6. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN
2.2.2.Chế tạo hạt nano từ tính bao trong các tiểu cầu
Hạt có kích thước nano có xu hướng kết tụ để giảm năng lượng bề mặt, và giảm lực Vanderwaals, để nhằm tránh kết tụ các hạt nano khi không có từ trường ngoài, hạt nano từ tính sẽ được chế tạo bằng cách bao bọc trong các vỏ hoặc nền phi từ tính có kích thước vài trăm nanomet. Việc bao bọc các hạt sẽ tạo ra một bề mặt tương thích sinh học và dễ dàng chức năng hóa. Lớp vỏ này còn có vai trò bảo vệ và cách li vật liệu lõi với môi trường, bên cạnh đó nó cũng quyết định các tính chất của hạt cho phù hợp với những đòi hỏi đặt ra.
Đối với quá trình phân tách và chọn lọc tế bào, người ta thường dùng hạt composit gồm các hạt nano siêu thuận từ phân bố trên nền chất nghịch từ. Nền nghịch từ có tác dụng làm cho các hạt nano dễ dàng biểu hiện chức năng, tính tương thích sinh học và có thời gian lắng đọng dài như đã trình bày ở đoạn trên.
Bộ lọc
khí
Vùng phản ứng
GVHD: ThS. DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 27 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN
2.2.2.1. Phương pháp bao bọc từng lớp
Kỹ thuật phun xạ chế tạo các composit siêu thuận từ khả quan nhất là phương pháp bao bọc từng lớp. Phương pháp bao bọc từng lớp (layer-by-layer) là kĩ thuật ngưng tụ sử dụng một khuôn nano được chế tạo bằng các phương pháp khác như đồng kết tủa. Sau đó khuôn nano này được cho vào hỗn hợp có chứa tiền chất của chất cần bao bọc. Phụ thuộc vào bản chất của tiền chất, nhiệt độ và pH mà phương pháp này có thể tạo ra những hình cầu đa chức năng có các đặc tính khác nhau.
Nguyên tắc của phương pháp này là dùng các khuôn nano, có thể là các hạt nano có một điện tích bề mặt nào đó. Khuôn nano này lần lượt được trộn với các polymer mà khi phân ly có điện tích bề mặt trái dấu với điện tích bề mặt ban đầu và bao bọc khuôn nano làm cho bề mặt của nó bị tích điện trái dấu với điện tích bề mặt ban đầu. Một loại polymer thứ hai được đưa vào hệ, poymer này có đặc điểm là khi phân ly nó tạo ra điện tích bề mặt ngược dấu với điện tích của polymer thứ nhất. Do điện tích trái dấu nên polymer thứ hai sẽ bao bọc lên khuôn nano đã được bọc bởi polymer thứ nhất. Như vậy, khuôn nano được bọc bởi hai lớp polymer. Quá trình như vậy được tiếp tục nhiều lần cho đến khi khuôn nano được bọc bởi nhiều lớp polymer có độ dày và tính chất như mong muốn.
Hình 2.10. Minh họa phương pháp bao bọc từng lớp [21].
Hình 2.11. (a) tiểu cầu PS. (b) Tiểu cầu PS bọc Fe3O4 /PAH (c) Tiểu cầu PS bọc [Fe3O4 /PAH]4. (d) Tiểu cầu PS bọc [Fe3O4 /PDA]4.
GVHD: ThS. DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 28 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN
2.2.2.2 Phương pháp nhũ tương đảo
Chất lỏng latex siêu thuận từ được chế tạo bằng phương pháp polymer hóa trong hệ nhũ tương đảo [5]. Một polymer kép gồm hai đầu kị nước có mặt khi các tiền chất phản ứng tạo kết tủa oxit sắt điều khiển quá trình tạo mầm, quá trình phát triển hạt và ổn định lực đẩy giữa các hạt nano tạo ra các hạt nano oxit sắt siêu thuận từ với đường kính 5 nm. Sau khi làm khô, hệ giống như một chất lỏng từ. Quá trình nhũ tương đảo chất lỏng từ vào decane được thực hiện nhờ sự có mặt của một lượng nhỏ polymer kép có vai trò như một chất hoạt hóa bề mặt, cùng với siêu âm để tạo ra các giọt chất lỏng nhỏ có đường kính 180 nm chứa đầy hạt nano từ tính và các monomer. Sau đó là quá trình polymer hóa các monomer để tạo ra latex siêu thuận từ [17].
2.2.2.3. Bao phủ các hạt nano từ trong nền chất vô cơ
Để có thể điều khiển tính chất từ của các hạt nano, người ta còn có thể bao bọc chúng trong nền chất vô cơ mà vật liệu phổ biến nhất là nền silica (SiO2). Trong trường hợp này, silica là môi trường phân tán của chất siêu thuận từ. Khi đó, từ tính của hạt có thể điều khiển bằng quá trình nung nóng đơn giản.
Bề mặt silica cho phép các hạt nano có thể phân tán bên trong lòng nó với một tỉ trọng lớn. Ví dụ, người ta có thể chế tạo ra các hình cầu rỗng có đường kính 150 nm tạo thành từ các hạt nano và silica bằng phương pháp nhiệt phân bụi hơi một hỗn hợp dung dịch methanol có chứa ammonium citrate sắt và tetraethoxysilane (TEOS)[5].
Trong giai đoạn đầu, sự bay hơi nhanh chóng của hỗn hợp methanol làm gia tăng kết tủa trên bề mặt, tức là hình thành các hình cầu rỗng [5] Khả năng hòa tan của iron ammonium citrate sắt vào methanol thấp hơn của TEOS là cho kết tủa ban đầu chủ yếu là muối sắt. Giai đoạn hai là giai đoạn hình cầu co lại và TEOS có mặt trên bề mặt nhiều dần lên. Giai đoạn ba là giai đoạn phân hủy nhiệt để tạo lớp vỏ silica của hình cầu rỗng có chứa hạt nano g-Fe2O3. Bằng phương pháp nhiệt phân bụi hơi hỗn hợp có chứa sắt nitrate đậm đặc (1 M) và TEOS sẽ tạo ra các tiểu cầu silica đường kính 250 nm có chứa hạt nano oxit sắt phân tán đều bên trong [9].
Hình 2.12. Silica có hạt nano tạo nên vỏ tiểu cầu rỗng (trái) và tạo nên tiểu cầu đặc (phải) [21].
GVHD: ThS. DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 29 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN
2.2.2.4. Phương pháp hóa hơi trong chân không
Đây là phương pháp đơn giản thường được dùng nhất để chế tạo tiểu cầu polymer có chứa hạt nano từ tính oxit sắt. Polymer thường được dùng nhất là polystyrene. Dưới đây là ví dụ chế tạo tiểu cầu polystyrene có kích thước khoảng vài trăm nm có các hạt nano từ tính phân tán bên trong.
Hạt nano Fe3O4 được chế tạo trước đó được chức năng hóa bề mặt bằng oleic axit kị nước có thể phân tán trong dầu như hexane hoặc toluene. Hòa tan polystyrene trong một dung môi dễ bay hơi như CH2Cl2 để thu được dung dịch A, rồi đổ hạt nano từ tính Fe3O4 kị nước vào và khuấy đều bằng máy khuấy từ. Dung dịch B tạo thành bằng cách trộn chất hoạt hóa bề mặt sodium dodecyl sulfate trong nước với một tỉ phần chất hoạt hóa bề mặt nhất định. Trộn dung dịch A và dung dich B bằng máy khuấy cơ học để tạo ra thể nhũ tương. Hóa hơi dung môi dễ bay hơi CH2Cl2 bằng máy cất quay chân không trong thời gian 30 phút ở nhiệt độ khoảng 60°C. Sau khi CH2Cl2 hóa hơi hết ta thu được các hình cầu polystyrene có chứa các hạt nano bên trong. Tách lọc các tiểu cầu bằng máy li tâm. Bằng cách thay đổi các thông số đầu vào mà các tiểu cầu có kích thước khác nhau và có từ độ khác nhau như mong muốn.
GVHD: ThS. DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 30 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN
CHƯƠNG 3
ĐIỀU KIỆN ỨNG DỤNG VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANO TỪ TRONG Y SINH HỌC
3.1. ĐIỀU KIỆN ỨNG DỤNG HẠT NANO TỪ TRONG Y SINH HỌC
Trong y học, để chữa bệnh ung thư người ta đã và đang tìm cách đưa các phân tử thuốc đến đúng các tế bào ung thư qua các hạt nano đóng vai trò là “xe tải kéo”, tránh được hiệu ứng phụ gây ra cho các tế bào lành. Y tế nano ngày nay đang nhằm vào những mục tiêu bức xúc nhất đối với sức khỏe con người, đó là các bệnh do di truyền có nguyên nhân từ gen, các bệnh hiện nay như: HIV/AIDS, ung thư, tim mạch, các bệnh đang lan rộng hiện nay như béo phì, tiểu đường, liệt rung (Parkison), mất trí nhớ (Alzheimer), rõ ràng y học là lĩnh vực được lợi nhiều nhất từ công nghệ này [22]. Một vấn đề đặt ra cho y học nano là trong làm thế nào để có thể điều khiển các hạt nano oxit sắt từ thực hiện các ứng dụng y sinh như việc vận chuyển thuốc điều trị đến từng tế bào bị bệnh hoặc các nhiệm vụ đúng như mong muốn? Và việc ứng dụng này có những điều kiện gì?
3.1.1. Hạt nano từ tính dưới tác dụng của từ trường
Trước tiên, để điều khiển các hạt nano từ, ta cần đặt chúng vào một từ trường ngoài. Ta đã biết, vật liệu sắt từ luôn có sự hưởng ứng với từ trường ngoài. Tuy nhiên, để kiểm soát cơ chế, cường độ lực điều khiển hạt nano trong các ứng dụng chữa trị bệnh trên cơ thể người sao cho an toàn, không gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người là việc luôn cần được nghiên cứu kỹ.
Như đã đề cập ở phần trước, dựa vào sự hưởng ứng từ, người ta phân vật liệu thành các dạng như: nghịch từ (DM), thuận từ (PM), sắt từ (FM) và siêu thuận từ (SPM). Giả sử từ trường ngoài đặt vào là H, sự hưởng ứng từ của vật liệu được gọi là từ độ M, thì người ta định nghĩa cảm ứng từ B là: B =0(H + M). Vật liệu sắt từ thường thể hiện tính trễ từ do vật liệu có tính dị hướng theo trục tinh thể. Tuy nhiên, nếu kích thước vật liệu nhỏ đi, chuyển động nhiệt sẽ có thể phá vỡ trạng thái trật tự từ giữa các hạt thì vật liệu sắt từ trở thành vật liệu siêu thuận từ. Đặc điểm quan trọng của vật liệu siêu thuận từ là có từ độ lớn khi có từ trường ngoài và mất hết từ tính khi từ trường ngoài bằng không. Hạt nano oxit sắt từ là vật liệu siêu thuận từ.
Tính siêu thuận từ là một tính chất rất quan trọng khi ứng dụng hạt nanô từ tính trong sinh học. Ở trạng thái siêu thuận từ, thời gian hồi phục của mômen từ là:
0
exp(E/kT)
GVHD: ThS. DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 31 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN
Vì là vật liệu siêu thuận từ, nên các hạt từ tính trong vật liệu không tương tác với nhau. Giá trị 0 cho hạt không tương tác vào khoảng 10-10 – 10-12 s phụ thuộc rất ít vào nhiệt độ. Hàng rào thế năng E phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có dị hướng từ tinh thể và dị hướng hình dạng. Để đơn giản ta chỉ xét dị hướng từ tinh thể (tính chất nội) đơn trục: E = KV, với K là mật độ năng lượng dị hướng từ tinh thể và V là thể tích của hạt. Như vậy E tỉ lệ với V là thể tích của hạt. Nếu thể tích nhỏ hàng rào thế năng này sẽ thấp và năng lượng nhiệt ở nhiệt độ phòng có thể đủ lớn để làm quay mômen từ và hệ ở trạng thái siêu thuận từ. Tuy nhiên, trạng thái siêu thuận từ còn phụ thuộc vào thời gian đo đạc m. Nếu thời gian hồi phục << m thì quá trình quay của mô men từ rất nhanh so với thời gian đo đạc. Như vậy, hạt nano từ tính thể hiện tính “thuận từ” đối với người đo. Nếu thời gian hồi phục >> m thì quá trình quay mômen từ chậm hơn so với thời gian đo. Như vậy, hạt nano từ tính thể hiện tính chất “hãm” (blocked) đối với người đo. Người ta định nghĩa nhiệt độ hãm Tb là nhiệt độ nằm giữa hai trạng thái nói trên, ở đó, = m. Hình 3.1 minh họa bản chất siêu thuận từ khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ hãm Tb, và khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ hãm Tb. Trên thực tế các phép đo thực có giá trị 102 s với phép đo dòng một chiều, 10-1 – 10-5 s với dòng xoay chiều, 10-7 – 10-9 s với phép đo phổ Mossbauer [21].
Hình 3.1. Minh họa bản chất siêu thuận từ, (trái) khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ hãm Tb, và (phải) khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ hãm Tb [21].
Như vậy, dưới tác dụng của một từ trường đồng nhất thì các mô men từ của nguyên tử hoặc của các các hạt nano từ tính sẽ quay theo phương của từ trường ngoài. Chú ý là các mômen từ quay chứ không dịch chuyển. Để nguyên tử hoặc hạt nano dịch chuyển thì cần phải có mặt của một gradient từ trường. Lực tác dụng lên hạt nano dưới tác dụng của một gradient từ trường là:
Fm = Vm(B2/20)Vm(BH/2)
Với m w là sự khác biệt về độ cảm từ của hạt nano từ và nước (môi trường hạt nano từ tính nằm trong đó). Vm là thể tích của hạt nano. Đại lượng trong ngoặc là mật độ năng lượng từ tĩnh.
GVHD: ThS. DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 32 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN
Với oxit sắt, giá trị lớn hơn 0 nên các hạt nano từ tính phân tán trong nước sẽ bị hút về phía cực nam châm đặt gần đó. Hiện tượng này được ứng dụng trong sinh học để phân tách và chọn lọc tế bào.
Hình 3.2 minh họa sự chuyển động của mạch máu trong đó có sự tồn tại của hạt nano từ tính (giữa). Các thành phần trong mạch máu có tính chất từ khác nhau. Có thành phần là nghịch từ, thuận từ, sắt từ và siêu thuận từ. Phần lớn các chất hữu cơ có tính nghịch từ, một số ion của sắt có mặt trong các ferritin có tính thuận từ, hạt nano từ tính được tiêm từ bên ngoài vào có tính sắt từ và siêu thuận từ.
Hình 3.2. Mô hình minh họa sự chuyển động của các hạt nano từ tính trong mạch máu. Các thành phần trong mạch máu có tính chất từ khác nhau. Đường cong từ hóa của
các chất nghịch từ (DM), thuận từ (PM), sắt từ (FM) và siêu thuận từ (SPM) [21].
3.1.2. Điều kiện ứng dụng hạt nano từ vào trong y sinh học
Công nghệ nano nói chung và hạt nano từ Fe3O4 nói riêng đang làm thay đổi cuộc sống của con người theo một chiều hướng tích cực nhờ vào khả năng can thiệp tại kích thước nanomet, mang lại nhiều tia hy vọng cho cuộc sống con người. Trong đó, phần lớn vật liệu nano được nghiên cứu nhằm mục đích chuẩn đoán và điều trị bệnh.
GVHD: ThS. DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 33 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN
Do đối tượng chủ yếu của nó là con người nên việc sử dụng hạt nano từ tính như một liệu pháp điều trị bệnh cần phải tuân thủ theo những yêu cầu nhất định sau đây:
- Các hạt có kích thước nhỏ, tính đồng nhất cao. - Từ độ bão hòa lớn.
- Vật liệu có tính tương thích sinh học, không có độc tính.
Nói về tính đồng nhất của hạt nano từ tính, nó liên quan chủ yếu đến phương pháp chế tạo hạt, trong đó việc xác định kích thước, hình dạng hạt, phân bố mật độ, hóa học bề mặt cần được quan tâm. Gần đây, khoa học đang cố gắng phát triển các quá trình và kỹ thuật chế tạo các chất keo chỉ chứa các hạt nano đồng nhất về cả kích thước và hình dạng. Mục đích của yêu cầu này là nhằm nâng cao chất lượng và tăng tính lặp lại cho sản phẩm. Quan trọng hơn là kích thước hạt phải đủ nhỏ để có thể tham gia vào chuyển động tuần hoàn qua các hệ mao dẫn và mô, tránh bị tắc nghẽn mạch và tránh sự lắng đọng do trọng trường.
Đồng thời, các hạt nano phải có tính chất siêu thuận từ để đảo từ nhanh, có sự cộng hưởng với từ trường xoay chiều đủ để gia nhiệt. Từ độ lớn để dễ thao tác, điều khiển sao cho việc di chuyển các hạt này trong máu có thể điều chỉnh bằng từ trường ngoài (chuyển dịch hay cố định vị trí của hạt và thuốc).
Ứng dụng của các hạt nano từ trong y sinh học có thể phân thành hai nhóm tùy thuộc vào ứng dụng của chúng bên trong (in-vivo) hay bên ngoài (in-vitro) cơ thể. Đối với các ứng dụng in-vivo, các hạt nano từ phải là các vật liệu không độc và không bị miễn dịch. Các hạt nano từ cần được bọc với một chất polymer tương thích sinh học để chống sự tái kết hợp, chống sự thay đổi cấu trúc ban đầu và sự thoái hóa khi đưa vào hệ sinh học.
Hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 có kích thước rất phù hợp với các thực thể sinh học mà chúng ta quan tâm; bề mặt lại có khả năng tương thích sinh học và còn hưởng ứng mạnh với từ trường ngoài; chủ yếu là diện tích bề mặt hiệu dụng của chúng lớn dễ dàng gắn các chất liên kết và khuếch tán vào các mô. Hơn thế nữa, trong cơ thể người luôn tồn tại một