CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO TỪ Fe-Co
1.3. Vật liệu nano từ trong đốt nóng cảm ứng từ
Đốt nóng cảm ứng từ (Magnetic Inductive Heating - MIH) là hiệu ứng vật lý liên quan đến hiện tượng cảm ứng điện từ: các vật liệu trở thành các nguồn sinh nhiệt khi chúng được đặt trong một điện từ trường xoay chiều. Khác với đốt nóng ngoài qua các cơ chế truyền nhiệt thông dụng, hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ có đặc điểm là nhiệt được tạo ra từ chính bản thân của vật liệu; vật liệu không phải tiếp xúc nhiệt với nguồn. Đây là ưu điểm giúp hiệu ứng MIH được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp và ứng dụng y sinh [71, 72].
1.3.1. Các hạt nano từ cho ứng dụng nhiệt từ trị.
Trong lĩnh vực y sinh, đốt nóng cảm ứng từ (MIH) được ứng dụng trong nhiệt từ trị ung thư được xem là hướng nghiên cứu sôi động. Phương pháp nhiệt từ trị ung thư là phương pháp sử dụng dung dịch chứa các hạt nano từ (được gọi là chất lỏng từ) tiêm trực tiếp vào mô khối u hoặc tiêm theo đường tĩnh mạch, sau dó chiếu một từ trường xoay chiều. Dưới tác dụng của từ trường có tần số f và cường độ H thích hợp, các hạt nano từ hấp thụ năng lượng điện từ và chuyển thành năng lượng nhiệt [73, 74]. Bằng cách này, nhiệt độ của khối u có thể tăng lên đến 41-46oC, nhiệt độ mà các tế bào ung thư bị tiêu diệt, trong khi các tế bào lành không bị ảnh hưởng. Đây là phương pháp có nhiều triển vọng và hứa hẹn sẽ giảm thiểu các tác dụng phụ không mong muốn so với một số phương pháp sử dụng hiện nay như hóa trị, xạ trị [75].
Nhiệt trị bằng hạt từ trong từ trường xoay chiều là một liệu pháp trị bệnh đã được bắt đầu nghiên cứu từ những năm 1950. Chúng chia thành 2 phương pháp chính:
(i) phương pháp nhiệt trị (Hyperthermia) làm nóng các bộ phận hoặc vùng mô nhất định đến nhiệt độ trong khoảng từ 41 đến 46oC nhằm mục đích điều trị ung thư được
gọi là; và (ii) phương pháp đốt nhiệt làm nóng ở vùng nhiệt độ cao hơn đến 56oC, chủ yếu ứng dụng hiệu quả trong điều trị hoại tử, đông máu hoặc đốt phân hủy (tùy thuộc vào nhiệt độ). Hai phương pháp này có cơ chế hoàn toàn khác nhau cũng như trong kỹ thuật ứng dụng. Các phương pháp nhiệt trị cổ điển gây ra tổn thương cho cả tế bào và mô lành, làm cho mô, tế bào nhạy cảm hơn với tác động của hóa trị và xạ trị đem lại thêm hiệu quả trong điều trị. Các nghiên cứu thử nghiệm nhiệt trị hiện nay tập trung chủ yếu vào việc tối ưu hóa và đồng nhất nhiệt độ trong khoảng từ 42 đến 43oC trong vùng tế bào điều trị. Đây là một vấn đề đòi hỏi những kỹ thuật cao và chính xác trong phương pháp điều trị, vật liệu và hệ thống nhiệt trị [76].
1.3.2. Cơ chế vật lý của hiệu ứng đốt nóng hạt nano từ.
Cơ chế của hiệu ứng nhiệt trị dựa trên quá trình hấp thụ năng lượng được cung cấp bởi từ trường xoay chiều của hạt nano từ. Khác với đốt nóng ngoài qua các cơ chế truyền nhiệt thông dụng, hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ có đặc điểm là nhiệt được tạo ra từ chính bản thân của các hạt nano từ, vật liệu không phải tiếp xúc nhiệt với nguồn và nguồn nhiệt có kích thước nano mét. Khi chất lỏng từ chứa hạt nano từ đặt trong từ trường xoay chiều có 4 cơ chế tổn hao có thể đóng góp vào quá trình gia nhiệt như: cơ chế từ trễ - liên quan đến chuyển động đảo chiều từ độ theo từ trường ngoài, hồi phục Neel - chuyển động quay mômen từ đơn hạt siêu thuận từ trong từ trường xoay chiều, hồi phục Brown - chuyển động quay toàn bộ hạt trong môi trường chất lỏng, và dòng Fuco - dòng điện tử trên bề mặt hạt [77]. Đối với các hạt nano siêu thuận từ, tổn hao do dòng điện bề mặt được sinh ra là rất nhỏ và tổn hao do từ trễ cũng không gây được hiệu ứng nhiệt đáng kể. Vì vậy, đóng góp chính vào hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ của các hạt nano siêu thuận từ như Fe và Fe-Co là do tổn hao hồi phục Néel và Brown.
Trong thực nghiệm đốt nóng cảm ứng từ, đại lượng đặc trưng cho khả năng sinh nhiệt của hệ hạt nano từ trên một đơn vị khối lượng được gọi là công suất tổn hao riêng (SAR- Specific Absorption Rate) với đơn vị là W/g. Đại lượng này liên quan đến tốc độ gia nhiệt ban đầu T/t và được tính toán từ thực nghiệm thông qua biểu thức [78]:
s i
m T SAR C
m t
(1)
ở đây, C là nhiệt dung riêng của chất lỏng nano từ, ms là khối lượng của chất lỏng nano từ; mi là khối lượng của hạt nano từ trong chất lỏng nano từ, ΔT là độ gia tăng
của nhiệt độ và Δt là thời gian đốt. Giá trị đặc trưng khả năng gia nhiệt của vật liệu là tốc độ tăng nhiệt ban đầu , còn được ký hiệu là . Giá trị này được tính từ các đường thực nghiệm gia tăng nhiệt độ theo thời gian đốt nóng cảm ứng từ của mẫu.
Đối với ứng dụng nhiệt từ trị, chất lỏng hạt nano từ phải đảm bảo một số yêu cầu như: lượng hạt nano từ đưa vào cơ thể sống phải tối thiểu song vẫn đảm bảo lượng nhiệt sinh ra đủ lớn; chất lỏng từ ổn định trong thời gian dài, không kết đám, và tương thích sinh học trong môi trường y sinh [79]. Để giải quyết các vấn đề này, các nghiên cứu tập trung vào hướng nâng cao công suất tổn hao của chất lỏng hạt nano từ. Công suất tổn hao phụ thuộc vào nhiều tham số vật lý của hệ hạt nano từ như: từ độ bão hòa (MS), kích thước hạt (D) – phân bố kích thước hạt, dị hướng từ (K),... [80-84].
Như vậy, để có được chất lỏng hạt nano từ tốt ứng dụng trong nhiệt từ trị, việc nghiên cứu tìm kiếm các hệ vật liệu hạt nano từ thích hợp là rất cần thiết.
Như đã trình bày ở trên, trong quá trình đốt nhiệt từ, khoảng nhiệt độ 41oC - 46oC (314 K - 319 K) là khoảng nhiệt độ làm việc quan trọng, trong khoảng nhiệt độ này, chỉ có các khối u bị tiêu diệt còn tế bào thường hầu như không bị ảnh hưởng [85]. Trong thực tế, rất khó để xác định được nhiệt độ một cách chính xác của các tế bào ung thư trong quá trình nhiệt từ trị. Vì vậy, một thông số quan trọng của vật liệu ứng dụng là nhiệt độ bão hòa TS, nhiệt độ tối đa mà vật liệu có thể đạt được dưới tác động của một từ trường ngoài. Khi nhiệt độ của hạt nano đạt đến nhiệt độ TS chúng sẽ mất khả năng từ hóa. Do đó, nhiệt độ sẽ dừng lại mà không phải ngắt hoặc giảm từ trường ngoài. Quá trình đó được gọi là đốt nóng cảm ứng từ tự khống chế nhiệt độ.
Đối với các hệ hạt từ, có thể điều chỉnh TS bằng cách thay đổi nồng độ hạt từ hoặc các tham số từ trường ngoài để đạt được nhiệt độ TS nằm trong khoảng 41– 46 oC đủ để tiêu diệt tế bào ung thư.
Chương 2