Luận án cấu trúc lai ferit từ (Fe3O4) - kim loại quý (Ag, Au) nano định hướng y sinh

MỞ ĐẦU Những năm gần đây, công nghệ và vật liệu nano ra đời đã tạo nên bước nhảy đột phá trong nhiều lĩnh vực như: điện tử, xúc tác, môi trường và đặc biệt là y sinh [1–3]. Các ứng dụng này dựa trên tính chất độc đáo của vật liệu có kích thước nano liên quan đến hiệu ứng bề mặt. Trong lĩnh vực y sinh, nhu cầu đối với các giải pháp công nghệ cũng như các vật liệu kích thước nano sử dụng trong chẩn đoán và điều trị bệnh đang trở nên cấp thiết. Một trong những loại vật liệu mang lại nhiều tiềm năng cho hướng ứng dụng này là vật liệu nano lai, trong đó phải kể đến cấu trúc lai từ - quang [4].

Các nghiên cứu gần đây cho thấy sự kết hợp của tính chất từ và tính chất quang trên một cấu trúc nano đã cải thiện ứng dụng của hạt nano (nanoparticles - NPs) đơn lẻ và mở ra những hướng mới trong lĩnh vực y sinh. Ưu điểm của cấu trúc lai từ - quang trong lĩnh vực này là chỉ một lần kích hoạt bởi những kích thích vật lý phù hợp đã đạt được mục tiêu mong muốn, do đó giảm thiểu tác dụng phụ của chúng đối với cơ thể. Hơn nữa, một số chức năng có thể hoạt động phối hợp để nâng cao hiệu quả trong các phương thức trị liệu [5]. Chẳng hạn, cấu trúc lõi - vỏ của nano từ và nano kim loại quý (Ag, Au) được ứng dụng trong kháng khuẩn [6], chẩn đoán hình ảnh [7], từ - nhiệt trị [8], quang - nhiệt trị [9] và kết hợp quang/từ - nhiệt trị [10, 11].

Một hạt nano kim loại quý cũng có thể phát triển trên một hạt nano từ tạo nên cấu trúc dumbbell để đạt được các thuộc tính giao thoa thú vị. Thuộc tính này có được là do ảnh hưởng của hiệu ứng chuyển điện tử qua giao diện của hạt nano từ và nano kim loại quý (như các hệ Fe3O4-Ag hoặc Fe3O4-Au) dẫn đến sự hình thành bề mặt dị hướng cao [12]. Hiện nay, một số hệ lai từ - quang được nghiên cứu nhằm mục đích ứng dụng trong y sinh, điển hình là hệ nano lai Fe3O4/Au [13, 14]. Các nghiên cứu ứng dụng vật liệu Fe3O4/Au trong chẩn đoán hình ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (magnetic resonance imaging - MRI) và điều trị ung thư bằng nhiệt trị (quang/từ - nhiệt) đã thu được một số kết quả đáng chú ý [15].

Tuy nhiên, các hạt nano lai (hybrid nanoparticles - HNPs) Fe3O4/Au cấu trúc lõi - vỏ với lớp Au đặc phủ trên bề mặt lõi Fe3O4 đã hạn chế đáng kể sự kết nối của các proton với thành phần từ, dẫn đến giảm 1 tín hiệu tương phản ảnh MRI có trọng số T2. Ngoài ra, Fe3O4/Au với kích thước nhỏ (dưới 20 nm) chỉ hấp thụ các bức xạ trong vùng 530 ÷ 600 nm [16] nên hạn chế sự thâm nhập sâu vào các lớp mô, làm giảm hiệu suất gia nhiệt trong phương pháp quang - nhiệt trị. Để tăng hiệu quả nhiệt trị, vật liệu cần hấp thụ mạnh bức xạ trong vùng hồng ngoại gần 650 ÷ 950 nm (near infrared - NIR), vì ánh sáng NIR có khả năng xuyên sâu vào các lớp mô, còn gọi là “cửa sổ sinh học” [17]. Để đáp ứng điều này, gần đây các nhà khoa học đã nghiên cứu chế tạo một số hệ nano lai Fe 3O4/Au có cấu trúc rỗng.

Cho đến nay các hệ lai Fe3O4/Au rỗng chế tạo được có kích thước hạt lớn (40 ÷ 100 nm) [17, 18] nên ảnh hưởng đến sự lưu thông trong máu. Do đó, việc chế tạo các hạt nano lai Fe3O4/Au rỗng có kích thước hạt nhỏ (dưới 20 nm) và tích hợp cả tính chất từ và quang trong vùng NIR vẫn là một thách thức lớn hiện nay. Ở Việt Nam, theo hiểu biết của chúng tôi, các công bố về phương pháp chế tạo hệ vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý (Ag, Au), tích hợp tính chất từ và quang để ứng dụng trong y sinh còn rất hạn chế. Các kết quả nghiên cứu ứng dụng hệ nano lai Fe3O4-(Ag, Au) làm chất tương phản trong chụp ảnh MRI theo cả hai chế độ trọng T1 và trọng T2, đồng thời làm chất gia nhiệt (quang/từ - nhiệt) trong điều trị ung thư, vẫn chưa được công bố.

Bởi những lý do trên chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài luận án “Nghiên cứu chế tạo và tính chất của cấu trúc lai ferit từ - kim loại (Ag, Au) kích thước nano định hướng ứng dụng trong y sinh”. Mục tiêu nghiên cứu của luận án: Chế tạo cấu trúc lai ferit từ - kim loại (Ag, Au) kích thước nano với đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt nằm trong vùng hồng ngoại gần, có khả năng chuyển đổi quang/từ - nhiệt cao, khả năng tương phản ảnh MRI theo cả hai chế độ chụp trọng T1 và T2 và có khả năng diệt khuẩn mạnh định hướng ứng dụng trong y sinh. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án: Nghiên cứu này mở đường cho việc thiết kế các hệ vật liệu nano lai đa chức năng vừa chẩn đoán, vừa điều trị bệnh hiệu quả nhằm giảm thiểu thiệt hại cho các mô lành trong quá trình điều trị. 2 Bố cục của luận án: Luận án có 120 trang (chưa bao gồm tài liệu tham khảo), gồm các nội dung: Mở đầu Chương 1.

Tổng quan về hệ vật liệu nano ferit từ - kim loại quý Chương 2. Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu Chương 3. Kết quả và thảo luận 3. Hạt nano ferit từ 3.

Hạt nano lai Fe3O4-(Ag, Au) 3. Hạt nano bọc PMAO 3. Khả năng ứng dụng của vật liệu Fe3O4-(Ag, Au) trong y sinh Kết luận 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ VẬT LIỆU NANO FERIT TỪ - KIM LOẠI QUÝ 1.

Giới thiệu chung về vật liệu nano ferit từ - kim loại quý 1. Tính chất từ của vật liệu ferit từ Tính chất từ của các vật liệu khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc điện tử của chúng. Các mômen từ của nguyên tử được tạo ra bởi mômen từ của các điện tử liên quan đến chuyển động nội tại của điện tử (chuyển động spin) và mômen từ quỹ đạo do chuyển động của điện tử quanh hạt nhân nguyên tử gây ra. Trong tự nhiên, tất cả các vật liệu đều bị từ hóa ở một mức độ nào đó.

Tính chất từ của vật liệu được xác định bởi cấu trúc điện tử của nguyên tử tạo nên vật liệu đó. Ta có thể phân loại các vật liệu từ theo độ cảm từ () hay hệ số từ hóa. Độ cảm từ có thể có giá trị từ 10-5 đối với vật liệu từ rất yếu (nghịch từ) đến 10+6 đối với vật liệu từ rất mạnh (sắt từ) [19]: Hình 1. Sơ đồ minh họa sự sắp xếp các mômen từ của các vật liệu khác nhau khi không có và có từ trường bên ngoài (H) [20].

4 Vật liệu nghịch từ: là vật liệu được hình thành từ các nguyên tử không có mômen từ spin hoặc mômen từ quỹ đạo. Khi đặt vật liệu nghịch từ trong từ trường ngoài thì các mômen từ sinh ra trong vật liệu định hướng ngược với hướng của từ trường ngoài và có giá trị rất nhỏ (hình 1. Độ cảm từ của vật liệu có giá trị âm và có độ lớn khoảng 10-6 ÷ 10-5 (cgs g-1). Nguồn gốc của tính nghịch từ là chuyển động quỹ đạo của điện tử quanh hạt nhân do tác dụng của cảm ứng điện từ bởi từ trường ngoài.

Tất cả các vật liệu có lớp vỏ điện tử được lấp đầy là các vật liệu nghịch từ. Vật liệu thuận từ: là vật liệu được tạo thành từ các nguyên tử có một phần lớp vỏ điện tử được lấp đầy. Khi không có từ trường ngoài, trong vật liệu có mômen từ nguyên tử, tuy nhiên chúng sắp xếp hỗn loạn do chuyển động nhiệt nên mômen từ của toàn bộ vật liệu bằng không. Khi có từ trường ngoài đặt vào mẫu, các monmet từ của mẫu sắp xếp theo hướng của từ trường ngoài (hình 1.

Vật liệu thuận từ có độ cảm từ dương 10-5 ÷ 10-3 (cgs g-1). Vật liệu sắt từ: là vật liệu mà mômen nguyên tử sắp xếp song song do năng lượng tương tác giữa các spin là dương và có giá trị lớn, vì vậy tạo ra từ tính tự phát rất lớn ngay cả khi không có từ trường ngoài (hình 1. Các vật liệu sắt từ thông thường nhất là các kim loại chuyển tiếp dãy 3d như Co, Fe, Ni và các hợp kim của chúng. Vật liệu phản sắt từ: cũng giống vật liệu sắt từ ở chỗ nó tạo thành từ các nguyên tử có mômen từ với độ lớn bằng nhau.

Tuy nhiên, các mômen từ này định hướng ngược nhau (đối song) nên từ hóa tổng thể của vật liệu phản sắt từ gần bằng 0 khi không có mặt từ trường (hình1. Các loại vật liệu phản sắt từ điển hình là: CoO, NiO, FeO. Vật liệu ferit từ: là vật liệu có các mômen từ không có độ mạnh như nhau và chúng sắp xếp đối song (hình 1. Vật liệu ferit từ có từ tính tự phát, nhưng thấp hơn trong vật liệu sắt từ.

Các oxit của kim loại chuyển tiếp như Fe3O4 hoặc ferit như CoFe2O4 là ví dụ điển hình cho vật liệu ferit từ. Để giảm tối đa năng lượng khử từ, các vật liệu từ như sắt từ hoặc ferit từ có xu hướng chia nhỏ thành các đômen. Kích thước của đômen từ vài chục đến vài trăm nanomet và được xác định bởi hằng số dị hướng và tính chất từ của mỗi vật liệu. Trong một đômen, các mômen từ có xu hướng định hướng theo một hướng 5 nhất định gọi là hướng dễ từ hóa.

Khi kích thước của hạt giảm xuống thấp hơn kích thước của một đômen, hạt nano từ là các đơn đômen và trở thành vật liệu siêu thuận từ ở nhiệt độ phòng. Vật liệu siêu thuận từ cũng tương tự như vật liệu thuận từ, tức là khi không có từ trường ngoài, mômen từ tổng thể của vật liệu sẽ bằng không. Khi đặt chúng trong từ trường ngoài mômen từ của các nguyên tử sẽ định hướng theo hướng từ trường ngoài, tổng mômen từ của các hạt giống như một mômen từ “khổng lồ” duy nhất [21]. Tuy nhiên khác với vật liệu thuận từ, giá trị từ hóa của vật liệu siêu thuận từ lớn hơn rất nhiều.

Tính chất quang của vật liệu kim loại quý (Ag, Au) * Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt: Các kim loại quý (Ag, Au) có mật độ điện tử tự do lớn nên khi được kích thích bởi điện trường của ánh sáng tới thì chúng dao động. Thông thường các dao động này bị dập tắt nhanh bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đường tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước vật liệu.