Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu chế tạo chất lỏng từ trên nền oxit sắt siêu thuận từ định hướng ứng dụng chụp ảnh cộng hưởng từ MRI

Chia sẻ: Lê Thị Hồng Nhung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:170

Thêm vào BST

Báo xấu

80
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án nhằm xây dựng được qui trình chế tạo chất lỏng từ tính kích thước nano trên nền oxit sắt siêu thuận từ (kích thước hạt đồng đều và từ độ bão hòa cao) với công nghệ ổn định; nghiên cứu đặc trưng các tính chất từ của các hạt nano từ; đánh giá độc tính và thử nghiệm tác động lên tế bào, hướng tới mục đích làm thuốc tăng tương phản trong chẩn đoán hình ảnh bằng kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ MRI, ứng dụng trong xác định chính xác mô bệnh ung thư. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu chế tạo chất lỏng từ trên nền oxit sắt siêu thuận từ định hướng ứng dụng chụp ảnh cộng hưởng từ MRI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ________________________________________________ LÊ THẾ TÂM NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CHẤT LỎNG TỪ TRÊN NỀN OXIT SẮT SIÊU THUẬN TỪ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CHỤP ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ MRI Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 9.44.01.13 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội - 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ________________________________________________ LÊ THẾ TÂM NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CHẤT LỎNG TỪ TRÊN NỀN OXIT SẮT SIÊU THUẬN TỪ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CHỤP ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ MRI Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 9.44.01.13 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS. TRẦN ĐẠI LÂM PGS. TS. NGUYỄN HOA DU Hà Nội - 2019
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn của GS.TS. Trần Đại Lâm và PGS.TS. Nguyễn Hoa Du. Các số liệu, kết quả sử dụng trong luận án được trích dẫn từ các bài báo đã được sự đồng ý của các đồng tác giả. Các số liệu, kết quả này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Lê Thế Tâm
LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất của mình tới GS.TS. Trần Đại Lâm và PGS.TS. Nguyễn Hoa Du - những người Thầy hướng dẫn và thầy giáo TS. Lê Trọng Lư vì đã đã dành cho tôi sự động viên, giúp đỡ tận tình và những định hướng khoa học hiệu quả trong suốt quá trình thực hiện luận án. Bản luận án này sẽ không thể hoàn thành nếu không có sự giúp đỡ của các đồng nghiệp. Tôi xin được cảm ơn sự cộng tác và giúp đỡ đầy hiệu quả của TS. Phạm Hồng Nam, TS. Vương Thị Kim Oanh, NCS. Nguyễn Thị Ngọc Linh, CN. Lê Thị Thanh Tâm và các cán bộ Phòng Vật liệu nano y sinh, Phòng Vật lý vật liệu từ và siêu dẫn - Viện Khoa học vật liệu (VKHVL), Phòng Kỹ thuật điện, Điện tử - Viện Kỹ thuật nhiệt đới (VKTNĐ) - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VHLKHCNVN), vì sự giúp đỡ thực hiện các phép đo và sự quan tâm động viên hết sức quý báu với tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin được gửi lời cảm ơn tới cán bộ bộ môn Mô phôi và Tế bào thuộc Khoa Sinh học Trường đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHKHTN) - Đại học Quốc gia Hà Nội (ĐHQGHN), và Phòng Sinh học thực nghiệm - Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên (VHHHCTN), VHLKHCNVN vì những hợp tác nghiên cứu trong các ứng dụng y sinh. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn trân trọng nhất tới BS. ThS Nguyễn Thị Hường, BS. Nguyễn Văn Đông và các cán bộ Khoa chẩn đoán hình ảnh - Bệnh viện Quốc tế Vinh vì sự giúp đỡ thực hiện các phép đo và những bàn luận khoa học quý báu. Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi của cơ sở đào tạo là Học viện Khoa học và Công nghệ cùng VKHVL, VKTNĐ - VHLKHCNVN, và Viện Công nghệ Hóa sinh - Môi trường, trường Đại học Vinh cơ quan mà tôi công tác, trong quá trình thực hiện luận án. Luận án được thực hiện với sự hỗ trợ kinh phí từ đề tài nghiên cứu cấp nhà nước, Chương trình nghiên cứu khoa học công nghệ trọng điểm quốc gia phát triển công nghiệp Hóa dược đến năm 2020 của GS. Trần Đại Lâm, Viện Khoa học vật liệu (VKHVL) - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, và đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo với mã số B2019-TDV-03 (Lê Thế Tâm). Luận án được thực hiện tại Phòng Vật liệu nano y sinh và Phòng Vật lý vật liệu từ và siêu dẫn (VKHVL, VHLKH NVN); Phòng Kỹ thuật Điện - Điện tử (Viện Kỹ thuật nhiệt đới, VHLKH NVN) và Viện Công nghệ Hóa sinh - Môi trường, trường Đại học Vinh. Tôi cũng xin được cảm ơn tới Ban lãnh đạo Viện CNHS-Môi trường, trường Đại học Vinh, bộ phận quản lý đào tạo Viện Hóa học đã luôn tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình thực hiện bản luận án.
Sau cùng, tôi muốn gửi tình cảm yêu thương nhất và sự biết ơn tới vợ, con, bố, mẹ, cũng như tất cả những người thân trong gia đình và bạn bè đã luôn cổ vũ, động viên để tôi vượt qua khó khăn hoàn thành tốt nội dung nghiên cứu trong bản luận án này. Hà Nội, ngày 26 tháng 04 năm 2019 Tác giả luận án Lê Thế Tâm
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU FERIT SPINEL VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH BẰNG KỸ THUẬT CHỤP MRI ...................................... 5 1.1. Cấu trúc và tính chất của vật liệu ferit spinel .......................................................... 5 1.1.1. Cấu trúc của vật liệu ferit spinel ........................................................................... 5 1.1.2. Tính chất từ của vật liệu ferit spinel ..................................................................... 6 1.1.3. Vật liệu siêu thuận từ ............................................................................................. 8 1.2. Tình hình nghiên cứu vật liệu nano từ trong và ngoài nước ................................. 12 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ..................................................................... 12 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ....................................................................... 15 1.3. Các phương pháp chế tạo chất lỏng từ .................................................................. 17 1.3.1. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano từ ....................................................... 17 1.3.2. Các công nghệ bọc hạt trong dung môi nước ..................................................... 23 1.3.3. Các quy trình chuyển pha từ dung môi hữu cơ sang dung môi nước ................. 29 1.4. Các ứng dụng trong y sinh ..................................................................................... 34 Kết luận chương 1 ........................................................................................................ 47 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM ............................................................... 48 2.1. Chế tạo chất lỏng từ trên nền hạt Fe3O4 tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt ...... 48 2.1.1. Hóa chất và thiết bị ............................................................................................. 48 2.1.2. Quy trình chế tạo hạt nano Fe3O4 ....................................................................... 48 2.1.3. Quy trình chế tạo chất lỏng từ Fe3O4 bọc chitosan ............................................ 49 2.2. Tổng hợp hạt nano từ Fe3O4 bằng phương pháp phân hủy nhiệt ........................... 52 2.3. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm ................................................................... 57 2.3.1. Quy hoạch thực nghiệm ...................................................................................... 57 2.4. Các phương pháp đặc trưng ................................................................................... 62 2.4.1. Nhiễu xạ tia X ..................................................................................................... 62 2.4.2. Phổ hấp thụ hồng ngoại ...................................................................................... 63 2.4.3. Phân tích nhiệt .................................................................................................... 63 2.4.4. Hiển vi điện tử .................................................................................................... 64 2.4.5. Phổ tán xạ laze động (DLS) ................................................................................ 67 2.4.6. Phương pháp đánh giá độc tính của chất lỏng từ lên tế bào ung thư và tế bào lành .. 67 2.4.7. Đo và chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (MRI) ................................................. 70 Kết luận chương 2 ........................................................................................................ 74 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU HỆ CHẤT LỎNG TỪ TRÊN NỀN Fe TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT ................................................................................. 75
3.1. Thực hiện quy hoạch thực nghiệm bậc hai ba mức tối ưu .................................... 76 3.2. Đặc trưng về cấu trúc và hình thái của hạt nano từ tính Fe3O4 bọc chitosan ......... 83 3.3. Đặc trưng về độ bền của hệ chất lỏng từ Fe3O4 bọc chitosan ............................... 88 3.4. Thử nghiệm đánh giá độc tính của hệ chất lỏng từ Fe3O4 bọc chitosan ................ 90 Kết luận chương 3 ........................................................................................................ 95 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU HỆ CHẤT LỎNG TỪ TRÊN NỀN OXIT SẮT TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY NHIỆT ................................................... 96 4.1. Khảo sát ảnh hưởng của dung môi và nhiệt độ lên tính chất của hạt Fe3O4 ......... 96 4.1.1. Đặc trưng cấu trúc, hình thái của hạt nano Fe3O4 chế tạo bằng phương pháp phân hủy nhiệt ....................................................................................................................... 97 4.1.2. Tính chất từ ....................................................................................................... 100 4.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lên tính chất của hạt Fe3O4 ........................ 101 4.2. Chế tạo chất lỏng từ chứa hạt nano từ tính Fe3O4 bọc bằng PMAO ................... 104 4.3. Thử nghiệm đánh giá độc tính của hệ chất lỏng từ Fe3O4 chuyển pha và bọc bằng PMAO ......................................................................................................................... 109 Kết luận chương 4 ...................................................................................................... 113 CHƯƠNG 5: ĐẶC TRƯNG ĐỘ HỒI PHỤC r1, r2, THỬ NGHIỆM ĐỘC TÍNH VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TƯƠNG PHẢN ẢNH BẰNG KỸ THUẬT CHỤP ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ MRI ...................................................................................................... 114 5.1. Đánh giá độ hồi phục r1, r2 của các hệ chất lỏng từ chế tạo bằng các phương pháp khác nhau .................................................................................................................... 114 5.1.1. Đánh giá độ hồi phục r1, r2 của hệ chất lỏng từ ................................................ 114 5.1.2. Đánh giá khả năng tương phản trong các môi trường khác nhau của hệ chất lỏng từ .. 118 5.2. Khảo sát khả năng ứng dụng chất lỏng từ trên động vật thí nghiệm ................... 123 5.2.1. Thử nghiệm in-vivo đánh giá khả năng ứng dụng hệ chất lỏng từ tính nano Fe3O4 làm thuốc tương phản trong kỹ thuật cộng hưởng từ MRI trên động vật .................. 123 5.2.2. Thử nghiệm in-vivo đánh giá khả năng ứng dụng hệ chất lỏng từ tính nano Fe3O4 làm thuốc tương phản trong chẩn mô bệnh ung thư bằng kỹ thuật cộng hưởng từ MRI trên động vật ............................................................................................................... 130 Kết luận chương 5 ...................................................................................................... 137 KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................................. 138 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ .......................................................... 139 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 142
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Thông số bán kính của một số ion kim loại . ................................................. 5 Bảng 1.2. Phân bố ion trong các vị trí của cấu trúc spinel. ............................................ 6 Bảng 1.3. Bảng tổng kết các loại polyme bọc hạt nano từ và các ưu điểm của chúng ...................................................................................................................... 28 Bảng 1.4. Tín hiệu T1W và T2W của các mô/dịch cơ thể ........................................... 40 Bảng 1.5. Các chất tương phản MRI nền oxit sắt ......................................................... 44 Bảng 1.6. Các chất tương phản MRI nền oxit sắt: đặc trưng kích thước hạt, cơ quan đích, liều sử dụng và đường truyền thuốc .............................................................................. 44 Bảng 2.1: Giá trị mã hóa và giá trị thực nghiệm của các yếu tố thực nghiệm. ............ 51 Bảng 2.2: Ma trận thực nghiệm và kết quả tổng hợp chất lỏng từ theo từng thí nghiệm .... 51 Bảng 2.3. Sự phụ thuộc độ ổn định của hệ keo vào giá trị thế Zeta .............................. 67 Bảng 2.4 a. Chuẩn bị dãy nồng độ của hệ chất lỏng .................................................... 71 Bảng 2.4 b. Chuẩn bị dãy nồng độ của hệ chất lỏng ................................................... 71 Bảng 2.5. Các tham số chuỗi hình ảnh được sử dụng trong chụp ảnh MRI ................. 73 Bảng 3.1. Giá trị mã hóa và giá trị thực nghiệm của các yếu tố thực nghiệm. ............ 76 Bảng 3.2. Ma trận thực nghiệm và kết quả tổng hợp chất lỏng từ theo từng thí nghiệm ....... 77 Bảng 3.3. Kết quả phân tích ANOVA tối ưu quá trình tổng hợp các yếu tố. .............. 78 Bảng 3.4. Các giải pháp tối ưu với hàm lượng 3 biến xác định và giá trị hàm mong đợi tối ưu ............................................................................................................................. 81 Bảng 3.5. Kết quả kiểm tra giá trị từ độ bão hòa Ms thu được từ mô hình và thực tế ...... 82 Bảng 3.6. Các vị trí hấp thụ chính của các chất ........................................................... 84 Bảng 3.7. Hằng số mạng (a), kích thước tinh thể trung bình (DXRD), kích thước hạt trung bình (DFESEM) của các mẫu hạt nano Fe3O4 tổng hợp ở các điều kiện phản ứng khác nhau .......... 86 Bảng 4.1. Giá trị từ độ bao gồm cả lớp vỏ và lõi (Fe3O4 +OA+OLA, PMAO), kích thước hạt trung bình (DTEM) .................................................................................................. 100 Bảng 4.2. Hằng số mạng (a), kích thước tinh thể trung bình (DXRD), kích thước hạt trung bình (DTEM), từ độ tại 10 kOe (Ms10kOe), lực kháng từ (Hc) của các mẫu hạt nano ...... 102 Bảng 5.1. Kết quả tính toán độ hồi phục r1, r2 và tỷ số r1/r2 cho mẫu Fe3O4@PMAO, Fe3O4@CS và chất so sánh Resovist ......................................................................... 117 Bảng 5.2. Một số tham số chuỗi hình ảnh được sử dụng trong chụp ảnh MRI .......... 124 sau 15 phút, (d) sau 30 phút. ....................................................................................... 134
DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của vật liệu ferit spinel . ...................................................... 5 Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể và sự sắp xếp mômen từ trong vật liệu Fe3O4. ................... 6 Hình 1.4. Đường cong từ trễ đo độ từ hóa của vật liệu siêu thuận từ (superparamagnetic, SPM) và sắt từ (ferromagnetic, FM) với lực kháng từ Hệ từ độ bão hòa Ms, độ từ dư Mr . ....................................................................................................................................... 9 Hình 1.5. Sự phụ thuộc lực kháng từ (Hc) của Fe3O4 vào kích thước hạt ................... 10 Hình 1.6. Mô hình thuốc lõi nano đa chức năng .......................................................... 13 Hình 1.7. Minh họa các ứng dụng của hạt siêu thuận từ Fe3O4 trong chẩn đoán ung thư (hiệu ứng MRI) và điều trị ung thư (hiệu ứng nhiệt trị) ............................................... 14 Hình 1.8. Tổng hợp hạt nano bằng phương pháp hot injection ..................................... 21 Hình 1.9. Cấu trúc của một vài chất hoạt động bề mặt được sử dụng trong tổng hợp hạt nano trong dung môi hữu cơ ......................................................................................... 22 Hình 1.10. Mô hình bọc hạt nano từ .............................................................................. 23 Hình 1.11. Các ảnh TEM: A) Các hạt nano sắt được phủ cacbon chế tạo bằng phương pháp nổ cảm ứng nhiệt phân của ferrocene; B) Các hạt nano sắt trong một ma trận cacbon chế tạo bằng phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi; C) Các hạt nano coban được cacbon bảo vệ chế tạo bằng phương pháp nhiệt phân cồn polyfurfuryl ............................................. 25 Hình 1.12. Sơ đồ minh họa bước thứ nhất của phản ứng xúc tác ngưng tụ tetraethylorthosilicate (TEOS) ...................................................................................... 26 Hình 1.13. Các ảnh TEM của các hạt nano sắt oxit và sắt với lớp ngoài SiO2: A) Tổ hợp keo phân tán đơn bao gồm các hạt nano hematite trong khối cầu silic 100 nm; B) Các hạt nano hematite có dạng bát diện trong lớp vở SiO2 dày 50 nm; C) các hạt nano oxit sắt từ trong hình cầu silic; D) Các đám nano sắt kẹp trong chất keo SiO2 . ................. 26 Hình 1.14. Các phương pháp chuyển pha hạt nano từ sang môi trường nước .............. 29 Hình 1.15. Minh họa quy trình chuyển pha ligand exchange sử dụng poly với các nhóm chức COOH ................................................................................................................. 30 Hình 1.16. Ảnh TEM (a) và phổ DLS (b) của hạt nano Fe3O4 bọc bởi phân tử dophamine sulfonate (DS), và quy trình tổng hợp và cấu trúc phân tử của DS (c). Hình nhỏ bên trong (hình a) là ảnh chụp các hạt Fe3O4 bọc bởi các phân tử DS phân tán trong nước ............. 31 Hình 1.17. Minh họa quy trình chuyển pha sử dụng các amphiphilic polymer: DSPE- PEG (phần trên), PMAO (Phần giữa) và Fluronic (phần hình dưới) ............................ 32 Hình 1.18. Mô hình quá trình bọc hệ hạt nano bằng PAA và bọc bằng PMAO ........... 32 Hình 1.19. Mô hình bọc hạt nano Fe3O4 của nhóm tác giả Sun ................................... 33 Hình 1.20. Các ứng dụng của hạt nano từ tính ............................................................. 34 Hình 1.21. Mô hình cấu tạo máy MRI. Radio Frequancy Coil: cuộn phát sóng tần số radio, Gradient coils: cuộn gradient, Maggnet: Từ trường, Scanner: Bộ phận quét, Patient: Bệnh nhân. Patient Table: Bàn bệnh nhân. ............................................ 36 Hình 1.22. Nguyên lý của MRI và vai trò của hạt nano từ tính làm thuốc tăng tương phản (a) spin từ (m) của các proton nước tiến động xung quanh hướng của từ trường bên ngoài B0; (b) sau khi áp dụng một xung RF, m tiến động công góc với B0; (c) m hồi phục
trở lại trạng thái cân bằng ban đầu của nó thông qua theo chế độ hồi phục chiều dọc (T1) và (d) ngang (T2); (e) Khi có mặt nano từ tính, các spin của các proton nước bắt đầu tiến động không đồng nhất dưới tác dụng bổ sung của trường lưỡng cực cục bộ(B1, gây ra bởi các hạt nano. Do đó các hồi phục xảy ra nhanh hơn và tạo ra một tín hiệu MRI mạnh hơn ................................................................................................................................ 37 Hình 1.23. Tạo ảnh T2, T1 điều chỉnh .......................................................................... 40 Hình 1.24. Hiệu ứng tương phản của các hạt nano từ tính trong nước ......................... 41 Hạt nano từ tính được chức năng hóa để liên kết với một số mô nhất định sẽ có tác dụng đánh dấu hiệu quả hơn. Hiện tại có thể chia các chất tương phản làm 3 loại tương ứng với các cơ chế T1 và theo 1 cơ chế mới phát hiện gần đây là cơ chế trao đổi bão hòa kèm theo chuyến hóa chất ............................................................................................ 41 Hình 1.25. Cơ chế trao đổi bão hòa kèm theo chuyển hóa chất (CEST) ..................... 42 Hình 1.26. Phân loại các thuốc tăng tương phản tương ứng với các cơ chế Tl, T2 và CEST...... 43 Hình 1.27. Công thức hóa học và sản phẩm OMNISCAN của thuốc tương phản T1 . 43 Hình 1.28. Vai trò ảnh hưởng của kích thước hạt lên hình ảnh trọng T2 MRI của Fe3O4(4, 6, 9,12 nm) trong từ trường 1,5T ................................................................... 45 Hình 1.29. Giá trị T1 và T2 và hình ảnh MRI của hợp kim nano FeCo/C, so sánh với 2 sản phẩm thương mại là Feridex và Magnevist ............................................................. 46 Hình 1.30. Chế độ chụp MRI nanohybrid, T1, T2 và multimodal ............................... 46 Hình 2.1.Quy trình tổng hợp hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp thủy nhiệt. .............. 49 Hình 2.2. Quy trình tổng hợp hạt nano từ tính Fe3O4 bọc Chitosan ............................ 50 Hình 2.3. Hệ thiết bị dùng để chế tạo hệ hạt Fe3O4 bằng phương pháp phân hủy nhiệt (a) và (b) sơ đồ quá trình thay đổi nhiệt độ và thời gian tổng hợp hạt nano Fe3O4. .......... 54 Hình 2.4. Quy trình tổng hợp hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp phân hủy nhiệt ...... 54 Hình 2.5. Mô hình quá trình chuyển pha và bọc hệ hạt nano bằng PMAO ................. 56 Hình 2.6. Quy trình chuyển pha và bọc hạt Fe3O4 bằng PMAO .................................. 56 Hình 2.7. Sơ đồ tín hiệu của quy hoạch thực nghiệm .................................................. 58 Hình 2.8. Vùng xác định ABCD các yếu tố yếu tố ảnh hưởng và vùng lân cận .......... 60 Hình 2.9. Vùng xác định A’B’C’D’các yếu tố ảnh hưởng và vùng lân cận ................ 60 Hình 2.10. Sơ đồ nhiễu xạ tia X từ một số mặt phẳng hữu hạn ................................... 62 Hình 2.11. Thiết bị nhiễu xạ tia X ................................................................................ 63 Hình 2.12. Sơ đồ mô tả các tín hiệu nhận được từ mẫu trong ảnh SEM ...................... 65 Hình 2.13. Kính hiển vi điện tử quét HITACHI S-4800 .............................................. 65 Hình 2.14. Kính hiển vi điện tửtruyền qua JEOL TEM ............................................... 65 Hình 2.15. Hệ đo VSM ................................................................................................. 66 Hình 2.16. Máy đo MalvernZetasizer và Horiba SZ-100 ............................................. 67 Hình 2.17. Xác định giá trị IC50 trực tiếp dựa vào đồ thị đáp ứng liều của các dòng tế bào khi thử thuốc với các nồng độ khác nhau .............................................................. 68 Hình 2.18. Chuẩn bị đĩa giếng chứa các mẫu chất lỏng từ: Fe3O4@PMAO, Fe3O4@CS, Resovist và mẫu đối chứng agar 2% (trên) và sơ đồ chụp các bước chụp ảnh bằng kỹ thuật MRI (dưới) ........................................................................................................... 72 Hình 3.1. Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố theo phân tích ANOVA (p
Hình 3.2: Mô hình (dự đoán) so với giá trị thực nghiệm trong quá trình tổng hợp hạt nano từ tính (MNPs) ..................................................................................................... 79 Hình 3.3: Đồ thị bề mặt đáp ứng biểu diễn sự tác động của từng cặp yếu tố (AB, AC) đến giá trị từ độ và mức độ mong muốn theo các cặp tương tác. ................................. 80 Hình 3.4: Đường cong từ độ bão hòa của các mẫu hạt nano Fe3O4 bọc chitosan ở các điều kiện tổng hợp khác nhau và tại điều kiện tối ưu bằng phương pháp thủy nhiệt ... 80 Hình 3.5. Đường M(H) fit theo hàm Langevin của mẫu tại điều kiện tối ưu ............... 83 Hình 3.6. Mô hình liên kết của hạt nano từ Fe3O4 với chitosan khi phân tán hạt từ trong mạng lưới chitosan ……………………………………………………………………83 Hình 3.7. Ảnh nhiễu xạ tia X của vật liệu nano Fe3O4 tinh khiết và vật liệu nano ..... 84 Hình 3.8. Phổ FTIR của Chitosan (CS), Fe3O4 và hạt nano từ tính Fe3O4@CS .......... 85 Hình 3.9. Ảnh FESEM của mẫu Fe3O4 tổng hợp ở các điều kiện phản ứng khác nhau. ... 86 Hình 3.10. Ảnh TEM hạt Fe3O4@CS điều chế ở điều kiện khác nhau chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt. ............................................................................................... 87 Hình 3.11. Ảnh TEM hạt Fe3O4@CS điều chế ở điều kiện tối ưu (nồng độ Fe3+ 0,21M; nhiệt độ phản ứng 1650C; thời gian ủ mẫu 2 giờ 55 phút) chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt (a) và giản đồ phân tích nhiệt TGA với lớp vỏ bọc CS (b) ................................. 87 Hình 3.12. Giản đồ phân bố kích thước hạt (DLS) của chất lỏng từ Fe3O4@CS tại các giá trị pH khác nhau (a) và nồng độ muối NaCl khác nhau (b) ................................... 88 Hình 3.13. Giản đồ phân bố kích thước hạt (DLS) của Fe3O4@CS ở các nồng độ muối 100 mM (a) và 300 mM (b) .......................................................................................... 89 Hình 3.14. Quá trình quét thế Zeta của các hạt nano phân tán trong chất lỏng ở các thời điểm khác nhau: cho 0 ngày (a), 90 ngày (b), 180 ngày (c), và (d) ảnh của huyền phù Fe3O4@CS dưới tác động của từ trường trong phòng nhiệt độ trong 90 ngày. ............ 90 Hình 3.15. Đường cong từ hóa của các mẫu Fe3O4@CS sau 90 ngày chế tạo. Đường liền nét là đường làm khớp theo hàm Langevin. ................................................................. 90 Hình 3.16: Hình thái của tế bào Sarcoma 180 đạt chuẩn trước khi tiến hành thử nghiệm MTT .............................................................................................................................. 91 Hình 3.17. Phản ứng trong thử nghiêm màu MTT ....................................................... 91 Hình 3.18. Tỷ lệ sống sót của tế bào Sarcoma 180 sau khi ủ trong 48 tiếng với Fe3O4@CS. Dãy đồng độ thử nghiệm như sau: (C1): 500 µg/ml, (C2): 250 µg/ml, (C3): 125 µg/ml, (C4): 62,5 µg/ml, (C5): 30,25 µg/ml and (C6): 15,125 µg/ml. Các giá trị được biểu diễn dưới dạng giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn (SD) .............................. 92 Hình 3.19. Hình thái tế bào Sarcoma 180 quan sát dưới kính hiển vi soi ngược. CA: đối chứng sinh học. CB: Đối chứng dung môi DMSO. Dải nồng độ chất lỏng từ Fe3O4@CS (C1): 500 µg/ml, (C2): 250 µg/ml, (C3): 125 µg/ml, (C4): 62.5 µg/ml, (C5): 30.25 µg/ml and (C6): 15.125 µg/ml. Hình ảnh quan sát dưới vật kính 20X, độ phóng đại 5.6. ........................... 93 Hình 4.1. Giản đồ XRD của các mẫu Fe3O4 được chế tạo ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau trong các dung môi khác nhau ............................................................................. 97 Hình 4.2. Ảnh TEM hạt của các mẫu Fe3O4 được chế tạo ở các nhiệt độ khác nhau trong các dung môi khác nhau trong thời gian 1 giờ ............................................................. 98
Hình 4.3. Ảnh HRTEM hạt của các mẫu Fe3O4 được chế tạo bằng phương pháp phân hủy nhiệt trong hỗn hợp dung môi dibenzyl ete và 1-octadecene ................................ 99 Hình 4.4. Đường cong từ hóa và đường cong từ hóa phóng đại trong vùng từ trường nhỏ dùng để xác định Hc của các mẫu ở các nhiệt độ trong các dung môi khác nhau .......... 101 Hình 4.5. Giản đồ XRD của các mẫu Fe3O4 được chế tạo ở các thời gian phản ứng khác nhau trong vùng từ 0,5 đến 2 giờ tại nhiệt độ phản ứng 298 oC. ................................ 101 Hình 4.6. Ảnh TEM hạt của các mẫu Fe3O4 được chế tạo ở các thời gian khác nhau ở nhiệt độ phản ứng 310oC. ........................................................................................... 102 Hình 4.7. Đường cong từ hóa và đường cong từ hóa phóng đại trong vùng từ trường nhỏ dùng để xác định Hc của các mẫu ở các thời gian khác nhau .................................... 103 Hình 4.8. Ảnh mẫu Fe3O4 trước và sau khi chuyển pha (a) và ảnh HRTEM của hạt Fe3O4 trước khi chuyển pha và bọc PMAO trong dung môi hexane và hạt Fe3O4 bọc bởi PMAO trong nước (b) ............................................................................................................. 104 Hình 4.9. Ảnh TEM của các mẫu: Fe3O4@PMAO (a) và Fe3O4@PMAO pha loãng ... 105 Hình 4.10. Ảnh HRTEM hạt của các mẫu Fe3O4 sau khi được chuyển pha .............. 105 Hình 4.11. Phổ FTIR của Fe3O4 chế tạo bằng phương pháp phân hủy nệt với lớp vỏ b bọc OA, OLA (a), của PMAO (b) và của vật liệu sau khi chuyển pha và bọc bằng PMAO (c) .......... 106 Hình 4.12. Giản đồ TGA của Fe3O4 với lớp vỏ bọc OA, OLA chế tạo bằng phương pháp phân hủy nhiệt (a) và sau khi bọc PMAO (b) ............................................................. 107 Hình 4.13. Gía trị thế zeta và hình ảnh mẫu chất lỏng từ Fe3O4@PMAO sau 1 tháng chế tạo (a) 3 tháng (b) và sau 6 tháng chế tạo (c) ............................................................. 107 Hình 4.14. Đường M(H) ở nhiệt độ phòng của các mẫu Fe3O4, Fe3O4@PMAO ...... 108 Hình 4.15. Hình ảnh mẫu chất lỏng trong các môi trường nồng độ muối khác nhau. .... 108 Hình 4.16. Gía trị thế zeta và hình ảnh mẫu chất lỏng từ Fe3O4@PMAO ở các nồng độ muối khác nhau ........................................................................................................... 109 Hình 4.17. Kết quả độc tính của hệ nano từ Fe3O4@PMAO trên ba dòng tế bào ung thư người Hep-G2, MCF-7 và RD cùng 1 dòng tế bào lành của khỉ Vero. Nồng độ của Fe3O4@PMAO trong đồ thì này là 25 ug/ml; DMSO được dùng làm đối chứng dung môi và chất chuẩn pha trong DMSO được dùng làm đối chứng dương. .................... 110 Hình 4.18. Hình ảnh tế bào quan sát dưới kính hiển vi Optika 4083.B1 với vật kính 40X. Tế bào ung thư gan Hep-G2 trong DMSO (A) và ủ với 25 ug/ml chất lỏng nano từ Fe3O4@PMAO (B). Tế bào thận khỉ Vero trong DMSO (C) và ủ với 25 ug/ml chất lỏng nano từ Fe3O4@PMAO (D). ....................................................................................... 110 Hình 5.1. Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân của hệ nano từ ở chế độ T1W, TR= 100 ms (a), TR =200 ms (b), TR =400 ms (c), TE =12 ms đối với các mẫu (A) hệ nano từ Fe3O4@PMAO trong môi trường agar 2%, (B) Hệ nano từ Fe3O4@CS trong môi trường agar 2%. Nồng độ sắt từ trong mỗi giếng là (1) 2,5 µg/ml, (2) 5,0 µg/ml, (3) 10,0 µg/ml, (4) 15,0 µg/ml, (5) 25,0 µg/ml và (6) 30,0 µg/ml. .......................................... 115 Hình 5.2. Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân của hệ nano từ ở chế độ T2W, TE =11 ms (a), TE =23 ms (b), TE = 34 ms (c), TE= 57 ms (d), TE =91 ms (e), TE =113 ms (f), TR =4000 ms đối với các mẫu (A) hệ nano từ Fe3O4@PMAO trong môi trường agar 2%, (B) Hệ nano từ Fe3O4@CS trong môi trường agar 2%. Nồng độ sắt từ trong mỗi
giếng là (1) 2,5 µg/ml, (2) 5,0 µg/ml, (3) 10,0 µg/ml, (4) 15,0 µg/ml, (5) 25,0 µg/ml và (6) 30,0 µg/ml. ............................................................................................................ 116 Hình 5.3. Đường cong hồi phục T2 (suy giảm về 0) đo cho các mẫu chất lỏng từ Fe3O4@PMAO (a) Fe3O4@CS (b) ở các nồng độ khác nhau. ................................... 116 Hình 5.4. Tốc độ hồi phục ngang (a) và hồi phục dọc (b) của mẫu chất lỏng từ Fe3O4@PMAO (a) và Fe3O4@CS (b). 116 Bảng 5.1. Kết quả tính toán độ hồi phục r1, r2 và tỷ số r1/r2 cho mẫu Fe3O4@PMAO, Fe3O4@CS và chất so sánh Resovist ......................................................................... 117 Hình 5.5. Hình ảnh chụp MRI xác định độ hồi phục r1, r2. ....................................... 118 Hình 5.6. Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân của hệ nano từ ở chế độ T2W trong môi trường nước, TE= 12 ms (a), TE =25 ms (b), TE =37 ms (c), TE =50 ms (d), TE= 62 ms (e), TE =75 ms (f), TR =4000 ms đối với các mẫu (A) hệ nano từ Fe3O4@PMAO trong môi trường nước, (B) Hệ nano từ Fe3O4@Dextran (Resovist) trong môi trường agar 2%, (C) Hệ nano từ Fe3O4@CS trong môi trường nước, (D) Mẫu đối chứng (không có hạt từ) trong môi trường nước ............................................................................... 119 Hình 5.7. Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân của hệ nano từ ở chế độ T1W trong môi trường nước, TR= 100 ms (a), TR =400 ms (b), TE =15 ms đối với các mẫu (A) hệ nano từ Fe3O4@PMAO trong môi trường nước, (B) Hệ nano từ Fe3O4@Dextran (Resovist) trong môi trường nước, (C) Hệ nano từ Fe3O4@CS trong môi trường nước, (D) Mẫu đối chứng (không có hạt từ) trong môi trường nước. Nồng độ sắt từ trong mỗi giếng là .. 119 Hình 5.8. Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân của hệ nano từ ở chế độ T2W trong môi trường pH khác nhau, TE= 11 ms (a), TE = 23 ms (b), TE =34 ms (c), TE =57 ms (d) đối với các mẫu (A) hệ nano từ Fe3O4@PMAO, (B) Hệ nano từ Fe3O4@Dextran (Resovist). Nồng độ sắt từ trong mỗi giếng 45,0 µg/ml trong môi trường có ........... 121 Hình 5.9. Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân của hệ nano từ ở chế độ T1W trong môi trường pH khác nhau, TR= 100 ms (a), TR = 200 ms (b), TR =400 ms (c), TE =12 ms đối với các mẫu (A) hệ nano từ Fe3O4@PMAO, (B) Hệ nano từ Fe3O4@Dextran (Resovist). Nồng độ sắt từ trong mỗi giếng 45,0 µg/ml trong môi trường có (1) pH =2, (2) pH =3, (3) pH =7, (4) pH =9, (5) pH =12. ............................................................ 121 Hình 5.10. Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân của hệ nano từ ở chế độ T2W trong môi trường nồng độ muối khác nhau .............................................................................. 122 Hình 5.11. Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân của hệ nano từ ở chế độ T1W trong môi trường nồng độ muối khác nhau, TR= 100 ms (a), TR =400 ms (b), TE =12 ms đối với các mẫu (A) Hệ nano từ Fe3O4@Dextran (Resovist), (B) Hệ nano từ Fe3O4@PMAO, (C) Mẫu đối chứng (không có hạt từ) trong môi trường nước. Nồng độ sắt từ trong mỗi giếng 45,0 µg/ml trong môi trường có nồng độ muối khác nhau (1) 50 mM, (2) 100 mM, (3) 150 mM, (4) 200 mM. .......................................................................................... 123 Fe3O4 làm thuốc tương phản trong kỹ thuật cộng hưởng từ MRI trên động vật ........ 123 Hình 5.12. Hình ảnh thỏ trước khi được đưa vào máy chụp MRI. ............................ 125 Hình 5.13. Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ trên thận thỏ của hệ nano Fe3O4@PMAO ở chế độ T1W (SAGITAL), TE= 9,2 ms, TR =659 ms đối với (A) Thỏ trước khi tiêm chất lỏng từ, (B) Thỏ sau khi tiêm chất lỏng từ. ......................... 126
Hình 5.14. Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ trên mô gan thỏ của hệ nano Fe3O4@PMAO ở chế độ T1W (SAGITAL), TE= 9,2 ms, TR =659 ms đối với (A) Thỏ trước khi tiêm chất lỏng từ, (B) Thỏ sau khi tiêm chất lỏng từ. ................... 126 Hình 5.15. Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ trên mô gan thỏ của hệ nano Fe3O4@PMAO ở chế độ T2W (SAGITAL), TE= 94 ms, TR =3571 ms đối với (A) Thỏ trước khi tiêm chất lỏng từ, (B) Thỏ sau khi tiêm chất lỏng từ. ................... 127 Hình 5.16. Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ trên thận thỏ của hệ nano Fe3O4@PMAO ở chế độ T2W (SAGITAL), TE= 94 ms, TR =3571 ms đối với (A) Thỏ trước khi tiêm chất lỏng từ, (B) Thỏ sau khi tiêm chất lỏng từ. ......................... 128 Hình 5.17. Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ của hệ nano Fe3O@PMAO ở chế độ T1W (CORONAL) trên thỏ, TE= 20 ms, TR =550 ms đối với (A) Thỏ trước khi tiêm chất lỏng từ, (B) Thỏ sau khi tiêm chất lỏng từ. (a) Trước tiêm, (b) sau tiêm. .................... 129 Hình 5.18. Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ của hệ nano Fe3O4@PMAO ở chế độ T2W (CORONAL) trên thỏ, TE= 112 ms, TR =7500 ms đối với (A) Thỏ trước khi tiêm chất lỏng từ, (B) Thỏ sau khi tiêm chất lỏng từ. (a) Trước tiêm, (b) sau tiêm 30 phút, (c) sau tiêm 60 phút. ........................................................ 129 Hình 5.19. Chuột nhắt trắng Swiss. ............................................................................ 131 Hình 5.20. Chuột trắng swiss lên u báng ở đùi sau 15 ngày tạo khối u…………….. 131 Hình 5.21. Tiêm tĩnh mạch (a) và tiêm trực tiếp tại khối u (b) trên chuột nhắt trắng. ..................................................................................................................................... 131 Hình 5.22. Một số hình ảnh chuột sau khi gây mê trước khi đưa vào chụp ảnh MRI. ... 133 Hình 5.23. Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ của hệ nano Fe3O4@PMAO ở chế độ T2W (CORONAL) trên chuột, TE= 91 ms, TR =3970 ms trên chuột. ………………………………………………………………………………………………….133 Hình 5.24. Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ của hệ nano Fe3O4@PMAO ở chế độ T2W (AXIAL) trên khối u chuột sau khi tiêm tiêm trực tiếp khối u, TE= 91 ms, TR =3970 ms trên chuột. (a) không tiêm, (b) ngay sau tiêm, (c) sau 15 phút, (d) sau 30 phút. ............................................................................................. 134 Hình 5.25. Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ của hệ nano Fe3O4@PMAO ở chế độ T2W (AXIAL) trên khối u chuột sau khi tiêm theo tĩnh mạch, TE= 91 ms, TR =3970 ms trên chuột. (a) không tiêm, (b) sau 2 giờ, (c) sau 12 giờ, (d) sau 24 giờ. ..................................................................................................................................... 135 Hình 5.26. Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ của hệ nano Fe3O4@PMAO ở chế độ T2W (AXIAL) trên mô gan chuột, TE= 91 ms, TR =3970 ms trên chuột. (a) không tiêm, (b) tiêm tĩnh mạch. .......................................................... 136
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT I. Danh mục các ký hiệu A Tỷ số tăng sinh Aex Hệ số tương tác trao đổi dSP Kích thước giới hạn siêu thuận từ EA Năng lượng dị hướng tinh thể Ec Năng lượng dị hướng hình dạng Hc Lực kháng từ Hd Trường khử từ Hext Từ trường ngoài IC50 Nồng độ ức chế (Inhibited Concentration) K Hằng số dị huớng từ tinh thể K1 và K2 Hằng số dị hướng từ bậc 1 và 2 L(x) Hàm Langevin MLag Từ độ khớp theo hàm Langevin N Thừa số khử từ rc Bán kính đơn đômen tới hạn TH Giá trị trung bình của mật độ quang học ở các giếng thử với mẫu TB Nhiệt độ khóa Tz Giá trị trung bình của mật độ quang học ở các giếng nuôi tế bào ở thời điểm zero lúc bắt đầu tra mẫu để thử V Thể tích hạt VH Giá trị trung bình của mật độ quang học ở các giếng thử với dung môi κ Góc giữa từ độ và trục dễ μ0 Độ từ thẩm chân không φ Góc giữa trục dễ của hạt nano từ và từ trường ngoài Ms Từ độ bão hòa Mco, Msh Từ độ lõi, từ độ vỏ Tmax Nhiệt độ cực đại T Nhiệt độ T1, T1W Thời gian hồi phục spin-mạng (dọc) - Chụp MRI theo chế độ trọng T1
T2, T2W Thời gian hồi phục spin-spin (ngang) - Chụp MRI theo chế độ trọng T2 R1 Tốc độ hồi phục dọc R2 Tốc độ hồi phục ngang r1 Độ hồi phục dọc r2 Độ hồi phục ngang B, H Từ trường f Tần số C Nồng độ @ Được bọc bởi II. Danh mục các chữ viết tắt Tiếng Anh AAS Atomic Absorption Spectroscopy (Phổ hấp phụ nguyên tử) DLS Dynamic Light Scattering (Tán xạ ánh sáng động) EDS Energy Dispersion Spectroscopy (Phổ phân tán năng lượng tia X) FT-IR Fourier Transformation Infrared (Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier) ILP Intrinsic Loss Power (Công suất tổn hao riêng) MIH MNPs Magnetic Inductive Heating (Đốt nóng cảm ứng từ) Magnetice Nano Particles (Các hạt nano từ) MRI Magnetic Resonance Imaging (Ảnh cộng hưởng từ) PPMS Physical Property Measurement System (Hệ đo các tính chất vật lý) SAR Specific Absorption Rate (Tốc độ hấp phụ riêng) SEM Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét) TGA Thermogrametric Analysis (Phân tích nhiệt vi trọng) VSM Vibrating Sample Magnetometer (Từ kế mẫu rung) XRD X-ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X) CS Chitosan DPA Phân tử dopamine DSC (Differential Scaning Calorimetry) Phân tích nhiệt lượng quét vi sai DSPE-PEG 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N [amino (polyethylene glycol)-2000 DTA Phân tích nhiệt vi sai (Differential Thermal Analysis) FA Các axit béo FC Làm lạnh có từ trường
FE-SEM Field Emission Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét- phát xạ trường) IO Iron oxide (Hạt nano oxit sắt) OLA Oleylamine PAA Axit polyacrylic PEG Polyethyleneglycol PMAO Poly (maleic anhydride-alt-1-octadecene) PMMA Polymethylmethacrylate SQUID Superconducting quantum interference device (Giao thoa kế lượng tử siêu dẫn) TEM Transmission Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử truyền qua) TOPO Trioctylphosphine oxide ZFC Làm lạnh không có từ trường Tiếng Việt CHTHN Cộng hưởng từ hạt nhân CNNNUT Công nghệ Nano Ung thư ĐCSH Đối chứng sinh học TBUT Tế bào ung thư D Kích thước hạt nano
1 MỞ ĐẦU Công nghệ nano đã và đang làm thay đổi đời sống của con người. Các nghiên cứu từ cơ bản đến ứng dụng trong lĩnh vực này giúp chúng ta hiểu biết tường tận hơn về các tính chất đặc biệt và lý thú của vật liệu khi ở kích thước nano, qua đó phát huy các ưu điểm nổi bật, hạn chế và ngăn ngừa các tác hại có thể có để từng bước ứng dụng công nghệ và vật liệu nano vào phục vụ cuộc sống ngày một tốt hơn. Hạt nano từ tính là một ví dụ điển hình trong ứng dụng hạt nano vào lĩnh vực y sinh học do đặc điểm dễ chế tạo, giá thành thấp và tính tương thích cao với cơ thể sống. Gần đây các ứng dụng của hạt nano từ trong các ứng dụng y sinh, đặc biệt là trong chẩn đoán hình ảnh bằng kỹ thuật cộng hưởng từ MRI đã thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới [49, 138, 109, 108]. Hiện nay trong chẩn đoán hình ảnh bằng chụp cộng hưởng từ MRI, các tác nhân tương phản T1 đã trở thành thương phẩm truyền thống, đó là phức của ion thuận từ có trị số mômen spin lớn như Gd3+ (có 7 điện tử chưa ghép cặp) [65, 111, 29, 15]. Các ion Gd3+ này được kết hợp với các phân tử như DTPA (axit dietylentriamin penta axetic) và tạo ra các cấu trúc dạng phức vòng chelat Gd-DTPA [33]. Trong quá trình hồi phục, sự tương tác giữa mômen từ của proton với mômen từ của các ion thuận từ khiến cho thời gian T1 bị giảm, nhờ vậy tốc độ hồi phục R1 tăng lên. Nồng độ các tác nhân là khác nhau trong mỗi vùng mô tế bào, do vậy mang lại hiệu quả tương phản trên ảnh chụp MRI. Trong khoảng gần 20 năm nay, cùng với sự phát triển của công nghệ nano hạt nano sắt oxit (iron oxide - IO) đang được nghiên cứu mạnh và thực tế đến nay đã có nhiều dòng sản phẩm thương mại chất tăng mức độ tương phản MRI dùng loại vật liệu sắt oxit này, chứng minh rằng các sắt oxit-MRI có thể cho chất lượng tăng mức độ tương phản tốt hơn cả loại Gd-DTPA vì hạt sắt oxit có hệ số cảm từ lớn hơn [143, 40, 154,107, 12]. Các chất IO-MRI có thể làm giảm cả T1 và T2, tăng được tốc độ hồi phục MRI chụp theo cả 2 chế độ chụp MRI trọng Tl và trọng T2 [96,152, 163, 131, 18]. Các yêu cầu quan trọng đối với sản phẩm tăng tương phản ảnh MRI là hạt nano từ tính phải có độ phân bố hạt tương đối đều và từ độ bão hòa đủ lớn, và chất bọc phải có độ tương hợp sinh học tốt [49,75,116, 61]. Trong khi một số sản phẩm thương mại trên thế giới như Resovist dùng chất bọc là dextran [103, 135], với hạt lõi cỡ 65nm tạo ra từ độ bão hòa khoảng 65 emu/g. Các sản phẩm với cỡ hạt trong vùng 20-40nm như AMI-227: Sinerem/Combidex là thích hợp với bạch huyết và xương [23]. Trong khoảng 10 năm gần đây người ta đang nghiên cứu để chế tạo các hạt nano siêu thuận từ với cỡ hạt nhỏ hơn 20 nm (còn được gọi là loại siêu nhỏ nếu cỡ hạt D
2 nano từ nói riêng đã được tập trung nghiên cứu theo hai phương diện: Nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu định hướng ứng dụng. Các kết quả nghiên cứu sâu sắc được công bố chủ yếu từ các cơ sở nghiên cứu mạnh như: Đại học Quốc gia Hà Nội, Đại học Bách khoa Hà Nội và Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam [98, 129, 76, 89]. Việc tổng hợp vật liệu nano từ đa phần được thực hiện trong môi trường nước và bằng các phương pháp tổng hợp như phương pháp đồng kết tủa, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp vi sóng và phương pháp tổng hợp điện hóa siêu âm. Do tổng hợp trong môi trường nước nên các hạt nano từ chế tạo được có chất lượng chưa cao, các hạt không đồng đều về cỡ hạt và không đồng nhất về hình dạng và vì vậy chúng bị hạn chế sử dụng cho các ứng dụng in vivo trong y sinh như dùng làm thuốc tương phản trong chẩn đoán hình ảnh bằng kỹ thuật chụp cộng hưởng từ MRI, đốt nóng cảm ứng từ v.v, ngoài ra chính sự không đồng đều đó còn ảnh hưởng ngay cả đến kết quả nghiên cứu các tính chất từ của chúng. Do đó, cho đến nay việc lựa chọn các điều kiện trong quá trình chế tạo chất lỏng từ tính nano Fe3O4 nhằm chế tạo ra các hạt có cỡ hạt bé, có sự phân bố đều, đồng nhất về hình dạng, độ bền cao, từ tính cao và có khả năng tương thích sinh học cao, nhờ đó có khả năng ứng dụng làm thuốc tương phản trong chẩn đoán hình ảnh bằng kỹ thuật chụp cộng hưởng từ MRI, tạo ra các trị số tối ưu của các xung TR, TE khi chụp theo chế độ T1, T2, đồng thời xác định trị số hồi phục r1, r2 để đánh giá chất lượng của chất lỏng từ làm thuốc tương phản trong chẩn đoán hình ảnh bằng kỹ thuật chụp cộng hưởng từ MRI vẫn đang đòi hỏi những nghiên cứu tiếp tục một cách toàn diện và có hệ thống. Xuất phát từ tình hình nghiên cứu về vật liệu nano từ trên thế giới cũng như ở Việt Nam, căn cứ vào tiềm lực nghiên cứu, đào tạo tiến sĩ của Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam, dưới sự hướng dẫn của tập thể các nhà khoa học giàu kinh nghiệm, chúng tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo chất lỏng từ trên nền oxit sắt siêu thuận từ định hướng ứng dụng chụp ảnh cộng hưởng từ MRI” để thực hiện cho nội dung luận án này. Mục tiêu luận án: Mục tiêu của luận án nhằm xây dựng được qui trình chế tạo chất lỏng từ tính kích thước nano trên nền oxit sắt siêu thuận từ (kích thước hạt đồng đều và từ độ bão hòa cao) với công nghệ ổn định; nghiên cứu đặc trưng các tính chất từ của các hạt nano từ; đánh giá độc tính và thử nghiệm tác động lên tế bào, hướng tới mục đích làm thuốc tăng tương phản trong chẩn đoán hình ảnh bằng kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ MRI, ứng dụng trong xác định chính xác mô bệnh ung thư. Các nhóm nội dung chính sau đã được tiến hành trong luận án: 1. Tổng hợp thành công hạt nano siêu thuận từ Fe3O4 có kích thước hạt đồng đều
3 và từ độ bão hòa cao bằng phương pháp thủy nhiệt và phân hủy nhiệt. 2. Chế tạo thành công các mẫu chất lỏng từ có độ bền cao trên nền hạt nano siêu thuận từ Fe3O4 tổng hợp bằng hai phương pháp trên. 3. Nghiên cứu đánh giá độc tính và độ bền của hệ chất lỏng từ. 4. Nghiên cứu khả năng ứng dụng làm chất tăng cường độ tương phản ảnh trong kỹ thuật chụp cộng hưởng từ MRI. Nội dung của luận án được trình bày bao gồm: Chương 1 trình bày tổng quan giới thiệu về cấu trúc, tính chất của vật liệu ferit spinel, các phương pháp chế tạo hạt nano nói chung và đặc biệt đối với hạt nano từ Fe3O4 nói riêng. Các quy trình bọc hạt cũng như các quá trình chuyển pha trên nền hạt nano từ Fe3O4 cũng được trình bày tổng quát. Trong chương 2, các quy trình chế tạo hạt Fe3O4, quy trình chế tạo chất lỏng từ trên nền hạt Fe3O4 và nguyên lý của các phép đo nhằm phân tích và biện luận các kết quả trong luận án được trình bày chi tiết. Các kết quả thu nhận được của luận án và các thảo luận liên quan được tập trung trình bày chi tiết trong chương 3, chương 4 và chương 5. Chương 3 trình bày các kết quả nghiên cứu tổng hợp vật liệu Fe3O4 bằng phương pháp thủy nhiệt cùng các kết quả phân tích về cấu trúc, hình thái học, và các tính chất từ của chúng. Các kết quả nghiên cứu trong chương 4 liên quan đến hệ vật liệu Fe3O4 được tổng hợp bằng phương pháp phân hủy nhiệt cùng các đặc trưng cấu trúc, hình thái, và tính chất từ được trình bày, phân tích và biện luận chi tiết. Chương 5 trình bày các kết quả nghiên cứu định hướng ứng dụng trong y sinh bao gồm các kết quả nghiên cứu độ bền, đánh giá độc tính và thử nghiệm làm chất tăng cường độ tương phản ảnh trong chụp cộng hưởng từ MRI. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án: Bản thân việc tổ chức thực hiện đề tài đã có ý nghĩa quan trọng đối với phát triển một hướng khoa học công nghệ đa ngành là công nghệ nano cho Y học. Sẽ có sự trao đổi học thuật, học hỏi lẫn nhau giữa các nhóm nghiên cứu trong các ngành xưa nay xem như độc lập với nhau. Về mặt khoa học, từ độ của hệ hạt từ cho ứng dụng y sinh bị ảnh hưởng rất mạnh bởi nhiều yếu tố mà cơ chế của các ảnh hưởng này vẫn là vấn đề chưa được nghiên cứu một cách cơ bản. Nhiều hệ hạt nano từ sau khi chế tạo có từ độ bão hòa bị suy giảm đến 60-70% so với vật liệu khối. Đối với ứng dụng y sinh, việc này lại càng quan trọng, vì chế tạo được hệ có từ độ cao sẽ giảm được liều lượng chất lỏng từ cần đưa vào cơ thể sống, đồng nghĩa với giảm được độc hại trong chẩn đoán và điều trị bệnh.