Luận văn thạc sĩ về chức năng hóa bề mặt hạt nano ôxít sắt từ Fe3O4 với carbonyldiimidazole cho cấy ghép tủy

• Tác giả: Lê Thị Thu Hà
• Người hướng dẫn: TS. Phan Bách Thắng
• Trường học: Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện Nanô
• Đề tài: Nghiên cứu chức năng hóa bề mặt hạt nano ôxít sắt từ Fe3O4 với carbonyldiimidazole cho ứng dụng cấy ghép tủy
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: THỰC NGHIỆM TỔNG HỢP CÁC HẠT NANÔ TỪ Fe3O4
• 2. KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN
• 3. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI TRONG TƯƠNG LAI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về hạt nano ôxít sắt từ Fe3O4

Hạt nano ôxít sắt từ Fe3O4 là một trong những vật liệu quan trọng trong lĩnh vực công nghệ nano. Chúng có tính chất siêu thuận từ, cho phép chúng dễ dàng bị từ hóa và khôi phục lại trạng thái không từ hóa khi không còn từ trường. Điều này làm cho hạt nano này trở thành ứng viên lý tưởng cho nhiều ứng dụng trong y sinh học, đặc biệt là trong lĩnh vực cấy ghép tủy. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp tổng hợp hạt nano ôxít sắt từ Fe3O4 có thể giúp cải thiện tính tương thích sinh học và khả năng tương tác với các tế bào sinh học. Theo nghiên cứu, các hạt nano này có thể được sử dụng để phân tách và đánh dấu tế bào, dẫn truyền thuốc, và tăng cường hiệu quả điều trị trong các liệu pháp y tế.

1.1. Tính chất hóa học và vật lý của Fe3O4

Hạt nano Fe3O4 có cấu trúc tinh thể đặc biệt, với tính chất từ tính mạnh mẽ. Chúng có khả năng tương tác với các phân tử sinh học, nhờ vào bề mặt có thể được chức năng hóa bằng các hợp chất hữu cơ như carbonyldiimidazole (CDI). Tính chất này không chỉ giúp tăng cường khả năng bắt giữ protein mà còn cải thiện khả năng tương thích sinh học của hạt. Việc nghiên cứu các tính chất hóa học và vật lý của Fe3O4 là rất quan trọng để phát triển các ứng dụng trong y sinh học, đặc biệt là trong cấy ghép tủy.

II. Chức năng hóa bề mặt hạt nano với carbonyldiimidazole

Chức năng hóa bề mặt hạt nano ôxít sắt từ Fe3O4 với carbonyldiimidazole (CDI) là một bước quan trọng trong việc cải thiện khả năng tương tác của hạt với các tế bào sinh học. CDI có khả năng tạo liên kết mạnh mẽ với các nhóm chức trên bề mặt hạt, từ đó tạo ra một lớp bảo vệ và tăng cường khả năng bắt giữ các protein như BSA. Quá trình này không chỉ giúp tăng cường tính ổn định của hạt trong môi trường sinh học mà còn cải thiện khả năng phân tách tế bào trong các ứng dụng cấy ghép tủy. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng CDI có thể làm tăng đáng kể hiệu quả của các phương pháp phân tách tế bào, từ đó mở ra nhiều cơ hội mới trong điều trị bệnh.

2.1. Quy trình chức năng hóa

Quy trình chức năng hóa bề mặt hạt nano Fe3O4 với CDI bao gồm nhiều bước, từ việc xử lý bề mặt hạt cho đến việc gắn kết CDI lên bề mặt. Các bước này cần được thực hiện trong điều kiện kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo hiệu quả tối ưu. Việc sử dụng các phương pháp phân tích như FT-IR và TEM giúp theo dõi quá trình chức năng hóa và xác định cấu trúc của hạt sau khi chức năng hóa. Kết quả cho thấy rằng hạt nano sau khi được chức năng hóa có khả năng bắt giữ protein cao hơn so với hạt chưa được chức năng hóa, điều này chứng tỏ tính khả thi của phương pháp này trong các ứng dụng y sinh học.

III. Ứng dụng trong cấy ghép tủy

Việc nghiên cứu và phát triển hạt nano ôxít sắt từ Fe3O4 với carbonyldiimidazole mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực cấy ghép tủy. Hạt nano này có thể được sử dụng để phân tách các tế bào không mong muốn, như tế bào T/CD3, từ mẫu tủy ghép, giúp giảm thiểu nguy cơ biến chứng sau ghép. Phương pháp này không chỉ đơn giản và hiệu quả mà còn có thể tự động hóa, tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng trong thực tiễn. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng hạt nano trong cấy ghép tủy có thể cải thiện tỷ lệ thành công và giảm thiểu các tác dụng phụ không mong muốn.

3.1. Tính khả thi và hiệu quả

Tính khả thi của việc sử dụng hạt nano ôxít sắt từ Fe3O4 trong cấy ghép tủy đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu thực nghiệm. Các thử nghiệm cho thấy rằng hạt nano này có khả năng tương tác tốt với các tế bào sinh học, đồng thời giảm thiểu nguy cơ phản ứng miễn dịch. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các phương pháp điều trị mới, hiệu quả hơn trong lĩnh vực y tế, đặc biệt là trong điều trị các bệnh liên quan đến tủy xương. Việc áp dụng công nghệ nano trong y sinh học không chỉ giúp cải thiện hiệu quả điều trị mà còn góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân.

Tổng quan nghiên cứu

Trong những năm gần đây, việc ứng dụng hạt nanô ôxít sắt từ Fe3O4 trong lĩnh vực y sinh học ngày càng được quan tâm do tính chất siêu thuận từ và khả năng tương thích sinh học cao. Tại Việt Nam, kỹ thuật cấy ghép tủy xương đã phát triển từ năm 1995 với hơn 105 ca thành công, trong đó gần một nửa là trẻ em. Tuy nhiên, các biến chứng như bệnh vật ghép chống chủ (GVHD) và nguy cơ tái phát ung thư tủy xương vẫn là thách thức lớn. Do đó, việc phát triển phương pháp loại bỏ tế bào lympho và tế bào ung thư trong mẫu tủy ghép là nhu cầu cấp thiết.

Luận văn tập trung nghiên cứu chức năng hóa bề mặt hạt nanô ôxít sắt từ Fe3O4 bằng 1,1’-cacbonyldiimidazol (CDI) nhằm ứng dụng trong cấy ghép tủy. Mục tiêu cụ thể gồm: tổng hợp hạt Fe3O4 có kích thước nanô, tính siêu thuận từ và tương thích sinh học; tạo cấu trúc lõi-vỏ Fe3O4@SiO2; chức năng hóa bề mặt với CDI và khảo sát khả năng bắt giữ protein BSA. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2013-2014.

Việc phát triển hạt nanô từ tính chức năng hóa bề mặt không chỉ góp phần nâng cao hiệu quả phân tách tế bào lympho trong cấy ghép tủy mà còn mở rộng ứng dụng trong y sinh học như dẫn truyền thuốc, tăng thân nhiệt cục bộ và đánh dấu tế bào. Các chỉ số quan trọng như kích thước hạt nanô (khoảng 10-30 nm), độ từ hóa bão hòa Ms ~ 92 A.kg⁻¹ và nhiệt độ Curie ~ 580°C được khảo sát kỹ lưỡng nhằm đảm bảo tính ổn định và hiệu quả ứng dụng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình vật liệu từ học, đặc biệt là tính chất siêu thuận từ của hạt nanô Fe3O4. Các khái niệm chính bao gồm:

• Tính siêu thuận từ: Hạt nanô Fe3O4 có kích thước nhỏ hơn đường kính tới hạn Dc, không tồn tại nhiều vách đômen, do đó mômen từ trong hạt có thể thay đổi nhanh theo từ trường ngoài và mất từ tính khi không có từ trường. Điều này được mô tả qua công thức KV < 25kBT, trong đó K là hằng số dị hướng, V thể tích hạt, kB hằng số Boltzmann, T nhiệt độ.

• Cấu trúc lõi-vỏ Fe3O4@SiO2: Lớp vỏ silica bảo vệ lõi từ tính khỏi oxi hóa, kết tụ và điều chỉnh tính chất bề mặt, đồng thời tạo điều kiện chức năng hóa bề mặt với các hợp chất hữu cơ như GPS và CDI.

• Chức năng hóa bề mặt bằng CDI: CDI là hợp chất hữu cơ có khả năng liên kết với nhóm hydroxyl hoặc amin trên bề mặt silica, tạo cầu nối bền vững để gắn kết protein BSA, phục vụ mục đích bắt giữ tế bào trong ứng dụng y sinh.

Ngoài ra, các khái niệm về từ hóa, độ từ hóa bão hòa, đường cong từ hóa, và các phương pháp phân tích cấu trúc như phổ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hấp thụ hồng ngoại (FT-IR), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), và từ kế mẫu rung (VSM) được áp dụng để đánh giá tính chất vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp và xử lý hạt nanô Fe3O4 tại phòng thí nghiệm Vật liệu Kỹ thuật Cao, Đại học Khoa học Tự nhiên TP. Hồ Chí Minh. Cỡ mẫu gồm nhiều lô hạt nanô được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa trong hệ kín khí Argon, với kích thước hạt điều chỉnh trong khoảng 10-30 nm.

Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các mẫu có tính chất từ và kích thước phù hợp nhất qua khảo sát phổ FT-IR, XRD, TEM và VSM. Phân tích dữ liệu sử dụng các kỹ thuật phổ biến trong vật liệu nano và từ học nhằm đánh giá cấu trúc, kích thước, tính chất từ và khả năng chức năng hóa bề mặt.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2013 đến 2014, bao gồm các giai đoạn tổng hợp hạt nanô, xử lý bề mặt bằng axit oleic và silica, chức năng hóa bằng GPS và CDI, và khảo sát khả năng bắt giữ protein BSA. Các quy trình thí nghiệm được thực hiện theo chuẩn mực khoa học với kiểm soát chặt chẽ các điều kiện phản ứng và xử lý mẫu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tổng hợp hạt nanô Fe3O4 có kích thước đồng nhất và tính siêu thuận từ: Kích thước hạt nanô Fe3O4 được kiểm soát trong khoảng 10-30 nm, phù hợp với điều kiện siêu thuận từ. Độ từ hóa bão hòa Ms đạt khoảng 92 A.kg⁻¹, nhiệt độ Curie khoảng 580°C, đảm bảo tính ổn định từ học cần thiết cho ứng dụng y sinh.

2. Hiệu quả bao phủ lớp silica (SiO2) lên hạt Fe3O4: Lớp vỏ silica có độ dày từ 5 đến 200 nm được điều chỉnh bằng tỉ lệ TEOS và thời gian phản ứng. Lớp phủ này giúp ổn định hạt nanô, ngăn ngừa oxi hóa và kết tụ, đồng thời tạo bề mặt phù hợp cho chức năng hóa tiếp theo. So sánh phổ FT-IR và TEM cho thấy lớp phủ đồng đều và bền vững.

3. Chức năng hóa bề mặt bằng GPS và CDI thành công: GPS được gắn kết lên bề mặt Fe3O4@SiO2 đã xử lý piranha, tạo cầu nối epoxy. Sau đó, vòng epoxy được mở bằng dung dịch NaCl/HCl để tạo nhóm hydroxyl, tiếp tục cố định CDI lên bề mặt. Phổ FT-IR và các phân tích quang học xác nhận sự gắn kết thành công của các hợp chất này.

4. Khả năng bắt giữ protein BSA: Mẫu Fe3O4@SiO2/GPS-O-CDI thể hiện khả năng bắt giữ protein BSA cao hơn so với mẫu không có CDI, với mật độ quang OD tăng khoảng 20-30% sau quá trình gắn kết. Điều này chứng tỏ hiệu quả chức năng hóa bề mặt trong việc liên kết sinh học, mở ra tiềm năng ứng dụng trong phân tách tế bào lympho.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp tổng hợp đồng kết tủa trong hệ kín khí Argon giúp kiểm soát kích thước hạt nanô Fe3O4 hiệu quả, tạo ra hạt đơn đômen với tính siêu thuận từ ổn định. Việc bao phủ silica bằng phương pháp sol-gel và Stober tạo lớp vỏ bảo vệ bền vững, đồng thời duy trì tính chất từ của lõi.

Chức năng hóa bề mặt bằng GPS và CDI là bước đột phá, giúp tạo ra bề mặt có khả năng liên kết đặc hiệu với protein BSA, từ đó có thể ứng dụng trong việc loại bỏ tế bào lympho trong mẫu tủy ghép. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng các phương pháp hóa học khác, phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, hiệu quả và dễ dàng kiểm soát.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ FT-IR thể hiện các nhóm chức mới xuất hiện sau từng bước xử lý, hình ảnh TEM minh họa cấu trúc lõi-vỏ và kích thước hạt, cùng biểu đồ OD thể hiện khả năng bắt giữ protein BSA. So sánh với các nghiên cứu quốc tế cho thấy kết quả tương đương hoặc vượt trội về độ đồng nhất hạt và hiệu quả chức năng hóa.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp hạt nanô Fe3O4: Điều chỉnh pH, nhiệt độ và tỉ lệ mol Fe3+/Fe2+ để nâng cao độ đồng nhất kích thước hạt, giảm kết tụ. Mục tiêu giảm kích thước hạt xuống dưới 15 nm để tăng tính siêu thuận từ, thực hiện trong vòng 6 tháng, do nhóm nghiên cứu vật liệu đảm nhiệm.

2. Nâng cao hiệu quả bao phủ silica: Thử nghiệm các tỉ lệ TEOS và thời gian phản ứng khác nhau để kiểm soát độ dày lớp vỏ silica, nhằm tối ưu hóa tính ổn định và khả năng chức năng hóa bề mặt. Thời gian thực hiện 3-4 tháng, phối hợp phòng thí nghiệm vật liệu và hóa học.

3. Phát triển phương pháp chức năng hóa bề mặt đa chức năng: Kết hợp CDI với các hợp chất hữu cơ khác để tăng khả năng liên kết đa dạng sinh học, mở rộng ứng dụng trong phân tách tế bào và dẫn truyền thuốc. Thời gian nghiên cứu 6 tháng, do nhóm hóa học và sinh học phân tử thực hiện.

4. Thử nghiệm ứng dụng trong mô hình cấy ghép tủy: Áp dụng hạt nanô chức năng hóa trong phân tách tế bào lympho từ mẫu tủy ghép thực tế, đánh giá hiệu quả loại bỏ tế bào không mong muốn và giảm biến chứng GVHD. Thời gian 1 năm, phối hợp với bệnh viện truyền máu huyết học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano và từ học: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu chi tiết về tổng hợp, xử lý và chức năng hóa hạt nanô Fe3O4, giúp phát triển vật liệu từ tính ứng dụng trong y sinh.

2. Chuyên gia y sinh học và công nghệ sinh học: Thông tin về khả năng bắt giữ protein BSA và ứng dụng trong phân tách tế bào lympho hỗ trợ phát triển kỹ thuật cấy ghép tủy và điều trị ung thư.

3. Bác sĩ và kỹ thuật viên cấy ghép tủy xương: Hiểu rõ về vật liệu và công nghệ mới giúp cải thiện hiệu quả và an toàn trong quy trình cấy ghép, giảm biến chứng GVHD.

4. Nhà phát triển thiết bị phân tách tế bào và dược phẩm: Cơ sở khoa học để thiết kế các thiết bị MACS và FACS cải tiến, cũng như phát triển hệ dẫn truyền thuốc dựa trên hạt nanô từ tính.

Câu hỏi thường gặp

1. Hạt nanô Fe3O4 có kích thước bao nhiêu là tối ưu cho ứng dụng y sinh?
   Kích thước tối ưu thường nằm trong khoảng 10-30 nm để đảm bảo tính siêu thuận từ và khả năng tương thích sinh học. Kích thước này giúp hạt không kết tụ và dễ dàng chức năng hóa bề mặt.

2. Tại sao cần bao phủ silica lên hạt Fe3O4?
   Lớp phủ silica bảo vệ lõi từ tính khỏi oxi hóa và kết tụ, đồng thời tạo bề mặt có nhóm hydroxyl để chức năng hóa tiếp theo, giúp tăng tính ổn định và khả năng liên kết sinh học.

3. Chức năng hóa bề mặt bằng CDI có ưu điểm gì?
   CDI tạo cầu nối bền vững với các nhóm chức trên bề mặt silica, giúp gắn kết protein hoặc tế bào một cách đặc hiệu và ổn định, nâng cao hiệu quả phân tách tế bào trong ứng dụng y sinh.

4. Phương pháp tổng hợp đồng kết tủa có nhược điểm gì?
   Phương pháp này đơn giản và hiệu quả nhưng dễ gây kết tụ hạt nanô, đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ pH, nhiệt độ và thời gian để đạt độ đồng nhất cao.

5. Ứng dụng chính của hạt nanô Fe3O4 trong y sinh là gì?
   Bao gồm phân tách tế bào lympho, dẫn truyền thuốc đến vị trí mục tiêu, tăng thân nhiệt cục bộ điều trị ung thư và làm chất tương phản trong ảnh cộng hưởng từ.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công hạt nanô Fe3O4 có kích thước 10-30 nm với tính siêu thuận từ ổn định, phù hợp ứng dụng y sinh.
• Lớp phủ silica bảo vệ và tạo bề mặt chức năng hóa hiệu quả, với độ dày lớp vỏ điều chỉnh được.
• Chức năng hóa bề mặt bằng GPS và CDI giúp tăng khả năng bắt giữ protein BSA, mở rộng ứng dụng trong phân tách tế bào.
• Phương pháp nghiên cứu và quy trình thí nghiệm được chuẩn hóa, đảm bảo tính lặp lại và hiệu quả.
• Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm tối ưu hóa vật liệu và ứng dụng trong mô hình cấy ghép tủy thực tế.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm ứng dụng trong phân tách tế bào lympho và đánh giá hiệu quả lâm sàng. Mời các nhà nghiên cứu và chuyên gia y sinh học hợp tác phát triển công nghệ này để nâng cao chất lượng điều trị cấy ghép tủy xương tại Việt Nam.