Luận án tiến sĩ nghiên cứu chế tạo hạt nano oxit sắt từ với lớp phủ tương thích sinh học gắn protein để ứng dụng trong chẩn đoán y sinh

Luận án tiến sĩ phân tích nghiên cứu chế tạo hạt nano oxit sắt từ với lớp phủ tương thích sinh học gắn protein để ứng dụng, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng

• Tác giả: ThS. Nguyễn Văn Sáu
• Người hướng dẫn: TS. Thi Trần Anh Tuấn
• Trường học: Trường Đại học Trà Vinh
• Chuyên ngành: Khoa học Cơ bản
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Hạt Nano Oxit Sắt Từ Với Lớp Phủ Sinh Học Cho Chẩn Đoán Y Sinh
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Trà Vinh

Mục lục chi tiết

• Tóm tắt
• Danh mục chữ viết tắt
• Danh mục hình
• Lời cảm ơn
• 1. PHẦN I: MỞ ĐẦU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.3. Mục tiêu của đề tài
• 1.4. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu
• 1.4.1. Đối tượng
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4.3. Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật đã sử dụng
• 2. PHẦN II: NỘI DUNG
• 2.1. CHƯƠNG 1: CHẾ TẠO HẠT NANO SẮT TỪ
• 2.1.1. Hạt nano oxit sắt
• 2.1.2. Các phương pháp chế tạo hạt nano
• 2.1.3. Vật liệu, Thiết bị
• 2.1.4. Quy trình chế tạo hạt Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa
• 2.1.5. Thực nghiệm: Chế tạo hạt nano oxít sắt từ
• 2.2. CHƯƠNG 2: CHỨC NĂNG HÓA BỀ MẶT HẠT NANO
• 2.2.1. Bao phủ bề mặt hạt nano bởi chất silane
• 2.2.2. Quy trình bọc lớp tương thích sinh học
• 2.2.3. Thực nghiệm bọc lớp tương thích sinh học
• 2.3. CHƯƠNG 3: GẮN PROTEIN LÊN HẠT NANO TỪ ĐÃ ĐƯỢC BỌC LỚP TƯƠNG THÍCH SINH HỌC
• 2.3.1. Hạt nano gắn với protein thông qua linker
• 2.3.2. Quy trình gắn protein A lên hạt nano từ
• 2.3.3. Gắn protein A lên hạt nano từ đã được bọc lớp tương thích sinh học
• 2.3.4. Gắn biotin-FITC và biotin
• 2.3.5. Các kỹ thuật phân tích
• 3. PHẦN III: KẾT LUẬN
• 3.1. Kết quả đề tài và thảo luận
• 3.1.1. Tổng hợp các hạt nano từ tính
• 3.1.2. Các hạt nano Fe3O4 và hạt nano đã được bọc lớp tương thích
• 3.1.3. Các hạt nano Fe3O4, hạt nano đã được bọc lớp tương thích gắn với linker
• 3.1.4. Gắn protein A lên các hạt nano, các hạt nano đã gắn protein A gắn với biotin-FITC và gắn với biotin
• 3.1.5. Hiệu suất gắn kết protein A với các hạt nano từ
• 3.2. Kết luận và kiến nghị
• Tài liệu tham khảo
• Phụ lục 4 - Công trình công bố

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hạt nano oxit sắt từ

Hạt nano oxit sắt từ, đặc biệt là Fe3O4, đã thu hút sự chú ý trong lĩnh vực y sinh nhờ vào các tính chất đặc biệt như siêu thuận từ và giá trị bão hòa từ cao. Những hạt này có thể được chế tạo từ hai phương pháp chính: từ vật liệu khối nghiền nhỏ và từ các nguyên tử thông qua phương pháp đồng kết tủa. Hạt nano từ tính có kích thước nhỏ hơn 100 nm, cho phép tăng diện tích bề mặt và khả năng gắn kết với các thực thể sinh học như protein, DNA, và kháng thể. Điều này mở ra nhiều ứng dụng trong chẩn đoán y sinh, như tách chiết tế bào và xét nghiệm miễn dịch.

1.1. Tính chất và ứng dụng của hạt nano

Hạt nano oxit sắt từ có nhiều ứng dụng trong y sinh nhờ vào tính chất siêu thuận từ và khả năng tương thích sinh học. Chúng có thể được sử dụng để tách chiết và phát hiện các kháng nguyên, giúp chẩn đoán sớm các bệnh như ung thư và sốt xuất huyết. Kích thước của hạt nano ảnh hưởng đến hiệu suất gắn kết protein, với hạt nhỏ hơn thường cho hiệu suất cao hơn. Hơn nữa, việc gắn kết protein A lên bề mặt hạt nano mở ra khả năng phát hiện các kháng thể và kháng nguyên một cách hiệu quả.

II. Phương pháp chế tạo hạt nano

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp đồng kết tủa để chế tạo hạt nano Fe3O4. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước và hình dạng của hạt nano, từ đó ảnh hưởng đến tính chất từ tính và khả năng gắn kết với protein. Các chất phủ như TEOS, APTES, và GA được sử dụng để chức năng hóa bề mặt hạt nano, tạo ra cấu trúc Fe3O4/SiO2/NH2/CHO có khả năng gắn kết protein A. Kỹ thuật phân tích như TEM, XRD, và FTIR được áp dụng để xác định tính chất và cấu trúc của hạt nano.

2.1. Quy trình chế tạo hạt nano

Quy trình chế tạo hạt nano bắt đầu bằng việc chuẩn bị dung dịch muối sắt, sau đó thêm NaOH để tạo ra hạt nano thông qua quá trình đồng kết tủa. Hạt nano được thu hồi và rửa sạch, sau đó được chức năng hóa bằng các chất phủ để tạo ra bề mặt tương thích sinh học. Kết quả cho thấy hạt nano có kích thước nhỏ (10 nm) cho hiệu suất gắn kết protein A tốt hơn so với hạt lớn (30 nm), mặc dù hạt lớn có từ độ bão hòa cao hơn. Điều này cho thấy sự quan trọng của kích thước hạt trong việc tối ưu hóa hiệu suất gắn kết.

III. Gắn kết protein lên hạt nano

Gắn kết protein A lên hạt nano đã được bọc lớp tương thích sinh học là một bước quan trọng trong nghiên cứu này. Protein A có khả năng gắn kết với các kháng thể, mở ra khả năng phát hiện các kháng nguyên một cách hiệu quả. Quy trình gắn kết sử dụng các linker như glutaraldehyde và NHS ester để tạo liên kết giữa protein và hạt nano. Kết quả cho thấy tỷ lệ gắn kết protein A lên hạt nano đạt trên 70%, cho thấy tính khả thi của phương pháp này trong ứng dụng y sinh.

3.1. Kỹ thuật phân tích hiệu suất gắn kết

Phương pháp Bradford được sử dụng để xác định hiệu suất gắn kết protein A. Kết quả cho thấy hạt nano với kích thước nhỏ có hiệu suất gắn kết cao hơn, điều này có thể do diện tích bề mặt lớn hơn. Các kỹ thuật phân tích khác như ELISA và PCR cũng được áp dụng để phát hiện protein trong mẫu, cho thấy tính ứng dụng cao của hạt nano trong chẩn đoán y sinh. Việc gắn kết thành công protein A lên hạt nano mở ra nhiều cơ hội cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.

IV. Kết luận và triển vọng

Nghiên cứu chế tạo hạt nano oxit sắt từ với lớp phủ sinh học cho thấy tiềm năng lớn trong ứng dụng y sinh. Hạt nano Fe3O4 không chỉ có khả năng gắn kết tốt với protein mà còn giữ được tính chất từ tính cần thiết cho các ứng dụng trong chẩn đoán. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu nano trong y học, đặc biệt là trong việc phát hiện và chẩn đoán bệnh. Việc tối ưu hóa kích thước và bề mặt hạt nano sẽ là những bước tiếp theo quan trọng trong nghiên cứu này.

4.1. Triển vọng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các hạt nano với các lớp phủ khác nhau để cải thiện khả năng gắn kết và tính tương thích sinh học. Hơn nữa, việc nghiên cứu ứng dụng của hạt nano trong các lĩnh vực khác như điều trị bệnh và phát triển thuốc cũng là một hướng đi tiềm năng. Sự kết hợp giữa công nghệ nano và y sinh sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho việc phát triển các phương pháp chẩn đoán và điều trị hiệu quả hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu nano từ tính, đặc biệt là hạt nano oxit sắt Fe3O4, đã thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực y sinh nhờ tính chất siêu thuận từ và giá trị bão hòa từ cực đại cao, cùng khả năng tương thích sinh học tốt. Theo ước tính, kích thước hạt nano Fe3O4 dao động từ 8 đến 40 nm, phù hợp với nhiều ứng dụng như tách chiết tế bào, xét nghiệm miễn dịch, dẫn truyền thuốc và hình ảnh y học. Tuy nhiên, hạt nano Fe3O4 có xu hướng kết tụ do tương tác lưỡng cực từ và lực van der Waals, làm giảm hiệu quả ứng dụng. Do đó, việc phủ lớp tương thích sinh học và gắn protein lên bề mặt hạt nano là cần thiết để nâng cao tính ổn định và khả năng liên kết sinh học.

Mục tiêu nghiên cứu là chế tạo hạt nano Fe3O4 với kích thước 8-20 nm và 20-40 nm, có độ từ hóa bão hòa 50-70 emu/g, giữ tính siêu thuận từ, đồng thời phủ lớp tương thích sinh học chứa nhóm chức NH2, CHO để gắn kết protein A với hiệu suất trên 70%. Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Vật lý và Hóa sinh của Trường Đại học Trà Vinh và Đại học Y Dược TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2015-2017. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu nano ứng dụng chẩn đoán y sinh, giúp tăng độ nhạy và độ đặc hiệu trong phát hiện bệnh lý như ung thư, sốt xuất huyết và các bệnh truyền nhiễm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về vật liệu nano từ tính và lý thuyết về chức năng hóa bề mặt hạt nano. Lý thuyết vật liệu nano từ tính tập trung vào tính siêu thuận từ, trong đó hạt nano có từ dư và lực kháng từ gần bằng không, cho phép hạt phản ứng nhanh với từ trường ngoài nhưng không giữ từ tính khi từ trường ngừng tác động. Lý thuyết chức năng hóa bề mặt hạt nano sử dụng các chất silane như TEOS và APTES để phủ lớp tương thích sinh học, tạo nhóm chức NH2 và CHO trên bề mặt, giúp gắn kết protein thông qua các linker hữu cơ như glutaraldehyde.

Mô hình nghiên cứu bao gồm các khái niệm chính:

• Siêu thuận từ (superparamagnetism)
• Độ từ hóa bão hòa (saturation magnetization)
• Chức năng hóa bề mặt (surface functionalization)
• Linker và gắn kết protein (protein conjugation)
• Kích thước hạt nano và ảnh hưởng đến tính chất vật lý

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp và phân tích hạt nano Fe3O4 tại phòng thí nghiệm. Phương pháp tổng hợp hạt nano Fe3O4 sử dụng phương pháp đồng kết tủa trong môi trường khí N2, với hai cách cho bazơ: cho nhanh và cho nhỏ giọt dung dịch NaOH 2M, nhằm điều chỉnh kích thước hạt nano (khoảng 10 nm và 30 nm). Lớp phủ tương thích sinh học được tạo bằng phương pháp sol-gel sử dụng TEOS và APTES để phủ SiO2 và tạo nhóm NH2 trên bề mặt hạt.

Phân tích tính chất vật liệu sử dụng các kỹ thuật: TEM (Transmission Electron Microscopy) để quan sát hình dạng và kích thước hạt; XRD (X-ray Diffraction) để xác định cấu trúc tinh thể; VSM (Vibrating Sample Magnetometer) để đo từ tính; FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) để xác định nhóm chức trên bề mặt; UV-Vis và hiển vi điện tử huỳnh quang để đánh giá khả năng gắn protein. Hiệu suất gắn kết protein A được xác định bằng phương pháp Bradford.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các hạt nano Fe3O4 với kích thước 10 nm và 30 nm, được phủ lớp tương thích sinh học và gắn protein A. Phương pháp chọn mẫu là chọn kích thước hạt nano đại diện cho hai nhóm kích thước phổ biến trong ứng dụng y sinh. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 24 tháng, từ tổng hợp đến phân tích và đánh giá hiệu suất gắn kết.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Kích thước hạt nano Fe3O4:

   • Phương pháp cho nhanh bazơ tạo hạt nano Fe3O4 kích thước trung bình khoảng 10 nm (theo công thức Scherrer).
   • Phương pháp cho nhỏ giọt bazơ tạo hạt nano Fe3O4 kích thước trung bình khoảng 30 nm.
     Sự khác biệt kích thước do tốc độ tạo mầm và phát triển tinh thể khác nhau, với tốc độ tạo mầm nhanh hơn tạo hạt nhỏ hơn.

2. Tính chất từ tính:

   • Hạt nano Fe3O4 kích thước 10 nm có từ độ bão hòa khoảng 63 emu/g, trong khi hạt 30 nm đạt 85 emu/g, gần bằng giá trị bão hòa của Fe3O4 khối (92 emu/g).
   • Sau khi phủ lớp SiO2, từ độ bão hòa giảm còn 48 emu/g (10 nm) và 76 emu/g (30 nm) do lớp phủ không từ tính.
   • Cả hai kích thước hạt nano đều giữ được tính siêu thuận từ, với lực kháng từ và từ dư gần bằng không.

3. Chức năng hóa bề mặt và gắn protein:

   • Phổ FTIR xác nhận sự hiện diện của các nhóm Si-O-Si, Si-OH và NH2 trên bề mặt hạt nano Fe3O4/SiO2/NH2, chứng tỏ lớp phủ tương thích sinh học thành công.
   • Lượng APTES phủ tối ưu là 0,5 mL cho hạt 10 nm và 0,375 mL cho hạt 30 nm, tương ứng với sự gia tăng nhóm NH2 tự do trên bề mặt.
   • Hiệu suất gắn kết protein A cao hơn ở hạt nano 10 nm so với 30 nm, do diện tích bề mặt lớn hơn và khả năng hấp phụ protein tốt hơn.

4. Khả năng gắn kết với biotin-FITC:

   • Ảnh hiển vi điện tử huỳnh quang cho thấy các hạt nano Fe3O4/SiO2/NH2/CHO/protein A phát sáng rõ khi gắn biotin-FITC, chứng minh protein A đã được gắn thành công và giữ chức năng liên kết.
   • Hạt nano 10 nm có xu hướng kết tụ nhiều hơn so với hạt 30 nm, ảnh hưởng đến phân tán và ứng dụng thực tế.

Thảo luận kết quả

Kích thước hạt nano Fe3O4 ảnh hưởng rõ rệt đến tính chất từ tính và khả năng gắn protein. Hạt nhỏ 10 nm có diện tích bề mặt lớn hơn, dẫn đến hiệu suất gắn protein A cao hơn, phù hợp cho các ứng dụng cần độ nhạy cao như xét nghiệm miễn dịch. Ngược lại, hạt 30 nm có từ độ bão hòa cao hơn, thuận lợi cho việc tập trung hạt bằng từ trường ngoài trong các ứng dụng tách chiết và dẫn truyền thuốc.

Việc phủ lớp SiO2 và chức năng hóa bằng APTES tạo ra bề mặt ổn định, giảm kết tụ và tăng khả năng gắn kết sinh học. Kết quả phổ FTIR và hình ảnh TEM minh chứng cho sự thành công của quá trình phủ lớp tương thích sinh học. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả đạt được tương đương hoặc vượt trội về độ đồng đều kích thước, hiệu suất gắn protein và tính siêu thuận từ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ XRD thể hiện kích thước tinh thể, biểu đồ từ hóa VSM so sánh từ độ bão hòa giữa các mẫu, phổ FTIR minh họa nhóm chức năng và ảnh hiển vi điện tử huỳnh quang thể hiện khả năng gắn kết protein.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu quy trình tổng hợp hạt nano Fe3O4

   • Áp dụng phương pháp cho nhanh bazơ để tạo hạt nano kích thước nhỏ (~10 nm) với hiệu suất gắn protein cao.
   • Thời gian thực hiện: 6 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Phòng thí nghiệm Vật lý và Hóa sinh.

2. Phát triển lớp phủ tương thích sinh học đa chức năng

   • Nghiên cứu bổ sung các chất phủ khác ngoài TEOS và APTES để tăng tính ổn định và khả năng gắn kết đa dạng protein.
   • Thời gian: 12 tháng.
   • Chủ thể: Nhóm nghiên cứu vật liệu nano.

3. Ứng dụng hạt nano Fe3O4 gắn protein trong chẩn đoán y sinh

   • Thử nghiệm gắn kháng thể đặc hiệu và đánh giá hiệu quả tách chiết, phát hiện bệnh lý như ung thư, sốt xuất huyết.
   • Thời gian: 18 tháng.
   • Chủ thể: Phòng thí nghiệm Y sinh và Viện nghiên cứu y học.

4. Nâng cao khả năng phân tán và giảm kết tụ hạt nano

   • Áp dụng kỹ thuật siêu âm và sử dụng chất ổn định bề mặt để cải thiện phân tán trong dung dịch sinh học.
   • Thời gian: 6 tháng.
   • Chủ thể: Phòng thí nghiệm Hóa học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano và y sinh

   • Lợi ích: Hiểu rõ quy trình tổng hợp, chức năng hóa và ứng dụng hạt nano Fe3O4 trong chẩn đoán y sinh.
   • Use case: Phát triển vật liệu nano mới cho xét nghiệm miễn dịch.

2. Chuyên gia công nghệ sinh học và dược phẩm

   • Lợi ích: Áp dụng hạt nano gắn protein trong thiết kế thuốc dẫn truyền và chẩn đoán sớm bệnh.
   • Use case: Thiết kế hệ dẫn thuốc nhắm mục tiêu.

3. Giảng viên và sinh viên ngành Hóa học, Vật lý, Y sinh

   • Lợi ích: Tài liệu tham khảo chi tiết về kỹ thuật tổng hợp và phân tích hạt nano từ tính.
   • Use case: Học tập và nghiên cứu khoa học.

4. Doanh nghiệp công nghệ sinh học và thiết bị y tế

   • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ chế tạo hạt nano từ tính để phát triển sản phẩm chẩn đoán và điều trị.
   • Use case: Ứng dụng trong sản xuất kit xét nghiệm và thiết bị y tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp đồng kết tủa có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   Phương pháp đồng kết tủa đơn giản, chi phí thấp, cho sản lượng cao và kiểm soát được kích thước hạt nano trong khoảng 5-30 nm. Tuy nhiên, phân bố kích thước có thể không đồng đều bằng các phương pháp vật lý như laser ablation.

2. Tại sao cần phủ lớp tương thích sinh học lên hạt nano Fe3O4?
   Lớp phủ giúp giảm kết tụ hạt nano, tăng độ ổn định trong dung dịch, hạn chế oxi hóa và tạo bề mặt có nhóm chức năng để gắn protein, từ đó nâng cao hiệu quả ứng dụng trong y sinh.

3. Hiệu suất gắn protein A được xác định như thế nào?
   Hiệu suất gắn protein A được đo bằng phương pháp Bradford, so sánh nồng độ protein A trong dung dịch trước và sau khi gắn với hạt nano, cho thấy tỷ lệ gắn kết trên 70% đối với hạt nano kích thước nhỏ.

4. Kích thước hạt nano ảnh hưởng thế nào đến tính chất từ tính?
   Kích thước hạt nano càng lớn thì từ độ bão hòa càng cao, nhưng nếu vượt quá khoảng 30 nm, hạt sẽ mất tính siêu thuận từ do chuyển sang trạng thái đa domain, ảnh hưởng đến khả năng tái phân tán.

5. Các linker phổ biến dùng để gắn protein lên hạt nano là gì?
   Các linker như glutaraldehyde, NHS ester, NHS-PEGn-maleimide được sử dụng để tạo liên kết cộng hóa trị bền vững giữa nhóm chức trên hạt nano và protein, giúp duy trì chức năng sinh học của protein gắn kết.

Kết luận

• Đã chế tạo thành công hạt nano Fe3O4 kích thước 10 nm và 30 nm bằng phương pháp đồng kết tủa với độ từ hóa bão hòa lần lượt 63 emu/g và 85 emu/g, giữ tính siêu thuận từ.
• Lớp phủ tương thích sinh học SiO2/ NH2 được tạo thành hiệu quả, cung cấp nhóm chức năng để gắn protein A với hiệu suất trên 70%.
• Hạt nano kích thước nhỏ (10 nm) có hiệu suất gắn protein A tốt hơn, trong khi hạt lớn (30 nm) có từ độ bão hòa cao hơn, phù hợp với các ứng dụng khác nhau trong y sinh.
• Kết quả phân tích TEM, XRD, VSM, FTIR và UV-Vis xác nhận tính chất vật lý và hóa học của hạt nano cũng như khả năng gắn kết protein.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng hạt nano Fe3O4 gắn protein trong chẩn đoán và điều trị bệnh, đồng thời tối ưu hóa quy trình tổng hợp và phủ lớp tương thích sinh học.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm ứng dụng trong chẩn đoán y sinh và phát triển quy trình sản xuất quy mô lớn. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực y sinh được khuyến khích hợp tác để đưa công nghệ này vào thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: CHẾ TẠO HẠT NANO SẮT TỪ 1. Hạt nano Vật liệu nano có những tính chất khác biệt khi so với các tính chất của vật liệu ở trạng thái khối. Sự khác biệt về tính chất của vật liệu nano bắt nguồn từ hai hiện tượng: hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước. Các ứng dụng của vật liệu nano có liên quan đến những tính chất khác biệt của nó có thể được kể đến như: Hạt nano vàng được bọc bởi các nguyên tử Gadolinium (Gd, có mômen từ nguyên tử rất lớn) được dùng làm tăng độ tương phản trong cộng hưởng từ hạt nhân; Bạc có tác dụng diệt khuẩn là do các ion bạc đã tác động lên enzym liên quan đến quá trình hô hấp của các vi khuẩn và hạt nano bạc làm tăng hiệu quả diệt khuẩn (Faraji, M.

Hạt nano với tính chất siêu thuận từ, được ứng dụng nhiều trong lãnh vực y sinh như tách chiết DNA/RNA (Melzak, K., 1996), làm giàu kháng nguyên (Liu, X. Hiện nay, các chất siêu thuận từ đang được quan tâm nghiên cứu, dùng để chế tạo các chất lỏng từ (Magnetic Fluid) dành cho các ứng dụng y sinh. Đối với vật liệu siêu thuận từ, từ dư và lực kháng từ bằng không, chúng có các đặc tính như chất thuận từ, nhưng lại nhạy với từ trường hơn, có từ độ lớn như của chất sắt từ. Điều đó có nghĩa là, vật liệu sẽ phản ứng dưới tác động của từ trường ngoài nhưng khi ngừng tác động của từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa, đây là một đặc điểm rất quan trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng dụng y sinh học.

Hạt nano từ tính dùng trong y sinh cần phải thỏa mãn ba điều kiện sau: - Tính đồng nhất của các hạt cao. - Và, vật liệu có tính tương hợp sinh học (không có độc tính). Tính đồng nhất về kích thước phụ thuộc nhiều vào phương pháp chế tạo. Còn từ độ bão hòa và tính tương hợp sinh học liên quan đến bản chất của vật liệu.

Trong tự nhiên, Fe là vật liệu có từ độ bão hòa lớn nhất ở nhiệt độ phòng, không độc đối với cơ thể người và tính ổn định khi được sử dụng trong môi trường 5 luan an không khí nên các vật liệu như oxit sắt được nghiên cứu nhiều để làm hạt nanô từ tính. Hạt nano oxit sắt Hạt nano oxit sắt ứng dụng phổ biến trong y học hiện nay, được phân làm 2 lớp chính dựa trên kích thước của chúng, bao gồm: lớp có đường kính từ 50-100 nm và lớp còn lại có đường kính dưới 50 nm. Cả hai đều là thành phần của các tinh thể nano ferrite là magnetite (Fe3O4) hoặc maghemite (γ-Fe2O3), với Fe3O4 khối có giá trị bão hòa từ lên đến 92-96 emu/g, trong khi γ-Fe2O3 thì vào khoảng 60-80 emu/g. Những vật liệu oxit sắt khác được nghiên cứu phổ biến gồm những oxit hỗn hợp (Fe(3-x)O(4-y); 1≥x, y≥0), các cấu trúc sắt/sắt oxit (Fe/Fe(3-x)O(4-y)), các cấu trúc FePt/Fe(3-x)O(4-y) hoặc những ferrite (MFe2O4 với M = Mn2+, Co2+, Ni2+, …) với giá trị bão hòa từ từ 52 emu/g đến 110 emu/g [19].

Hạt nano được chế tạo theo nhiều phương pháp, mỗi phương pháp có những thuận lợi và khó khăn nhất định. Và, tùy vào mục đích sử dụng các hạt nano cho mỗi ứng dụng mà các phương pháp khác nhau được dùng nhằm đáp ứng yêu cầu của mỗi ứng dụng. Các phương pháp chế tạo hạt nano Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp là từ trên xuống (top- down) và từ dưới lên ( bottom-up ). Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo vật liệu nano từ vật liệu khối ban đầu gồm phương pháp nghiền, sử dụng các kỹ thuật lazer.

Phương pháp từ dưới lên là tạo hạt nano, từ các ion hoặc các nguyên tử, phân tử kết hợp lại với nhau. Các ion, nguyên tử, phân tử sau khi được xử lý bằng các tác nhân hóa học, vật lý sẽ kết hợp với nhau hình thành các hạt nano. 6 luan an Hình 1. Hai cách chế tạo hạt nano: từ trên xuống và từ dưới lên [44] Hạt nano từ tính có thể được chế tạo theo hai phương pháp cơ bản: một là từ vật liệu khối được nghiền nhỏ đến kích thước nano, hai là hình thành hạt nano từ các nguyên tử.

Phương pháp thứ nhất gồm các phương pháp nghiền và biến dạng như nghiền hành tinh, nghiền rung. Phương pháp thứ hai được phân thành hai loại là phương pháp vật lý (phún xạ, bốc bay,.) và phương pháp hóa học (phương pháp kết tủa từ dung dịch, hình thành từ pha khí).Phương pháp Laser Ablation Đây là phương pháp từ trên xuống, vật liệu ban đầu ở dạng khối. Dưới tác động của chùm laser, các nguyên tử, phân tử bứt ra khỏi vật liệu khối và đi vào dung dịch. Tại bề mặt của mẫu, nơi được chiếu xạ bởi chùm laser và tại đây hình 7 luan an thành chùm plasma.

Quá trình hình thành mầm và phát triển mầm thành các hạt nano xảy ra chủ yếu trong chùm plasma, nơi có nhiệt độ và áp suất cao. Sơ đồ minh họa quá trình tạo hạt nano bằng phương pháp laser ablation [Klotz, M. 2012) đã sử dụng vật liệu khối Fe3C trong môi trường ethanol, nguồn laser Nd:YAG, bước sóng 1064 nm, bề rộng xung 750 ps (The pulses had a duration of 750 ps), tần số 10 Hz, năng lượng mỗi xung 12 mJ, tốc độ ăn mòn 0,3 mg/h và thu được các hạt nano có kích thước khoảng 1-20 nm, giá trị bão hòa từ Ms = 124 emu/g. Các hạt nano thu được là sự pha trộn của các hạt Fe3C và Fe3O4.

Thuận lợi của phương pháp: - Không sử dụng hóa chất và vì thế loại trừ được những bước làm tinh sạch sản phẩm như những phương pháp hóa ướt phải sử dụng hóa chất (Franzel, L. - Các hạt nano thu được tinh khiết. - Sự kết tụ hoặc phân tán của các hạt nano có thể điều khiển được tùy thuộc loại dung dịch. Khó khăn: - Thiết bị đắt tiền và sản lượng thu được thấp (4,4 mg/h, hạt nano phát triển trong nước).

8 luan an - Khi các hạt nano được hình thành, nó sẽ làm giảm sự ăn mòn mẫu do các hạt nano hấp thụ hoặc tán xạ một phần của chiếu xạ laser. Phương pháp khử: Phương pháp khử có thể sử dụng tác nhân vật lý, hóa học, hóa lý… để khử các ion kim loại thành các kim loại. - Tác nhân vật lí: Điện tử, tia gamma, tia tử ngoại, tia laser khử ion kim loại thành kim loại. Dưới tác dụng của các tác nhân vật lí, làm xuất hiện sự biến đổi của dung môi và các phụ gia trong dung môi để hình thành các gốc hóa học có tác dụng khử ion thành kim loại.

2002) đã sử dụng nguồn laser Nd3+-YAG có bước sóng 500 nm, độ dài xung 6 ns, tần số 10 Hz, năng lượng trung bình của mỗi xung 12-14 mJ chiếu vào dung dịch chứa AgNO3 như là nguồn ion kim loại và Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) như là chất hoạt hóa bề mặt để thu được hạt nano bạc có kích thước khoảng 15 nm. Cơ chế hình thành hạt nano bạc như sau: Dưới tác dụng chiếu xạ của chùm laser các phân tử AgNO3 trong dung dịch bị tách thành các gốc Ag+ và (NO3)-; Hơn nữa, sự chiếu xạ của chùm laser vào dung dịch mà dung môi là nước cũng tạo các gốc OH, H. Qua đó các hạt nano Ag được hình thành: Ag+ + e-  Ag0  nano Ag (1) + 0 0 + Ag + H  Ag + H  nano Ag (2) - Tác nhân hóa học: Các tác nhân hóa học sẽ khử các ion kim loại thành các kim loại và sau đó chúng hình thành nên hạt nano kim loại. Nguyên lý cơ bản được thể hiện như sau: Mn+ X  M0  nano kim loại M Ion Mn+ dưới tác động của chất khử X, sẽ bị khử thành các kim loại M 0 và sau đó chúng kết hợp lại hình thành nên hạt nano kim loại.

Các chất hóa học như Citric acid, Sodium Borohydride NaBH4, Ethylene Glycol với vai trò là các chất khử, khử ion kim loại thành kim loại. Các hạt nano kim loại được hình thành trực tiếp từ dung dịch muối của kim loại đó. Nhiệt độ của dung dịch được điều khiển để làm thay đổi động học của quá trình kết tủa để thu được các hạt có hình dạng và kích thước xác định. 9 luan an Các nguyên tử Ag được hình thành bằng cách Ethylenglycol khử AgNO3 theo cơ chế sau (Khodashenas, B.

2015): 2HOCH2CH2OH  2CH3CHO + 2H2O 2Ag+ + 2CH3CHO  CH3CO–OCCH3 + 2Ag + 2H+ Dung dịch ban đầu chứa các muối của các kim loại như HAuCl4, H2PtCl6, AgNO3, các tác nhân sẽ khử ion kim loại Ag+, Au+, Pt2+ thành các Ag0, Au0, Pt0 và sau đó các nguyên tử này kết hợp lại hình thành nên các hạt nano Ag, Au, Pt. Bằng phương pháp này người ta có thể chế tạo được các hạt nano kim loại Ag, Au, Pt, Pd, Rh với kích thước từ 10 nm đến 100 nm (Kim, D. - Tác nhân hóa lý: Đây là phương pháp kết hợp giữa hóa học và vật lí, nguyên lí là dùng phương pháp điện phân kết hợp với siêu âm để tạo hạt nano. Phương pháp điện phân, thông thường được dùng để chế tạo màng mỏng kim loại.

Dưới sự tác động của quá trình điện phân, các nguyên tử kim loại sẽ bị tan ra khỏi điện cực dương và bám lên điện cực âm để hình thành các hạt nano trước khi hình thành màng mỏng. Cùng lúc này người ta tác dụng một xung siêu âm đồng bộ với xung điện phân thì hạt nano kim loại sẽ rời khỏi điện cực và đi vào dung dịch (Zhu, J. Thuận lợi của phương pháp: Chế tạo được các hạt nano từ nhiều loại vật liệu với nhiều kích cỡ khác nhau. Khó khăn: - Tác nhân vật lý: Thiết bị đắt tiền, sử dụng nguồn năng lượng lớn.

- Tác nhân hóa học: Sản phẩm chứa các tạp chất, phải qua các bước làm tinh sạch sản phẩm. Phương pháp kết tủa từ dung dịch Cơ chế hình thành: Khi nồng độ các phân tử của các chất được tạo thành đạt đến trạng thái bão hòa tới hạn, trong dung dịch sẽ xuất hiện các mầm. Các mầm đó sẽ phát triển thành các hạt nano theo các khả năng như sau (Faraji, M. Ba khả năng phát triển mầm thành hạt nano: Mầm phát triển nhờ sự khuếch tán của các phân tử lên mầm (đường cong I); Do sự kết tụ của các phân tử với mầm (đường cong II) và do sự kết tụ của nhiều mầm với nhau (đường cong III).