Tổng quan luận án

Nghiên cứu vật liệu từ nền Fe có cấu trúc micro-nano định hướng ứng dụng trong y sinh học là hướng nghiên cứu gắn liền với nhu cầu chế tạo các bộ điều khiển vi đối tượng phục vụ phân tích y sinh và hệ thống vi cơ điện tử (MEMS). Trong các nghiên cứu trước, việc thao tác với các vi đối tượng (hạt từ, hạt phi từ, tế bào sinh học) chủ yếu dựa trên động lực học chất lỏng, lực âm, lực nâng nghịch điện (DEP) hoặc nhíp quang học. Tuy nhiên, các kỹ thuật này bộc lộ những hạn chế kỹ thuật: lực quang học khó tích hợp vào vi thiết bị; lực nâng nghịch điện đòi hỏi điều kiện môi trường chuẩn xác về độ pH, độ dẫn và mật độ hạt; trong khi các phương pháp cơ học và sóng âm thường phát sinh nhiệt hoặc rung động, dễ làm biến tính hoặc tổn hại thực thể sinh học. Việc sử dụng từ trường để điều khiển vi đối tượng giúp khắc phục nhược điểm trên nhờ khả năng thao tác không tiếp xúc. Mặc dù vậy, các nguồn từ trường truyền thống vẫn tồn tại bất cập: nam châm khối có vùng biến thiên từ trường bị giới hạn hẹp ở sát mép; nam châm điện sinh nhiệt Joule lớn gây hại cho tế bào; còn nam châm từ mềm bắt buộc phải có nguồn từ trường ngoài phân cực liên tục. Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là nhu cầu phát triển các nguồn từ trường tự vận hành, ổn định cao, có kích thước micro-nano, tạo ra cường độ từ trường và biến thiên từ trường lớn trong không gian mong muốn mà không cần nguồn cấp năng lượng ngoài, đồng thời chủ động quy trình chế tạo đơn giản và nhanh chóng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm các nội dung cụ thể sau:

  1. Chế tạo một số màng từ tính kích thước micro-nano trên cơ sở các hợp kim của Fe (NiFe, FePt, NdFeB) có dị hướng từ vuông góc với mặt phẳng màng hoặc có dị hướng từ kiểm soát được trong quá trình chế tạo.
  2. Chế tạo các vi cấu trúc từ có từ trường bề mặt đạt từ cỡ mT trở lên và biến thiên từ trường lớn đạt từ cỡ $10^2$ T/m trở lên.
  3. Thử nghiệm bắt giữ hạt từ và tế bào sinh học (tế bào hồng cầu RBC và tế bào ung thư vú T-47D) trên các vi cấu trúc từ đã chế tạo, qua đó xác lập khả năng ứng dụng trong y sinh.
  4. Nghiên cứu, phát triển phương pháp chế tạo nhanh các màng từ và vi cấu trúc từ với quy trình công nghệ đơn giản (phương pháp in từ và in phun).

Đối tượng nghiên cứu của luận án bao gồm các màng mỏng từ tính và vi cấu trúc từ hợp kim Fe (NiFe, FePt, NdFeB, Fe3O4); các loại hạt từ tính kích thước micro và nano (hạt Fe3O4 siêu thuận từ, hạt NdFeB); cùng các đối tượng sinh học thử nghiệm là tế bào hồng cầu (RBC) và tế bào ung thư vú T-47D. Phạm vi nghiên cứu về không gian thực nghiệm được triển khai tại Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano thuộc Trường Đại học Công nghệ (Đại học Quốc gia Hà Nội), Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ micro và nano, Viện Khoa học Vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và Viện Néel (Grenoble, Cộng hòa Pháp). Luận án được hoàn thành năm 2017, trong khuôn khổ hỗ trợ một phần của Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) theo đề tài mã số 103.80.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong phần tổng quan, tác giả hệ thống hóa các hướng tiếp cận điều khiển vi hạt và tế bào sinh học trong vi kênh:

  • Kỹ thuật động lực học chất lỏng: Di Carlo và cộng sự [10] sử dụng vi kênh uốn cong định hướng dòng hạt tập trung dọc một đường; Wang và cộng sự [120] dùng bộ chuyển đổi áp điện tạo bọt khí điều khiển dòng chảy làm lệch hướng hạt.
  • Kỹ thuật lực âm: Adams và cộng sự [2] dùng sóng âm hai tầng phân tách ba nhóm kích thước hạt; Peterson và cộng sự [80] phân tách tế bào hồng cầu (RBC) về nút sóng và bạch cầu (WBC) về bụng sóng.
  • Kỹ thuật lực nâng nghịch điện (DEP): Choi và cộng sự [20] dùng điện cực hình thang phân tách hạt polystyrene; Han và cộng sự [42] bố trí hệ điện cực lệch góc để phân tách tế bào RBC và WBC theo kích thước.
  • Kỹ thuật lực quang học: Milne và cộng sự [69] thiết kế ống dẫn quang chữ V phân tách hạt Si hình cầu thành bốn kích thước (2,3 $\mu\text{m}$, 3,0 $\mu\text{m}$, 5,17 $\mu\text{m}$ và 6,84 $\mu\text{m}$).

Về hướng tiếp cận điều khiển bằng từ trường, tác giả phân tích các hệ thống đã công bố:

  • Nam châm khối: Miltenyi [70] phát triển hệ MACS gắn hạt từ để phân tách tế bào qua cột từ; Hoshino và cộng sự [44] dùng ba nam châm NdFeB tích năng lượng 42 MGOe xếp ngược chiều tạo gradient từ lớn tách tế bào ung thư biểu bì.
  • Nam châm từ mềm: Tseng và cộng sự [114] dùng từ trường ngoài 0,6 T phân cực các phần tử Ni80Fe20 để hút tế bào ung thư vú MCF7 gắn hạt từ; Guo và cộng sự [37] dùng vi nam châm Ni vuông $20\times 20\ \mu\text{m}^2$, dày 1 $\mu\text{m}$ cách nhau 100 $\mu\text{m}$ phân cực bởi từ trường 20 mT để bắt giữ và giải phóng hạt từ sau 20–40 giây; Ino và cộng sự [49] dùng 6000 cột sắt từ mềm $100\times 100\ \mu\text{m}^2$, cao 300 $\mu\text{m}$ đặt trên nam châm khối trụ Nd (độ từ dư 0,38 T) để bắt giữ tế bào 3T3 đơn lẻ.
  • Nam châm điện: Kim và cộng sự [55] gắn hạt Fe3O4 50 nm vào vi khuẩn T-pyrifomis, từ hóa bằng nam châm NdFeB 196 mT rồi điều khiển bằng cuộn Helmholtz 2 mT với vận tốc 786,7 $\mu\text{m/s}$; Ramadan và cộng sự [87] chế tạo vi cuộn dây Al dày 2 $\mu\text{m}$ chịu dòng 400 mA tạo $\nabla(B^2)$ đạt 200 T$^2$/m ở khoảng cách 1 $\mu\text{m}$; Smistrup và cộng sự [104] thiết kế ba vi cuộn đồng 12 vòng chịu dòng 360 mA bắt giữ hạt từ.
  • Vi nam châm vĩnh cửu: Yellen và cộng sự [125] chế tạo mảng vi nam châm tròn Co đường kính 5 $\mu\text{m}$, dày 70 nm, độ từ hóa bão hòa 1 T để định vị hạt phi từ latex beads 3 $\mu\text{m}$; Issadore và cộng sự [50] trộn hạt NdFeB kích thước 1–25 $\mu\text{m}$ và 8 $\mu\text{m}$ trong nền PDMS từ hóa trên 1 T, tạo cấu trúc lọc hạt Dynabead 1 $\mu\text{m}$ và tách tế bào SK-Br-3 với độ chính xác khoảng 90%.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết là phát triển các vi cấu trúc từ vĩnh cửu tự vận hành có từ trường bề mặt và gradient biến thiên từ trường cao ở khoảng cách xa, chủ động chế tạo màng từ dị hướng vuông góc và vi cấu trúc từ trong nước bằng phương pháp phún xạ và công nghệ in (in từ, in phun) nhằm ứng dụng bắt giữ hạt từ và tế bào nghịch từ không qua đánh dấu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng các hệ thức điện từ học cơ bản: cảm ứng từ $\vec{B} = \mu_0(\vec{H} + \vec{M})$, cường độ từ trường $\vec{H}$, độ từ thẩm chân không $\mu_0 = 4\pi \times 10^{-7}\ \text{H/m}$, độ từ thẩm tương đối $\mu_r = \mu/\mu_0$, vectơ từ độ $\vec{M} = \chi \vec{H}$ với $\chi$ là độ cảm từ. Phân loại vật liệu từ dựa trên giá trị $\chi$: nghịch từ ($\chi$ âm, khoảng $-10^{-6}$ đến $-10^{-4}$, không phụ thuộc nhiệt độ), thuận từ ($\chi$ dương, khoảng $10^{-5}$ đến $10^{-3}$), và sắt từ (sở hữu các đômen từ, vách Bloch, đường cong từ trễ với các tham số từ độ bão hòa $M_S$, từ độ dư $M_R$, lực kháng từ $H_C$, tích năng lượng cực đại $(BH)_{max}$). Các cơ chế dị hướng từ gồm dị hướng từ tinh thể, dị hướng hình dạng và dị hướng từ đàn hồi. Hạt kích thước từ 1 nm đến 50 nm chuyển sang trạng thái siêu thuận từ với thời gian hồi phục Néel $t_N$.

Bảng dưới đây tổng hợp các thông số đặc trưng của vật liệu từ cứng làm nam châm vĩnh cửu được tác giả khảo sát:

Vật liệu $M_S$ ($10^4$ G) $H_A$ ($10^4$ G) $(BH)_{max}$ (kJ/m$^3$) $T_C$ (K) Khối lượng riêng $\rho$ (g/cm$^3$) Khả năng chống ăn mòn
Nd$2$Fe${14}$B 1,6 7,6 514 585 7,6 Kém
SmCo$_5$ 1,0 40,0 220 1000 8,6 Kém
Sm$2$Co${17}$ 1,3 6,4 333 1173 8,7 Kém
Sm$2$Fe${17}$N$_3$ 1,5 21,0 472 749 7,7 Kém
FePt-$L1_0$ 1,4 11,6 407 750 15,1 Tốt
CoPt-$L1_0$ 1,0 4,9 200 840 15,2 Tốt
$\alpha$-Fe 2,2 - - 1043 7,9 Kém
BaFe${12}$O${19}$ 0,5 1,8 - 742 5,3 Tốt

Về đặc tính từ của các phần tử sinh học, đa số các tế bào và phân tử sinh học có tính nghịch từ yếu. Tế bào hồng cầu (RBC) có kích thước đĩa lõm hai mặt (đường kính 7–8 $\mu\text{m}$, vành dày 2,5 $\mu\text{m}$, tâm dày 1 $\mu\text{m}$, thể tích 90–95 $\mu\text{m}^3$, khối lượng $45\times 10^{-12}$ g). Thành phần hemoglobin chiếm 34% trọng lượng hồng cầu gồm nhân heme (chứa ion Fe$^{2+}$) và chuỗi globin. Khi liên kết oxy (oxyhemoglobin), hồng cầu thể hiện tính nghịch từ với độ cảm từ $\chi = -0,015\times 10^{-6}$; khi không liên kết oxy (deoxyhemoglobin), hồng cầu chuyển sang tính thuận từ. Tế bào ung thư vú T-47D có khả năng tự tổng hợp thụ thể progesterone (PR) mà không cần estrogen, có đáp ứng nghịch từ trong môi trường treo.

Bảng thông số từ của một số cấu trúc và dung dịch sinh học được trích xuất trong luận án:

Vật liệu Dạng hình học Kích thước ($\mu\text{m}$) $\chi$ $H_m$ ($10^4$ G) $H_S$ ($10^4$ G)
Peptide - - $-9,0\times 10^{-30}$ - -
Benzene - - $-1,0\times 10^{-28}$ 35 -
Fibrinogen - - $-2,5\times 10^{-27}$ 35 -
DNA Thang xoắn $w \sim 2,5\times 10^{-3}$; $l \sim 3,3\times 10^{-4}$ $-1,0\times 10^{-24}$ 14 $> 14$
Tobacco mosaic Que $l \sim 0,3$; $d \sim 0,018$ $-1,5\times 10^{-25}$ 13 -
Purple membrane Màng $d \sim 0,5$; $t \sim 5\times 10^{-3}$ $-1,2\times 10^{-18}$ 2 1,7
Chlorella Cầu $d \sim 2\div 10$ $-1,0\times 10^{-20}$ 3 1
Tiểu cầu Đĩa $d \sim 2\div 3$ $-1,2\times 10^{-21}$ 8 3
Hồng cầu Đĩa dẹt $d \sim 6\div 8$; $t \sim 2\div 3$ $-0,015\times 10^{-6}$ 8 4
Polyethylene - - $-7,0\times 10^{-19}$ - -
Lecithin - - $-6,5\times 10^{-18}$ 0,5 $< 0,5$
Stearic acid - - $-5,0\times 10^{-29}$ - -
Fibrin fiber Sợi dài $l \sim 100$; $d \sim 1$ $-2,5\times 10^{-20}$ 8 1
Collagen fibril Sợi dài $l \sim 0,3$; $d \sim 1,5\times 10^{-3}$ $-1,0\times 10^{-31}$ 13 1,9
Retinal rod Que $l \sim 50$; $d \sim 2$ $-2,4\times 10^{-8}$ 1,4 $< 1,4$
Muscle fiber Trụ $l \sim 10^3\div 10^5$; $d \sim 10\div 500$ $-1,2\times 10^{-9}$ 0,3 $< 0,3$

Hệ phương pháp thực nghiệm và phân tích bao gồm:

  • Phương pháp mô phỏng số: Tính toán phân bố cảm ứng từ $B_z$ và gradient từ trường $\partial B_z/\partial y$, $\partial B_z/\partial z$ theo khoảng cách $d$ từ bề mặt vi cấu trúc.
  • Phương pháp chế tạo: Phún xạ catốt kết hợp quang khắc; phún xạ trên đế Si đã tạo hình rãnh vi mô; phương pháp in từ đưa bột NdFeB vào chất nền polydimethylsiloxane (PDMS); phương pháp in phun sử dụng máy in Dimatix DMP 2831 qua 4 giai đoạn biến dạng vật liệu áp điện.
  • Phương pháp khảo sát đặc trưng: Nhiễu xạ tia X (XRD) xác định pha tinh thể; Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) đo độ nhám bề mặt; Kính hiển vi điện tử quét (SEM) chụp ảnh vi cấu trúc và mặt cắt; Từ kế mẫu rung (VSM) đo đường cong từ trễ $M(H)$; màng chỉ thị quang từ (MOIF) và hệ vi hiển vi quét đầu dò Hall quan sát phân bố đômen và hướng từ hóa bề mặt.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về từ trường, vật liệu từ, và các đại lượng vật lý đặc trưng ($\vec{B}$, $\vec{H}$, $\mu$, $\chi$, $\vec{M}$). Tác giả phân tích chi tiết cơ chế phân cực của ba nhóm vật liệu: nghịch từ, thuận từ và sắt từ. Đối với vật liệu từ cứng, chương tổng kết sự phát triển của tích năng lượng $(BH)_{max}$ trong thế kỷ 20, đặc biệt là nhóm nam châm đất hiếm phát triển từ công trình năm 1967 của Strnat [105]. Chương làm rõ nguồn gốc của dị hướng từ (tinh thể, hình dạng, ứng suất) và nguyên lý hoạt động của hạt siêu thuận từ qua thời gian hồi phục Néel. Chương 1 khảo sát các đặc tính sinh học của tế bào hồng cầu (RBC) và tế bào ung thư vú T-47D, đồng thời so sánh các kỹ thuật điều khiển vi hạt hiện hành (cơ học chất lỏng, lực âm, lực nâng nghịch điện DEF, lực quang học). Cuối cùng, chương đánh giá ưu và nhược điểm của các nguồn từ trường (nam châm điện, nam châm từ mềm, nam châm vĩnh cửu khối và vi cấu trúc từ vĩnh cửu), đặt nền tảng cho việc lựa chọn vi cấu trúc từ trong luận án.

Chương 2. Các phương pháp thực nghiệm

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình công nghệ chế tạo và hệ thống thiết bị đo đạc đặc trưng:

  • Công nghệ phún xạ catốt: Màng được lắng đọng trong buồng chân không cơ sở $p_{cs}$, kiểm soát dòng khí và áp suất làm việc của argon ($p_{Ar}$).
  • Chế tạo vi cấu trúc: Tác giả trình bày phương pháp phún xạ kết hợp kỹ thuật quang khắc truyền thống và kỹ thuật phún xạ trực tiếp lên đế Si đã được tạo hình vi cấu trúc từ trước.
  • Phương pháp in từ: Sử dụng cấu trúc từ mẫu che phủ bởi tấm Si mỏng để định hướng các hạt NdFeB, sau đó chuyển giao các đám hạt có trật tự vào nền polymer PDMS.
  • Phương pháp in phun: Sử dụng máy in Dimatix DMP 2831. Giọt mực từ tính được tạo thành qua 4 pha kích xung điện áp làm biến dạng phần tử áp điện.
  • Kỹ thuật phân tích: XRD xác định pha tinh thể; SEM kiểm tra hình thái mặt cắt và độ dày màng; AFM khảo sát địa hình bề mặt vi mô; VSM ghi nhận chu trình từ trễ theo phương song song (ip) và vuông góc (oop) với mặt phẳng màng; kỹ thuật MOIF và đầu dò Hall quét bề mặt ghi nhận định hướng từ và phân bố trường từ ngoài.

Chương 3. Nghiên cứu chế tạo một số màng từ tính và vi cấu trúc từ trên cơ sở phương pháp phún xạ

Chương 3 tập trung tối ưu hóa các điều kiện phún xạ màng và khảo sát các cấu hình vi cấu trúc từ:

  • Màng mỏng NiFe/Cu: Khảo sát ảnh hưởng của áp suất khí argon ($p_{Ar} = 1,0$; $2,2$ và $3,0$ mTorr) đến hình thái mặt cắt SEM, giản đồ XRD và đường cong từ trễ tỉ đối theo phương ip và oop.
  • Màng mỏng FePt: Chế tạo trên đế Si ở nhiệt độ đế $T_S = 350^\circ\text{C}$, sau đó tiến hành ủ nhiệt ở $T_a = 450^\circ\text{C}$. Kết quả XRD và AFM xác nhận quá trình ủ nhiệt thúc đẩy trật tự hóa pha $L1_0$, làm tăng độ gồ ghề bề mặt và tăng mạnh lực kháng từ vuông góc.
  • Màng mỏng NdFeB: Chế tạo cấu trúc màng nhiều lớp Ta/NdFeB/Ta trên đế Si tại các nhiệt độ đế khác nhau (nhiệt độ phòng RT, $300^\circ\text{C}$, $400^\circ\text{C}$, $450^\circ\text{C}$, $500^\circ\text{C}$ và $650^\circ\text{C}$). Kết quả thực nghiệm cho thấy nhiệt độ đế ảnh hưởng quyết định đến sự hình thành pha tinh thể Nd$2$Fe${14}$B, hình thái bề mặt lớp Ta bảo vệ và tính dị hướng từ vuông góc mặt phẳng màng.
  • Mô phỏng và chế tạo vi cấu trúc từ: Tính toán sự phụ thuộc của $B_z$, $\partial B_z/\partial y$, $\partial B_z/\partial z$ vào độ cao $d$ (10 $\mu\text{m}$, 25 $\mu\text{m}$, 50 $\mu\text{m}$) trên các cấu hình nam châm dạng thanh (chiều rộng $10\div 50\ \mu\text{m}$) và dạng vuông ($50\times 50\ \mu\text{m}^2$, $60\times 60\ \mu\text{m}^2$, $100\times 100\ \mu\text{m}^2$).
  • Chế tạo thực tế: Vi cấu trúc nam châm vuông NdFeB $50\times 50\ \mu\text{m}^2$ trên đế Si tạo hình và vi cấu trúc vuông FePt $60\times 60\ \mu\text{m}^2$ trên đế Si phẳng. Cấu trúc từ được khẳng định hướng từ hóa qua ảnh hiển thị quang từ MOIF và lập bản đồ trường quét $B_z$, $\partial B_z/\partial y$, $\partial B_z/\partial z$ tại độ cao 10 $\mu\text{m}$.

Chương 4. Nghiên cứu chế tạo một số màng từ tính và vi cấu trúc từ bằng phương pháp in

Chương 4 nghiên cứu phương pháp chế tạo vi cấu trúc từ không qua quy trình quang khắc phức tạp:

  • Chế tạo vi cấu trúc NdFeB trên nền PDMS bằng phương pháp in từ: Các hạt NdFeB được bẫy vào màng mẫu, phân bố vào chất nền PDMS và đóng rắn. Ảnh SEM và AFM cho thấy các đám hạt NdFeB phân bố trật tự. Phép đo MOIF và tính toán cho thấy cấu trúc tạo ra từ trường $B_z$ và gradient từ trường lớn tại độ cao 10 $\mu\text{m}$ so với bề mặt.
  • Chế tạo mực in từ tính cho máy in phun Dimatix DMP 2831:
    • Dung dịch thương mại MFL-003 DMP: Xác định phân bố kích thước hạt và đường cong từ trễ.
    • Mực từ hạt NdFeB: Nghiền hạt NdFeB trong 4 giờ làm thay đổi phân bố kích thước hạt, khảo sát giản đồ XRD và đường cong từ trễ của bột trước và sau nghiền; pha chế các dung dịch mực N1, N2, N3.
    • Mực từ Fe$_3$O$_4$: Chế tạo các hạt nano Fe$_3$O$_4$, kiểm tra XRD, phân bố kích thước và đo từ trễ; pha chế các hệ dung dịch mực F1, F2, F3.
  • In màng từ và vi cấu trúc từ: Chế tạo màng từ diện tích $5\times 5\ \text{mm}^2$; in các ô vi cấu trúc từ vuông với số lớp in thay đổi (1 lớp, 2 lớp, 3 lớp) bằng dung dịch F3 và MFL-003 DMP. Kết quả SEM, AFM và VSM chứng minh độ dày màng, độ nhám bề mặt và từ độ tăng tỷ lệ thuận với số lớp in. Tính toán khẳng định sự tồn tại của các thành phần $B_z$, $\partial B_z/\partial y$, $\partial B_z/\partial z$ thích hợp để thao tác vi hạt.

Chương 5. Thử nghiệm ứng dụng

Chương 5 thử nghiệm khả năng bắt giữ cơ học vi hạt và tế bào sống:

  • Bắt giữ hạt từ: Khảo sát dung dịch hạt Fe$_3$O$4$ siêu thuận từ và hạt NdFeB. Thiết lập điều kiện cân bằng giữa lực từ kéo ($F{my}$) và lực cản Stokes của dòng chất lỏng ($F_d$). Thực nghiệm cho thấy:
    • Trên đế Si dày 10 $\mu\text{m}$ đặt trên vi cấu trúc NdFeB (đế Si tạo hình), các hạt NdFeB và Fe$_3$O$_4$ tập trung chính xác tại các vị trí mép vi nam châm có gradient từ cực đại.
    • Thử nghiệm tương tự thành công trên vi cấu trúc FePt và vi cấu trúc NdFeB/PDMS in từ, cũng như trên vi cấu trúc in phun.
  • Bắt giữ tế bào sinh học:
    • Đo đường cong từ hóa xác định tính chất nghịch từ của tế bào hồng cầu (RBC) và tế bào ung thư vú T-47D trong huyền phù.
    • Bắt giữ tế bào hồng cầu RBC: Nhỏ huyền phù tế bào lên bề mặt lớp PDMS mỏng phủ trên vi cấu trúc NdFeB (đế Si tạo hình). Dưới tác dụng của lực đẩy nghịch từ, tế bào RBC tự định vị và phân bố trật tự theo cấu hình không gian tương ứng với đồ thị tổng lực phương $z$ phụ thuộc khoảng cách $d$.
    • Bắt giữ tế bào ung thư vú T-47D: Thực hiện trên vi cấu trúc NdFeB đế Si tạo hình và vi cấu trúc NdFeB/PDMS in từ. Tác giả ghi nhận sự định vị chọn lọc của tế bào T-47D trên bề mặt cấu trúc, phù hợp với tính toán giải tích lực tương tác từ nghịch từ theo khoảng cách bề mặt.

Kết quả và những đóng góp mới

Các kết quả nghiên cứu và đóng góp mới của luận án được tổng hợp từ nội dung thực nghiệm:

  1. Về mặt lý luận và công nghệ vật liệu: Luận án đã làm chủ quy trình công nghệ chế tạo màng mỏng từ tính nền Fe (NiFe, FePt, NdFeB) bằng phương pháp phún xạ catốt. Xác định được các điều kiện công nghệ tối ưu: áp suất argon đối với màng mềm NiFe/Cu; nhiệt độ ủ $T_a = 450^\circ\text{C}$ kích hoạt chuyển pha $L1_0$ tạo dị hướng vuông góc đối với màng FePt; và dải nhiệt độ đế $T_S$ thích hợp để hình thành pha Nd$2$Fe${14}$B trong cấu trúc màng đa lớp Ta/NdFeB/Ta.
  2. Về mặt thiết kế và chế tạo vi cấu trúc từ: Luận án đã kết hợp mô phỏng giải tích với thực nghiệm để chế tạo thành công các vi cấu trúc từ (thanh vi nam châm, ô vi nam châm vuông kích thước từ $50\div 100\ \mu\text{m}$) trên đế Si tạo hình rãnh vi mô và đế phẳng. Các vi cấu trúc từ tạo ra từ trường bề mặt đạt từ cỡ mT trở lên và biến thiên từ trường cục bộ đạt trên $10^2$ T/m mà không cần cấp nguồn điện hoặc từ trường ngoài phân cực.
  3. Về mặt phát triển phương pháp chế tạo mới: Đã phát triển thành công hai quy trình chế tạo vi cấu trúc từ nhanh, chi phí thấp: phương pháp in từ đưa bột NdFeB vào nền polymer PDMS dẻo và phương pháp in phun trên thiết bị Dimatix DMP 2831 sử dụng hạt nano Fe$_3$O$_4$ và hạt micro NdFeB nghiền 4 giờ. Cả hai phương pháp đều kiểm soát được độ dày và hình thái vi cấu trúc qua số lớp in.
  4. Về mặt thực nghiệm y sinh: Chứng minh thực nghiệm khả năng bắt giữ định vị chính xác các hạt từ tính (Fe$_3$O$_4$, NdFeB) và các tế bào sinh học có tính nghịch từ (hồng cầu RBC, tế bào ung thư vú T-47D) trên bề mặt vi cấu trúc từ được bảo vệ bằng lớp Si mỏng 10 $\mu\text{m}$ hoặc lớp PDMS. Kết quả khẳng định lực đẩy nghịch từ tạo bởi gradient từ trường cao đủ lớn để thao tác trực tiếp lên tế bào sống mà không cần gắn hạt từ đánh dấu.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất:

  • Tiếp tục tích hợp các vi cấu trúc từ NdFeB và FePt vào các kênh dẫn vi lưu (microfluidic channels) khép kín để thực hiện phân tách dòng liên tục tế bào ung thư hoặc tế bào máu trong điều kiện dòng chảy động.
  • Hoàn thiện lớp phủ bảo vệ sinh học mỏng trên bề mặt vi cấu trúc nhằm tối ưu hóa khoảng cách tương tác từ tính, đồng thời thiết lập cơ chế rửa giải tế bào sau khi bắt giữ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Do sử dụng nguồn từ trường là nam châm vĩnh cửu vi mô, hệ thống không thể chuyển đổi trạng thái "bật/tắt" hoặc điều chỉnh linh hoạt độ lớn của từ trường như nam châm điện; việc giải phóng các đối tượng sau khi bị bắt giữ đòi hỏi các giải pháp cơ học hoặc thủy động lực học bổ trợ.
  • Các thử nghiệm thao tác tế bào hồng cầu và tế bào T-47D mới dừng lại ở điều kiện tĩnh hoặc bán tĩnh trên bề mặt phẳng phủ màng bảo vệ PDMS hoặc tấm Si mỏng 10 $\mu\text{m}$, chưa tích hợp hoàn chỉnh hệ thống kênh dẫn vi lưu có kiểm soát áp suất và lưu lượng dòng chảy liên tục.
  • Bột từ NdFeB sử dụng trong phương pháp in phun sau khi nghiền cơ học 4 giờ có sự suy giảm nhất định về phẩm chất từ so với vật liệu ban đầu do ảnh hưởng của kích thước và quá trình ôxy hóa bề mặt.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Tích hợp các mảng vi cấu trúc từ đã chế tạo vào các hệ thống vi lưu hoàn chỉnh (Lab-on-a-chip) để thử nghiệm phân tách liên tục tế bào hồng cầu, bạch cầu và tế bào ung thư từ mẫu máu toàn phần.
  • Tối ưu hóa công nghệ phân tán hạt từ trong dung dịch mực in nhằm hạn chế sự kết tụ hạt tại đầu phun và nâng cao từ độ dư của vi cấu trúc in phun.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho các đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên thuộc các chuyên ngành Vật lý kỹ thuật, Khoa học vật liệu, Vật liệu và linh kiện nano, Kỹ thuật y sinh và Công nghệ vi cơ điện tử (MEMS).
  • Kỹ sư công nghệ và cán bộ nghiên cứu phát triển thiết bị xét nghiệm y học tại điểm chăm sóc (Point-of-Care testing), vi hệ thống phân tích tổng hợp ($\mu\text{TAS}$).

Các nội dung có giá trị tham khảo cụ thể:

  • Chương 2 và Chương 3: Cung cấp đầy đủ thông số công nghệ phún xạ lắng đọng màng hợp kim từ cứng FePt pha $L1_0$ và màng đa lớp Ta/NdFeB/Ta; phương pháp tạo hình vi cấu trúc từ trên đế Si có khắc rãnh vi mô.
  • Chương 4: Quy trình công nghệ chế tạo mực từ tính chứa hạt nano Fe$_3$O$_4$ và hạt NdFeB nghiền phục vụ công nghệ in phun áp điện Dimatix DMP 2831.
  • Chương 5: Mô hình tính toán giải tích lực từ và lực đẩy nghịch từ tác dụng lên tế bào hồng cầu và tế bào ung thư T-47D theo khoảng cách từ bề mặt vi cấu trúc.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án đã chế tạo thành công những loại màng từ và vi cấu trúc từ nào?
Luận án đã chế tạo màng từ mềm NiFe/Cu, màng từ cứng FePt (pha $L1_0$ ủ ở $450^\circ\text{C}$), màng nhiều lớp Ta/NdFeB/Ta trên đế Si; vi cấu trúc từ thanh và ô vuông NdFeB ($50\times 50\ \mu\text{m}^2$) trên đế Si tạo hình rãnh; vi cấu trúc FePt ($60\times 60\ \mu\text{m}^2$) trên đế Si phẳng; vi cấu trúc NdFeB phân bố trong nền PDMS bằng phương pháp in từ; cùng màng từ và vi cấu trúc từ in phun nhiều lớp từ mực chứa Fe$_3$O$_4$ và NdFeB.

2. Tại sao vi cấu trúc từ có thể bắt giữ tế bào hồng cầu và tế bào ung thư T-47D mà không cần gắn hạt từ?
Đa số các tế bào sinh học có tính nghịch từ tự nhiên (hồng cầu chứa oxyhemoglobin có độ cảm từ $\chi = -0,015\times 10^{-6}$; tế bào ung thư T-47D cũng có đáp ứng nghịch từ âm). Khi tiếp cận vi cấu trúc từ có biến thiên từ trường cục bộ rất lớn ($\partial B_z/\partial z > 10^2$ T/m), lực đẩy nghịch từ phương thẳng đứng xuất hiện và đẩy tế bào vào các vị trí có thế năng từ cực tiểu, cho phép bẫy và định vị tế bào trực tiếp mà không cần chức năng hóa hay đánh dấu từ.

3. Mực in từ tính dùng cho máy in phun Dimatix DMP 2831 được chế tạo như thế nào?
Tác giả đã khảo sát mực thương mại MFL-003 DMP và tự pha chế hai hệ mực: hệ mực NdFeB được tạo thành từ bột hợp kim NdFeB nghiền cơ học trong 4 giờ để giảm kích thước hạt xuống cấp độ dưới micromet (pha chế thành các dung dịch N1, N2, N3); và hệ mực Fe$_3$O$_4$ sử dụng các hạt nano Fe$_3$O$_4$ siêu thuận từ phân tán đồng nhất trong dung dịch nền (pha chế thành các mẫu F1, F2, F3).

4. Cường độ từ trường và biến thiên từ trường bề mặt của vi cấu trúc từ đạt giá trị bao nhiêu?
Theo kết quả mô phỏng và khảo sát bằng đầu dò Hall, các vi cấu trúc từ NdFeB và FePt chế tạo được tạo ra cảm ứng từ $B_z$ bề mặt đạt từ cỡ mT trở lên và độ biến thiên từ trường ($\partial B_z/\partial y$, $\partial B_z/\partial z$) đạt trên $10^2$ T/m tại khoảng cách khảo sát 10 $\mu\text{m}$ so với bề mặt vi cấu trúc.

5. Điểm khác biệt cơ bản giữa vi cấu trúc từ vĩnh cửu trong luận án với nam châm điện và nam châm từ mềm là gì?
Vi cấu trúc từ vĩnh cửu hoạt động hoàn toàn tự động, duy trì từ trường ổn định liên tục mà không cần nguồn điện ngoài và không phát sinh nhiệt Joule (khác với nam châm điện dễ làm chết tế bào sinh học); đồng thời tự thân duy trì trạng thái từ hóa cao mà không cần nam châm khối bên ngoài hỗ trợ phân cực (khác với nam châm từ mềm).

Kết luận

Luận án của tác giả Lê Việt Cường đã làm chủ quy trình công nghệ chế tạo các màng từ mỏng và vi cấu trúc từ nền Fe (NiFe, FePt, NdFeB, Fe$_3$O$_4$) bằng cả phương pháp phún xạ lẫn phương pháp in (in từ trong nền PDMS và in phun áp điện). Các vi cấu trúc từ vĩnh cửu thu được tạo ra từ trường bề mặt cỡ mT và biến thiên từ trường lớn vượt $10^2$ T/m, đáp ứng các tiêu chí tính toán mô phỏng. Kết quả thực nghiệm đã khẳng định khả năng bẫy giữ chính xác hạt từ tính cũng như thao tác không tiếp xúc đối với tế bào hồng cầu và tế bào ung thư vú T-47D dựa trên lực đẩy nghịch từ, tạo tiền đề khoa học cho việc phát triển các thiết bị vi lưu tích hợp phục vụ phân tích y sinh học.