Tổng quan nghiên cứu

Các chất tương phản truyền thống dựa trên phức chất Gadolinium với mômen từ 7,94 Bohr Magneton đang bộc lộ nhiều hạn chế nghiêm trọng trong chẩn đoán y khoa do nguy cơ gây xơ hóa mô thận và thời gian bán thải quá nhanh trong tuần hoàn máu. Bên cạnh đó, các hạt nano đơn lẻ có đường kính vượt quá 200 nm dễ dàng bị hệ thống lưới nội mô nhận diện và đào thải, trong khi các hạt có kích thước dưới 10 nm lại nhanh chóng bị bài tiết qua màng đáy thận. Thực trạng này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phát triển một hệ vật liệu chẩn đoán đa phương thức có kích thước tối ưu, độ bền hóa sinh cao và tích hợp đồng thời nhiều tính năng sinh học vượt trội.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Hóa phân tích thực hiện tại Trường Đại học Khoa học thuộc Đại học Thái Nguyên năm 2023 tập trung giải quyết bài toán trên thông qua việc chế tạo vật liệu nano lai Fe3O4@Ag cấu trúc lõi - vỏ. Mục tiêu cụ thể của công trình là tổng hợp thành công hạt mầm Fe3O4 đơn phân tán, phát triển lớp vỏ bạc đồng nhất bọc ngoài hạt mầm và chuyển pha vật liệu sang môi trường nước bằng tác nhân biến tính bề mặt tương thích sinh học. Công trình được triển khai thông qua sự phối hợp chặt chẽ giữa Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên, Viện Kỹ thuật Nhiệt đới và Bệnh viện Quốc tế Vinh. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa học thuật và ứng dụng thực tiễn to lớn khi tạo ra hạt nano lai có độ từ hóa bão hòa đạt 61,2 emu/g, lực kháng từ nhỏ chỉ 5,5 Oe và khả năng làm tăng độ tương phản rõ nét trên cả hai kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh cộng hưởng từ T2 và cắt lớp vi tính.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng cơ chế kết tinh và phát triển mầm dị thể dựa trên mô hình phát triển dạng lớp Frank - van der Merwe. Theo mô hình này, khi năng lượng tự do bề mặt tổng thể mang giá trị âm, các nguyên tử bạc tạo thành sau phản ứng khử sẽ ưu tiên trải đều và bám dính liên tục lên bề mặt mầm sắt từ thay vì tụ hợp thành các cụm đảo độc lập theo mô hình Volmer - Weber. Điều này đảm bảo lớp vỏ kim loại bao bọc hoàn toàn phần lõi oxit.

Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt được giải thích thông qua thuyết tán xạ Mie kết hợp mô hình tương tác lai giữa hạt cầu đặc Fe3O4 và vỏ cầu rỗng Ag. Sự dịch chuyển cực đại hấp thụ quang sang vùng bước sóng dài phản ánh sự chuyển dịch mật độ điện tử từ lớp vỏ bạc sang pha phân cách của lõi oxit sắt.

Nghiên cứu cũng xây dựng trên ba khái niệm cốt lõi: trạng thái siêu thuận từ với từ dư triệt tiêu giúp ngăn chặn hiện tượng tắc nghẽn mạch máu; thời gian thư giãn ngang T2 và độ hồi phục r2 trong chụp cộng hưởng từ hạt nhân; và chỉ số suy giảm chùm tia X đo bằng thang đo Hounsfield trong chụp cắt lớp vi tính.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quy trình tổng hợp khảo sát có hệ thống. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 8 mẫu khảo sát điều kiện chế tạo mầm Fe3O4 ở các mốc thời gian phản ứng từ 30 đến 240 phút và nhiệt độ phản ứng từ 270 đến 315 độ C; 4 mẫu khảo sát tỷ lệ tiền chất bạc nitrat với khối lượng thay đổi từ 0,5 g đến 2,0 g trên 1,0 g mầm sắt; cùng 2 mẫu chuẩn đối chứng là nano sắt từ và nano bạc đơn lẻ. Phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích được áp dụng nhằm cô lập từng biến số nhiệt động học và động học của phản ứng.

Các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại được lựa chọn dựa trên yêu cầu định lượng cấu trúc và chức năng:

  • Kính hiển vi điện tử truyền qua vận hành ở điện áp 80 kV cho phép đo đạc trực quan hình thái và phân bố kích thước hạt với độ phóng đại cao.
  • Phương pháp nhiễu xạ tia X sử dụng bức xạ đồng Cu-Kalpha có bước sóng 1,5406 Angstrom giúp kiểm chứng độ tinh thể hóa và pha tinh thể spinel của oxit sắt cũng như mạng lập phương tâm mặt của bạc.
  • Từ kế mẫu rung khảo sát đường cong từ hóa trong dải từ trường từ -10 kOe đến +10 kOe ở nhiệt độ 300 Kelvin.
  • Phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến UV-Vis ghi nhận dao động plasmon bề mặt.
  • Thử nghiệm chức năng y sinh gồm chụp cộng hưởng từ trên máy 1,5 Tesla với nồng độ hạt 45,0 microgram/mL và chụp cắt lớp vi tính 128 lát cắt ở nồng độ 2,0 mg/mL trong các nồng độ muối natri clorua từ 50 đến 200 mM.
  • Hoạt tính kháng nấm được đánh giá trên chủng nấm Aspergillus glaucus AM211 bằng phương pháp khuếch tán giếng thạch trên môi trường khoai tây dextrose agar.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân hủy nhiệt tiền chất sắt hữu cơ trong dung môi 1-octadecene ở nhiệt độ sôi 315 độ C trong 60 phút tạo ra các hạt mầm Fe3O4 có kích thước trung bình 9,4 ± 0,8 nm với độ lệch chuẩn kích thước hạt chỉ 8,5%. Khi rút ngắn thời gian phản ứng xuống 30 phút, kích thước hạt chỉ đạt 6,2 ± 1,0 nm với độ tán sai lên tới 16,1%. Ngược lại, kéo dài thời gian phản ứng đến 240 phút khiến hạt phát triển thành dạng thanh có kích thước 12,7 x 40,2 nm.

Hạt mầm Fe3O4 chế tạo tại điều kiện tối ưu sở hữu từ độ bão hòa 61,2 emu/g và lực kháng từ cực nhỏ đạt 5,5 Oe tại nhiệt độ 300 Kelvin. Giá trị lực kháng từ này giảm hơn 90% so với mẫu phản ứng 240 phút có lực kháng từ 60,8 Oe, chứng minh mẫu tối ưu tiệm cận hoàn hảo trạng thái siêu thuận từ cần thiết cho các ứng dụng tiêm tĩnh mạch.

Ở giai đoạn phủ vỏ, mẫu FA-1,0 sử dụng 1,0 g bạc nitrat trên 1,0 g mầm sắt mang lại cấu trúc nano lai lõi - vỏ hình cầu đồng nhất với kích thước hạt trung bình 15,5 ± 1,3 nm và sai số kích thước chỉ 8,4%. Khi lượng bạc nitrat ở mức thấp 0,5 g, sản phẩm thu được có kích thước 12,3 ± 2,0 nm nhưng lớp vỏ không đều do thiếu hụt tiền chất; trong khi lượng bạc nitrat tăng lên 2,0 g khiến kích thước hạt tăng mạnh lên 17,4 ± 2,8 nm và xuất hiện hiện tượng dính chập đa hạt.

Vật liệu sau khi biến tính bề mặt bằng polymer lưỡng cực poly(maleic anhydride-alt-1-octadecene) và thủy phân kiềm bằng dung dịch natri hidroxit 1M đã chuyển pha hoàn toàn sang môi trường nước, giữ vững độ ổn định keo không bị lắng tụ trong dải nồng độ muối sinh lý từ 50 đến 200 mM natri clorua. Thử nghiệm y sinh xác nhận dung dịch hạt nano lai ở nồng độ 45,0 microgram/mL làm tối tín hiệu ảnh T2 trên máy cộng hưởng từ rõ rệt, đồng thời ở nồng độ 2,0 mg/mL hạt nano lai tạo ra độ suy giảm tia X tăng mạnh theo thang Hounsfield trên thiết bị chụp cắt lớp vi tính.

Thảo luận kết quả

Sự biến đổi hình thái của hạt nano sắt từ theo thời gian và nhiệt độ chịu sự chi phối chặt chẽ của hiệu ứng chín Ostwald. Ở nhiệt độ dưới điểm sôi của dung môi như mức 270 độ C, các phức oleate sắt trung gian chưa phân hủy triệt để, dẫn đến hiện tượng tạo mầm phân tán kéo dài. Khi nâng nhiệt độ lên 315 độ C, năng lượng nhiệt kích hoạt quá trình tiêu thụ các tiểu phân kích thước nhỏ để bồi tụ vào các tinh thể lớn hơn nhằm tối thiểu hóa năng lượng tự do bề mặt, tạo ra các hạt hình cầu đơn phân tán cao.

Cấu trúc vỏ bạc được hình thành hoàn hảo ở tỷ lệ tiền chất cân bằng nhờ sự kiểm soát tốc độ khử ion bạc của hỗn hợp chất khử sodium oleate và 1-octadecanol. Sự xuất hiện của các hạt dính chập ở mẫu FA-1,5 và FA-2,0 bắt nguồn từ lượng nguyên tử bạc tự do dư thừa trong pha lỏng quá cao, làm tăng tổng năng lượng bề mặt của hệ và thúc đẩy các hạt nano lai tự liên kết lại với nhau. Độ từ hóa bão hòa của hệ lai có xu hướng giảm nhẹ so với hạt mầm ban đầu do sự đóng góp thể tích của lớp vỏ bạc phi từ và hiệu ứng lớp chết từ tại mặt phân cách dị thể, tuy nhiên giá trị từ độ vẫn đủ mạnh để định hướng hạt dưới tác động của từ trường ngoài.

Các dữ liệu thực nghiệm trong nghiên cứu này có thể được trình bày một cách trực quan thông qua đồ thị phân bố kích thước hạt dạng cột phân bố chuẩn Gauss dựng từ ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua, kết hợp với các bảng ma trận so sánh từ độ bão hòa và biểu đồ tương quan tuyến tính giữa nồng độ chất cản quang với độ nghịch đảo thời gian hồi phục 1/T2 trên các lát cắt hình ảnh y khoa.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, nhóm nghiên cứu công nghệ nano cần mở rộng quy mô phản ứng phân hủy nhiệt từ bình phản ứng 40 mL trong phòng thí nghiệm lên hệ thống phản ứng dòng chảy liên tục dung tích 500 mL đến 1000 mL, nhằm nâng sản lượng thu hồi hạt nano lai đạt trên 85% và duy trì sai số kích thước hạt dưới 5% trong vòng 6 tháng tới.

Thứ hai, các nhà khoa học hóa sinh cần tiến hành ghép nối cộng hóa trị các phân tử kháng thể đơn dòng hoặc axit folic lên các nhóm chức carboxylat tự do của lớp vỏ polymer để tạo khả năng hướng đích chọn lọc khối u, giúp cắt giảm liều lượng hạt cần tiêm khi chụp cắt lớp vi tính từ 2,0 mg/mL xuống dưới 0,8 mg/mL trước quý 4 năm tới.

Thứ ba, cơ sở nghiên cứu độc chất học phối hợp với viện nghiên cứu y dược triển khai đánh giá toàn diện độc tính tế bào in vitro trên các dòng tế bào nội mô mạch máu và mô hình động vật nhỏ in vivo theo tiêu chuẩn kiểm định quốc tế trong thời hạn 12 tháng, nhằm thiết lập khoảng liều an toàn sinh học.

Thứ tư, đơn vị phát triển chế phẩm y sinh cần tối ưu hóa quy trình bảo quản dung dịch keo nano lai trong các hệ đệm sinh lý chứa nồng độ muối từ 100 đến 150 mM, đảm bảo hạt không bị keo tụ hoặc biến đổi phổ hấp thụ plasmon bề mặt trong thời gian lưu trữ tối thiểu 12 tháng ở điều kiện 4 độ C.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa phân tích, Hóa vô cơ và Vật liệu quang - từ: Luận văn cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết về phản ứng phân hủy nhiệt tạo mầm oxit sắt 9,4 nm và kỹ thuật nuôi mầm kim loại quý có độ lặp lại cao, đóng vai trò như tài liệu hướng dẫn chuẩn mực trong phòng thí nghiệm.

Kỹ sư công nghệ vật liệu y sinh: Nhóm đối tượng này có thể khai thác giải pháp biến tính bề mặt hạt nano kỵ nước sang ưa nước bằng polymer lưỡng cực poly(maleic anhydride-alt-1-octadecene) để giải quyết bài toán độ bền keo và tính tương thích sinh học cho các hệ hạt nano tổng hợp trong dung môi hữu cơ.

Bác sĩ chẩn đoán hình ảnh và chuyên gia y học hạt nhân: Luận văn đem lại các dữ liệu định lượng có giá trị về hiệu ứng cản quang kép trên hệ thống máy chụp cộng hưởng từ 1,5 Tesla và máy chụp cắt lớp vi tính 128 dãy, làm tiền đề cho việc ứng dụng các chất cản quang đa phương thức thay thế dẫn xuất Gadolinium truyền thống.

Doanh nghiệp sản xuất dược phẩm và chế phẩm kháng khuẩn: Các đơn vị nghiên cứu phát triển sản phẩm có thể tham khảo hoạt tính kháng nấm Aspergillus glaucus của vật liệu nano lai để thiết kế các loại màng phủ kháng khuẩn, chất phủ thiết bị phẫu thuật hoặc gel trị liệu cục bộ với khả năng thu hồi hạt bằng từ trường.

Câu hỏi thường gặp

Ưu điểm nổi bật của việc kết hợp Fe3O4 và Ag trong cùng một cấu trúc hạt nano lai là gì? Cấu trúc lõi - vỏ tích hợp đồng thời tính chất siêu thuận từ của oxit sắt giúp làm tối tín hiệu ảnh chụp cộng hưởng từ với độ từ hóa 61,2 emu/g, cùng khả năng hấp thụ tia X mạnh mẽ của bạc kim loại trên ảnh cắt lớp vi tính. Ngoài ra, lớp vỏ bạc ngăn chặn lõi sắt khỏi quá trình oxy hóa môi trường, trong khi lõi từ tính hỗ trợ thu hồi vật liệu dễ dàng bằng nam châm ngoài.

Tại sao nhiệt độ 315 độ C và thời gian 60 phút lại là điều kiện tối ưu để chế tạo mầm Fe3O4? Mức nhiệt độ 315 độ C tương ứng với điểm sôi của dung môi 1-octadecene, cung cấp đủ nhiệt lượng để phân hủy hoàn toàn phức chất oleate sắt trung gian. Thời gian hồi lưu 60 phút cho phép các tinh thể phát triển đồng nhất đạt kích thước 9,4 nm với sai số chỉ 8,5%, triệt tiêu gần như hoàn toàn lực kháng từ ở mức 5,5 Oe, tránh nguy cơ kết tụ khi lưu thông trong máu.

Vai trò của polymer lưỡng cực poly(maleic anhydride-alt-1-octadecene) trong quá trình biến tính bề mặt là gì? Hạt nano sau tổng hợp trong dung môi hữu cơ bị bao phủ bởi chuỗi hydrocarbon kỵ nước. Polymer lưỡng cực xen phủ phần đuôi kỵ nước vào lớp vỏ hạt, trong khi các vòng anhydride ở phía ngoài được thủy phân bằng dung dịch natri hidroxit để tạo ra mạng lưới các nhóm carboxylat phân cực, giúp hạt phân tán ổn định trong nước và bền vững ở nồng độ muối lên đến 200 mM natri clorua.

Hiệu quả tăng tương phản ảnh y khoa của hệ vật liệu nano lai được ghi nhận ở mức nồng độ nào? Trên hệ thống chụp cộng hưởng từ lâm sàng 1,5 Tesla, dung dịch hạt nano lai ở nồng độ 45,0 microgram/mL làm giảm rõ rệt thời gian thư giãn T2 của các proton nước xung quanh. Trên hệ thống cắt lớp vi tính 128 dãy đầu thu, nồng độ hạt 2,0 mg/mL tạo ra độ tăng cường suy giảm bức xạ tia X vượt trội so với môi trường nước thông thường.

Hoạt tính kháng nấm của vật liệu nano lai thể hiện cơ chế tác động như thế nào đối với vi sinh vật? Khi tiếp xúc với tế bào nấm Aspergillus glaucus AM211, lớp vỏ bạc giải phóng chậm các ion Ag mang điện tích dương bám dính vào màng tế bào, sinh ra các gốc oxy hóa hoạt tính phá hủy cấu trúc màng sinh chất và can thiệp vào chuỗi hô hấp tế bào. Thử nghiệm giếng thạch cho thấy vòng ức chế sợi nấm hình thành rõ rệt xung quanh giếng chứa dung dịch hạt nano lai.

Kết luận

  • Chế tạo thành công hạt mầm Fe3O4 siêu thuận từ có kích thước hạt đồng đều 9,4 ± 0,8 nm, độ từ hóa bão hòa 61,2 emu/g và lực kháng từ chỉ 5,5 Oe thông qua phương pháp phân hủy nhiệt ở 315 độ C trong 60 phút.
  • Thiết lập quy trình bọc vỏ bạc khép kín bằng phương pháp nuôi mầm với tỷ lệ 1,0 g bạc nitrat trên 1,0 g mầm sắt, tạo ra hạt nano lai Fe3O4@Ag có đường kính trung bình 15,5 ± 1,3 nm với độ phân tán cao.
  • Chức năng hóa bề mặt hoàn thiện bằng polymer lưỡng cực poly(maleic anhydride-alt-1-octadecene), tạo hệ keo nano phân tán tốt trong môi trường nước và bền vững ở nồng độ muối sinh lý từ 50 đến 200 mM natri clorua.
  • Khẳng định tính khả thi vượt trội của hệ vật liệu nano lai trong vai trò tác nhân tăng độ tương phản đa phương thức cho kỹ thuật chụp cộng hưởng từ T2 ở nồng độ 45,0 microgram/mL và chụp cắt lớp vi tính ở nồng độ 2,0 mg/mL.
  • Xác thực hoạt tính kháng nấm thực nghiệm trên chủng nấm Aspergillus glaucus AM211, chứng minh tiềm năng trị liệu kép kết hợp chẩn đoán hình ảnh.

Công trình luận văn thạc sĩ này là bước tiến quan trọng trong việc làm chủ công nghệ tổng hợp vật liệu nano lai ferrite - kim loại quý tại Việt Nam. Kế hoạch nghiên cứu trong giai đoạn tiếp theo cần tập trung vào các thử nghiệm tiền lâm sàng trên mô hình động vật sống trong vòng 12 đến 24 tháng tới. Các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp y dược quan tâm đến công nghệ chế tạo vật liệu nano y sinh có thể liên hệ trực tiếp với nhóm tác giả tại Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên để tiếp cận toàn văn công trình và thảo luận các định hướng chuyển giao công nghệ.