1 MỞ ĐẦU Có thể nói khoa học công nghệ nano thực bước đột phá nghành khoa học vật liệu kỷ 21, vật liệu nano góp phần giải toán nhân loại có tính toàn cầu y tế, lượng, môi trường Trong năm qua, việc ứng dụng hạt nano từ cho y sinh học đặc biệt chuẩn đoán điều trị ung thư vấn đề thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học giới Khi kích thước vật liệu từ giảm tới cỡ nano mét, vật liệu xuất thêm nhiều tính chất tượng hồi phục siêu thuận từ, dị hướng bề mặt, bề măt riêng lớn Các tính chất làm cho chúng trở nên kì lạ so với vật liệu khối ưu ứng dụng y sinh Với nhiều ưu điểm như: mô men từ cao, tính tương hợp sinh học tốt, dễ dàng chế tạo phương pháp hóa học với chi phí thấp, vật liệu nano Fe3O4 xem vật liệu tiềm cho ứng dụng y sinh đặc biệt ứng dụng nhiệt từ trị ung thư Mặc dù có nhiều công trình nghiên cứu hạt nano Fe3O4 ứng dụng cho nhiệt từ trị để đưa vào ứng dụng thực tế lâm sàng bệnh nhân thử thách nhà khoa học So với vật liệu khối, hiệu ứng kích thước, hiệu ứng bề mặt ảnh hưởng lớp vỏ bọc làm giảm đáng kể từ tính vật liệu Việc khống chế kích thước hạt vùng siêu thuận từ nâng cao từ tính đồng thời tăng tính tương hợp sinh học vật liệu tăng công suất tỏa nhiệt hạt nano từ bọc vấn đề cần nghiên cứu Do vậy, đề tài Luận án chọn là: Nghiên cứu chế tạo chất lỏng từ hạt nano Fe3O4 ứng dụng diệt tế bào ung thư Mục tiêu luận án bao gồm: (i) Tổng hợp thành công vật liệu nano Fe3O4 có kích thước khác vùng siêu thuận từ phương pháp đồng kết tủa (ii) Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc, hình thái, tính chất từ khả sinh nhiệt từ trường xoay chiều mẫu vật liệu nano Fe3O4 (iii) Lựa chọn mẫu hạt nano Fe3O4 có tính chất phù hợp cho đốt nóng cảm ứng từ chức hóa bề mặt số polyme tương thích sinh học tạo chất lỏng từ (iv) Nghiên cứu đặc trưng, tính chất từ khả sinh nhiệt từ trường xoay chiều mẫu chất lỏng từ (v) Nghiên cứu thử nghiệm tính tương hợp sinh học thử nghiệm đốt nóng cảm ứng từ số dòng tế bào lành dòng tế bào ung thư Đối tượng nghiên cứu Luận án hạt nano Fe3O4 vùng kích thước siêu thuận từ, chất lỏng từ hạt nano Fe3O4 siêu thuận từ bọc polymer tự nhiên như: starch, dextran, chitosan chitosan biến tính Nội dung phương pháp nghiên cứu: Luận án tiến hành phương pháp thực nghiệm Các mẫu chế tạo khảo sát đo đạc phân tích đặc trưng, tính chất thông qua phép đo: XRD, FESEM, VSM, PPMS, hệ đốt từ sử dụng máy phát từ trường xoay chiều thương mại RDO-HFI Thực nghiệm đánh giá độc tính qua thí nghiệm in-vitro ex-vivo Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài: Luận án công trình nghiên cứu có định hướng ứng dụng Các nội dung nghiên cứu luận án nhằm chứng minh khả ứng dụng thực tiễn y sinh vật liệu nano Fe3O4 thực Việt nam Các kết nghiên cứu luận án cho thấy làm chủ công nghệ chế tạo hạt nano Fe3O4 có kích thước mong muốn vùng siêu thuận từ Đồng thời kết nghiên cứu từ tính làm sáng tỏ giới hạn kích thước siêu thuận từ mô hình vỏ lõi suy giảm từ độ vật liệu nano Fe3O4 chế tạo phương pháp đồng kết tủa Các nghiên cứu mẫu chất lỏng từ cho thấy rõ vai trò chế sinh nhiệt hạt nano từ bọc khả ứng dụng chúng liệu pháp nhiệt trị ung thư 3 Bố cục luận án: Luận án gồm 150 trang, bao gồm: phần mở đầu, chương nội dung với 93 hình vẽ, kết luận cuối danh sách tài liệu tham khảo Các kết luận án công bố báo tạp chí nước quốc tế Chương TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO Fe3O4 VÀ ỨNG DỤNG TRONG NHIỆT TỪ TRỊ 1.1 Tổng quan vật liệu Fe3O4 1.1.1 Vật liệu Fe3O4 dạng khối Fe3O4 (Magnetite) hợp chất ôxít nguyên tố sắt có cấu trúc tinh thể thuộc họ ferrite spinel với mô hình ion: [Fe3+]A[ Fe3+Fe2+]B O42 Các ion O2- hình thành nên mạng lập phương tâm mặt với số mạng a = 0,8398 nm Các ion Fe3+, Fe2+ có bán kính ion nhỏ phân bố khoảng trống ion O2- Ion Fe2+ chiếm 1/4 vị trí bát diện ion Fe3+ chiếm 1/8 vị trí tứ diện 1/4 vị trí bát diện Cấu trúc mô tả hình 1.1, ô bao gồm ô đơn vị công thức Fe24O32 phân bố sau: Fe3+8A[ Fe2+8 Fe3+8 ]BO32 , A vị trí tứ diện, B vị trí bát diện Hình 1 Cấu trúc tinh thể vật liệu Fe3O4 Nguồn gốc tính chất từ vật liệu Fe3O4 tương tác trao đổi gián tiếp ion kim loại Fe2+ Fe3+ hai phân mạng A B thông qua ion ôxi Giá trị mô men bão hòa K 300 K tương ứng 98 emu/g 93 emu/g Cũng vật liệu từ khác từ độ vật liệu Fe3O4 phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ chuyển pha ferrite sang pha thuận từ 585oC Ở vùng nhiệt độ thấp phục thuộc từ độ vào nhiệt độ tuân theo định luật Bloch:   M s (T )  M s (0)  BT Dị hướng từ đặc tính vật liệu từ, liên quan đến dạng tương tác từ tinh thể có ý nghĩa quan trọng ứng dụng vật liệu Hằng số dị hướng từ tinh thể vật liệu Fe3O4 nhiệt độ phòng có giá trị 1,35x105erg/cm3 1.1.2 Vật liệu Fe3O4 dạng hạt kích thước nanomét Khi kích thước vật liệu Fe3O4 giảm đến vùng nano mét cấu trúc tinh thể hạt nano Fe3O4 không thay đổi so với vật liệu khối Các nghiên cứu khảo sát đặc trưng nhiễu xạ tia X chứng minh hạt nano Fe3O4 có cấu trúc spinel đảo Tuy nhiên, từ tính vật liệu kích thước nano mét chịu ảnh hưởng hiệu ứng kích thước hiệu ứng bề mặt, chúng trở nên khác biệt so với vật liệu khối  Tính chất liên quan đến hiệu ứng kích thước Các hiệu ứng kích thước nghiên cứu nhiều hạt nano từ giới hạn đơn đômen giới hạn siêu thuận từ Thông thường trạng thái từ vật liệu từ định cạnh tranh dạng lượng như: lượng dị hướng, lượng tĩnh từ, lượng Zeman, lượng trao đổi Các dạng lượng cạnh tranh với theo xu hướng làm cực tiểu lượng toàn hệ, cấu hình vật liệu từ thường chia thành cấu trúc đômen từ Khi kích thước khối vật liệu giảm tới giá trị tới hạn đó, hình thành vách đômen trở nên không thuận lợn mặt lượng vật liệu có cấu trúc đơn đômen Gới hạn đơn đô men phụ thuộc vào hệ số tương tác trao đổi, K số dị huớng từ tinh thể MS từ độ bão hòa Kích thước Giới hạn đơn đômen hạt nano Fe3O4 tính theo lý thuyết có giá trị 84 nm Khi kích thước hạt giảm, lượng dị hướng giảm tới kích thước đặc trưng lượng dị hướng hay rào lượng E(  )= KeffV tương đương nhỏ lượng nhiệt kbT, lúc mômen từ tự phát hạt thay đổi từ hướng trục dễ sang hướng khác từ trường Khi kbT > KeffV hệ hạt có đặc tính giống chất thuận từ, nhiên mômen từ nguyên tử chất thuận từ bình thường cỡ vài Magheton-Bo với hạt nano mômen từ nguyên tử cỡ vài nghìn Magheton-Bo Hệ hạt gọi hệ siêu thuận từ Tốc độ hồi phục siêu thuận từ hệ hạt tuân theo định luật Arrhenius: với  ≈ 10-9s Trạng thái siêu thuận từ hạt nano không tương tác mô tả tốt theo hàm Langevin cho hệ thuận từ Nhiệt độ bắt đầu trạng thái siêu thuận từ gọi nhiệt độ khoá TB (nhiệt độ Blocking) Nhiệt độ Blocking xác định theo phương pháp đơn giản phép đo từ độ phụ thuộc nhiệt độ ZFC-FC phép đo độ cảm từ xoay chiều Kích thước giới hạn siêu thuận từ hạt nano Fe3O4 xác định theo lý thuyết 26 nm Ở trạng thái siêu thuận từ thời gian hồi phục từ độ diễn nhanh hệ hạt nhanh chóng đạt tới trạng thái cân , không quan sát tượng trễ từ hay đường từ hóa HC =  Tính chất liên quan đến hiệu ứng bề mặt Khi kích thước vật liệu từ giản đến cỡ nano mét số nguyên tử bề mặt tương đối lớn so với tổng số nguyên tử vật liệu, hiệu ứng bề mặt đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng nhiều đến tính chất từ Hiệu ứng bề mặt làm giảm mô men từ bão hòa nguyên nhân tạo dị hướng hạt nano Fe3O4 Sự suy giảm mô men từ bão hòa theo kích thước hạt từ kích thước nano có liên quan tới tỷ lệ đáng kể diện tích bề mặt so với khối Các hạt xem cầu với phần lõi có cấu trúc spin định hướng song song từ độ bão hòa tương tự mẫu khối đơn tinh thể lý tưởng Trong phần vỏ có cấu trúc spin bất trật tự sai lệch cấu trúc tinh thể khuyết thiếu ion, coi từ độ phần vỏ bé nhiều so với phần lõi Khi kích thước hạt giảm, phần vỏ không từ đóng góp đáng kể vào toàn thể tích hạt mô men từ giảm Đối với vật liệu từ cỡ nano mét hiệu ứng bề mặt nguyên nhân tạo dị hướng đóng góp đáng kể dị hướng từ bề mặt Dị hướng từ bề mặt tạo tính đối xứng bề mặt hạt bị phá vỡ với suy giảm điều phối lân cận gần Khi giảm kích thước hạt, lượng dị hướng bề mặt chiếm ưu so với lượng dị hướng từ tinh thể lượng tĩnh từ tỷ số nguyên tử bề mặt hạt so với bên hạt tăng lên Năng lượng dị hướng hiệu dụng cho đơn vị thể tích Keff nhận tính đến đóng góp dị hướng khối bề mặt Cho hạt hình cầu, công thức tượng luận dùng để tính toán Keff là: K eff  K b  d Ks Sự trật tự cấu trúc từ bề mặt dẫn đến dị hướng từ bề mặt có độ lớn khác đối xứng khác vị trí khác  Tương tác hạt nano từ Trong hệ hạt nano sắt từ ferit từ tương tác lưỡng cực đóng vai trò chủ yếu Các hạt đơn đômen từ xem có mômen từ khổng lồ (so với mômen từ spin đơn lẻ) tạo quanh từ trường lớn vị trí lân cận Từ trường địa phương khác không từ trường Do xét đến trạng thái hạt nano từ tương tác lưỡng cực hạt yếu tố bỏ qua 1.1.3 Chất lỏng từ Bọc hạt hay chức hóa bề mặt hạt nano từ tính sau chế tạo yêu cầu quan trọng, đảm bảo tính chất từ tính tương hợp sinh học hạt nano từ Khi bề mặt bọc chức hoá, hạt nano Fe3O4 dễ dàng phân tán dung môi phù hợp trở thành hạt keo đồng hay gọi chất lỏng từ Trong công nghệ bọc hạt thường sử dụng loại vật liệu sau: Một Polymer hữu dextran, chitosan, polyethylene glycol, polysorbate, polyanilinenano Hai chất hoạt động bề mặt hữu sodium oleate dodecylamine Ba cấu trúc phân tử sinh học liposomes, peptide ligands/receptors Chất lỏng từ khái niệm dung dịch bao gồm hạt có từ tính lơ lửng chất lỏng mang 1.2 Ứng dụng hạt nano Fe3O4 nhiệt từ trị Phần trình bày ứng dụng hạt nano Fe3O4 nhiệt từ trị ung thư Nhiệt từ trị ung thư phương pháp điều trị ung thư dựa việc đốt nóng tế bào việc sử dụng hạt nano từ Trong trình hạt nano từ đưa tới khối u ung thư Tại đó, tác động từ trường xoay chiều, hạt nano từ sinh nhiệt lên tới nhiệt độ đủ để tiêu diệt tế bào ung thư làm tăng hiệu trình hóa trị 1.2.1 Các chế vật lý hiệu ứng sinh nhiệt sử dụng hạt từ từ trường xoay chiều  Tổn hao từ trễ Với hạt sắt từ feri từ đa đômen, nhiệt lượng sinh chủ yếu trình tổn hao từ trễ Công suất toả nhiệt chu trình từ trễ vật liệu tỉ lệ với diện tích chu trình từ trễ tính theo công thức: W h y s  0  M H ( H ) d H μ0 = 4π10-7 Vs (Am)-1 độ từ thẩm chân không,  khối lượng riêng vật liệu MH thành phần từ độ song song với từ trường  Tổn hao hồi phục Khi hạt trạng thái siêu thuận từ, tổn hao từ trễ không tồn thu công suất toả nhiệt lớn nhờ vào trình tổn hao hồi phục, tổn hao Néel tổn hao Brown Công suất tổn hao trường hợp tỉ lệ với hàm bậc hai cường độ từ trường Công suất tổn hao hồi phụ Neel xác định biểu thức: P( f , H )  0 "( f ) H f 0 0 M s2V  "( f )  ;  f  N , 0  1 kT Trong μ0 độ từ thẩm chân không, f tần số từ trường xoay chiều, τN thời gian hồi phục Neel, MS từ độ bão hòa, V thể tích hạt từ Bên cạnh tổn hao Néel gây trình lật đảo mômen từ, kiểu tổn hao khác sinh trình quay hạt dung dịch lỏng, tổn hao hồi phục Brown Với hạt cầu có bán kính động học rh , thời gian hồi phục Brown cho bởi: 4 rh3 B  kT  Các chế tổn hao khác Theo lý thuyết ma sát lỏng đưa Landau Lifshitz (1978), công suất tổn hao riêng tính chu kì quay với tần số f hạt hình cầu (khối lượng m, khối lượng riêng ) chất lỏng (độ nhớt ) là: Wrot 24 2 f   Các dòng điện Fucô bề mặt tạo theo định luật cảm ứng có tác dụng từ trường xoay chiều không giới hạn xảy vật liệu từ Hiệu ứng tạo công suất toả nhiệt cao vật liệu dẫn điện tốt có kích thước lớn Với hạt ôxít sắt, tổn hao dòng điện bề mặt không gây hiệu ứng đốt nhiệt đáng kể kích thước hạt nhỏ độ dẫn điện chúng thấp Một điều quan trọng từ trường xoay chiều có khả tạo dòng điện bề mặt đốt nóng mô tế bào, độ dẫn điện mô tế bào tương đối thấp (thông thường  ~ 0.6 (m)-1, so với Cu ~ 6107 (m)1 ) Brezovich cộng tiến hành thử nghiệm với số bệnh nhân tình nguyên khả ảnh hưởng từ trường xoay chiều thể người đưa tích số giới hạn an toàn từ trường: 4,85.108 A/(m.s) Chương - THỰC NGHIỆM Các mẫu hạt nano Fe3O4 chế tạo phương pháp đồng kết tủa từ muối FeCl2 FeCl3 dung dịch kiềm với điều kiện thí nghiệm khác như: thay đổi nhiệt độ phản ứng, nồng độ muối ban đầu, tốc độ máy khuấy từ Mẫu chất lỏng từ tạo hạt nano Fe3O4 bọc polymer tự nhiên như: starch, dextran, chitosan chitosan biến tính phân tán môi trường nước Ngoài để xác định cấu trúc, kích thước tinh thể, phân bố kích thước dạng thù hình hệ hạt nano, luận án sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) kỹ thuật hiển vi điện tử quét cho mẫu bột Các đặc trưng tính chất từ xác định từ phép đo từ nhiệt, đường cong từ hóa Các phép đo thực chủ yếu hệ đo 10 từ kế mẫu rung (VSM) hệ tính chất vật lý PPMS 6000 Phòng thí nghiệm trọng điểm, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, có độ nhậy đạt tới 10-6emu, độ ổn định nhiệt 0.1K Các phép đo đốt nóng cảm ứng từ thực từ trường xoay chiều có tần số 219 236 kHz cường độ 40-100 Oe Các nghiên cứu thử y sinh thực dựa phương pháp đánh giá độc tính SRB Chương TỔNG HỢP VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA CÁC HẠT NANO Fe3O4 CÓ KÍCH THƯỚC KHÁC NHAU 3.1 Khảo sát số yếu tố công nghệ ảnh hưởng tới hình thành pha, kích thước hạt mômen từ bão hòa vật liệu nano Fe3O4 3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng đồng kết tủa Hình 3.1 trình bày giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu chế tạo phương pháp đồng kết tủa nhiệt độ phản ứng khác nhau: nhiệt độ phòng 27oC (ký hiệu T1 ), 40oC (ký hiệu T2), 60oC (ký hiệu T3), 80oC (ký hiệu T4) 100oC (ký hiệu T5) Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu vật liệu Fe3O4 chế tạo nhiệt độ phản ứng khác Hình 3.1 trình bày giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu chế tạo 11 phương pháp đồng kết tủa nhiệt độ phản ứng khác nhau: nhiệt độ phòng 27oC (ký hiệu T1 ), 40oC (ký hiệu T2), 60oC (ký hiệu T3), 80oC (ký hiệu T4) 100oC (ký hiệu T5) Kết khảo sát giản đồ nhiễu xạ cho thấy mẫu đơn pha, đỉnh đặc trưng cho cấu trúc ferrit spinel hợp chất oxít sắt Kích thước tinh thể mẫu xác định công thức Scherrer cho thấy tăng nhiệt độ phản ứng từ nhiệt độ phòng đến 100oC, kích thước tinh thể mẫu tăng từ 8,7 nm đến 12,6 nm Kết phân tích kích thước hạt thực từ ảnh FESEM cho thấy hạt có dạng hình cầu với phân bố hạt hẹp Kích thước hạt thực tăng từ từ 10 nm đến 16 nm tăng nhiệt độ phản ứng Kết khảo sát đường từ hóa ban đầu cho thấy giá trị từ độ bão hòa nhiệt độ phòng mẫu đạt giá trị từ 26 emu/g đến 67 emu/g tương ứng với nhiệt độ phản ứng tăng từ nhiệt độ phòng đến 100oC Theo lý giải sô tác giả, nhiệt độ phản ứng tăng dẫn đến lớn lên kích thước hạt, dẫn đến tăng từ tính hạt nano Fe3O4 40oC 80oC 100oC Hình Ảnh hiển vi điện tử phát xạ trường FESEM mẫu chế tạo nhiệt độ khác 3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng tốc độ khuấy từ nồng độ dung dịch muối ban đầu Các mẫu hạt nano Fe3O4 chế tạo nồng độ dung dịch muối ban đầu tốc độ khuấy từ khác nhau, tương ứng với nồng độ muối đầu vào FeCl2, FeCl3 thay đổi từ 0.02 M, 0.01 M đến M, M tốc độ khuấy từ thay đổi từ 350 vòng/phút đến 1300 vòng /phút Kết 12 khảo sát giản đồ nhiễu xạ tia X ảnh FESEM cho thấy mẫu tạo đơn pha, kích thước tinh thể kích thước hạt thực phụ thuộc vào nồng độ tốc độ khuấy từ, kích thước tăng tăng nồng độ dung dịch muối giảm tốc độ khuấy từ Giá trị kích thước hạt thay đổi từ nm đến 20 nm tương ứng với giá trị từ độ bão hòa từ 26 emu/g đến 75 emu/g 3.2 Tính chất từ hạt nano Fe3O4 Trong phần này, trình bày chi tiết kết nghiên cứu tính chất từ mẫu hạt nano Fe3O4 có kích thước hạt tương ứng 8,3 nm, 10 nm, 11,7 nm, 13,9 nm, 15,7 nm 19,7 nm từ hai hệ mẫu Nội dung bao gồm khảo sát mối liên hệ kích thước đặc tính siêu thuận từ, mối liên hệ kích thước từ độ hạt nano Fe3O4 mô hình vỏ lõi hạt nano Fe3O4 Ngoài ra, khảo sát khả sinh nhiệt từ trường xoay chiều hạt nanoFe3O4 có kích thước khác nhằm lựa chọn mẫu hạt nano Fe3O4 tối ưu tính chất để ứng dụng nghiên cứu nhiệt từ trị ung thư Tên d XRD(nm) dFESEM(nm) MS(emu/g) HC(Oe) D8 7,3 8,3 26 D10 8,7 10 36 D12 9,6 11,7 43 D14 10,7 13,9 57 D16 12,6 15,7 67 D20 14,1 19,7 75 16 3.2.1 Đặc tính siêu thuận từ Đặc tính siêu thuận từ mẫu hạt nano Fe3O4 khảo sát thông qua phép đo từ độ phụ thuộc từ trường - M(H) phép đo từ độ phụ thuộc nhiệt độ ZFC-FC Hình 3.3 3.4 trình bày đường đo 13 M(H) đường đo ZFC-FC mẫu hạt nano Fe3O4 có kích thước khác Kết nghiên cứu cho thấy nghiên cứu mẫu hạt nano Fe3O4 có kích thước 20nm thể đặc tính siêu thuận từ nhiệt độ phòng Các nghiên cứu đường đo ZFC mẫu có kích thước 16 nm 14 nm từ trường khác cho kết phù hợp với nhận định 60 0.5 40 M(emu /g) 80 FC -1 -30 -20 -10 0 10 H(Oe) D20 D8 20 30 -20 M(emu/g) M(emu/g) -0.5 20 D20 D16 D14 D12 D10 D8 -40 -60 T T B FC ZFC ZFC FC ZFC T irr T B irr T S1 S2 S3 T B irr -80 -1.2 10 -8000 -4000 4000 8000 1.2 10 H(T) 50 100 150 200 250 300 350 400 T(K) Hình 3.3 Đường M(H) 300 K Hình 3.4 Đường đo ZFC-FC của mẫu có kích thước khác mẫu kích thước 14nm, 16nm 20nm Ngoài ra, để nghiên cứu tương tác hạt mẫu thực làm khớp giá trị TB mẫu từ trường khác cho mô hình hạt tương tác nhỏ (coi không tương tác), kết cho thấy giá trị thực nghiệm phù hợp với mô hình hạt tương tác nhỏ 220 y = m1*(1 -m2*M0) ^ Val ue 200 B T (K) M(emu/g) 6.5 5.5 22 6.91 3.81 93 m2 0.00 054 12 3.71 54e -05 Ch isq 46 45 NA R 0.99 168 NA 180 160 50 Oe 10 Oe 20 Oe 25 Oe 35 Oe 50 Oe 4.5 50 Error m1 100 150 200 250 T(K) 300 140 350 400 Hình 3.5 Các đường đo ZFC mẫu từ trường khác mẫu có kích thước 16nm (D16) 50 100 150 200 250 H(Oe) 300 350 Hình 3.6 Đường phụ thuộc nhiệt độ khóa vào từ trường mẫu D16 14 Các giá trị số dị hướng hiệu dụng xác định cho hai mẫu kích thước 16 nm 14 nm có giá trị 3.4×105 erg/cm3 5,1×105 erg/cm3 Giá trị lớn giá trị số dị hướng tinh thể mẫu khối từ đến lần Kết cho thấy ảnh hưởng không nhỏ hiệu ứng bề mặt tồn cấu trúc vỏ lõi hạt nano từ 3.2.2 Từ độ hạt nano Fe3O4 cấu hình vỏ lõi S M (emu/g) Từ độ bão hòa 80 mẫu hạt nano Fe3O4 70 60 xác định dựa đường đo 50 từ hóa ban đầu từ 40 trường -1,1 T đến 1,1 T Kết 30 cho thấy mô men 20 10 12 14 16 18 20 22 từ bão hòa giảm nhanh theo d (nm) kích thước hạt, giá trị Hình 3.7 Mối liên hệ từ độ bão mômen từ giảm từ 67 emu/g hòa kích thước hạt tới 26 emu/g kích thước thay đổi từ 16nm xuống 8nm giá trị mô men từ bão hòa mẫu nhỏ mẫu khối Sự phụ thuộc gần tuyến tính mô men từ bão hòa theo kích thước hạt mô tả đồ thị hình 3.7 Theo tác giả Gangopadhyay, giảm mô men từ bão hòa theo kích thước mẫu khối hạt từ kích thước nano có liên quan tới tỷ lệ đáng kể diện tích bề mặt so với khối Các hạt xem cầu với phần lõi có cấu trúc spin định hướng song song từ độ bão hòa tương tự mẫu khối đơn tinh thể lý tưởng Trong phần vỏ có cấu trúc spin bất trật tự sai lệch cấu trúc tinh thể khuyết thiếu ion, coi từ độ phần vỏ bé nhiều so với phần lõi Khi kích thước hạt giảm, phần vỏ không từ đóng góp đáng kể vào toàn thể tích hạt mô men từ giảm 15 Ở trạng thái siêu thuận từ, đường M(H) vật liệu nano từ mô tả theo hàm Langevin, nhiên xét đến mô hình vỏ lõi đường thực nghiệm hoàn toàn phù hợp với mô hình theo công thức: T( O C ) Dựa vào mô hình vỏ lõi, xác định kích thước lõi hạt nano Fe3O4 kích thước khác Từ đồ thị phụ thuộc kích thước vỏ - lõi thấy tính ferrit từ hạt nano Fe3O4 không hạt có kích thước 3nm 3.3 Khả sinh nhiệt từ trường xoay chiều 70 D16 D14 Khả sinh nhiệt từ trường D12 60 D8 xoay chiều mẫu hạt có kích 50 thước khác khảo sát thông qua đường đốt từ nhiệt từ trường 40 xoay chiều có cường độ 80Oe tần 30 số 219 kHz (hình 3.8) Kết cho 200 400 600 800 1000 1200 1400 t (s) thấy tốc độ tăng nhiệt công suất đốt tăng theo kích thước, giá trị công suất Hình 3.8 Đường đốt nóng đốt cao đạt 42 W/g mẫu hạt cảm ứng từ mẫu hạt nano Fe3O4 có kích thước nano Fe3O4 có kích thước 16nm khác Nghiên cứu Doaga cộng cho thấy vật liệu Fe3O4 có kích thước bé 20nm đóng góp tổn hao Brown lên công suất không đáng kể Do cho SLP chủ yếu hồi phục Neel Nhận định kiểm chứng sâu theo lập luận sau: công suất đóng góp Neel đạt cực đại tích B = Với tần số cường độ từ trường sử dụng (f = 219 kHz, H = 80 Oe), giá trị Keff vật liệu nano Fe3O4 khoảng 23 kJ/m3 đến 41 kJ/m3 , xác định kích thước mà tổn hao Neel đạt cực đại từ 11 đến 16 nm Giá trị SAR tổn hao Neel tính toán cho mẫu D16 thu 48 W/g 16 Theo kết tính toán thấy công suất đốt chế hồi phục Neel đóng góp chủ yếu Chương CHẤT LỎNG TỪ NỀN HẠT NANO Fe3O4 VÀ ỨNG DỤNG TRONG DIỆT TẾ BÀO UNG THƯ 4.1 Nghiên cứu thử nghiệm chế tạo chất lỏng từ hạt nano Fe3O4 bọc tinh bột (SF) ứng dụng diệt tế bào ung thư 4.1.1 Các đặc trưng tính chất từ Kết phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy lớp vỏ bọc starch không ảnh hưởng tới cấu trúc tinh thể vật liệu nano Fe3O4 Hình dạng kích thước mẫu hạt bọc nghiên cứu ảnh FESEM So sánh ảnh mẫu bọc chưa bọc nhận thấy khác biệt rõ nét, hạt sau bọc có dạng hình cầu kích thước vào khoảng 17 nm đến 25 nm hạt phân tán đồng ma trận polyme dạng chuỗi (a) (b) Hình 4.1 Ảnh FESEM hạt nano chưa bọc (a) hạt nano bọc starch (b) Tính chất từ mẫu chất lỏng từ khảo sát thông qua đường cong từ hóa M(H) Kết nghiên cứu cho thấy mẫu chất lỏng từ thể đặc tính siêu thuận từ nhiệt độ phòng với đường thực nghiệm M(H) hoàn toàn khớp với hàm Lagervin Giá trị từ độ sau bọc giảm so với mẫu chưa bọc khoảng 6% giá trị không thay đổi sau hai tháng Có thể thấy phẩm chất hạt từ bọc starch không 17 M(emu/ml) thay đổi khoảng thời gian fit theo hàm lagevin dài, thích hợp cho nghiên cứu 0.5 từ nhiệt trị ung thư Do đó, tiến hành thực thí nghiệm xác định giá trị SLP mẫu Kết -0.5 đốt nóng cảm ứng từ mẫu chất -1 lỏng từ có nồng độ 15 mg/ml có công -20 -15 -10 -5 10 15 20 H(kOe) suất đốt đạt 86 W/g, gía trị lớn Hình 4.2 Đường cong từ trễ nhiều so với mẫu hạt chưa bọc Điều 10 µl chất lỏng từ hạt giải đóng góp chế tổn hao nano Fe3O4 bọc starch Brown Với mục tiêu chế tạo chất lỏng từ có nồng độ hạt từ thấp mà đạt công suất toả nhiệt (SAR) cao khoảng nhiệt độ đốt từ 40oC đến 45oC, tiến hành thực thí nghiệm đốt từ với nồng độ chất lỏng từ khác nhằm khảo sát mối tương quan công suất toả nhiệt, nhiệt độ bão hoà nồng độ hạt từ chất lỏng để tìm kiếm nồng độ chất lỏng từ tối ưu nhằm định hướng ứng dụng y sinh Kết cho thấy giá trị Sar cao nhật đạt 126 W/g mẫu chất lỏng từ có nồng độ mg/ml Giá trị phù hợp cho ứng dụng đốt từ nhiệt 4.1.2 Ứng dụng chất lỏng từ hạt nano Fe3O4 bọc starch diệt tế bào ung thư phương pháp đốt nóng cảm ứng từ Các kết nghiên cứu thử nghiệm độc tính chất lỏng từ dòng tế bào ung thư Hela Sacorma cho thấy hạt từ bọc starch có khả bám dính tốt bề mặt tế bào ung thư Ở nồng độ thấp chất lỏng từ bọc stach không gây độc tính với tế bào ung thư sau 72 h ủ Chi tiết kết đưa hình 4.1 5.1 Các kết từ thí nghiệm đốt nóng cảm ứng từ cho thấy tế bào ung thư bị tiêu diệt nhiệt độ hạt nano Fe3O4 tạo từ trường xoay chiều Ở thí nghiệm với lượng hạt từ nhỏ 0.03ng/tế bào thu 18 hiệu ứng nhiệt trị đủ để tiêu diệt tế bào ung thư Hình 4.3 Ảnh Hiển vi quang học tế bào ung thư trước (a) sau ủ với hạt từ (b,c,d) Bảng Sự phát triển tế bào ung thư sau 72 giơ ủ với nồng độ chất lỏng từ khác Nồng độ hạt nano Fe3O4(ng/Tế bào) Dòng tế bào 0.1 0.5 1.0 5.0 10.0 Sarcoma 95.5 ± 94.5 ±5 96.3 ± 92.0 ± 89.5 ± 180 Chưa xác H358 84.5 ± 82.5 ± 85.0 ± 78.2 ± định 4.2 Chất lỏng từ hạt nano Fe3O4 bọc chitosan, chitosan biến tính khả ứng dụng y sinh 4.2.1 Các đặc trưng tính chất từ chất lỏng từ bọc chitosan chitosan biến tính Tương tự mẫu bọc starch, cấu trúc tinh thể vật liệu nano Fe3O4 không bị ảnh hưởng lớp vỏ bọc chitosan chitosan biến tính Hình 4.3 ảnh FESEM mẫu hạt bọc chitosan tosan biến tính Kết cho thấy mẫu sau bọc có dạng hình cầu kích thước tương đối đồng Kích thước sau bọc tăng lên đáng kể, giá 19 trị nhận cho mẫu bọc chitosan A C phân bố từ 30nm ÷ 50nm từ 45nm ÷ 60nm với mẫu bọc chitosan biến tính Điều B D trình bọc hạt, chuỗi polymer bao phủ không hạt mà bao phủ từ đến hạt Khi quan sát ảnh FESEM hai mẫu thang đo µm ( hình 4.13 B, D), thấy Hình 4.4 Ảnh FESEM mẫu hạt bọc phân tán tốt nước, nano Fe3O4 bọc chitosan (A,B) chitosan biến tính (C,D) đặc biệt mẫu bọc chitosan biến tính Để thấy rõ tương tác lớp vỏ bọc polymer hạt nano từ, tiến hành nghiên cứu phổ hồng ngoại mẫu polymer, hạt bọc mẫu hạt chưa bọc Kết phân tích phổ hồng ngoại mẫu cho thấy có tương tác hạt nano từ lớp vỏ bọc dịch chuyển đỉnh hấp thụ mẫu hạt bọc so với mẫu chưa bọc mẫu polyme ( Hình 4.4) Với mẫu bọc chitosan thấy nhóm chức NH2-, OH- chitosan liên kết với Fe3O4 thông qua tương tác Culomb với O2 Fe+ Với mẫu bọc chitosan biến tính thấy ác phân tử OCMCs hình thành liên kết với bề mặt hạt nano từ thông qua liên kết hyđro O hạt từ nhóm Hình 4.5 Phổ hồng ngoại biến NH2 Các kết nghiên cứu đổi Fourier mẫu Fe3O4, Chitosan biến tính tính chất từ mẫu bọc (OCMCS), Fe O bọc Chitosan chitosan chitosan biến tính biến tính (Fe3O4-OCMCS) 20 khảo sát thông qua đường cong từ hóa M(H) Mẫu chất lỏng từ bọc chitosan chitosan biến tính thể đặc tính siêu thuận từ giá trị từ độ sau bọc giảm khoảng 20 đến 25% so với mẫu chưa bọc Kết phù hợp với kết thu từ đường phân tích nhiệt khối lượng Hình 4.5 4.6 trình bày kết đo từ nồng độ khác mẫu chất lỏng từ bọc chitosan chitosan biến tính Kết cho thấy nhiệt độ bão hoà phụ thuộc mạnh vào nồng độ, giá trị cao đạt mẫu hạt nano Fe3O4 bọc chitosan 97oC chitosan biến tính 68oC nồng độ 1mg/ml Khi so sánh khả sinh nhiệt mẫu chất lỏng từ bọc chitosan chitosan biến tính với chất lỏng từ bọc starch, thấy mẫu bọc chitosan chitosan biến tính ưu việt nồng độ thấp cỡ 10 lần nhiệt độ đốt bão hòa đạt 45oC Như vậy, chế tạo thành công chất lỏng từ bọc chitosan chitosan biến tính có công suất đốt cao phù hợp cho ứng dụng nhiệt trị tế bào với nồng độ thấp Ngoài ra, so sánh kết đốt từ mà thu với kết cho mẫu tốt thấy giá trị SAR nhận tương đối cao giá trị hoàn toàn ứng dụng để điều trị khối u 80 100 60 o T ( C) 80 T (oC) 0.7 0.5 0.3 0.2 70 60 50 40 40 0.7 0,5 0.3 0,2 0,1 20 30 0 200 400 600 800 1000120014001600 300 600 900 t (s) 1200 1500 t (s) Hình 4.6 Đường đốt từ chất Hình 4.7 Đường đốt từ chất lỏng từ hạt nano Fe3O4 bọc chitosan lỏng từ hạt nano Fe3O4 bọc nồng độ khác chitosan biến tính nồng độ khác 21 4.2.2 Khả ứng dụng y sinh Việc tiêm trực tiếp hạt từ vào khối u ung thư gặp khó khăn không với mẫu chất lỏng từ bọc starch, với chất lỏng từ bọc chitosan chitosan tan dung môi axit yếu (axít acetic 2%) Do đưa ý tưởng sử dụng đại thực bào đối tượng trung gian để vận chuyển hạt từ vào khối u Khả ứng dụng mẫu chất lỏng từ y sinh nghiên cứu dựa thí nghiệm invitro Kết nghiên cứu tương tác chất lỏng từ bọc chitosan đại thực bào cho thấy sử dụng đại thực bào làm trung gian vận chuyển hạt nano từ vào khối u ung thư Chất lỏng từ bọc chitosan biến tính hoàn toàn không gây độc với tế bào lành Do đó, nhận định lớp vỏ bọc chitosan chitosan biến tính vật liệu bọc phù hợp để ứng dụng y sinh KẾT LUẬN Trên sở kết nghiên cứu, đưa số kết luận sau: Đã chế tạo thành công vật liệu từ nano Fe3O4 dạng hạt phương đồng kết tủa với kích thước hạt thay đổi khoảng từ nm đến 20 nm tương ứng với mômen từ có giá trị từ 28-75 emu/g Các phép đo từ cho thấy từ tính hạt nano Fe3O4 phụ thuộc mạnh vào kích thước Các mẫu có kích thước 20 nm thể đặc tính siêu thuận từ nhiệt độ phòng tương tác hạt nano siêu thuận từ nhỏ Mô hình cấu trúc vỏ lõi hạt sử dụng để lý giải suy giảm từ độ mẫu hạt nano so với mẫu khối suy giảm từ độ theo kích thước hạt Đã khảo sát khả sinh nhiệt từ trường xoay chiều hạt nano Fe3O4 có kích thước khác Công suất tỏa nhiệt riêng 22 phụ thuộc vào kích thước hạt mô men từ bão hòa, giá trị công suất cao thu gần 42 W/g cho mẫu D16 Kết cho thấy hạt nano Fe3O4 có kích thước trung bình khoảng 16 nm phù hợp cho ứng dụng y sinh Đã chế tạo thành công chất lỏng từ hạt nano Fe3O4 bọc tinh bột, chitosan chitosan biến tính Tùy vào loại vật liệu bọc, kích thước độ phân tán môi trường nước khác Các mẫu chất lỏng thể đặc tính siêu thuận từ nhiệt độ phòng với giá trị HC không trạng thái từ phù hợp với hàm Langevin Từ độ mẫu sau bọc nhỏ so với mẫu chưa bọc Độ suy giảm từ độ so với mẫu chưa bọc phụ thuộc vào loại vật liệu bọc Với mẫu bọc tinh bột từ độ giảm 6%, mẫu bọc chitosan chitosan biến tính khoảng 20-25% Hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ từ trường xoay chiều có tần số 184-263 kHz cường độ từ 80 -150 Oe mẫu nồng độ khác mẫu chất lỏng từ nghiên cứu Ở nồng độ hạt từ thấp (0,1 mg/ml – mg/ml) nhiệt độ đốt bão hòa mẫu đạt giá trị 45oC Công suất tỏa nhiệt thu mẫu tương đối cao, 320 W/g cho mẫu bọc chitosan nồng độ 0,1 mg/ml, 188 W/g cho mẫu bọc chitosan biến tính nồng độ 0,2 mg/ml, 129 W/g cho mẫu bọc tinh bột nồng độ mg/ml Các kết phù hợp cho ứng dụng đốt từ nhiệt y sinh Khả ứng dụng mẫu chất lỏng từ y sinh nghiên cứu dựa thí nghiệm ex-vivo in-vitro Kết cho thấy mẫu chất lỏng từ có tính tương hợp sinh học tốt với dòng tế bào lành dòng tế bào ung thư Đồng thời sử dụng đại thực bào làm trung gian vận chuyển hạt nano từ vào khối u Các tế bào ung thư bị tiêu diệt nhiệt độ hạt từ tạo từ 23 trường xoay chiều có tần số 184 kHz cường độ 150 Oe nồng độ thấp 3mg/ml CÁC CÔNG TRÌNH SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN Phạm Hoài Linh, Hà Phương Thư, Mai Thu Trang, Nguyễn Xuân Nghĩa, Đỗ Hùng Mạnh, Trần Đăng Thành, Nguyễn Xuân Phúc Lê Văn Hồng, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Vật lý Chất rắn toàn quốc lần thứ VI, Đà nẵng 8-10/11/2009, Nhà xuất khoa học tự nhiên công nghệ, p 891 Pham Hoai Linh, Nguyen Chi Thuan, Nguyen Anh Tuan, Pham Van Thach, Tran Cong Yen, Nguyen Thi Quy, Hoang Thi My Nhung, Phi Thi Xuyen, Nguyen Xuan Phuc and Le Van Hong, Journal of Physics: ConferenceSeries 187 (2009) 012008 Pham Hoai Linh, Pham Van Thach, Nguyen Anh Tuan, Nguyen Chi Thuan, Do Hung Manh, Nguyen Xuan Phuc and Le Van Hong, Journal of Physics: Conference Series 187 (2009) 012069 Dai Lam Tran, Van Hong Le, Hoai Linh Pham, Thi My Nhung Hoang, Thi Quy Nguyen, Thien Tai Luong, Phuong Thu Ha and Xuan Phuc Nguyen, Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol (2010) 045013 Pham Hoai Linh, Do Hung Manh, Tran Dai Lam, Le Van Hong, Nguyen Xuan Phuc, Nguyen Anh Tuan, Nguyen Thanh Ngọc, Vu Anh Tuan, International Journal of Nanotechnology, 2011, vol 8, pp 399413 Phạm Hoài Linh, Hà Phương Thư, Trần Đăng Thành, Đỗ Hùng Mạnh, Nguyễn Xuân Phúc Lê Văn Hồng, Hội nghị vật lý chất rắn khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ (SPMS-2011), Thành phố Hồ Chí Minh 7-9/11/ 2011, p 266 24 Xuan Phuc Nguyen, Dai Lam Tran, Phuong Thu Ha,Hong Nam Pham, Thu Trang Mai, Hoai Linh Pham, Van Hong Le,Hung Manh Do, Thi Bich Hoa Phan, Thi Ha Giang Pham,Dac Tu Nguyen, Thi My Nhung Hoang, Khanh Lam and Thi Quy Nguyen, Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol (2012) 033001 P H Linh, P T Phong, D.H Manh, L V Hong, N X Phuc, Magnetic poperties of Fe3O4 nano particles synthesized by coprecipitation method, J Superconductivity and Novel Magnetism (2014) 27 : 2111–2115