Dung dịch vàng nano là một hệ keo điển hình, do kích thước của nó < (10-5- 10-7 cm) và được gọi là các hệ phân tán cao [7, 25]. Vì vậy nó có đầy đủ các tính chất cơ-lý điển hình của hệ keo.
+ Các tính chất động học:
- Chuyển động Brown R [7]:
Các hạt chuyển động không ngừng, năng lượng động học trung bình phụ thuộc nhiệt độ. Quãng đường chuyển dịch trung bình theo thời gian t được tính theo phương trình Einstein: 6 bTt x2 (1.33) .t rN 3 RT x (1.34) Trong đó : r là bán kính hạt, là hệ số nhớt, b = 2R/N = 2k, k là hằng số Boltzmanr , R là hằng số khí và N là số Avogadro.
- Khuyếch tán: Sự khuyếch tán tuân theo định luật Fick 1 và 2.
• Định luật Fick 1: lượng chất ni qua tiết diện S (vuông góc với chiều khuyếch tán) tỷ lệ thuận với S, thời gian t. .dt dx dc DS. dni (1.35)
• Định luật Fick 2: mô tả sự biến đổi nồng độ theo thời gian. 2 2 dx c d . D dt dc (1.36)
Trong đó: D là hệ số khuyếch tán, phụ thuộc nhiệt độ, bản chất dung môi.
31
Hạt keo chịu tác động của trọng lực và chuyển động Brown vì vậy có thể sa lắng. Lúc đầu dx dc còn nhỏ nên quá trình sa lắng diễn ra còn yếu, nhưng sự sa lắng tăng lên làm dx dc
tăng nên tốc độ khuyếch tán cũng tăng cho đến khi đạt cân bằng sa lắng [7].
+ Tính chất điện:
Các phần tử mang điện trong hệ keo tập trung trên bề mặt các hạt keo hình thành một trật tự phân bố. Đặc biệt trên bề mặt chia pha. Các cấu trúc này được gọi là lớp điện tích kép. Lớp điện tích kép đó ảnh hưởng đến tính chất bền vững của hệ phân tán, đặc biệt là hệ keo kim loại (Ag, Au, Cu,..) [7, 19]. Do sự ion hoá hay sự hấp phụ ion bám trên bề mặt chất rắn gọi là ion tạo thế, ion ngược dấu được chuyển vào dung dịch hoặc còn lại trong dung dịch gọi là ion đối. Trong dung dịch còn có thể có các ion khác được phân ly từ những phân tử trung hòa, tổng điện tích ion dương và âm phân ly ra là bằng nhau. Nói chung tổng thể hệ keo là trung hoà điện, riêng bề mặt hạt keo và dung dịch có tổng giá trị điện tích như nhau nhưng ngược dấu. Do cấu tạo của các lớp điện tích trong hệ keo, người ta đã tìm ra các hiện tượng điện động học đó là điện thẩm, điện di, điện thế chảy, điện thế sa lắng.
Qua các hiện tượng điện động có thể xác định được thếđiện động Zeta (), nó có ý nghĩa quyết định đến độ bền của hệ keo. phụ thuộc rất nhiều yếu tố: thành phần pha, nồng độ chất điện ly, nhiệt độ, bản chất môi trường phân tán, kích thước hạt,.. [7, 19].
Thế Zeta có thể âm hoặc dương (tùy điện tích của hạt keo). Giá trị của thế Zeta cho biết độ bền của hệ keo, keo càng bền khi giá trị của càng lớn [39].
+ Tính chất cơ học:
- Độ nhớt của keo không kết cấu (sự keo tụ gây ra do kết dính bằng lực Van der Waals) được Einstein biểu diễn bằng phương trình:
n 0 0 k (1.37)
32
Trong đó và o là độ nhớt của dung dịch keo và môi trường phân tán.
n = Vd/V ; Vd là thể tích pha phân tán, V là thể tích của hệ và k là hằng số phụ thuộc hình dạng hạt.
- Độ nhớt của keo kết cấu (sự keo tụ hình thành không phải do lực Van der Waals gọi là kết cấu ngưng tụ kết tinh). Trường hợp này dung dịch keo không tuân theo các phương trình độ nhớt trên và phương trình Bingham được sử dụng:
k(P Pd) 0 0 (1.38) P Pd dt d (1.39) Trong đó là độ biến dạng; Pd là áp suất cần để phá huỷ kết cấu và P-Pd là áp suất để duy trì dòng chảy (trong nhớt kế) [7, 19].
1.3.3.4. Độ bền của hệ keo nano kim loại
Tính bền vững của hệ phân tán được đặc trưng bằng sự bất biến theo thời gian của các thông số: độ nhớt, cấu trúc pha, độ phân tán, sự phân bố cân bằng của pha phân tán và môi trường [7, 25, 160].
Keo kỵ lỏng có năng lượng liên kết bên trong của pha phân tán lớn hơn đáng kể so với năng lượng tương tác giữa các pha, sự khác biệt đó không được điều hòa bởi entropy nên F = U - TS > 0.
Do vậy, sự phân tán không tự xảy ra mà nhờ vào công bên ngoài hoặc nhờ các quá trình khác như phản ứng hoá học. Hệ phân tán không bền nhiệt động, luôn có xu hướng chuyển các hạt keo thành thể kết khối và tách khỏi môi trường phân tán, như vậy có thể làm giảm bề mặt phân chia pha. Sự bền của các hệ keo phân tán chỉ có tính chất tương đối.
Sự bền của pha phân tán dưới tác dụng của lực trọng trường gọi là bền sa lắng, do cân bằng giữa chuyển động Brown và tác dụng của trọng lực.
Cấu trúc của hệ phân tán có thể bị phá vỡ do hai hiện tượng sau :
- Tái kết tinh: Các hạt nhỏ có độ hoà tan và áp suất hơi lớn hơn. Do đó, hạt nhỏ có xu hướng hoà tan và hạt lớn thì lớn lên do liên kết với hạt nhỏ bị hòa tan, số hạt sẽ
33
giảm xuống, kích thước hạt tăng lên. Sau khi hạt đủ lớn, hệ số sa lắng, hệ keo bị phá vỡ. Đối với hệ keo nano kim loại, độ hòa tan của các hạt rất nhỏ nên hiện tượng này không xảy ra [7, 19, 25, 160].
- Sự keo tụ: là quá trình nhiều hạt dính kết lại với nhau tạo thành tập hợp lớn và mất độ bền sa lắng. Sự không bền của hệ keo kỵ lỏng là do đồng thời với lực hút Van der Waals còn tồn tại lực đẩy hay hiệu ứng ngăn cản sự hút nhau. Hiệu ứng này liên quan đến điện thế u1 thể tích hạt và thếđiện động của lớp điện kép. Tính bền của hệ keo phụ thuộc nhiều vào hai yếu tố :
- Hàng rào solvat hoá bao quanh hạt cản trở sự tiếp xúc giữa các hạt.
- Hệ keo được hình thành do hạt keo hấp phụ mạnh chất hoạt động bề mặt hoặc hợp chất cao phân tử và trở nên “ưa lỏng”, rất bền.
Cả hai trường hợp trên đều làm tăng yếu tố u1 và điện tích bề mặt 0 tạo điều kiện phát triển lớp solvat hóa và hấp thụ chất làm bền, về mặt lý thuyết nó liên quan tới yếu tốđiện học của hệ [7, 160].
Tác dụng keo tụ của chất điện ly
Khi thêm vào hệ keo chất điện ly sẽ nhanh chóng gây keo tụ các hệ keo kỵ nước (làm giảm). Do phá vỡđiện thế hoặc pH đẳng điện. Khả năng gây keo tụ của chất điện ly đặc trưng bằng nồng độ nhỏ nhất có thể gây keo tụ với một tốc độ nhất định (nồng độ keo tụ, đại lượng keo tụ, mol/lít, Ck). Giá trị của Ck phụ thuộc điện tích ion; Ck tăng nhanh khi điện tích ion tăng.
Sau đây là quy tắc Schulze-Hardy: Ion ngược dấu có tác dụng gây keo tụ và khả năng gây keo tụ tăng lên tỷ lệ thuận với một số bậc của điện tích ion.
Khi thêm chất điện ly có ion ngược dấu hoá trị lớn vào hệ, u1 bịđổi dấu. Các thông số của lớp điện tích kép nói chung và giá trị u1 nói riêng là tiêu chuẩn đánh giá sự bền vững của hệ do tác dụng lực đẩy tĩnh điện. Vậy ở điều kiện /u1/ < /u1k/ xảy ra sự keo tụ (u1k : thế nhiệt động khi thêm chất điện ly).
Nồng độ chất điện ly tăng lên thì u1 giảm và (chiều dày lớp khuyếch tán) càng giảm; nếu nồng độ có giá trị rất lớn, u1 = 0 các hạt có thể lại gần nhau một
34
cách tự do đến khoảng cách mà lực hút đủ lớn để tương tác dẫn đến keo tụ [7, 25, 160].
Lý thuyết bền của hệ keo kỵ nước DLVO
Thuyết do Deriagin, Landow, sau đó là Overbeek và Veryway xây dựng [19, 25, 160].
- Tương tác giữa hai hạt keo khi có màng mỏng ngăn cách.
Sự keo tụ là kết quả tổng hợp của hai lực, lực hút Van der Waals và lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt. Tuỳ thuộc vào lực ở lớp giữa các hạt mà xuất hiện áp suất tách dương (ngăn cản sự dính nhau của hạt) hoặc âm (cho phép hạt tiếp xúc nhau).
Khi lớp chất lỏng đủ mỏng, giữa chúng xuất hiện một áp suất tách. Nếu chất lỏng chảy dưới tác dụng của áp suất P, P = P0 (áp suất ngoài) - 0 (áp suất tách). Nếu 0 > 0, P nhỏ nên ngăn cản chất lỏng chảy từ màng mỏng đó tức cản trở sự tiến gần nhau của hạt. Khi 0 < 0, P lớn nên tăng cường sự chảy của lớp mỏng dẫn đến sự liên kết 2 hạt [19, 25, 160].
- Sự solvat hoá các hạt keo.
Ngoài lực hút phân tử và lực đẩy tĩnh điện, còn một yếu tố quan trọng là sự tồn tại lớp solvat hóa có thể làm thay đổi tính chất bề mặt hạt. Khi có mặt lớp solvat, các hạt gặp một trở kháng đối với sự chuyển dịch và tốn công vượt qua lực đàn hồi hay giải hấp đối với lớp solvat nên nó ngăn cản sự dính của các hạt, thế năng U tăng lên khi các hạt tiến đến gần nhau. Đó là phương thức xuất hiện của áp suất tách (áp suất đẩy nhau giữa các hạt).
Các lớp solvat tạo thành có thể là do hấp phụ các chất hoạt động bề mặt hoặc chất cao phân tử. Kích thước các phân tử chất này có tác dụng che phủ làm ngăn cản sự keo tụ xảy ra.
Các chất hoạt động bề mặt hoặc hợp chất cao phân tử như vậy được gọi là chất làm bền. Các chất làm bền bị hấp phụ trên bề mặt hạt sắp xếp có định hướng, chúng có khả năng làm bền hệ keo cả khi nồng độ keo khá lớn [19, 25, 160]. Ngoài ra, độ bền của hệ keo còn phụ thuộc vào thế điện động của lớp điện kép. Điểm
35
đẳng điện là điểm pH tại đó điện tích bề mặt hạt keo được trung hòa. Do đó, pH môi trường càng xa điểm đẳng điện thì tính phân tán, tính bền của hệ keo càng cao [7].
1.3.4. Các ứng dụng của dung dịch vàng nano 1.3.4.1. Ứng dụng dung dịch vàng nano trong y học 1.3.4.1. Ứng dụng dung dịch vàng nano trong y học
Vàng là một vật liệu cho nhiều ứng dụng quan trọng trong y học có lịch sửđã hàng ngàn năm. Từ thời Trung cổ và Ai Cập cổđại đã sử dụng dung dịch vàng để điều trị các bệnh khớp và dung dịch vàng được xem như là thần dược chống lão hóa [17, 31]. Hiện nay, dung dịch vàng chủ yếu ở dạng dung dịch keo được sử dụng làm chất phát quang, hấp thụ sóng điện tử ứng dụng trong y sinh. Ngoài ra, cũng như hạt nano bán dẫn, bề mặt hạt vàng nano có thể kết hợp với phân tử thuốc, phân tử sinh học như DNA, các loại protein như enzym, kháng thể,.. để dò tìm tế bào ung thư, hoặc được phủ một lớp thuốc đặc trị để tiêu diệt các tế bào ung thư đồng thời có thể mang các hoạt chất giúp chuẩn đoán bệnh chính xác hơn [17, 34, 52, 73, 156].
Hình 1.18. Hạt vàng nano và các chất tạo nhóm chức khác nhau [156]
Không giống như dạng vàng khối (bulk), hạt vàng nano dễ bị oxi hóa bề mặt tạo cụm vàng ion (ion cluster) và vàng nano ái lực cao với các phân tử chứa nhóm chức như thiol (–SH), amin (–NH2), cacboxyl (–COO–), hydroxyl (–OH),.. [33, 58, 156]. Dựa trên các đặc trưng tính chất hóa – lý – sinh học đặc thù của hạt vàng nano, nhiều công trình nghiên cứu chức năng hóa bề mặt hạt vàng nano với các hoạt chất, dược chất để ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau đặc biệt là ứng dụng trong lĩnh vực sinh y học (hình 1.18). Hamaguchi và cộng sự [58] sử dụng vàng
36
nano/glycin như là một cảm biến phát hiện ion kim loại nặng trong dung dịch ở mức độM bằng cách đo phổ UV-Vis. Boisselier và Astruc [31] đã xác định dùng vàng nano/folat làm gia tăng khả năng hấp thụ vàng nano lên tế bào ung thư cao hơn 6 lần so với tế bào thường, ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị ung thư.
Một ưu điểm nổi bật khác là hạt vàng nano được chức năng hóa bề mặt có thể hấp thụ đặc hiệu lên các mô tế bào và cho kết quả hiển thị rõ ràng. Hơn nữa, hạt vàng nano còn phân biệt tế bào ung thư và tế bào khỏe mạnh bằng sự khác nhau của bước sóng hấp thụ và có thể chuẩn đoán và điều trị bệnh ung thưở những giai đoạn đầu, từđó giảm những di căn nguy hiểm và tăng khả năng thành công của quá trình điều trị [69, 98] (hình 1.19).
Hình 1.19.Hạt vàng nano giúp chẩn đoán và điều trị ung thư [69, 87]
Hạt tải thuốc nano sẽ được kết hợp ở vỏ hoặc được chứa bên trong hạt. Khi được đưa vào cơ thể, hạt tải thuốc nano sẽ theo hệ thống tuần hoàn qua mạch máu đểđi đến mục tiêu. Kích cỡ của hạt nano là một yếu tố quan trọng cho việc tải thuốc. Kích cỡ này phải trong phạm vi từ 4 đến 400 nm. Nếu nhỏ hơn 4 nm hạt sẽ nhanh chóng bị thải ra theo con đường bài tiết. Nếu lớn hơn 400 nm hạt sẽ bị hệ thống miễn dịch phát hiện và loại ra trừ ra khỏi cơ thể [26, 31, 52, 76]. Như vậy, dược liệu được bao lại trong từng “gói nhỏ” và di chuyển đến mục tiêu để “bắn phá” tế bào ung thư. Phân tử thuốc có thểđi xuyên qua vách tế bào bởi sự thẩm thấu và khuyếch tán do vậy cả tế bào lành và tế bào ung thư đều bị tiêu diệt. Tuy nhiên, khi thuốc được gói trong các hạt tải nano, độ lớn của hạt không cho nó di chuyển qua vách huyết quản của tế bào lành nhưng có thể chui lọt qua những khoảng hở của tế bào ung thư từ đó đi vào khối u và tiêu diệt những tế bào ung thư mà không làm ảnh
37
hưởng những tế bào lành bên cạnh [69, 87]. Hoạt tính enzym oxi hóa glucose tăng 1,4 lần khi được gắn với vàng nano [120] do vàng nano có khả năng làm tăng tốc độ truyền điện tử từ enzym đến cơ chất và vàng nano làm tăng hoạt tính bắt gốc tự do của vitamin E lên khoảng 8 lần [105]. Hạt vàng nano được biến tính bề mặt với phối tử axít mercaptundecanoic rồi gắn với thuốc điều trị ung thư là cis-Pt(NH3)2Cl để mang và ly giải thuốc đến mục tiêu cần điều trị [156]. Do hạt vàng nano hấp thụ mạnh năng lượng bức xạ [98] và chuyển hoá thành nhiệt đồng thời một phần phát quang nên nhóm tác giả Paasonen và cộng sự [108] đã nghiên cứu đưa vàng nano vào trung tâm của milcel có cấu trúc liposome có chứa calcein, kết quả làm tăng khả năng ly giải calcein từ liposome lên hơn 100 lần. Lee và cộng sự [87] đã nghiên cứu biến tính gắn các enzym như heparinase, hyaluronidase và chất phát huỳnh quang lên hạt vàng nano đểứng dụng chẩn đoán phát hiện ung thư di căn (hình 1.20).
Hình 1.20.Hạt vàng nano mang thuốc đến các tế bào ung thư [98, 111]
Vàng nano có ái lực liên kết với kháng thể nên một số công trình nghiên cứu biến tính bề mặt hạt vàng nano với các kháng thể đặc hiệu để phát hiện và điều trị bệnh ung thư [44] và chẩn đoán, điều trị các bệnh do virus [110]. Ngoài ra, vàng nano còn được ghi nhận có tính năng gia tăng sự sinh sản tế bào gan khi được biến tính gắn với axít amin là cysteamin rồi bổ sung vào môi trường nuôi cấy tế bào gan, ứng dụng trong kỹ thuật sản xuất gan nhân tạo [54]. Vàng nano sau khi cải biến bề mặt với các kháng nguyên, kháng thể, dược chất và chất phát quang đã được ứng dụng làm cảm biến sinh học, chất điều trị ung thư, trị bệnh mất trí (alzheimer),
Au nano-DNA ứng dụng mang thuốc đến tế bào ung thư
Tế bào
ung thư DNA gắn
thuốc trị
38
bệnh HIV, bệnh gan, đái tháo đường,.. và bệnh thấp khớp. Vàng nano biến tính còn