LỜI MỞ ĐẦU Cuối thập niên 80, công nghệ nano bắt đầu phát triển và thu được nhiều thành quả to lớn không chỉ trong nghiên cứu mà còn mở rộng phạm vi ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Ở các vật liệu và linh kiện nano xuất hiện nhiều hiện tượng, tính chất vật lý và hoá học mới mẻ không có trong các loại vật liệu khối [10]. Công nghệ nano đang làm thay đổi cuộc sống của chúng ta nhờ vào khả năng can thiệp của con người ở kích thước nano mét, tại đó, vật liệu nano thể hiện rất nhiều tính chất đặc biệt. Một nhánh quan trọng của công nghệ nano, đó là ứng dụng lý - sinh học nano, trong đó, vật liệu nano được sử dụng để chẩn đoán và điều trị bệnh.
Lý - sinh học nano đã và đang được nghiên cứu rất mạnh mẽ nhờ vào khả năng ứng dụng rất linh hoạt và hiệu quả của vật liệu nano. Thế giới vi mô của các phân tử nano mang lại vô số ứng dụng tiềm năng trên mọi mặt đời sống của chúng ta. Gần đây, một nhóm các nhà khoa học Hàn Quốc đã nghiên cứu phát triển được các hạt nano từ tính có thể chữa bệnh ung thư. Các hạt nano từ tính có kích thước tương ứng với kích thước của các phân tử nhỏ (1-10 nm) hoặc kích thước của các virus (10-100 nm).
Chính vì thế mà hạt nano có thể thâm nhập vào hầu hết các cơ quan trong cơ thể và giúp cho chúng ta có thể thao tác ở qui mô phân tử và tế bào. Từ trường không có hại đối với con người nên các hạt nano từ tính được quan tâm sử dụng rất nhiều vào mục đích chẩn đoán và chữa bệnh [14]. Hạt nano ôxit sắt siêu thuận từ Fe3O4 có nhiều ứng dụng quan trọng trong y sinh học như làm tác nhân tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ hạt nhân, phân tách và chọn lọc tế bào, hiệu ứng đốt nhiệt và phân phát thuốc, vv. Hạt silica ổn định về cấu trúc, không độc, có khả năng tương thích sinh học cao.
Vì vậy, trong đề tài này, nghiên cứu tổng hợp hạt nano core-shell Fe3O4@SiO2 ứng dụng tải thuốc nhờ vào từ tính của lõi sắt từ Fe3O4 và sự ổn định, trơ về hóa học của lớp vỏ silica nhằm tránh các phản ứng hóa học không mong muốn trong cơ thể; giúp đưa thuốc đến đúng tế bào mục tiêu cần chữa trị, đặc biệt là tế bào ung thư. 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về hạt nano cấu trúc core-shell 1. Nguồn gốc – Định nghĩa Vật liệu nano được định nghĩa là vật liệu có ít nhất một chiều theo kích thước nano ( bé hơn 100 nm).
Một bổ sung khác cho định nghĩa về vật liệu nano là những vật liệu có kích thước bé hơn 1 μm nhưng có tính chất vật lý, hóa học, sinh học giống như những vật liệu nano thì cũng được xem là vật liệu nano [1]. Ở kích thước nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngoài. Khoa học nano nghiên cứu hiện tượng và ứng dụng các vật liệu ở kích thước nguyên tử, phân tử và cao phân tử có những tính chất khác biệt so với kích thước lớn. Do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngoài của loại vật liệu này.
Diện tích bề mặt tăng nên độ tan tăng, dễ phân tán hạt trong chất lỏng hơn, rất dễ lơ lửng trong chất lỏng, dễ hấp thụ qua tế bào, da và ruột. Do có sự gia tăng diện tích bề mặt nên nó gia tăng sự tiếp xúc, do đó gia tăng khả năng bám dính do lực hút Van Derwaals. Tính chất quang học và vật lý của vật liệu nano khác so với vật liệu có kích thước lớn hơn. Nhiệt độ nóng chảy vật liệu ở kích thước nano giảm đáng kể so với vật liệu dạng khối.
Khi ở kích thước nano, tính chất lượng tử của vật liệu chiếm ưu thế nên tính từ, quang, điện của nó khác biệt so với các vật liệu truyền thống [1]. Hạt nano là vật liệu có kích thước từ vài đến vài trăm nano mét, bao gồm hàng trăm đến hàng nghìn nguyên tử giống nhau. Do kích thước nhỏ nên các tính chất hóa lý của chúng bị phụ thuộc nhiều vào trạng thái bề mặt hơn là thể tích khối. So với vật liệu khối thì vật liệu có kích thước nanomet có nhiều tính chất mới và lạ.
Tuy nhiên, các vật liệu ứng dụng trong sinh học phải được đáp ứng các yêu cầu về các tính chất dược lý, hóa học, vật lý, độ đồng nhất của các hạt khả năng hòa tan được của các hạt… và phải có tính độc thấp. Do đó các hạt nano phải có kích 2 thước đủ nhỏ để có thể dễ dàng khuếch tán qua mô, thời gian lắng đọng dài, diện tích bề mặt hiệu dụng cao; các hạt từ phải dễ bọc để bảo vệ chúng khỏi thoái hóa do tác động của môi trường và có khả năng tương thích sinh học với môi trường … Hình 1. Hạt nano cấu trúc core-shell [18]. Có cấu trúc đa dạng, nhưng thông thường gồm có hai thành phần chính là lõi (core) và vỏ (shell).
Hình dạng và các tính chất của lõi và vỏ có thể được điều chỉnh bằng cách khống chế các thành phần và các thông số chế tạo. Lớp vỏ có vai trò bảo vệ và nhằm khắc phục một số nhược điểm của phần lõi → chúng thường được chế tạo từ những vật liệu trơ hóa học, có độ ổn định cao, bề mặt có khả năng tương thích sinh học như các polymer, các chất vô cơ như SiO2. Phân loại Các hạt nano core-shell có cấu trúc đa dạng, nhưng thường gồm có hai thành phần chính là lõi và vỏ. Hình dạng và các tính chất của lõi-vỏ, theo lý thuyết cho thấy có thể điều chỉnh bằng cách khống chế các thành phần và các thông số chế tạo.
Một số dạng nano core-shell tiêu biểu theo lý thuyết: 3 Hình 1. Các dạng hạt nano core-shell khác nhau (a) hình cầu; (b) hình lục giác; (c) nhiều lõi nhỏ đƣợc bọc bởi một lớp vỏ; (d) vật liệu nanomatryushka; (e) lõi di chuyển trong lớp vật liệu vỏ rỗng [11]. Trong đó, hạt nano core-shell dạng cầu đồng tâm (hình 1.2a) là loại phổ biến nhất, đây là hạt lõi hình cầu đơn giản được phủ một lớp vật liệu khác làm vỏ. Những dạng nano lõi-vỏ khác cũng được quan tâm nghiên cứu rộng rãi bởi những thuộc tính mới của chúng [11].
Trong các dạng cấu trúc này, tỉ lệ lõi-vỏ và kiểu kết cấu lõi-vỏ là hai yếu tố cơ bản để tạo ra các cấu trúc nhau của hạt nano core-shell. Tuy nhiên trong thực tế, vật liệu này rất hiếm khi đồng đều và hình dạng của chúng có thể rất khác so với những dạng được miêu tả ở trên. Lưu ý rằng, ngoài các cấu trúc lõi-vỏ thông thường của tiểu cầu còn có cấu trúc mà trong đó các hạt nano phân bố đều bên trong một nền chất mang. Việc tạo ra các tiểu cầu có các tính chất mong muốn, mang lại những lợi ích có tính ứng dụng trong khoa học sự sống, công nghệ sinh học, y học, dược học, môi trường … 4 1.
Phƣơng pháp tổng hợp Vật liệu nano cấu trúc lõi-vỏ có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau, nhưng nhìn chung, hạt nano lõi-vỏ được tổng hợp qua 2 giai đoạn, đầu tiên là tổng hợp lõi, sau đó là tổng hợp lớp vỏ. Một số phƣơng pháp chế tạo hạt nano cấu trúc lỏi-vỏ [19].1 Phƣơng pháp bao bọc từng lớp Phương pháp bao bọc từng lớp (layer-by-layer) là kỹ thuật ngưng tụ sử dụng một khuôn nano được chế tạo bằng các phương pháp khác nhau như đồng kết tủa … Sau đó khuôn nano này được cho vào hỗn hợp có chứa tiền chất của chất cần bao bọc. Phụ thuộc vào bản chất của tiền chất, nhiệt độ và pH mà phương pháp này có thể tạo ra những hình cầu đa chức năng có các đặc tính khác nhau. Ban đầu phương pháp bao bọc từng lớp được ứng dụng để chế tạo các màng mỏng, rồi sau đó được áp dụng để tạo ra các cấu trúc lõi-vỏ, các tiểu cầu đa chức năng hoặc các tiểu cầu rỗng [18].
Nguyên tắc của phương pháp này như sau: các khuôn nano có thể là các hạt nano có một điện tích bề mặt nào đó. Khuôn nano này lần lượt được trộn với các polymer mà khi phân ly có điện tích bề mặt trái dấu với điện tích bề mặt ban đầu và bao bọc khuôn nano làm cho bề mặt của nó bị tích điện trái dấu với điện tích bề mặt ban đầu. Một loại polymer thứ hai được đưa vào hệ, polymer này có đặc điểm là khi phân ly nó tạo ra điện tích bề mặt trái dấu với điện tích của polymer thứ nhất. Do điện tích trái dấu nên polymer thứ hai sẽ bao bọc lên khuôn nano đã được bọc bởi polymer thứ nhất.
Như vậy, khuôn nano được bọc bởi hai lớp polymer. Quá trình như vậy được tiếp tục nhiều lần cho đến khi khuôn nano được bọc bởi nhiều lớp polymer có độ dày và tính chất như mong muốn. Khuôn nano có thể được loại bỏ để tạo ra các hình cầu rỗng hoặc các tiểu cầu được tạo thành từ các lớp polymer như trên [19]. Bao bọc hạt nano bằng phƣơng pháp bao bọc từng lớp [19].2 Phƣơng pháp hóa hơi dung dịch trong chân không Đây là phương pháp đơn giản thường được dùng nhất để chế tạo tiểu cầu polymer có chứa hạt nano từ tính (sắt, oxit sắt).
Polymer thường được dùng nhất là polystyrene [19]. Ví dụ, chế tạo tiểu cầu polystyrene có kích thước khoảng vài trăm nm có các hạt nano từ tính phân tán bên trong: Hạt nano Fe3O4 được chế tạo trước đó được chức năng hóa bề mặt bằng acid oleic kị nước có thể phân tán trong dung môi hữu cơ như hexane hoặc toluen. Hòa tan polystyrene trong một dung môi dễ bay hơi như CH2Cl2 để thu được dung dịch A, rồi cho hạt nano từ tính Fe3O4 kị nước vào và khuấy đều bằng máy khuấy từ. Dung dịch B tạo thành bằng cách trộn chất hoạt động bề mặt sodium dodecyl sulfate trong nước với một tỉ phần chất hoạt động bề mặt nhất định.
Trộn dung dịch A và dung dịch B bằng máy khuấy để tạo ra thể nhũ tương. Hóa hơi dung môi CH2Cl2 bằng máy quay cất chân không trong thời gian 30 phút ở nhiệt độ khoảng 600C. Sau khi dung môi hóa hơi hết, ta thu được các hình cầu polystyrene có chứa các hạt nano bên trong. Tách lọc các tiểu cầu bằng máy li tâm.
