nghiên cứu chế tạo chất lỏng từ nền hạt nano fe3o4 ứng dụng trong diệt tế bào ung thư

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU


PHẠM HOÀI LINH


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CHẤT LỎNG TỪ NỀN
HẠT NANO Fe
3
O
4
ỨNG DỤNG TRONG DIỆT
TẾ BÀO UNG THƯ



Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 62 44 01 23

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. Lê Văn Hồng
2. TS. Hà Phương Thư

HÀ NỘI – 2014

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc nhất
của mình tới PGS.TS Lê Văn Hồng, GS.TSKH. Nguyễn Xuân Phúc và TS.
Hà Phương Thư – những người Thầy đã định hướng, ân cần chỉ bảo cũng như
tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện Luận án.
Lời cảm ơn trân trọng nhất tôi xin được gửi tới TS. Phạm Thanh Phong
và TS. Đỗ Hùng Mạnh vì sự quan tâm sâu sắc, sự giúp đỡ tận tình và những
bàn luận khoa học quý báu.
Bản luận án này sẽ không thể hoàn thành nếu không có sự giúp đỡ của
các đồng nghiệp. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn của mình tới tất cả các thành
viên thuộc Phòng Vật lý Vật liệu Từ - Siêu dẫn và Phòng Vật liệu Nano Y-
sinh vì sự giúp đỡ thực hiện các phép đo và sự quan tâm động viên hết sức
quý báu với tôi trong quá trình thực hiện Luận án. Đặc biệt, tôi xin được gửi
tới PGS. TS. Vũ Đình Lãm, TS. Trần Đăng Thành, TS. Ngô Thị Hồng Lê,
ThS. Nguyễn Anh Tuấn, ThS. Nguyễn Chí Thuần, ThS. Phạm Hồng Nam,
ThS. Phạm Văn Thạch lời cảm ơn và những tình cảm chân thành.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS. TS. Nguyễn Thị Quỳ,
TS. Hoàng Thị Mỹ Nhung và các học viên của bộ môn Mô phôi và Tế bào
thuộc khoa Sinh học trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia
Hà Nội vì những hợp tác nghiên cứu trong các ứng dụng y sinh cũng như
những góp ý quan trọng để hoàn thiện Luận án.
Qua đây, tôi cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn tới PGS. TS. Hoàng Nam
Nhật, PGS. TS. Trần Hồng Nhung, PGS. TS. Lê Quang Huấn vì những ý kiến
góp ý cho bản luận án đạt được kết quả tốt nhất.
Tôi cũng xin được cảm ơn Viện Khoa học vật liệu, bộ phận đào tạo Viện

khoa học Vật liệu, Bộ Giáo dục và Đào tạo, đề tài nghiên cứu cơ bản định
hướng ứng dụng 04/02/742/2009/HÐ-ÐTÐL, các đề tài cơ bản cấp cơ sở Viện
Khoa học vật liệu và cấp Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam mã số:
103.02.48.09, 4.107.06, đã tạo nhiều điều kiện về thời gian và kinh phí để tôi
có thể hoàn thành luận án này.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến những người thân trong gia
đình Bố, Mẹ, các anh chị và bạn bè, đặc biệt là chồng và hai con, nguồn động
viên tinh thần và là hậu phương vững chắc giúp tôi yên tâm hoàn thành luận
án.
Hà Nội, tháng 11 năm 2014.
Tác giả
Phạm Hoài Linh

LỜI CAM ĐOAN


Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi
dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Lê Văn Hồng và TS. Hà
Phương Thư. Hầu hết các số liệu, kết quả trong luận án được
trích dẫn lại từ các bài báo đã và sắp được xuất bản của tôi và
các cộng sự. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong các công trình khoa học khác.

Tác giả

Phạm Hoài Linh

MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt, các Hình và Bảng
MỞ ĐẦU 23
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO TỪ Fe
3
O
4

DẠNG HẠT VÀ ỨNG DỤNG TRONG NHIỆT TỪ TRỊ 28
1.1. Tổng quan về vật liệu Fe
3
O

4
28
1.1.1. Vật liệu Fe
3
O
4
dạng khối 28
1.1.1.1. Cấu trúc tinh thể. 28
1.1.1.2. Tính chất từ 29
1.1.2. Vật liệu Fe
3
O
4
dạng hạt kích thước nano mét 34
1.1.2.1. Cấu trúc tinh thể 34
1.1.2.2. Tính chất từ trong hạt nano Fe
3
O
4
35
1.1.2.3. Tương tác giữa các hạt nano Fe
3
O
4
47
1.1.2.4. Các nghiên cứu chế tạo hạt nano từ Fe
3
O
4
48

1.1.3. Chất lỏng từ 50
1.1.3.1. Khái niệm 50
1.1.3.2. Tổng quan về các loại vật liệu bọc. 53
1.2. Ứng dụng hạt nano Fe
3
O
4
trong y sinh 57
1.2.1. Các cơ chế vật lý của hiệu ứng sinh nhiệt sử dụng hạt từ trong
từ trường xoay chiều 57
1.2.1.1. Tổn hao từ trễ 57
1.2.1.2. Tổn hao hồi phục 59
1.2.1.3. Một số cơ chế sinh nhiệt khác 63
1.2.2. Các nghiên cứu ứng dụng hạt nano từ Fe
3
O
4
trong nhiệt từ trị ung
thư 65
Kết luận chương 1 67
CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 68
2.1. Chế tạo mẫu hạt nano Fe
3
O
4
68
2.1.1. Phương pháp đồng kết tủa 68
2.1.2. Quy trình chế tạo mẫu hạt nano Fe
3
O

4
72
2.2. Chế tạo chất lỏng từ nền nano Fe
3
O
4
bọc bằng polymer tương
thích sinh học 75
2.2.1. Quy trình tạo chất lỏng từ nền hạt nano Fe
3
O
4
bọc bằng tinh bột 76
2.2.2. Quy trình tạo chất lỏng từ nền hạt nano Fe
3
O
4
bọc bằng chitosan
và chitosan biến tính 77
2.3. Các phương pháp thực nghiệm 78
2.3.1. Nhiễu xạ tia X 78
2.3.2. Hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) 79
2.3.4. Các phép đo từ 80
2.2.5. Phép đo phổ hấp thụ hồng ngoại 81
2.2.6. Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermal Gravity Analysis-TGA) 82
2.2.7. Thực nghiệm đo bán kính động học của hạt nano từ bọc 82
2.2.8. Thực nghiệm đốt nhiệt cảm ứng từ 83
2.2.9. Phương pháp đánh giá độc tính của chất lỏng từ lên các dòng tế
bào sinh học 84
Kết luận chương 2 88

CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA CÁC HẠT
NANO Fe
3
O
4
CÓ KÍCH THƯỚC KHÁC NHAU 89
3.1. Khảo sát một số yếu tố công nghệ ảnh hưởng tới sự hình
thành pha, kích thước hạt và mômen từ bão hòa của vật liệu nano
Fe
3
O
4
90
3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đồng kết tủa 90
3.1.1.1. Pha cấu trúc và kích thước tinh thể 90
3.1.1.2. Hình dạng và kích thước hạt thực 94
3.1.1.3. Từ độ bão hòa ở nhiệt độ phòng 97
3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy từ và nồng độ dung dịch
muối ban đầu 98
3.1.2.1. Pha cấu trúc và kích thước tinh thể 99
3.1.2.2. Hình dạng và kích thước hạt thực 101
3.1.2.3. Từ độ bão hòa ở nhiệt độ phòng 103
3.2. Tính chất từ của các hạt nano Fe
3
O
4
105
3.2.1. Đặc tính siêu thuận từ 106
3.2.2. Từ độ của hạt nano Fe
3

O
4
và cấu hình vỏ lõi 112
3.2.3. Khả năng sinh nhiệt trong từ trường xoay chiều của các hạt
nano Fe
3
O
4
117
Kết luận chương 3 121
CHƯƠNG 4: CHẤT LỎNG TỪ NỀN HẠT NANO Fe
3
O
4
VÀ
ỨNG DỤNG TRONG DIỆT TẾ BÀO UNG THƯ 123
4.1. Nghiên cứu thử nghiệm chế tạo chất lỏng từ nền hạt nano
Fe
3
O
4
bọc tinh bột (SF) và ứng dụng diệt tế bào ung thư. 124
4.1.1. Các đặc trưng và tính chất từ. 124
4.1.2. Ứng dụng chất lỏng từ nền hạt nano Fe
3
O
4
bọc tinh bột diệt tế
bào ung thư bằng phương pháp nhiệt từ trị. 130
4.2. Chất lỏng từ nền hạt nano Fe

3
O
4
bọc chitosan, chitosan biến
tính và khả năng ứng dụng trong y sinh. 133
4.2.1. Các đặc trưng và tính chất từ của chất lỏng từ bọc chitosan và
chitosan biến tính. 134
4.2. 2. Nghiên cứu tương tác chất lỏng từ Fe
3
O
4
bọc chitosan với đại thực
bào. 142
4.2.3. Nghiên cứu độc tính của chất lỏng từ bọc O-carboxymethyl
chitosan với tế bào lành biểu mô thận chó MDCK. 144
Kết luận chương 4 148
Kết luận chung 127
Danh mục các công trình công bố
Tài liệu tham khảo

CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

1. Các chữ viết tắt

A% : Tỷ lệ tăng sinh
BSE : Điện tử tán xạ ngược
CTS : Chất chitosan
DTA : Phân tích nhiệt vi sai
D

SP
: Kích thước tới hạn siêu thuận từ
D
SD
: Kích thước tới hạn đơn đô men
ĐPĐ : Độ phóng đại của ảnh hiển vi quang học
FC : Làm lạnh trong từ trường
Fe
3
O
4
-OCMCS : Hạt nano Fe
3
O
4
bọc chitosan biến tính
Fe
3
O
4
- CTS

: Hạt nano Fe
3
O
4
bọc chitosan
IC
50
: Chỉ số nồng độ gây ức chế sinh trưởng tế bào 50%

SF : Chất lỏng từ bọc tinh bột
FESEM : Ảnh hiển vi điện tử phát xạ trường
FWMH : Độ rộng bán vạch nhiễu xạ tia X
MDCK : Tế bào lành biểu mô thận chó
MFH : Đốt nóng cảm ứng từ
MRI : Ảnh cộng hưởng từ
NNH : Mô hình nhảy lân cận gần nhất
PPMS : Hệ đo các tính chất vật lý
PEG : Polyethylene glycol
OCMCS : Chất O-carboxymethyl chitosan
OD : Mật độ quang học của dung dịch SRB
R
2
: Sai số trùng phù của kết quả khớp giữa thực nghiệm và
lý thuyết
T : Tesla
TCA : Axit trichloroacetic
TGA : Phân tích nhiệt khối lượng
SE : Điện tử thứ cấp
SQUID : Từ kế giao thoa lượng tử siêu dẫn
SRB : Phương pháp phân tích protein tổng số
SW : Mô hình Stoner-Wohlfarth
SLP : Công suất tỏa nhiệt riêng
SAR : Tốc độ hấp thụ nhiệt riêng
VSM : Hệ đo từ kế mẫu rung
XRD : Nhiễu xạ tia X
ZFC : Làm lạnh không từ trường
VKHVL : Viện khoa học Vật liệu
2. Các ký hiệu
A : Vị trí của các ion sắt trong cấu trúc ferit spinel

A
ex
: Hệ số tương tác trao đổi
a
hkl
: Hằng số mạng
B : Vị trí của các ion sắt trong cấu trúc ferit spinel
B’ : Bề rộng vạch ở 1/2 giá trị cường độ cực đại
a : Thông số tiêu chuẩn để đánh giá tương tác từ giữa các hạt
r
cr
: Bán kính tới hạn
D
s
: Hệ số sóng spin
D
d
: Khoảng cách tâm giữa hai hạt
d
c
: Đường kính lõi hạt
d
total
: Đường kính hạt tổng cộng
train
a
E
: Năng lượng từ giảo
E
A

: Năng lượng dị hướng từ tinh thể
E
a
: Rào năng lượng
E
k
: Năng lượng kích thích của sóng spin
E
pt
: Năng lượng của một hạt đơn đô men cô lập
E
thermal
: Năng lượng nhiệt
f : Tần số của từ trường xoay chiều
f
0
: Tần số tiến động Larmor
g(k) : Mật độ trạng thái sóng spin
H : Từ trường
H
c
: Lực kháng từ
H
dc
: Từ trường một chiều
H
K
: Trường dị hướng
I
S

: Từ độ bão hòa trên một đơn vị thể tích
I
o(ν)
: Cường độ ánh sáng chiếu tới
J
AB
: Hệ số tương tác trao đổi A-B
K : Hằng số dị huớng từ tinh thể
K
eff
: Hằng số dị hướng từ hiệu dụng
kDa : Khối lượng phân từ (nguyên tử) có giá trị tương đương 1,66×10
-
27

kg
k
B
: Hằng số Boltzmann
k : Vector sóng
L(x)
: hàm Langevin, trong đó x =

H/kT
M : Từ độ
M
s
: Từ độ bão hòa trên một đơn vị khối lượng
M
H

: Thành phần từ độ song song với từ trường
M
s
(0) : Từ độ bão hòa ở 0 K
M
s
(T) : Từ độ bão hòa ở nhiệt độ T
M
r
: Từ độ dư
M
FC
: Từ độ của mẫu trong chế đệ đo làm lạnh có từ trường
M
ZFC
: Từ độ của mẫu trong chế đệ đo làm lạnh không có từ trường
m : Khối lượng
P : Công suất toả nhiệt
r
c
: Bán kính tới hạn của đơn đô men
t : Thời gian
T : Nhiệt độ
T
B
: Nhiệt độ khóa
T
C
: Nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ Curie
T

f
: Nhiệt độ đóng băng spin
V : Thể tích hạt
W : Công suất toả nhiệt
W
hys
: Tổn hao từ trễ
λ
bs
: Bước sóng của nguồn phát xạ tia X
λ
s
: Từ giảo bão hòa
n(k) : Số chiếm đầy Bose
η : Ứng suất


: Góc

m

: Thời gian đo

o

: Thời gian hồi phục
χ
’
: Phần thực của độ cảm từ xoay chiều
χ

’’
: Phần ảo của độ cảm từ xoay chiều
β : Giá trị ứng suất bề mặt


: Góc liên kết B-O-B
κ : Góc Bragg
ρ
c
: Khối lượng riêng
μ : Mô men từ của một hạt
μ
0

: Độ từ thẩm chân không (4π

10
-
7
Vs (Am)
-
1
)

3. Một số thuật ngữ trong Luận án được dịch từ tiếng Anh

Backscattered electrons : Điện tử tán xạ ngược
Clinical trial : Thử nghiệm lâm sàng
Hydrodynamic size : Kích thước thủy động
Closed cycle helium refrigerator : Hệ làm lạnh chu trình kín dùng khí He

Field emission scaning electron
Microscope (FESEM)
: Hiển vi điện tử quét phát xạ trường
Magnetite : Ô xít sắt từ
HeLa : Tế bào ung thư cổ tử cung
Magnetic inductive heating (MIH) : Đốt nóng cảm ứng từ
Phase separation : Tách pha
Spin-dependent scattering : Tán xạ phụ thuộc spin
Secondary electron : Điện tử thứ cấp
Spin glass : Thủy tinh spin
Spheroid : Khối cầu
Superparamagnetic : Siêu thuận từ
Thermoseed : Hạt nhiệt
Untra-small size : Kích thước siêu nhỏ

DANH MỤC CÁC HÌNH

Tên Tên hình Trang

Hình 1.1.
Cấu trúc tinh thể của vật liệu Fe
3
O
4
5

Hình 1.2.
Một vài dạng cấu hình sắp xếp ion trong mạng spinel
tương ứng với các tương tác trao đổi
6

Hình 1.3.
Đường cong từ hóa theo các trục của tinh thể Fe
3
O
4
10

Hình 1.4.
Trường khử từ trong mẫu có dạng ellipsoid tròn xoay 11

Hình 1.5.
Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu hạt nano Fe
3
O
4
có kích
thước 9,6 nm
12

Hình 1.6.
Kích thước giới hạn cho trạng thái đơn đômen (D
sd
), trạng
thái siêu thuận từ (D
sp
) của một số vật liệu từ
13

Hình 1.7.

Hệ tọa độ cho quá trình đảo từ trong một hạt đơn đô men.
Từ trường ngoài H tạo một góc

so với trục dễ (trục c) và
tạo ra từ độ tổng cộng (µ) nằm ở góc θ so với trục dễ
14

Hình 1.8.
Sơ đồ rào năng lượng cho một hạt có dị hướng đơn trục khi
có từ trường đặt vào và khi không có từ trường ngoài
15

Hình 1.9.
Một số đặc tính từ của vật liệu từ: sắt từ (FM), siêu thuận
từ (SPM) và thuận từ (PM)
16

Hình 1.10.
Hình bên trái là độ cảm từ phụ thuộc nhiệt độ ở các tần số
khác nhau, hình bên phải là đồ thị mô tả mối liên hệ giữa
nhiệt độ khóa và logarit của các tần số thực nghiệm, đường
làm khớp theo định luật Neél-Arrheniu của các hạt nano
Fe
3
O
4

18

Hình 1.11.

Đồ thị mô tả sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước
hạt
20

Hình 1.12.
Mô hình lõi vỏ của một hạt nano từ 21

Hình 1.13.
Đường từ hóa của các hạt nano Fe
3
O
4
kích thước trung
bình khác nhau (hình nhỏ mô tả sự phụ thuộc của lặc
kháng từ vào kích thước hạt)
21

Hình 1.14.
Sự phụ thuộc của hằng số dị hướng hiệu dụng vào kích 23

thước hạt
Hình 1.15.
Biểu đồ mô tả tỷ lệ sử dụng các phương pháp hóa trong chế
tạo hạt nano từ
26

Hình 1.16.
Mô hình cấu tạo chất lỏng từ 28

Hình 1.17.

Các dạng bọc hạt nano từ : Lõi – Vỏ (Core-Shell), Ma trận
(Matrix), Vỏ-Lõi-Vỏ (Shell-Core-Shell).
30

Hình 1.18.
Sự phụ thuộc của công suất tổn hao hồi phục Néel vào kích
thước hạt ở ba tần số đo khác nhau
37

Hình 1.19.
Đường phụ thuộc của phần ảo độ tự cảm xoay chiều theo
tần số đo. Đường liền nét là các tính toán lý thuyết, đường
đứt nét là số liệu thực nghiệm của mẫu được phân tán
trong môi trường lỏng (đường trên) và mẫu gắn chặt trong
gel (đường dưới)
38

Hình 1.20.
Thời gian hồi phục tính cho các hạt nano Fe
3
O
4
có kích
thước khác nhau phân tán trong môi trường nước ở 310 K
39

Hình 1.21.
Thí nghiệm so sánh công suất tỏa nhiệt sinh bởi các hạt
siêu thuận từ (trên) và sắt từ (dưới).
40

Hình 1.22.
Thiết bị MFH – 300 F

và chất

lỏng từ thương phẩm của
công ty MagForce dùng trong nhiệt-từ trị.
43

Hình 2.1.
Sơ đồ Lamer mô tả quá trình hình thành hạt nano. 46

Hình 2.2.
Sự phụ thuộc của phức kim loại vào pH và hoá trị của kim
loại.
47

Hình 2.3.
Quá trình thủy phân tạo thành hạt oxit và hydroxit sắt. 48

Hình 2.4.
Sơ đồ mô tả phản ứng Oxolation để tạo thành hạt ôxít kim
loại.
49

Hình 2.5.
Mô hình phản ứng tổng hợp Fe
3
O

4
theo phương pháp đồng
kết tủa.
50

Hình 2.6.
Quy trình tổng hợp hạt nano Fe
3
O
4
bằng phương pháp
đồng kết tủa.
51

Hình 2.7.
Quy trình tạo chất lỏng từ hạt nano Fe
3
O
4
bọc tinh bột. 53

Hình 2.8.
Quy trình tạo chất lỏng từ hạt nano Fe
3
O
4
bọc
chitosan/chitosan biến tính
54

Hình 2.9.
Sơ đồ mô tả các tín hiệu nhận được từ mẫu trong ảnh SEM. 56

Hình 2.10.
Sự hấp thụ ánh sáng của mẫu đồng nhất có chiều dày d. 58

Hình 2.11.
Toàn cảnh hệ thí nghiệm đốt nóng cảm ứng từ. 60

Hình 2.12.
(a) Minh hoạ bố trí thí nghiệm đốt nóng cảm ứng từ, (b)
xác định tốc độ tăng nhiệt ban đầu từ đường nhiệt độ đốt
phụ thuộc thời gian
60

Hình 2.13.
Xác định giá trị IC
50
trực tiếp dựa vào đồ thị đáp ứng liều
của các dòng tế bào khi thử thuốc với các nồng độ khác
nhau
64

Hình 2.14.
Quy trình đánh giá độc tính của các mẫu chất lỏng từ với
các dòng tế bào.
64

Hình 3.1.
Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu vật liệu Fe

3
O
4
chế tạo
ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau
68

Hình 3.2.
Độ rộng và cường độ nhiễu xạ của các mẫu nano Fe
3
O
4
70

Hình 3.3.
Ảnh hiển vi điện tử phát xạ trường FESEM và sự phân bố
kích thước hạt của các mẫu T1, T2, T3, T4, T5.
73

Hình 3.4.
Đường từ hóa ban đầu của các mẫu hạt nano Fe
3
O
4
chế
tạo theo nhiệt độ khác nhau
74

Hình 3.5.
Sự phụ thuộc từ độ bão hòa theo nhiệt độ phản ứng 74

Hình 3.6.
Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu Fe
3
O
4
chế tạo ở các
nồng độ muối (M3, M4, M5) và các tốc độ khuấy từ
(M1,M2) khác nhau.
76

Hình 3.7.
Ảnh hiển vi điện tử phát xạ trường FESEM và đồ thị phân
bố kích thước của các mẫu M1, M2, M3.
79

Hình 3.8.
Ảnh hiển vi điện tử phát xạ trường FESEM và đồ thị phân
bố kích thước của các mẫu M4, M5.
80

Hình 3.9.
Đường cong từ hóa ban đầu của các mẫu nano Fe
3
O
4
theo
nồng độ và tốc độ khuấy từ khác nhau.
81

Hình 3.10.
Đường cong từ trễ của các mẫu hạt nano Fe
3
O
4
có kích
thước khác nhau. Hình nhỏ là đường M(H) của hai mẫu D8
và D20 trong từ trường nhỏ -40 Oe đến 40 Oe
84

Hình 3.11.
Đường ZFC-FC của các mẫu D20, D16, D14. 84

Hình 3.12.
Các đường đo ZFC ở các từ trường khác nhau của mẫu
D14.
86

Hình 3.13.
Các đường đo ZFC ở các từ trường khác nhau của mẫu
D16.
86

Hình 3.14.
Đường phụ thuộc nhiệt độ khóa vào từ trường ngoài mẫu
D14.
87

Hình 3.15.
Đường phụ thuộc nhiệt độ khóa vào từ trường ngoài mẫu

D16.
87

Hình 3.16.
Đường từ hóa ban đầu của các mẫu hạt nano có kích thước
khác nhau.
89

Hình 3.17.
Sự phụ thuộc từ độ bão hòa vào kích thước hạt. 89

Hình 3.18.
Đường M(H) của mẫu D16 ở 300K (Δ) và các đường fit
theo hàm (3.5) và (3.6).
90

Hình 3.19.
Đường M(H) của mẫu D14, D12, D10, D8 ở 300K (ο) và
các đường fit theo (3.6).
90

Hình 3.20.
Đồ thị mô tả mối quan hệ giữa kích thước lõi và kích thước
tổng của hạt nano Fe
3
O
4
.
92

Hình 3.21.
Đường từ độ ở từ trường cao phụ thuộc nhiệt độ của mẫu
hạt nano Fe
3
O
4
.
94

Hình 3.22.
Đồ thị mô tả sự phụ thuộc tuyến tính của [M
S
(0)-
M
S
(T)]/M
S
(0) theo T
3/2
.
94

Hình 3.23.
Đường đốt nóng cảm ứng từ của các mẫu hạt nano Fe
3
O
4

có kích thước khác nhau.
95

Hình 3.24.
Đường đốt nóng cảm ứng từ của mẫu D16 ở các nồng độ
khác nhau.
97

Hình 3.25.
Sự phụ thuộc nhiệt độ bão hòa vào nồng độ hạt từ. 98

Hình 3.26.
Sự phụ thuộc tốc độ tăng nhiệt ban đầu vào nồng độ hạt từ. 98

Hình 4.1.
Mô hình phân tử tinh bột. 101

Hình 4.2.
Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe
3
O
4
(a) và mẫu Fe
3
O
4

bọc tinh bột sau khi sấy khô (b).
101

Hình 4.3.
Ảnh FESEM của các hạt nano chưa bọc (a) và các hạt

nano đã được bọc tinh bột(b).
102

Hình 4.4.
Chất lỏng từ có nồng độ 15 mg/ml : mới chế tạo (A,B) và
sau thời gian bảo quản 1 tháng (C).
102

Hình 4.5.
Đường cong từ trễ của 10 µl chất lỏng từ hạt nano Fe
3
O
4

bọc tinh bột.
103

Hình 4.6.
Đường cong từ trễ của chất lỏng từ sau khi sấy khô (SF) và
mẫu Fe
3
O
4
chưa bọc.
103

Hình 4.7.
Đường đo M(H) lúc mới chế tạo và sau 2 tháng của mẫu
bọc sau khi sấy khô.
104

Hình 4.8.
Đường đốt nóng cảm ứng từ của mẫu chất lỏng từ Fe
3
O
4

bọc tinh bột.
105

Hình 4.9.
Đường đốt nóng cảm ứng từ của chất lỏng từ ở các nồng
độ khác nhau.
106

Hình 4.10.
Sự phụ thuộc của tốc độ tăng nhiệt ban đầu và nhiệt độ bão
hoà. vào nồng độ hạt từ.
106

Hình 4.11.
Ảnh hiển vi quang học của các tế bào ung thư (a), với hạt
từ trong 72 giờ (b), ủ hạt từ sau khi lọc rửa (c,d).
109

Hình 4.12.
Ảnh hiển vi quang học của các tế bào ung thư : không đốt
(trái), sau khi đốt 75 phút trong từ trường xoay chiều
(phải).
109

Hình 4.13.
Đường phụ thuộc giữa tỷ lệ tế bào ung thư bị chết theo thời
gian đốt.
110

Hình 4.14.
Sơ đồ minh họa cấu trúc chitosan và chitosan biến tính. 111

Hình 4.15.
Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu hạt nano Fe
3
O
4
bọc
chitosan (a) và Fe
3
O
4
bọc chitosan biến tính (b).
112

Hình 4.16.
Ảnh FESEM của mẫu nano Fe
3
O
4
bọc chitosan (A,B) và
chitosan biến tính (C,D).
112

Hình 4.17.
Kết quả đo Phân bố kích thước hạt (DLS) của mẫu chất
lỏng từ bọc chitosan biến tính.
113

Hình 4.18.
Phổ hấp thụ hồng ngoại IR của Fe
3
O
4
(A), chitosan và
Fe
3
O
4
bọc chitosan (B).
114

Hình 4.19.
Phổ hấp thụ hồng ngoại FITR của các mẫu Fe
3
O
4
(A)
chitosan biến tính (B), Fe
3
O
4
bọc chitosan biến tính (C).

116

Hình 4.20.
Hình minh họa tương tác giữa hạt nano Fe
3
O
4
với các
phân tử chitosan biến tính.
116

Hình 4.21.
Đường M(H) mẫu hạt nano Fe
3
O
4
bọc chitosan. 117

Hình 4.22.
Đường M(H) mẫu hạt nano Fe
3
O
4
bọc chitosan biến tính. 117

Hình 4.23.
Đường M(H) mẫu hạt nano Fe
3
O
4

, mẫu hạt bọc chitosan
(Fe
3
O
4
-CTS) và chitosan biến tính (Fe
3
O
4
-OCMCS).
117

Hình 4.24.
Đường phân tích nhiệt vi sai của mẫu F e
3
O
4
-OCMCS. 117

Hình 4.25.
Đường đốt nóng cảm ứng từ của chất lỏng từ hạt nano
Fe
3
O
4
bọc chitosan ở các nồng độ khác nhau.
118

Hình 4.26.
Đường đốt nóng cảm ứng từ của chất lỏng từ hạt nano

Fe
3
O
4
bọc chitosan biến tính ở các nồng độ khác nhau.
118

Hình 4.27.
Ảnh hiển vi quang học của đại thực bào: khi chưa ủ với hạt
từ (A), ủ với hạt từ (B), đại thực bào ăn hạt từ (C).
120

Hình 4.28.
Ảnh hiển vi quang học của: khối ung thư thực nghiệm (A),
khối ung thư ngay sau khi ủ với hạt từ (B), đại thực bào (a),
đại thực bào xâm nhậm vào khối u (b).
120

Hình 4.29.
Ảnh hiển vi quang học của khối u ung thư thư : sau 1 ngày
ủ với đại thực bào mang hạt nano từ (A) và sau 4 ngày ủ
với đại thực bào mang hạt từ (B), đại thực bào mang hạt
từ (a), đại thực bào không mang hạt từ (b).
121

Hình 4.30.
Ảnh hiển vi quang học của mẫu tế bào đối chứng (A), mẫu
tế bào ủ với Fe
3
O

4
-OCMCS (B, C), mẫu tế bào ủ với
doxorubicin ở nồng độ 100 ug/ml.
122

Hình 4.31.
Đường cong đáp ứng liều của tế bào MDCK đối với
Doxorubicin và Fe
3
O
4
-OCMCS.
124

Hình 4.32.
Đường cong đáp ứng liều theo dạng hàm logarit của của tế
bào MDCK đối với Doxorubicin và Fe
3
O
4
-OCMCS.
124

DANH MỤC CÁC BẢNG

Tên Tên bảng Trang
Bảng 1.1.
Khoảng cách giữa các ion được ký hiệu p, q, r, s b, c, d,e,
hằng số mạng a, tham số ôxi u (u là đại lượng đặc trưng
cho độ dịch chuyển của các ion ôxi khỏi vị trí mạng lý
tưởng có giá trị 3/8.
6

Bảng 1.2.
Giá trị tích phân tương tác trao đổi AB của một số chất
ferrite.
7

Bảng 1.3.
Mô tả sự sắp xếp mômen từ ở các vị trí của Fe
3
O
4
và giá
trị mômen từ phân tử.
7

Bảng 1.4.
Từ độ bão hòa trên một đơn vị khối lượng M
S
, từ độ bão
hòa trên đơn vị thể tích I
S
, nhiệt độ Curie, khối lượng riêng
(


), giá trị hằng số dị hướng (K
1
) ở nhiệt độ phòng của
Fe
3
O
4

9

Bảng 2.1.
Các sản phẩm của phản ứng thuỷ phân. 47

Bảng 2.2.
Các mẫu chế tạo với sự thay đổi của nhiệt độ phản ứng. 52

Bảng 2.3.
Các mẫu chế tạo mẫu ở nhiệt độ phòng với sự thay đổi của
nồng độ muối tham gia phản ứng , tốc độ khuấy từ.
52

Bảng 2.4.
Bố trí thí nghiệm trên đĩa nuôi cấy 96 giếng. 62

Bảng 3.1.
Bảng giá trị khoảng cách giữa hai mặt mạng (d
311
) hằng số
mạng (a), độ sai lệch hằng số mạng(δ), độ bán rộng đỉnh

của đỉnh (511)( β) và kích thước tinh thể (d
XRD
) của các
mẫu hạt nano Fe
3
O
4
chế tạo ở các nhiệt độ khác nhau.
69

Bảng 3.2.
Bảng thực nghiệm và tổng hợp kích thước tinh thể, kích
thước hạt thực của các mẫu chế tạo ở các nhiệt độ phản
ứng khác nhau.
75

Bảng 3.3.
Bảng giá trị khoảng cách giữa hai mặt mạng 311 (d
311
),
hằng số mạng (a), độ sai lệch hằng số mạng (δ), độ bán
rộng (β) và kích thước tinh thể của các mẫu nano Fe
3
O
4

chế tạo ở các nồng độ muối ban đầu và tốc độ khuấy từ
khác nhau
77

Bảng 3.4.
Bảng thực nghiệm và tổng hợp kích thước tinh thể, kích
thước hạt thực của các mẫu chế tạo ở các nồng độ và tốc
81

độ khuấy từ khác nhau.
Bảng 3.5.
Bảng tổng hợp các kết quả nghiên cứu chế tạo hạt nano từ
Fe
3
O
4
bẳng phương pháp đồng kết tủa.
83

Bảng 3.6.
Bảng giá trị kích thước tinh thể từ nhiễu xạ tia X (dXRD),
kích thước hạt thực từ ảnh FESEM (dFESEM), giá trị từ độ
bão hòa (Ms), giá trị lực kháng từ H
C
.
92

Bảng 3.7.
ảng các giá trị mô mô men từ ở 300K,
χ và mô men từ riêng của trong
mỗi hạt của các mẫu hạt nano Fe3O4 có kích thước khác
nhau
96

Bảng 4.1.
Bảng các giá trị từ độ bão hòa, tốc độ tăng nhiệt ban đầu
và công suất tỏa nhiệt của các mẫu hạt nano Fe
3
O
4
có kích
thước khác nhau
106

Bảng 4.2.
Bảng giá trị của tốc độ tăng nhiệt ban đầu, nhiệt độ bão
hòa, giá trị SLP của chất lỏng từ theo nồng độ các hạt từ.

108

Bảng 4.3.
Sự phát triển của các tế bào ung thư sau 72 giờ ủ với các
nồng độ chất lỏng từ khác nhau.
108


Giá trị OD và tỉ số tăng trưởng của tế bào MDCK dưới tác
dụng của doxorubicin và Fe
3
O
4
-OCMCS.
123

MỞ ĐẦU

Từ cách đây hàng nghìn năm con người đã biết sử dụng vật liệu từ trong
chữa bệnh [74]. Các nhà triết học đầu tiên của hy lạp (khoảng năm 624-547
trước công nguyên) tin rằng giữ con người và nam châm có mối liên hệ với
nhau. Các thầy thuốc thuộc trường phái Hippocrates (khoảng từ 460-370
trước công nguyên) đã tạo ra một loại thuốc có sử dụng các hạt ôxít sắt để
ngưng máu chảy và kiểm soát lượng máu chảy ra khỏi cơ thể [74]. Cho đến
ngày nay khi khoa học kỹ thuật phát triển, đặc biệt là ngành khoa học công
nghệ nano, việc ứng dụng các hạt nano từ cho y sinh học đặc biệt trong chuẩn
đoán và điều trị ung thư đang là vấn đề thu hút được sự quan tâm của nhiều
nhà khoa học trên thế giới [153]. Công nghệ nano cho phép các nhà khoa học,
các kỹ sư và các nhà vật lý làm việc ở mức độ phân tử nguyên tử nhằm tạo ra

những tiến bộ vượt bậc trong khoa học đời sống và sức khỏe con người. Có
thể nói khoa học và công nghệ nano thực sự là một bước đột phá của nghành
khoa học vật liệu trong thế kỷ 21. Vật liệu nano được tin là sẽ góp phần giải
quyết được các bài toán nhân loại có tính toàn cầu như: y tế, năng lượng và
môi trường.
Khi kích thước của vật liệu từ được làm giảm tới cỡ nano mét, vật liệu sẽ
xuất hiện thêm nhiều tính chất mới như: hiện tượng siêu thuận từ, dị hướng bề
mặt, thay đổi nhiệt độ Curie, quá trình lan truyền sóng spin bị gián đoạn, bề
mặt riêng lớn… Các tính chất này làm cho chúng có những biểu hiện kì lạ
hơn nhiều so với vật liệu khối vàmột số tính chất là ưu thế trong các ứng dụng
y sinh [13]. Ý tưởng sử dụng các hạt nano từ trong chẩn đoán và chữa bệnh
được các nhà khoa học đưa ra dohạt nano từ có kích thước nhỏ hơn hoặc
tương đương với các thực thể sinh học như tế bào (10 ÷ 100 μm), vi-rút (20 ÷
450 nm), protein (5 ÷ 50 nm), gen (rộng 2 nm và dài 10 ÷ 100 nm). Thêm vào
đó, hạt nano từ có thể xâm nhập có điểu khiển vào cơ thể dưới tác dụng của từ
trường ngoài [187]. Thông thường để làm việc này, người ta phải lựa chọn hạt
có kích thước từ một vài nanomet tới vài chục nanomet đồng thời thể hiện đặc
tính siêu thuận từ ở nhiệt độ phòng và ổn định trong môi trường sinh lý (pH =
7). Để ổn định trong môi trường sinh lý, bề mặt các hạt nano sẽ được biến tính
bằng các vật liệu tương thích sinh học như: các vật liệu polymer tự nhiên (tinh
bột, dextran và chitosan); các phân tử sinh học như kháng thể đơn tính, lectin,
peptide hoặc hoóc môn [106, 153]. Với lớp vỏ bọc như vậy, không những các
hạt đã có khả năng tương hợp sinh học tốt và tồn tại lâu trong cơ thể mà
chúng còn có thể được gắn một cách có điều khiển vào các vùng mô mong
muốn.
Tại Việt Nam, việc tổng hợp và bọc hạt nanô từ hướng tới ứng dụng y
sinh cũng đã được quan tâm nghiên cứu ở một số cơ sở như: Trung tâm Khoa
học Vật liệu, Khoa Vật lí, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc
gia Hà Nội (tại đây đã triển khai nghiên cứu ứng dụng hạt nano từ tính trong
tách chiết tế bào và điểm tế bào bạch cầu). Viện Vật lý thành phố Hồ Chí

Minh (đã nghiên cứu chế tạo chất lỏng từ ứng dụng trong chụp ảnh cộng
hưởng từ). Tuy nhiên, việc nghiên cứu ứng dụng các hạt nano từ trong đốt
nhiệt từ chữa trị ung thư vẫn còn là một vấn đề mới tại Việt Nam. Hiện nay
một vài công bố về lĩnh vực này chỉ mới được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu
của GS.TSKH. Nguyễn Xuân Phúc thuộc Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn
lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Đốt nóng cảm ứng từ (MF) là phương
pháp đốt nóng các tế bào bằng việc sử dụng các hạt nano từ. Trong quá trình
này các hạt nanô được đưa đến các tế bào tại đó chúng được đốt nóng bởi tác
dụng của từ trường xoay chiều. Nhiệt trị đã được xem như là một liệu pháp
đầy triển vọng trong việc chữa trị ung thư. Kết quả nghiên cứu thu được trong
nhiều năm cho thấy các hạt nano Fe
3
O
4
siêu thuận từ là vật liệu tiềm năng
nhất trong ứng dụng liệu pháp đốt nhiệt từ. Chúng có mômen từ bão hòa cao
và thể hiện đặc tính siêu thuận từ ở nhiệt độ phòng (từ độ bão hòa của mẫu
khối cỡ 93emu/g) do đó có thể điều khiển chúng dễ dàng bằng từ trường và
tránh sự kết đám của các hạt từ trong cơ thể [76, 180]. Hơn nữa, vật liệu này
đã được Cục quản lý thực phẩm và dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) công nhận có
tính tương hợp sinh học cao và không gây độc đối với cơ thể sống ở nồng độ
thấp [73]. Thêm vào đó, bề mặt hạt có tính hoạt hóa nên có thể chức năng
được bằng các hợp chất hữu cơ hoặc các phân tử sinh học tạo thành một hệ
nano vector đa chức năng [133]. Ngoài ra, các hạt nano Fe
3
O
4
có thể được chế
tạo bằng phương pháp hóa học với chi phí thấp [168]. Mặc dù có rất nhiều
công trình nghiên cứu trên hạt nano Fe

3
O
4
ứng dụng cho nhiệt từ trị, nhưng
cho đến nay để đưa vào ứng dụng thực tế và lâm sàng trên bệnh nhân vẫn còn
là thử thách đối với các nhà khoa học bởi một số khó khăn như: sự kết đám
của các hạt từ, giới hạn từ trường đối với cơ thể hay việc xác định chính xác
nhiệt độ đốt trong các tế bào [22, 138, 154]. So với vật liệu khối, hiệu ứng
kích thước, hiệu ứng bề mặt và ảnh hưởng lớp vỏ bọc làm giảm đáng kể từ
tính của vật liệu. Việc khống chế kích thước hạt trong vùng siêu thuận từ,
nâng cao từ tính, tăng tính tương hợp sinh học của vật liệu, tăng công suất tỏa
nhiệt của các hạt nano từ bọc nhằm giảm thiểu lượng hạt từ đưa vào cơ thể
vẫn đang là những vấn đề cần được nghiên cứu [13, 19].
Xuất phát từ tình hình nghiên cứu về vật liệu Fe
3
O
4
và khả năng ứng
dụng trong y sinh, căn cứ vào các điều kiện thực nghiệm thuận lợi, các trang
thiết bị hiện đại đáp ứng được nhu cầu nghiên cứu tại Viện Khoa học Vật liệu.
Và dưới sự hướng dẫn của tập thể thầy cô giàu kinh nghiệm, chúng tôi đã lựa
chọn và thực hiện đề tài luận án tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo chất lỏng từ nền
hạt nano Fe
3
O
4
ứng dụng trong diệt tế bào ung thư.
Mục tiêu của luận án: Chế tạo được chất lỏng từ chứa hạt nano Fe
3
O

4

có khả năng ứng dụng thử nghiệm trong diệt tế bào ung thư bằng phương
pháp đốt nóng cảm ứng từ. Nội dung cụ thể như sau:
 Tổng hợp vật liệu nano Fe
3
O
4
có kích thước khác nhau
trong vùng siêu thuận từ bằng phương pháp đồng kết tủa.
 Nghiên cứu các đặc trưng về cấu trúc, hình thái, tính chất
từ và khả năng sinh nhiệt trong từ trường xoay chiều của các mẫu
vật liệu nano Fe
3
O
4
.
 Lựa chọn mẫu hạt nano Fe
3
O
4
có tính chất phù hợp nhất
cho đốt nóng cảm ứng từ và chức năng hóa bề mặt bằng một số
polyme tương thích sinh học tạo chất lỏng từ.
 Nghiên cứu các đặc trưng, tính chất từ và khả năng sinh
nhiệt trong từ trường xoay chiều của các mẫu chất lỏng từ.
 Nghiên cứu thử nghiệm tính tương hợp sinh học và thử
nghiệm đốt nhiệt từ trên một số dòng tế bào lành và dòng tế bào
ung thư.
Phương pháp nghiên cứu của luận án

Phương pháp nghiên cứu của luận án dựa trên phương pháp thực
nghiệm bao gồm:
 Thực nghiệm chế tạo mẫu.