Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong y học hiện đại, việc sử dụng các loại thuốc điều trị qua đường uống truyền thống tồn tại nhiều hạn chế, đặc biệt là hiện tượng phân bố không đặc hiệu dẫn đến giảm nồng độ thuốc tại mô đích và gây tác dụng phụ lên các cơ quan lành. Việc phát triển các hệ dẫn truyền thuốc kích thước nano mang cấu trúc rỗng hoặc xốp trung bình (mesoporous) kết hợp lõi từ tính được xem là giải pháp khắc phục các nhược điểm này. Cấu trúc mao quản xốp giúp tăng dung lượng nạp và kiểm soát tốc độ giải phóng dược chất, trong khi lõi từ tính cho phép định hướng và thu hồi vật liệu dưới tác động của từ trường ngoài. Đề tài khóa luận tốt nghiệp "Chế tạo và khảo sát vật liệu nanosilica từ tính ứng dụng trong tải thuốc" do sinh viên Trần Thảo Trang thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Lý Tấn Nhiệm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh tập trung vào việc tổng hợp và đánh giá hệ vật liệu nano lai vô cơ đa chức năng này.
Nhiệm vụ nghiên cứu của khóa luận được xác định cụ thể gồm 4 nội dung chính:
- Tổng hợp hạt nano sắt từ ($Fe_3O_4$).
- Chế tạo hạt nanosilica từ tính mang cấu trúc xốp ($Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2$).
- Khảo sát hình thái và cấu trúc của vật liệu nanosilica từ tính.
- Khảo sát khả năng nạp và giải phóng thuốc của vật liệu đối với dược chất mô hình là Ibuprofen (IBU).
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu nano lai vô cơ cấu trúc lõi - vỏ kép gồm lõi nano sắt từ $Fe_3O_4$, lớp vỏ silica bảo vệ ($SiO_2$), lớp vỏ ngoài silica xốp ($mSiO_2$), được biến tính bề mặt bằng nhóm chức amin thông qua (3-Aminopropyl)triethoxysilane ($APTES$), cùng hệ dẫn truyền nạp/nhả thuốc chống viêm không steroid Ibuprofen (IBU).
- Phạm vi không gian: Nghiên cứu thực nghiệm được triển khai tại hệ thống phòng thí nghiệm thuộc Bộ môn Công nghệ Hóa học, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
- Phạm vi thời gian: Khóa luận được giao ngày 08/01/2024, hoàn thành ngày 01/08/2024 và nghiệm thu/bảo vệ vào tháng 08/2024.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khóa luận dựa trên các cơ sở lý thuyết về hóa học vật liệu nano vô cơ, phương pháp sol-gel tạo màng silica Stöber, cơ chế tự lắp ráp của chất hoạt động bề mặt tạo cấu trúc xốp trung bình (mesoporous), cùng lý thuyết về hiện tượng siêu thuận từ và dược động học của thuốc nhóm NSAIDs.
Hóa chất và vật liệu sử dụng
Nghiên cứu sử dụng các hóa chất có độ tinh khiết cao từ các nhà sản xuất quốc tế và trong nước:
| STT |
Tên hóa chất |
Công thức / Ký hiệu |
Độ tinh khiết |
Nơi sản xuất |
| 1 |
Acetic acid glacial |
$CH_3COOH$ |
100% |
Merck, Đức |
| 2 |
Nitric acid |
$HNO_3$ |
68% |
Xilong, Trung Quốc |
| 3 |
Ethanol absolute |
$C_2H_5OH$ |
99,5% |
Chemsol, Việt Nam |
| 4 |
Tetraethyl orthosilicate |
TEOS ($C_8H_{20}O_4Si$) |
98% |
Thermo, Mỹ |
| 5 |
(3-Aminopropyl)triethoxysilane |
APTES ($C_9H_{23}NO_3Si$) |
99% |
Thermo, Mỹ |
| 6 |
Citric acid |
$C_6H_8O_7$ |
99% |
Xilong, Trung Quốc |
| 7 |
Acetone |
$(CH_3)_2CO$ |
99% |
Xilong, Trung Quốc |
| 8 |
Cetyltrimethylammonium bromide |
CTAB ($C_{19}H_{42}NBr$) |
99% |
Xilong, Trung Quốc |
| 9 |
Ethanol |
$C_2H_5OH$ |
99% |
Xilong, Trung Quốc |
| 10 |
Iron (II) chloride |
$FeCl_2$ |
99% |
Xilong, Trung Quốc |
| 11 |
Iron (III) chloride |
$FeCl_3$ |
99% |
Xilong, Trung Quốc |
| 12 |
Ammonia solution |
$NH_3$ / $NH_4OH$ |
28% – 30% |
Xilong, Trung Quốc |
| 13 |
Nước cất |
$H_2O$ |
Cất 1 lần |
Máy Hamilton WSB, Hà Lan |
Trang thiết bị phân tích và khảo sát
Các thiết bị đo đạc phân tích cấu trúc, hình thái và tính chất của vật liệu gồm:
| STT |
Tên thiết bị |
Model / Thông số |
Hãng sản xuất / Quốc gia |
| 1 |
Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) |
S-4800 |
Hitachi, Nhật Bản |
| 2 |
Kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HR-TEM) |
Độ phân giải nano |
Nhật Bản |
| 3 |
Máy nhiễu xạ tia X (XRD) |
D8 Advance |
Bruker, Đức |
| 4 |
Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) |
Hệ giao thoa kế |
Jasco, Nhật Bản |
| 5 |
Máy đo tán xạ ánh sáng động và thế Zeta (DLS) |
Zetasizer pro |
Malvern, Anh |
| 6 |
Máy quang phổ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) |
H5300 |
Hitachi, Nhật Bản |
| 7 |
Máy đo từ kế mẫu rung (VSM) |
Quét từ trường $\pm 15000\text{ Oe}$ |
Thiết bị phân tích từ tính |
| 8 |
Máy phân tích diện tích bề mặt riêng (BET/BJH) |
Hấp phụ đẳng nhiệt $N_2$ |
Chuẩn IUPAC |
| 9 |
Máy quang phổ điện tử quang tia X (XPS) |
Phân tích orbital O1s, Si2p, C1s |
Thiết bị phân tích bề mặt |
| 10 |
Máy ly tâm |
Z326 |
HERMLE, Đức |
| 11 |
Tủ sấy |
UN110 |
Memmert, Đức |
| 12 |
Máy đo pH |
YSI 1200 |
YSI, Mỹ |
Phương pháp nghiên cứu thực tế
- Phương pháp đồng kết tủa: Tổng hợp hạt nano $Fe_3O_4$ từ muối $Fe^{2+}$ và $Fe^{3+}$ trong môi trường kiềm $NH_4OH$ ở 70 °C theo phương trình phản ứng:
$$Fe^{2+} + 2Fe^{3+} + 8OH^- \rightarrow Fe_3O_4 + 4H_2O$$
- Phương pháp Sol-Gel (Stöber): Thủy phân và ngưng tụ TEOS với chất xúc tác ammonia trong môi trường ethanol/nước để tạo lớp vỏ silica đặc ($Fe_3O_4@SiO_2$).
- Phương pháp khuôn mẫu mềm: Sử dụng chất hoạt động bề mặt CTAB tạo micelle để định hướng cấu trúc mạng silica xốp trung bình ($Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2$), sau đó loại bỏ CTAB bằng cách đun hồi lưu trong acetone ở 75 °C trong 36 giờ.
- Phương pháp biến tính bề mặt: Ghép nhóm chức amin lên bề mặt silica xốp bằng phản ứng silane hóa với APTES trong dung môi ethanol suốt 24 giờ.
- Phương pháp thẩm tách qua màng và đo quang phổ UV-Vis: Đánh giá khả năng nạp và giải phóng Ibuprofen bằng màng thẩm tách có kích thước cắt phân tử 3,5 kDa trong dung dịch đệm phosphat (PBS) pH 7,4.
Nội dung chính theo từng chương
Mở đầu
Tác giả trình bày tổng quan về các thách thức trong dẫn truyền dược chất truyền thống và vai trò của vật liệu nanosilica từ tính. Chương này hệ thống hóa các phương pháp tổng hợp nanosilica cấu trúc xốp bao gồm: phương pháp lõi-vỏ, phương pháp khuôn mẫu và phương pháp tách lớp; đồng thời phân tích tính chất của hạt nano sắt từ $Fe_3O_4$ (cấu trúc spinel, kích thước nano, khả năng từ hóa và hiệu ứng siêu thuận từ).
Chương mở đầu cũng tổng hợp cơ chế tác dụng và dược động học của Ibuprofen (thuốc chống viêm không steroid ức chế enzyme cyclooxygenase - COX), lý giải nguyên nhân phối hợp cấu trúc $Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2$ nhằm bảo vệ hoạt chất, kiểm soát tốc độ giải phóng và nhắm đích bằng từ trường ngoài. Tác giả điểm luận các công trình liên quan trong nước (Viện Khoa học Vật liệu, Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM) và các nghiên cứu quốc tế (Đại học California - Berkeley, Viện Công nghệ Massachusetts - MIT, Đại học Oxford).
Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu
Chương này mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm gồm 5 bước chính:
- Tổng hợp nano $Fe_3O_4$: Hòa tan muối sắt theo tỷ lệ mol quy định, gia nhiệt hỗn hợp lên 70 °C trên máy khuấy từ trong 30 phút, nhỏ giọt 20 mL dung dịch $NH_4OH$ (25%), tiếp tục khuấy 30 phút, sau đó ly tâm và rửa bằng nước cất cùng ethanol.
- Chế tạo $Fe_3O_4@SiO_2$: Phân tán 0,2 g $Fe_3O_4$ trong 4 mL nước bằng siêu âm (5 phút), thêm 4 mL acid citric 0,3 g/mL (siêu âm 10 phút) để biến tính bề mặt; trộn với 80 mL ethanol và 20 mL nước, thêm 5 mL $NH_4OH$ 30% và 0,7 mL TEOS, khuấy trong 3 giờ rồi ly tâm thu sản phẩm.
- Chế tạo $Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2$: Phân tán 0,1 g $Fe_3O_4@SiO_2$ và 0,3 g CTAB vào hỗn hợp 80 mL nước, 60 mL ethanol và 1,2 mL $NH_4OH$ 30% trong 30 phút; thêm 0,4 mL TEOS và khuấy trong 6 giờ; ly tâm rồi phân tán hạt vào acetone, đun hồi lưu ở 75 °C trong 36 giờ để chiết tách hoàn toàn khuôn CTAB, sau đó lọc chân không.
- Biến tính bề mặt với nhóm amin: Phân tán 50 mg vật liệu $Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2$ vào 20 mL ethanol (siêu âm 5 phút), thêm 0,5 mL APTES, khuấy từ 24 giờ và lọc chân không để thu nhận $Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2@APTES$.
- Khảo sát nạp và giải phóng Ibuprofen: Phân tán 20 mg vật liệu đã biến tính vào 20 mL dung dịch PBS pH 7,4 (khuấy 24 giờ), lọc chân không tách pha rắn và dịch lọc. Đưa 2 mL dịch lọc vào túi màng thẩm tách 3,5 kDa ngập trong 50 mL đệm PBS, thay nước ngoài màng 3 lần (mỗi lần cách 2 giờ) và đo UV-Vis để tính lượng thuốc nạp. Tiếp đó, phân tán 2 mg phức hợp chứa thuốc vào 2 mL đệm PBS, đặt vào túi thẩm tách trong 50 mL đệm PBS pH 7,4; lấy mẫu 5 mL tại các thời điểm 1, 2, 6, 12 và 24 giờ (bù lại 5 mL đệm mới) để phân tích UV-Vis xác định động học giải phóng.
Chương này cũng trình bày nguyên lý đo đạc của các phương pháp: FT-IR, XRD, XPS, FE-SEM, HR-TEM, BET, DLS, VSM và thế Zeta.
Kết quả và bàn luận
Tác giả phân tích toàn diện các kết quả thực nghiệm thu được:
- Phổ hồng ngoại FT-IR: Phổ của $Fe_3O_4$ xuất hiện đỉnh $580\text{ cm}^{-1}$ đặc trưng cho liên kết Fe-O, đỉnh $3404\text{ cm}^{-1}$ (-OH) và $1620\text{ cm}^{-1}$ (uốn O-H của nước hấp phụ). Khi phủ lớp silica đầu tiên ($Fe_3O_4@SiO_2$), xuất hiện đỉnh dao động kéo bất đối xứng Si-O-Si tại $1100\text{ cm}^{-1}$, dao động uốn Si-O tại $800\text{ cm}^{-1}$ và dao động kéo Si-O bề mặt tại $950\text{ cm}^{-1}$. Với mẫu $Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2$, xuất hiện thêm đỉnh kéo bất đối xứng Si-O-Si ở $1250\text{ cm}^{-1}$ và đỉnh kéo đối xứng Si-O ở $945\text{ cm}^{-1}$; đồng thời quan sát thấy hai đỉnh cường độ thấp tại $2850\text{ cm}^{-1}$ và $2930\text{ cm}^{-1}$ chỉ ra vẫn còn một lượng nhỏ CTAB còn sót lại trong mạng xốp.
- Nhiễu xạ tia X (XRD): Mẫu $Fe_3O_4$ thể hiện các đỉnh nhiễu xạ tại các góc $2\theta = 30,4^\circ; 35,5^\circ; 43,3^\circ; 54,1^\circ; 57,6^\circ; 63,1^\circ$ tương ứng với các mặt mạng (220), (311), (400), (422), (511), (440) của cấu trúc lập phương tâm diện (FCC) của tinh thể magnetit. Mẫu $Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2$ vẫn giữ nguyên các đỉnh đặc trưng của oxit sắt từ nhưng có cường độ giảm xuống và xuất hiện thêm một đỉnh khuếch tán rộng tại vị trí $2\theta \approx 22^\circ$ đặc trưng cho pha silica vô định hình. Kích thước tinh thể $Fe_3O_4$ được tính toán theo công thức Scherrer:
$$D = \frac{K\lambda}{B\cos\theta}$$
(với $K = 0,9$; bước sóng nguồn phát tia X catot đồng $\lambda = 0,15406\text{ nm}$).
- Quang phổ điện tử quang tia X (XPS): Phân tích thành phần nguyên tố trên bề mặt $Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2$ cho thấy tỷ lệ nguyên tử C 1s chiếm 64,6%, Si 2p chiếm 7,0% và Fe 2p dưới 1% (do lớp vỏ silica che chắn dày). Orbital O 1s ghi nhận đỉnh liên kết Fe-O tại 531,5 eV và liên kết Si-O tại 532,0 eV. Orbital Si 2p xuất hiện đỉnh tại 102,0 eV (liên kết Si-O-Si) và 101,6 eV (silicon chưa oxy hóa hoàn toàn như Si-Si/Si-H). Orbital C 1s có 3 đỉnh tại 283,3 eV (liên kết C-C/C-H của CTAB sót lại), 284,7 eV (carbon $sp^2$ từ đế băng dán mẫu) và 287,2 eV (nhóm carbonyl C=O).
- Kính hiển vi điện tử (FE-SEM & HR-TEM): Ảnh FE-SEM cho thấy hạt $Fe_3O_4$ ban đầu có kích thước trung bình 14,94 nm (do diện tích bề mặt lớn nên có hiện tượng kết tụ hạt). Sau khi bọc hai lớp silica, hạt $Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2$ có dạng hình cầu đồng đều với đường kính 548,42 nm. Ảnh HR-TEM khẳng định rõ cấu trúc lõi nano $Fe_3O_4$ được bao bọc bởi lớp vỏ silica chứa vô số lỗ rỗng kích thước nano phân bố trên bề mặt.
- Tán xạ ánh sáng động (DLS): Phổ DLS cho thấy sự gia tăng đều đặn về kích thước động học từ $Fe_3O_4$ sang $Fe_3O_4@SiO_2$ và $Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2$ với các đỉnh phân bố hẹp và sắc nét.
- Đặc tính xốp BET/BJH: Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ $N_2$ của $Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2$ thuộc dạng loại IV theo phân loại của IUPAC, có vòng lặp trễ (hysteresis loop) tại vùng áp suất tương đối cao ($P/P_0 > 0,4$), khẳng định vật liệu có cấu trúc xốp trung bình (mesoporous). Diện tích bề mặt riêng BET đạt $148,170\text{ m}^2/\text{g}$, tổng thể tích lỗ rỗng đạt $0,231\text{ cm}^3/\text{g}$. Đường kính lỗ rỗng phân bố trong khoảng 2,0 – 25 nm, tập trung chủ yếu tại 3,5 nm và đường kính lỗ rỗng trung bình theo tính toán BJH là 3,2089 nm.
- Từ tính (VSM): Đo trong khoảng từ trường quét từ $-15000\text{ Oe}$ đến $+15000\text{ Oe}$ ở nhiệt độ phòng. Khi không có từ trường ngoài, độ từ hóa của vật liệu bằng 0 emu/g (tính chất siêu thuận từ). Hạt nano $Fe_3O_4$ đạt độ từ hóa bão hòa $58,78\text{ emu/g}$, trong khi hạt $Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2$ đạt $9,17\text{ emu/g}$ (giảm hơn 6 lần do lớp silica không từ tính bao bọc dày bên ngoài, nhưng vẫn đảm bảo khả năng thu hồi và điều khiển dưới từ trường).
- Khảo sát nạp, giải phóng thuốc và độc tính tế bào: Khả năng nạp Ibuprofen của vật liệu $Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2@APTES$ đạt 26,89%. Trong thử nghiệm giải phóng thuốc tại môi trường PBS pH 7,4, tốc độ nhả thuốc đạt hơn 40% trong 1 giờ đầu tiên và sau 12 giờ đạt gần 72% tổng lượng dược chất. Khảo sát độc tính tế bào thông qua đo mật độ quang tại bước sóng 565 nm cho thấy khi nồng độ hạt tăng thì tỷ lệ sống sót của tế bào giảm dần; ở các nồng độ dưới $0,0625\text{ mg/mL}$, vật liệu thể hiện độ tương thích tế bào ở mức chấp nhận được.
Kết quả và đóng góp
Tổng hợp các thông số kỹ thuật chính của vật liệu
| Thông số đặc trưng |
Phương pháp phân tích |
Kết quả đo đạc thực nghiệm |
| Kích thước hạt nano $Fe_3O_4$ ban đầu |
FE-SEM |
$14,94\text{ nm}$ |
| Kích thước hạt phức hợp $Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2$ |
FE-SEM |
$548,42\text{ nm}$ |
| Cấu trúc pha tinh thể lõi |
XRD |
Cấu trúc lập phương tâm diện (FCC) của $Fe_3O_4$ |
| Cấu trúc pha lớp vỏ silica |
XRD |
Vô định hình (đỉnh rộng tại $2\theta \approx 22^\circ$) |
| Diện tích bề mặt riêng ($S_{BET}$) |
Hấp phụ $N_2$ (BET) |
$148,170\text{ m}^2/\text{g}$ |
| Tổng thể tích lỗ rỗng ($V_{total}$) |
BJH |
$0,231\text{ cm}^3/\text{g}$ |
| Đường kính lỗ rỗng trung bình |
BJH |
$3,2089\text{ nm}$ (dải phân bố $2,0 - 25\text{ nm}$) |
| Độ từ hóa bão hòa hạt $Fe_3O_4$ |
VSM |
$58,78\text{ emu/g}$ |
| Độ từ hóa bão hòa hạt $Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2$ |
VSM |
$9,17\text{ emu/g}$ |
| Hiệu suất nạp Ibuprofen |
Quang phổ UV-Vis |
$26,89%$ |
| Khả năng giải phóng Ibuprofen sau 1 giờ |
Màng thẩm tách / UV-Vis |
$> 40%$ |
| Khả năng giải phóng Ibuprofen sau 12 giờ |
Màng thẩm tách / UV-Vis |
Gần $72%$ |
| Ngưỡng tương thích tế bào an toàn |
Đo mật độ quang (565 nm) |
Nồng độ $< 0,0625\text{ mg/mL}$ |
Đóng góp của khóa luận
- Đã thiết lập hoàn chỉnh quy trình thực nghiệm đa bước từ tổng hợp lõi sắt từ $Fe_3O_4$ siêu thuận từ, bọc lớp silica đệm, tạo vỏ silica xốp trung bình bằng khuôn CTAB và biến tính chức năng hóa bề mặt bằng nhóm amin qua APTES.
- Kiểm soát thành công cấu trúc mao quản xốp trung bình với kích thước trung bình 3,2089 nm và diện tích bề mặt riêng lớn ($148,170\text{ m}^2/\text{g}$), tạo điều kiện thuận lợi cho việc khuếch tán và chứa giữ các phân tử thuốc Ibuprofen.
- Chứng minh được vật liệu sau khi bọc lớp vỏ vô cơ vẫn giữ được tính chất siêu thuận từ ($9,17\text{ emu/g}$), có thể dễ dàng phân tách và định vị trong môi trường chất lỏng.
- Đánh giá thực nghiệm cơ chế nạp/nhả Ibuprofen có kiểm soát và xác định được ngưỡng nồng độ tương thích sinh học ($< 0,0625\text{ mg/mL}$) cho các ứng dụng y sinh tiếp theo.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Dựa trên các kết quả phân tích trong văn bản khóa luận, một số hạn chế và hướng mở của đề tài được ghi nhận:
- Hạn chế:
- Quy trình chiết xuất khuôn mẫu CTAB bằng phương pháp đun hồi lưu trong acetone ở 75 °C trong 36 giờ vẫn còn để lại dấu vết của chất hoạt động bề mặt trong mạng silica xốp (thể hiện qua các đỉnh dao động $2850\text{ cm}^{-1}$ và $2930\text{ cm}^{-1}$ trên phổ FT-IR và tín hiệu carbon trên phổ XPS).
- Độ từ hóa bão hòa của hạt sau khi phủ vỏ silica bị suy giảm đáng kể (từ $58,78\text{ emu/g}$ xuống $9,17\text{ emu/g}$) do lớp vỏ silica dày che chắn từ trường.
- Các thử nghiệm giải phóng thuốc và tương thích tế bào mới dừng lại ở quy mô in vitro trong môi trường đệm PBS chuẩn pH 7,4 và dòng tế bào thử nghiệm ở bước sóng 565 nm, chưa khảo sát trên các môi trường pH biến đổi (như pH acid mô phỏng dạ dày hoặc môi trường vi mô khối u).
- Hướng nghiên cứu tiếp: Tối ưu hóa quy trình rửa loại bỏ hoàn toàn surfactant CTAB; khảo sát động học giải phóng thuốc tại nhiều mức pH khác nhau (pH 1,2; pH 5,5; pH 7,4) và tiến hành các thử nghiệm in vivo để đánh giá tính an toàn sinh học lâu dài.
Giá trị tham khảo
Khóa luận là tài liệu tham khảo thực nghiệm giá trị cho:
- Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu viên thuộc các ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Hóa hữu cơ, Khoa học Vật liệu, Công nghệ Sinh học và Công nghệ Nano Y sinh.
- Các nhóm nghiên cứu đang phát triển hệ dẫn truyền thuốc nano thông minh mang lõi từ tính hoặc vật liệu vô cơ xốp mesoporous.
- Nội dung tham khảo giá trị nhất: Quy trình công nghệ tổng hợp chi tiết từ khâu đồng kết tủa muối sắt, kỹ thuật bọc vỏ silica hai giai đoạn (sol-gel kết hợp khuôn CTAB), quy trình biến tính silane hóa bằng APTES, cùng tập hợp đầy đủ dữ liệu phân tích hóa lý thực nghiệm (FT-IR, XRD, XPS, FE-SEM, HR-TEM, BET/BJH, VSM, DLS) và phương pháp đánh giá tải/nhả thuốc qua màng thẩm tách.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao độ từ hóa bão hòa của vật liệu $Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2$ ($9,17\text{ emu/g}$) lại giảm hơn 6 lần so với hạt nano $Fe_3O_4$ ban đầu ($58,78\text{ emu/g}$)?
Sự suy giảm độ từ hóa bão hòa là do sự hình thành của hai lớp vỏ silica ($SiO_2$ đặc và $mSiO_2$ xốp) bao bọc quanh bề mặt hạt sắt từ $Fe_3O_4$. Vì silica là chất không mang từ tính và làm tăng đáng kể khối lượng cũng như kích thước hạt tổng thể (từ 14,94 nm lên 548,42 nm), lớp vỏ này đã che chắn và làm suy giảm tỷ lệ khối lượng của pha từ tính trong mẫu. Tuy nhiên, đường cong VSM cho thấy vật liệu vẫn duy trì được tính chất siêu thuận từ và độ từ hóa đủ lớn để điều khiển hoặc thu hồi bằng nam châm ngoài.
2. Các thông số cấu trúc xốp của vật liệu theo phép đo hấp phụ đẳng nhiệt $N_2$ (BET/BJH) đạt giá trị bao nhiêu?
Kết quả phân tích BET/BJH cho thấy đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp thuộc loại IV với vòng lặp trễ ở $P/P_0 > 0,4$, đặc trưng cho cấu trúc mesoporous. Vật liệu đạt diện tích bề mặt riêng là $148,170\text{ m}^2/\text{g}$, tổng thể tích lỗ rỗng là $0,231\text{ cm}^3/\text{g}$, kích thước lỗ rỗng dao động từ 2,0 đến 25 nm, phân bố tập trung chủ yếu tại 3,5 nm và đường kính lỗ rỗng trung bình là 3,2089 nm.
3. Cơ sở nào trên các phổ phân tích chứng minh chất hoạt động bề mặt CTAB vẫn còn sót lại một lượng nhỏ sau quá trình rửa?
Dấu hiệu tồn tại của CTAB được ghi nhận qua hai phép phân tích: trên phổ FT-IR xuất hiện hai đỉnh hấp thụ yếu tại các số sóng $2850\text{ cm}^{-1}$ và $2930\text{ cm}^{-1}$ tương ứng với dao động của các nhóm alkyl (C-H); đồng thời trên phổ XPS orbital C 1s xuất hiện đỉnh năng lượng liên kết tại 283,3 eV đặc trưng cho các liên kết C-C/C-H của mạch hydrocarbon chưa bị loại bỏ hoàn toàn.
4. Khả năng nạp và động học giải phóng thuốc Ibuprofen của hệ vật liệu diễn ra như thế nào trong đệm PBS pH 7,4?
Vật liệu $Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2@APTES$ đạt hiệu suất nạp Ibuprofen là 26,89%. Trong quá trình giải phóng qua màng thẩm tách 3,5 kDa ở pH 7,4, tốc độ nhả thuốc diễn ra nhanh trong 1 giờ đầu tiên với hơn 40% lượng IBU được giải phóng, sau đó tốc độ chậm dần và đạt gần 72% sau 12 giờ, thể hiện khả năng kiểm soát giải phóng thuốc theo thời gian.
5. Kết quả thử nghiệm độc tính tế bào cho thấy ngưỡng nồng độ nào của vật liệu có độ tương thích sinh học chấp nhận được?
Kết quả đo mật độ quang tại bước sóng 565 nm cho thấy khi tăng nồng độ vật liệu thì tỷ lệ sống sót của tế bào giảm dần. Vật liệu thể hiện độ tương thích tế bào ở mức chấp nhận được khi nồng độ ở mức dưới $0,0625\text{ mg/mL}$.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Trần Thảo Trang đã chế tạo thành công hệ vật liệu nano lai $Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2$ biến tính nhóm amin mang cấu trúc lõi - vỏ kép với kích thước hạt trung bình 548,42 nm, diện tích bề mặt riêng đạt $148,170\text{ m}^2/\text{g}$ và kích thước lỗ xốp trung bình 3,2089 nm. Vật liệu vẫn giữ được đặc tính siêu thuận từ với độ từ hóa $9,17\text{ emu/g}$, cho phép nạp Ibuprofen đạt hiệu suất 26,89% và giải phóng gần 72% lượng hoạt chất sau 12 giờ trong môi trường đệm PBS pH 7,4. Thử nghiệm in vitro xác nhận độ tương thích tế bào chấp nhận được ở dải nồng độ dưới $0,0625\text{ mg/mL}$, khẳng định tiềm năng ứng dụng thực tiễn của nanosilica từ tính trong lĩnh vực dẫn truyền thuốc hướng đích.
