Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu và chế tạo hạt nano Fe3O4 trong y sinh

• Tác giả: Trần Thị Dung
• Người hướng dẫn: TS. Trần Mậu Danh
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nanô
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Chế Tạo Hạt Nano Fe3O4 Cho Ứng Dụng Y Sinh
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Hà Nội

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANÔ
• 1.1. Tổng quan về hạt nanô oxit sắt Fe3O4
• 1.2. Cấu trúc tinh thể của Fe3O4
• 1.3. Tính chất từ
• 1.4. Tương tác trao đổi
• 1.5. Tính chất từ trong các hạt nanô Fe3O4
• 1.6. Hiện tượng hồi phục trong chất lỏng siêu thuận từ
• 1.7. Các ứng dụng của hạt nanô Fe3O4
• 1.8. Chất lỏng từ
• 1.9. Phân tách và chọn lọc tế bào
• 1.10. Dẫn truyền thuốc
• 1.11. Hiệu ứng đốt nhiệt
• 1.12. Tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ hạt nhân
• 2. CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT PHẢN ỨNG VÀ SỰ HÌNH THÀNH CẤU TRÚC NANÔ
• 2.1. Động học của phản ứng trong dung dịch
• 2.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng đến tốc độ phản ứng
• 2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng
• 2.4. Thuyết phức chất hoạt động
• 2.5. Ảnh hưởng của dung môi lên tốc độ phản ứng
• 2.6. Ảnh hưởng của lực ion, hiệu ứng muối lên tốc độ phản ứng
• 2.7. Động hoá học từ quá trình kết tủa trong dung dịch
• 2.8. Ion kim loại trong dung dịch nước
• 2.9. Điều kiện hình thành kết tủa
• 2.10. Quá trình hình thành và phát triển của hạt tinh thể
• 2.11. Phương pháp đồng kết tủa
• 3. CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM
• 3.1. Chế tạo mẫu
• 3.2. Chuẩn bị hóa chất và dụng cụ thí nghiệm
• 3.3. Qui trình tổng hợp
• 3.4. Phương pháp thực nghiệm
• 3.5. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 3.6. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 3.7. Phương pháp từ kế mẫu rung (VSM)
• 3.8. Hệ đo các tính chất vật lí (PPMS 6000)
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Kết quả với các mẫu nhóm C
• 4.2. Kết quả nhiễu xạ tia X
• 4.3. Xác định thành phần hoá học
• 4.4. Kết quả đo TEM
• 4.5. Kết quả đo từ
• 4.6. Kết quả khảo sát theo tốc độ khuấy
• KẾT QUẢ CHÍNH THU ĐƯỢC
• KẾT LUẬN CHUNG
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về hạt nano ôxit sắt Fe3O4

Hạt nano Fe3O4 là một trong những vật liệu từ có cấu trúc nanô được nghiên cứu nhiều trong lĩnh vực y sinh. Chúng có cấu trúc tinh thể ferit lập phương với nhóm đối xứng Fd3m. Các ion Fe trong hạt nano này tồn tại ở hai trạng thái hoá trị 2+ và 3+, với tỉ lệ 1:2. Hạt nano Fe3O4 có tính chất từ phong phú, bao gồm tính siêu thuận từ, cho phép chúng có khả năng tương tác với từ trường bên ngoài. Điều này làm cho chúng trở thành ứng viên lý tưởng cho các ứng dụng trong y sinh, như vận chuyển thuốc và phân tách tế bào. Hạt nano từ có kích thước nhỏ, gần với kích thước của các thực thể sinh học, giúp chúng dễ dàng tiếp cận mà không gây ảnh hưởng đến hoạt động của các thực thể này. Hơn nữa, diện tích bề mặt lớn của chúng cho phép chức năng hoá bề mặt, tăng cường khả năng hấp phụ và nhả thuốc trong cơ thể.

1.1. Cấu trúc tinh thể của Fe3O4

Cấu trúc tinh thể của Fe3O4 được mô tả là cấu trúc spinel đảo, với các ion Fe và O sắp xếp theo một cách đặc biệt. Các ion Fe2+ và Fe3+ chiếm các vị trí khác nhau trong mạng tinh thể, tạo ra sự phân bố ion độc đáo. Điều này ảnh hưởng đến tính chất từ của hạt nano, với sự tương tác giữa các ion từ tính chủ yếu thông qua ion oxy. Sự phân bố này không chỉ quyết định tính chất từ mà còn ảnh hưởng đến khả năng tương tác của hạt nano với các thực thể sinh học trong ứng dụng y sinh.

1.2. Tính chất từ của hạt nano Fe3O4

Tính chất từ của hạt nano Fe3O4 rất đa dạng và phụ thuộc vào kích thước hạt. Khi kích thước hạt giảm xuống dưới một giới hạn nhất định, hạt sẽ chuyển sang trạng thái đơn đômen, dẫn đến sự thay đổi trong đường cong từ hoá. Hạt nano Fe3O4 có khả năng tạo ra từ độ tự phát, cho phép chúng duy trì tính từ ngay cả khi không có từ trường bên ngoài. Điều này rất quan trọng trong các ứng dụng y sinh, nơi mà khả năng điều khiển từ tính có thể được sử dụng để định hướng và kiểm soát các hạt nano trong cơ thể.

II. Ứng dụng y sinh của hạt nano Fe3O4

Hạt nano Fe3O4 có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực y sinh, nhờ vào tính chất từ và khả năng tương tác với các thực thể sinh học. Chúng có thể được sử dụng trong việc vận chuyển thuốc, nơi mà khả năng hấp phụ và nhả thuốc của hạt nano có thể được tối ưu hóa. Hơn nữa, hạt nano này cũng có thể được sử dụng trong các phương pháp phân tách tế bào, giúp tăng cường hiệu quả trong các quy trình điều trị. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hạt nano Fe3O4 có thể cải thiện độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ hạt nhân, mở ra cơ hội cho các ứng dụng trong chẩn đoán y học.

2.1. Vận chuyển thuốc

Hạt nano Fe3O4 có khả năng vận chuyển thuốc một cách hiệu quả nhờ vào kích thước nhỏ và tính từ của chúng. Chúng có thể được chức năng hoá bề mặt để tăng cường khả năng hấp phụ thuốc, cho phép đưa thuốc đến các vị trí mong muốn trong cơ thể mà không gây ra tác dụng phụ. Việc sử dụng hạt nano trong vận chuyển thuốc không chỉ giúp tăng cường hiệu quả điều trị mà còn giảm thiểu liều lượng thuốc cần thiết, từ đó giảm thiểu tác dụng phụ cho bệnh nhân.

2.2. Phân tách tế bào

Hạt nano Fe3O4 cũng được sử dụng trong các ứng dụng phân tách tế bào, nhờ vào khả năng tương tác với các tế bào sinh học. Chúng có thể được sử dụng để tách biệt các tế bào mong muốn từ một hỗn hợp phức tạp, giúp tăng cường độ chính xác trong các quy trình nghiên cứu và điều trị. Việc sử dụng hạt nano trong phân tách tế bào không chỉ giúp cải thiện hiệu quả mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu y sinh.

Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu nanô từ, đặc biệt là hạt nanô Fe3O4 (magnetite), đã trở thành chủ đề nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực vật liệu và linh kiện nanô với ứng dụng rộng rãi trong y sinh học. Theo ước tính, kích thước hạt nanô từ dao động trong khoảng 10-100 nm, tương đồng với kích thước các thực thể sinh học như virus, protein và gen, giúp chúng dễ dàng tương tác và ứng dụng trong các hệ sinh học. Tuy nhiên, việc chế tạo hạt nanô Fe3O4 với tính chất từ phù hợp, độ đồng nhất cao và tính an toàn sinh học vẫn là thách thức lớn.

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu và chế tạo hạt nanô Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa, khảo sát các tính chất từ và cấu trúc tinh thể của hạt nhằm định hướng ứng dụng trong y sinh học như dẫn truyền thuốc, phân tách tế bào, đốt nhiệt điều trị ung thư và tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (MRI). Nghiên cứu được thực hiện trên các mẫu hạt nanô tổng hợp trong điều kiện kiểm soát nồng độ muối phản ứng, pH và tốc độ khuấy, trong phạm vi thời gian thực nghiệm kéo dài và tại phòng thí nghiệm Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp dữ liệu thực nghiệm về kích thước hạt, thành phần pha, tính siêu thuận từ và nhiệt độ blocking, góp phần nâng cao hiệu quả ứng dụng hạt nanô Fe3O4 trong lĩnh vực y sinh, đồng thời mở rộng hiểu biết về cơ chế hình thành và ảnh hưởng của các điều kiện tổng hợp đến tính chất vật liệu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Cấu trúc tinh thể spinel đảo của Fe3O4: Fe3O4 có cấu trúc ferit lập phương spinel đảo, với ion Fe3+ phân bố ở vị trí tứ diện và bát diện, ion Fe2+ nằm ở vị trí bát diện. Cấu trúc này quyết định tính chất từ và sự phân bố mômen từ trong hạt nanô.

• Tính siêu thuận từ và hiện tượng hồi phục Néel: Hạt nanô Fe3O4 thể hiện tính siêu thuận từ khi kích thước nhỏ hơn giới hạn đơn đômen (~84 nm). Hiện tượng hồi phục Néel mô tả sự đảo chiều mômen từ trong hạt nanô do năng lượng nhiệt vượt qua hàng rào năng lượng dị hướng, ảnh hưởng đến nhiệt độ blocking (TB).

• Động học phản ứng và sự hình thành cấu trúc nanô trong dung dịch: Lý thuyết phản ứng trong dung dịch, ảnh hưởng của nồng độ, nhiệt độ, dung môi và lực ion đến tốc độ phản ứng, cùng với quá trình tạo mầm kết tinh, phát triển kích thước hạt và hoàn chỉnh kết tủa được áp dụng để giải thích cơ chế tổng hợp hạt nanô Fe3O4.

• Phương pháp đồng kết tủa: Phương pháp tổng hợp hạt nanô Fe3O4 bằng cách kết tủa đồng thời ion Fe2+ và Fe3+ trong dung dịch bazơ, kiểm soát pH, nồng độ muối và tốc độ khuấy để điều chỉnh kích thước và tính chất hạt.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các mẫu hạt nanô Fe3O4 tổng hợp trong phòng thí nghiệm với hai nhóm mẫu chính: nhóm C (thay đổi nồng độ muối Fe3+) và nhóm T (thay đổi tốc độ khuấy), giữ cố định các điều kiện còn lại như pH và tỉ lệ Fe3+/Fe2+.

• Phương pháp phân tích:

  • Nhiễu xạ tia X (XRD): Xác định cấu trúc tinh thể, pha và kích thước tinh thể hạt nanô dựa trên độ rộng đỉnh nhiễu xạ, sử dụng máy SIEMMENS D5000 với bước sóng Cu-Kα = 1.54056 Å.
  • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Quan sát hình thái, kích thước và phân bố hạt nanô, sử dụng kính JEOL TEM 5410 NV với độ phân giải 0.2 nm.
  • Phân tích thành phần hóa học: Chuẩn độ oxi hóa khử để xác định tỉ lệ Fe2+/Fe3+ và đánh giá sự tồn tại pha γ-Fe2O3.
  • Từ kế mẫu rung (VSM) và hệ đo PPMS 6000: Đo các tính chất từ như mômen từ bão hòa (MS), lực kháng từ (HC), nhiệt độ blocking (TB) và đặc tính siêu thuận từ ở nhiệt độ phòng và các nhiệt độ thấp.

• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và phân tích mẫu trong khoảng thời gian thực nghiệm kéo dài, với các bước tổng hợp, xử lý mẫu, đo đạc và phân tích dữ liệu được thực hiện tuần tự theo kế hoạch nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc tinh thể và pha của hạt nanô Fe3O4
   Giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy các mẫu nhóm C có các đỉnh nhiễu xạ tương ứng với pha Fe3O4 và γ-Fe2O3, không phát hiện pha α-Fe2O3. Hằng số mạng tinh thể dao động trong khoảng 8.3701 Å đến 8.3934 Å, nhỏ hơn so với giá trị chuẩn của Fe3O4 (8.396 Å), phản ánh sự tồn tại pha γ-Fe2O3 chiếm từ 9% đến 35% tùy mẫu. Kích thước tinh thể tính từ độ rộng đỉnh nhiễu xạ giảm từ khoảng 12 nm xuống khi nồng độ muối phản ứng giảm.

2. Kích thước và hình thái hạt nanô
   Ảnh TEM cho thấy hạt nanô có hình cầu, kích thước đồng đều trong khoảng 15-20 nm, phân tán tốt trong dung môi nhờ lớp phủ chất hoạt động bề mặt. Kích thước hạt TEM lớn hơn kích thước tinh thể XRD do tồn tại lớp vỏ bề mặt, chứng tỏ hạt nanô là đơn tinh thể.

3. Tính chất từ và hiện tượng siêu thuận từ
   Đường cong từ hóa M(H) đo ở 300 K trên hệ VSM và PPMS 6000 cho thấy tính siêu thuận từ rõ rệt với đường cong thuận nghịch, không có từ dư (Mr ≈ 0) và lực kháng từ HC gần bằng 0. Nhiệt độ blocking TB của mẫu C1 được xác định khoảng 170 K qua các đường cong MZFC(T) và MFC(T), cho thấy hạt nanô trở nên hồi phục siêu thuận từ ở nhiệt độ trên TB.

4. Ảnh hưởng của điều kiện tổng hợp
   Giảm nồng độ muối phản ứng làm giảm kích thước tinh thể và tăng tỉ lệ pha γ-Fe2O3 do quá trình oxy hóa trong môi trường tổng hợp. Tốc độ khuấy cũng ảnh hưởng đến kích thước hạt và tính chất từ, tuy nhiên chi tiết về nhóm mẫu T chưa được trình bày đầy đủ trong phần này.

Thảo luận kết quả

Sự tồn tại pha γ-Fe2O3 trong các mẫu Fe3O4 là hiện tượng phổ biến do quá trình oxy hóa một phần Fe2+ trong điều kiện tổng hợp không khí, phù hợp với các nghiên cứu trước đây. Việc pha trộn hai pha này gây khó khăn trong việc xác định độ đơn pha bằng XRD do sự tương đồng cấu trúc tinh thể và hằng số mạng. Phân tích hóa học chuẩn độ oxi hóa khử đã giúp xác định chính xác tỉ lệ pha.

Kích thước hạt nanô trong khoảng 15-20 nm phù hợp với giới hạn đơn đômen, giải thích tính siêu thuận từ quan sát được. Nhiệt độ blocking TB khoảng 170 K cho thấy hạt nanô có khả năng duy trì tính từ ổn định ở nhiệt độ phòng, phù hợp cho các ứng dụng y sinh như dẫn truyền thuốc và tăng độ tương phản MRI.

Đường cong từ hóa thuận nghịch và lực kháng từ thấp chứng tỏ hạt nanô có khả năng đáp ứng nhanh với từ trường ngoài, thuận lợi cho việc điều khiển bằng từ trường trong các ứng dụng y sinh. Sự giảm kích thước hạt khi giảm nồng độ muối phản ứng được giải thích bằng giảm xác suất kết tụ hạt, phù hợp với lý thuyết động học kết tủa.

Các kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ giản đồ nhiễu xạ XRD, đồ thị kích thước hạt theo nồng độ muối, ảnh TEM minh họa hình thái hạt, và đồ thị đường cong từ hóa M(H) cùng đường cong MZFC(T), MFC(T) để minh chứng tính siêu thuận từ và nhiệt độ blocking.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa điều kiện tổng hợp
   Điều chỉnh nồng độ muối phản ứng và tốc độ khuấy nhằm kiểm soát kích thước hạt nanô Fe3O4 trong khoảng 15-20 nm, giảm thiểu sự hình thành pha γ-Fe2O3 để nâng cao độ đồng nhất pha. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu vật liệu.

2. Phát triển lớp phủ bề mặt chức năng
   Sử dụng các polyme sinh học hoặc dextran để phủ bề mặt hạt nanô, tăng khả năng tương thích sinh học, giảm độc tính và cải thiện khả năng hấp phụ thuốc. Thời gian: 6 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu hóa học vật liệu và y sinh.

3. Nghiên cứu ứng dụng dẫn truyền thuốc
   Thử nghiệm khả năng gắn thuốc và điều khiển hạt nanô bằng từ trường ngoài trong môi trường mô phỏng sinh học, đánh giá hiệu quả nhả thuốc và tính an toàn. Thời gian: 12 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu y sinh và dược học.

4. Mở rộng nghiên cứu tính chất từ ở nhiệt độ sinh lý
   Đo và phân tích tính chất từ của hạt nanô Fe3O4 trong môi trường mô phỏng cơ thể người, xác định nhiệt độ blocking và khả năng siêu thuận từ trong điều kiện thực tế. Thời gian: 6 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu vật lý vật liệu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nanô
   Có thể áp dụng phương pháp tổng hợp và phân tích tính chất từ để phát triển các vật liệu nanô từ khác, mở rộng nghiên cứu về cấu trúc và tính chất vật liệu.

2. Chuyên gia y sinh và dược học
   Tận dụng kết quả về kích thước hạt, tính siêu thuận từ và lớp phủ bề mặt để phát triển các hệ dẫn truyền thuốc, tác nhân tương phản MRI và liệu pháp đốt nhiệt ung thư.

3. Kỹ sư công nghệ vật liệu
   Áp dụng quy trình tổng hợp đồng kết tủa và kiểm soát điều kiện phản ứng để sản xuất hạt nanô từ quy mô phòng thí nghiệm đến công nghiệp.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành vật liệu và y sinh
   Tham khảo các lý thuyết, phương pháp thực nghiệm và phân tích dữ liệu trong nghiên cứu vật liệu nanô từ, nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu khoa học.

Câu hỏi thường gặp

1. Hạt nanô Fe3O4 có kích thước bao nhiêu là phù hợp cho ứng dụng y sinh?
   Kích thước từ 10 đến 100 nm là thích hợp, trong đó 15-20 nm được đánh giá tối ưu để len lỏi trong mao mạch và có thời gian lưu thông dài trong máu, đồng thời duy trì tính siêu thuận từ cần thiết cho điều khiển từ trường.

2. Tại sao pha γ-Fe2O3 xuất hiện trong mẫu Fe3O4 tổng hợp?
   Pha γ-Fe2O3 hình thành do quá trình oxy hóa một phần Fe2+ trong điều kiện tổng hợp không khí, là hiện tượng phổ biến và khó tránh khỏi, ảnh hưởng đến tính chất từ và cấu trúc tinh thể của mẫu.

3. Phương pháp đồng kết tủa có ưu điểm gì trong tổng hợp hạt nanô?
   Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt kích thước hạt, đồng nhất hóa học cao, chi phí thấp và dễ thực hiện, phù hợp cho việc tổng hợp hạt nanô Fe3O4 với tính chất từ mong muốn.

4. Nhiệt độ blocking (TB) có ý nghĩa gì trong tính chất từ của hạt nanô?
   TB là nhiệt độ tại đó hạt nanô chuyển từ trạng thái từ hóa cố định sang trạng thái siêu thuận từ hồi phục nhanh, ảnh hưởng đến khả năng duy trì từ tính trong ứng dụng y sinh.

5. Làm thế nào để cải thiện tính tương thích sinh học của hạt nanô Fe3O4?
   Phủ lớp polyme sinh học hoặc dextran lên bề mặt hạt nanô giúp giảm độc tính, tăng khả năng hấp phụ thuốc và tương tác tốt với môi trường sinh học, đồng thời duy trì tính chất từ cần thiết.

Kết luận

• Luận văn đã thành công trong việc tổng hợp hạt nanô Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa với kích thước hạt từ 15-20 nm, phù hợp cho ứng dụng y sinh.
• Xác định sự tồn tại pha γ-Fe2O3 chiếm tỉ lệ nhỏ trong mẫu, ảnh hưởng đến tính chất vật liệu nhưng không làm mất đi tính siêu thuận từ của hạt nanô.
• Đo đạc tính chất từ cho thấy hạt nanô có tính siêu thuận từ rõ rệt, nhiệt độ blocking khoảng 170 K, đảm bảo khả năng điều khiển từ trường ngoài trong ứng dụng thực tế.
• Phương pháp phân tích đa dạng (XRD, TEM, VSM, PPMS) cung cấp cái nhìn toàn diện về cấu trúc và tính chất hạt nanô.
• Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo tập trung vào tối ưu hóa tổng hợp, phát triển lớp phủ bề mặt và ứng dụng trong y sinh học.

Next steps: Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của lớp phủ bề mặt đến tính chất từ và khả năng dẫn truyền thuốc, mở rộng thử nghiệm trong môi trường sinh học thực tế.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và chuyên gia trong lĩnh vực vật liệu nanô và y sinh được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu này để phát triển các ứng dụng mới, đồng thời hợp tác nghiên cứu để nâng cao hiệu quả và tính an toàn của hạt nanô Fe3O4 trong y học hiện đại.