Chế tạo vật liệu tổ hợp chitosan fe3o4 Al(OH)3 cấu trúc nano và ứng dụng hấp phụ kim loại nặng (pb, cd, co, cu, ni) trong bảo vệ môi trường

1

MỞ ĐẦU
Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường, ô nhiễm nguồn nước đang là thách thức
của Việt Nam cũng như nhiều nước trên thế giới. Đặc biệt, kim loại nặng trong
nước được đánh giá là một trong các nhóm tác nhân độc hại nhất đối với môi trường
và con người. Kim loại nặng thường không tham gia hoặc ít tham gia vào quá trình
sinh hóa của các thể sinh vật và thường tích lũy trong cơ thể chúng, nên chúng rất
độc hại với sinh vật. Nhiễm độc kim loại ở người có liên quan đến các hiện tượng
sinh quái thai, ung thư, loét da, chậm phát triển về trí tuệ, hư hại gan thận và nhiều
loại bệnh khác. Thêm vào đó, các phế thải chứa kim loại độc phát sinh từ những
nguồn rất phổ biến như: khai mỏ, thuộc da, mạ điện, sản suất sơn, ác quy và đạn
dược… Ngoài ra, hoạt động nông nghiệp cũng chính là một nguồn gây ô nhiễm kim
loại nặng. Việc lạm dụng các loại phân bón hóa học, hóa chất bảo vệ thực vật đã
làm gia tăng lượng tồn dư các kim loại trong đất. Do đó, một nhiệm vụ đặt ra đối
với các nhà khoa học hiện nay là tìm ra các phương pháp có hiệu quả để loại bỏ kim
loại từ đất và các nguồn nước.
Ở Việt Nam đã có một số biện pháp được đưa ra xử lí nhưng hiệu quả chưa cao,
chi phí xử lí lớn, chưa triệt để… Vì vậy việc nghiên cứu chế tạo vật liệu tối ưu, giá
thành rẻ, dễ sử dụng, có khả năng tái sử dụng là rất cần thiết. Một số vật liệu mới
như nano sắt từ, Fe
3
O
4
nano kết hợp Al(OH)
3
, chế phẩm PVA, PVA/Chitosan… đã
được nghiên cứu nhằm ứng dụng trong xử lí môi trường, đặc biệt là để tách kim loại
nặng dạng ion ra khỏi nguồn nước, tuy nhiên hiệu quả chưa đạt như mong muốn. Sự
kết hợp cùng lúc nhiều vật liệu vừa có khả năng hấp phụ, vừa có những đặc trưng
hữu ích khác với nhạu là một hướng mới trong nghiên cứu cả trong nước và trên thế

giới. Trong luận văn này, tác giả kết hợp 3 chất có khả năng hấp phụ là Fe
3
O
4
kích
thước nano, Al(OH)
3
(với khả năng tạo mao quản làm tăng diện tích bề mặt vật
liệu) và chitosan (có khả năng tạo phức với ion kim loại nặng) trong cùng một loại
vật liệu với mục đích làm tăng khả năng hấp phụ của vật liệu, đồng thời khai thác
được đặc trưng từ tính của vật liệu nhằm tách vật liệu sau hấp phụ khỏi dung dịch
và tái tạo vật liệu bằng phương pháp đốt nhiệt từ giải hấp phụ.
2

Bên cạnh đó, việc ứng dụng hạt nano Fe
3
O
4
và khai thác đặc trưng của chitosan
hay dẫn xuất của nó đặc biệt được chú ý trong lĩnh vực y sinh học. Sở dĩ như vậy là
do các hạt nano oxit sắt từ Fe
3
O
4
có khả năng tương tác với từ trường ngoài. Ngoài
ra, các hạt nano từ tính Fe
3
O
4
được xác nhận là không gây độc với cơ thể và có thể

được điều chế một cách dễ dàng với lượng lớn bằng phương pháp đồng kết tủa.
Chúng có thể được đưa vào cơ thể để phục vụ cho những mục đích như dẫn thuốc
đến tế bào ung thư, điều trị ung thư bằng nhiệt trị, tăng chất lượng ảnh cộng hưởng
từ, … ; hoặc được sử dụng ở bên ngoài cơ thể như: cố định enzym, phân tích miễn
dịch, phân tách các phần tử sinh học, làm các biosensor trong việc phát hiện
bệnh,…
Ung thư là một căn bệnh nan y. Tỉ lệ tử vong do ung thư chỉ đứng sau bệnh tim
mạch. Chi phí để điều trị bệnh ung thư là một gánh nặng của xã hội nhưng chưa thật
sự mang lại hiệu quả mong muốn. Chính vì vậy, điều trị bệnh ung thư là vấn đề thời
sự của khoa học y học. Tuy nhiên việc chế tạo ra các loại dược phẩm có khả năng
chữa trị tốt mà không gây nguy hại cho cơ thể người bệnh đến nay vẫn là vấn đề
nan giải.
Các thuốc chữa trị bệnh ung thư hiện nay đều có nhược điểm chung là không
tan trong nước, tính định hướng chọn lọc không cao đưa đến hiệu quả chữa trị thấp,
độc tính lên các cơ quan tim, gan, thận và thần kinh cao. Để hạn chế các nhược
điểm này, các loại vật liệu mang thuốc có kích cỡ nano, có khả năng định hướng
chọn lọc, chuyển tải và mang thuốc đến đúng tế bào ung thư được nghiên cứu rộng
rãi. Trong một số nghiên cứu gần đây, để tăng thêm tính hướng đích của các vật liệu
mang thuốc, người ta lợi dụng tính chất của các hạt nano từ Fe
3
O
4
, đưa hạt nano từ
mang thuốc vào cơ thể

rồi dùng từ trường ngoài định hướng thuốc đến tế bào ung
thư. Việc dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính giúp thu hẹp phạm vi phân bố của các
thuốc trong cơ thể, làm giảm tác dụng phụ của thuốc và giảm lượng thuốc điều trị.
Khi đi đến đúng tế bào ung thư, các tác nhân chống ung thư sẽ được nhả ra theo cơ
chế nhả chậm, các chất mang thuốc sẽ được đào thải ra ngoài cơ thể theo con đường

3

bài tiết. Đồng thời khi hạt từ được đưa vào cơ thể, nó còn có khả năng diệt tế bào
nhờ quá trình đốt nhiệt bằng từ trường bên ngoài.
Có nhiều ưu điểm như vậy nhưng Fe
3
O
4
tự do không thể đưa trực tiếp vào cơ
thể do các hạt Fe
3
O
4
không tương thích sinh học, đồng thời kích thước nano làm
cho các hạt oxit sắt từ có xu hướng kết tụ lại với nhau. Nó cần được bao bọc bởi
một lớp vỏ có tính tương hợp sinh học cũng như dễ dàng phân hủy sinh học.
Chitosan và dẫn xuất của nó vừa có tính chất thỏa mãn những yêu cầu đó, vừa đáp
ứng được yêu cầu chi phí thấp do chitosan là polime thiên nhiên rẻ tiền và rất sẵn
có. Kết hợp Fe
3
O
4
với chitosan và chitosan biến tính cho phép tạo ra được loại vật
liệu có nhiều ứng dụng hiệu quả trong y sinh học.
Trên cơ sở những điều vừa trình bày, tác giả luận văn chọn đề tài: “Nghiên
cứu, chế tạo hạt nano Fe
3
O
4
trên nền chitosan và ứng dụng trong xử lí môi

trường và y sinh học”.
Với các nội dung nghiên cứu chính:
- Chế tạo và nghiên cứu các đặc trưng của vật liệu lai tạo CS/Fe
3
O
4
/Al(OH)
3
.
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion kim loại Cu
2+
, Cd
2+
, Pb
2+
và Co
2+
của vật
liệu CS/Fe
3
O
4
/Al(OH)
3
.
- Nghiên cứu khả năng giải hấp phụ ion Pb
2+
của vật liệu sau hấp phụ bằng phương
pháp đốt nhiệt từ.
- Chế tạo và nghiên cứu đặc trưng của chất lỏng từ Fe

3
O
4
/OCMCS và chất lỏng từ
mang thuốc Fe
3
O
4
/OCMCS/curcumin.
- Nghiên cứu khả năng đốt nhiệt và nhả chậm in vitro của chất lỏng từ nói trên.
Mục đích nghiên cứu
- Chế tạo và nghiên cứu tính chất hạt nano từ tính từ vật liệu lai tạo vô cơ – hữu cơ
CS/Fe
3
O
4
/Al(OH)
3
. Ứng dụng hat nano từ tính đã chế tạo để loại bỏ ion kim loại
nặng trong nước.
- Chế tạo và nghiên cứu tính chất của chất lỏng từ Fe
3
O
4
/OCMCS,
Fe
3
O
4
/OCMCS/curcumin và nghiên cứu khả năng nhả chậm curcumin in vitro của

chất lỏng từ.
4

Các luận điểm cơ bản của luận văn
- Tổng quan về cấu trúc, tính chất, ứng dụng của chitosan và chitosan biến tính.
Tổng quan về cấu trúc, tính chất từ, phương pháp tổng hợp hạt nano từ Fe
3
O
4
.
Tổng quan nhôm hidroxit. Tổng quan về lí thuyết hấp phụ.
- Thực nghiệm chế tạo vật liệu hấp phụ CS/Fe
3
O
4
/Al(OH)
3
và chất lỏng từ
Fe
3
O
4
/OCMCS/curcumin.
- Thực nghiệm về việc đặc trưng hóa tính chất, cấu trúc của các mẫu tổng hợp
được.
- Thực nghiệm hấp phụ các ion kim loại Cu
2+
, Cd
2+
, Pb

2+
và Co
2+
và giải hấp phụ
ion Pb
2+
bằng phương pháp đốt nhiệt.
- Thực nghiệm đốt nhiệt và nghiên cứu quá trình nhả chậm của chất lỏng từ.
Đóng góp mới của tác giả
- Chế tạo được vật liệu hấp phụ mới CS/Fe
3
O
4
/Al(OH)
3
có khả năng hấp phụ tốt
hơn nhiều loại vật liệu đã công bố.
- Dùng phương pháp đốt nhiệt giải hấp phụ được ion Pb
2+
ra khỏi vật liệu sau hấp
phụ.
- Chế tạo và đặc trưng được tính chất của chất lỏng từ Fe
3
O
4
/OCMCS,
Fe
3
O
4

/OCMCS/curcumin. Xây dựng đường đốt nhiệt của dãy các dung dịch
Fe
3
O
4
/OCMCS nồng độ khác nhau. Xây dựng đường nhả chậm curcumin bằng
phương pháp UV-Vis.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp lí thuyết: Thu thập, tổng hợp, tổng quan tài liệu, tìm hiểu cơ sở lí
thuyết của đề tài, cơ sở lí thuyết của các phép đo đặc trưng tính chất, cấu trúc của
mẫu .
- Phương pháp thực nghiệm: tiến hành thực nghiệm chế tạo mẫu, đồng thời sử
dụng một số phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trong quá trình khảo sát cấu
trúc , tính chất của mẫu như:
o Phương pháp nhiễu xạ tia X, phổ hồng ngoại FTIR, phổ EDX
o Phương pháp hiển vi điện tử quét SEM, hiển vi điện từ truyền qua TEM.
5

o Phương pháp từ kế mẫu rung VSM, hệ đo các tính chất vật lí PPMS 6000
o Phương pháp phổ UV-Vis
o Các phương pháp khác
6


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1.Tổng quan về chitin (CT), chitosan (CS) và chitosan biến tính
1.1.1. Nguồn gốc [11, 12]
Chitin có chủ yếu trong vỏ cứng của các loài giáp xác như tôm, cua, mực, tảo
biển, vỏ của bọ cánh cứng… Vì vậy sản lượng của CT là rất lớn, trong số các
polime thiên nhiên, sản lượng của CT đứng thứ 2 chỉ sau xenlulo.

Chitin có cấu trúc là một polisacarit, hình thái tự nhiên là các tinh thể ở trạng
thái rắn, tùy thuộc vào mỗi loại nguyên liệu khác nhau, ta lại thu được các dẫn xuất
khác nhau. Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, người ta đã chứng minh được Chitin
tồn tại ở ba dạng cấu trúc khác nhau là α, β, và 𝛾, cả ba dạng này đều có cấu trúc
tinh thể chặt chẽ và đều đặn, chỉ khác nhau ở sự sắp xếp các mạch phân tử trong
tinh thể.
Từ vỏ tôm, cua thường thu được α-Chitin, là loại Chitin có cấu trúc mạch ngược
chiều nhau đều đặn nên ngoài liên kết hidro trong một lớp và hệ chuỗi còn có lực
liên kết giữa các lớp, do các chuỗi thuộc lớp gần nhau nên rất bền vững. Loại Chitin
này là loại phổ biến nhất trong tự nhiên. Trong vỏ tôm, cua chitin chiếm tỉ lệ khá
cao 14%-35%. β-Chitin thường được tách ra từ mai mực ống, loại này trong tự
nhiên ít hơn nhiều so với α-Chitin, còn 𝛾-Chitin được tách ra từ sợi kén của bọ cánh
cứng, mai mực nang, loại này có rất ít trong tự nhiên. Hiện nay phần lớn chitin được
sản xuất từ vỏ tôm, điều này là do sự sẵn có của loại nguyên liệu này. Từ vỏ tôm
người ta tiến hành tách protein, tách khoáng, loại bỏ chất màu (gọi chung là quá
trình loại bỏ tạp chất) và thu được Chitin.
Điều kiện tự nhiên của nước ta rất thuận lợi cho việc đánh bắt và nuôi trồng
thủy sản. Hàng năm sản lượng đánh bắt, nuôi trồng thủy hải sản của nước ta là rất
lớn, tính riêng với tôm, con số này đã là hàng trăm nghìn tấn. Cùng với sản lượng
tôm lớn như vậy là một lượng chất thải không nhỏ của ngành công nghiệp chế biến
tôm, cũng phải tính thêm lượng cua, mực được khai thác, so với tôm thì lượng này
7

không lớn nhưng những phế thải của chúng không thể không tính đến, đây là một
thách thức không nhỏ về môi trường vì vỏ tôm, cua, mai mực chứa chitin nên rất
khó phân hủy sinh học. Nhưng ngược lại, đây lại là nguồn nguyên liệu dồi dào và rẻ
tiền để sản xuất Chitin/Chitosan. Do đó, việc nghiên cứu, áp dụng các sản phẩm
dùng Chitin/Chitosan có ý nghĩa rất lớn cả về mặt kinh tế và môi trường, đó chính
là hướng phát triển bền vững.
1.1.2. Cấu trúc và tính chất của Chitin và Chitosan [5, 7, 10, 17]

Bằng các phương pháp phân tích phổ (phổ cộng hưởng từ hạt nhân -NMR, và
phổ hồng ngoại -IR) người ta đã xác định được cấu trúc của Chitin/Chitosan rất
giống với xenlulo, trong xenlulo, nhóm –OH ở vị trí C
2
của mỗi đơn vị D-glucozơ.
Khi thay nhóm –OH của xenlulo bằng nhóm –NHCOCH
3
ta được Chitin, còn nếu
thay bằng nhóm –NH
2
ta được Chitosan.
Chitosan là dẫn xuất của Chitin, thu được nhờ quá trình tách nhóm axetyl
(–COCH
3
) ra khỏi Chitin, trên thực tế quá trình tách này thường không được hoàn
toàn nên người ta quy ước theo tỉ lệ tách nhóm axetyl (độ deaxetyl) như sau:
- Tỉ lệ tách nhóm axetyl < 50%,được gọi là Chitin
- Tỉ lệ tách nhóm axetyl >50%, được gọi là Chitosan.
a) Cấu trúc và tính chất của Chitin
Tên hóa học của Chitin là Poli-β-(1-4)-N-axetyl-D-glucosamin, hay còn được
gọi là Poli-β-(1-4)-2-axetamit-2-deoxy-D-glucozơ, có công thức cấu tạo lý thuyết
như sau:

Công thức phân tử dạng đơn giản là (C
8
H
13
O
5
N)

n

8

Chitin có màu trắng, không tan trong nước, kiềm, axit loãng, hay các dung môi
hữu cơ thông thường. Nó chỉ tan trong một số dung môi đặc biệt như: N,N-dimetyl
axetamido (DMAc) có chứa 5-10% LiCl hay một số dung môi đã được flo hóa như
hexafloaxeton và một số hệ dung môi khác dùng để hòa tan như axit focmit-axit
dicloaxetic, axit tricloaxetic và đicloetan.
Chitin có kết cấu bề mặt khá chặt chẽ, vì thế Chitin bền, khó tham gia vào các
phản ứng hóa học. Trong phân tử chitin/chitosan có chứa các nhóm chức (–OH),
(-NHCOCH
3
) trong các mắt xích N-axetyl-D-glucozamin có nghĩa chúng vừa là
ancol vừa là amit. Phản ứng hoá học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất
thế (O-), dẫn xuất thế (N-), hoặc dẫn xuất thế (O-), (N-). Mặt khác chitin/chitosan là
những polime mà các monome được nối với nhau bởi các liên kết -(1-4)-glicozit;
các liên kết này có thể bị cắt đứt bởi các chất hoá học như: axit, bazơ, tác nhân oxi
hóa và các enzim thuỷ phân. Chitin ít ứng dụng thực tế, chủ yếu được dùng để điều
chế Chitosan.
b) Cấu trúc và tính chất của Chitosan
Tên hóa học của Chitosan là Poli-β-(1-4)-N-axetyl-D-glucosamin, hay còn được
gọi là Poli-β-(1-4)-2-amino-2-deoxy-D-glucozơ. Chitosan là dẫn xuất deaxetyl của
Chitin, công thức cấu tạo lý thuyết như sau:

Công thức phân tử đơn giản là (C
6
H
11
O

4
N)
n
.
Chitosan là một chất rắn, xốp, nhẹ, hình vảy, có thể xay nhỏ theo các kích cỡ
khác nhau, có màu trắng hay vàng nhạt, không mùi, không vị, không tan trong
nước, kiềm nhưng tan trong axit (pH ≤ 6), tạo dung dịch keo trong có khả năng tạo
màng tốt. Do có khả năng tan tốt hơn Chitin nên các ứng dụng của Chitosan cũng đa
dạng hơn rất nhiều. Nhiều tính chất của Chitosan phụ thuộc vào các thông số của nó
9

như khối lượng phân tử trung bình và độ deaxetyl, nên ta thường phải xác định các
thông số này.
1.1.3. Khả năng hấp phụ tạo phức với các ion kim loại chuyển tiếp của Chitosan
[6, 10, 15]
Trong phân tử chitosan có chứa các nhóm chức mà trong đó các nguyên tử O và
N của nhóm chức còn cặp electron chưa sử dụng, do đó chúng có khả năng tạo
phức, phối trí với hầu hết các kim loại nặng và các kim loại chuyển tiếp như: Hg
2+
,
Cd
2+
, Zn
2+
, Cu
2+
, Ni
2+
, Co
2+

Tùy nhóm chức trên mạch polime mà thành phần và
cấu trúc của phức khác nhau.
Ví dụ, phức Ni(II) với chitin có cấu trúc bát diện với số phối trí bằng 6, còn
phức Ni(II) với chitosan có cấu trúc tứ diện với số phối trí bằng 4.

Hình 1. 1: Sơ đồ mô tả sự tạo phức giữa Ni(II) với CT, CS
trong đó là mạng polime.
1.1.4. Một số ứng dụng của chitosan
Chitosan và các dẫn xuất của nó có nhiều đặc tính quý báu như: có hoạt tính
kháng nấm, kháng khuẩn, có khả năng tự phân huỷ sinh học cao, không gây dị ứng,
không gây độc hại cho người và gia súc. Do vậy chitosan và một số dẫn xuất được
ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: dược học, y học, nông nghiệp, công nghiệp,
công nghệ sinh học… Đặc biệt, chitosan và các dẫn xuất với đặc điểm có cấu trúc
với các nhóm amin trong mạng lưới phân tử có khả năng hấp phụ tạo phức với kim
loại chuyển tiếp như: Cu(II), Ni(II), Co(II)… trong nước, do đó nó được quan tâm
đặc biệt trong lĩnh vực xử lí nước thải và bảo vệ môi trường. Những đặc điểm về
10

tính chất hóa học, khả năng hấp phụ kim loại đã và đang là vấn đề được các nhà
khoa học quan tâm, từng bước được nghiên cứu và áp dụng vào giải quyết vấn đề ô
nhiễm môi trường trên Trái Đất…
* Ứng dụng trong xử lý nước:
Nước thải trong hoạt động khai thác mỏ, mạ kim loại, nhà máy điện, chế tạo
thiết bị điện và đặc biệt là hoạt động của các tổ hợp nhiên liệu hạt nhân, các cơ sở
quốc phòng, v.v có chứa các kim loại có độc tính cao như crôm, cađimi, chì, thuỷ
ngân, niken, đồng… cần được xử lý trước khi thải ra ngoài môi trường. Kết tủa hoá
học, oxy hoá khử, lọc cơ học, trao đổi ion, tách màng, hấp phụ trên vật liệu than…
là những phương pháp được sử dụng rộng rãi để tách kim loại nặng ra khỏi dòng
thải.
Trong những năm gần đây, hấp phụ sinh học, phương pháp sử dụng các vật liệu

sinh học để tách kim loại hay các hợp chất và các hạt ra khỏi dung dịch, được đánh
giá là một trong những phương pháp hiệu quả về cả kinh tế và kĩ thuật để loại bỏ
các kim loại gây nhiễm bẩn nguồn nước mặt và nhiều loại nước thải công nghiệp.
Có nhiều loại chất hấp phụ có khả năng tách kim loại khỏi các dòng thải với chi phí
thấp nhưng trong đó CS có dung lượng hấp phụ cao nhất. CS có khả năng hấp phụ
tốt các kim loại nặng do có nhóm amino tự do trong cấu trúc CS được tạo thành khi
deactyl hoá CT. Các phức chelat của nó làm cho khả năng hấp phụ kim loại tăng
gấp 5 đến 6 lần so với CT. Khi ghép một số nhóm chức vào khung cấu trúc của CS
sẽ làm tăng khả năng hấp phụ kim loại của CS lên nhiều lần.
Một nhóm tác giả thuộc phòng nghiên cứu kỹ thuật công trình của quân đội Mỹ
kết hợp cùng Trung tâm nghiên cứu & quản lý chất thải của Uỷ ban quản lý tài
nguyên thiên và Trường đại học Tổng hợp Illinois đã kết hợp một loại vật liệu hấp
phụ sinh học với màng CS trên nhôm oxit. Vật liệu màng CS đã biến tính trên giá
thể compoxit sứ - nhôm oxit hấp phụ đạt 153,8mg Cr
6+
/g (với nồng độ ban đầu của
Cr
6+
đều ở 1000mg/l). Ảnh hưởng của cấu trúc lỗ, độ phân bố kích thước lỗ xốp và
giá trị pH tới dung lượng hấp phụ rất rõ rệt. Ở giá trị pH thấp, dung lượng hấp phụ
11

tăng. Sự có mặt ở nồng độ cao của ion sunfat và clorua sẽ làm giảm khả năng hấp
phụ của kim loại.
* Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm và y học:
Chitosan có khả năng ức chế hoạt động của một số loại vi khuẩn như E.Coli.
Một số dẫn xuất của Chitosan diệt được một số loại nấm hại dâu tây, cà rốt, đậu và
có tác dụng tốt trong bảo quản các loại rau quả có vỏ cứng bên ngoài. Có thể bảo
quản các loại thực phẩm tươi sống, đông lạnh khi bao gói chúng bằng các màng
mỏng dễ phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường. Trong thực tế người ta đã

dùng màng chitosan để đựng và bảo quản các loại rau quả như đào, dưa chuột, đậu,
bưởi v.v Màng chitosan cũng khá dai, khó xé rách, có độ bền tương đương với
một số chất dẻo vẫn được dùng làm bao gói.
Nhờ vào tính ưu việt của Chitosan, cộng với đặc tính không độc, hợp với cơ thể,
tự tiêu huỷ được, nên Chitosan đã được ứng dụng rộng rãi và có hiệu quả trong kỹ
nghệ bào chế dược phẩm, làm thuốc chữa bỏng, giảm đau, thuốc hạ cholesterol,
thuốc chữa bệnh dạ dày, chống đông tụ máu, tăng sức đề kháng, chữa xương khớp
và chống đựợc cả bệnh ung thư
Tại cuộc chiến Iraq vừa qua, Mỹ cũng đã sử dụng loại băng cứu thương kiểu
mới, kỹ thuật cao, có thành phần cấu tạo bởi chất Chitosan. So với các loại băng
thường, tốc độ cầm máu, tính sát khuẩn và thời gian lành mô khi sử dụng loại băng
này có hiệu quả hơn gấp nhiều lần. Và từ lâu, một số chuyên gia ở Trung tâm Huyết
học thuộc Viện Hàn lâm Y học Nga cũng đã phát hiện, Chitosan có thể ngăn chặn
sự phát triển của chứng nhồi máu cơ tim và bệnh đột quỵ. Điển hình trên thị trường
dược hiện nay là loại thuốc chữa khớp làm từ vỏ tôm có tên Glucosamin đang được
thịnh hành trên toàn thế giới.
1.1.5. Biến tính chitosan và ứng dụng của O-cacboxylmetyl chitosan (OCMCS)
trong y sinh
Để ứng dụng được trong y sinh, đặc biệt việc đưa vật liệu nền chitosan vào
trong cơ thể đòi hỏi vật liệu phải hòa tan và phân tán tốt trong môi trường cơ thể
(pH≈7,4). Do chitosan chỉ hòa tan được trong môi trường pH<5 nên yêu cầu đặt ra
12

là biến tính chitosan để thu được các dẫn xuất hòa tan tốt trong nước cũng như trong
môi trường pH=7,4 của cơ thể.
Trong số những dẫn xuất của chitosan, O-cacboxylmetyl chitosan là dẫn xuất
tan trong nước, chứa đồng thời nhóm –COOH và nhóm –NH
2
trong phân tử. Dẫn
xuất ete của nhóm OH ở C

6
của chitosan này có nhiều tính chất ưu việt như không
độc hại, chống được hoạt động của nấm và vi khuẩn, đồng thời có tính chất tương
hợp và có khả năng phân hủy sinh học. O-CMCS được tổng hợp từ chitosan theo sơ
đồ:

Về mặt ứng dụng, O-CMCS được sử dụng để chế tạo chất dẫn thuốc vào cơ thể
và thực hiện quá trình nhả chậm thuốc trong cơ thể. Trong công trình [s_20] Anitha
và các cộng sự đã tổng hợp hạt nano O-CMCS mang curcumin, hoạt chất chiết xuất
từ nghệ có khả năng chống ung thư. Hạt nano O-CMCS mang curcumin được xác
định các đặc trưng và thực hiện thí nghiệm nhả chậm in vitro (trong điều kiện nhân
tạo tương tự trong cơ thể). Kết quả cho thấy hạt O-CMCS là chất mang thuốc chống
ung thư (thường là chất kị nước như curcumin) có hiệu quả tốt.
Bên cạnh ứng dụng mang thuốc, O-CMCS còn được kết hợp với Fe
3
O
4
để ứng
dụng trong phương pháp đốt nhiệt điều trị [51].
1.2. Tổng hợp và ứng dụng của hạt nano oxit sắt từ
1.2.1. Cấu trúc tinh thể của Fe
3
O
4

Oxit sắt từ Fe
3
O
4
(Magnetite) được viết dưới dạng: Fe

+2
(Fe
+3
O
2
)
2
hoặc
FeO.Fe
2
O
3
. Trong đó, tỉ lệ Fe
2+
và Fe
3+
là 1:2. Hạt oxit sắt từ Fe
3
O
4

có cấu trúc tinh
thể ferit lập phương cấu trúc spinel đảo, thuộc nhóm đối xứng F
d3m
, hằng số mạng
13

a = b = c = 0,8396 nm. Số phân tử trong một ô cơ sở Z = 8, gồm 56 nguyên tử
trong đó có 8 ion Fe
2+

, 16 ion Fe
3+

và 32 ion O
2-
.
Bán kính của nguyên tử oxy lớn (cỡ 1,32A
o
), do đó ion O
2-

trong mạng hầu
như nằm sát nhau tạo thành một mạng lập phương tâm mặt [15T]. Cấu trúc spinel
có thể xem như được tạo ra từ mặt phẳng xếp chặt của các ion O
2-

với các lỗ
trống tứ diện và bát diện được lấp đầy bằng các ion kim loại. Các ion kim loại
chiếm vị trí trống bên trong và chia làm hai nhóm:
- Nhóm các chỗ mạng 8A (nhóm A) gọi là chỗ tứ diện, loại này có số phối trí
bằng bốn, mỗi ion kim loại được bao bởi bốn ion O
2-

- Nhóm các chỗ mạng 16B (nhóm B) gọi là chỗ bát diện, loại này có số phối trí
bằng sáu, mỗi ion kim loại được bao bởi sáu ion O
2-
.

Hình 1. 2: Vị trí tứ diện và bát diện trong mạng tinh thể Fe
3

O
4

Dựa trên quan điểm hóa trị phân chia ferit spinel thành các loại như sau [7T]:
- Spinel thường: Công thức chung có dạng Me[Fe
2
O
4
] = MeO. Fe
2
O
3
, dấu móc
vuông được sử dụng để đại diện cho vị trí bát diện. Các cation kim loại Me
2+

chiếm
các vị trí tứ diện (A) và các ion Fe
3+

chiếm các vị trí bát diện (B). Như vậy, tỉ số
ion O
2-
bao quanh các vị trí A và B là 2/3.
- Spinel đảo: Các ferit có số ion Fe
3+

đặt một nửa tại vị trí A, phần còn lại cùng
với Me
2+

chiếm vị trí B. Sự sắp xếp này được biểu thị cho các hợp chất như
Fe
3+
[Me
2+
Fe
3+
]O
4
2-
, ở đây Me
2+

= Mn
2+
, Fe
2+
, Co
2+
, Cu
2+
, Ni
2+

- Spinel hỗn hợp: Cation Me
2+

và Fe
3+

chiếm cả hai vị trí A và B. Kiểu cấu trúc
này được mô tả như sau:

14

(trong đó x là tham số biểu thị mức độ spinel đảo)
Với cấu trúc spinel đảo của Fe
3
O
4
, ion Fe
3+

được phân bố một nửa ở nhóm A
và một nửa ở nhóm B, còn các ion Fe
2+

đều nằm ở nhóm B. Sự phân bố này
phụ thuộc vào bán kính các ion kim loại, sự phù hợp cấu hình electron của các
ion kim loại và ion O
2-

và năng lượng tĩnh điện của mạng.

Hình 1. 3: Cấu trúc spinel đảo của Fe
3
O
4

1.2.2. Tính chất từ
1.2.2.1. Khái quát về từ tính của vật liệu
Dưới tác dụng của một từ trường bên ngoài, phụ thuộc vào hưởng ứng của từ
trường ngoài mà người ta phân vật liệu thành các dạng như sau: nghịch từ (DM),
thuận từ (PM), sắt từ (FM) và siêu thuận từ (SPM). Hình 1 minh họa sự chuyển
động của mạch máu trong đó có sự tồn tại của hạt nanô từ tính (giữa). Các thành
phần trong mạch máu có tính chất từ khác nhau. Có thành phần là nghịch từ (DM),
thuận từ (PM), sắt từ (FM) và siêu thuận từ (SPM). Phần lớn các chất hữu cơ có tính
nghịc từ, một số ion của sắt có mặt trong các ferritin có tính thuận từ, hạt nanô từ
tính được tiêm từ bên ngoài vào có tính sắt từ và siêu thuận từ.

15


Hình 1. 4: Mô hình minh họa sự chuyển động của mạch máu trong đó có sự tồn tại của
hạt nanô từ tính (giữa). Các thành phần trong mạch máu có tính chất từ khác nhau. Có
thành phần là nghịch từ (DM), thuận từ (PM), sắt từ (FM) và siêu thuận từ (SPM).
Giả sử từ trường ngoài đặt vào là H, sự hưởng ứng của vật liệu được gọi là từ
độ M, thì người ta định nghĩa cảm ứng từ B là: B = 
0
(H + M). Trong đó, 
0
là độ
từ thẩm của chân không. Từ độ M là số mô men từ của nguyên tử trên một đơn vị
thể tích M = Nm/V. (m là mô men từ nguyên tử). Độ cảm từ:  = M/H. Vật liệu
nghịch từ có độ cảm từ âm và nhỏ (10-6), vật liệu thuận từ có độ cảm từ dương và
nhỏ (10
-3
– 10
-5

), vật liệu sắt từ và siêu thuận từ có độ cảm từ dương và rất lớn
(10
4
).
1.2.2.2. Tính chất từ trong các hạt nano Fe
3
O
4

Magnetite (Fe
3
O
4
) thuộc loại vật liệu sắt từ. Vật liệu sắt từ thường thể hiện tính
trễ từ do vật liệu có tính dị hướng theo trục tinh thể. Tuy nhiên, nếu kích thước vật
16

liệu nhỏ đi, chuyển động nhiệt sẽ có thể phá vỡ trạng thái trật tự từ giữa các hạt thì
vật liệu sắt từ trở thành vật liệu siêu thuận từ. Đặc điểm quan trọng của vật liệu siêu
thuận từ là có từ độ lớn khi có từ trường ngoài và mất hết từ tính khi từ trường
ngoài bằng không.
Đối với loại vật liệu sắt từ này, các mômen từ sắp xếp thành hai phân mạng
phản song song nhưng độ lớn mômen từ trong hai phân mạng không bằng
nhau, dẫn đến từ độ tổng cộng khác không ngay cả khi từ trường ngoài bằng
không và được gọi là từ độ tự phát. Tồn tại nhiệt độ chuyển pha T
c
(nhiệt độ
Curie), khi T > T
c
trật tự từ bị phá vỡ và vật liệu trở thành thuận từ.

Đối với hạt sắt từ Fe
3
O
4
, hình dạng của vòng từ trễ được xác định một phần
bởi kích thước hạt (hình 1.12). Các nghiên cứu [7,15T] đã chỉ ra rằng bản thân kích
thước hạt cũng ảnh hưởng đến cấu trúc đômen của vật liệu và từ đó ảnh hưởng
đến đường cong từ hoá của vật liệu đó. Khi hạt có kích thước lớn nó có cấu trúc đa
đômen. Mỗi đômen có véctơ từ độ hướng theo các hướng khác nhau. Vì vậy cần có
một từ trường ngoài đủ lớn để định hướng tất cả các véctơ từ độ của mỗi đômen
theo hướng của từ trường ngoài, giá trị của lực kháng từ H
C

lớn. Khi kích thước
của hạt từ giảm đến một giới hạn nhất định thì sự hình thành các đômen không
còn mạnh và không còn được ưu tiên nữa. Lúc này hạt từ sẽ tồn tại như những
đơn đômen (single domain), ở giới hạn này giá trị của H
c
có giá trị cực đại,
đường cong từ hoá phình ra. Bán kính giới hạn để hạt tồn tại như một đơn đômen
[28T]:
(1.8)
Trong đó A là hằng số trao đổi, K là hằng số dị hướng.
Đối với vật liệu Fe
3
O
4
: A = 1.28 .10
-11
J/m, K = 1,1.10

4
J/m
3
, tính được r
C

=
84 nm
17


Hình 1. 5: Đường cong từ hoá của vật liệu từ phụ thuộc vào kích thước[15T]
Như vậy, ở kích thước dưới 84 nm, hạt sẽ tồn tại như một đơn đômen, ở đó sẽ
không còn quá trình dịch vách đômen mà chỉ còn quá trình đảo từ trong hạt
đơn đômen. Quá trình này bao gồm chuyển động quay của tất cả các mômen từ.
Khi hạt từ đạt đến kích thước rất nhỏ nó trở thành trạng thái siêu thuận
từ. Khi ấy, đường cong từ hoá của hạt siêu thuận từ là một đường thuận nghịch, có
từ dư M
r
bằng không và giá trị của lực kháng từ H
c
bằng không.
1.2.3 Phương pháp tổng hợp hạt oxit sắt từ
Về nguyên tắc, có thể tổng hợp hạt nano oxit sắt từ theo hai nhóm phương
pháp: nhóm phương pháp từ trên xuống (Top-Down) và nhóm phương pháp từ dưới
lên (Bottom-Up). Nhóm phương pháp từ trên xuống gồm các phương pháp chia nhỏ
vật liệu thô như nghiền hành tinh, nghiền rung. Nhóm phương pháp từ dưới lên tập
hợp các phân tử, nguyên tử thành hạt kích thước nm. Nhóm này có thể được phân
thành hai loại là các phương pháp vật lý (phún xạ, bốc bay [11T]) và các phương
pháp hóa học (kết tủa từ dung dịch, hình thành từ pha khí, phương pháp điện hóa,

phương pháp hóa siêu âm… [hải]). Tuy nhiên trong khuôn khổ luận văn, tác giả chỉ
trình bày chi tiết phương pháp đồng kết tủa, phương pháp chính dùng để điều chế
hạt nano Fe
3
O
4
trong luận văn.
Phương pháp đồng kết tủa:
Phương pháp đồng kết tủa dựa trên phản ứng hoá học:
2Fe
3+
+ Fe
2+
+ 8OH
-

0
t

Fe
3
O
4
+ 4H
2
O (1.9)
18

Ở đây Fe
2+

dễ dàng bị ôxi hoá vì vậy mà sản phẩm tạo ra có thể làm lệch tỷ lệ
mong muốn giữa Fe
2+
và Fe
3+
. Do đó thí nghiệm phải được tiến hành trong môi
trường khí bảo vệ để tránh sản phẩm phụ ảnh hưởng tới độ tinh khiết của sản phẩm.
Một số những phản ứng phụ và sản phẩm của chúng:
Fe
3
O
4
+ 0,25O
2
+ 4,5H
2
O

3Fe(OH)
3
(1.10)
Fe
3
O
4
+ 0,5O
2


3Fe

2
O
3
(1.11)
Trong dung dịch muối Fe(II) và Fe(III) tồn tại dưới dạng các ion phức aquơ
Fe(H
2
O)
6
2+
và Fe(H
2
O)
6
3+
. Các ion này bị thuỷ phân và cung cấp những phân tử sắt
có cấu trúc đơn đômen. Một số nghiên cứu gần đây đã chỉ ra sự thuỷ phân của ion
Fe
2+
và Fe
3+
tạo ra những pha khác nhau của oxit và hidroxit sắt và sản phẩm cuối
cùng phụ thuộc vào quá trình biến đổi này.
Trong điều kiện thuận lợi: pH cao và nhiệt độ cao(≥ 60
0
C) ion hexa-aquơ thuỷ
phân và tạo thành chuỗi mầm tinh thể liên kết với nhau. Phản ứng thuỷ phân đơn
giản được mô tả theo phương trình dưới đây mà ở đó z là hoá trị của ion kim loại
còn n là số bậc của phản ứng thuỷ phân.
Fe(H

2
O)
6
Z+
+ 2nH
2
O

Fe(H
2
O)
6-n
(OH)
n
(z-n)
+ nH
3
O
+
(1.12)
Những sản phẩm thu được từ phản ứng thuỷ phân của cả ion Fe
2+
và ion Fe
3+

được đưa ra trong bảng sau:
Bảng 1.1: Sản phẩm của phản ứng thuỷ phân
Fe
2+
Fe

3+

Fe(OH)
+

Fe(OH)
2+

Fe(OH)
2
Fe(OH)
2
+

Fe(OH)
3
-

Fe(OH)
3
Fe(OH)
4
2-

Fe(OH)
4
-


Fe

2
(OH)
2
4+


Fe
3
(OH)
4
5+


Một phản ứng thuỷ phân nói chung được mô tả bằng phương trình phản ứng sau
mà sự tạo thành các dime và trime được thể hiện như bảng 1.3
19

mFe(H
2
O)
6
z+
+ yH
2
O

Fe
m
(H
2

O)
y
(OH)
(6m-y)
(zm-y)+
+ yH
3
O
+
(1.13)
Tổng kết quá trình hình thành phức kim loại như là một hàm số của pH và hoá
trị của nó, hình 1.17 biểu diễn sự phụ thuộc phức của ion kim loại vào pH và hoá trị
của chúng, trục hoành biểu diễn pH của dung dịch, trục tung biểu diễn hoá trị của
kim loại. Ví dụ cả Fe(OH)
4
-
và Fe(OH)
3
-
đều là sản phẩm của phản ứng thuỷ phân
tại pH từ 12

14 cho ion Fe
2+
và Fe
3+
. Chỉ có Fe(OH)
3
mới tồn tại trong cả môi
trường axit và môi trường bazơ.

Những sản phẩm của quá trình thuỷ phân tập hợp bên trong phức đa nhân bằng
những phản ứng Olation và Oxolation sau đó chúng phát triển giống như những
phản ứng ngưng tụ để tạo thành những hạt oxit và hidroxit sắt nhỏ.
Độ pH đóng vai trò chính trong việc xác định ưu thế của phản ứng ngưng tụ xảy
ra giữa những sản phẩm của phản ứng thuỷ phân. Trong những phản ứng Olation
nguyên tử kim loại được kết hợp với nhau bằng liên kết cầu bởi nhóm hydroxyl để
tạo thành phức đa nhân và sản phẩm phụ là nước.

Hình 1. 6: Mô tả sự phụ thuộc của phức kim loại vào pH và hoá trị của kim loại
Cơ chế của quá trình được mô tả như sau:
20


Một số cầu hydroxy được tạo ra bằng cơ chế Olation không bền và có thể thu
được trong những hạt có thành phần là MO
x/2
(OH)
(z-x)
ví dụ như FeOOH và được
mô tả như sau:

Những phản ứng Oxolation được thực hiện trong phạm vi pH rộng và cuối cùng
tạo ra những hạt oxit kim loại nhỏ nhờ quá trình kết tủa và được thực hiện như sau

Phức đa nhân thứ tự tạo thành của oxit và hydroxit sắt là một quá trình trung
gian. Khi bazơ được thêm vào dung dịch một phức đa nhân màu đỏ đậm được tạo ra
có công thức [Fe(II)Fe(III)
2
O
x

(OH)
2(3-x)
]
m
2m+
và được mô tả bằng phản ứng sau:
mFe
2+
+ 2mFe
3+
+ 6mOH
-


[Fe(II)Fe(III)
2
O
x
(OH)
2(3-x)
]
m
2m+
+ mxH
2
O (1.8)
21

Phức này có tỷ lệ Fe(III)/Fe(II) giống với tỷ lệ của oxit sắt từ. Sau đó phức có
đỏ đậm sẽ bắt đầu kết tủa tạo ra những hạt màu đen Fe

3
O
4
khi ion OH
-
được thêm
vào và pH của dung dịch đạt được 9-10 [23T].
Phương pháp đồng kết tủa là một trong những phương pháp thường được dùng
để tạo các hạt ôxit sắt. Hydroxide sắt bị oxi hóa một phần bằng một chất oxi hóa
khác hoặc tạo hạt từ Fe
+2
và Fe
+3
trong dung môi nước. Sau đó rửa sạch kế tủa, sấy
khô, nghiền. Kích thước hạt và điện tích bề mặt được điều khiển bằng độ pH và
nồng độ ion trong dung dịch.
Đây là phương pháp phổ biến nhất hiện nay để điều chế hạt sắt từ. Bản chất của
phương pháp là tạo ra những oxit phức hợp thông qua các dạng kết tủa trung gian.
Phản ứng tạo kết tủa phụ thuộc vào tích số tan, khả năng tạo phức giữa ion kim loại
và ion tạo kết tủa, lực ion và độ pH của dung dịch Tính đồng nhất hóa học của
oxit phức hợp tùy thuộc vào tính đồng nhất của kết tủa từ dung dịch. Trong phương
pháp đồng kết tủa , nếu chọn được điều kiện tốt, quãng đường khuyếch tán khi xảy
ra phản ứng pha rắn chỉ khoảng 10 đến 50 lần kích thước ô mạng cơ sở, nghĩa là
nhỏ hơn rất nhiều lần phương pháp gốm cổ truyền. Vì vậy sản phẩm thu được có
tính đồng nhất cao hơn, bề mặt riêng lớn hơn, độ tinh khiết hóa học cao hơn, và tiết
kiệm được nhiều năng lượng hơn.
Ưu điểm: Phương pháp đồng kết tủa đơn giản, dễ chế tạo, cho kết quả nhanh,
chi phí thấp. Ưu điểm của phương pháp đồng kết tủa không sử dụng tác nhân bề mặt là
không cần phải trải qua quá trình tinh chế loại bỏ tác nhân bề mặt. Khi sol nước của hạt
không chứa tác nhân bề mặt thì người ta có thể sử dụng trực tiếp.

Nhược điểm: Nhược điểm lớn nhất của phương pháp đồng kết tủa khó có thể
điều khiển được kích thước của hạt. Yêu cầu hóa chất phải thật tinh khiết. Phản ứng
tiến hành trong môi trường khí quyển N
2
, các dung dịch chuẩn bị cho phản ứng đều
phải được loại O
2
cẩn thận.
1.2.4. Ứng dụng của hạt nano oxit sắt từ
1.2.4.1. Ứng dụng để xử lý nước:
22

Có thể loại bỏ Asen trong nước bằng hạt nano oxit sắt; thực nghiệm cho
thấy khi cho hạt nano oxit sắt từ với nồng độ 1g/l vào mẫu nước có chứa nồng
độ Asen là 0.1mg/l chỉ sau một phút thì nồng độ Asen đã giảm chỉ còn
0,0081mg/l dưới tiêu chuẩn của Bộ y tế cho phép (0,01mg/l).
Mới đây một nhà khoa học Nhật Bản đã có sáng kiến sử dụng hạt nanô
từ tính lọc nước bằng cách cho một loại vi khuẩn chuyên ăn các chất bẩn lơ
lửng trong nước vào nước bẩn đã được hoà thêm các hạt nanô từ tính. Bình
thường các vi khuẩn có tác dụng “thu gom” chất bẩn. Khi đã ăn no chúng tự
chìm xuống đáy (do trọng lực) và mang theo các chất bẩn đã thu gom được do
đó làm cho nước trở nên trong. Nếu trong nước có hạt nanô từ tính thì các vi
khuẩn sẽ gom vào mình cả các chất bẩn thông thường lẫn các hạt nanô. Khi
đó chỉ cần sử dụng một nam châm mạnh là ta có thể hút các vi khuẩn này làm
cho chúng chìm xuống nhanh hơn do đó cũng làm nước trong nhanh hơn.
Các ứng dụng của hạt nanô từ trong y sinh học được chia làm hai loại: ứng
dụng ngoài cơ thể và trong cơ thể. Trong luận văn này, tác giả chỉ trình bày một số
ứng dụng tiêu biểu trong rất nhiều ứng dụng đã và đang được nghiên cứu. Phân
tách và chọn lọc tế bào là ứng dụng ngoài cơ thể nhằm tách những tế bào cần
nghiên cứu ra khỏi các tế bào khác. Các ứng dụng trong cơ thể gồm: dẫn thuốc,

nung nóng cục bộ và tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ.[8, 9][iv],[v]
1.2.4.2. Phân tách và chọn lọc tế bào, ADN
Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tách một loại thực thể sinh học
nào đó ra khỏi môi trường của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho
các mục đích khác. Phân tách tế bào sử dụng các hạt nanô từ tính là một trong
những phương pháp thường được sử dụng. Quá trình phân tách được chia làm hai
giai đoạn: đánh dấu thực thế sinh học cần nghiên cứu; và tách các thực thể được
đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường. Việc đánh dấu được thực hiện thông
qua các hạt nanô từ tính. Hạt nanô thường dùng là hạt oxit sắt. Các hạt này được
bao phủ bởi một loại hóa chất có tính tương hợp sinh học như là dextran, polivinyl
23

alcohol (PVA), Hóa chất bao phủ không những có thể tạo liên kết với một vị trí
nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà còn giúp cho các hạt nanô phân tán tốt
trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ. Giống như trong hệ miễn dịch,
vị trí liên kết đặc biệt trên bề mặt tế bào sẽ được các kháng thể hoặc các phân tử
khác như các hoóc-môn, axit folic tìm thấy. Các kháng thể sẽ liên kết với các kháng
nguyên. Đây là cách rất hiệu quả và chính xác để đánh dấu tế bào. Các hạt từ tính
được bao phủ bởi các chất hoạt hóa tương tự các phân tử trong hệ miễn dịch đã có
thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi, vi khuẩn, tế bào
ung thư đường tiết niệu và thể golgi. Đối với các tế bào lớn, kích thước của các hạt
từ tính đôi lúc cũng cần phải lớn, có thể đạt kích thước vài trăm nanô mét. Quá trình
phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài. Từ trường ngoài tạo
một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu. Các tế bào không
được đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài.

Hình 1. 7: Nguyên tắc tách tế bào bằng từ trường. (a) một nam châm được đặt ở bên
ngoài để hút các tế bào đã được đánh dấu và loại bỏ các tế bào không được đánh dấu. (b)
nam châm có thể đặt vào một dòng chảy có chứa tế bào cần tách.
Tế bào đánh dấu

Dòng chảy
Tế bào thường

Từ trường
24


Hình 1. 8: Nguyên tắc tách tế bào bằng từ trường sử dụng bốn thanh nam châm tạo ra
một gradient từ trường xuyên tâm.
Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản nhất được trình bày ở hình 6. Hỗn hợp tế bào
và chất đánh dấu (hạt từ tính bao phủ bởi một lớp chất hoạt động bề mặt hay
polime) được trộn với nhau để các lên kết hóa học giữa chất đánh dấu và tế bào xảy
ra. Sử dụng một từ trường ngoài là một thanh nam châm vĩnh cửu để tạo ra một
gradient từ trường giữ các hạt tế bào được đánh dấu lại. Hạn chế của phương pháp
này là hiệu quả tách từ không cao [10]. Để tăng hiệu quả người ta thường dùng một
gradient từ trường lớn tác động lên một dòng chảy có chứa các hạt nanô từ tính cần
tách lọc. Thông thường người ta cho một số sợi từ hóa hoặc tiểu cầu từ tính trong
lòng các ống rồi bơm dung dịch có chứa hạt nanô từ tính và tế bào liên kết với hạt
nanô từ tính đi qua (hình 6, bên dưới). Trong công trình [11], hạt nanô từ tính sẽ
dừng ở các sợi, các sợi có vai trò như nơi giam giữ hạt nanô từ tính và tế bào.
Phương pháp này có nhược điểm là hạt nanô từ tính và tế bào có thể bị mất mát do
bị tắc trong đám sợi. Một phương pháp khác được sử dụng mà không cần sự có mặt
của các đám sợi đó là dùng một gradient từ trường xuyên tâm tạo bởi bốn thanh
nam châm như hình 7. Gradient từ trường xuyên tâm làm các tế bào đánh dấu từ bị
hút về phía thành ống rất nhanh [12]. Trong ứng dụng này dung dịch không chuyển
động mà gradient từ trường chuyển động so với dung dịch đứng yên. Phụ thuộc vào
độ linh động từ tính của tế bào đánh dấu từ tính mà các tế bào sẽ được tách ra khỏi
dung dịch và được thu thập bằng một nam châm vĩnh cửu.
Tách tế bào bằng từ trường đã được ứng dụng thành công trong y sinh học. Đây
là một trong những phương pháp rất nhạy để có thể tế bào ung thư từ máu, đặc biệt

25

là khi nồng độ tế bào ung thư rất thấp, khó có thể tìm thấy bằng các phương pháp
khác [14]. Người ta có thể phát hiện kí sinh trung sốt rét trong máu bằng cách đo từ
tính của kí sinh trùng đánh dấu [15] hoặc đánh dấu các tế bào hồng cầu bằng chất
lỏng từ tính [16]. Ngoài ra, với nguyên tắc tương tự như phân tách tế bào, quá trình
phân tách và làm giàu ADN cũng được thực hiện nhờ hạt nanô từ tính [17].
1.2.4.3. Dẫn truyền thuốc
Một trong những nhược điểm quan trọng nhất của hóa trị liệu đó là tính không
đặc hiệu. Khi vào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố không tập trung nên các
tế bào mạnh khỏe bị ảnh hưởng do tác dụng phụ của thuốc. Chính vì thế việc dùng
các hạt từ tính như là hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể (thông thường
dùng điều trị các khối u ung thư) đã được nghiên cứu từ những năm 1970, [18,
19] những ứng dụng này được gọi là dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính. Có hai lợi
ích cơ bản là: (i) thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể nên làm giảm
tác dụng phụ của thuốc; và (ii) giảm lượng thuốc điều trị. Hạt nanô từ tính có tính
tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị. Lúc này hạt nanô có tác dụng
như một hạt mang. Thông thường hệ thuốc/hạt tạo ra một chất lỏng từ và đi vào cơ
thể thông qua hệ tuần hoàn. Khi các hạt đi vào mạch máu, người ta dùng một từ
trường ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể. Khi hệ
thuốc/hạt được tập trung tại vị trí cần thiết, quá trình nhả thuốc có thể diễn ra thông
qua cơ chế hoạt động của các enzym hoặc các tính chất sinh lý học do các tế bào
ung thư gây ra như độ pH, quá trình khuyếch tán hoặc sự thay đổi của nhiệt độ
[20]. Quá trình vật lý diễn ra trong việc dẫn truyền thuốc cũng tương tự như trong
phân tách tế bào. Các chất mang thường đi vào các tĩnh mạnh hoặc động mạch nên
các thông số thủy lực như thông lượng máu, nồng độ chất lỏng từ, thời gian tuần
hoàn đóng vai trò quan trọng như các thống số sinh lý học như khoảng cách từ vị trí
của thuốc đến nguồn từ trường, mức độ liên kết thuốc/hạt, và thể tích của khối u.
Các hạt có kích thước m (tạo thành từ những hạt siêu thuận từ có kích thước nhỏ
hơn) hoạt động hiệu quả hơn trong hệ thống tuần hoàn đặc biệt là ở các mạch máu