CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU FERIT SPINEL VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH BẰNG KỸ THUẬT CHỤP MRI
1.3. Các phương pháp chế tạo chất lỏng từ
1.3.3. Các quy trình chuyển pha từ dung môi hữu cơ sang dung môi nước
Trong các ứng dụng y sinh, ngoài đòi hỏi về chất lượng hạt nhỏ, đồng đều và từ tính mạnh, thì một yêu cầu không thể thiếu được với các hạt nano từ là khả năng phân tán tốt, bền trong môi trường nước và dưới điều kiện sinh học (tương thích sinh học) [161]. Để thu được các hạt nano từ có chất lượng cao, việc chế tạo mẫu thường được tiến hành trong dung môi hữu cơ ở nhiệt độ sôi cao [110, 146] như: benzyl ther, phenyl ether, octadecen… Do đó, trước khi có thể sử dụng trong y sinh, các hạt nano từ này cần phải được chuyển từ dung môi hữu cơ sang dung môi nước thông qua các quy trình chuyển pha (phase transfer process). Hiện nay trên thế giới có 3 xu thế để chuyển các hạt nano từ từ dung môi hữu cơ sang dung môi nước đó là: Thay thế các phân tử hữu cơ kị nước (hydrophobic) trên bề mặt hạt nano từ bằng các phân tử ưa nước (ligand exchange methods), bọc các hạt nano từ bằng 1 lớp vỏ ưa nước sử dụng các amphiphilic polyme (encapsulation methods) và quy trình chuyển pha liên quan đến phản ứng silica hóa (silanisation methods). Hình 1.14 miêu tả 3 phương pháp phổ biến dùng để chuyển hạt các nano từ từ dung môi hữu cơ sang môi trường nước.
Hình 1.14. Các phương pháp chuyển pha hạt nano từ sang môi trường nước [158]
1.3.3.1. Phản ứng chuyển pha ligand exchange
Ligand exchange là một trong những quá trình được sử dụng phổ biến nhất để chuyển các hạt nano tổng hợp trong dung môi hữu cơ sang dung môi nước. Với quá trình này, các phân tử ligand kỵ nước (hydrophobic ligands) trên bề mặt hạt được thay thế bởi các ligands ưa nước (hydrophilic ligand) và giúp cho các hạt phân tán tốt trong nước cũng như mang đến các tính chất và nhóm chức mới trên bề mặt hạt.
Về mặt nguyên tắc, các phân tử hydrophilic ligand cần phải mang những nhóm chức giúp nó bám vào bề mặt hạt nano chắc hơn so với các ligand kỵ nước. Hàng loạt các hydrophilic ligands với các nhóm chức khác nhau như: COOH, NH2 hoặc OH thường xuyên được sử dụng trong quá trình chuyển pha ligand exchange này. Ví dụ, Ying và các cộng sự đã phát triển một quy trình chuyển pha để phân tán các hạt nano Fe2O3 sang nước sử dụng poly (acrylic acid) PAA polyme [158]. Các hạt nano Fe2O3
ban đầu được tổng hợp trong dung môi hữu cơ và bọc oleic acid được làm phân tán trong nước thông qua việc thay thế các OA trên bề mặt của chúng bởi các phân tử PAA. PAA có mang đồng thời nhiều nhóm chức COOH do đó tạo ra liên kết rất mạnh với bề mặt hạt. Kết quả là các hạt thu được phân tán tốt và bền trong nước. Hình 1.15 minh họa quy trình ligand exchange thay thế các phân tử OA bởi PAA trên bề mặt hạt nano Fe2O3.
Hình 1.15. Minh họa quy trình chuyển pha ligand exchange sử dụng poly [acrylic acid] (PAA) với các nhóm chức COOH [95]
Các hydrophilic ligand có mang phân tử dophamine (DPA), chẳng hạn như PEG- DPA hoặc sulfonate-DPA, cũng được sử dụng phổ biến trong các phản ứng ligand exchange do liên kết mạnh giữa 2 nhóm chức OH trên phân tử DPA và bề mặt hạt [143].
Sun và các đồng nghiệp đã phát triển hạt nano Fe3O4 bọc bởi PEG với khả năng giảm thiểu đáng kể các hạt bị hấp thụ bởi tế bào macrophage của hệ thống miễn dịch [144].
Các hạt nano oxide sắt ban đầu được tổng hợp trong dung môi hữu cơ thông qua phản ứng phân hủy muối Fe (III) acetylacetonate ở nhiệt độ cao dưới sự có mặt của chất hoạt động bề mặt OA. Quá trình phân tán các hạt thu được trong nước được thực hiện nhờ phản ứng ligand exchange thay thế phân tử OA bằng phân tử PEG-DPA [156]. Nghiên cứu của nhóm tác giả này cho thấy rằng các hạt nano Fe3O4 bọc bởi PEG-DPA hầu như không bị hấp thụ bởi tế bào Macrophage Cells khi tăng trọng lượng phân tử của PEG.
Điều này được các tác giả giải thích là do sự hình thành một lớp chặt khít (dense coating) các phân tử PEG trên bề mặt hạt ở khối lượng phân tử PEG lớn (Mw = 3.000-20.000 g/ml).
.
Hình 1.16. Ảnh TEM (a) và phổ DLS (b) của hạt nano Fe3O4 bọc bởi phân tử dophamine sulfonate (DS), và quy trình tổng hợp và cấu trúc phân tử của DS (c). Hình nhỏ bên trong (hình a) là ảnh chụp các hạt Fe3O4 bọc bởi các phân tử DS phân tán trong nước [137]
Sử dụng DPA như những nhóm chức, Hyeon và các đồng nghiệp đã tổng hợp thành công các phân tử dopamine sulfonate (DS) và sử dụng chúng như tác nhân chuyển pha giúp phân tán các hạt Fe3O4 trong nước hình 1.16 [69, 137].
1.3.3.2. Quy trình bọc các hạt nano từ bằng các polyme lưỡng tính (amphiphilic polyme) Phản ứng chuyển pha (ligand exchange) cho dù được sử dụng rất phổ biến cho các quá trình chuyển pha hạt nano từ dung môi hữu cơ sang nước tuy nhiên nó có nhược điểm là phụ thuộc vào liên kết hóa học giữa bề mặt của hạt nano và nhóm chức của ligand sử dụng. Như chúng ta đã biết, các loại hạt nano khác nhau có liên kết mạnh yếu khác nhau với các nhóm chức của các ligand. Ví dụ các hạt nano kim loại như: Au, Pt hoặc Ag liên kết mạnh với các nhóm chức thiol (SH) hoặc amine (NH2). Các hạt nano từ như Fe3O4 hoặc CoFe2O4,…tạo ra liên kết mạnh với nhóm chức cacboxylic hoặc phosphat. Do đó với mỗi một hệ vật liệu cụ thể đòi hỏi một nhóm chức tương ứng và điều này dẫn tới một quy trình ligand exchange chỉ có thể áp dụng cho một loại vật liệu cụ thể. Thời gian gần đây một số nghiên cứu quan tâm phát triển quy trình chuyển pha mang tính tổng quát (có thể áp dụng cho nhiều loại vật liệu) sử dụng polyme lưỡng tính (amphiphilic polymer) [156, 88]. Các polyme thường được sử dụng gồm có Fluronic 127, 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[amino(polyethylene glycol)-2000] viết tắt là (DSPE-PEG) hoặc poly(maleic anhydride-alt-1-octadecene) viết tắt là (PMAO-PEG) [85]. Ưu điểm của phương pháp này là có thể áp dụng cho hầu hết các loại hạt nano tổng hợp trong dung môi hữu cơ.
Hình 1.17. Minh họa quy trình chuyển pha sử dụng các amphiphilic polymer: DSPE- PEG (phần trên), PMAO (Phần giữa) và Fluronic (phần hình dưới) [85]
Hình 1.17 minh họa các quy trình chuyển pha sử dụng DSPE-PEG, PMAO và Furonic 127. Theo quy trình này, phần kỵ nước (hydrophobic) của các polyme sẽ bám vào bề mặt của hạt nano thông qua tương tác hydrophobic-hydrophobic với các phân tử (thường là axit oleic hoặc oleylamine) trên bề mặt hạt trong khi đó phần ưa nước (hydrophilic) có thể là các nhóm chức hoặc các chuỗi polyme ưa nước sẽ hướng ra ngoài và giúp cho các hạt sau khi bọc phân tán tốt trong nước.
Hình 1.18. Mô hình quá trình bọc hệ hạt nano bằng PAA (a) và bọc bằng PMAO (b) [70]
Sun và cộng sự đã tổng hợp các hạt nano Fe3O4 có kích thước từ 3 đến 20 nm bằng phản ứng của dung dịch Fe(acac)3 và 1,2-hexandecanediol trong axit oleic và oleylamine ở nhiệt độ cao (hình 1.18). Theo cách này các hạt nano với bề mặt kị nước được biến đổi thành hạt có bề mặt ưa nước bằng cách thêm chất hoạt động bề mặt lưỡng cực như tetramethylammonium11-aminoundecanoate. Với phương pháp chế tạo tương tự, Fan và cộng sự đã chế tạo hạt nano γ-Fe2O3 phân tán trong nước có phân bố hạt hẹp (13±2 nm) thông qua phản ứng trao đổi phối tử. Các hạt nano siêu thuận từ phân tán ổn định không kết đám trong môi trường pH từ 3-9, đồng thời các hạt này có thể gắn thêm phân tử chức năng biotin với hiệu suất 96 %. Mặc dù phương pháp này có nhiều lợi thế trong chế tạo chất lỏng từ nhưng các phản ứng trao đổi phối tử diễn ra phức tạp và khó khống chế tốc độ trao đổi do đó khó khăn của phương pháp này là điều khiển quá trình trao đổi phối tử.
Hình 1.19. Mô hình bọc hạt nano Fe3O4 của nhóm tác giả Sun [147].
1.3.3.3. Quy trình bọc các hạt nano từ bằng các phân tử silane
Một quy trình chuyển pha khác liên quan đến việc sử dụng các phân tử silane để bọc các hạt nano nói riêng và hạt nano từ nói chung cho mục tiêu phân tán trong nước hiện nay cũng đang được quan tâm nghiên cứu. Sử dụng các phân tử silane như Tetraethyl orthosilicate (thường là TEOS) [45] làm tác nhân chuyển pha có một số ưu điểm như: Tính tương thích sinh học cao của lớp vỏ silica tạo thành, liên kết vững chắc giữa nhóm chức silanol của phân tử silica với bề mặt hạt cùng với liên kết ngang giữa chúng cho phép tạo ra một lớp vỏ vững chắc bao bọc xung quanh hạt. Ngoài ra khả năng chức năng hóa dễ dàng bề mặt hạt nano sau khi bọc silica mang lại tiềm năng ứng dụng lớn của hệ hạt sau khi bọc trong lĩnh vực y sinh.