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
1.3.2. Các công nghệ bọc hạt trong dung môi nước
Đối với các hạt nano được tổng hợp bằng phương pháp hóa học trong dung môi nước thì việc bọc hạt hay chức năng hóa bề mặt hạt nano sau khi chế tạo là một yếu tố rất quan trọng để có thể vừa đảm bảo được tính chất từ cũng như tính tương hợp sinh học. Khi bề mặt được bọc và chức năng hóa, các hạt nano dễ dàng phân tán trong một dung môi phù hợp và trở thành những hạt keo đồng nhất gọi là chất lỏng từ. Thông thường các hạt nano thường được bọc bởi các nhóm vật liệu sau: nhóm vật liệu vô cơ, nhóm vật liệu hữu cơ và nhóm các phân tử sinh học. Nếu giả thuyết các hạt nano từ là lõi, vật liệu bọc là vỏ thì mô hình bọc hạt được chia thành ba loại: Lõi - vỏ, ma trận (Mosaic-bọc một đám hạt, vỏ - lõi), vỏ - lõi - vỏ (hình 1.10). Trong mô hình lõi vỏ các hạt nano từ được bọc đơn hạt bởi các vật liệu bọc, với mô hình ma trận vật liệu bọc có thể bọc một đám các hạt nano từ hoặc các hạt nano từ bao xung quanh vật liệu bọc. Khi một lớp vỏ các phân tử hữu cơ bọc lên một cấu trúc vỏ - lõi của các hạt nano từ chúng ta sẽ có mô hình bọc vỏ -lõi -vỏ.
Hình 1.10. Mô hình bọc hạt nano từ [46]
Các hạt keo từ ổn định trong chất lỏng nhờ sự cân bằng giữa các lực tác dụng lên hạt bao gồm lực hút và lực đẩy giữa các hạt. Việc sử dụng vật liệu bọc phụ thuộc vào mục đích ứng dụng của hạt nano từ, sao cho tương tác đẩy giữa các hạt là lớn nhất để tránh sự kết đám các hạt cũng như thu được chất keo ổn định.
1.3.2.1. Bọc hạt bằng lớp vỏ vô cơ
Ngoài các vật liệu hữu cơ, một số kim loại hay vật liệu vô cơ phi kim cũng được dùng để bọc hạt oxit sắt như: vàng, bạc, platin, palladium, cacbon hay silica. Tùy vào từng mục đích ứng dụng để lựa chọn vật liệu kim loại bọc phù hợp. Với các ứng dụng trong y sinh và ứng dụng làm chất xúc tác các hạt nano từ có thể bọc bằng vàng, bạc hay cacbon để tránh oxi hóa và giảm giá trị mô men từ của chúng theo thời gian. Thông thường, có hai phương pháp để bọc hạt nano từ bằng vật liệu đơn kim loại sạch. Phương pháp thứ nhất là khử trực tiếp các ion kim loại này lên bề mặt hạt nano từ. Theo phương pháp này, Mandal và cộng sự đã tiến hành khử trực tiếp Au+ và Ag+ lên bề mặt hạt nano Fe3O4 và thu được hạt có kích thước từ 18 đến 30 nm có tính chất từ ổn định trong thời gian dài. Phương pháp thứ hai là phương pháp phổ biến, với phương pháp này các hạt nao từ thường được bọc bằng một lớp vỏ hữu cơ và sau đó các ion đơn kim loại được khử trực tiếp lên bề mặt của hệ hạt bọc hữu cơ - nano từ. Với phương pháp này một số tác giả nghiên cứu bọc vật liệu vàng lên hạt nano từ, lớp vỏ bọc vàng không những làm tăng tính ổn định của hạt nano từ trong dung dịch mà nó còn giúp gắn các thực thể sinh học có nhóm -SH trên bề mặt hạt cho các ứng dụng y sinh. Theo nghiên cứu của nhóm tác giả Wei Wu, hạt nano từ hoàn toàn được bọc bởi kim loại vàng với kích thước sau bọc là 30 nm và giá trị mô men từ khá cao cỡ 63 emu/g. Trong ứng dụng ghi từ và làm mực in, các hạt nano từ thường được bọc bằng cacbon. Lớp cacbon không những bảo vệ hạt nano từ khỏi bị oxi hóa mà chúng còn tạo ra lực đẩy Van der waal ngăn các hạt kết đám. Mặc dù vật liệu bọc C có làm giảm giá trị mô men từ của hạt nano từ nhưng chúng có nhiều ưu điểm hơn một số vật liệu vô cơ khác như: tính bền cơ học cao, khả năng chịu nhiệt lớn có hoạt tính hóa học mạnh và tương hợp sinh học. Có nhiều cách để bọc C lên bề mặt hạt nano từ, theo phương pháp của Wang và cộng sự họ tiến hành bọc cacbon lên hạt nano từ Fe3O4 bằng cách đốt nóng dung dịch chứa hạt nano Fe3O4 bọc glucose và axit oleic. Mặc dù lớp vỏ bọc C có rất nhiều ưu điểm nhưng hạn chế của phương pháp là rất khó khăn về mặt thực nghiệm và khó tránh khỏi việc tạo ra các liên kết cacbon từ phản ứng ở nhiệt độ cao. Hơn nữa, các hạt thu được thường có sự phân bố rộng. Hình 1.11 miêu tả ba mẫu hạt nano từ được phủ graphite. Từ hình ảnh HR-TEM ta quan sát thấy lớp vỏ bọc bao quanh hạt nano sắt và coban chứng tỏ có hình thành lớp vỏ graphite.
Hình 1.11. Các ảnh TEM: A) Các hạt nano sắt được phủ cacbon chế tạo bằng phương pháp nổ cảm ứng nhiệt phân của ferrocene; B) Các hạt nano sắt trong một ma trận cacbon chế tạo bằng phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi; C) Các hạt nano coban được cacbon bảo vệ chế tạo bằng phương pháp nhiệt phân cồn polyfurfuryl [79].
Tuy nhiên, phụ thuộc vào mỗi phương pháp tổng hợp, các hạt thường bị kẹp trong ma trận cacbon, cho nên sản phẩm có diện tích bề mặt chế tạo thường thấp hơn, giới hạn tính năng đặc biệt từ tính của chúng, như sự phục hồi Brown, và làm cho phân tán không đồng nhất trong pha lỏng. Tuy vậy, việc phủ các hạt nano kim loại bằng graphite được các nhà khoa học nghiên cứu khá nhiều, do những đặc tính độc đáo của chúng như khả năng ổn định trong môi trường axit và bazơ.
Ngoài các vật liệu như vàng, bạc, cacbon thì silica cũng là vật liệu phổ biến được dùng để bọc hạt nano từ. Ưu điểm nổi trội của vật liệu này là: Tính bền cơ học cao, ổn định các hạt nano oxit sắt trong dung dịch tránh tương tác giữa các hạt ngăn chúng kết đám; hệ hạt Silic bọc nano oxit sắt có tính tương hợp sinh học và tính tan trong nước;
dễ dàng chế tạo và điều khiển được độ dày lớp vỏ bọc. Hơn nữa, bề mặt SiO2 cho phép chức năng hóa dễ dàng với tác nhân cặp cùng silan, điều đó làm cho nó có tính hấp dẫn lớn cho xúc tác, dẫn thuốc và mục đích chiết tách. Hầu hết các ứng dụng thông thường sử dụng cách tiếp cận là bọc silica lên các hạt nano Fe3O4 trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp sol - gel, phun nhiệt phân, vi nhũ tương, và kỹ thuật nhúng tẩm. Đặc biệt bằng con đường sol - gel, việc phủ lớp được lặp lại trên kim loại hoặc oxit kim loại bằng lớp vỏ silica có thể điều chỉnh được độ dày đã được báo cáo trong nhiều công trình. Điều khiển quá trình lớn lên của tinh thể silic được Koble và cộng sự phát minh năm 1956.
Mười hai năm sau, Stober và Fink có cách tiếp cận đơn giản hơn theo hướng tổng hợp đơn phân tán các hạt keo silic hình cầu.
Hình 1.12. Sơ đồ minh họa bước thứ nhất của phản ứng xúc tác ngưng tụ tetraethylorthosilicate (TEOS) [45].
Quy trình trên cơ sở thủy phân silic ankoxides trong dung môi cồn vừa phải với pH có giá trị lớn. Trên hình 1.12 trình bày bước đầu tiên của sự thủy phân xúc tác và ngưng tụ; sử dụng tiến trình này để chế tạo cấu trúc có tính chất lõi/vỏ, tính tương thích giữa bề mặt các hạt lõi và dung dịch silica ban đầu cần được biết chắc chắn.
Có nhiều bề mặt phủ trực tiếp được silica do tính chất hóa học hòa tan vô hạn của silica ban đầu. Ví dụ, chất keo bao gồm magnetite, khoáng đất sét và titania có thể liên kết chặt chẽ với các hạt silica hình cầu. Về chế tạo, đơn thuần ta phải tạo được sự phân bố đồng nhất của chất keo trong suốt quá trình phản ứng. Có nhiều loại các hạt keo được phủ theo phương thức hoạt tính bề mặt, chất ổn định, hoặc tác nhân cặp silane bằng các tiến trình tương tự nhau. Quá trình chế tạo được điều khiển dễ dàng bởi sự tập trung của silicon alkoxides, lượng dung môi hữu cơ, tính kiềm hoặc lượng nước trộn trong quá trình phản ứng. Trong hình 1.13 miêu tả bốn hợp tử lõi/vỏ với lõi là các hạt nano - Fe2O3, Fe3O4 và -Fe.
Hình 1.13. Các ảnh TEM của các hạt nano sắt oxit và sắt với lớp ngoài SiO2: A) Tổ hợp keo phân tán đơn bao gồm các hạt nano hematite trong khối cầu silic 100 nm; B) Các hạt nano hematite có dạng bát diện trong lớp vở SiO2 dày 50 nm; C) các hạt nano oxit sắt từ trong hình cầu silic; D) Các đám nano sắt kẹp trong chất keo SiO2 [140].
Tính chất của các tổ hợp có thể được điều chỉnh tốt hơn nữa bằng phương pháp tạo xốp. Bằng phương pháp này, các cấu trúc lỗ mịn sẽ được chế tạo với lớp vỏ bọc silic, nó dẫn đến sự gia tăng diện tích bề mặt dễ dàng. Nếu như, lớp lõi được làm thành hệ rỗng, chúng có thể được sử dụng là các tâm trong xúc tác dị thể nhiệt độ cao. Tuy nhiên,
cho đến hiện nay, một số đặc trưng của lớp phủ silica như kìm hãm ảnh hưởng nung, nhưng nó không đủ hấp dẫn để khai thác trong lĩnh vực xúc tác hay khoa học vật liệu.
Bên cạnh các thuận lợi này, sự bảo vệ của keo với lớp vỏ silica không hòa tan hết trong các dung dịch cho các mục đích sử dụng khác nhau. Ví dụ, các mẩu silica thể hiện tính chất thông thường là điện trở thấp khi giá trị pH cao. Hơn nữa, lớp vỏ không thể ngăn chặn vật liệu lõi khỏi bị oxi hóa hoặc quá trình khử. Do đó, lớp bọc silica trên các hạt nano nền sắt không thích hợp cho các ứng dụng trong môi trường axit mạnh hoặc trong môi trường khí oxi hóa.
1.3.2.2. Bọc hạt bằng lớp vỏ hữu cơ
Hiện nay, các polyme có phân tử lớn thu hút được nhiều quan tâm của các nhà khoa học bởi lớp vỏ bọc này tạo ra lực đẩy lớn, cân bằng với các lực hút tác động lên hạt nano như lực từ hay lực Van Der Waals. Ngoài ra các hạt nano khi chức năng hóa bằng polymer có các tính chất vật lý và hóa học khá lý thú. Vật liệu bọc polymer được chia thành hai loại: polyme tổng hợp và polymer tự nhiên (bảng 1.3). Để bọc hạt nano từ bằng lớp vỏ bọc polyme người ta thường dựa trên hai hướng chính. Một là theo từng mục đích ứng dụng của hạt nano từ, hai là theo mục đích chế tạo hạt nano từ với hình dạng và thành phần đã xác định. Gupta và cộng sự đã sử dụng phương pháp vi nhũ tương để tổng hợp hệ hạt nano từ bọc PEG có kích thước khoảng 40-50 nm và lớp vỏ polyme tan trong nước [40]. Phép phân tích 3-(4,5-dimethehylthiazol-2-yl)-2,5- diphenyltetrazolium bromine cho thấy rằng hệ hạt bọc không gây độc với cơ thể con người và có thể ứng dụng trong một số thí nghiệm invivo và invitro. Phương pháp polyme hóa và phương pháp tổng hợp in-situ được sử dụng trong quá trình bọc hạt sẽ cho hạt đồng đều và nồng độ hạt từ cao. Nhóm nghiên cứu Zhang sử dụng các phân tử polyme dạng gel trong quá trình tổng hợp hạt nano Fe3O4 [161]. Đầu tiên các muối kim loại được đính với hạt gel axit N-isopropyl acrylamide - acrylic gắn với N, N’- methylene bisacrylamine (BIS), sau đó các hạt nano Fe3O4 được tổng hợp in-situ trong hạt gel bằng phương pháp đồng kết tủa. Cách tổng hợp này tạo ra hạt nano có kích thước 8.1nm và nồng độ cao 0,724g/1g polyme đồng thời cho tính chất từ tốt. Ngoài các nghiên cứu trên, cách bọc hạt nano từ bằng các phân tử polyme có độ ổn định cao và tương hợp sinh học tốt hiện nay vẫn còn là thử thách lớn đối với các nhà khoa học.
Bảng 1.3. Bảng tổng kết các loại polyme bọc hạt nano từ và các ưu điểm của chúng [141].
Polyme Tên Ưu điểm
Tự nhiên Dextran
Tạo ra trên bề mặt hạt nano các tương tác phân cực, thời gian sống trong mạch máu lâu, ổn định và tương hợp sinh học.
Starch Tương hợp sinh học, ứng dụng trong MRI và dẫn thuốc.
Gelatin Sử dụng như chất tạo gel, có tính tan trong nước, tương hợp sinh học.
Chitosan Không độc, tan trong nước, sử dụng rộng rãi trong phân phối gene.
Tổng hợp
Poly(ethyleneglycol ) (PEG)
Có tính tan trong nước, tương hợp sinh học, tồn tại trong mạch máu.
Polyvinyllcohol
(PVA) Ngăn kết đám, phân tán tốt.
Poly lactide axit Tăng đặc tính sinh học, không độc, dễ dàng tương tác thực thể sinh học.
Sodium Alginate
(Bán tổng hợp) Tăng tính ổn định và tương hợp sinh học.
Polymethylmethacr
ylate (PMMA) Ứng dụng trong dẫn thuốc và tách chiết.
Polyacrylic acid
(PAA) Tăng tính ổn định và tương hợp sinh học.
1.3.2.3. Bọc hạt bằng các phân tử sinh học
Một số phân tử sinh học như protein, polypeptit, kháng nguyên và biotin có thể bao quanh các hạt nano từ trực tiếp hoặc gián tiếp bởi các nhóm chức hóa học. Với các ứng dụng trong y sinh thì việc sử dụng các phân tử sinh học để chức năng hóa bề mặt hạt nano từ là một lợi thế rất lớn. Các phân tử này làm tăng tính tương hợp sinh học của các hạt nano từ và ngụy trang hạt nano giống như những thực thể sinh học. Bằng phương pháp vi nhũ tương Zhang và cộng sự đã dùng serum albumin của người (HAS) bọc hạt nano Fe3O4 [159].Họ sử dụng hệ hạt bọc này như một chất mang đồng vị phóng xạ của nguyên tố 188Re và thấy rằng hệ hạt có thể gắn với nguyên tố 188Re ứng dụng trong xạ trị.
Các bước bọc hạt nano từ bằng các phân tử sinh học thường tiến hành hai bước:
Đầu tiên là tổng hợp hệ hạt nano từ có lớp vỏ bọc bằng các chất hữu cơ phân tử nhỏ hoặc polyme, sau đó gắn các phân tử sinh học lên hệ hạt bọc thông qua các liên kết hóa học hoặc hấp phụ vật lý. Một nghiên cứu điển hình cho cách tổng hợp này là nghiên cứu của Lee và cộng sự [63]. Nghiên cứu của họ tập trung vào gắn γ-Fe3O4 bằng các chuỗi oligonucleotit đơn. Đầu tiên họ tạo hệ hạt nano bọc bởi phân tử chứa nhóm cacboxylic tan trong nước, sau đó họ sử dụng chất: 1-Ethyl-3- (3- dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC) như thuốc thử, họ thành công khi gắn protein, streptavidin lên bề mặt hạt nano. Hệ hạt bọc bởi Streptavidin có thể dễ dàng đính với phân tử biotin nối với chuỗi oligonucleotide đơn. Các hạt nano từ khi gắn với phân tử sinh học có khả năng
ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sinh học đặc biệt trong tách chiết hay trong chụp ảnh cộng hưởng từ.