MỞ ĐẦU Theo sự phát triển nhanh chóng của công nghệ nano, ngày càng nhiều loại vật liệu nano với tính chất đặc biệt được khám phá, từ đó thúc đẩy những bước tiến mới ở nhiều lĩnh vực, trong đó có vật liệu y sinh. Các loại vật liệu mới này đa dạng cả về bản chất (vô cơ, hữu cơ, composite.), lẫn về cấu trúc (phân tử, gel, micelle.), và trở thành một làn sóng, một xu hướng nghiên cứu mới thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học nhằm hướng đến mục tiêu cải thiện chất lượng sống của con người. Một trong số những loại vật liệu phải kể đến là vật liệu nano từ tính, mà điển hình là nano oxide sắt từ (iron oxide nanoparticles – ION). Khác với dạng phân tử hoặc dạng vật liệu khối thông thường, vật liệu nano từ tính nói chung và ION nói riêng khi đạt kích thước hạt từ khoảng vài nanomet đến vài trăm nanomet, tức kích thước của một domain, sẽ xuất hiện một số tính chất đặc biệt như siêu thuận từ, dị hướng từ bề mặt, bề mặt riêng lớn.
Những đặc tính này giúp ION có khả năng đáp ứng có kiểm soát với từ trường ngoài, một yêu cầu quan trọng để ION được ứng dụng trên cơ thể người. Bên cạnh đó, kích thước nano còn giúp ION có thể dễ dàng được đưa vào cơ thể, xuyên qua hầu hết các hàng rào bảo vệ và xâm nhập đến cơ quan mục tiêu. Mặc dù vậy, với kích thước nano, ION có năng lượng bề mặt rất lớn và dễ dàng bị kết tụ, nhất là trong môi trường sinh lý. Điều này không những làm suy giảm tính chất của vật liệu mà còn có thể gây nguy hiểm khi hình thành các khối lớn trong cơ thể gây tắt nghẽn mạch máu hoặc các biến chứng khác.
Để khắc phục, ION được bảo vệ bằng một lớp phủ bên ngoài nhằm hạn chế sự kết tụ. Tùy vào mục đích sử dụng mà lớp phủ này có thể là polymer, hợp chất vô cơ như silica, hoặc hợp chất hữu cơ như acid citric. Một phương pháp khác mang lại hiệu quả cao đó chính là nang hóa ION vào một hệ chất mang có sẵn, cụ thể là liposome. Việc nang hóa ION vào liposome có thể cùng lúc thực hiện nhiều mục đích, vừa có thể bảo vệ ION không bị kết tụ, vừa giúp liposome có được khả năng đáp ứng với từ trường ngoài, từ đó tạo thành hệ chất mang đa chức năng, 6 có tiềm năng lớn trong ứng dụng mang thuốc hướng đích.
Với ý nghĩa khoa học và thực tiễn nêu trên, đề tài “Nghiên cứu tổng hợp và nang hóa nano sắt từ lên liposome định hướng ứng dụng làm vật liệu mang thuốc” được chọn làm đề tài luận văn tốt nghiệp cao học. VẬT LIỆU SẮT TỪ 1. Vật liệu sắt từ dạng khối 1. Sơ lược về lịch sử phát hiện Từ hơn 2500 năm trước, con người đã phát hiện vật liệu từ đầu tiên là một loại khoáng vật mang tên magnetite với khả năng hấp dẫn các vật dụng bằng sắt.
Các mảnh nhỏ magnetite được từ hóa tự nhiên còn được gọi là đá nam châm (lodestone). Sau đó, người Hy Lạp đã nghĩ ra việc biến các mảnh sắt trở thành nam châm bằng cách chạm hoặc cọ xát mảnh sắt với magnetite, tạo tiền đề cho sự xuất hiện của la bàn sau này. Thực tế là trong suốt nhiều năm sau đó, đây là cách duy nhất được dùng để chế tạo nam châm cho đến khi nam châm điện được phát minh vào năm 1825 [1]. Cấu trúc tinh thể Magnetite, hay còn gọi là oxide sắt từ, có công thức hóa học là Fe3O4 hoặc FeO.Fe2O3, là một trong những khoáng vật chứa sắt phổ biến thuộc nhóm ferrite.
Các ferrite, tùy vào thành phần hóa học mà có thể có cấu trúc lập phương tâm diện hoặc lục giác, những ferrite có cấu trúc lập phương tâm diện lại phân thành hai dạng là spinel hoặc spinel đảo. Đối với ferrite có cấu trúc spinel, công thức hóa học có thể được viết thành AB2X4 với X là anion (thường là oxigen, lưu huỳnh và selen) có điện tích -2, A là cation hóa trị II chiếm vị trí lỗ trống tứ diện, B là cation hóa trị III chiếm vị trí lỗ trống bát diện trong ô mạng tinh thể. Trong khi đó, oxide sắt từ lại nằm trong nhóm ferrite có cấu trúc spinel đảo. Các hợp chất dạng này có công thức hóa học được viết thành B(AB)X4 với A, B và X tương tự như spinel thường, tuy nhiên ở cấu trúc spinel đảo, cation A hóa trị II lại chiếm vị trí lỗ trống bát diện, một nửa số cation B hóa trị III chiếm vị trí lỗ trống bát diện, nửa còn lại chiếm vị trí lỗ trống tứ diện.
Cụ thể hơn, đối với oxide sắt từ, công thức hóa học được viết lại thành 8 Fe3+(Fe2+Fe3+)O42- , trong đó ion Fe2+ và một nửa số ion Fe3+ chiếm vị trí lỗ trống bát diện, một nửa số ion Fe3+ còn lại chiếm vị trí lỗ trống tứ diện. Ô mạng tinh thể của oxide sắt từ 1. Tính chất từ Tinh thể oxide sắt từ có cấu trúc lập phương tâm diện, độ từ hóa bão hòa Ms xấp xỉ 92 emu/g và nhiệt độ Curie khoảng 580°C [1]. Trong ô mạng tinh thể, 8 ion Fe3+ trong lỗ trống tứ diện có spin ngược chiều với spin của 8 ion Fe3+ trong lỗ trống bát diện nên triệt tiêu lẫn nhau, như vậy moment từ tổng cộng là tổng các moment từ do các ion Fe2+ trong lỗ trống bát diện gây ra.
Cấu trúc spin của oxide sắt từ Tuy nhiên, đối với oxide sắt từ dạng khối, moment từ trong toàn khối vật liệu không thể theo cùng một hướng vì khi đó sẽ tạo ra một từ trường lớn bao quanh vùng không gian xung quanh vật liệu, yêu cầu trường này phải lưu trữ 9 lượng lớn năng lượng tĩnh từ (magnetostatic energy) dẫn đến sự tăng nội năng. Để tối thiểu hóa những năng lượng này, khối vật liệu tự chia thành nhiều vùng, mỗi vùng có chiều moment song song nhau và khác so với các vùng khác, những vùng này được gọi là domain. Khi domain đạt đến một kích thước nhất định (10-5 – 10-6 m) thì năng lượng cần thiết để tạo nên vách domain (khi phân chia thành các domain nhỏ hơn) lớn hơn năng lượng cần để duy trì domain, do đó domain ngừng phân chia và duy trì khoảng kích thước cố định [2]. Sự tạo thành domain nhằm giảm năng lượng tĩnh từ Một đặc tính khác của vật liệu từ là dị hướng từ, có liên quan đến các tương tác từ trong tinh thể có trật tự từ.
Tính dị hướng thể hiện khi tính chất từ của vật liệu khác nhau theo các phương khác nhau. Nguồn gốc của dị hướng từ liên quan đến các dạng năng lượng tương tác cơ bản xác định trạng thái của vật liệu, trong đó phải kể đến dị hướng từ tinh thể, dị hướng từ đàn hồi và các ứng suất. Dị hướng từ tinh thể là dạng năng lượng trong các vật có từ tính liên quan đến tính đối xứng tinh thể và sự định hướng của moment từ. Trong tinh thể, moment từ luôn có xu hướng định hướng theo một phương ưu tiên nào đó của tinh thể, gọi là trục dễ từ hóa.
Khi từ hóa theo hướng khác (lệch 90o so với trục dễ từ hóa) thì quá trình từ hóa sẽ khó hơn và rất khó đạt trạng thái bão hòa từ, trục đó gọi là trục khó từ hóa. Năng lượng dị hướng từ tinh thể được định nghĩa là năng lượng cần thiết để quay moment từ từ trục khó từ hóa sang hướng của trục dễ từ hóa. Bên cạnh 10 nguồn gốc do tính đối xứng tinh thể, dị hướng từ tinh thể còn có thể được tạo ra do ứng suất, do hình dạng của vật từ hay trật tự của các cặp spin với định hướng khác nhau. Vật liệu nano oxide sắt từ (ION) 1.
Cấu trúc tinh thể Phổ nhiễu xạ tia X đã chứng minh rằng khi giảm đến kích thước nano, hạt nano oxide sắt từ vẫn có cấu trúc tinh thể spinel đảo và không thay đổi so với vật liệu khối. Tuy nhiên giá trị hằng số mạng a của ION thường nhỏ hơn so với vật liệu khối. Điều này được giải thích là do tỉ lệ của các nguyên tử và ion trên bề mặt là tương đối lớn so với toàn bộ thể tích hạt, đồng thời sự oxi hóa các ion Fe2+ trên bề mặt thành Fe3+ dẫn đến sự thay đổi tỉ lệ sắp xếp các ion trong các lỗ trống tứ diện và bát diện [3]. Tính chất từ Cũng giống như các loại vật liệu nano khác, oxide sắt từ khi đạt đến kích thước nano xuất hiện một số sự thay đổi tính chất, đặc biệt là tính chất từ.
Trong đó hai yếu tố chính ảnh hưởng đến tính chất từ là hiệu ứng kích thước và hiệu ứng bề mặt. a) Ảnh hưởng của hiệu ứng kích thước Các hiệu ứng kích thước được nghiên cứu nhiều nhất trong các hạt nano từ là giới hạn đơn domain và giới hạn siêu thuận từ. Như đã nói ở trên, khi kích thước hạt giảm đến một mức tới hạn, sự hình thành vách domain (khi domain phân chia thành các domain nhỏ hơn) sẽ trở nên không thuận lợi về mặt năng lượng, do đó hạt sẽ có cấu trúc đơn domain và có cùng một hướng moment từ. Hiệu ứng thứ 2 là hiện tượng siêu thuận từ và giới hạn kích thước siêu thuận từ.
Ở vật liệu sắt từ, các moment từ trong nguyên tử sắp xếp song song với nhau, tạo nên một từ trường bên trong rất lớn. Khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Curie (hay nhiệt độ Néel đối với vật liệu phản sắt từ), dao động nhiệt đủ lớn để thắng lại các lực liên kết bên trong, làm cho các moment từ của nguyên tử từ song song trở thành dao động tự do, do đó triệt tiêu từ trường bên trong và 11 vật liệu thể hiện tính thuận từ. Khái niệm siêu thuận từ được Frenkel và Dorfman đưa ra vào năm 1930, theo đó, trong vật liệu sắt từ được cấu tạo bởi một hệ các hạt (thể tích V) tương tác và liên kết với nhau. Giả sử nếu giảm dần kích thước hạt thì năng lượng dị hướng KV giảm dần, nếu tiếp tục giảm kích thước thì đến một lúc nào đó, KV << kT, năng lượng nhiệt sẽ thắng năng lượng dị hướng và vật sẽ mang đặc trưng của một chất thuận từ [4].
Khi đó vật liệu thể hiện cả tính sắt từ (hay phản sắt từ) và tính thuận từ ngay cả khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ Curie (hay nhiệt độ Néel). Hiện tượng này gọi là hiện tượng siêu thuận từ, và giới hạn kích thước V để KV<< kT gọi là giới hạn kích thước siêu thuận từ.
