chitosan (CS/AgNPs-MNPs)
Thành phần, cấu trúc tinh thể của hệ nanocompozit CS/AgNPs-MNPs được xác định qua phương pháp XRD. Kết quả đã chứng minh sự hình thành của pha từ MNPs (Fe3O4) và Ag trong nanocompozit (hình 3.17):
Nam châm
Đầu vào 1
Đầu vào 2
Đầu ra 1
Hình 3.17: Giản đồ XRD của CS/MNPs và CS/AgNPs-MNPs
Các pic đặc trưng của nano Fe3O4 và nano Ag thể hiện khá rõ nét trên giản đồ XRD cho thấy Fe và Ag tồn tại trong mẫu nanocompozit ở 2 pha riêng rẽ.Các pic tại (220), (311), (400), 422), (511) trên giản đồ XRD của CS/AgNPs-MNPs tương tự CS/MNPs, ngoài ra còn xuất hiện các pic tại các giá trị 2θ 38,1o, 44o, 32o, 64,4o tương ứng với các điểm (111), (200), (220) đặc trưng cho tinh thể Ag (hình 3.3). Có thể kết luận nanocompozit chế tạo được có cấu tạo dị thể với các thành phần riêng rẽ MNPs và AgNPs.
Tỷ lệ thành phần các nguyên tố trong nanocompozit được phân tích bằng phương pháp EDX kết luận sự có mặt của Ag, Fe trong nanocompozit. Với hàm lượng Ag và Fe được xác định tương ứng là 17,64% và 51,21% tổng thành phần trong nanocompozit. Trong đó tỷ lệ Ag/Fe3O4 = 0,27.
Hình thái học Ảnh FESEM
Khả năng phân tán các pha chất gia cường nano trong pha phân tán CS của nanocompozit CS/AgNPs-MNPs với sự phân tán ex–situ CS/MNPs1 phân tích bằng kính hiển vi điện tử phát xạ trường (FESEM) và trình bày trên hình 3.18. 20 30 40 50 60 70 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 22 0(A g) 440 511 20 0(A g) 422 400 11 1(A g) 311 Ag/Fe3O4 Fe3O4 Intens ity (a.u)
Diffraction Angle 2 (degree)
220 Cs/AgNPs-MNPs Cs/MNPs Góc nhiễu xạ (2θ) Cƣ ờ ng đ ộ (a.u )
Hình 3.18. Ảnh FESEM của vật liệu CS/AgNPs-MNPs
Kết quả FESEM cho thấy sự phân tán của hệ dị thể trong pha CS. Hình dạng và kích thước của nanocompozit CS/AgNPs-MNPs được xác đinh bằng phương pháp TEM (hình 3.19). Do sự khác nhau về mật độ các electron tự do trên bề mặt (các hạt Fe3O4 có mật độ electron cao hơn so với các hạt Ag) nên ảnh hiển vi điện tử của Ag sáng hơn của hạt Fe3O4.
Quan sát hình 3.19 ta thấy AgNPs có kích thước khoảng 5-10 nm, MNPs có kích thước khoảng 30-50 nm. Ngoài ra, có thể nhận thấy MNPs được bọc xung quanh bởi các hạt AgNPs trong mạng lưới CS.
100 nm 100 nm 100 nm
Hình 3.19: Ảnh TEM của vật liệu nanocompozit CS/AgNPs-MNPs
Trong cấu trúc nanocompozit thu được không chỉ có sự kết hợp cơ học giữa MNPs và AgNPs mà còn có tương tác giữa chúng thông qua chất nền CS. Tương tác giữa MNPs và AgNPs xảy ra do lực Van der waals thông qua năng lượng bề mặt lớn của các hạt nano thành phần. Mặt khác mạng lưới CS đóng vai trò chất nền và tác nhân khâu mạch giúp phân tán đồng đều các hạt MNPs và các hạt AgNPs tránh co cụm.
Tính chất siêu thuận từ
Từ độ bão hòa của nanocompozit CS/MNPs và CS/AgNPs-MNPs được đánh giá bằng phương pháp từ kế mẫu rung VSM. Kết quả trình bày trên hình 3.20.
Hình 3.20. Từ độ bão hòa của CS/MNPs và and CS/AgNPs-MNPs
Từ độ bão hòa của CS/MNPs và CS/AgNPs-MNPs tương ứng là 79,1 và 67,5 emu/g, với cùng hàm lượng pha từ. Như vậy, từ độ bão hòa trong nanocompozit CS/AgNPs-MNPs giảm do cấu trúc sự phân bố AgNPs trên bề mặt hạt MNPs. Tuy nhiên sự giảm này không đáng kể, vật liệu có từ độ bão hòa cao hơn so với tài liệu đã công bố, chứng tỏ vật liệu nanocompozit chế tạo được có triển vọng ứng dụng trong y sinh, ví dụ trong nhiệt trị hay phân tách sinh học.
Khả năng sinh nhiệt trong từ trƣờng xoay chiều của CS/AgNPs- MNPs (Đƣờng cong nhiệt trị chất lỏng từ của hệ nanocompozit)
Hình 3.21 trình bày đường đốt từ của CS/AgNPs-MNPs trong từ trường từ 40 Oe đến 80 Oe, 236 kHz, với nồng độ hạt từ 1 mg/ml. Xu hướng bão hoà nhiệt độ xảy ra khi năng lượng toả ra từ các hạt từ cân bằng với nhiệt lượng truyền ra môi trường xung quanh. Mẫu có từ độ bão hoà lớn có tốc độ tăng nhiệt ban đầu và nhiệt độ đốt bão hoà cao hơn. Dựa trên đường đốt từ nhiệt theo thời gian có thể xác định công xuất tỏa nhiệt SLP của vật liệu theo công thức: -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Fe 3O4/Ag-CS Fe3O4
Magnetic field (Oe)
Magn eti zati on (emu/g) CS/MNPs CS/AgNPs-MNPs Từ trƣờng H (Oe) M s (em u/ g )
/i i i i dT SLP C m m dt
Trong đó Ci là nhiệt dung riêng của thành phần có khối lượng mi trong chất lỏng từ, trong điều kiện thí nghiệm bao gồm nước và hạt từ, nhiệt dung riêng của nước là 4,186 J/gK, nhiệt dung riêng của Fe3O4 là 0,65 J/gK [17], m
là khối lượng hạt từ, dT/dt là tốc độ tăng nhiệt trong thời gian đốt đầu tiên. Các thông số nhiệt độ bão hòa (TS), từ trường H (Oe), giá trị dT/dt và SLP của CS-AgNPs-MNPs được xác định và trình bày trên hình 3.21 và trên bảng 3.2. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 25 30 35 40 45 50 55 60 T ( o C) t (s) 80 Oe 70 Oe 60 Oe 50 Oe 40 Oe
Hình 3.21. Đường cong nhiệt trị của chất lỏng từ CS/AgNPs-MNPs (1 mg/ml) tại các giá trị từ trường khác nhau
Bảng 3.2: Các thông số Ts, dT/dt và SLP của chất lỏng từ CS/AgNPs-MNPs tại các giá trị khác nhau của từ trường.
Từ trƣờng H(Oe) TS (oC) dT/dt (oC/s) SLP (W/g) 40 31,2 0,006 25,2 50 34,3 0,010 42,0 60 36,5 0,015 63,0 70 43,0 0,026 109,2 80 46,9 0,030 126,0
Thời gian (giây)
Nhi ệt đ ộ ( o C )
Kết quả trên bảng 3.6 cho thấy nhiệt độ đốt bão hòa và công suất tổn hao tăng lên, gần như bão hòa ở thời gian 1200 s trong tất cả các trường hợp. Giá trị Ts trong từ trường 70 Oe và 80 Oe cho giá trị > 42oC, phù hợp ứng dụng trong nhiệt điều trị ung thư (42÷47 oC).
Ảnh hưởng của nồng độ CS/AgNPs-MNPs được tiếp tục khả sát trong điều kiện từ trường áp đặt là 80 Oe, kết quả đường đốt nhiệt từ được trình bày trên hình 3.22. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 25 30 35 40 45 50 55 60 T (o C ) t (s) 1 mg/ml 0.7 mg/ml 0.5 mg/ml 0.3 mg/ml 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 34 36 38 40 42 44 46 48 TBH nong do C (mg/ml)
Hình 3.22. (A) Đường cong nhiệt trị của chất lỏng từ CS/AgNPs-MNPs tại các nồng độ khác trong từ trường 80 Oe; (B) Sự phụ thuộc của nhiệt độ bão
hòa vào nồng độ của CS/AgNPs-MNPs
Bảng 3.2 Các thông số Ts, dT/dt của chất lỏng từ CS/AgNPs-MNPs tại các nồng độ khác nhau Nồng độ CS/AgNPs-MNPs (mg/ml) TS ( o C) dT/dt (0C/s) 1 46,9 0,030 0,7 42,6 0,026 0,5 37,6 0,022 0,3 34,2 0,015
Khi khảo sát ở các nồng độ CS/AgNPs-MNPs khác nhau từ 0,3 ÷ 1 mg/ml, cường độ từ trường 80 Oe, 236 kHz. Các kết quả đã chứng tỏ đường cong nhiệt trị phụ thuộc rất mạnh mẽ vào nồng độ các hạt từ trong dung dịch.
Thời gian (giây)
N hi ệt đ ộ ( o C) Nồng độ (mg/ml) Ts ( o C) y = 18.57x + 28.71 R2 = 0,99
Sự phụ thuộc này gần như tuyến tính (R2 ≈ 0.99) như hình 3.21B. Điều này rất thuận lợi cho việc điều khiển chính xác nhiệt độ điều trị. Với nồng độ 0,7 mg/ml cho giá trị nhiệt độ đốt bão hòa 42,6oC, giá trị này phù hợp với nhiệt độ để diệt tế bào ung thư (42÷47 oC). Để tăng giá trị nhiệt độ đốt bão hòa này, ta có thể tăng cường độ từ trường ngoài.
Hoạt tính sinh học
Bảng 3.3: Kết quả kích thước vòng vô khuẩn trên 2 chủng vi khuẩn E. Coli và P. aeruginosa
Mẫu Đƣờng kính vòng vô khuẩn (mm)
E. coli P. aeruginosa
CS/AgNPs-MNPs 20 24
CS/AgNPs 25 14
CS/MNPs - 0
Hình 3.23. Hình ảnh đĩa thạch xác định vòng vô khuẩn trên dòng vi khuẩn E. Coli
Kết quả thu được cho thấy vòng vô khuẩn của CS/AgNPs cao hơn so CS/AgNPs-MNPs. Quá trình diệt khuẩn do sự tiếp xúc của các hạt AgNPs với vi khuẩn. Các hạt AgNPs trong CS/AgNPs linh động hơn nên khả năng diệt khuẩn cao hơn so CS/AgNPs-MNPs do ảnh hưởng của các hạt MNPs. Tuy nhiên, khả năng kháng khuẩn của CS/AgNPs-MNPs tương đối mạnh, các hạt
CS/AgNPs-MNPs CS/AgNPs
AgNPs tồn tại trong vật liệu vẫn thể hiện hoạt tính kháng khuẩn tương đối cao phù hợp với các công bố thế giới của các nhóm tác giả Ping Gong và Bhupendra. Thế mạnh của nanocompozit hai thành phần là có thể thu hồi và tái sử dụng lâu dài, tránh ảnh hưởng tiêu cực lên môi trường (nhờ có thành phần MNPs).
Kết quả thu được trên dòng vi khuẩn P. aeruginosa được trình bày trên hình 3.24:
Hình 3.24. Hình ảnh đĩa thạch xác định vòng vô khuẩn trên dòng vi khuẩn P.aeruginosa của CS/AgNPs, CS/MNPs, CS/AgNPs-MNPs
Thực nghiệm xác định vòng vô khuẩn trên dòng vi khuẩn P.aeruginosa
cho kết quả rất thú vị, CS/AgNPs-MNPs có khả năng kháng khuẩn vượt trội so với CS/AgNPs. Kết quả này phù hợp với công bố của M. Kooti và cộng sự.
Khả năng mang curcumin
Khả năng mang Cur của hệ nanocompozit CS/AgNPs-MNPs được đánh giá bằng hấp thụ phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến, kết quả trình bày trên hình 3.25. CS/MNPs CS/AgNPs-MNPs CS/AgNPs3 CS/AgNPs-MNPs CS/AgNPs-MNPs CS/AgNPs3
Hình 3.25. Phổ hấp phụ UV-vis của CS/AgNPs, CS/AgNPs-MNPs, CS/AgNPs-MNPs – Cur
Phổ hấp phụ UV-vis của CS/AgNPs và nanocompozit CS/AgNPs- MNPs cho thấy sự chuyển dịch λmax từ 446nm đến 405nm. Điều này có thể giải thích do những thay đổi trên bề mặt AgNPs do tương tác với các hạt nano MNPs.
Kết luận chung
Trong khuôn khổ luận án này, chúng tôi đã tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng và bước đầu khảo sát ứng dụng của một số vật liệu nanocompozit lai hữu cơ-vô cơ cấu trúc nano trên nền chitosan:
1. Vật liệu nanocompozit CS/AgNPs: nghiên cứu ảnh hưởng của ba phương pháp đến quá trình chế tạo CS/AgNPs. Phương pháp sử dụng trong lò vi sóng có ưu điểm vượt trội hứa hẹn phương pháp mới chế tạo nano bạc ứng dụng trong y sinh. Sản phẩm CS/AgNPs chế tạo bằng phương pháp này có độ bền cấu trúc cao, có khả năng diệt khuẩn và có tiềm năng ứng dụng cao trong chế tạo vải kháng khuẩn. Ngoài ra nanocompozit CS/AgNPs cũng thể hiện khả năng mang thuốc với những kết quả thu được ban đầu là khả quan.
2. Vật liệu nano CS/MNPs: được nghiên cứu chế tạo bằng ba phương pháp trong đó đánh giá được ảnh hưởng tích cực của dòng khí nito lên quá
CS/AgNPs-MNPs –Cur CS/AgNPs – MNPs Cur Bƣớc sóng (nm) Đ ộ h ấp t h ụ (a. u)
trình đồng kết tủa nâng từ độ bão hòa lên 79,1 emu/g. Phương pháp mới chế tạo nano CS/MNPs đồng thời ứng dụng vật liệu này trong phân tách, làm giàu sinh học trong thiết bị phân tích đa năng (lab on a chip) trên các hệ vi lưu.
3. Vật liệu CS/AgNPs-MNPs: Vật liệu nanocompozit CS/AgNPs-MNPs được tổng hợp thành công có cấu trúc tương đối chặt chẽ và thể hiện một số tính chất đặc trưng kết hợp của các thành phần trong nanocompozit như: tính chất quang học, khả năng kháng khuẩn tương, từ tính tương đối mạnh có khả năng ứng dụng trong nhiệt trị tế bào ung thư. Sự kết hợp giữa các tính chất từ, quang và khả năng diệt khuẩn trong hệ vật liệu đa chức năng tương thích sinh học là tiền đề để hướng tới mục tiêu chuẩn đoán và điều trị.
Định hƣớng nghiên cứu tiếp theo
+ Tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện và thử nghiệm in vivo nhằm phát triển ứng dụng trong y sinh (cho mục đích chẩn đoán và điều trị) của các hệ vật liệu đa chức năng, trong đó đặc biệt là CS/AgNPs-MNPs.
+ Phát triển hướng nghiên cứu về tổng hợp, đặc trưng và phát triển ứng dụng (y sinh, môi trường) của các hệ vật liệu đa chức năng trên cơ sở nanocompozit lai vô cơ – hữu cơ.
Một số điểm mới của luận án
- Luận án đề cập đến vấn đề đang được quan tâm nhiều hiện nay là tìm kiếm hệ vật liệu đa chức năng, ứng dụng trong điều trị ung thư, trên cơ sở tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu của một số nhóm trong nước. Cụ thể, các nghiên cứu trước đây mới chỉ dừng lại ở việc chế tạo và ứng dụng riêng lẻ các hệ đơn chức năng (hoá trị hoặc nhiệt trị ung thư), trong khi đó luận án đề cập đến hệ vật liệu đa chức năng, kết hợp được đặc tính của các thành phần riêng rẽ nano bạc và nano sắt từ trên nền CS mang thuốc curcumin có khả năng ứng dụng trong trị liệu kép ung thư (hoá trị + nhiệt trị).
- Luận án đưa ra phương pháp chế tạo nanocompozit trên nền chitosan sử dụng lò vi sóng. Đây là phương pháp có nhiều ưu điểm vượt trội trong chế tạo nanocompozit đa chức năng, so với các phương pháp hoá học thông thường trước đó. Qui trình tổng hợp “hoá học xanh” một bước, sử dụng CS làm chất khử tiến hành trong lò vi sóng khá đơn giản và hiệu quả, có nhiều ưu điểm vượt trội (độ tinh khiết cao, thời gian phản ứng ngắn).
- Luận án đã sử dụng hệ vi lưu trong chế tạo nanocompozit CS/MNPs. Đây là lần đầu tiên tại Việt Nam, hệ vi lưu được sử dụng trong chế tạo vật liệu nano.
Danh mục các công trình công bố của nghiên cứu sinh
1. Ngoan Thi Nguyen, Binh Hai Nguyen, Duong Thi Ba, Dien Gia Pham,Tran Van Khai, Loc Thai Nguyen, Lam Dai Tran, Microwave- assisted synthesis of silver nanoparticles using Chitosan: A novel Approach, Materials and Manufacturing Processes (2014 Impact Factor: 1.62) , 29: 418–421, (2014).
2. Thi Ngoan Nguyen, Hyeong Jin Joen, Bong Hyeon Kwon, Hyeong Hoon Kim, Dai Lam Tran, Karl Mortan, Jeung Sang Go, Synthesis fluorescent magnetic nanoparticles in a microchannel using the La Mer process and the characterization of their properties, Journal of Materials Science (2014 Impact Factor: 2.37), 49, 13, 4583-4589, (2014).
3. Ngoan Thi Nguyen, Dai Lam Tran, Duc Cuong Nguyen, Thai Loc Nguyen, Thi Cham Ba, Binh Hai Nguyen, Thi Duong Ba, Nam Hong Pham, Dzung Tuan Nguyen, Thai Hoa Tran, Gia Dien Pham, Facile synthesis of multifunctional Ag/Fe3O4-CS nanocomposites for antibacterial and hyperthermic applications, Current Applied Physics