 Oe nhiệt độ cao (Tmax) thu tăng 47 ÷ 68 oC Để đạt nhiệt độ trị liệu với phương thức MHT cần áp dụng từ trường tối thiểu H = 150 Oe, kỹ thuật (MHT + PTT) H = 100 Oe (tại laze có P = 0,5 W/cm2) Như vậy, phương pháp kết hợp hai phương thức gia nhiệt (MHT + PTT), cường độ từ trường giảm 1,5 lần so với trường hợp áp dụng MHT mà đạt nhiệt độ trị liệu * Ảnh hưởng mật độ công suất laze (P): Khi chiếu laze với mật độ cơng suất tăng 0,2 ÷ 0,65 W/cm2, nhiệt độ cao (Tmax) thu tăng 46 ÷ 68,5 oC Giá trị SLP lớn thu trường hợp 1082,75 W/g ứng với laze 0,65 W/cm2 23 Để đạt đến cửa sổ nhiệt độ trị liệu với phương thức PTT cần phải chiếu laze có mật độ cơng suất tối thiểu 0,5 W/cm2, kỹ thuật (MHT + PTT) cần chiếu laze có P = 0,2 W/cm2 (tại từ trường 200 Oe) Như vậy, sau kết hợp hai phương thức gia nhiệt (MHT + PTT), mật độ công suất laze giảm 2,5 lần so với phương pháp PTT mà đạt nhiệt độ vùng cửa sổ nhiệt trị Hình 3.44 Hiệu ứng (MHT + PTT) hệ lai Fe3O4/Au rỗng@PMAO laze 0,2 ÷ 0,65 W/cm2 (a), giá trị SLP tương ứng a (b), nhiệt độ đốt cao Tmax (sau 1200 s) (c) giá trị SLP tương ứng (d) điều kiện PTT (MHT + PTT) *) Ảnh hưởng nồng độ hạt lai: Hình 3.45 Ảnh hưởng nồng độ hạt lai Fe3O4/Au rỗng@PMAO đến hiệu ứng (MHT + PTT) (a) giá trị SLP tương ứng a (b) Khi nồng độ hạt lai tăng từ 1,0 ÷ 3,0 mg/mL nhiệt độ đốt bão hịa mẫu tăng 46,7 ÷ 68,5 oC giá trị SLP tăng 391,37 ÷ 1082,75 W/g Để đạt nhiệt độ sử dụng nhiệt trị tế bào ung thư theo phương thức kép (MHT + PTT) nồng độ hạt lai tối thiểu cần dùng 1,0 mg/mL 24 3.4.3 Đánh giá độ hồi phục r1, r2 vật liệu Ảnh MRI chụp theo chế độ trọng T1 T2 vật liệu lai Fe3O4/Au rỗng@PMAO có tương phản ảnh thay đổi rõ ràng thay đổi giá trị nhỏ nồng độ vật liệu Độ hồi phục dọc r1 độ hồi phục ngang r2 mẫu lai tương ứng 8,47 74,45 mM-1s-1 So sánh kết nghiên cứu đề tài với số sản phẩm thương mại số cơng bố nhóm nghiên cứu nhận thấy sản phẩm chế tạo có giá trị r1 cao sản phẩm thương mại dựa Gd giá trị r2 đủ lớn tín hiệu tương phản âm tốt Như vậy, vật liệu chế tạo sử dụng tác nhân tương phản kép Hình 3.46 Hình ảnh MRI trọng (a) và đường tuyến tính 1/T2 (b) vật liệu Fe3O4/Au rỗng@PMAO với nồng độ [Fe] khác Hình 3.47 Hình ảnh MRI trọng (a) và đường tuyến tính 1/T1 (b) vật liệu Fe3O4/Au rỗng@PMAO với nồng độ [Fe] khác nhau; Hình ảnh MRI trọng (c) và cường độ H2O, Dotarem vật liệu Fe3O4/Au rỗng@PMAO giá trị TR khác (d) 25 Tóm tắt kết phần 3.4: Hoạt tính kháng khuẩn hệ nano lai Fe3O4/Ag@PMAO tăng cường so với vật liệu nano Ag@PMAO đơn lẻ có kích thước Vật liệu lai thể hoạt tính kháng khuẩn mạnh với chủng E coli, L plantarum, B subtilis mức trung bình với chủng S lutea, S marcescens Áp dụng kỹ thuật kết hợp (MHT + PTT) làm tăng đáng kể hiệu suất gia nhiệt hệ nano lai Fe3O4/Au rỗng@PMAO Nhiệt độ cao đạt 68,5 oC với giá trị SLP 1082,75 W/g nồng độ mẫu mg/mL sau 1200 s xử lý Để đạt nhiệt độ trị liệu (42 ÷ 46 oC) phương thức kết hợp giảm nồng độ hạt nano lai giảm cường độ từ trường mật độ công suất laze so với phương pháp sử dụng kỹ thuật riêng rẽ Hệ nano lai Fe3O4/Au rỗng@PMAO cho tín hiệu tương phản ảnh tốt tăng dần theo nồng độ với hai chế độ chụp trọng T1 T2 với r1 = 8,47 mM-1 s-1 r2 = 74,45 mM-1 s-1 KẾT LUẬN Chế tạo thành công hạt nano ferit từ MFe2O4 (M: Fe, Co, Mn), hệ nano lai Fe3O4/Ag Fe3O4/Au rỗng, kích thước trung bình 20 nm có khả hấp thụ xạ vùng hồng ngoại gần Các hạt nano lai Fe3O4-(Ag, Au) sau bọc PMAO cho dung dịch có độ bền ổn định cao Hệ vật liệu Fe3O4@Ag@PMAO thể độc tính với dòng tế bào AGS MKN45 phụ thuộc vào nồng độ vật liệu, giá trị IC50 xác định cho dòng tế bào AGS MKN45 tương ứng 42 µg/mL 58 µg/mL Hệ vật liệu Fe3O4/Au rỗng@PMAO khơng thể độc tính tế bào AGS MKN45 phạm vi nồng độ 10 ÷ 100 g/mL Hệ vật liệu Fe3O4/Ag@PMAO thể hoạt tính kháng khuẩn cao so với vật liệu nano Ag@PMAO riêng rẽ có kích thước với vi khuẩn Gram dương Gram âm Hiệu suất gia nhiệt hệ nano lai Fe3O4/Au rỗng@PMAO tăng cường kết hợp đồng thời từ trường laze (MHT + PTT) Trong phạm vi khảo sát, hệ lai Fe3O4/Au rỗng@PMAO đạt giá trị SLP lớn 1082,75 W/g 26 Hệ vật liệu Fe3O4/Au rỗng@PMAO làm tăng khả tương phản ảnh cộng hưởng từ hạt nhân với hai chế độ chụp trọng T1 T2 với r1 = 8,47 mM-1 s-1 r2 = 74,45 mM-1s-1 Hệ vật liệu lai chế tạo thể tính chất đa chức năng: tính chất từ, quang kháng khuẩn Nghiên cứu cho thấy tiềm ứng dụng cao cấu trúc nano lai Fe3O4-(Ag, Au) chẩn đốn điều trị ung thư NHỮNG ĐĨNG GĨP MỚI CỦA LUẬN ÁN Tổng hợp thành công hạt nano ferit từ MFe2O4 (M: Fe, Co, Mn) với kích thước đồng đều, đơn phân tán phương pháp phân hủy nhiệt dung môi 1-octadecen Vật liệu chế tạo nồng độ cao tiền chất nhằm tiết kiệm chi phí Tổng hợp thành cơng vật liệu nano lai Fe3O4/Ag với khả điều khiển cấu trúc (lõi - vỏ dumbbell), kích thước, thành phần độ đồng thông qua việc thay đổi điều kiện thực nghiệm (nồng độ tiền chất Ag sử dụng) Tổng hợp thành cơng vật liệu nano lai Fe3O4/Au rỗng, kích thước nhỏ (dưới 20 nm) với vị trí cộng hưởng plasmon bề mặt điều khiển đến vùng hồng ngoại gần (trên 700 nm) Hệ lai Fe3O4/Au rỗng bọc PMAO chuyển đổi lượng điện từ lượng ánh sáng thành nhiệt với hiệu suất cao (SLP = 1082,75 W/g) kết hợp đồng thời từ trường laze Bên cạnh chúng cịn thể khả tăng tính tương phản đồng thời với T1 T2, sử dụng làm chất tương phản kép cho kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Thi Ngoc Linh Nguyen, Truc Vy Do, Thien Vuong Nguyen, Phi Hung Dao, Van Thanh Trinh, Van Phuc Mac, Anh Hiep Nguyen, Duc Anh Dinh, Tuan Anh Nguyen, Thi Kieu Anh Vo, Dai Lam Tran, Trong Lu Le, “Antimicrobial activity of acrylic polyurethane/Fe3O4-Ag nanocomposite coating”, Progress in Organic Coatings, 132,15-20, 2019 Nguyễn Thị Ngọc Linh, Lê Thị Thanh Tâm, Lê Thế Tâm, Ngô Thanh Dung, Phạm Hồng Nam, Nguyễn Văn Đàm Thiên, 27 Nguyễn Hoa Du, Phan Ngọc Hồng, Trần Đại Lâm, Lê Trọng Lư, “Nghiên cứu chế tạo khảo sát độ bền chất lỏng từ mangan ferit nước”, Tạp chí hóa học, 56(6e2), 214-219, 2018 Nguyễn Thị Ngọc Linh, Ngô Thanh Dung, Lê Thế Tâm, Lê Thị Thanh Tâm, Đào Thị Thu Hà, Trần Đại Lâm, Lê Trọng Lư, “Nghiên cứu chế tạo hạt nano Ag đơn phân tán dung môi hữu cơ”, Tạp chí hóa học, 57(2E1,2), 11-15, 2019 Nguyễn Thị Ngọc Linh, Lê Thế Tâm, Lê Thị Thanh Tâm, Ngô Thanh Dung, Phạm Hồng Nam, Đoàn Thanh Tùng, Nguyễn Văn Đàm Thiên, Phan Ngọc Hồng, Trần Đại Lâm, Lê Trọng Lư, “Ảnh hưởng tiền chất vơ đến kích thước, độ đồng tính chất hạt nano Fe3O4 chế tạo phương pháp phân hủy nhiệt”, Tạp chí hóa học, 57(2E1,2), 22-26, 2019 Nguyễn Thị Ngọc Linh, Trịnh Đình Khá, Lê Thị Thanh Tâm, Lê Trọng Lư, Lê Thế Tâm, Ngơ Thanh Dung, Võ Kiều Anh, “Hoạt tính kháng khuẩn dung dịch nano Ag tổng hợp dung mơi hữu nhiệt độ thấp”, Tạp chí Phân tích Hóa, Lý Sinh học, 24(4A), 106-111, 2019 Nguyễn Thị Ngọc Linh, Trịnh Đình Khá, Lê Thị Thanh Tâm, Lê Thế Tâm, Hồng Yến Nhi, Ngơ Thanh Dung, Võ Kiều Anh, Lê Trọng Lư, “Nghiên cứu chế tạo hoạt tính kháng khuẩn hệ nano lai Fe3O4@Ag”, Tạp chí Phân tích Hóa, Lý Sinh học, 24(4A), 112-116, 2019 Nguyen T N Linh, Ngo T Dung, Le T T Tam, Tran D Lam, Nguyen X.Phuc, Nguyen T K Thanh and Le T Lu, “New insight into the synthesis and property of hollow Fe3O4-(Ag, Au) hybrid nanostructures for T1-T2 dual mode MRI imaging and dual magnetic/photo heating”, Proceedings of Nanomaterials for Healthcare conference, Da Nang, 2019 Lê Trọng Lư, Nguyễn Thị Ngọc Linh, Ngô Thanh Dung, Lê Thị Thanh Tâm, Lê Thế Tâm, Đinh Lan Chi, Hoàng Đức Minh, Trần Trung Kiên, Hoàng Thu Hà, Phạm Hồng Nam, Nguyễn Văn Đăng, Trần Đại Lâm, Nguyễn Xuân Phúc, “Quy trình chế tạo hệ vật liệu lai từ-quang có cấu trúc rỗng cho ứng dụng tăng cường hiệu ứng đốt nóng từ/quang ảnh cộng hưởng từ T1- 2”, Sở hữu trí tuệ, số đơn SC 1-2020-00238 (Đã chấp nhận đơn hợp lệ công bố công báo sở hữu công nghiệp số 384/T3, tập A: 69199 A, 2020) 28 ... cấu trúc lai ferit từ - kim loại (Ag, Au) kích thước nano định hướng ứng dụng y sinh? ?? Mục tiêu nghiên cứu luận án Chế tạo cấu trúc lai ferit từ - kim loại (Ag, Au) kích thước nano với đỉnh cộng... chế tạo hệ vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý (Ag, Au), tích hợp tính chất từ quang để ứng dụng y sinh hạn chế Các kết nghiên cứu ứng dụng hệ nano lai Fe3O 4-( Ag, Au) làm chất tương phản chụp... liệu tạo nên 1.2 Tính chất vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý 1.2.1 Tính chất từ 1.2.2 Tính chất quang 1.2.3 Tính tương thích sinh học ổn định hóa lý 1.3 Ứng dụng vật liệu nano lai ferit từ