CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Hạt nano silica cấu trúc xốp 1. Giới thiệu Silica (SiO2) là một trong những thành phần chính của vỏ trái đất. Silica không tồn tại ở dạng đơn lẻ mà thường liên kết để tạo thành một phân tử lớn.
Cấu trúc của silica có thể là cấu trúc tinh thể hoặc cấu trúc vô định hình (hình 1. Các tinh thể silica như thạch anh, cristobalite, tridimit và đá mã não có thể được tìm thấy trong tự nhiên [2]. Silica được tổng hợp nhân tạo có cấu trúc vô định hình và tồn tại ở dạng bột hoặc dạng keo.1: Cấu trúc tinh thể (a), cấu trúc vô định hình (b) của hạt silica [3] Silica có cấu trúc tứ diện [SiO4]4-, trong đó bốn nguyên tử oxy nằm ở các góc của một hình tứ diện đều với một ion silic ở tâm [1]. Trong cấu trúc của silica đều chứa liên kết Si–O, là một liên kết bền và rất mạnh điều này tạo nên sự ổn định về cấu trúc của silica.
Trên bề mặt hạt nano silica có nhiều nhóm chức silanol (Si–OH) nên dễ dàng tạo liên kết hydro với các nhóm chức khác. Trong quá trình tổng hợp, thông qua quá trình ngưng tụ và quá trình polymer hóa Si(OH)4 dẫn đến sự hình thành nhóm silanol. Ngoài ra, hạt nano silica còn có nhóm siloxane (Si–O–Si) được tạo thành qua quá trình ngưng tụ trên bề mặt hay bên trong của nhóm silanol [3]. Hạt nano silica là một vật liệu vô cơ có kích thước nhỏ từ 10 nm–1 µm.
Hạt nano silica thường có dạng rắn, dạng rỗng bên trong và dạng xốp (cấu trúc lỗ xốp hay cấu trúc mao 1 quản). Vật liệu xốp được định nghĩa là một loại vật liệu rắn có chứa nhiều lỗ xốp hoặc khe nhỏ với kích thước đủ lớn cho phép các phân tử nhỏ xâm nhập vào sâu bên trong cấu trúc lỗ. Dựa vào độ kết tinh, vật liệu xốp được chia thành 2 loại: vật liệu xốp kết tinh và vật liệu xốp vô định hình. Ngoài ra, vật liệu còn được phân loại theo đường kính lỗ xốp gồm: vật liệu xốp kích thước micro (<2 nm), meso (2–50 nm) và macro (>50 nm) [4].
Hạt nano silica có cấu trúc xốp (Mesoporous silica nanoparticles – MSN) là một loại vật liệu nano gồm các lỗ xốp nhỏ có kích thước từ 2 đến 50 nm và có thể điều chỉnh kích thước lỗ rỗng trong quá trình tổng hợp [5]. Vật liệu silica xốp có trật tự (Ordered Mesoporous Silica – OMS) là một dạng đặc biệt của MNS, có cấu trúc xốp được sắp xếp một cách có trật tự. Vì vậy, OMS có đầy đủ các tính chất của MNS. Tính chất Hầu hết các hạt silica cấu trúc xốp có cấu trúc vô định hình.
Vật liệu nano silica cấu trúc xốp có các đặc tính độc đáo như diện tích bề mặt riêng lớn [2], thể tích lỗ rỗng lớn [6] , có thể dễ dàng điều chỉnh hình thái và kích thước lỗ rỗng [7], độc tính thấp [8], khả năng tương thích sinh học cao, dễ dàng chức năng hóa bề mặt và tính ổn định hóa học tốt [3– 4]. Do đó, các vật liệu silica xốp có trật tự là một vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng cảm biến, xúc tác [4], y sinh học [2]… Hạt nano silica được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau do bản chất ưa nước, phương pháp tổng hợp đơn giản, chi phí chế tạo thấp [11]. Các hạt nano silica trung tính (MSN) được sử dụng để đóng gói phân tử hoặc sử dụng làm chất mang thuốc trị liệu do hạt nano silica có các lỗ rỗng bên trong [6–7]. Trong những năm gần đây, MSN được coi là một chất mang thuốc do tính tương thích sinh học tốt, khả năng chịu tải cao, khả năng gắn các phối tử mục tiêu hoặc độ xốp được xác định rõ và có thể điều chỉnh.
Mặt khác, trên bề mặt chứa các nhóm silanol có thể dễ dàng bằng được chức năng hóa với các nhóm chức hữu cơ khác nhau như nhóm amin, vinyl, epoxy, cho phép quá trình dẫn truyền thuốc được kiểm soát tốt hơn [13]. Nhờ cấu trúc xốp bên trong cấu trúc, MNS có diện tích bề mặt riêng lớn, điều này cho phép vật liệu có khả năng hấp phụ, trao đổi và xúc tác tốt. Hạt nano silica có các lỗ rỗng 2 nên vật liệu này được sử dụng như một chất mang. Hạt nano silica có thể hấp phụ và vận chuyển các phân tử sinh học như: thuốc, DNA, protein, enzyme, siRNA [14].
Trong những năm gần đây, công nghệ nano trong dẫn truyền thuốc là một lĩnh vực khoa học đang phát triển và là một vấn đề thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Hạt nano silica cấu trúc xốp đa chức năng có tính chất từ tính hoặc tính chất phát quang làm tăng khả năng vận chuyển thuốc, kiểm soát tốc độ và thời gian giải phóng thuốc, có thể theo dõi và định vị đường đi của thuốc trong cơ thể. Silica cấu trúc xốp dưới dạng cấu trúc lõi-vỏ đã được chức năng hóa thành công bằng cách sử dụng vật liệu quang phát (như thuốc nhuộm hữu cơ, các chấm lượng tử và nanophosphors của nguyên tố hiếm). Vật liệu silica cấu trúc xốp được đính các hạt nano từ tính [15] hoặc phát quang như các chấm lượng tử đang ngày càng phát triển [16].
Phương pháp tổng hợp hạt nano silica Hạt nano silica được tổng hợp bằng một số phương pháp phổ biến như: phương pháp Stober [17], phương pháp sol – gel [2], phương pháp vi nhũ tương [18]. Ngoài ra, hạt nano silica còn được tổng hợp bằng phương pháp kết tủa sử dụng nhiệt để phân hủy nguồn silica có trong bã mía, tro trấu, rơm rạ [18]. Có nhiều phương pháp để tổng hợp hạt nano silica, tùy thuộc vào mục đích sử dụng và đặc tính mong muốn của hạt nano silica mà chọn phương pháp phù hợp. Nhìn chung, các phương pháp tổng hợp được nêu trên đều dựa vào tiền chất có gốc silic như là Tetraethyl orthosilicate Si(OC2H5)4 hoặc natri silicat Na2SiO3.
Phương pháp Stober Phương pháp Stober được biết đến đầu tiên bởi nhà khoa học Werner Stober và Arthur Fink vào năm 1968. Phương pháp này có thể tổng hợp được hạt nano silica đơn phân tán hình cầu có kích thước 50 nm đến 2 µm thông qua phản ứng thủy phân và phản ứng ngưng tụ của các alkoxyde kim loại, alcohol, chất xúc tác ammonia [17]. Có thể điều chỉnh kích thước hạt bằng cách thay đổi tỷ lệ của các chất tham gia phản ứng [19]. Quá trình tạo thành hạt silica theo phương pháp Stober được giải thích bằng ba mô hình chính.
Mô hình thứ nhất: mô hình phát triển các monomer, liên quan đến sự tạo mầm và phát triển mầm từ các monomer dẫn đến sự hình thành cấu trúc bên trong của các hạt. 3 Mô hình thứ hai, mô hình này liên quan đến cơ chế kiểm soát sự ngưng tụ của các hạt phụ (các hạt ban đầu này có kích thước vài nano). Cuối cùng, mô hình thứ ba (III) gồm một lõi trung tâm được tạo thành từ các hạt sơ cấp (mô hình II) và lớp vỏ được tạo thành từ các hạt thứ cấp có kích thước nhỏ hơn 100 nm. Cơ chế tạo thành hạt của hai mô hình này được thể hiện trong hình 1.2: Sơ đồ tạo hạt mô tả bởi phản ứng thủy phân TEOS trong môi trường nước – ammonia – alcohol [17] Ưu điểm của phương pháp Stober là quy trình tổng hợp tương đối đơn giản, không sử dụng chất hoạt động bề mặt hay dung môi độc hại, dễ dàng điều chỉnh kích thước hạt bằng cách thay đổi tỷ lệ tác chất ban đầu.
Bên cạnh đó vẫn còn hạn chế là kích thước hạt không đồng đều, khó tạo ra hạt nano silica có kích thước dưới 100 nm. Phương pháp sol-gel Sol-gel là một phương pháp hóa học (phương pháp hóa học ướt) để tổng hợp các vật liệu cấu trúc nano khác nhau, đặc biệt là các hạt nano oxit kim loại. Trong phương pháp này, tiền chất phân tử (thường là alkoxide kim loại) được hòa tan trong nước hoặc rượu và chuyển thành gel bằng cách đun nóng và khuấy thủy phân trong rượu. Vì gel thu được từ quá trình thủy phân trong rượu bị ướt hoặc ẩm, nên nó phải được làm khô bằng các phương pháp thích hợp tùy thuộc vào đặc tính mong muốn và ứng dụng của gel.
Phương pháp sol-gel là một kỹ thuật phổ biến để tổng hợp vật liệu silica, thủy tinh, gốm sứ do sản phẩm tạo thành có độ đồng nhất, độ tinh khiết cao ở nhiệt độ thấp và chi phí tổng hợp thấp. Phương pháp sol-gel cho phép kiểm soát tốt kích thước, hình dạng và tính chất bề mặt của vật liệu SiO2 bằng cách điều chỉnh các thông số phản ứng như pH, tỷ lệ tác chất, nhiệt độ,… [2] 4 Quá trình bắt đầu bằng việc hòa tan các tiền chất silicon alkoxide, như tetraethyl orthosilicate (TEOS), tetramethyl orthosilicate (TMOS) hoặc các muối vô cơ như Na2SiO3, trong môi trường acid HCl hoặc base sử dụng NH3 là chất xúc tác. Quá trình tổng hợp hạt nano silica bằng phương pháp sol–gel được mô tả bằng những phản ứng sau: Phản ứng thủy phân: Si–(OC2H5)4 + H2O ↔ Si(OH)4 + C2H5OH Phản ứng ngưng tụ nước: Si–O–H + H–O–Si Si–O–Si + H2O Phản ứng ngưng tụ rượu: Si–OC2H5 + H–O–Si Si–O–Si + C2H5OH Quá trình thủy phân các phân tử TEOS tạo thành các nhóm silanol (Si(OH)4). Quá trình ngưng tụ/polyme hóa giữa các nhóm silanol hoặc giữa nhóm silanol và nhóm ethoxy tạo ra các cầu nối siloxane (Si–O–Si) tạo thành cấu trúc hạt silica.
Sự hình thành các hạt silica có thể được chia thành hai giai đoạn: tạo mầm và tăng trưởng. Phản ứng ngưng tụ xảy ra ngay sau khi phản ứng thủy phân kết thúc. Điều này phụ thuộc vào các điều kiện như giá trị pH, tỷ lệ tác chất và chất xúc tác. Phản ứng ngưng tụ xảy ra sẽ tạo thành các hạt silica, quá trình này phụ thuộc vào giá trị pH cụ thể là môi trường acid hay base.
Trong môi trường acid hạt silica hình thành có cấu trúc xốp (kích thước lỗ dưới 2 nm) và trong môi trường base sẽ hình thành các hạt silica cấu trúc xốp (kích thước lỗ trong khoảng 2–50 nm). Phương pháp vi nhũ tương Trong bài nghiên cứu này, hạt nano silica rỗng được tổng hợp dựa trên phương pháp vi nhũ tương ngược (phương pháp micelle). Trong micelle bao gồm 3 thành phần: chất hoạt động bề mặt, dung môi và nước. Chất hoạt động bề mặt (surfactant) là một loại chất có khả năng tương tác cả với dung môi phân cực và không phân cực, làm giảm sức căng bề mặt và thay đổi tính chất bề mặt của chất lỏng.
Chất hoạt động bề mặt thường được chia thành hai đầu: đầu ưa nước và đầu kỵ nước [20]. Tùy thuộc tỷ lệ nước và dung môi mà hình thành hệ micelle thuận hay đảo.