Ứng dụng chất lỏng từ trong nhiệt từ trị

8/15/2019 Ứng dụng chất lỏng từ trong nhiệt từ trị

1/18

MỞ ĐẦU

Từ cách đây hàng nghìn năm con người đã biết sử dụng vật liệu từ tronchữa bệnh. Ngày nay khi khoa học kỹ thuật phát triển, đặc biệt là ngành kh

học công nghệ nano, việc ứng dụng các hạt nano từ cho y sinh học đặc bitrong chuẩn đoán và điều trị ung thư đang là vấn đề thu hút được sự quan tâcủa nhiều nhà khoa học trên thế giới. Công nghệ nano cho phép các nhà khohọc, các kỹ sư và các nhà vật lý làm việc ở mức độ phân tử nguyên tử nhằm tra những tiến bộ vượt bậc trong khoa học đời sống và sức khỏe con người.

Khi kích thước của vật liệu từ được làm giảm tới cỡ nano mét, vật liệuxuất hiện thêm nhiều tính chất mới như: hiện tượng siêu thuận từ, dị hướngmặt, thay đổi nhiệt độ Curie, quá trình lan truyền sóng spin bị gián đoạn, bề m

riêng lớn… Các tính chất này làm cho chúng có những biểu hiện kì lạ hơnhiều so với vật liệu khối vàmột số tính chất là ưu thế trong các ứng dụngsinh. Ý tưởng sử dụng các hạt nano từ trong chẩn đoán và chữa bệnh được cnhà khoa học đưa ra dohạt nano từ có kích thước nhỏ hơn hoặc tương đương vcác thực thể sinh học như tế bào (10 ÷ 100 μm), vi-rút (20 ÷ 450 nm), protein (÷ 50 nm), gen (rộng 2 nm và dài 10 ÷ 100 nm). Thêm vào đó, hạt nano từ có thểxâm nhập có điểu khiển vào cơ thể dưới tác dụng của từ trường ngoài.

Và đề tài nhóm lựa chọn tìm hiểu là:Nghiên cứu chế tạo chất lỏng từ nềnhạt nano Fe3O4 ứng dụng trong diệt tế bào ung thư .

Bố cục của đề tài2chương, nội dung cụ thể các chương như sau:Chương 1:Tổng quan về vật liệu nano Fe3O4Chương 2: ứng dụng trong y học.


2/18

2

Contents

MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1

Bố cục của đề tài ................................................................................................ 1

Chương 1 ........................................................................................................... 3

Tổng quan về vật liệu Fe3O4 ............................................................................ 3

1/Vật liệu Fe3O4 dạng khối .............................................................................. 3

a/Cấu trúc tinh thể ...............................................................................................

b/Tính chất từ ......................................................................................................

2/Vật liệu Fe3O4 dạng hạt kích thước nano mét ............................................. 6

a/Cấu trúc tinh thể ...............................................................................................

b/Tính chất từ trong hạt nano Fe3O4 ................................................................... 6

c/Tương tác giữa các hạt nano Fe3O4 .................................................................. 9

3/Chất lỏng từ .................................................................................................... 9

a/Khái niệm........................................................................................................ 9

b/Tổng quan về các loại vật liệu bọc. .................................................................

Chương 2 ......................................................................................................... 13 Ứng dụng hạt nano Fe3O4 trong y sinh ........................................................ 13

1/Các cơ chế vật lý của hiệu ứng sinh nhiệt sử dụng hạt từ trong ........ 13

từ trường xoay chiều ....................................................................................... 13

a/Tổn hao từ trễ ................................................................................................. 1

b/Tổn hao hồi phục ............................................................................................ 1

c/Một số cơ chế sinh nhiệt khác ......................................................................... 1 2/Các nghiên cứu ứng dụng hạt nano từ Fe3O4 trong nhiệt từ trị ung thư ...... 14


3/18

3

8A 8 8 B 32

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO TỪ Fe3O4 DẠNG HẠT

Tổng quan về vật liệu Fe3O4 1/Vật liệu Fe3O4 dạng khối

a/Cấu trúc tinh thểFe3O4 (magnetite) là hợp chất ôxít phổ biến của nguyên tố sắt, vật liệu

này thuộc họ ferrite spinel có hai phân mạng từ không tương đương và tươngtác giữa các phân mạng là phản sắt từ. Vật liệu Fe3O4 có cấu trúc spinel đảo.

Công thức phân tử: FeO. Fe2O3 = Fe. Fe2O4Mô hình ion: [Fe3+]A[ Fe3+Fe2+]B O42-

Các ion O2-hình thành nên mạng lập phương tâm mặt với hằng số mạnga= 0,8398 nm. Các ion Fe3+, Fe2+ có bán kính ion nhỏ hơn sẽ phân bố trongkhoảng trống giữa các ion O2-. Ion Fe2+ chiếm 1/4 ở vị trí bát diện và ion Fe3+chiếm 1/8 ở vị trí tứ diện và 1/4 ở vị trí bát diện. Cấu trúc này được mô tả nhưhình, trong đó một ô cơ bản bao gồm 8 ô đơn vị và công thức Fe24O32

Cấu trúc tinh thể của vật liệu Fe3O4.

b/Tính chất từ Mô men từỞ nhiệt độ phòng trong vật liệu Fe3O4 luôn tồn tại từ độ tự phát ngay khi

không có từ trường ngoài. Theo lý thuyết trường phân tử, nguồn gốc của tínhchất từ trong vật liệu Fe3O4 là do tương tác trao đổi gián tiếp giữa các ion kimloại trong hai phân mạng A và B thông qua các ion ôxi. Trong vật liệu ferrite

spinel, có 3 loại tương tác trao đổi J A-B , J A-A , J B-Btương ứng với tương tác củaion kim loại trong phân mạng A và phân mạng B. Năng lượng tương tác trao

Ion Oxy3+

Fe ở vị trí tứ diện (A)

Fe and Fe ở vị trí bát diện (B)3+ 2+

Vị trí tứ diện Vị trí bát diện


4/18

4

p cq

B

e B

đổi phụ thuộc vào khoảng cách liên kết giữa các ion từ tính và góc liên kếtgiữa chúng với các ion ôxi.

A BB A

B B B A A p b f

s r A A P B A d

j =125 09’ 154 034’90 0125 02’ 79 038’

Một vài dạng cấu hình sắp xếp ion trong mạng spinel tương ứng với các

tương tác trao đổi, ion A và B là các ion kim loại tương ứng với vị trí tứdiện và bát diện. Vòng tròn lớn là ion ôxi.

Theo lý thuyết Neél, mômen từ trong ferrite là tổng mômen từ trong hai phân mạng Avà B. Có hai khả năng dẫn đến sự tồn tại của mômen từ tự pháttrong ferrite spinel: một là từ độ của hai A và B có độ dài bằng nhau nhưngkhông trực đối nhau, hai là trực đối nhau nhưng có độ lớn khác nhau. Trong

vật liệu Fe3O4, ion Fe3+

có mặt ở cả hai phân mạng nhưng vì mômen từ củaion này sắp xếp đối song nên mômen từ tổng cộng chỉ do ion Fe2+ quyếtđịnh.

Sự phụ thuộc từ độ vào nhiệt độTừ độ của vật liệu ferrite không chỉ phụ thuộc vào từ trường ngoài mà

còn phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ. Mặc dù tương tác trao đổi giữa các mômentừ trong vật liệu ferrite là lớn, nhưng đến một giới hạn năng lượng nhiệt nào đthì trật tự ferrite từ bị phá vỡ. Điều đó xảy ra ở một nhiệt độ đặc trưng gọi

nhiệt độ Curie. Tại nhiệt độ này mô men từ bằng không. Dưới nhiệt độ Curitồn tại phaferrite từ, trên nhiệt độ Curie năng lượng nhiệt phá vỡ trật tự ferrite pha ferrite chuyển thành pha thuận từ. Nhiệt độ Curie thể hiện tính chất nội tạcủa vật liệu và được khảo sát đo đạc thông qua đường đo từ độ theo nhiệt độỞ vùng nhiệt độ thấp, sự phụ thuộc của từ độ theo nhiệt độ được lý giải thlý thuyết sóng spin. Theo lý thuyết này, kích thích nhiệt được xem là nguồngốc gây nên sự dao động của các spin khỏi hướng cân bằng và lan truyền trongvật liệu dưới dạng sóng. Thông thường sự khử từ của các vật liệu sắt từ ferrtừ ở các nhiệt độ dưới nhiệt độ chuyển pha là do sự kích thích của các sóngspin bước sóng dài với năng lượng được đặc trưng bằng hệ số sóng spin D s.


5/18

5

Dị hướng từDị hướng từ là một đặc tính của vật liệu từ, dị hướng có liên quan đến

các tương tác từ trong tinh thể có trật tự từ. Tính dị hướng thể hiện khi tínhchất từ của vật liệu khác nhau theo các phương khác nhau. Nguồn gốc của dịhướng từ liên quan đến các dạng năng lượng tương tác cơ bản xác định trạngthái của vật liệu, trong đó phải kể đến dị hướng từ tinh thể,dị hướng từ đàhồi và các ứng xuất…

Dị hướng từ tinh thể : Trong tinh thể, mô men từ luôn có định hướng ưutiên dọc theo một phương nào đó của tinh thể. Khi từ hóa theo phương ưu tiênthì rất dễ đạt được trạng thái bão hòa, hướng đó gọi là trục dễ. Ngược lại khtừ hóa theo các hướng khác, trạng thái bão hòa từ rất khó đạt được, các hướngnày gọi là trục khó.

Đường cong từ hóa theo các trục của tinh thể Fe3O4 .

Hình mô tả đường cong từ hóa của các tinh thể Fe3O4 theo các phươngkhác nhau. Theo phương từ hóa dễ từ độ nhanh chóng đạt trạng thái bão hòa

ngay khi từ trường đặt vào là nhỏ (cỡ vài trăm Oe). Theo phương từ hóa khóđể đạt trạng thái bão hòa cần từ trường lớn hơn. Dị hướng từ tinh thể biểu thqua sự phụ thuộc của năng lượng từ hóa vào phương của từ trường ngoài đốvới trục tinh thể. Năng lượng dị hướng từ tinh thể ký hiệu E A

Dị hướng ứng suất:Dị hướng này liên quan đến hiện tượng từ giảo haysự thay đổi kích thước của vật liệu khi bị từ hóa.Dị hướng ứng suất đã được quan sát trên nhiều màng mỏng, trong đó ứng suấtsinh ra do sự không trùng khớp về hằng số mạng giữa đế và màng. Dị hướng

do ứng suất có thể có hướng vuông góc với mặt phẳng màng như trường hợpcác màng mỏng của các hợp kim Co(Fe)–Ag(Cu)

Trục khóTrục dễ

M ( A

m ) 2


6/18


7/18

7

Khi kích thước của khối vật liệu giảm tới một giá trị tới hạn nào đó,sự hình thành vách đômen sẽ trở nên không thuận lợi nữa về mặtnăng lượng và vật liệu sẽ có cấu trúc đơn đômen. Trong hạt đơnđômen các spin được sắp xếp theo cùng một hướng. Ở trạng thái đơnđô men sự đảo chiều của momen từ trong hạt liên quan đến tổng sựquay của tất cả các momen từ.

Hiện tượng vật lý quan trọng thứ2 diễn ra trong vật liệu từ kíchthước nano mét là hiện tượng siêuthuận từ và xác định kích thướcgiới hạn siêu thuận từ. Hiện tượnghồi phục siêu thuận từ là mộttrong những tính chất chỉ có ở hạtnano từ, nó liên hệ trực tiếp đến dịhướng từ của hạt nano và thănggiáng nhiệt của từ độ tự phát.khi năng lượng dao động nhiệt lớn hơn năng lượng dị hướng thì mômen từ tự

phát của hạt có thể thay đổi từ hướng của trục dễ sang hướng khác ngay cả khkhông có từ trường ngoài. Hay nói cách khác, dưới một kích thước hạt đặc trưng

nào đó thì kích thích nhiệt sẽ gây ra sự thăng giáng nhanh của mômen từ và quátrình đảo chiều từ độ có thể xảy ra, lúc này mômen từ tương tự như một spinriêng lẻ trong vật liệu thuận từ. Toàn bộ hệ spin có thể bị quay đồng bộ và nhanhchóng đạt trạng thái cân bằng nhiệt dưới tác dụng của từ trường ngoài. Trạngthái từ của tập hợp các hạt từ không tương tác như trên sẽ được gọi là siêu thuậtừ. Điều này giống như tính chất của thuận từ, tuy nhiên mômen từ nguyên tửhoặc ion trong chất thuận từ chỉ cỡ vài Magneton - Bohr nhưng với một hạt nanothì mômen từ nguyên tử cỡ vài nghìn Magneton - Bohr.

Ở trạng thái siêu thuận từ giá trị lực kháng từ ( H C ) trên đường cong từhóa ở nhiệt độ phòng bằng không. Hình mô tả sự phụ thuộc của lực kháng từvào kích thước hạt. Dưới kích thước giới hạn của trạng thái siêu thuận từ, rõràng các hạt không nhớ được trạng thái từ dư sau khi tắt từ trường và chúngkhông có tính từ trễ.


8/18

8

Đồ thị mô tả sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt

Đối với các hạt đơn đômen lực kháng từ thay đổi trong một khoảngrộng từ không tới 2 K / M S. Giới hạn dưới ứng với trường hợp kíchthước hạt siêu thuận từ, khi đó quá trình đảo chiều từ độ xảy ra donăng lượng nhiệt có thể lớn hơn rào năng lượng. Giới hạn trên đạtđược khi kích thước hạt gần với kích thước đơn đômen tới hạn.

Trong vùng kích thước nằm giữa hai giới hạn nêu trên, lực kháng từ phụ thuộc vào trạng thái của hệ các hạt có hoặc không có tương tác.Trong trường hợp các hạt không có tương tác, khi kích thước hạt khálớn so với giới hạn siêu thuận từ, lực kháng từ tăng khi kích thướchạt giảm

Tính chất liên quan đến hiệu ứng bề mặtKhi kích thước vật liệu từ giảm đến cỡ nanomét thì số nguyên

tử trên bề mặt là tương đối lớn so với tổng số nguyên tử của vật liệu,do đó hiệu ứng bề mặt đóng vai trò quan trọng và ảnh hưởng nhiềuđến tính chất từ. Hiệu ứng bềmặt làm giảm mômen từ bão hòa và lànguyên nhân chính tạo ra dị hướng trongcác hạt nano Fe3O4. Sự suy giảm của từ độ bão hòa được quan sát bằng thực nghiệmtrong nhiều hệ hạt nhỏ và được giải thích bằng sự tồn tại của lớp vỏ không từ (lớpchết từ hoặc lớp spin nghiêng) trên bề mặthạt sự suy giảm mômen từ bão hòa theokích thước trong các hạt từ

nano có liên quan tới tỷ lệ đáng kể của diện tích bề mặt so với khối. Các hạđược xem như các quả cầu với phần lõi có cấu trúc spin định hướng song songvà từ độ bão hòa tương tự như của mẫu khối đơn tinh thể lý tưởng. Trong khi đó phần vỏ có cấu trúc spin bất trật tự do các sai lệch về cấu trúc tinh thể và skhuyết thiếu các ion, do đó có thể coi từ độ phần vỏ bé hơn nhiều so với phầnlõi. Khi kích thước hạt giảm, phần vỏ không từ đóng góp đáng kể vào toàn bộthể tích của hạt do đó mô men từ giảm.

Siêu Đơnthuận đô men từ

Đa đômen

DS DS Kích thước hạt (nm)

L ự c k h á n g t ừ ( O e )

Mô hình với cấu trúc lõi vỏ củamột hạt nano từ.


9/18

9

c/Tương tác giữa các hạt nano Fe 3O4

Tương tác giữa các hạt nano từ phụ thuộc vào tính chất nội tại, khoảng

cách và môi trường giữa các hạt. Trong các hệ hạt nano từ thường bao gồmhai loại tương tác là tương tác lưỡng cực giữa các hạt và tương tác trao đổiqua bề mặt của các hạt gần nhau. Tuy nhiên tương tác trao đổi qua bề mặt cáchạt gần nhau thường xuất hiện trong các vật liệu nano phản sắt từ. Trong hhạt nano sắt từ và ferrite từ tương tác lưỡng cực đóng vai trò chủ yếu. Các hạđơn đômen từ được xem như có một mômen từ khổng lồ (so với mômen từcủa một spin đơn lẻ) và tạo ra quanh nó một từ trường khá lớn tại các vị trí lâncận. Từ trường địa phương có thể khác không ngay cả khi không có từ trườngngoài. Do đó khi xét đến trạng thái của hạt nano từ thì tương tác lưỡng cựcgiữa các hạt là yếu tố không thể bỏ qua.

3/Chất lỏng từ

a/Khái niệm

Chất lỏng từ là một khái niệm chỉ một dung dịch bao gồm các hạt có từtính lơ lửng trong chất lỏng mang. Thông thường chất lỏng từ bao gồm những

hạt từ hình cầu (hạt keo) có kích thước cỡ vài nm đến hàng chục nanomet phân tán trong một dung môi có khả năng hoà tan (hình 1.16). Bằng cách sửdụng một chất hoạt động bề mặt bao phủ bên ngoài các hạt nano từ sẽ ngăncản việc kết tụ giữ cho các hạt keo từ phân tán tốt trong nhiều năm.Khi tồn tại ở dạng chất lỏng, chất lỏng từ mang đầy đủ tính chất của một hkeo. Tức là nó có quá trình khuếch tán và sa lắng của các hạt trong chất lỏng.Một trong các đặc trưng của một chất lỏng từ có chất lượng tốt là độ ổn định bao gồm:

- Độ ổn định đối với lực trọng trường- Độ ổn định với gradient từ trường

- Độ ổn định đối với sự kết tụ của các hạt do hiệu ứng tương tác lưỡngcực hay tương tác Van-der-Vaal.


10/18

10

Mô hình cấu tạo chất lỏng từ

Các hạt keo từ đạt được trạng thái ổn định nếu năng lượng nhiệt đủ lớn

để chống lại sự kết tụ của các hạt dưới tác dụng của trọng trường và từtrường.

b/Tổng quan về các loại vật liệu bọc.

Bọc hạt hay chức năng hóa bề mặt hạt nano từ tính sau khi chế tạo làmột yêu cầu quan trọng, đảm bảo tính chất từ cũng như tính tương hợp sinhhọc của hạt nano từ. Khi bề mặt được bọc và chức năng hoá, các hạt nanoFe3O4 dễ dàng phân tán trong một dung môi phù hợp và trở thành những hạtkeo đồng nhất hay còn gọi là chất lỏng từ. Nếu giả thuyết các hạt nano từ làlõi, vật liệu bọc là vỏ thì mô hình bọc hạt được chia thành ba loại: Lõi-vỏ,ma trận (Mosaic-bọc một đám hạt, vỏ-lõi), vỏ-lõi-vỏ

Bọc bằng các phân tử nhỏ và chất hoạt động bề mặtCác hợp chất có phân tử nhỏ và chất hoạt động bề mặt được dùng để bọc hạnano được chia thành ba loại: dầu-dung dịch (Oil-solution), nước – dung dịch(Water-solution) và phân tử lưỡng cực (Amphiphilic). Với các phân tử dạng dầu-dung dịch chúng thường mang một số nhóm chức có tương tác yếu với bề mặtcủa các hạt nano từ như: axit béo hay alkyl phenol (n=6, mạch thẳng hoặc phânnhánh). Ngược lại, trên bề mặt hạt nano từ, các phân tử dạng nước-dung dịch tạra các nhóm chức hóa học tương tác mạnh với môi trường dung môi như: muốiamoni, polyol, lycine. Các phân tử lưỡng cực thường tạo ra trên bề mặt hạt nanocác phân tử ưa nước và kỵ nước. Hiện nay, các nghiên cứu tập trung sử dụng các phân tử dạng nước-dung dịch để bọc hạt nano từ, bởi các phân tử này giúp hạnano từ phân tán tốt trong chất lỏng chứa nước và có tính tương hợp sinh họccao đồng thời dễ gắn với các thực thể sinh học.

: Các dạng bọc hạt nano từ : Lõi – Vỏ (Core-Shell), Ma trận(Matrix), Vỏ-Lõi-Vỏ (Shell-Core-Shell) .

Lõi – VỏBọc đám hạt

Ma trậnVỏ - Lõi

Vỏ - Lõi – Vỏ


11/18

11

Bọc bằng các phân tử sinh họcMột số phân tử sinh học như: protein, polypeptide, khánh nguyên, biotin

và adivin có thể sử dụng để bọc các hạt nano từ.Với các ứng dụng trong y

sinh thì việc sử dụng các phân tử sinh học để chức năng hóa bề măt hạt nanotừ là một lợi thế rất lớn. Các phân tử này làm tăng tính tương hợp sinh họccủa các hạt nano từ và ngụy trang hạt nano giống như những thực thể sinhhọc. Các bước bọc hạt nano từ bằng các phân tử sinh học thường tiến hànhhai bước: Đầu tiên là tổng hợp hệ hạt nano từ có lớp vỏ bọc bằng cácchất hữu cơ phân tử nhỏ hoặc polymer, sau đó gắn các phân tử sinh học lên hệhạt bọc thông qua các liên kết hóa học hoặc hấp phụ vật lý. Hệ hạt bọc bởStraptavidin có thể dễ dàng đính với phân tử biotin nối với chuỗi

oligonucleotide đơn. Các hạt nano từ khi gắn với phân tử sinh học có khảnăng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sinh học đặc biệt trong tách chiếthay trong chụp ảnh cộng hưởng từ.

Bọc bằng các vật liệu vô cơ Ngoài các vật liệu hữu cơ, một số kim loại hay vật liệu vô cơ phi kim

cũng được dùng để bọc hạt oxit sắt như: vàng, bạc, platin, palladium, cacbonhay silica. Tùy vào từng mục đích ứng dụngđể lựa chọn vật liệu kim loại bọc phù hợp. Thông thường, có hai phương pháp để bọc hạt nano từ bằng vật liệuđơn kim loại sạch. Một là khử trực tiếp các ion kim loại này lên bề mặt hạnano từ . Phương pháp này thường dùngđể tổng hợp vật liệu tổ hợp nano từ códạng lõi vỏ và các hạt nano từ có tính chất từ ổn định. Phương pháp thứ haithường được tiến hành khi các hạt nao từ được bọc bằng một lớp chất hữu cvà sau đó các ion đơn kim loại được khử trực tiếp lên bề mặt của hệ hạt bọhữu cơ–nano từ.

Bọc bằng các phân tử lớn – Polymer Ngoài các loại vật liệu kể trên, lớp vỏ bọc bằng các phân tử lớn

(polymer) cũng thu hút được nhiều quan tâm của các nhà khoa học. Lớp vỏ bọc này tạo ra lực đẩy lớn, cân bằng với các lực hút tác động lên hạt nano nhưlực từ hay lực Van Der Vaal. Vật liệu bọc polymer được chia thành hai loại: polymer tổng hợp và polymer tự nhiên. Các polymer tự nhiên như: Tinh bột,chitosan và chitosan biến tính (O-carboxymethyl chitosan) được nghiên cứunhiều trong các ứng dụng y sinh. Các polymer này có nguồn gốc tự nhiên vàthuộc nhóm polysaccharide. Trong ứng dụng y sinh các polymer này thể hiệnnhiều ưu điểm như: có tính tương hợp sinh học cao được ứng dụng rộng rãitrong y dược; cấu trúc phân tử chứa nhiều nhóm chức hóa học có ái lực hóahọc cao với bề mặt hạt nano Fe3O4; giúp ổn định tính chất và làm tăng tính


12/18

12

tương hợp sinh học của các hạt nano Fe3O4; phân tử lượng tương đối lớn, dođó lớp vỏ bọc này tạo ra lực đẩy lớn, cân bằng với các lực hút tác động lên hạnano và ngăn các hạt nano kết đám và phân tán tốt trong dung môi; giúp ngụytrang các hạt nano từ thoát khỏi hệ thống lưới nội mô của tế bào; có khả năngliên kết với các phân tử sinh học polypeptide, kháng thể, en-zim, DNA . Tùyvào từng vật liệu polymer, có thể chia các bọc hạt nano Fe3O4 thành hai loạinhư sau:

i) Bọc ex-situ: là phương pháp bọc mà các hạt nano Fe3O4 và polymerđược tổng hợp riêng rẽ, sau đó từ các chất tổng hợp được mới tiến hành quátrình bọc.

ii) Bọc in-situ: là phương pháp bọc mà polymer được tiến hành phản ứng

bọc hạt ngay trong quá trình tổng hợp hạt nano


13/18

13

Chương 2

CHẤT LỎNG TỪ NỀN HẠT NANO Fe3O4 VÀ ỨNG DỤNGTRONG DIỆT TẾ BÀO UNG THƯ

Ứng dụng hạt nano Fe3O4 trong y sinhVới nhiều đặc tính phù hợp cho các ứng dụng y sinh, hạt nano Fe3O4

được ứng dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực như tách chiết tế bào hay tăngcường các chất trong chụp ảnh cộng hưởng từ .

Nhiệt từ trị ung thư là phương pháp điều trị ung thư dựa trên việc đốtnóng các tế bào bằng việc sử dụng hạt nano từ. Trong quá trình này các hạtnano từ được đưa tới các khối u ung thư. Tại đó, dưới tác động của từ trườngxoay chiều, các hạt nano từ có thể sinh nhiệt lên tới nhiệt độ đủ để tiêu diệt t bào ung thư hoặc làm tăng hiệu quả của quá trình hóa trị. Ưu điểm của phương pháp nhiệt từ trị như sau:

- Tác động trực tiếp và tập trung lên khối u.

- Có thể khống chế được nhiệt độ đủ để tiêu diệt tế bào ung thư mà tế bàothường có thể chịu đựng được, do đó làm giảm tác dụng phụ đối với cáctế bào khỏe mạnh xung quanh khối u.

- Có tác dụng phụ ít hơn so với các phương pháp khác như: hóa trị, xạ trị- Có thể điều trị kết hợp với thuốc chống ung thư trong hệ nano từ đa chức

năng nhằm tăng cường hiệu quả điều trị.1/Các cơ chế vật lý của hiệu ứng sinh nhiệt sử dụng hạt từ trongtừ trường xoay chiều

a/Tổn hao từ trễ

Quá trình đốt nóng các hạt từ trong từ trường xoay chiều có thể liên quan

đến nhiều cơ chế vật lý khác nhau. Với các hạt sắt từ hoặc ferrite từ đađômen, nhiệt lượng được sinh ra chủ yếu do quá trình tổn hao từ trễ. Các hạt


14/18

14

này có chứa nhiều đômen nhỏ, là vùng trong đó các mômen từ được định hướngsong song tự phát với nhau. Dưới tác dụng của từ trường, các đômen có phươngtừ hoá dọc theo hướng của từ trường sẽ nở rộng ra và các đômen khác co lại.Hiện tượng này là bất thuận nghịch, tức là các đường từ hoá theo hai nhánh tăngvà giảm từ trường là không trùng nhau, và do vậy vật liệu sắt từ có “tính trễ”.

b/Tổn hao hồi phục

Khi các hạt ở trạng thái siêu thuận từ, tổn hao từ trễ không còn tồn tạinhưng vẫn có thể thu được công suất toả nhiệt lớn nhờ vào các quá trình tổnhao hồi phục, đó là tổn hao Néel và tổn hao Brown. Trong quá trình tổn hao Néel, từ trường xoay chiều cung cấp năng lượng và giúp các mômen từ quayvượt qua rào năng lượng E = KV , trong đó Klà hằng số dị hướng vàVlà thể

tích của lõi hạt từ. Năng lượng này được giải phóng dưới dạng nhiệt năng khmômen từ của các hạt hồi phục về hướng cân bằng.

c/Một số cơ chế sinh nhiệt khác

Các hạt nano từ sinh nhiệt trong từ trường xoay chiều ngoài cáccơ chế như từ trễ hay hồi phục còn có một dạng tổn hao do ma sátcác hạt từ quay trong lòng chất lỏng. Tương tác của từ trường xoaychiều với từ độ của các hạt từ có thể làm cho chúng dao động hoặc

quay trong môi trường chất lỏng.2/Các nghiên cứu ứng dụng hạt nano từ Fe3O4 trong nhiệt từ trị ung thư

Trong hơn 50 năm qua, các nhà khoa học đã xem phương pháp nhiệt từtrị như là một liệu pháp đầy triển vọng trong việc chữa trị ung thư. Một lượnglớn các công bố tập trung vào hướng nghiên cứu này. Công bố đầu tiên đượcGilchrist và các cộng sự đề xuất vào năm 1957. Ý tưởng của họ là tập trungcác hạt ôxít sắt trong vùng khối u và sau đó đốt nóng chúng trong từ trường

xoay chiều. Đến năm 1979, Gordon và các cộng sự lần đầu tiên sử dụng chấtlỏng từ gồm các hạt magnetite có kích thước khoảng 6nm được bọc dextranđược tiêm lên chuột để chữa khối u vú trên chuột. Từ thí nghiệm này ông đãđưa ra khái niệm về phương pháp: “nhiệt trị nội tế bào”. Sau đó vào năm 1997nhóm của Jordan tiến hành thí nghiệm trên chuột được cấy khối u vú C3H vàđã công bố kết quả khả quan, 44% sống sót và khối u nhỏ đi sau 3 tháng . Kếtquả tốt nhất được công bố vào năm 1998 của nhóm Yanase, 87,5% số chuộtvà khối u không tái phát triển trong vòng 3 tháng . Trong nghiên cứu này, họdùng các magnetoliposome (một loại hạt từ bao gồm lõi là hạt Fe3O4 được bọc bởi một lớp mỡ bên ngoài) được bọc bởi các phân tử kháng thể. Mặc dù đãthu được một số kết quả khả quan nhưng việc tiến đến áp dụng thử nghiệm


15/18

15

trên cơ thể người vẫn gặp nhiều khó khăn, chủ yếu do kích thước các thiết bthường tương đối nhỏ và chỉ phù với cơ thể động vật. Vào giữa những năm1990, nhóm nghiên cứu của Jordan đã đẩy mạnh phát triển phương thức nhiệt-từ trị để bước đầu thử nghiệm trên cơ thể người. Mục tiêu của nghiên cứu lcố gắng đạt được lượng hạt từ có nồng độ đủ cao ở vùng khối u, và sau đóđiều khiển chính xác nhiệt độ đốt bằng việc tính toán chính xác công suất toảnhiệt và phân bố hạt từ trong khối u. Trước tiên, các phân bố của các hạt từ phải được quan sát bằng các thiết bị như siêu âm, chụp xạ hoặc MRI sau khitiêm vào trong cơ thể. Sau đó, sử dụng phân bố không gian và công suất toảnhiệt (SLP) của các hạt từ để tính chính xác khoảng tăng nhiệt độ trong vùngkhối u. Nhiệt độ được đo tức thời với việc sử dụng các đầu dò quang họcđược đưa vào cơ thể. Quá trình đốt nóng có thể được điều khiển bởi các thông

số như cường độ từ trường và thời gian chiếu. Tuy nhiên ngay cả với khối ucó dạng hình cầu, đạt được sự phân bố đồng nhất các hạt từ cũng là rất khókhăn.

Cho đến nay nhóm nghiên cứuJordan đã chế tạo một thiết bị tạo từ trường xoay chiều MFH – 300 F với tầnsố 100 kHz và cường độ 18 kA/m và bắt đầu thử nghiệm chữa trị một số loạung thư trên cơ thể người. Trong những năm gần đây, các nghiên cứu ứngdụng hạt nano Fe3O4 trong nhiệt từ trị vẫn tiếp tục được thực hiện. Các nỗ lựcnghiên cứu vẫn nhằm tìm ra phương pháp tạo chất lỏng từ có lớp vỏ chứcnăng tương hợp sinh học mà không làm suy giảm từ tính của hạt lõi Fe3O4đồng thời vẫn tiến hành các thí nghiệm invitro và invivo trong nhiệt từ trị tế bào. Cho đến hiện nay, các nghiên cứu này vẫn mang tính hàn lâm và thửnghiệm, chưa được ứng dụng nhiều trên lâm sàng và trên bệnh nhân.

Thiết bị MFH – 300 F và chất lỏng từ thương phẩm của công ty MagForcedùngtrong nhiệt-từ trị .


16/18

16

Tài liệu tham khảo.1. Phạm Hoài Linh, Hà Phương Thư, Mai Thu Trang, Nguyễn Xuân

Nghĩa,Đỗ Hùng Mạnh, Trần Đăng Thành, Nguyễn Xuân Phúc và Lê Văn

Hồng,“Chế tạo chất lỏng từ chứa hạt Fe3O4 bọc chitosan”, Tuyển tập cácbáo cáo Hội nghị Vật lý Chất rắn toàn quốc lần thứ VI , Đà nẵng 8-10/11/2009, Nhà xuất bản khoa học tự nhiên và công nghệ, p 891.

2. Pham Hoai Linh, Nguyen Chi Thuan, Nguyen Anh Tuan, Pham VanThach, Tran Cong Yen, Nguyen Thi Quy, Hoang Thi My Nhung, Phi ThiXuyen, Nguyen Xuan Phuc and Le Van Hong, “ Invitro toxicity test and searching the possibility of cancer cell line extermination by magneticheating with using the Fe3O4 magnetic fluid.”,IOP Publishing, Journal of

Physics: ConferenceSeries187 (2009) 012008.3. Pham Hoai Linh, Pham Van Thach, Nguyen Anh Tuan, Nguyen Chi

Thuan, Do Hung Manh, Nguyen Xuan Phuc and Le Van Hong, “ Magnetic fluid based on Fe3O4 nanopaticles, preparation and hyperthermiaapplication”, IOP Publishing, Journal of Physics: Conference Series187(2009) 012069

4. Dai Lam Tran, Van Hong Le,Hoai Linh Pham, Thi My Nhung Hoang,

Thi Quy Nguyen, Thien Tai Luong, Phuong Thu Ha and Xuan Phuc Nguyen, “ Biomedical and environmental applications of magneticanoparticles”,Adv. Nat. Sci: Nanosci. Nanotechnol. 1 (2010) 045013.

5. Pham Hoai Linh, Do Hung Manh, Tran Dai Lam, Le Van Hong, NguyenXuan Phuc, Nguyen Anh Tuan, Nguyen Thanh Ngọc, Vu Anh Tuan,“ Magnetic nanoparticles: study of magnetic heating andadsorption/desorption for biomedical and environmental applications” International Journal of Nanotechnology, 2011, vol 8, pp 399-413

6. Phạm Hoài Linh,Hà Phương Thư, Trần Đăng Thành, Đỗ Hùng Mạnh, Nguyễn Xuân Phúc và Lê Văn Hồng, Nghiên cứu chế tạo chất lỏng từ chứahạt nano Fe3O4 bọc bằng dextran và chitosan biến tính, Hội nghị vật lýchất rắn và khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 7 (SPMS-2011)Thành ph


17/18


18/18

18

Documents

Ứng dụng chất lỏng từ trong nhiệt từ trị