2 .3 TƢƠNG TÁC TRONG CHẤT LỎNG TỪ
3.2.2. Phân tách và chọn lọc tế bào
Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tách một loại thực thể sinh học nào
đó ra khỏi môi trường của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho các mục
đích khác. Phân tách tế bào sử dụng các hạt nano từ tính là một trong những phương pháp thường được sử dụng. Quá trình phân tách được chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thực thế sinh học cần nghiên cứu; và tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường.
Việc đánh dấu được thực hiện thông qua các hạt nano từ tính. Hạt nano thường dùng là hạt oxit sắt. Các hạt này được bao phủ bởi một loại hóa chất có tính tương hợp sinh học như là dextran, polyvinyl alcohol (PVA),... Hóa chất bao phủ không những có thể tạo liên kết với một vị trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà còn giúp cho các hạt nano phân tán tốt trong dung môi, 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 sẽđược các kháng thể
hoặc các phân tử khác như các hoóc-môn, 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. Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa tương tự các phân tử trong hệ
miễn dịch đã có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi, vi khuẩn, tế bào ung thưđường tiết niệu và thể golgi. Đối với các tế bào lớn, kích thước của các hạt từ tính đôi lúc cũng cần phải lớn, có thểđạt kích thước vài trăm nm.
Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài. Từ trường ngoài tạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu. Các tế bào không được đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài. Sơ đồ phân tách tế bào
đơn giản nhất được trình bày như Hình 3.8.
Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG Hạt nano từ Tế bào được đánh dấu
Hình 3.8. Sơđồ phân tách tế bào đơn giản.
Hỗn hợp tế bào và chất đánh dấu (hạt từ tính bao phủ bởi một lớp hoạt hoá bề mặt)
được trộn với nhau để các lên kết hóa học giữa chất đánh dấu và tế bào xảy ra. Sử
dụng một từ trường ngoài là một thanh nam châm vĩnh cửu để tạo ra một gradient từ
trường giữ các hạt tế bào được đánh dấu lại.
3.2.3. Dẫn truyền thuốc
Một trong những nhược điểm quan trọng nhất của hóa trị liệu đó là tính không đặc hiệu. Khi vào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố không tập trung nên các tế bào mạnh khỏe bị ảnh hưởng do tác dụng phụ của thuốc. Chính vì thế việc dùng các hạt từ
tính như là hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể (thông thường dùng điều trị
các khối u ung thư) đã được nghiên cứu từ những năm 1970, những ứng dụng này
được gọi là dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính. Có hai lợi ích cơ bản là: thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể nên làm giảm tác dụng phụ của thuốc, và giảm lượng thuốc điều trị.
Hạt nano từ tính có tính tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị. Lúc này hạt nano có tác dụng như một hạt mang. Thông thường hệ thuốc/hạt tạo ra một chất lỏng từ và đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn. Khi các hạt đi vào mạch máu, người ta dùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể. Một khi hệ thuốc/hạt được tập trung tại vị trí cần thiết thì quá trình
Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG nhả thuốc có thể diễn ra thông 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.
Quá trình vật lý diễn ra trong việc dẫn truyền thuốc cũng tương tự như trong phân tách tế bào. Gradient từ trường có tác dụng tập trung hệ thuốc/hạt. Hiệu quả của việc dẫn truyền thuốc phụ thuộc vào cường độ từ trường, gradient từ trường, thể tích và tính chất từ của hạt nano.
Các chất mang (chất lỏng từ) thường đi vào các tĩnh mạnh hoặc động mạch nên các thông số thủy lực như thông lượng máu, nồng độ chất lỏng từ, thời gian tuần hoàn
đóng vai trò quan trọng như các thống số sinh lý học như khoảng cách từ vị trí của thuốc đến nguồn từ trường, mức độ liên kết thuốc/hạt, và thể tích của khối u. Các hạt có kích thước μm (tạo thành từ những hạt siêu thuận từ có kích thước nhỏ hơn) hoạt
động hiệu quả hơn trong hệ thống tuần hoàn đặc biệt là ở các mạch máu lớn và các
động mạch.
Hình 3.9. Thuốc được định vị tại nơi cần điều trị.
Nguồn từ trường thường là nam châm NdFeB có thể tạo ra một từ trường khoảng 0,2 T và gradient từ trường khoảng 8 T/m với động mạch đùi và khoảng 100 T/m với
động mạch cổ. Điều này cho thấy quá trình dẫn thuốc bằng hạt nano từ tính có hiệu quảở những vùng máu chảy chậm và gần nguồn từ trường.
Tuy nhiên, khi các hạt nano chuyển động ở gần thành mạch máu thì chuyển động của chúng không tuân theo định luật Stoke nên với một gradient từ trường nhỏ hơn quá trình dẫn thuốc vẫn có tác dụng.
Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG Các hạt nano từ tính thường dùng là oxit sắt (magnetite Fe3O4, maghemite γ-Fe2O3) bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học như
PVA, Detran hoặc silica. Chất bao phủ có tác dụng chức năng hóa bề mặt để có thể
liên kết với các phân tử khác như nhóm chức carboxyl, biotin,...
Nghiên cứu dẫn truyền thuốc đã được thử nghiệm rất thành công trên động vật, đặc biệt nhất là dùng để điều trị u não. Việc dẫn truyền thuốc đến các u não rất khó khăn vì thuốc cần phải vượt qua hàng rào băng cách giữa não và máu, nhờ có trợ giúp của hạt nano từ có kích thước 10-20 nm, việc dẫn truyền thuốc có hiệu quả hơn rất nhiều. Việc áp dụng phương pháp này đối với người tuy đã có một số thành công, nhưng còn rất khiêm tốn.
3.2.4 Nâng thân nhiệt cục bộ
Phương pháp nâng thân nhiệt cục bộ các tế bào ung thư mà không ảnh hưởng đến các tế bào bình thường là một trong những ứng dụng quan trọng khác của hạt nano từ
tính.
Nguyên tắc hoạt động là các hạt nano từ tính có kích thước từ 20-100 nm được phân tán trong các mô mong muốn, sau đó tác dụng một từ trường xoay chiều bên ngoài đủ lớn về cường độ và tần sốđể làm cho các hạt nano hưởng ứng mà tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh. Nhiệt độ khoảng 42°C trong khoảng 30 phút có thểđủđể huỷ hoại các tế bào ung thư.
Nghiên cứu về kĩ thuật tăng thân nhiệt cục bộ được phát triển từ rất lâu và có rất nhiều công trình đề cập đến kĩ thuật này nhưng chưa có công bố nào thành công trên người. Khó khăn chủ yếu đó là việc dẫn truyền lượng hạt nano phù hợp để tạo ra đủ
nhiệt lượng khi có sự có mặt của từ trường ngoài mạnh trong phạm vi điều trị cho phép. Các yếu tốảnh hưởng đến quá trình nung nóng cục bộ là lưu lượng máu và phân bố của các mô.
Thực nghiệm và tính toán cho biết tỉ số phát nhiệt vào khoảng 100 mW/cm3 là đủ
trong hầu hết các trường hợp thực nghiệm. Tần số và biên độ của từ trường thường dùng dao động trong khoảng f = 0,05-1,2 MHz, H < 0,02 T. Mật độ hạt nano cần thiết vào khoảng 5-10 mg/cm3.
Vật liệu dùng để làm hạt nano thường là magnetite và maghemite và có thể có tính sắt từ hoặc siêu thuận từ. Phần lớn các thí nghiệm được tiến hành với hạt siêu thuận từ. Với hạt siêu thuận từ, khi áp dụng một từ trường xoay chiều thì hạt sẽ hưởng ứng dưới tác dụng của từ trường đó. Sự hưởng ứng được thể hiện bằng chuyển động quay vật lý và quay mômen từ của hạt. Một chất lỏng từ được đặc trưng bởi tốc độ hấp thụ. Với chất lỏng từ tốt giá trị này có thểđạt giá trị 45 W/g tại từ trường cỡ 0,01T.
Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
3.2.5. Vá mô
Việc sử dụng hạt nanô ôxit sắt từđể vá mô được thực hiện thông qua quá trình hàn gắn hai bề mặt mô, sau đó làm nóng những mô (nhiệt độ lớn hơn 500C) để kết nối chúng lại hay thông qua quá trình hàn nơi mà hạt nanô được phủ polymer, protein
được đặt giữa hai mô để tăng cường kết nối mô lại với nhau.
3.2.6. Dùng hạt nanô từđể khửđộc
Các nhà nghiên cứu ở Đại học Chicago (Mỹ) đã sử dụng các hạt từđể khửđộc cho người hít thở phải khí độc. Khi bị tấn công, hay hít thở phải khí độc, các phân tử khí
độc qua đường hô hấp xâm nhập vào máu. Muốn khử chất độc này, người ta dùng các hạt từ nhỏ, bên ngoài phủ một lớp chất mà các phân tử khí độc dễ bị bám dính vào. Tiêm dung dịch các hạt này vào máu, các phân tử khí độc trong máu sẽ bám dính vào các hạt từ. Dùng từ trường ngoài có thể kéo các hạt từ có dính các phân tử khí độc để đưa ra ngoài, khử hết độc trong máu.
Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
CHƯƠNG 4 : CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VÀ PHÂN TÍCH HẠT
NANÔ TỪ VÀ CHẤT LỎNG TỪ
4.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP HẠT NANO TỪ VÀ CHẤT LỎNG TỪ
Hiện nay có rất nhiều phương pháp để tổng hợp hạt nano từ và chất lỏng từ. Có thể
chia thành ba phương pháp cơ bản:
* Phương pháp Vật Lý: nghiền bi, bốc bay nhiệt trong lò ủ, thủy nhiệt, phún xạ, bốc bay nhiệt trong chân không, phản ứng pha rắn, nguội nhanh.
* Phương pháp hóa học: đồng kết tủa, vi nhũ tương, sol-gel, hóa siêu âm, hóa vi ba. * Phương pháp hóa lý: ngưng tụ, điện hóa, điện hóa siêu âm, phản ứng trong ống thép
ở nhiệt độ cao.
Các phương pháp tổng hợp hạt nano từ đa dạng như vậy, trong phạm vi luận văn của mình, tôi chỉ trình bày một số phương pháp phổ biến sau:
4.1.1. Phương pháp nghiền bi [11]
Chất lỏng từ đầu tiên thu được vào giữa những năm 1960 bằng cách nghiền từ
Fe3O4 trong một cối xay bi (ball mill) với sự có mặt của axit oleic trong dầu hoả [8]. Kích thước của hạt từđược hình thành bằng cách mài từ, dùng những viên bi thép lăn tròn trong một hình trụ nằm ngang. Điều kiện tốt nhất là cối xay được làm đầy với những viên bi bằng 30 → 40% thể tích của chúng và với vật liệu cần nghiền chiếm 20%. Quá trình nghiền diễn ra với sự có mặt của chất lỏng mang và chất kích hoạt bề
mặt đảm bảo thu được hạt từ tốt và sựổn định của hệ thống chất keo.
Phương pháp này đơn giản, hạt từ có thể phân tán như mong muốn, có thể sử dụng vật liệu từ khác nhau (magiê, coban, niken, sắt) với nhiều badơ khác nhau. Tuy nhiên hạt từ thu được có kích thước không đều, bị lẫn tạp chất, thời gian nghiền dài, hiệu suất thấp, độ từ hóa không cao.
4.1.2. Phương pháp ngưng tụ
Phương pháp Carbonyl
Phương pháp Carbonyl dựa vào sự phân rã của Carbonyl kim loại. Carbonyl kim loại được đặt trong bình chứa, được pha loãng với khí trơ (nitơ, argon) và được đun nóng đến nhiệt độ khoảng 250oC. Khi đó quá trình rã ngưng tụ diễn ra và nguyên tử
kim loại hình thành nên hạt từ. Hạt từ thu được có kích thước từ 2 ÷ 30 nm phụ thuộc vào nhiệt độ, tỉ số của dung môi và chất kích hoạt bề mặt…
Phương pháp ngưng tụđiện phân
Hạt từđược ngưng tụđiện phân từ dung dịch có nước của muối kim loại được phân tán trong chất lỏng mang với sự có mặt của chất kích hoạt bề mặt. Quá trình được chạy
Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG trong buồng điện phân hai tầng với catôt quay ở tầng thấp chứa dung dịch chất điện phân, tầng trên là dung dịch chất kích hoạt bề mặt trong chất lỏng mang. Chất điện phân sau khi ngưng tụ vào đến bề mặt catôt đang quay nhanh, hạt kim loại rơi vào môi trường phân tán và được phủ bởi một lớp tạo bề mặt. Kích thước của hạt kim loại thu
được phụ thuộc vào tốc độ quay catôt, nhiệt độđiện phân…
Phương pháp ngưng tụ chân không
Để chế tạo hạt từ mịn, người ta cho ngưng tụ hơi kim loại được đun nóng đến nhiệt
độ cao trong chân không. Quá trình ngưng tụ diễn ra chủ yếu tại thành của bình chứa luôn được giữ trong chân không, sẽ hình thành nên hạt keo từ. Phương pháp này có thể
thu được hạt từ có kích thước rất nhỏ.
4.1.3. Phương pháp sol-gel [29]
Phương pháp sol-gel đã được biết đến từ rất lâu và được ứng dụng khá rộng rãi vì phương pháp này có thể tạo ra những vật liệu có kích thước hạt rất nhỏ, vật liệu nano. Phương pháp sol-gel được thực hiện theo qui trình sau:
Dung dịch (hợp chất hữu cơ + H2O) Sol (dung dịch keo lỏng) gel (dung dịch keo đặc) tinh thể bột Xerogel (keo khô)
Quá trình tạo sol bao gồm sự hòa tan các ion kim loại hoặc các oxit kim loại kiềm, các muối kim loại hữu cơ trong dung môi rượu, hoặc các muối kim loại vô cơ trong dung môi nước tạo thành thể huyền phù, sol sẽ hình thành khi các huyền phù trở nên chất keo lỏng . Sol sau đó chuyển đổi thành gel thông qua sự ngưng tụ. Gel sấy khô sẽ
chuyển thành xerogel, nhằm tách nước và nhiệt phân các chất hữu cơ. Giai đoạn tiếp theo là nung xerogel ta được tinh thể bột.
Phương pháp này có ưu điểm là có thể sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau, có khả năng thích ứng với nhiều điều kiện phản ứng, tạo ra các hạt có kích thước tương
đối đều, đồng nhất, nhỏ, mịn…Tuy nhiên, do sự khác biệt về tốc độ thủy phân của các chất ban đầu có thể dẫn đến tính không đồng nhất hóa học, có thể tồn tại các pha tinh thể không mong muốn.
4.1.4 Phương pháp vi nhũ tương
Vi nhũ tương cũng là một phương pháp khá phổ biến để tạo hạt nanô. Nhũ tương của nước trong dầu (water in oil W/O hay dung dịch mixen đảo) là một môi trường chất lỏng không màu, đẳng hướng và ổn định về mặt động lực học.
Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG Trong phương pháp này, các hạt dung dịch nước bị bẫy bởi các phân tử hoạt hóa bề
mặt phân tán trong môi trường dầu liên tục. Các hốc hoạt hóa bề mặt tạo ra sự giới hạn về không gian, làm cho sự hình thành và phát triển của các hạt nanô bị hạn chế. Do đó các hạt nanô được tạo thành rất đồng nhất. Bằng phương pháp này, người ta có thể chế
tạo hạt ôxit sắt được bao phủ bởi một lớp vàng để tránh ôxy hóa và tăng tính tương thích sinh học.
4.1.5. Phương pháp đồng kết tủa hạt [2, 11]
Với phương pháp đồng kết tủa: chất gốc là các muối vô cơ như FeCl2, FeCl3, FeSO4, …được hòa tan trong môi trường nước, sau đó được cho phản ứng với dung dịch bazơ hyđôxit như KOH, NaOH, NH4OH, … để tạo kết tủa. Sản phẩm kết tủa
được lọc rửa sạch bằng nước cất và được làm khô ở nhiệt độ khoảng 600C trong chân không. Các hạt được tổng hợp có kích thước trong khoảng vài nanômét đến vài chục nanômét. Kích thước hạt có thể được kiểm soát thông qua nhiều yếu tố như tỉ lệ vật liệu ban đầu, trạng thái oxy hóa, độ pH dung dịch, v.v.
Mặc dù đồng kết tủa là phương pháp đơn giản nhưng khi các hạt nano hình thành chúng kết tụ rất mạnh [28] (dù ở kích thước tồn tại tính siêu thuận từ) do nhiều yếu tố
như diện tích tiếp xúc trực tiếp nhau tăng, ảnh hưởng của lực trọng trường, môi trường