Thông thường IHP dùng trong y - sinh học là những micelle trong đó có chứa hạt nano chức năng. Hạt nano chức năng này tồn tại ổn định trong hạt theo các tương tác vật lý hoặc liên kết hóa học, hình thành liên kết theo kiểu colloidal tinh thể (crystalline colloidal array - CCA). Một ví dụ điển hình là kết quả nghiên cứu của Asher khi chế tạo micelle IHP từ polystylen bao hạt nano. Đây là vật liệu cảm ứng từ trường, khi từ trường bên ngoài thay đổi, màu của hỗn hợp colloidal thay đổi. Nhiều loại IHP từ polymer ưa nước, điển hình như poly (N - isopropylacryamide) (PNIPAM), khi bao CCA, màu của colloidal thay đổi rất nhanh khi ta thay đổi cực từ trường. Gần đây một loại hạt nano gel đơn phân tán (monodispersed hydrogel nanoparticle) được sử dụng, sau đó cho thêm chất tạo cầu nối, ta nhận được một loại colloid gel tinh thể (Colloide crystal gel - CCG). Loại CCG này có màu sắc thay đổi theo độ lớn của hạt và nồng độ của dung dịch.
Bước sóng (nm) S ự p h ản x ạ
Hình 1.19. Màu sắc của CCG thay đổi theo độ lớn của hạt và nồng độ dung dịch
2.1.3.4. Chức năng hóa bề mặt của hạt nano IHP
Chức năng hóa bề mặt là quá trình quan trọng đáp ứng yêu cầu sử dụng IHP làm vật liệu ở các đối tượng khác nhau trong y - sinh học. IHP thường sử dụng làm chất mang thuốc hoặc làm các biosensor. Muốn vậy ta cần biến tính bề mặt của các IHP nhằm mục đích có những gốc hoạt tính có thể kết hợp với các tế bào sinh học cũng như protein. Trên bề mặt kỵ nước của các hạt nano, ta biến tính thành bề mặt ưa nước bằng cách tạo màng mỏng polymer ưa nước bao hạt nano. Hình 1.20 là phương pháp tạo màng polymer hydrogel Poly (N - isopropylacryamide) acrylic acid bao hạt vàng
Hình 1.20. Phương pháp tạo màng polymer hydrogel Poly(N- isopropylacryamide)acrylic acid bao hạt nano vàng
2.1.4. Poly(Glycidyl methacrylate) (PGMA) [4]
-Các danh pháp thường dùng: Polyglycidyl methacrylate; 2 - Propenoic acid, 2 - methyl- , oxiranylmethyl ester.
-Công thức phân tử: (C7H10O3)n
Là một polymer thông minh nhạy cảm với nhiệt độ, poly (glycidyl methacrylate) bắt đầu đóng rắn hoặc trương nở khi có sự thay đổi nhiệt độ của môi trường xung quanh cũng như những IHP nhạy nhiệt độ khác. Cụ thể nhiệt độ tới hạn để PGMA bắt đầu trương nở là 37 - 42 0C (Hình 1.21).
Hạt nano Poly(NIPAM)
Hình 1.21. Sự trương nở của Poly(Glycidyl mthacrylate) tại nhiệt độ tới hạn
Ngoài tính chất nhạy cảm với nhiệt độ, được tổng hợp từ monomer Glycidyl methacrylate (GMA) (C7H10O3) (Hình 1.22) nên bản thân PGMA là một polymer nhiệt dẻo thuộc họ Poly (acrylic acid), tính bền với môi trường. Chúng được biết với tên gọi khác là nhựa kính (Glass plastic) do có độ trong suốt tuyệt vời như thủy tinh, cho ánh sáng truyền qua đến 92% mang đến độ rõ nét quang học nên các poly (acrylic acid) được ứng dụng trong cửa sổ máy bay, đèn xe hơi, ống kính... Khi phân tán vào dung môi, PGMA tan nhiều trong nước thậm chí khi khối lượng phân tử của chúng tới 1 triệu đvC hoặc lớn hơn. Tuy nhiên nếu polymer khô cứng, đặc biệt là ở nhiệt độ cao (lớn hơn nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh Tg) độ tan của chúng giảm mạnh.
Hình 1.22. Quá trình trùng hợp PGMA từ monomer GMA
Ở điều kiện bảo quản thông thường, chúng được làm khô trong điều kiện đủ êm dịu để tránh tạo lưới (Như làm khô bằng đông đặc). Thông thường, chúng ở dạng rắn, khối lượng phân tử trung bình vào khoảng ~20.000 (đvC) xấp xỉ 142,153 g/mol, nhiệt độ nóng chảy khoảng từ 274 - 2800C, khối lượng riêng là 0,805 g/mL tại nhiệt độ phòng (250C). Khi tiếp xúc với không khí ẩm, chúng hấp thụ ẩm nhanh chóng (~ 8% trong 10 phút). Trên phương diện hình thái học, chúng có dạng hình cầu, kích thước khá đồng
Trùng hợp
Lạnh
đều, ít bị kết tụ nên được dùng làm tác nhân phân tán. Ngoài ra, bề mặt dễ biến tính để tạo thêm các nhóm chức amino NH2- , diện tích bề mặt lớn, đuôi kỵ nước quay vào bên trong lõi tạo thành một khoảng trống giữa hạt vi cầu. Tất cả các tính chất thú vị của PGMA làm cho nó được ứng dụng khá rộng rãi trong mọi mặt của đời sống như dùng làm chất làm đặc trong quá trình làm đặc các hệ latex polymer, là nguyên liệu để chế tạo chất lỏng làm mát chống cháy được sử dụng trong ngành chế tạo máy bay và công nghiệp đúc, thu hồi dầu và được dùng làm tác nhân phân tán…Trong dược học, PMMA có tính chất tương tự PGMA được sử dụng làm vỏ thuốc cho các viên nang con nhộng (hệ chuyển thuốc, dẫn thuốc) khác ở chỗ PMMA là PHG nhạy pH. PGMA được tập trung nghiên cứu mạnh mẽ trên thế giới từ những năm 1990 nhưng cũng chỉ nhằm mục đích hướng đến các nhu cầu sinh hoạt thông thường của cuộc sống, đến 2008-2009 lại tiếp tục được tập trung nghiên cứu nhằm chế tạo ra các loại màng có các lỗ xốp lớn. Gần đây, các poly (acrylic acid) này bắt đầu được sử dụng trong y - sinh học để điều trị đục thủy tinh thể, ống kính nội nhãn trong mắt, cũng như sử dụng trong công nghệ MEM (Micro ElectroMechanical) để đóng gói (packaging) các chip sử dụng trong cơ thể người hoặc các trong các hệ tương tác với các phần tử sinh học. Trong khuôn khổ luận văn này, với các tính chất độc đáo của mình, PGMA hy vọng sẽ mang lại nhiều hứa hẹn khi ứng dụng trong lĩnh vực nghiên cứu về y - sinh học, mà cụ thể là nhằm hướng tới các ứng dụng “in vivo” và “in vitro” để chuẩn đoán và điều trị bệnh ung thư. “In vivo” - ứng dụng trong cơ thể người vẫn còn là một bài toán xa vời và thời gian để giải bài toán ấy dường như là một hàm khả vi nhưng hội tụ rất chậm. Bên cạnh đó, ứng dụng “in vitro” đã và đang được ghi nhận bằng những thành tựu đáng kể, đó chính là tiền đề tạo nên một “tham số” mới dưới mẫu số khiến hàm số khả vi ấy hội tụ nhanh hơn trong một tương lai không xa…
2.2. Vật liệu thành phần: Hạt nano siêu thuận từ Fe3O4 [22]
Oxit sắt từ Fe3O4 là một oxit hỗn hợp FeO.Fe2O3 thuộc nhóm ceramic từ, được gọi là ferit. Công thức chung: MO.Fe2O3, với M có thể là Fe, Ni, Co, Mn hoặc Cu. Các ferit thường có cấu trúc spinel thuận hoặc spinel nghịch, trong một ô đơn vị đều có 8 vị trí tứ diện và 16 vị trí bát diện. Hình 1.23 biểu diễn một cấu trúc tinh thể ferrite thường gặp.
Hình 1.23. Cấu trúc tinh thể ferit thường gặp
Trong mỗi ô đơn vị của cấu trúc spinel thuận, những ion hóa trị 3 chiếm các vị trí bát diện, còn những ion hóa trị 2 chiếm vị trí tứ diện. Trong mỗi ô đơn vị của cấu trúc spinel nghịch, những ion hóa trị 2 và 8 ion hóa trị 3 sẽ chiếm vị trí bát diện, những ion hóa trị 3 còn lại sẽ ở vị trí tứ diện. Có thể hình dung một ô đơn vị được chia thành 8 ô nhỏ (formula unit ) như hình 1.24 biểu thị. Dựa vào cấu trúc của 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 Fe2+, do đó chúng triệt tiêu lẫn nhau. Mỗi phân tử Fe3O4 vẫn có mômen từ của các spin trong ion Fe2+ ở vị trí bát diện gây ra và có độ lớn là 4B (Bohr magneton ). Vì vậy, tinh thể Fe3O4 tồn tại tính dị hướng từ, tính chất khác nhau theo các phương khác nhau. Tứ diện Fe3(3 )d5 Fe2(3 )d6 Bát diện Fe3(3 )d5
Hình 1.24 . Sự sắp xếp các spin trong một phân tử sắt từ Fe3O4
Oxit sắt từ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Đặc biệt,ở kích thước dưới 50 nm, Fe3O4 được xem như các hạt đơn đômen và có tính siêu thuận từ được ứng
Bát diện Tứ diện
dụng chủ yếu trong lĩnh vực y-sinh học, là tác nhân làm tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ, làm phương tiện dẫn truyền thuốc…
Sự biến đổi và ổn định của magnetite
Magnetite dễ bị oxi hóa trong không khí thành maghemite (Fe2O3) theo
phương trình :
4 Fe3O4 + O2 6Fe2O3
Ở nhiệt độ lớn hơn 3000C, magnetite bị oxi hóa thành hematite (Fe2O3) Khi khảo sát các tính chất và ứng dụng của các hạt nano từ, các tính chất vật lý và hóa học ở bề mặt có ý nghĩa rất lớn. Trong các dung dịch, nguyên tử Fe kết hợp với nước, các phân tử nước này dễ phân ly để tạo thành nhóm -OH trên bề mặt oxit sắt. Các nhóm -OH bề mặt là lưỡng tính và có thể phản ứng lại với cả axit hoặc bazơ.
2.2.1. Bản chất đơn đômen và tính chất siêu thuận từ [28]
Sự phân chia vách đômen là tính chất hết sức độc đáo của vật liệu từ. Nguyên nhân của sự phân chia vách đômen như vậy là do sự giảm năng lượng tự do của vật thể bằng cách giảm trường phân tán ở ngoài mặt của vật thể. Tuy nhiên, sự phân chia đômen lại làm tăng năng lượng tự do của hệ, bằng dạng năng lượng ở vách đômen. Kết quả là sự phân chia sẽ dừng lại ở cấu hình nào mà năng lượng tự do của hệ đạt cực tiểu.
Trong những hạt có kích thước đủ nhỏ thì sự phân chia vách đômen lại làm tăng năng lượng tự do của hệ. Vì vậy, khi kích thước hạt được thu nhỏ dần thì số lượng các đômen từ cũng giảm theo. Đến một giới hạn nào đó, không còn thích hợp để tồn tại nhiều vách đômen (đa đômen) nữa, mỗi hạt sẽ là một đômen duy nhất (đơn đômen). Lúc này, sự sắp xếp các mômen từ khi có từ trường ngoài không còn bị cản trở bởi các vách đômen, nên thực hiện dễ dàng hơn [13] (Hình 1.25).
Đường kính tới hạn của hạt được cho bởi công thức:
2 0 2 1 ) ( 35 S C M KA D (1.5)
Với: DC là đường kính tới hạn của hạt (m). K là mật độ năng lượng dị hướng từ (J.m–3).
A là mật độ năng lượng trao đổi (J.m–3).
0 là độ từ thẩm chân không.
MS là độ từ hoá bão hoà (A.m-1). Một vật liệu sắt từ được cấu tạo bởi một hệ các hạt (thể tích V), các hạt này tương
tác và liên kết với nhau. Giả sử nếu ta giảm dần kích thước các hạt thì năng lượng dị hướng KV giảm dần, nếu ta tiếp tục giảm thì đến một lúc nào đó KV<<kT, năng lượng nhiệt sẽ thắng năng lượng dị hướng và vật sẽ mang đặc trưng của một chất thuận từ. Thông thường, lực liên kết bên trong vật liệu sắt từ làm cho các mômen từ trong nguyên tử sắp xếp song song với nhau, tạo nên một từ trường bên trong rất lớn. Đó cũng là điểm khác biệt giữa vật liệu sắt từ và vật liệu thuận từ. Khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Curie (hay nhiệt độ Néel đối với vật liệu phản sắt từ), dao động nhiệt đủ lớn để thắng lại các lực liên kết bên trong, làm cho các mômen từ nguyên tử dao động tự do. Do đó không còn từ trường bên trong nữa, và vật liệu thể hiện tính thuận từ.
Hình 1.25. Đường biểu diễn lực kháng từ Hc theo kích thước hạt [19]
Trong một vật liệu không đồng nhất, người ta có thể quan sát được cả tính sắt từ và thuận từ của các phân tử ở cùng một nhiệt độ, tức là xảy ra hiện tượng siêu thuận từ. Đây là một đặc điểm rất quan trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng dụng y sinh học. Siêu thuận từ là hiện tượng các vật liệu từ có tính thuận từ ngay cả khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ Curie (hay nhiệt độ Néel). Hiện tượng này xảy ra ở các hạt có kích thước rất
Bán kính hạt Đa đômen Đ ơ n đ ô m en S iê u th u ận t ừ L ự c k h án g t ừ
nhỏ, khi mà năng lượng cần để thay đổi hướng của các mômen từ nhỏ hơn năng lượng dao động nhiệt.
Năng lượng cần để thay đổi hướng của các mômen từ trong tinh thể gọi là năng lượng dị hướng của tinh thể và phụ thuộc vào tính chất của vật liệu cũng như kích thước của tinh thể. Kích thước của tinh thể giảm thì năng lượng đó cũng giảm. Hai đặc trưng cơ bản của các chất siêu thuận từ là:
Đường cong từ hóa không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ (Hình 1.26)
Không có hiện tượng từ trễ, có nghĩa là lực kháng từ Hc bằng 0, độ từ dư Br ~0. Các chất siêu thuận từ đang được quan tâm nghiên cứu rất mạnh, dùng để chế tạo các chất lỏng từ (magnetic fluid) dành cho các ứng dụng y sinh. Đối với vật liệu siêu thuận từ, từ dư và lực kháng từ bằng không, và có tính chất như vật liệu thuận từ, nhưng chúng lại nhạy với từ trường hơn, có từ độ lớn như của chất sắt từ nên vật liệu sẽ hưởng ứng dưới tác động của từ trường ngoài nhưng khi tắt từ trường ngoài, vật liệu mất từ tính. Đây là một đặc điểm rất quan trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng dụng y sinh học.
2.2.2. Phương pháp chế tạo hạt nano oxít sắt Fe3O4 siêu thuận từ
2.2.2.1. Phương pháp đồng kết tủa
Hình 1.27 là mô hình thực nghiệm của phương pháp đồng kết tủa. Phương pháp đồng kết tủa là một trong những phương pháp thường được dùng để tạo các hạt ôxit sắt. Trong đó Fe(OH)2 bị ôxi hóa với một số tác nhân ôxi hóa khác nhau hoặc tạo hạt từ Fe2+ và Fe3+ trong dung môi nước, khi ta thêm vào dung dịch bazơ như NaOH hoặc NH4OH. Thêm vào đó, việc điều chỉnh độ pH và nồng độ ion trong dung dịch mà người ta có thể thu được kích thước trung bình của các hạt đồng thời làm thay đổi điện tích bề mặt của các hạt đã được hình thành. Độ pH và nồng độ ion trong dung dịch tăng lên sẽ làm cho kích thước hạt giảm xuống.
Phương pháp đồng kết tủa tuy đơn giản nhưng khi các hạt nano hình thành chúng kết tụ rất mạnh. Sự kết tụ này làm hạn chế khả năng ứng dụng tiếp theo, do đó đòi hỏi phải có sự hoạt hóa bề mặt, cho phép tổng hợp các hạt với sự có mặt của các chất phủ bề mặt có tính tương thích sinh học.
Hình 1.27. Mô hình phương pháp đồng kết tủa
2.2.2.2. Phương pháp vi nhũ tương
Vi nhũ tương là sự phân tán của chất lỏng trong một chất lỏng ổn định khác bằng lớp phân cách của chất hoạt tính bề mặt. Các loại lớp phủ lên hạt gồm: Oleic, dextran, starch, PEG, chitosan,… [9] Sự phân tán này có thể được phân loại như: nước trong dầu (pha đảo) và dầu trong nước (pha thuận).
Dòng khí Nhiệt kế Bếp nhiệt ống nhỏ giọt Đơn phân tán Tái phân tán (quay ly tâm) Hoạt hóa bề mặt
Hình 1.28. Cấu trúc chung của micelle (a) và micelle đảo (b)
Cơ chế cụ thể của phản ứng xảy ra trong hệ vi nhũ tương như sau (hình 1.28). Phản ứng hóa học tạo ra các chất mong muốn sẽ xảy ra khi ta hòa trộn các hệ vi nhũ tương này lại với nhau.
Cách thứ nhất : Các phân tử chất phản ứng thấm qua lớp màng chất hoạt tính bề mặt ra ngoài và gặp nhau. Nhưng thực tế thì tỷ lệ sản phẩm tạo thành theo cách này là rất nhỏ, không đáng kể.
Cách thứ hai : Khi các hạt vi nhũ tương của các chất phản ứng gặp nhau, nếu có đủ lực tác động thì hai hạt nhỏ (A,B) có thể tạo thành một hạt lớn hơn (C). Các chất phản ứng trong hai hạt nhỏ sẽ hòa trộn, phản ứng xảy ra trong lòng hạt lớn và sản phẩm mong muốn được tạo thành (ở đây là các hạt Fe3O4). Các hạt Fe3O4 sau khi tạo thành sẽ bị chất hoạt tính bề mặt bao phủ và ngăn cản không cho phát triển thêm về kích thước. Sự kết tụ của hoạt chất bề mặt tạo thành các micelle có kích thước từ 10 -100 nm. Cả hai loại này phân tán có thể tạo ra các hạt nano có kích thước trong khoảng từ 2-10 nm.
2.3. Chấm lượng tử bán dẫn cấu trúc lõi vỏ CdSe/CdS 2.3.1. Chấm lượng tử bán dẫn (Quantum dot) 2.3.1. Chấm lượng tử bán dẫn (Quantum dot)
Chấm lượng tử là một hạt bán dẫn nhỏ, đường kính cỡ khoảng 2-10 nm (có thể chứa từ 1-1000 điện tử). Với các kỹ thuật tiên tiến của công nghệ nano, người ta có