Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu điều kiện tổng hợp vật liệu nano coreshell Fe3O4-SiO2

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano coreshell Fe3O4-SiO2 trong luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học, ứng dụng tiềm năng trong công nghệ và y sinh.

• Tác giả: Hồ Thủy Trúc
• Người hướng dẫn: TS. Lý Cẩm Hùng
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Điều Kiện Tổng Hợp Vật Liệu Nano Cấu Trúc Core-Shell Fe3O4@SiO2
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về hạt nano cấu trúc core - shell
• 1.1.1. Nguồn gốc – Định nghĩa
• 1.1.2. Phương pháp tổng hợp
• 1.1.2.1. Phương pháp bao bọc từng lớp
• 1.1.2.2. Phương pháp hóa hơi dung môi trong chân không
• 1.1.2.3. Phương pháp sol – gel
• 1.1.2.4. Phương pháp micelle
• 1.1.2.5. Phương pháp Stöber
• 1.2. Tổng quan về nano core – shell Fe3O4@SiO2
• 1.2.1. Tổng quan về Fe3O4
• 1.2.2. Tổng quan về SiO2
• 1.2.3. Đặc trưng của hạt nano từ tính
• 1.2.4. Phương pháp điều chế hạt nano từ tính
• 1.3. Ứng dụng và một số nghiên cứu về nano core-shell từ tính
• 1.3.1. Các ứng dụng của hạt nano – shell từ tính
• 1.3.2. Một số nghiên cứu nano core – shell từ tính trong và ngoài nước
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 2.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp tổng hợp vật liệu
• 2.3.1. Hóa chất và thiết bị
• 2.3.2. Tổng hợp vật liệu nano core – shell Fe3O4@SiO2
• 2.3.2.1. Tổng hợp lõi Fe3O4 NPs bằng phương pháp kết tủa kiềm
• 2.3.2.2. Tổng hợp core-shell Fe3O4@SiO2 NPs bằng phương pháp Stober sử dụng xúc tác NH4OH dựa trên quá trình thủy phân và ngưng tụ
• 2.4. Các phương pháp phân tích
• 2.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X-Ray Diffraction (XRD)
• 2.4.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử Transmission Electron Microscopy (TEM)
• 2.4.3. Phương pháp đo Specific Surface Area (BET)
• 2.4.4. Phương pháp từ kế mẫu rung vibrating sample magnetometer (VSM)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Các kết quả về tổng hợp vật liệu nano core-shell Fe3O4@SiO2
• 3.1.1. Cấu trúc vật liệu nano core-shell Fe3O4@SiO2
• 3.1.2. Thử nghiệm khả năng bao phủ Fe3O4 bằng SiO2
• 3.1.3. Màu sắc của vật liệu nano Fe3O4, Fe3O4@SiO2
• 3.1.4. Đánh giá từ tính sơ bộ của vật liệu bằng nam châm
• 3.2. Hình thái và kích thước của vật liệu
• 3.2.1. Kết quả TEM của mẫu Fe3O4 sử dụng tác chất NaOH
• 3.2.2. Kết quả TEM của mẫu Fe3O4@SiO2
• 3.3. Diện tích bề mặt riêng
• 3.4. Đánh giá tính chất từ của vật liệu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu nano coreshell Fe3O4 SiO2

Vật liệu nano coreshell Fe3O4-SiO2 là một trong những loại vật liệu nano có cấu trúc đặc biệt, bao gồm lõi từ tính Fe3O4 được bao bọc bởi lớp vỏ SiO2. Cấu trúc này không chỉ giúp bảo vệ lõi khỏi các tác động bên ngoài mà còn cải thiện tính chất từ tính và khả năng hấp phụ của vật liệu. Việc tổng hợp vật liệu nano coreshell này có thể được thực hiện qua nhiều phương pháp khác nhau, trong đó phương pháp Stober là một trong những phương pháp phổ biến nhất. Phương pháp này cho phép kiểm soát độ dày của lớp vỏ SiO2, từ đó ảnh hưởng đến các tính chất của vật liệu. Theo nghiên cứu, việc điều chỉnh tỉ lệ TEOS:Fe3O4 và thời gian phản ứng có thể tạo ra các hạt nano coreshell với tính chất tối ưu cho ứng dụng trong y sinh học.

1.1 Đặc điểm và tính chất của vật liệu nano coreshell

Vật liệu nano coreshell Fe3O4-SiO2 có nhiều đặc điểm nổi bật. Lõi Fe3O4 mang lại tính từ tính mạnh mẽ, trong khi lớp vỏ SiO2 giúp tăng cường tính ổn định hóa học và khả năng tương thích sinh học. Các nghiên cứu cho thấy rằng lớp vỏ SiO2 không chỉ bảo vệ lõi mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho việc gắn kết các hoạt chất thuốc lên bề mặt, từ đó nâng cao hiệu quả điều trị. Tính năng này rất quan trọng trong việc phát triển các hệ thống dẫn truyền thuốc, đặc biệt là trong điều trị ung thư, nơi mà việc nhắm mục tiêu chính xác đến tế bào bệnh là rất cần thiết.

II. Phương pháp tổng hợp vật liệu nano coreshell

Phương pháp tổng hợp vật liệu nano coreshell Fe3O4-SiO2 thường được thực hiện qua hai giai đoạn chính: tổng hợp lõi và tổng hợp lớp vỏ. Trong giai đoạn tổng hợp lõi, Fe3O4 được tạo ra thông qua phương pháp kết tủa kiềm, sử dụng NaOH để điều chỉnh pH và tạo ra các hạt nano từ tính. Sau đó, lớp vỏ SiO2 được tổng hợp bằng phương pháp Stober, trong đó TEOS được sử dụng làm tiền chất. Việc điều chỉnh tỉ lệ TEOS:Fe3O4 và thời gian phản ứng là rất quan trọng để đạt được các hạt nano coreshell với tính chất mong muốn. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng tỉ lệ TEOS:Fe3O4 khoảng 0,6:1 đến 0,8:1 kết hợp với thời gian phản ứng từ 8 đến 10 giờ sẽ tạo ra các hạt nano coreshell ổn định và có khả năng hấp phụ tốt.

2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng tỉ lệ TEOS:Fe3O4 và thời gian phản ứng có ảnh hưởng lớn đến kích thước và tính chất của hạt nano coreshell. Việc tăng tỉ lệ TEOS sẽ dẫn đến sự gia tăng độ dày của lớp vỏ SiO2, từ đó cải thiện khả năng bảo vệ lõi Fe3O4. Đồng thời, thời gian phản ứng cũng cần được tối ưu hóa để đảm bảo rằng lớp vỏ được hình thành đồng đều và không làm giảm tính từ tính của lõi. Các thí nghiệm cho thấy rằng việc tối ưu hóa các điều kiện này có thể tạo ra các hạt nano coreshell với tính chất từ tính và khả năng hấp phụ tốt nhất cho ứng dụng trong y sinh học.

III. Ứng dụng của vật liệu nano coreshell Fe3O4 SiO2

Vật liệu nano coreshell Fe3O4-SiO2 có nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực y sinh học. Nhờ vào tính từ tính của lõi Fe3O4, các hạt nano này có thể được sử dụng để dẫn truyền thuốc đến các tế bào mục tiêu, đặc biệt là trong điều trị ung thư. Việc sử dụng lớp vỏ SiO2 không chỉ giúp bảo vệ hoạt chất thuốc mà còn tăng cường khả năng tương thích sinh học, giảm thiểu tác dụng phụ không mong muốn. Nghiên cứu cho thấy rằng các hạt nano này có thể được sử dụng để cải thiện hiệu quả điều trị và giảm thời gian điều trị cho bệnh nhân. Điều này mở ra nhiều cơ hội mới trong việc phát triển các liệu pháp điều trị hiệu quả hơn.

3.1 Tính năng và lợi ích trong y sinh học

Vật liệu nano coreshell Fe3O4-SiO2 không chỉ có khả năng dẫn truyền thuốc mà còn có thể được sử dụng trong các ứng dụng khác như hình ảnh y học và phân tách tế bào. Tính năng từ tính của lõi Fe3O4 cho phép các hạt này được điều khiển bằng từ trường, giúp tăng cường độ chính xác trong việc nhắm mục tiêu đến các tế bào bệnh. Hơn nữa, lớp vỏ SiO2 giúp cải thiện độ ổn định của vật liệu trong môi trường sinh học, từ đó nâng cao hiệu quả điều trị. Các nghiên cứu hiện tại đang tiếp tục khám phá thêm nhiều ứng dụng tiềm năng khác của vật liệu này trong lĩnh vực y sinh học.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Kể từ khi công nghệ nano bước vào giai đoạn tăng trưởng mạnh mẽ từ cuối thập niên 80, việc kiểm soát cấu trúc vật chất ở quy mô dưới 100 nm đã mở ra những bước tiến đột phá cho y sinh học hiện đại. Trong điều trị ung thư, các phác đồ hóa trị truyền thống thường gặp hạn chế nghiêm trọng do độc tính không đặc hiệu, khiến hơn 70% lượng thuốc phân tán sang các mô lành và gây ra nhiều tác dụng phụ nguy hiểm. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học với đề tài "Nghiên cứu điều kiện tổng hợp vật liệu nano cấu trúc core-shell Fe3O4@SiO2" do học viên Hồ Thủy Trúc thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh đã giải quyết trọn vẹn bài toán công nghệ này.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là thiết lập quy trình tổng hợp hệ hạt nano cấu trúc lõi - vỏ với phần lõi từ tính Fe3O4 có kích thước từ 10 đến 20 nm và lớp vỏ bọc silica vô định hình SiO2 có độ dày điều khiển chính xác trong khoảng 40 đến 100 nm. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm từ tháng 7 năm 2014 đến tháng 12 năm 2016 tại TP. Hồ Chí Minh. Điểm mới nổi bật của công trình là loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng các chất hoạt động bề mặt (surfactant), giúp tiết kiệm khoảng 30% chi phí hóa chất và triệt tiêu nguy cơ tồn dư tạp chất gây hại cho cơ thể sống. Hệ vật liệu nano tạo thành đạt trạng thái siêu thuận từ ở nhiệt độ phòng, tạo nền tảng vững chắc cho hệ dẫn truyền thuốc hướng đích dưới tác dụng của gradient từ trường ngoài từ 8 đến 100 T/m, nâng cao hiệu quả bao gói hoạt chất và bảo vệ toàn vẹn các tế bào khỏe mạnh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng ba hệ thống lý thuyết cốt lõi trong kỹ thuật hóa học và vật lý vật liệu nano. Thứ nhất là lý thuyết cấu trúc mạng tinh thể Spinel đảo của ôxít sắt từ Fe3O4 thuộc nhóm không gian Fd3m với hằng số mạng a = b = c = 0,839 nm. Mỗi ô mạng cơ sở bao gồm 8 ion Fe2+, 16 ion Fe3+ và 32 ion O2-, quy định đặc tính trật tự từ tính mạnh mẽ. Khi đường kính hạt hạ xuống dưới ngưỡng 20 nm, chuyển động nhiệt thắng thế năng lượng dị hướng từ, đưa vật liệu về trạng thái siêu thuận từ với độ từ dư Mr = 0 và lực kháng từ Hc = 0.

Thứ hai là lý thuyết sol-gel theo cơ chế Stöber cải tiến, mô tả phản ứng thủy phân của tiền chất Tetraethyl orthosilicate Si(OC2H5)4 trong môi trường nước và cồn có xúc tác kiềm tạo thành Silicon tetra hydroxide Si(OH)4. Tiếp theo là phản ứng ngưng tụ thế ái nhân hình thành khung liên kết siloxane Si-O-Si vô cơ bền vững bao bọc bên ngoài hạt mầm. Thứ ba là lý thuyết dẫn truyền thuốc nhả chọn lọc tại vị trí đích, kết hợp độ tương thích sinh học cao của vỏ silica và khả năng phân tách định hướng theo từ trường ngoài, khai thác sự sai khác pH giữa khối u (pH từ 5,0 đến 6,5) và dòng máu tuần hoàn (pH 7,4).

Phương pháp nghiên cứu

Thực nghiệm được thiết kế trên 9 lô mẫu độc lập với lượng mầm chuẩn 0,04 g Fe3O4 cho mỗi mẻ phản ứng. Phương pháp chọn mẫu thực nghiệm áp dụng quy tắc biến thiên đơn biến có hệ thống nhằm khảo sát độc lập hai tham số then chốt: tỉ lệ thể tích trên khối lượng giữa TEOS và Fe3O4 thay đổi từ 0,4:1 đến 1,2:1 ml/g (gồm các mẫu F0.4@S1, F0.6@S1, F0.8@S1, F1@S1, F1.2@S1) và thời gian phản ứng ngưng tụ kéo dài từ 5 đến 15 giờ (các mẫu F@S5, F@S8, F@S10, F@S15) trong thể tích 80 ml ethanol cùng 2 ml xúc tác NH4OH 2M.

Lý do lựa chọn các phương pháp phân tích cấu trúc dựa trên tính chuẩn hóa và độ chính xác cao:

• Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) trên máy D8 Advance – Bruker AXS, sử dụng bức xạ Cu Kalpha với góc quét 2theta từ 20 độ đến 80 độ (bước quét 0,03 độ/bước) nhằm xác định pha tinh thể và tính toán kích thước hạt theo phương trình Scherrer.
• Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) trên hệ máy JEM 1400 để trực tiếp quan sát hình thái học hạt, kiểm tra biên độ đồng đều và đo đạc độ dày lớp vỏ silica ở độ phân giải 50 đến 100 nm.
• Phép đo diện tích bề mặt riêng (BET) bằng phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt khí N2 ở -196 độ C trên thiết bị Quantachrome Nova 11.0.
• Từ kế mẫu rung (VSM) trên hệ MicroSense Easy VSM 9.13L nhằm ghi nhận đường cong từ trễ M-H, đo độ từ hóa bão hòa Ms và kiểm tra tính siêu thuận từ ở nhiệt độ phòng 25 độ C.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Công trình thực nghiệm đã làm sáng tỏ bốn phát hiện khoa học mang tính quyết định:

Thứ nhất, việc sử dụng tác chất kiềm mạnh NaOH 2M thay thế cho NH4OH trong phản ứng đồng kết tủa muối sắt FeCl2 1M và FeCl3 1M ở nhiệt độ 80 độ C trong 45 phút cho phép tạo ra lõi Fe3O4 tinh khiết đơn pha. Giản đồ XRD xuất hiện đỉnh nhiễu xạ sắc nét tại góc 2theta = 35,4 độ hoàn toàn trùng khớp phổ chuẩn JCPDS 19-0629, loại bỏ hoàn toàn tạp pha Fe2O3 vốn xuất hiện ở góc 2theta = 33,0 độ khi dùng xúc tác NH4OH. Kích thước lõi đạt mức đồng nhất từ 10 đến 20 nm.

Thứ hai, lớp vỏ silica hình thành ở trạng thái vô định hình, không làm biến đổi cấu trúc mạng tinh thể của lõi sắt từ bên trong. Độ dày lớp vỏ SiO2 được kiểm soát linh hoạt từ 40 nm đến 100 nm thông qua việc điều chỉnh tỉ lệ tiền chất TEOS và thời gian phản ứng.

Thứ ba, thử nghiệm khả năng kháng acid trong dung dịch HCl ở mức pH = 3 trong 10 phút chứng minh rằng các mẫu có tỉ lệ TEOS:Fe3O4 từ 0,6:1 đến 0,8:1 ml/g đạt độ bao phủ kín khít 100%, bảo vệ lõi Fe3O4 không bị hòa tan và không làm biến đổi màu sắc dung dịch.

Thứ tư, phép đo từ tính VSM khẳng định toàn bộ hạt nano cấu trúc lõi - vỏ đều đạt trạng thái siêu thuận từ hoàn hảo ở nhiệt độ phòng. Đường cong từ hóa là đường thuận nghịch đi qua gốc tọa độ với lực kháng từ Hc = 0 Oe và độ từ dư Mr = 0 emu/g, giúp hạt phản hồi tức thì với nam châm và tái phân tán hoàn toàn khi ngắt từ trường.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo vỏ bắt nguồn từ sự phân tách giữa giai đoạn sinh mầm và phát triển mạng liên kết siloxane. Trong môi trường cồn ethanol nồng độ cao (80 ml) có xúc tác NH4OH kiềm hóa nhẹ, các phân tử Si(OH)4 tạo ra từ phản ứng thủy phân TEOS ưu tiên hấp phụ và ngưng tụ thẳng lên các tâm hoạt tính trên bề mặt hạt Fe3O4 thay vì tự kết tụ tạo hạt silica rời rạc.

Các dữ liệu thực nghiệm có thể được trình bày rõ nét thông qua bảng đối sánh độ bền acid theo tỉ lệ TEOS và đồ thị biểu diễn đường cong từ trễ VSM. Khi tăng thời gian phản ứng từ 5 giờ lên 15 giờ hoặc tăng tỉ lệ TEOS:Fe3O4 từ 0,4:1 lên 1,2:1 ml/g, diện tích bề mặt riêng BET và độ dày lớp vỏ silica tăng lên tương ứng. Tuy nhiên, việc tăng bề dày lớp vỏ vô từ SiO2 sẽ làm suy giảm nhẹ độ từ hóa bão hòa tính trên một đơn vị khối lượng tổng thể của hạt. So sánh với các nghiên cứu tiền nhiệm vốn cần dùng acid oleic hoặc chất diện hoạt phức tạp, phương pháp Stöber cải tiến trong luận văn này đã đơn giản hóa tối đa quy trình, vừa giữ nguyên từ tính cần thiết cho việc dẫn truyền bằng gradient từ trường 0,2 T, vừa cung cấp diện tích bề mặt silica xốp lý tưởng để gắn kết dược chất điều trị.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và đưa kết quả nghiên cứu vào ứng dụng thực tiễn trong ngành hóa dược và y sinh học, bốn giải pháp cụ thể được đề xuất:

1. Chuẩn hóa và mở rộng quy trình tổng hợp lên quy mô pilot 50 đến 100 gram/mẻ: Các phòng thí nghiệm chuyên ngành kỹ thuật hóa học cần tối ưu hóa tốc độ khuấy cơ học và kiểm soát tốc độ nhỏ giọt TEOS trong 6 tháng tới, nhằm duy trì độ đồng đều kích thước hạt đạt độ lệch chuẩn dưới 5%.
2. Chức năng hóa bề mặt lớp vỏ silica bằng các nhóm chức hữu cơ: Đội ngũ nghiên cứu vật liệu cần phối hợp với các nhà hóa dược triển khai gắn các nhóm chức amin (-NH2), carboxyl (-COOH) hoặc chuỗi polymer Polyethylene glycol (PEG) lên bề mặt SiO2 trong thời gian 3 đến 6 tháng, nâng hiệu suất mang nạp các loại thuốc chống ung thư như Doxorubicin lên trên 85%.
3. Thực hiện thử nghiệm đánh giá động học giải phóng thuốc in vitro và in vivo: Các viện nghiên cứu dược học cần thiết lập hệ thống thử nghiệm khả năng nhả thuốc trong môi trường đệm mô phỏng dịch cơ thể ở các ngưỡng pH 5,0 và pH 7,4 trong lộ trình 12 tháng, bảo đảm tỷ lệ giải phóng thuốc tại khối u đạt trên 80% sau 24 giờ.
4. Phát triển ứng dụng tích hợp liệu pháp nhiệt từ trị và chẩn đoán hình ảnh: Doanh nghiệp thiết bị y tế và các nhóm nghiên cứu liên ngành cần thử nghiệm khả năng phát nhiệt của hạt nano Fe3O4@SiO2 dưới tác động của từ trường xoay chiều tần số cao trong 9 tháng, hướng tới mục tiêu gia nhiệt mô bệnh lên 42 độ C trong 30 phút để tiêu diệt chọn lọc tế bào ung thư.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình luận văn thạc sĩ này mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho bốn nhóm đối tượng chính:

1. Học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Khoa học Vật liệu: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết chi tiết về phản ứng sol-gel, cơ chế hình thành cấu trúc Spinel đảo và phương pháp luận thiết lập thông số tổng hợp vật liệu nano không chất hoạt động bề mặt.
2. Các nhà nghiên cứu và chuyên viên R&D tại các công ty dược phẩm, viện công nghệ y sinh: Nguồn dữ liệu thực chứng giúp thiết kế các hệ thống hạt mang dẫn truyền thuốc hướng đích, cải thiện độ hòa tan sinh học và tối ưu hóa quy trình bao gói hoạt chất điều trị u bướu.
3. Kỹ sư môi trường và các đơn vị xử lý nước thải công nghiệp: Luận văn cung cấp phương pháp chế tạo vật liệu hấp phụ từ tính có diện tích bề mặt lớn, ứng dụng để tách chiết kim loại nặng như Asen, Chì hoặc phẩm nhuộm với hiệu suất thu hồi tái sinh trên 90% bằng nam châm.
4. Kỹ thuật viên phân tích tại các phòng thí nghiệm vật liệu tiên tiến: Hướng dẫn chi tiết quy trình chuẩn bị mẫu, xử lý dữ liệu và phân tích kết quả trên các thiết bị hiện đại như XRD, TEM, BET và VSM.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao cần bọc lớp vỏ silica vô định hình bên ngoài lõi sắt từ Fe3O4? Lớp vỏ SiO2 đóng vai trò như một lá chắn bảo vệ lõi Fe3O4 khỏi bị oxy hóa và chống ăn mòn trong dịch sinh học có tính acid nhẹ (pH = 3). Đồng thời, silica có tính tương thích sinh học cao, cung cấp các liên kết silanol trên bề mặt giúp gắn kết thuốc dễ dàng mà không làm suy giảm bản chất siêu thuận từ của lõi.

Phương pháp Stöber cải tiến trong luận văn có điểm gì vượt trội so với phương pháp vi nhũ tương? Phương pháp Stöber cải tiến loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng chất hoạt động bề mặt (surfactant), giúp quy trình tổng hợp trở nên đơn giản, thân thiện với môi trường, giảm 30% chi phí hóa chất và ngăn chặn nguy cơ tồn dư phụ gia độc hại trong các ứng dụng tiêm truyền tĩnh mạch.

Tỉ lệ TEOS:Fe3O4 và thời gian phản ứng tối ưu nhất được xác định là bao nhiêu? Kết quả thực nghiệm chỉ ra tỉ lệ TEOS:Fe3O4 tối ưu nằm trong khoảng 0,6:1 đến 0,8:1 ml/g kết hợp với thời gian ngưng tụ từ 8 đến 10 giờ. Điều kiện này đảm bảo độ dày vỏ silica từ 40 đến 100 nm, bao bọc kín 100% hạt mầm và giữ độ bền vững cao trong môi trường acid.

Làm thế nào để kiểm tra khả năng bao phủ hoàn toàn của lớp vỏ silica lên lõi từ tính? Nghiên cứu tiến hành ngâm mẫu hạt nano vào dung dịch HCl ở mức pH = 3 trong 10 phút. Nếu lớp vỏ bọc kín hoàn toàn, dung dịch sẽ không đổi màu và lõi Fe3O4 không bị acid hòa tan. Ngược lại, nếu vỏ bị hở, ion sắt sẽ tan ra tạo phức màu vàng nhạt trong dung dịch.

Hạt nano Fe3O4@SiO2 có gây tắc nghẽn mạch máu khi đưa vào hệ tuần hoàn không? Kích thước tổng thể của hạt nano lõi - vỏ chỉ dao động trong khoảng 50 đến 120 nm, nhỏ hơn rất nhiều so với đường kính mao mạch máu người (khoảng 5 đến 10 micromet). Do đó, hạt dễ dàng lưu thông qua hệ tuần hoàn mà không gây hiện tượng tắc nghẽn mạch hay hình thành huyết khối.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu khoa học đặt ra và đóng góp giải pháp công nghệ giá trị cho lĩnh vực vật liệu nano y sinh:

• Tổng hợp thành công hệ vật liệu nano cấu trúc lõi - vỏ Fe3O4@SiO2 với kích thước lõi 10 đến 20 nm và độ dày vỏ silica điều khiển chính xác từ 40 đến 100 nm.
• Xác lập quy trình chế tạo không sử dụng chất hoạt động bề mặt, tận dụng tác chất kiềm NaOH 2M để tạo pha magnetite tinh khiết đạt đỉnh XRD chuẩn ở 2theta = 35,4 độ.
• Xác định bộ thông số công nghệ tối ưu với tỉ lệ TEOS:Fe3O4 từ 0,6:1 đến 0,8:1 ml/g và thời gian phản ứng từ 8 đến 10 giờ.
• Chứng minh vật liệu đạt tính chất siêu thuận từ hoàn hảo ở nhiệt độ 25 độ C với lực kháng từ triệt tiêu hoàn toàn (Hc = 0 Oe) và độ bền vượt trội trong dung dịch acid pH = 3.
• Mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong công nghệ dẫn thuốc hướng đích dưới tác dụng của gradient từ trường ngoài từ 8 đến 100 T/m và hỗ trợ liệu pháp tăng thân nhiệt cục bộ ở 42 độ C.

Trong giai đoạn 6 đến 12 tháng tiếp theo, các nhóm nghiên cứu nên tiếp tục chuẩn hóa quy trình gắn kết hoạt chất chống ung thư lên vỏ silica và tiến hành thử nghiệm tiền lâm sàng in vivo. Quý độc giả, nghiên cứu sinh và các chuyên gia quan tâm có thể khai thác toàn văn luận văn này để phát triển các đề tài chuyên sâu về vật liệu nano đa chức năng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.