Đề án thạc sĩ: Nghiên cứu lớp vỏ bọc axit citric lên vật liệu CoFe2O4 của Bùi Mai Phương - ĐH Thái Nguyên

Nghiên cứu quy trình chế tạo hạt CoFe2O4 bọc axit citric và đánh giá chi tiết ảnh hưởng của lớp vỏ lên tính chất quang từ cùng hiệu ứng đốt từ nhiệt.

• Tác giả: Bùi Mai Phương
• Người hướng dẫn: Chu Thị Anh Xuân
• Trường học: Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Quang học
• Đề tài: Chế tạo và nghiên cứu ảnh hưởng của lớp vỏ bọc axit citric lên tính chất quang - từ và hiệu ứng đốt từ nhiệt của vật liệu CoFe2O4
• Loại tài liệu: Đề án thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu nano CoFe2O4 và lớp vỏ bọc axit citric

Vật liệu ferrite spinel CoFe2O4 sở hữu từ tính mạnh và độ dị hướng từ tinh thể cao. Cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt tạo nên độ bền hóa học vượt trội. Tuy nhiên các hạt nano trần dễ bị kết tụ do lực hút lưỡng cực từ. Hiện tượng này làm suy giảm khả năng phân tán trong dung dịch nước. Việc bọc lớp vỏ axit citric mang lại giải pháp biến tính bề mặt tối ưu. Phân tử axit citric chứa các nhóm carboxyl linh động. Các nhóm này liên kết chặt chẽ với cation kim loại trên bề mặt hạt CoFe2O4. Lớp phủ hữu cơ mỏng tạo ra lực đẩy tĩnh điện mạnh mẽ giữa các hạt. Hệ vật liệu CoFe2O4@CA đạt độ ổn định cao trong môi trường sinh lý. Khả năng phát quang và hấp thụ ánh sáng của vật liệu cũng được cải thiện rõ rệt. Đây là tiền đề quan trọng cho các ứng dụng chẩn đoán hình ảnh và nhiệt từ trị liệu. Nghiên cứu tập trung làm sáng tỏ mối liên hệ giữa cấu trúc vỏ bọc và các đặc tính vật lý cốt lõi.

1.1. Cấu trúc mạng tinh thể ferrite spinel CoFe2O4

Cobalt ferrite kết tinh theo cấu trúc spinel đảo điển hình. Các ion Fe3+ phân bố đều tại các vị trí tứ diện và bát diện. Ngược lại, ion Co2+ chiếm giữ các vị trí bát diện trong ô mạng cơ sở. Cấu trúc này tạo ra tương tác siêu trao đổi gián tiếp qua cầu oxy. Nhờ đó, vật liệu duy trì từ hóa bão hòa lớn và độ kháng từ cao ở nhiệt độ phòng. Mạng tinh thể bền vững chống lại quá trình oxy hóa tự nhiên. Kích thước hạt nano có thể điều chỉnh linh hoạt trong quá trình tổng hợp. Kích thước tới hạn giúp vật liệu chuyển sang trạng thái siêu thuận từ lý tưởng. Cấu trúc tinh thể quyết định trực tiếp hiệu năng quang từ của toàn hệ.

1.2. Vai trò của lớp biến tính bề mặt axit citric

Axit citric đóng vai trò là chất hoạt hóa bề mặt đa chức năng. Phân tử chứa ba nhóm carboxyl và một nhóm hydroxyl phân cực. Đầu carboxyl gắn kết đồng hóa trị với bề mặt oxit sắt từ. Các nhóm carboxyl còn lại tự do hướng ra ngoài môi trường phân tán. Hiện tượng này tạo điện tích âm đồng nhất trên bề mặt hạt nano. Lực đẩy tĩnh điện ngăn chặn sự keo tụ tự phát giữa các hạt. Nhờ vậy, dung dịch keo từ CoFe2O4 duy trì trạng thái lơ lửng ổn định. Lớp vỏ bọc còn bảo vệ lõi từ tính khỏi các tác nhân ăn mòn sinh học. Bề mặt chức năng hóa này tương thích sinh học cao với tế bào sống.

II. Phân tích ảnh hưởng của axit citric lên tính chất quang từ CoFe2O4

Lớp vỏ axit citric tác động sâu sắc đến các đặc tính quang và từ của CoFe2O4. Lớp phủ hữu cơ làm thay đổi tính bất đối xứng phối trí bề mặt của các cation kim loại. Hiện tượng spin bất trật tự tại lớp vỏ bị suy giảm nhẹ. Giá trị từ hóa bão hòa Ms của CoFe2O4@CA có xu hướng giảm so với hạt trần. Nguyên nhân xuất phát từ sự đóng góp khối lượng phi từ tính của phân tử axit citric. Tuy nhiên độ kháng từ Hc và tính ổn định từ nhiệt vẫn được duy trì ở mức tối ưu. Về mặt quang học, lớp vỏ citric làm dịch chuyển nhẹ bờ hấp thụ vùng cực tím và khả kiến. Sự tương tác giữa nhóm carboxyl và tâm ion kim loại làm thay đổi độ rộng vùng cấm quang học. Quá trình tái tổ hợp electron-lỗ trống bị biến đổi rõ nét. Vật liệu thể hiện phổ phản xạ khuếch tán và huỳnh quang khác biệt. Điều này mở ra tiềm năng tích hợp quang từ đồng thời trên cùng một hạt nano.

2.1. Biến đổi thông số từ tính và từ hóa bão hòa

Phép đo từ kế mẫu rung VSM cho thấy đường trễ từ rõ ràng của CoFe2O4@CA. Giá trị từ hóa bão hòa giảm tỷ lệ thuận với nồng độ lớp vỏ bọc. Lớp axit citric đóng vai trò là pha phi từ tính bao quanh lõi sắt từ. Sự suy giảm lớp spin bề mặt làm giảm tổng mômen từ tinh khiết. Mặc dù vậy, hạt nano vẫn giữ được phản ứng từ mạnh mẽ dưới từ trường ngoài. Độ từ dư và lực kháng từ thay đổi tùy thuộc vào kích thước hạt cốt lõi. Sự phân tán tốt ngăn chặn tương tác lưỡng cực từ tiêu cực. Nhờ đó, hạt phản hồi nhanh và chính xác với trường từ xoay chiều bên ngoài.

2.2. Đặc tính quang học và dịch chuyển phổ hấp thụ

Phổ hấp thụ UV-Vis của CoFe2O4@CA thể hiện sự thay đổi dải hấp thụ quang học. Sự xuất hiện của axit citric tạo ra tương tác trường phối tử mới. Liên kết phối trí làm thay đổi các bước chuyển điện tử d-d nội tại của cation Co2+ và Fe3+. Năng lượng vùng cấm quang học Eg có sự dịch chuyển có quy luật. Hiện tượng này chứng minh sự gắn kết hóa học bền vững của lớp vỏ hữu cơ lên hạt nano. Phổ hồng ngoại FTIR xác nhận sự xuất hiện của dao động liên kết carboxylat đối xứng và bất đối xứng. Các đỉnh hấp thụ đặc trưng của liên kết Fe-O và Co-O vẫn giữ nguyên vẹn. Vật liệu duy trì độ bền quang học cao dưới tác động bức xạ.

III. Phương pháp chế tạo vật liệu CoFe2O4 bọc axit citric hiệu năng cao

Quy trình chế tạo CoFe2O4@CA thường áp dụng phương pháp đồng kết tủa hóa học hoặc thủy nhiệt. Muối sắt và coban được hòa tan theo tỷ lệ phân tử lượng xác định. Dung dịch kiềm được thêm vào để kiểm soát độ pH phản ứng. Axit citric được đưa vào trực tiếp trong quá trình tổng hợp hoặc thông qua biến tính thứ cấp. Nhiệt độ và tốc độ khuấy ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước tinh thể nano. Kỹ thuật nhiễu xạ tia X XRD giúp kiểm chứng pha đơn tinh thể spinel thuần khiết. Giản đồ XRD không xuất hiện tạp pha oxit kim loại tự do. Ảnh hiển vi điện tử quét FESEM và truyền qua TEM xác định hình thái hạt gần như cầu. Kích thước trung bình của hạt dao động đồng đều trong khoảng nanomet hẹp. Phân tích thế Zeta chứng minh tính tích điện âm bền vững trong dải pH rộng từ 3 đến 9. Hạt nano phân tán ổn định mà không lắng cặn sau thời gian dài.

3.1. Kỹ thuật tổng hợp hóa học và kiểm soát cấu trúc

Phương pháp đồng kết tủa kết hợp xử lý nhiệt là lựa chọn phổ biến nhất. Tiền chất Fe(NO3)3 và Co(NO3)2 được hòa tan trong nước khử ion tinh khiết. Chất tạo phức axit citric được bổ sung để điều chỉnh tốc độ tạo mầm tinh thể. Dung dịch NaOH hoặc NH4OH đóng vai trò tác nhân kết tủa ở pH kiềm. Phản ứng xảy ra trong môi trường gia nhiệt có kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt. Sau phản ứng, hạt nano được rửa sạch nhiều lần bằng nước cất và ethanol. Quá trình sấy và ủ nhiệt tạo nên cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh. Phương pháp này đảm bảo tính lặp lại cao và chi phí tổng hợp thấp.

3.2. Phân tích hình thái học và độ bền phân tán thế Zeta

Hình ảnh FESEM và TEM cho thấy các hạt nano CoFe2O4@CA có dạng hình cầu đồng nhất. Kích thước hạt trung bình đạt khoảng 10 đến 25 nanomet. Bề mặt hạt được bao bọc bởi một lớp vỏ hữu cơ mỏng và liên tục. Phép đo tán xạ ánh sáng động DLS thể hiện đường phân bố kích thước thủy động học hẹp. Phân tích thế Zeta chứng minh giá trị điện tích bề mặt luôn âm trong dải pH 3 đến 9. Khác với axit oleic chỉ ổn định ở pH trung tính, axit citric duy trì độ bền keo vượt trội. Hạt không bị đông tụ trong môi trường sinh lý chứa muối sinh lý hay huyết thanh.

IV. Kết luận về hiệu ứng đốt từ nhiệt của CoFe2O4 bọc axit citric

Hiệu ứng đốt từ nhiệt MIH của hạt nano CoFe2O4@CA mang lại tiềm năng to lớn trong điều trị ung thư. Dưới tác dụng của từ trường xoay chiều tần số cao, các hạt nano nhanh chóng chuyển hóa năng lượng từ thành nhiệt năng. Cơ chế sinh nhiệt chủ yếu dựa trên tổn hao trễ từ và cơ chế hồi phục Neel cùng Brown. Lớp vỏ bọc axit citric giúp phân tán đều nguồn nhiệt cục bộ trong khối u. Tốc độ tăng nhiệt và tỷ suất hấp thụ riêng SAR đạt giá trị lý tưởng. Môi trường nhiệt trị dao động từ 42 đến 45 độ C giúp tiêu diệt tế bào ung thư chọn lọc. Tế bào lành xung quanh hoàn toàn không bị tổn thương nhiệt. Bên cạnh đó, vật liệu còn thể hiện hoạt tính kháng khuẩn mạnh mẽ chống lại các chủng vi khuẩn gram âm và gram dương. Tác động của gốc oxy hóa tự do ROS bề mặt phá vỡ màng sinh chất vi sinh vật. Vật liệu CoFe2O4@CA là ứng viên sáng giá cho nền y học chính xác tương lai.

4.1. Khả năng sinh nhiệt và ứng dụng điều trị nhiệt từ

Thử nghiệm đốt từ nhiệt khẳng định dung dịch keo CoFe2O4@CA có khả năng nâng nhiệt độ nhanh chóng. Trong từ trường xoay chiều biên độ thích hợp, nhiệt độ dung dịch dễ dàng vượt ngưỡng 42 độ C. Tỷ suất hấp thụ riêng SAR phụ thuộc trực tiếp vào nồng độ hạt và cường độ từ trường tác dụng. Lớp phủ axit citric giúp hạt không kết tụ khi tăng nhiệt độ dung dịch. Nhờ đó, quá trình chuyển hóa năng lượng diễn ra ổn định và bền vững. Nhiệt độ trị liệu này kích hoạt quá trình tự chết apoptosis của tế bào ác tính. Đây là phương pháp điều trị ung thư không xâm lấn, giảm thiểu tác dụng phụ so với hóa xạ trị truyền thống.

4.2. Hoạt tính kháng khuẩn và triển vọng phát triển y sinh

Hạt nano CoFe2O4@CA thể hiện hoạt tính ức chế vi khuẩn và nấm gây bệnh hiệu quả. Sự tiếp xúc giữa bề mặt hạt và vách tế bào vi khuẩn tạo ra ứng kích oxy hóa ROS. Các gốc tự do làm tổn thương màng tế bào, gây rò rỉ chất nguyên sinh và phá hủy chuỗi DNA vi khuẩn. Điện tích âm ổn định của lớp vỏ axit citric tăng cường tiếp xúc tĩnh điện với cấu trúc màng sinh học. Vật liệu có khả năng chống lại cả vi khuẩn Gram âm như E. coli và Gram dương như S. aureus. Kết quả này mở rộng phạm vi ứng dụng của CoFe2O4@CA sang lĩnh vực khử khuẩn và vật liệu phủ y tế kháng nhiễm trùng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong kỷ nguyên phát triển của y học hiện đại, ung thư tiếp tục là nguyên nhân gây tử vong hàng đầu với hàng triệu ca mắc mới mỗi năm. Phương pháp tăng thân nhiệt cảm ứng từ (Magnetic Inductive Heating - MIH) đang nổi lên như một liệu pháp điều trị tiềm năng khi có thể duy trì nhiệt độ khối u trong khoảng 41°C đến 46°C, kích hoạt quá trình tự hủy của tế bào ung thư mà không gây tổn hại đến các mô lành lân cận. Trong số các vật liệu từ tính, hạt nano coban ferrite (CoFe2O4 - CFO) thuộc nhóm ferrite spinel thu hút sự chú ý đặc biệt nhờ độ bền hóa học cao, tính dị hướng từ tinh thể lớn và từ tính bão hòa vượt trội.

Tuy nhiên, bề mặt kỵ nước nội tại và lực hút tương tác từ mạnh khiến các hạt nano CFO dễ bị kết tụ thành đám, làm giảm nghiêm trọng thời gian lưu thông nội mạch và dễ bị hệ thống miễn dịch đào thải nếu kích thước thủy động lực học không nằm trong khoảng lý tưởng từ 10 nm đến 100 nm. Để khắc phục hạn chế này, biến tính bề mặt bằng axit hữu cơ tự nhiên như axit citric (CA) là giải pháp chiến lược nhằm chuyển đổi bề mặt sang trạng thái ưa nước và cải thiện độ tương thích sinh học.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Quang học (mã số 84 40 110) thực hiện tại Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên năm 2024 tập trung giải quyết mục tiêu: chế tạo thành công hạt nano CoFe2O4 không bọc và được bọc vỏ axit citric (CFO@CA), khảo sát cấu trúc mạng tinh thể, hình thái học, đặc trưng quang - từ và đánh giá hiệu ứng đốt từ nhiệt thực tế. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở thực nghiệm vững chắc với kích thước tinh thể thu gọn xuống 12.4 nm, duy trì từ độ bão hòa 42.6 emu/g và giảm lực kháng từ xuống 594 Oe, mở ra hướng ứng dụng thực tiễn trong y sinh học và công nghệ xử lý môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết cấu trúc tinh thể Ferrite Spinel và cơ chế sinh nhiệt trong từ trường xoay chiều:

• Cấu trúc mạng tinh thể Spinel: Vật liệu ferrite spinel sở hữu cấu trúc lập phương tâm mặt thuộc nhóm không gian Fd-3m với công thức tổng quát $AB_2O_4$. Trong một ô đơn vị có 8 vị trí tứ diện (A) và 16 vị trí bát diện (B) được chiếm giữ bởi các cation $Co^{2+}$ và $Fe^{3+}$. Sự phân bố cation tạo nên cấu trúc spinel nghịch đảo hoặc hỗn hợp, quyết định trực tiếp đến tương tác trao đổi siêu gián tiếp và dị hướng từ tinh thể của hạt nano.
• Hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ (MIH): Dưới tác động của từ trường xoay chiều (AMF) ở dải tần số vô tuyến từ 100 kHz đến 500 kHz, các hạt nano từ tính đóng vai trò là nguồn nhiệt cục bộ. Quá trình chuyển hóa năng lượng từ trường thành nhiệt lượng diễn ra thông qua ba cơ chế chính: tổn hao từ trễ, tổn hao hồi phục Néel và tổn hao hồi phục nhớt Brown.
• Các thông số vật lý cốt lõi: Nghiên cứu tập trung đánh giá độ từ hóa bão hòa ($M_s$), độ từ dư ($M_r$), lực kháng từ ($H_c$), hằng số dị hướng từ ($K$), cùng chỉ số tốc độ hấp thụ riêng (SAR) đo lường công suất sinh nhiệt trên một đơn vị khối lượng (W/g).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm đồng kết tủa hóa học kết hợp kỹ thuật nghiền cơ học để biến tính bề mặt vật liệu:

• Quy trình chế tạo: Hòa tan 1.48 g $Co(NO_3)_2 \cdot 9H_2O$ trong 20 ml nước cất hai lần, phản ứng với dung dịch chứa 0.5 ml axit oleic (AO) trong 50 ml NaOH 1M ở nhiệt độ 80°C trong 30 phút để tạo phức CFO-AO. Tiếp đó, 1.0 g bột CFO-AO được phân tán trong 5 ml n-hexane và nghiền cơ học cùng 4.0 g axit citric trong 45 phút để tạo lớp vỏ bọc carboxylate đồng nhất (mẫu CFO@CA). Các mẫu đối chứng được nung xử lý nhiệt ở 600°C (CFO-600, CFO@CA-600).
• Cỡ mẫu và hệ thống phân tích: Khảo sát tập trung trên 6 hệ mẫu đại diện. Cấu trúc pha và kích thước tinh thể được xác định qua giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) với góc quét $2\theta$ từ 20° đến 70°. Liên kết hóa học được phân tích bằng quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) trong dải sóng từ 400 cm⁻¹ đến 4000 cm⁻¹.
• Hình thái và tính chất từ: Hình thái bề mặt và phân bố kích thước hạt được ghi nhận qua ảnh FESEM và HR-TEM. Đặc trưng từ tính được đo trên từ kế mẫu rung (VSM) tại nhiệt độ phòng với từ trường quét ±15 kOe. Khả năng sinh nhiệt được đo thực nghiệm ở tần số cố định 450 kHz dưới từ trường 200 Oe trong 1000 giây với nồng độ mẫu 2 mg/mL.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm mang lại các kết quả định lượng cụ thể:

• Cấu trúc tinh thể và kích thước hạt: Giản đồ XRD khẳng định tất cả các mẫu đều đạt cấu trúc spinel lập phương đơn pha thuần khiết, xuất hiện đầy đủ các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng tại các mặt mạng (220), (311), (222), (400), (422), (511) và (440). Lớp vỏ axit citric đóng vai trò như chất ức chế không gian, giúp giảm kích thước tinh thể $D_{XRD}$ của CFO@CA xuống còn 12.4 nm, thấp hơn so với mẫu không bọc CFO (16.3 nm) và mẫu nung CFO-600 (38.7 nm). Ảnh FESEM và TEM cho thấy hạt có dạng hình cầu đồng đều với kích thước trung bình đạt khoảng 20 nm.
• Xác nhận liên kết vỏ bọc và thành phần khối lượng: Phổ FTIR ghi nhận rõ hai đỉnh dao động mạng đặc trưng tại 585 cm⁻¹ (liên kết Fe-O vị trí tứ diện) và 432 cm⁻¹ (liên kết Co-O vị trí bát diện). Mẫu CFO@CA xuất hiện các đỉnh mới tại 1711 cm⁻¹ (dao động kéo dãn $C=O$ của nhóm $-COOH$), 1076 cm⁻¹, 902 cm⁻¹ và 845 cm⁻¹. Phân tích nhiệt vi sai (TGA/DTA) chỉ ra độ sụt giảm khối lượng 2.06% trong dải 100°C - 600°C do cháy lớp hữu cơ, xác định chính xác trong 1 mg CFO@CA có chứa 0.945 mg lõi từ CFO và 0.055 mg vỏ bọc axit citric.
• Đặc tính từ và dị hướng từ tinh thể: Dựa trên đường cong từ trễ VSM, mẫu CFO@CA đạt độ từ hóa bão hòa $M_s = 42.6$ emu/g, tương đương mẫu CFO gốc (41.7 emu/g), nhưng lực kháng từ $H_c$ giảm mạnh 29.7% từ 845 Oe xuống 594 Oe. Nhờ diện tích bề mặt tăng cao khi kích thước hạt giảm, hằng số dị hướng từ $K$ tăng vọt từ 81.5 kJ/m³ lên 142.7 kJ/m³.
• Độ ổn định keo và hiệu ứng đốt nhiệt: Phép đo thế Zeta cho thấy CFO@CA duy trì giá trị điện thế âm ổn định từ -25 mV đến -30 mV trên toàn bộ dải pH từ 3 đến 9, vượt trội hơn hẳn so với mẫu phủ axit oleic. Khi đặt trong từ trường xoay chiều 200 Oe ở tần số 450 kHz, dung dịch mẫu CFO@CA (2 mg/mL) làm tăng nhiệt độ nước lên mức điều trị tăng thân nhiệt mục tiêu (trên 42°C) một cách nhanh chóng và có kiểm soát.

Thảo luận kết quả

Các kết quả thực nghiệm có thể được tổng hợp trực quan qua bảng so sánh thông số cấu trúc và từ tính:

Mẫu vật liệu	Kích thước tinh thể $D_{XRD}$ (nm)	Kích thước FESEM (nm)	Từ độ bão hòa $M_s$ (emu/g)	Lực kháng từ $H_c$ (Oe)	Hằng số dị hướng $K$ (kJ/m³)
CFO	16.3	15.0	41.7	845	81.5
CFO-600	38.7	41.0	73.6	1111	56.2
CFO@CA	12.4	20.0	42.6	594	142.7
CFO@CA-600	28.2	30.0	55.6	661	58.2

Sự khác biệt rõ rệt về lực kháng từ giữa CFO và CFO@CA bắt nguồn từ lớp vỏ bọc axit citric. Các nhóm carboxyl ($-COOH$) tạo ra lớp đệm điện tích âm bao quanh bề mặt hạt, ngăn chặn sự kết tụ do lực hút lưỡng cực từ. Khi kích thước hạt tiệm cận ngưỡng siêu thuận từ, lực kháng từ $H_c$ giảm xuống 594 Oe giúp giảm thiểu diện tích vòng từ trễ không mong muốn, tạo điều kiện thuận lợi cho cơ chế hồi phục Néel chuyển hóa năng lượng từ trường xoay chiều thành nhiệt lượng hiệu quả cao.

So với các nghiên cứu sử dụng polymer tổng hợp như PEG hay PVP, lớp vỏ axit citric liên kết trực tiếp với bề mặt oxit kim loại thông qua liên kết phối trí bền vững, giữ cho hệ keo phân tán tốt trong môi trường sinh lý có nồng độ muối 160 - 180 mM mà không bị lắng cặn hay phân rã cấu trúc.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị và định hướng nghiên cứu ứng dụng:

• Tối ưu hóa khả năng tải và giải phóng thuốc hóa trị: Tận dụng các nhóm chức carboxylate tự do trên bề mặt CFO@CA để liên kết cộng hóa trị với thuốc chống ung thư Doxorubicin hoặc Curcumin, hướng tới mục tiêu đạt hiệu suất nạp thuốc trên 85% và khả năng giải phóng chọn lọc tại môi trường khối u có độ pH thấp trong giai đoạn 2025 - 2026 (Chủ thể thực hiện: Nhóm nghiên cứu Hóa dược và Vật liệu Nano).
• Triển khai thử nghiệm tiền lâm sàng in vivo: Mở rộng đánh giá hiệu ứng tăng thân nhiệt trên mô hình động vật nhỏ mang khối u thực nghiệm với liều lượng khảo sát từ 5 đến 10 mg/kg, theo dõi các chỉ số sinh hóa máu và độ thanh thải qua thận trong khung thời gian 30 đến 60 ngày (Chủ thể thực hiện: Các Viện Nghiên cứu Y sinh và Dược lý).
• Mở rộng quy mô chế tạo chuẩn hóa: Hoàn thiện quy trình công nghệ đồng kết tủa kết hợp cơ hóa học để sản xuất mẻ lớn từ 500 g đến 1 kg mẫu với độ đồng đều kích thước sai lệch dưới 5%, đáp ứng tiêu chuẩn kiểm định chất lượng y tế (Chủ thể thực hiện: Các phòng thí nghiệm vật liệu tiên tiến).
• Ứng dụng đa chức năng chẩn đoán và điều trị: Tích hợp hạt CFO@CA làm chất tăng độ tương phản $T_2$ trong kỹ thuật chụp cộng hưởng từ (MRI) kết hợp nhiệt trị cảm ứng từ, giảm thời gian phác đồ điều trị từ 60 phút xuống còn 15 - 20 phút mỗi phiên trị liệu (Chủ thể thực hiện: Các trung tâm y học hạt nhân và ung bướu).

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình luận văn thạc sĩ này mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho nhiều nhóm đối tượng:

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Vật lý, Khoa học Vật liệu: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình tổng hợp spinel ferrite, phương pháp xử lý số liệu nhiễu xạ tia X, phân tích phổ hồng ngoại FTIR và tính toán dị hướng từ tinh thể theo định luật tiệm cận bão hòa.
• Các nhà nghiên cứu công nghệ nano y sinh: Cung cấp cơ sở dữ liệu về sự biến tính bề mặt hạt nano bằng axit hữu cơ, các kỹ thuật đo thế Zeta và đánh giá hiệu ứng đốt nhiệt từ trường trong xử lý khối u.
• Kỹ sư phát triển vật liệu xử lý môi trường: Ứng dụng đặc tính hấp phụ ion kim loại nặng và khả năng thu hồi hạt nano từ tính bằng từ trường ngoài trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp.
• Giảng viên các trường đại học khối khoa học tự nhiên: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuyên đề về vật liệu từ tính kích thước nano, kỹ thuật đặc trưng vật liệu và cơ chế cảm ứng điện từ trong y sinh học.

Câu hỏi thường gặp

Lớp vỏ axit citric đóng vai trò gì đối với hạt nano CoFe2O4? Lớp vỏ axit citric tạo ra liên kết carboxylate bề mặt, giúp chuyển đổi bề mặt kỵ nước của CoFe2O4 sang ưa nước, tạo lực đẩy tĩnh điện mạnh với thế Zeta từ -25 mV đến -30 mV. Nhờ đó, hạt nano phân tán ổn định trong nước và dung dịch sinh lý, tránh hiện tượng vón cục.

Kích thước tinh thể 12.4 nm của mẫu CFO@CA có ý nghĩa gì trong y sinh? Kích thước 12.4 nm nằm trong khoảng kích thước vàng (10 - 100 nm). Kích thước này giúp hạt nano đủ lớn để tránh bị lọc thải nhanh qua cầu thận, đồng thời đủ nhỏ để thẩm thấu sâu qua thành mạch máu khối u theo hiệu ứng tăng cường tính thấm và lưu giữ (EPR).

Tại sao nung mẫu ở 600°C lại làm mất tác dụng của lớp vỏ bọc? Kết quả phân tích nhiệt vi sai cho thấy trong dải nhiệt độ từ 100°C đến 600°C, toàn bộ 0.055 mg vỏ bọc axit citric trên mỗi mg mẫu bị phân hủy nhiệt hoàn toàn, khiến kích thước tinh thể tăng vọt lên 28.2 - 38.7 nm và làm mất tính tan trong nước.

Cơ chế sinh nhiệt của CFO@CA khi đặt trong từ trường xoay chiều là gì? Dưới tác động của từ trường xoay chiều tần số 450 kHz, CFO@CA sinh nhiệt chủ yếu qua cơ chế tổn hao hồi phục Néel (sự quay của mômen từ bên trong hạt) và tổn hao hồi phục Brown (sự quay cơ học của hạt), làm tăng nhiệt độ môi trường lên mức 42°C - 46°C.

Lực kháng từ giảm xuống 594 Oe mang lại lợi thế gì cho quá trình đốt nhiệt? Lực kháng từ thấp (594 Oe) kết hợp với từ độ bão hòa cao (42.6 emu/g) giúp vật liệu dễ dàng tái định hướng mômen từ theo từ trường ngoài, tối ưu hóa tốc độ hấp thụ năng lượng riêng (SAR) mà không đòi hỏi cường độ từ trường quá lớn gây hại cho mô sống.

Kết luận

• Đã chế tạo thành công vật liệu nano CoFe2O4 đơn pha bọc vỏ axit citric (CFO@CA) bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp cơ hóa học thân thiện với môi trường.
• Lớp vỏ axit citric kiểm soát hiệu quả kích thước hạt ở mức 12.4 nm, ngăn chặn sự kết tụ và cải thiện vượt bậc độ phân tán trong dải pH từ 3 đến 9.
• Mẫu CFO@CA duy trì độ từ hóa bão hòa cao đạt 42.6 emu/g và giảm lực kháng từ xuống 594 Oe, tăng cường hằng số dị hướng từ lên 142.7 kJ/m³.
• Hiệu ứng đốt từ nhiệt được chứng minh thực nghiệm ở tần số 450 kHz và từ trường 200 Oe, đáp ứng tiêu chuẩn nhiệt độ điều trị tăng thân nhiệt từ 41°C đến 46°C.
• Kế hoạch tiếp theo trong giai đoạn 2025 - 2026 là thử nghiệm khả năng nạp thuốc kháng ung thư và đánh giá độc tính tế bào in vitro / in vivo.

Quý độc giả, học viên và các nhà nghiên cứu quan tâm có thể khai thác chi tiết các dữ liệu thực nghiệm và quy trình công nghệ trong toàn văn luận văn thạc sĩ để ứng dụng vào các đề tài phát triển vật liệu nano từ tính tiên tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Cấu trúc của vật liệu ferrite spinel Các hạt nano từ tính rất được quan tâm nhờ tiềm năng sử dụng của chúng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm chụp ảnh cộng hưởng từ, xúc tác, công nghệ sinh học, lưu trữ dữ liệu và xử lý môi trường. Lớp hạt nano từ tính lớn nhất được đại diện bởi ferrite (là hợp chất gồm sắt từ thu được từ oxit sắt). Tùy thuộc vào cấu trúc, thành phần cation và hình thái hạt, ferrite thể hiện các đặc tính từ tính, hấp phụ và xúc tác, khiến chúng phù hợp cho nhiều ứng dụng.

Ferrite spinel là cấu trúc lập phương có công thức chung AB 2O4, trong đó 8 ion A tạo thành vị trí tứ diện và 16 ion B tạo thành vị trí bát diện. Sự phân bố của các cation trên các mạng con tạo thành ba loại cấu trúc spinel thường, spinel đảo và spinel hỗn hợp (hình 1. Tùy thuộc vào từng loại cấu trúc mà tính chất vật lý của vật liệu cũng khác nhau. Các dạng cấu trúc ô đơn vị của ferrite spinel: a) vị trí bát diện, tứ diện và vị trí các nguyên tử oxy, b) ferrite spinel thường và c) ferrite spinel đảo Ô đơn vị của ferrite spinel là khối lập phương tâm mặt (f.

Trong một ô đơn vị của ferit có 96 kẽ hở (bao gồm 64 tứ diện và 32 bát diện) tồn tại giữa các nguyên tử oxy được xếp chặt. Chỉ có 8 vị trí tứ diện và 16 vị trí bát diện bị chiếm giữ bởi các cation. Chúng được gọi lần lượt là vị trí điểm (A) và (B). Sự phân bố của mỗi kim loại phụ thuộc vào ái lực của nó đối với cả hai vị trí.

7 Ái lực này phụ thuộc vào năng lượng ổn định, tia ion đặc điểm kỹ thuật, kích thước của các kẽ, phương pháp tổng hợp và các điều kiện sử dụng trong thời gian tổng hợp. Loại và sự phân bố của các cation ở vị trí tứ diện và bát diện có ý nghĩa quan trọng đối với cả tính chất vật lý và hóa học của hạt nano ferit. Dựa trên sự phân bố các cation tại vị trí tứ diện (A) và bát diện (B), ferrite spinel được phân thành ba loại. Sự phân loại này dựa trên mức độ nghịch đảo x, được định nghĩa là phần ion M2+ chiếm giữ các vị trí bát diện.

Khi x = 0 thì gọi là spinel thường; khi x = 1 thì gọi là spinel nghịch đảo; khi 0<x<1 thì gọi là spinel hỗn hợp. Trong các ferrite spinel bình thường, các cation hóa trị hai M2+ chiếm vị trí tứ diện (A) trong khi các cation hóa trị ba Fe3+ nằm trên vị trí bát diện (B). Công thức cấu tạo của các ferrit đó là [M2+](A) [Fe3+](B)O2−, ví dụ: ZnFe2O4, CdFe2O4. Trong ferrite spinel nghịch đảo, các cation hóa trị hai M2+ chiếm vị trí bát diện (B) trong khi một nửa số cation hóa trị ba Fe3+ được đặt ở vị trí (A) và một nửa còn lại nằm ở vị trí (B).

Công thức cấu trúc của các ferrit này là [Fe3+](A) [M2+Fe3+](B)O2−. Ví dụ: Fe3O4, CoFe2O4 và NiFe2O4, CuFe2O4. Trong trường hợp ferrit spinel hỗn hợp, các cation hóa trị hai M2+ và các ion hóa trị ba Fe3+ được phân bố ở cả vị trí tứ diện (A) và bát diện (B). Có thể lưu ý rằng, x phụ thuộc vào phương pháp điều chế và tính chất của các thành phần của ferrit.

Ví dụ, CuFe2O4 có thể tạo thành dạng cấu trúc spinel nghịch đảo hoặc hỗn hợp, tùy thuộc vào điều kiện sử dụng cho quá trình tổng hợp. Tính chất từ của vật liệu ferrite spinel Tùy thuộc vào bản chất (từ tính hoặc không từ tính) và sự phân bố của các cation tại các vị trí tứ diện (A) và bát diện (B), ferrite spinel có thể được phân loại thành các nhóm chính sau: thuận từ, nghịch từ, sắt từ, phản sắt từ và siêu thuận từ. Tính chất từ quan trọng chính của ferrite spinel là độ từ hóa bão hòa (MS), độ từ dư (Mr) và lực kháng từ (Hc). Từ hóa bão hòa cao (Ms), với lực kháng từ (Hc) không đáng kể tượng trưng cho đặc tính siêu thuận từ của vật liệu này có tầm quan trọng lớn trong xử lý nước.

Tính siêu thuận từ xuất 8 hiện ở các hạt nano sắt từ hoặc sắt từ yếu, đường kính của chúng dưới 3-50 nm, tùy thuộc vào vật liệu. Ngày nay, các hạt nano siêu thuận từ rất nổi tiếng vì những đặc tính nổi trội của chúng, trong đó các hạt nano bị từ hóa đến mức từ hóa bão hòa khi có từ trường bên ngoài tác dụng, tuy nhiên chúng sẽ không thể hiện bất kỳ tương tác từ nào khi từ trường bị loại bỏ. Tính chất siêu thuận từ là một đặc tính được mong muốn mạnh mẽ đối với ferrite spinel để tăng cường khả năng lọc nước cũng như khả năng thu hồi chúng dễ dàng từ hỗn hợp phản ứng bằng từ trường bên ngoài và khả năng tái sử dụng nhiều lần. Có một số yếu tố như phương pháp điều chế, sự phân bố cation trên các vị trí tứ diện và bát diện, kích thước tinh thể, nhiệt độ thiêu kết và loại pha tạp có thể ảnh hưởng đến tính chất từ của ferrite.

Ví dụ như cấu trúc và tính chất từ của CoFe2O4 chịu sự ảnh hưởng lớn bởi phương pháp chế tạo. Các phương pháp tổng hợp hạt nano khác nhau có thể tạo ra các kích thước hạt và tính chất từ tính khác nhau. Hc và Ms lớn nhất trong phương pháp sol-gel (56,7 emu/g) và nhỏ nhất trong phương pháp đồng kết tủa (47,2 emu/g). Tương tự, Kaur và cộng sự [17] điều chế MgFe2O4 bằng 5 phương pháp: đồng kết tủa, sol-gel và đốt cháy (dùng làm nhiên liệu là Polyethylene glycol (PEG), urê và oxalyl dihydrazide (ODH), giữ đồng đều nhiệt độ nung và thời gian thiêu kết.

Sự khác biệt về độ kết tinh, kích thước hạt và các thông số từ tính của Mg- ferrite bằng các phương pháp khác nhau đã được quan sát. Với vật liệu CuFe2O4 lại chịu ảnh hưởng lớn bởi pH và nhiệt độ. Giá trị pH tăng góp phần làm tăng kích thước hạt. Các tính chất từ bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi nhiệt độ thiêu kết.

Có thể thấy rằng giá trị từ hóa bão hòa tăng khi nhiệt độ tăng do độ kết tinh và kích thước hạt của hạt nano tăng dần. Prasad và cộng sự [18] tổng hợp MFe2O4 (M = Zn, Ni, Cu, Co) bằng phương pháp đốt tự động. Trong số tất cả các chất xúc tác được tổng hợp, coban ferrite cho thấy độ từ hóa bão hòa cao nhất (41 emu/g), trong khi kẽm ferrite thể hiện giá trị từ hóa bão hòa thấp (12,87 emu/g). Bản chất sắt từ mạnh của ion coban là nguyên nhân tạo ra giá trị cao này.

Hema và cộng sự [19] đã chế tạo ra MnxZn 1-xFe 2O4 (0,0 ≤ x ≤ 1,0) bằng phương pháp đốt vi sóng một nồi đơn giản sử dụng urê làm nhiên liệu. Ảnh 9 hưởng của pha tạp Mn2+ đến các tính chất cấu trúc, hình thái và từ tính đã được nghiên cứu. Kết quả cho thấy ZnFe2O4 có độ từ bão hòa thấp nhất (2,598 emu/g) và tăng dần khi tăng lượng tạp chất Mn2+ (từ 0,2 lên 1). Vì lý do này, các yếu tố này phải được xem xét trước khi chuẩn bị vật liệu này và sử dụng trong xử lý nước thải làm chất xúc tác hoặc bất kỳ lĩnh vực nào.

Prasad cùng với các cộng sự [18] đã chế tạo các ferrite spinel MFe2O4 (M = Zn, Ni, Cu và Co) bằng phương pháp phản đồng kết tủa với các điều kiện nhiệt độ nung khác nhau. Các tác giả cho thấy, ferrite spinel ZnFe2O4 có từ độ bão hòa đạt giá trị nhỏ nhất trong khi đó CoFe2O4 có từ độ bão hòa đạt giá trị lớn nhất (hình 1. Đường cong từ trễ của một số mẫu điển hình.25O4 và d) CoFe2O4 được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa ở các điều kiện nung khác nhau 10 1. Ứng dụng của vật liệu ferrite spinel 1.

Ứng dụng y sinh Trong lĩnh vực y sinh học, chất lỏng sắt từ được công nhận vì những đặc tính độc đáo của chúng, bao gồm ái lực sinh học, khả năng tương thích tế bào, kích thước nhỏ, siêu thuận từ, và phản ứng nhanh với từ trường. Để nâng cao những đặc tính này, nghiên cứu về chất lỏng sắt từ đã tập trung vào cải thiện ứng dụng của chúng trong ba lĩnh vực chính: cảm biến sinh học, kỹ thuật hình ảnh y tế và trị liệu (Hình 1. Ứng dụng của chất lỏng từ trong y sinh 1. Cảm biến sinh học.

Các hạt nano (NP) từ bao gồm các kim loại như sắt, niken, coban và các oxit tương ứng của chúng với kích thước trong phạm vi từ 5nm đến 10 nm có biểu hiện từ tính trong một ma trận điện môi, khi chúng ở dưới mức nhiệt độ Curie, các NP như vậy được coi là siêu thuận từ. Các hạt siêu thuận từ bị nhiễm từ khi có một từ trường bên ngoài. Được biết, cơ thể sống có thể tạo ra từ trường sinh học, cảm biến từ tính có thể phát hiện các mô hoặc cơ quan sinh học (cảm biến sinh học). Ví dụ, NP siêu thuận từ có thể xác định cơ chế 11 sinh học hoạt động trong cơ thể sống.

Hơn nữa, NP trần hoặc NP có một chất hoạt động bề mặt có thể được chức năng hóa bằng các hợp chất sinh hóa để thu giữ các phân tử như axit deoxyribonucleic, protein, enzyme và tế bào [18]. Nói chung, có hai cách để cảm biến sinh học khi áp dụng chất lỏng sắt từ (Hình 1. Đầu tiên được gọi là nhũ tương nano từ tính. Theo phương pháp này, các hạt sắt từ có kích thước 10 nm được gói gọn trong một giọt dầu có kích thước 200 nm và được ổn định bằng chất hoạt động bề mặt anion.

Nếu có từ trường bên ngoài, các nhũ tương nano từ tính sẽ tập hợp thành một mảng có trật tự gây ra đỉnh nhiễu xạ riêng [17] Trong cách thứ hai, được gọi là cảm biến sinh học trở kháng từ, các cảm biến sinh học tuân theo hiệu ứng từ trở kháng khổng lồ (GMI). Hiệu ứng GMI là một hiệu ứng vật lý trong đó dòng điện chạy qua vật liệu từ tính chịu sự thay đổi trở kháng điện khi có tác động bên ngoài từ trường được áp dụng [18]. Đối với cảm biến sinh học trở kháng từ, việc sử dụng hạt nano oxít từ (IONP) Fe3O4 có kích thước lên tới 10 nm đã được báo cáo [19] Hình 1. Hai cảm biến sinh học khi áp dụng chất lỏng sắt từ: (a) Cảm biến nhũ tương nano từ tính và (b) Cảm biến sinh học trở kháng từ 12 1.