Các ferit cĩ cấu trúc spinel thường (thuận) hoặc spinel ngược. Trong mỗi ơ đơn vị của cấu trúc spinel, những ion hĩa trị III chiếm các vị trí bát diện cịn những ion hĩa trị II chiếm các vị trí tứ diện. Cấu trúc spinel ngược được sắp xếp sao cho một nửa số ion Fe3+ ở vị trí tứ diện, một nửa số ion Fe3+ cịn lại và tất cả số ion Fe2+ ở vị trí bát diện. Mỗi vị trí bát diện cĩ 6 ion O2- lân cận gần nhất sắp xếp trên các gĩc của khối bát diện, trong khi đĩ ở vị trí tứ diện cĩ 4 ion O2- lân cận gần nhất sắp xếp trên các gĩc của khối tứ diện. Ơxít sắt từ Fe3O4 cĩ ơ đơn vị lập phương tâm mặt. Ơ đơn vị gồm 56 nguyên tử: 32 anion O2-, 16 cation Fe3+, 8 cation Fe2+. Dựa vào cấu trúc Fe3O4, các spin của 8 ion Fe3+ chiếm các vị trí tứ diện, sắp xếp ngược chiều và khác nhau về độ lớn so với các spin của 8 ion Fe3+ và 8 ion Fe2+ ở vị trí bát diện. Các ion Fe3+ ở vị trí bát diện này ngược chiều với các ion Fe3+ ở vị trí tứ diện nên chúng triệt tiêu nhau. Do đĩ, mơmen từ tổng cộng là do tổng mơmen từ của các ion Fe2+ ở vị trí bát diện gây ra. Vậy mỗi phân tử ơxít sắt từ Fe3O4 vẫn cĩ mơmen từ của các spin trong ion Fe2+ ở vị trí bát diện gây ra và cĩ độ lớn là 4B (magneton Bohr). Vì vậy, tinh thể ơxít sắt từ Fe3O4 tồn tại tính dị hướng từ (tính chất từ khác nhau theo các phương khác nhau). Vật liệu thể hiện tính siêu thuận từ khi vật liệu cĩ kích thước nano đủ nhỏ và ta xem mỗi hạt Fe3O4 như
hạt đơn đơmen. Tinh thể Fe3O4cĩ cấu trúc lập phương, cĩ độ từ hĩa bão hịa Ms ~92 A.m2.kg-1 và nhiệt độ Curie khoảng 5800C.
Hình 1.5. Sự sắp xếp các spin trong một phân tử ơxít sắt từ tính Fe3O4
Ơxít sắt từ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Đặc biệt, khi ở kích thước nano, hạt Fe3O4 được xem như các hạt đơn đơmen và cĩ tính siêu thuận từ phục vụ chủ yếu cho lĩnh vực y sinh học, như là tác nhân làm tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ, làm phương tiện dẫn truyền thuốc…
1.3.2. Sự biến đổi và ổn định của ơxít sắt từ Fe3O4
Pha maghemite cĩ thể biến đổi thành hematite α-Fe2O3 (pha bền vững) khi thiêu kết ở điều kiện mơi trường nhiệt độ thích hợp. Cụ thể, q trình này được khảo sát bởi Bradford và các cộng sự[10] và tĩm tắt lại như sau:
Chuẩn bị hạt nano magnetite tinh khiết bằng phương pháp kết tủa sau đĩ nung theo nhiệt độ tăng dần và khảo sát sự biến đổi pha sang maghemite và hematite.
- Nếu thiêu kết maghemite (γ-Fe2O3)tinh khiết trong khoảng 250-300˚C (trong năm ngày) thì khơng cĩ biến đổi pha xảy ra.
- Nếu thiêu kết maghemite trong khoảng từ 320˚C đến 450˚C thì chuyển đổi pha rất chậm (10% mẫu bột biến thành α-Fe2O3 khi thiêu kết trong một tuần).Nếu thiêu kết ở 500˚C phản ứng chuyển pha xảy ra nhanh (70-90% γ-Fe2O3 thành α-Fe2O3 chỉ trong một tiếng), để phản ứng chuyển pha xảy ra hồn tồn cần lâu hơn ba tiếng (nhưng ta cần thời gian lâu hơn đối với maghemite khơng tinh khiết). Trong quá trình biến đổi từ γ-Fe2O3 thànhα-Fe2O3 thì khơng cĩ sản phẩm trung gian.Bên cạnh đĩ, sự chuyển pha cịn kèm theo sự thay đổi diện tích bề mặt hạt. Thiêu kết ở nhiệt độ dưới 500˚C sự biến đổi pha kèm theo biến đổi ít về diện tích bề mặt hạt. Thiêu kết ở nhiệt độ khoảng từ 500˚C đến 650˚C sự biến đổi pha kèm theo sự biến
đổi nhiều về diện tích bề mặt những khối u làm dính các h
Hình 1.6. Ảnh hưởng của nhi
mẫu được chuẩn bị từ magnetite tinh khi
1.3.3. Tính siêu thuận từ của ơxít sắt từ FeKhi giảm kích thước c Khi giảm kích thước c
đơmen, vì với kích thước đĩ nh thời gian để các vách đơmen cĩ th nhiệt khơng đủ mạnh để thắ thay đổi hướng của mơmen t ngẫu nhiên hướng mơmen t mơmen từ trong tồn tinh th
Hình 1.7. Sự định hướng c
1.4 Một số ứng dụng của hạt nano từ tính trong y 1.4.1 Dẫn truyền thuốc[11
Khi vào trong cơ thể, thu mạnh khỏe bị ảnh hưởng do tác d
Từ trường
ổi nhiều về diện tích bề mặt tăng kích thước hạt do những biên h àm dính các hạt nano từ lại với nhau.
a nhiệt độ lên diện tích bề mặt và sự biến đổi pha c magnetite tinh khiết và mỗi khi nung thì được ủ
ận từ của ơxít sắt từ Fe3O4
c của các hạt ơxít sắt từ Fe3O4 thì chúng sẽ là nh
c đĩ nhỏ hơn rất nhiều độ rộng của vách đơmen nên khơng đ các vách đơmen cĩ thể hình thành trong hạt. Khi đĩ năng lư
ắng lực liên kết giữa các phân tử kề nhau nhưng đ a mơmen từ trong tồn bộ tinh thể. Kết quả là cĩ m
ng mơmen từ trong tinh thể khi khơng cĩ từ trường ngồi. Do đĩ trong tồn tinh thể bằng khơng.
ng của các hạt siêu thuận từ khi cĩ từ trường và khi t ngắt.
ột số ứng dụng của hạt nano từ tính trong y – sinh học 11].
, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố khơng tập trung nên các t ng do tác dụng phụ của thuốc. Chính vì thế việc dùng các h
Khơng từ trường Từ trường
ên hạt xuất hiện
i pha của ơxít sắt. Mỗi trong 3 giờ.
là những hạt đơn a vách đơmen nên khơng đủ . Khi đĩ năng lượng dao động nhau nhưng đủ mạnh để là cĩ một sự sắp xếp ng ngồi. Do đĩ
ng và khi từ trường bị
p trung nên các tế bào c dùng các hạt từ
tính như là hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể (thơng thường dùng điều trị các khối u ung thư), những ứng dụng này được gọi là dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính.
Hạt nano từ tính cĩ tính tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị. Lúc này hạt nano cĩ tác dụng như một hạt mang. Thơng thường hệ thuốc/hạt tạo ra một chất lỏng từ và đi vào cơ thể thơng qua hệ tuần hồn. Khi các hạt đi vào mạch máu, người ta dùng một gradient từ trường ngồi rất mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đĩ trên cơ thể. Một khi hệ thuốc/hạt được tập trung tại vị trí cần thiết thì quá trình nhả thuốc cĩ thể diễn ra thơng qua cơ chế hoạt động của các enzym hoặc các tính chất sinh lý học do các tế bào ung thư gây ra như độ pH, quá trình khuyếch tán hoặc sự thay đổi của nhiệt độ.
Hình 1.8. Nguyên lý dẫn thuốc dùng hạt nano từ tính.
Các hạt nano từ tính thường dùng là ơxít sắt bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử cĩ tính tương hợp sinh học như PVA, detran hoặc silica. Chất bao phủ cĩ tác dụng chức năng hĩa bề mặt để cĩ thể liên kết với các phân tử khác như nhĩm chức carboxyl, biotin, avidin,…
Nghiên cứu dẫn truyền thuốc đã được thử nghiệm rất thành cơng trên động vật, đặc biệt nhất là dùng để điều trị u não. Việc dẫn truyền thuốc đến các u não rất khĩ khăn vì thuốc cần phải vượt qua hàng rào băng cách giữa não và máu, nhờ cĩ trợ giúp của hạt nano từ cĩ kích thước 10-20 nm việc dẫn truyền thuốc cĩ hiệu quả hơn rất nhiều.
1.4.2 Phân tách và chọn lọc tế bTrong y sinh học, ngư Trong y sinh học, ngư nào đĩ ra khỏi mơi trường c mục đích khác. Phân tách t phương pháp thường được s
Quá trình phân tách cần nghiên cứu; và tách các th trường.
Việc đánh dấu được th dùng là hạt ơxít sắt. Các hạt này đư
sinh học như là dextran, polyvinyl alcohol (PVA),... Quá trình phân tách
trường ngồi tạo một lực hút các h bào khơng được đánh dấu s
bào đơn giản nhất được trình bày nh
Hình 1.9. S
Hỗn hợp tế bào và ch mặt) được trộn với nhau để các li dụng một từ trường ngồi là m các hạt tế bào được đánh dấu lại. 1.4.3 Phương pháp nâng thân nhi
Phương pháp nâng thân nhi đa các tế bào bình thường nhiệt vượt quá 56C gây ra ho trong suốt quá trình trị liệu hĩa h thuận lợi cho khả năng chọn l
ọn lọc tế bào[12].
c, người ta thường xuyên phải tách một loại thự ng của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích ho c đích khác. Phân tách tế bào sử dụng các hạt nano từ tính là m
c sử dụng.
Quá trình phân tách được chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thự và tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi mơi trư
c thực hiện thơng qua các hạt nano từ tính. H
t này được bao phủ bởi một loại hĩa chất cĩ tính tương h ran, polyvinyl alcohol (PVA),...
Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trư c hút các hạt từ tính cĩ mang các tế bào được đánh d
u sẽ khơng được giữ lại và thốt ra ngồi. Sơ đ c trình bày như hình 1.9
Hình 1.9. Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản
ào và chất đánh dấu (hạt từ tính bao phủ bởi một lớp hoạt hĩa bề ợc trộn với nhau để các liênkết hĩa học giữa chất đánh dấu và tế b
ài là một thanh nam châm để tạo ra một gradient từ tr ợc đánh dấu lại.
Phương pháp nâng thân nhiệt cục bộ
Phương pháp nâng thân nhiệt cục bộ cho các bệnh nhân ung thư, ng là ứng dụng quan trọng hạt nano từ tính. Ch C gây ra hoại tử, và than hĩa các tế bào bình thường c
u hĩa học. Vì vậy, điều trị bằng nhiệt thơng thư n lọc của các vị trí trị liệu.
ực thể sinh học khi phân tích hoặc cho các tính là một trong những ực thể sinh học i mơi trường bằng từ tính. Hạt nano thường t cĩ tính tương hợp trường ngồi. Từ c đánh dấu. Các tế Sơ đồ phân tách tế
ất đánh dấu (hạt từ tính bao phủ bởi một lớp hoạt hĩa bề ế bào xảy ra. Sử ột thanh nam châm để tạo ra một gradient từ trường giữ
nh nhân ung thư, là làm giảm tối . Chữa bệnh bằng ng của nạn nhân t thơng thường khơng
Phương pháp nâng thân nhiệt cục bộ là quá trình điều trị sử dụng các hạt nano siêu thuận từ cĩ thể làm gia tăng thêm nhiệt ở vị trí cục bộ thơng qua sự dao động của mơmen từ bên trong các hạt nano. Tương tự như các lý thuyết ứng dụng khác của các hạt nano từ, khi các hạt đến các mơ bệnh với sự giúp đỡ của từ trường ngồi hoặc thơng qua gắn các nhĩm chức năng đặc biệt, các hạt nano cĩ tỉ lệ hấp thụ cao hơn nhiều so với các hạt từ khối. Do vậy, các tế bào ung thư sẽ bị giết, trong khi các mơ bình thường vẫn duy trì ở nhiệt độ thấp trong khoảng 42-480C.
Do các tính chất vượt trội của các hạt nano từ mang lại, phương pháp nâng thân nhiệt cục bộ tăng hiệu quả trong việc điều trị ung thư.
1.4.4 Chụp ảnh cộng hưởng từ[13, 26] từ[13, 26]
MRI là cơng cụ thơng dụng cho chẩn đốn các khối u ác tính. Kỹ thuật này dựa trên cộng hưởng từ hạt nhân, hạt nhân của các nguyên tử khác nhau hấp thụ năng lượng khác nhau và cộng hưởng tại tần số cố định khi cĩ từ trường ngồi thay đổi theo chu kì. H2 là một trong những nguyên tố thích hợp nhất cho ảnh
hưởng cộng hưởng từ hạt nhân và là một trong các yếu tố thơng dụng nhất trong cơ thể người. Khi so sánh với quét tia X và chụp cắt lớp máy tính (CT), MRI cung cấp hình ảnh rõ ràng hơn của xương và các mơ mềm của cơ thể người và là phương pháp an tồn hơn cho việc chẩn đốn, bởi vì cấu trúc xương hấp thụ tia X và thấm qua các khối của tia X trong suốt quá trình chụp CT.
1.4.5 Tách chiết tế bào[12]
Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tách một loại thực thể sinh học nào đĩ ra khỏi mơi trường tự nhiên của chúng, để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho các mục đích khác[14]. Phân tách tế bào sử dụng các hạt nano từ tính tương thích sinh học là một trong những phương pháp thường được sử dụng. Quá trình phân tách được chia làm ba giai đoạn: (a) Đánh dấu thực thể sinh học cần nghiên cứu, (b) Tách
các thực thể được đánh dấu ra khỏi mơi trường bằng từ trường. (c) Phân tích định lượng phẩm chất các thực thể sinh học nhận được.
Việc đánh dấu cĩ thể thực hiện thơng qua các hạt nano từ tính được cải biến bề mặt, thường là các hạt ơxít sắt. Các hạt này thường được phủ với các phần tử tương thích sinh học như dextran, polyvinyl alcohol (PVA) và phosopholipids. Các lớp phủ này khơng những tạo liên kết với một vị trí nào đĩ trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà cịn giúp cho các hạt nano phân tán tốt trong dung mơi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ. Giống như trong hệ miễn dịch, vị trí liên kết đặc biệt trên bề mặt tế bào sẽ được các kháng thể hoặc các phân tử khác như hoĩc – mơn, axít folic tìm thấy. Các kháng thể sẽ liên kết với các kháng nguyên. Đây là cách rất hiệu quả và chính xác để đánh dấu tế bào.
Quá trình tách chiết được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngồi. Từ trường ngồi tạo một lực hút các hạt từ tính cĩ mang các tế bào được đánh dấu. Các tế bào khơng được đánh dấu sẽ khơng được giữ lại và thốt ra ngồi.
1.4.6 Chẩn đốn bệnh[13].
Các hạt nano ơxít sắt siêu thuận từ đã phủ lớp tương thích sinh học thì được tiêm vào cơ thể bị ung thư. Các hạt này đi liền vào khối u thơng qua các lỗ ở tế bào nội mơ của mạch máu nuơi dưỡng khối u. Khi đã vào trong khối u các hạt này sẽ liên kết với nhau nhờ các enzym protease trong khối u. Khối hạt liên kết này sẽ phát ra các tín hiệu từ mạnh, qua đĩ thơng báo vị trí khối u qua cộng hưởng từ hạt nhân.
Bằng cách sử dụng các hạt nano hoặc các đầu dị nano cĩ gắn kháng thể để tìm kiếm các tế bào ung thư, các virus, vi khuẩn gây bệnh ở mức độ nano mét nên cực kỳ nhạy nhờ vào phương pháp liên kết đặc hiệu kháng nguyên – kháng thể, mỗi kháng thể chỉ cĩ thể nhận diện được một kháng nguyên duy nhất. Dung dịch chứa các hạt nano từ này sẽ hút các loại vi khuẩn, virus gây bệnh khi được trộn lẫn với huyết tương, huyết thanh của người, sau đĩ sẽ được tách chiết và phân tích để chẩn đốn bệnh. 1.5 Chế tạo hạt nano từ tính bao bọc trong một chất khác
Hạt nano từ tính thường được bao bọc trong một vỏ (cĩ thể là polymer hữu cơ) cĩ kích thước vài trăm nm (cịn gọi là các tiểu cầu chứa hạt nano) để tránh kết tụ khi khơng cĩ mặt của từ trường ngồi. Việc bao bọc như thế tạo ra một bề mặt cĩ tính tương hợp sinh học và dễ dàng chức năng hĩa.
Các tiểu cầu (microencapsulations) cĩ thể cĩ cấu trúc đa dạng và gồm cĩ các phần chính là lõi và vỏ. Hình dạng và các tính chất của lõi và vỏ, theo lý thuyết cho thấy cĩ thể được điều chỉnh bằng cách khống chế các thành phần và các thơng số chế tạo. Một số dạng tiểu cầu tiêu biểu.
Hình 1.11. Hình dạng điển hình của các tiểu cầu cĩ chứa hạt nano
Trong các dạng này, tỉ lệ lõi/vỏ và kiểu kết cầu là hai yếu tố cơ bản để tạo ra các cấu trúc khác nhau của tiểu cầu. Tuy nhiên trong thực tế, tiểu cầu rất hiếm khi đồng đều và hình dạng của chúng cĩ thể rất khác so với những dạng được mơ tả ở trên. Ngồi các cấu trúc lõi/vỏ thơng thường của tiểu cầu cịn cĩ cấu trúc mà trong đĩ các
hạt nano phân bố đều bên trong một nền chất mang. Việc tạo ra các tiểu cầu cĩ các tính chất như mong muốn và mang lại những lợi ích cĩ tính ứng dụng trong khoa học sự sống, cơng nghệ sinh học, y học, dược học, nơng nghiệp, cơng nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm, sản xuất giấy… Hạt nano từ tính cĩ cấu trúc lõi/vỏ cĩ tính tương hợp sinh