Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu chế tạo và tính chất của cấu trúc lai ferit từ - kim loại (Ag, Au) kích thước nano định hướng ứng dụng trong y sinh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:153

Thêm vào BST

Báo xấu

46
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu nhằm chế tạo cấu trúc lai ferit từ - kim loại (Ag, Au) kích thước nano với đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt nằm trong vùng hồng ngoại gần, có khả năng chuyển đổi quang/từ - nhiệt cao, khả năng tương phản ảnh MRI theo cả hai chế độ chụp trọng T1 và T2 và có khả năng diệt khuẩn mạnh định hướng ứng dụng trong y sinh.

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 và tính chất của cấu trúc lai ferit từ - kim loại (Ag, Au) kích thước nano định hướng ứng dụng trong y sinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ _________________________________________ NGUYỄN THỊ NGỌC LINH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA CẤU TRÚC LAI FERIT TỪ - KIM LOẠI (Ag, Au) KÍCH THƢỚC NANO ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 9 44 01 13 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội - 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ _________________________________________ NGUYỄN THỊ NGỌC LINH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA CẤU TRÚC LAI FERIT TỪ - KIM LOẠI (Ag, Au) KÍCH THƢỚC NANO ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 9 44 01 13 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. LÊ TRỌNG LƢ 2. PGS. TS. NGÔ ĐẠI QUANG Hà Nội - 2020
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Lê Trọng Lư và PGS.TS. Ngô Đại Quang. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án được trích dẫn lại từ các bài báo đã được xuất bản của tôi và các cộng sự. 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 Nguyễn Thị Ngọc Linh i
LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến TS. Lê Trọng Lư và PGS.TS. Ngô Đại Quang - những người Thầy 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. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS. TS. Nguyễn Tuấn Dung, TS. Nguyễn Thiên Vương, TS. Ngô Thanh Dung, TS. Phạm Hồng Nam, TS. Lê Thế Tâm, ThS. Lê Thị Thanh Tâm và các cán bộ Phòng Kỹ thuật Điện - Điện tử, Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (KHCNVN) đã tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành các nhiệm vụ nghiên cứu cũng như hoàn thiện bản luận án. Tôi xin được gửi lời cảm ơn tới cán bộ, giảng viên Khoa Công nghệ Sinh học – Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên, Khoa Sinh học - Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên vì những hợp tác nghiên cứu trong các ứng dụng y sinh. Tôi xin cảm ơn sự ủng hộ và giúp đỡ của anh chị em Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên trong suốt quá trình thực hiện luận án. 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 Ban lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ; Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm KHCNVN và Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình tôi thực hiện luận án. Luận án được thực hiện với sự hỗ trợ kinh phí từ đề tài nghiên cứu cơ bản mã số 103.02-2018.66 và đề tài Khoa học Công nghệ thuộc các hướng Khoa học Công nghệ ưu tiên cấp Viện Hàn Lâm mã số VAST01.08/19-20. Luận án được thực hiện tại Phòng Kỹ thuật Điện - Điện tử, Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm KHCNVN; Phòng Vật liệu nano y sinh, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm KHCNVN; Phòng thí nghiệm Khoa Sinh học, Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên và phòng thí nghiệm Khoa Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên. ii
Sau cùng, tôi muốn gửi tới tất cả những người thân trong gia đình và bạn bè lời cảm ơn chân thành nhất. Chính sự tin yêu mong đợi của gia đình và bạn bè đã tạo động lực cho tôi thực hiện thành công luận án này. Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả luận án Nguyễn Thị Ngọc Linh iii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC .................................................................................................................iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .......................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ...........................................................xi MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .....................................................................................4 VỀ HỆ VẬT LIỆU NANO FERIT TỪ - KIM LOẠI QUÝ ..................................4 1.1. Giới thiệu chung về vật liệu nano ferit từ - kim loại quý ...............................4 1.1.1. Tính chất từ của vật liệu ferit từ ...............................................................4 1.1.2. Tính chất quang của vật liệu kim loại quý (Ag, Au) ................................ 6 1.1.3. Hệ vật liệu lai ferit từ - kim loại quý ........................................................9 1.2. Tính chất vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý .........................................13 1.2.1. Tính chất từ .............................................................................................13 1.2.2. Tính chất quang ......................................................................................14 1.2.3. Tính tương thích sinh học và ổn định hóa lý ..........................................16 1.3. Ứng dụng của vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý trong y sinh ............17 1.3.1. Ứng dụng nhiệt trị trong điều trị ung thư ...............................................17 1.3.2. Chẩn đoán hình ảnh ................................................................................23 1.3.3. Ứng dụng kháng khuẩn ..........................................................................27 1.3.4. Dẫn thuốc hướng đích ............................................................................30 1.4. Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý ..................31 1.4.1. Tổng hợp vật liệu nano ferit từ ............................................................... 32 1.4.2. Tổng hợp vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý ..................................33 1.4.3. Biến tính bề mặt vật liệu nano lai ...........................................................40 CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...43 2.1. Nguyên liệu và hóa chất ...................................................................................43 2.2. Tổng hợp vật liệu .............................................................................................. 44 2.2.1. Tổng hợp hạt nano ferit từ ......................................................................44 iv
2.2.2. Tổng hợp các hệ nano lai ferit từ - kim loại (Ag, Au) ............................46 2.2.3. Chuyển pha hạt nano sang môi trường nước ..........................................48 2.3. Các phƣơng pháp đặc trƣng vật liệu .............................................................. 48 2.3.1. Kính hiển vi điện tử truyền qua .............................................................48 2.3.2. Nhiễu xạ tia X .........................................................................................49 2.3.3. Từ kế mẫu rung.......................................................................................50 2.3.4. Phổ hấp thụ phân tử UV-Vis ..................................................................50 2.3.5. Phổ hấp thụ hồng ngoại ..........................................................................51 2.3.6. Phổ tán sắc năng lượng tia X ..................................................................51 2.3.7. Phân tích nhiệt khối lượng .....................................................................52 2.3.8. Phương pháp tán xạ ánh sáng động ........................................................52 2.4. Phƣơng pháp đánh giá độc tính của vật liệu .................................................53 2.5. Phƣơng pháp đánh giá hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu ........................55 2.6. Phƣơng pháp xác định hiệu ứng quang/từ - nhiệt ........................................56 2.7. Phƣơng pháp chụp ảnh cộng hƣởng từ hạt nhân .........................................58 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................60 3.1. Hạt nano ferit từ ............................................................................................... 60 3.1.1. Hình thái học ..........................................................................................60 3.1.2. Cấu trúc pha tinh thể...............................................................................66 3.1.3. Tính chất từ .............................................................................................68 3.1.4. Cấu trúc lớp vỏ bọc hạt nano ferit ..........................................................69 3.2. Hạt nano lai Fe3O4-(Ag, Au) ............................................................................71 3.2.1. Hình thái học ..........................................................................................71 3.2.2. Cấu trúc pha tinh thể...............................................................................82 3.2.3. Tính chất quang ......................................................................................82 3.2.4. Tính chất từ .............................................................................................85 3.2.5. Thành phần hóa học................................................................................87 3.3. Hạt nano bọc PMAO ........................................................................................90 3.3.1. Quá trình chuyển pha hạt nano bằng PMAO .........................................90 3.3.2. Tính chất quang của vật liệu ...................................................................91 3.3.3. Cấu trúc lớp vỏ bọc của vật liệu .............................................................92 3.3.4. Độ bền của vật liệu .................................................................................93 v
3.3.5. Đánh giá độc tính của vật liệu ................................................................ 96 3.4. Khả năng ứng dụng của vật liệu nano lai trong y sinh.................................102 3.4.1. Hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu ......................................................102 3.4.2. Hiệu ứng chuyển đổi quang/từ - nhiệt của vật liệu ..............................105 3.4.3. Đánh giá độ hồi phục r1, r2 của vật liệu ................................................113 KẾT LUẬN ............................................................................................................118 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN.....................................................119 ĐỊNH HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ....................................................120 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..............121 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................123 PHỤ LỤC ...............................................................................................................137 vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT I. Danh mục các ký hiệu a Hằng số mạng của tinh thể C Nồng độ dTEM Đường kính hạt nano tính theo phương pháp TEM dXRD Đường kính hạt nano tính theo phương pháp XRD D Đường kính vòng kháng khuẩn D2 Đường kính vòng kháng khuẩn tính từ tâm đục lỗ D1 Đường kính đục lỗ thạch E Suất điện động cảm ứng f Tần số H Cường độ từ trường ngoài Hc Lực kháng từ K Hằng số dị hướng từ tinh thể M Mômen từ Ms Từ độ bão hòa Mr Từ dư P Mật độ công suất laze R1 Tốc độ hồi phục dọc R2 Tốc độ hồi phục ngang r1 Độ hồi phục dọc r2 Độ hồi phục ngang T Nhiệt độ Tmax Nhiệt độ cực đại T1 Chụp MRI theo chế độ trọng T1 T2 Chụp MRI theo chế độ trọng T2 T1 Thời gian hồi phục spin-mạng (dọc) T2 Thời gian hồi phục spin-spin (ngang) V Thể tích dung dịch @ Được bọc bởi vii
II. Danh mục các chữ viết tắt Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Abs Absorbance Độ hấp thụ I-BW The first biological window Cửa sổ sinh học thứ nhất II-BW The second biological window Cửa sổ sinh học thứ hai CT Computed tomography Chụp cắt lớp vi tính DLS Dynamic light scattering Tán xạ ánh sáng động DMSO Dimethyl sulfoxide Dimetyl sunfoxit DOX Doxorubicin Doxorubicin DAPI 4′,6-diamidino-2-phenylindole 4′,6-diamidino-2- phenylindol DNA Deoxyribonucleic acid Axit deoxiribonucleic DSPE-PEG 1,2-distearoyl-sn-glycero-3- 1,2-distearoyl-sn-glycero-3- phosphoethanolamine-N- photphoetanolamin-N- [amino(polyethylene glycol)-2000] [amino(polyetylen glycol)- 2000] DMF N,N-dimethylformamide N,N-dimetyl formamit HDA Hexadecylamine Hexadexylamin HNPs Hybrid nanoparticles Hạt nano lai LA Lauric acid Axit lauric MFe2O4 Spinel ferrites Ferit spinel MTT 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5- 3-(4,5-dimetylthiazol-2-yl)- diphenyltetrazolium bromide 2,5-diphenyltetrazol bromit MRI Magnetic resonance imaging Ảnh cộng hưởng từ hạt nhân MHT Magnetic hyperthermia Tăng thân nhiệt dưới tác dụng của từ trường (hiệu ứng từ - nhiệt) NPs Nanoparticles Hạt nano NIR Near infrared Hồng ngoại gần OA Oleic acid Axit oleic OLA Oleylamine Oleylamin viii
OCD-ol 1-octadecanol 1-octadecanol ODE 1-octadecene 1-octadecen PA Photoacoustic Chụp ảnh quang âm PAA Poly(acrylic acid) Axit poly(acrylic) PBS 1X Phosphate buffered saline Photphat buffered salin PEG Polyethylene glycol Polyetylen glycol PMAO Poly(maleic anhydride-alt-1- Poly(maleic anhydrit-alt-1- octadecene) octadecen) PTT Photothermal therapy Tăng thân nhiệt dưới tác dụng của ánh sáng (hiệu ứng quang - nhiệt) ROS Reactive oxygen species Các dạng gốc tự do oxy hóa RF Radio frequency Tần số vô tuyến SLP Specific loss power Công suất tổn hao riêng SQUID Superconducting quantum Giao thoa kế lượng tử siêu interference device dẫn SPR Surface plasmon resonance Cộng hưởng plasmon bề mặt TEOS Tetraethyl orthosilicate Tetraetyl orthosilicat TOPO Trioctylphosphine oxide Trioctylphotphin oxit VSM Vibrating sample magnetometer Từ kế mẫu rung ix
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Điều kiện tổng hợp hạt nano Fe3O4. .........................................................45 Bảng 2.2. Mẫu nano ferit từ tổng hợp với nồng độ cao tiền chất. ............................46 Bảng 2.3. Sự phụ thuộc độ ổn định của hệ keo vào giá trị thế Zeta ..........................53 Bảng 3.1. Ảnh hưởng của điều kiện phản ứng đến kích thước hạt nano Fe3O4........60 Bảng 3.2. Kích thước hạt ferit từ thu được khi tổng hợp với nồng độ cao tiền chất.66 Bảng 3.3. Hằng số mạng và kích thước hạt của một số ferit từ. .............................. 67 Bảng 3.4. Từ độ bão hòa và lực kháng từ của các mẫu ferit từ kích thước khác nhau. .68 Bảng 3.5. Ảnh hưởng của điều kiện tổng hợp đến cấu trúc lai Fe3O4/Ag. ...............72 Bảng 3.6. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ dày lớp vỏ Ag trong cấu trúc Fe3O4@Ag. ...................................................................................................................................76 Bảng 3.7. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến kích thước hạt Ag trong cấu trúc Fe3O4-Ag. ...................................................................................................................................77 Bảng 3.8. Ảnh hưởng của dung dịch H[AuCl4] đến kích thước và hình thái vật liệu lai Fe3O4/Au. .............................................................................................................81 Bảng 3.9. Cực đại hấp thụ SPR của hệ nano lai Fe3O4/Ag. ......................................84 Bảng 3.10. Ảnh hưởng của dung dịch H[AuCl4] đến vị trí SPR của hệ Fe3O4/Au. ......84 Bảng 3.11. Từ độ bão hòa và lực kháng từ của vật liệu Fe3O4 và Fe3O4/Ag. ...........86 Bảng 3.12. Thành phần hóa học của vật liệu Fe3O4/Au. ...........................................88 Bảng 3.13. Kích thước vòng kháng khuẩn của vật liệu Fe3O4, Ag và Fe3O4/Ag. ..104 Bảng 3.14. So sánh phương thức gia nhiệt kết hợp (MHT + PTT) với MHT ........110 Bảng 3.15. So sánh phương thức gia nhiệt kết hợp (MHT + PTT) với PTT ...........111 Bảng 3.16. Độ hồi phục r1, r2 của một số chất tương phản MRI. ...........................115 x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Minh họa sự sắp xếp các mômen từ của vật liệu. .......................................4 Hình 1.2. Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt của nano kim loại quý. ..............6 Hình 1.3. Phổ UV-Vis của nano Au với hình dạng và kích thước khác nhau ............9 Hình 1.4. Ảnh TEM của một số hệ nano lai ferit từ - kim loại quý khác nhau ........10 Hình 1.5. Cấu trúc của nano lai Fe3O4-Au ................................................................ 11 Hình 1.6. Ảnh TEM và minh họa cấu trúc hạt lai Fe3O4/Au ....................................12 Hình 1.7. Đường cong từ trễ của nano ferit từ và hệ lai ferit từ - kim loại quý ........13 Hình 1.8. Phổ UV-Vis của dung dịch hạt Au rỗng và hạt lai Fe3O4 – Au rỗng ........14 Hình 1.9. Mô hình lai mô tả sự tương tác giữa hạt nano cầu đặc và rỗng. ...............15 Hình 1.10. Sự tác động của nhiệt độ lên tế bào ung thư ...........................................18 Hình 1.11. Minh họa chuyển động Néel và Brown. .................................................19 Hình 1.12. Các quá trình khác nhau xảy ra trên hạt nano khi được chiếu sáng . ......20 Hình 1.13. Độ hấp thụ quang của mô người đối với ánh sáng..................................21 Hình 1.14. Minh họa phương pháp quang/từ - nhiệt trị ............................................22 Hình 1.15. Cách tính tốc độ tăng nhiệt ban đầu . ......................................................23 Hình 1.16. Nguyên lý của chụp ảnh cộng hưởng từ .................................................25 Hình 1.17. Ảnh MRI trọng T1 và T2 của hệ lai F-AuNC@Fe3O4. ..........................26 Hình 1.18. Cơ chế kháng khuẩn của các hạt nano Ag ..............................................28 Hình 1.19. Sơ đồ mô tả tương tác của Ag NPs lên vi khuẩn theo thời gian . ...........29 Hình 1.20. Quá trình điều trị kết hợp quang – nhiệt trị và hóa trị liệu .....................31 Hình 1.21. Các hạt nano Au-Fe3O4 kết hợp với Herceptin và phức platin để nhắm mục tiêu tế bào và phân phối thuốc ...........................................................................31 Hình 1.22. Minh họa sự hình thành NPs theo phương pháp heating – up ................32 Hình 1.23. Sự phát triển khác nhau của vật liệu A trên hạt mầm B ................................ 34 Hình 1.24. Sự hình thành hệ lai ferit từ-(Ag, Au) ....................................................36 Hình 1.25. Sự hình thành hệ lai ferit từ@silica-(Ag, Au).........................................37 Hình 1.26. Sự hình thành hệ lai ferit từ@polyme@Au ............................................38 Hình 1.27. Minh họa các giai đoạn hình thành hệ lai Fe3O4@Au rỗng ....................39 Hình 1.28. Quá trình trao đổi phối tử hai bước của các hạt Fe3O4-Au dumbbell ..........41 Hình 1.29. Minh họa liên kết giữa DSPE-PEG-COOH với NPs trước và sau khi bọc. ......42 xi
Hình 2.1. Hệ thiết bị tổng hợp hạt nano. ...................................................................44 Hình 2.2. Quy trình tổng hợp hệ nano lai Fe3O4/Au rỗng.........................................47 Hình 2.3. Quy trình chuyển pha hạt nano sang môi trường nước bằng PMAO. ......48 Hình 2.4. Thiết bị xác định hiệu ứng từ - nhiệt của vật liệu. ....................................56 Hình 2.5. Thiết bị laze diode quang sợi và cấu tạo hệ đo hiệu ứng quang - nhiệt. ...57 Hình 2.6. Sơ đồ thí nghiệm hệ đo hiệu ứng quang/từ - nhiệt kết hợp. ......................57 Hình 3.1. Ảnh TEM mẫu F8, F9, F10, F11 và biểu đồ phân bố kích thước hạt (e). ..61 Hình 3.2. Ảnh TEM mẫu F2, F6 , F10, F14 và biểu đồ phân bố kích thước hạt (e). 62 Hình 3.3. Ảnh TEM và biểu đồ phân bố kích thước hạt mẫu F17 và F18 . ..............63 Hình 3.4. Ảnh TEM mẫu F15, F16, F17 và biểu đồ phân bố kích thước hạt (e). .....64 Hình 3.5. Ảnh TEM mẫu Fe3O4, CoFe2O4 và MnFe2O4 với nồng độ cao tiền chất ...................................................................................................................................66 Hình 3.6. Giản đồ nhiễu xạ tia X của Fe3O4 và MFe2O4. .........................................67 Hình 3.7. Đường cong từ trễ của Fe3O4 và MFe2O4. ...............................................68 Hình 3.8. Phổ FT-IR của mẫu F10, CF-673 và MF-673. ..........................................70 Hình 3.9. Giản đồ phân tích nhiệt TGA của mẫu F10. .............................................70 Hình 3.10. Ảnh TEM và biểu đồ phân bố kích thước hạt của Fe3O4 và cấu trúc lai Fe3O4/Ag với  = [Ag]/[Fe] thay đổi. ........................................................................73 Hình 3.11. Ảnh TEM và biểu đồ phân bố kích thước hạt của nano Ag. ...................75 Hình 3.12. Ảnh TEM cấu trúc lai Fe3O4/Ag tại thời gian phản ứng khác nhau .........76 Hình 3.13. Sơ đồ thể hiện sự phát triển hình thái cấu trúc lai Fe3O4/Ag. .................77 Hình 3.14. Ảnh TEM và biểu đồ phân bố kích thước hạt của hệ lai Fe3O4/Au đặc. ......78 Hình 3.15. Ảnh TEM khuôn nano Fe3O4@Ag và hệ lai Fe3O4/Au. .........................79 Hình 3.16. Sơ đồ mô tả cơ chế hình thành hệ lai Fe3O4/Au rỗng. ............................79 Hình 3.17. Ảnh TEM của Fe3O4@Ag và hệ lai Fe3O4/Au .......................................80 Hình 3.18. Ảnh hưởng của lượng dung dịch H[AuCl4] đến cấu trúc lai Fe3O4/Au. .81 Hình 3.19. Giản đồ nhiễu xạ tia X của Fe3O4, Ag và hệ nano lai Fe3O4/Ag. ................82 Hình 3.20. Phổ UV-Vis của Fe3O4, Ag, Fe3O4/Ag và Fe3O4/Au (đặc, rỗng). ...............83 Hình 3.21. Đường cong từ trễ của Fe3O4 và Fe3O4/Ag. ............................................85 Hình 3.22. Đường cong từ trễ của Fe3O4@Ag và Fe3O4/Au rỗng . ............................86 Hình 3.23. Phổ EDS của Fe3O4/Ag. ..........................................................................87 Hình 3.24. Phổ EDS của Fe3O4/Au. ..........................................................................88 xii
Hình 3.25. Sự phân bố của các nguyên tử trong Fe3O4/Au rỗng. .............................89 Hình 3.26. Quá trình chuyển pha hạt nano bằng PMAO .............................................90 Hình 3.27. Phổ UV-Vis của Fe3O4@Ag@PMAO và Fe3O4/Au rỗng@PMAO. ......91 Hình 3.28. Phổ FT-IR của Fe3O4/Au rỗng trước và sau khi chuyển pha. .................92 Hình 3.29. Giản đồ TGA của Fe3O4/Au rỗng trước và sau khi chuyển pha. ............93 Hình 3.30. Giản đồ phân bố kích thước hạt và thế Zeta của dung dịch hạt lai Fe3O4@Ag@PMAO và Fe3O4/Au rỗng@PMAO. ...................................................94 Hình 3.31. Thế Zeta của dung dịch hạt lai Fe3O4@Ag@PMAO và Fe3O4/Au rỗng@PMAO sau 12 tháng chế tạo. .........................................................................95 Hình 3.32. Dung dịch hạt nano lai Fe3O4@Ag@PMAO và Fe3O4/Au rỗng@PMAO trong nước với nồng độ muối NaCl và pH khác nhau. .............................................95 Hình 3.33. Tỉ lệ tăng sinh của tế bào AGS (a) và MKN45 (b) sau 48 h xử lý với Fe3O4@Ag@PMAO. ................................................................................................ 97 Hình 3.34 . Hình thái tế bào và nhân tế bào AGS sau 48 h xử lý với Fe3O4@Ag@PMAO. .................................................................................................97 Hình 3.35. Hình thái tế bào và nhân tế bào MKN45 sau 48 h xử lý với Fe3O4@Ag@PMAO..................................................................................................98 Hình 3.36. Tỉ lệ tăng sinh của tế bào AGS và MKN45 sau 48 h xử lý với Fe3O4/Au rỗng@PMAO. ...........................................................................................................99 Hình 3.37. Hình thái tế bào và nhân tế bào MKN45 sau 48 h xử lý với Fe3O4/Au rỗng@PMAO. ...........................................................................................................100 Hình 3.38. Hình thái tế bào và nhân tế bào MKN45 sau 48 h xử lý với Fe3O4/Au rỗng@PMAO. ...........................................................................................................101 Hình 3.39. Hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu Fe3O4@PMAO, Ag@PMAO và Fe3O4/Ag@PMAO. .................................................................................................103 Hình 3.40. Hiệu ứng MHT của vật liệu Fe3O4/Au rỗng@PMAO tại từ trường khác nhau .........................................................................................................................106 Hình 3.41. Hiệu ứng PTT của vật liệu Fe3O4/Au rỗng@PMAO tại mật độ công suất laze khác nhau .........................................................................................................107 Hình 3.42. Đường đốt quang/từ và giá trị SLP của vật liệu Fe3O4/Au rỗng@PMAO. .................................................................................................................................108 xiii
Hình 3.43. Hiệu ứng (MHT + PTT) của vật liệu Fe3O4/Au rỗng@PMAO tại từ trường 100 ÷ 250 Oe ...............................................................................................109 Hình 3.44. Hiệu ứng (MHT + PTT) của vật liệu Fe3O4/Au rỗng@PMAO tại laze 0,2 ÷ 0,65 W/cm2 ..........................................................................................................110 Hình 3.45. Ảnh hưởng của nồng độ Fe3O4/Au rỗng@PMAO đến hiệu ứng (MHT + PTT). .......................................................................................................................112 Hình 3.46. Ảnh MRI trọng T2 và đường tuyến tính 1/T2 của Fe3O4/Au rỗng@PMAO . ........................................................................................................113 Hình 3.47. Ảnh MRI trọng T1 và đường tuyến tính 1/T1 của Fe3O4/Au rỗng@PMAO . ........................................................................................................113 Hình 3.48. Ảnh MRI trọng T1 tại giá trị TR khác nhau và trọng T2 tại giá trị TE khác nhau của Fe3O4/Au rỗng@PMAO. .................................................................114 xiv
MỞ ĐẦU Những năm gần đây, công nghệ và vật liệu nano ra đời đã tạo nên bước nhảy đột phá trong nhiều lĩnh vực như: điện tử, xúc tác, môi trường và đặc biệt là y sinh [1–3]. Các ứng dụng này dựa trên tính chất độc đáo của vật liệu có kích thước nano liên quan đến hiệu ứng bề mặt. Trong lĩnh vực y sinh, nhu cầu đối với các giải pháp công nghệ cũng như các vật liệu kích thước nano sử dụng trong chẩn đoán và điều trị bệnh đang trở nên cấp thiết. Một trong những loại vật liệu mang lại nhiều tiềm năng cho hướng ứng dụng này là vật liệu nano lai, trong đó phải kể đến cấu trúc lai từ - quang [4]. Các nghiên cứu gần đây cho thấy sự kết hợp của tính chất từ và tính chất quang trên một cấu trúc nano đã cải thiện ứng dụng của hạt nano (nanoparticles - NPs) đơn lẻ và mở ra những hướng mới trong lĩnh vực y sinh. Ưu điểm của cấu trúc lai từ - quang trong lĩnh vực này là chỉ một lần kích hoạt bởi những kích thích vật lý phù hợp đã đạt được mục tiêu mong muốn, do đó giảm thiểu tác dụng phụ của chúng đối với cơ thể. Hơn nữa, một số chức năng có thể hoạt động phối hợp để nâng cao hiệu quả trong các phương thức trị liệu [5]. Chẳng hạn, cấu trúc lõi - vỏ của nano từ và nano kim loại quý (Ag, Au) được ứng dụng trong kháng khuẩn [6], chẩn đoán hình ảnh [7], từ - nhiệt trị [8], quang - nhiệt trị [9] và kết hợp quang/từ - nhiệt trị [10, 11]. Một hạt nano kim loại quý cũng có thể phát triển trên một hạt nano từ tạo nên cấu trúc dumbbell để đạt được các thuộc tính giao thoa thú vị. Thuộc tính này có được là do ảnh hưởng của hiệu ứng chuyển điện tử qua giao diện của hạt nano từ và nano kim loại quý (như các hệ Fe3O4-Ag hoặc Fe3O4-Au) dẫn đến sự hình thành bề mặt dị hướng cao [12]. Hiện nay, một số hệ lai từ - quang được nghiên cứu nhằm mục đích ứng dụng trong y sinh, điển hình là hệ nano lai Fe3O4/Au [13, 14]. Các nghiên cứu ứng dụng vật liệu Fe3O4/Au trong chẩn đoán hình ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (magnetic resonance imaging - MRI) và điều trị ung thư bằng nhiệt trị (quang/từ - nhiệt) đã thu được một số kết quả đáng chú ý [15]. Tuy nhiên, các hạt nano lai (hybrid nanoparticles - HNPs) Fe3O4/Au cấu trúc lõi - vỏ với lớp Au đặc phủ trên bề mặt lõi Fe3O4 đã hạn chế đáng kể sự kết nối của các proton với thành phần từ, dẫn đến giảm 1
tín hiệu tương phản ảnh MRI có trọng số T2. Ngoài ra, Fe3O4/Au với kích thước nhỏ (dưới 20 nm) chỉ hấp thụ các bức xạ trong vùng 530 ÷ 600 nm [16] nên hạn chế sự thâm nhập sâu vào các lớp mô, làm giảm hiệu suất gia nhiệt trong phương pháp quang - nhiệt trị. Để tăng hiệu quả nhiệt trị, vật liệu cần hấp thụ mạnh bức xạ trong vùng hồng ngoại gần 650 ÷ 950 nm (near infrared - NIR), vì ánh sáng NIR có khả năng xuyên sâu vào các lớp mô, còn gọi là “cửa sổ sinh học” [17]. Để đáp ứng điều này, gần đây các nhà khoa học đã nghiên cứu chế tạo một số hệ nano lai Fe 3O4/Au có cấu trúc rỗng. Cho đến nay các hệ lai Fe3O4/Au rỗng chế tạo được có kích thước hạt lớn (40 ÷ 100 nm) [17, 18] nên ảnh hưởng đến sự lưu thông trong máu. Do đó, việc chế tạo các hạt nano lai Fe3O4/Au rỗng có kích thước hạt nhỏ (dưới 20 nm) và tích hợp cả tính chất từ và quang trong vùng NIR vẫn là một thách thức lớn hiện nay. Ở Việt Nam, theo hiểu biết của chúng tôi, các công bố về phương pháp chế tạo hệ vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý (Ag, Au), tích hợp tính chất từ và quang để ứng dụng trong y sinh còn rất hạn chế. Các kết quả nghiên cứu ứng dụng hệ nano lai Fe3O4-(Ag, Au) làm chất tương phản trong chụp ảnh MRI theo cả hai chế độ trọng T1 và trọng T2, đồng thời làm chất gia nhiệt (quang/từ - nhiệt) trong điều trị ung thư, vẫn chưa được công bố. Bởi những lý do trên chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài luận án “Nghiên cứu chế tạo và tính chất của cấu trúc lai ferit từ - kim loại (Ag, Au) kích thước nano định hướng ứng dụng trong y sinh”. Mục tiêu nghiên cứu của luận án: Chế tạo cấu trúc lai ferit từ - kim loại (Ag, Au) kích thước nano với đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt nằm trong vùng hồng ngoại gần, có khả năng chuyển đổi quang/từ - nhiệt cao, khả năng tương phản ảnh MRI theo cả hai chế độ chụp trọng T1 và T2 và có khả năng diệt khuẩn mạnh định hướng ứng dụng trong y sinh. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án: Nghiên cứu này mở đường cho việc thiết kế các hệ vật liệu nano lai đa chức năng vừa chẩn đoán, vừa điều trị bệnh hiệu quả nhằm giảm thiểu thiệt hại cho các mô lành trong quá trình điều trị. 2
Bố cục của luận án: Luận án có 120 trang (chưa bao gồm tài liệu tham khảo), gồm các nội dung: Mở đầu Chương 1. Tổng quan về hệ vật liệu nano ferit từ - kim loại quý Chương 2. Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu Chương 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Hạt nano ferit từ 3.2. Hạt nano lai Fe3O4-(Ag, Au) 3.3. Hạt nano bọc PMAO 3.4. Khả năng ứng dụng của vật liệu Fe3O4-(Ag, Au) trong y sinh Kết luận 3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ VẬT LIỆU NANO FERIT TỪ - KIM LOẠI QUÝ 1.1. Giới thiệu chung về vật liệu nano ferit từ - kim loại quý 1.1.1. Tính chất từ của vật liệu ferit từ Tính chất từ của các vật liệu khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc điện tử của chúng. Các mômen từ của nguyên tử được tạo ra bởi mômen từ của các điện tử liên quan đến chuyển động nội tại của điện tử (chuyển động spin) và mômen từ quỹ đạo do chuyển động của điện tử quanh hạt nhân nguyên tử gây ra. Trong tự nhiên, tất cả các vật liệu đều bị từ hóa ở một mức độ nào đó. Tính chất từ của vật liệu được xác định bởi cấu trúc điện tử của nguyên tử tạo nên vật liệu đó. Ta có thể phân loại các vật liệu từ theo độ cảm từ () hay hệ số từ hóa. Độ cảm từ có thể có giá trị từ 10-5 đối với vật liệu từ rất yếu (nghịch từ) đến 10+6 đối với vật liệu từ rất mạnh (sắt từ) [19]: Hình 1.1. Sơ đồ minh họa sự sắp xếp các mômen từ của các vật liệu khác nhau khi không có và có từ trường bên ngoài (H) [20]. 4