Nghiên cứu chế tạo chất lỏng từ trên nền oxit sắt siêu thuận từ định hướng ứng dụng chụp ảnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
________________________________________________

LÊ THẾ TÂM

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CHẤT LỎNG TỪ TRÊN
NỀN OXIT SẮT SIÊU THUẬN TỪ ĐỊNH HƯỚNG
ỨNG DỤNG CHỤP ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ MRI

Chuyên ngành: Hóa vô cơ
Mã số: 9. 44 .01 .13

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Hà Nội - 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
________________________________________________

LÊ THẾ TÂM

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CHẤT LỎNG TỪ TRÊN
NỀN OXIT SẮT SIÊU THUẬN TỪ ĐỊNH HƯỚNG
ỨNG DỤNG CHỤP ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ MRI

Chuyên ngành: Hóa vô cơ
Mã số: 9. 44 .01 .13

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS.TS. TRẦN ĐẠI LÂM
PGS. TS. NGUYỄN HOA DU

Hà Nội - 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn
của GS.TS. Trần Đại Lâm và PGS.TS. Nguyễn Hoa Du. Các số liệu, kết quả sử dụng
trong luận án được trích dẫn từ các bài báo đã được sự đồng ý của các đồng tác giả.
Các số liệu, kết quả này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.
Tác giả luận án

Lê Thế Tâm


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất của mình tới

GS.TS. Trần Đại Lâm và PGS.TS. Nguyễn Hoa Du - những người Thầy hướng dẫn và
thầy giáo TS. Lê Trọng Lư vì đã đã dành cho tôi sự động viên, giúp đỡ tận tình và
những định hướng khoa học hiệu quả trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Bản luận án này sẽ không thể hoàn thành nếu không có sự giúp đỡ của các đồng
nghiệp. Tôi xin được cảm ơn sự cộng tác và giúp đỡ đầy hiệu quả của TS. Phạm Hồng
Nam, TS. Vương Thị Kim Oanh, NCS. Nguyễn Thị Ngọc Linh, CN. Lê Thị Thanh
Tâm và các cán bộ Phòng Vật liệu nano y sinh, Phòng Vật lý vật liệu từ và siêu dẫn Viện Khoa học vật liệu (VKHVL), Phòng Kỹ thuật điện, Điện tử - Viện Kỹ thuật nhiệt
đới (VKTNĐ) - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VHLKHCNVN), vì
sự giúp đỡ thực hiện các phép đo và sự quan tâm động viên hết sức quý báu với tôi
trong quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn tới cán bộ bộ môn Mô phôi và Tế bào thuộc Khoa
Sinh học Trường đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHKHTN) - Đại học Quốc gia Hà Nội
(ĐHQGHN), và Phòng Sinh học thực nghiệm - Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên
(VHHHCTN), VHLKHCNVN vì những hợp tác nghiên cứu trong các ứng dụng y
sinh. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn trân trọng nhất tới BS. ThS Nguyễn Thị Hường, BS.
Nguyễn Văn Đông và các cán bộ Khoa chẩn đoán hình ảnh - Bệnh viện Quốc tế Vinh
vì sự giúp đỡ thực hiện các phép đo và những bàn luận khoa học quý báu.
Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi của cơ sở đào
tạo là Học viện Khoa học và Công nghệ cùng VKHVL, VKTNĐ - VHLKHCNVN, và
Viện Công nghệ Hóa sinh - Môi trường, trường Đại học Vinh cơ quan mà tôi công tác,
trong quá trình thực hiện luận án.
Luận án được thực hiện với sự hỗ trợ kinh phí từ đề tài nghiên cứu cấp nhà
nước, Chương trình nghiên cứu khoa học công nghệ trọng điểm quốc gia phát triển
công nghiệp Hóa dược đến năm 2020 của GS. Trần Đại Lâm, Viện Khoa học vật liệu
(VKHVL) - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, và đề tài nghiên cứu
khoa học cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo với mã số B2019-TDV-03 (Lê Thế Tâm). Luận
án được thực hiện tại Phòng Vật liệu nano y sinh và Phòng Vật lý vật liệu từ và siêu
dẫn (VKHVL, VHLKH NVN); Phòng Kỹ thuật Điện - Điện tử (Viện Kỹ thuật nhiệt
đới, VHLKH NVN) và Viện Công nghệ Hóa sinh - Môi trường, trường Đại học Vinh.
Tôi cũng xin được cảm ơn tới Ban lãnh đạo Viện CNHS-Môi trường, trường

Đại học Vinh, bộ phận quản lý đào tạo Viện Hóa học đã luôn tạo điều kiện thuận lợi
nhất cho tôi trong quá trình thực hiện bản luận án.


Sau cùng, tôi muốn gửi tình cảm yêu thương nhất và sự biết ơn tới vợ, con, bố,
mẹ, cũng như tất cả những người thân trong gia đình và bạn bè đã luôn cổ vũ, động
viên để tôi vượt qua khó khăn hoàn thành tốt nội dung nghiên cứu trong bản luận án
này.
Hà Nội, ngày 26 tháng 04 năm 2019
Tác giả luận án

Lê Thế Tâm


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU FERIT SPINEL VÀ PHƯƠNG PHÁP
CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH BẰNG KỸ THUẬT CHỤP MRI......................................5
1.1. Cấu trúc và tính chất của vật liệu ferit spinel..........................................................5
1.1.1. Cấu trúc của vật liệu ferit spinel..........................................................................5
1.1.2. Tính chất từ của vật liệu ferit spinel.....................................................................6
1.1.3. Vật liệu siêu thuận từ...........................................................................................8
1.2. Tình hình nghiên cứu vật liệu nano từ trong và ngoài nước.................................. 12
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới..................................................................... 12

1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước....................................................................... 15
1.3. Các phương pháp chế tạo chất lỏng từ.................................................................. 17
1.3.1. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano từ....................................................... 17
1.3.2. Các công nghệ bọc hạt trong dung môi nước..................................................... 23
1.3.3. Các quy trình chuyển pha từ dung môi hữu cơ sang dung môi nước.................29
1.4. Các ứng dụng trong y sinh.................................................................................... 34
Kết luận chương 1........................................................................................................ 47
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM.............................................................. 48
2.1. Chế tạo chất lỏng từ trên nền hạt Fe3O4 tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt. .48
2.1.1. Hóa chất và thiết bị............................................................................................ 48
2.1.2. Quy trình chế tạo hạt nano Fe3O4....................................................................... 48
2.1.3. Quy trình chế tạo chất lỏng từ Fe3O4 bọc chitosan............................................. 49
2.2. Tổng hợp hạt nano từ Fe3O4 bằng phương pháp phân hủy nhiệt...........................52
2.3. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm................................................................... 57
2.3.1. Quy hoạch thực nghiệm..................................................................................... 57
2.4. Các phương pháp đặc trưng.................................................................................. 62
2.4.1. Nhiễu xạ tia X.................................................................................................... 62
2.4.2. Phổ hấp thụ hồng ngoại...................................................................................... 63
2.4.3. Phân tích nhiệt................................................................................................... 63
2.4.4. Hiển vi điện tử................................................................................................... 64
2.4.5. Phổ tán xạ laze động (DLS)............................................................................... 67
2.4.6. Phương pháp đánh giá độc tính của chất lỏng từ lên tế bào ung thư và tế bào lành .. 67
2.4.7. Đo và chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (MRI)................................................. 70
Kết luận chương 2........................................................................................................ 74
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU HỆ CHẤT LỎNG TỪ TRÊN NỀN Fe TỔNG HỢP BẰNG
PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT................................................................................. 75


3.1. Thực hiện quy hoạch thực nghiệm bậc hai ba mức tối ưu..................................... 76
3.2. Đặc trưng về cấu trúc và hình thái của hạt nano từ tính Fe3O4 bọc chitosan.........83

3.3. Đặc trưng về độ bền của hệ chất lỏng từ Fe3O4 bọc chitosan................................88
3.4. Thử nghiệm đánh giá độc tính của hệ chất lỏng từ Fe3O4 bọc chitosan................90
Kết luận chương 3........................................................................................................ 95
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU HỆ CHẤT LỎNG TỪ TRÊN NỀN OXIT SẮT TỔNG
HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY NHIỆT................................................... 96
4.1. Khảo sát ảnh hưởng của dung môi và nhiệt độ lên tính chất của hạt Fe3O4..........96
4.1.1. Đặc trưng cấu trúc, hình thái của hạt nano Fe3O4 chế tạo bằng phương pháp phân
hủy nhiệt...................................................................................................................... 97
4.1.2. Tính chất từ......................................................................................................100
4.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lên tính chất của hạt Fe 3O4.........................101
4.2. Chế tạo chất lỏng từ chứa hạt nano từ tính Fe3O4 bọc bằng PMAO....................104
4.3. Thử nghiệm đánh giá độc tính của hệ chất lỏng từ Fe3O4 chuyển pha và bọc bằng
PMAO.......................................................................................................................109
Kết luận chương 4.....................................................................................................113
CHƯƠNG 5: ĐẶC TRƯNG ĐỘ HỒI PHỤC r1, r2, THỬ NGHIỆM ĐỘC TÍNH VÀ
ĐÁNH GIÁ ĐỘ TƯƠNG PHẢN ẢNH BẰNG KỸ THUẬT CHỤP ẢNH CỘNG
HƯỞNG TỪ MRI.....................................................................................................114
5.1. Đánh giá độ hồi phục r1, r2 của các hệ chất lỏng từ chế tạo bằng các phương pháp
khác nhau...................................................................................................................114
5.1.1. Đánh giá độ hồi phục r1, r2 của hệ chất lỏng từ................................................114
5.1.2. Đánh giá khả năng tương phản trong các môi trường khác nhau của hệ chất lỏng từ .. 118

5.2. Khảo sát khả năng ứng dụng chất lỏng từ trên động vật thí nghiệm...................123
5.2.1. Thử nghiệm in-vivo đánh giá khả năng ứng dụng hệ chất lỏng từ tính nano Fe 3O4
làm thuốc tương phản trong kỹ thuật cộng hưởng từ MRI trên động vật...................123
5.2.2. Thử nghiệm in-vivo đánh giá khả năng ứng dụng hệ chất lỏng từ tính nano Fe 3O4
làm thuốc tương phản trong chẩn mô bệnh ung thư bằng kỹ thuật cộng hưởng từ MRI
trên động vật..............................................................................................................130
Kết luận chương 5.....................................................................................................137
KẾT LUẬN CHUNG................................................................................................138

DANH MỤC CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ..........................................................139
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................142


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Thông số bán kính của một số ion kim loại ..................................................5
Bảng 1.2. Phân bố ion trong các vị trí của cấu trúc spinel.............................................6
Bảng 1.3. Bảng tổng kết các loại polyme bọc hạt nano từ và các ưu điểm
của chúng
.........................................................................................................................................................................

28
Bảng 1.4. Tín hiệu T1W và T2W của các mô/dịch cơ thể............................................ 40
Bảng 1.5. Các chất tương phản MRI nền oxit sắt......................................................... 44
Bảng 1.6. Các chất tương phản MRI nền oxit sắt: đặc trưng kích thước hạt, cơ quan đích,
liều sử dụng và đường truyền thuốc............................................................................. 44
Bảng 2.1: Giá trị mã hóa và giá trị thực nghiệm của các yếu tố thực nghiệm..............51
Bảng 2.2: Ma trận thực nghiệm và kết quả tổng hợp chất lỏng từ theo từng thí nghiệm
..................................................................................................................................... 51
Bảng 2.3. Sự phụ thuộc độ ổn định của hệ keo vào giá trị thế Zeta.............................67
Bảng 2.4 a. Chuẩn bị dãy nồng độ của hệ chất lỏng.................................................... 71
Bảng 2.4 b. Chuẩn bị dãy nồng độ của hệ chất lỏng.................................................... 71
Bảng 2.5. Các tham số chuỗi hình ảnh được sử dụng trong chụp ảnh MRI.................73
Bảng 3.1. Giá trị mã hóa và giá trị thực nghiệm của các yếu tố thực nghiệm..............76
Bảng 3.2. Ma trận thực nghiệm và kết quả tổng hợp chất lỏng từ theo từng thí nghiệm
..................................................................................................................................... 77
Bảng 3.3. Kết quả phân tích ANOVA tối ưu quá trình tổng hợp các yếu tố.................78
Bảng 3.4. Các giải pháp tối ưu với hàm lượng 3 biến xác định và giá trị hàm mong đợi
tối ưu............................................................................................................................ 81
Bảng 3.5. Kết quả kiểm tra giá trị từ độ bão hòa Ms thu được từ mô hình và thực tế. .82

Bảng 3.6. Các vị trí hấp thụ chính của các chất........................................................... 84
Bảng 3.7. Hằng số mạng (a), kích thước tinh thể trung bình (DXRD), kích thước hạt trung bình
(DFESEM) của các mẫu hạt nano Fe3O4 tổng hợp ở các điều kiện phản ứng khác nhau. 86
Bảng 4.1. Giá trị từ độ bao gồm cả lớp vỏ và lõi (Fe3O4 +OA+OLA, PMAO), kích thước

hạt trung bình (DTEM).................................................................................................100
Bảng 4.2. Hằng số mạng (a), kích thước tinh thể trung bình (D XRD), kích thước hạt trung
bình (DTEM), từ độ tại 10 kOe (Ms10kOe), lực kháng từ (Hc) của các mẫu hạt nano.....102
Bảng 5.1. Kết quả tính toán độ hồi phục r1, r2 và tỷ số r1/r2 cho mẫu Fe 3O4@PMAO,
Fe3O4@CS và chất so sánh Resovist.........................................................................117
Bảng 5.2. Một số tham số chuỗi hình ảnh được sử dụng trong chụp ảnh MRI..........124
sau 15 phút, (d) sau 30 phút.......................................................................................134


DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của vật liệu ferit spinel ......................................................5
Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể và sự sắp xếp mômen từ trong vật liệu Fe 3O4.....................6
Hình 1.4. Đường cong từ trễ đo độ từ hóa của vật liệu siêu thuận từ (superparamagnetic,
SPM) và sắt từ (ferromagnetic, FM) với lực kháng từ Hệ từ độ bão hòa M s, độ từ dư Mr
....................................................................................................................................... 9
Hình 1.5. Sự phụ thuộc lực kháng từ (Hc) của Fe3O4 vào kích thước hạt.....................10
Hình 1.6. Mô hình thuốc lõi nano đa chức năng.......................................................... 13
Hình 1.7. Minh họa các ứng dụng của hạt siêu thuận từ Fe3O4 trong chẩn đoán ung thư
(hiệu ứng MRI) và điều trị ung thư (hiệu ứng nhiệt trị)............................................... 14
Hình 1.8. Tổng hợp hạt nano bằng phương pháp hot injection....................................21
Hình 1.9. Cấu trúc của một vài chất hoạt động bề mặt được sử dụng trong tổng hợp hạt
nano trong dung môi hữu cơ........................................................................................ 22
Hình 1.10. Mô hình bọc hạt nano từ............................................................................ 23
Hình 1.11. Các ảnh TEM: A) Các hạt nano sắt được phủ cacbon chế tạo bằng phương pháp
nổ cảm ứng nhiệt phân của ferrocene; B) Các hạt nano sắt trong một ma trận cacbon chế

tạo bằng phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi; C) Các hạt nano coban được cacbon bảo
vệ chế tạo bằng phương pháp nhiệt phân cồn polyfurfuryl.......................................... 25
Hình 1.12. Sơ đồ minh họa bước thứ nhất của phản ứng xúc tác ngưng tụ
tetraethylorthosilicate (TEOS)..................................................................................... 26
Hình 1.13. Các ảnh TEM của các hạt nano sắt oxit và sắt với lớp ngoài SiO 2: A) Tổ hợp

keo phân tán đơn bao gồm các hạt nano hematite trong khối cầu silic 100 nm; B) Các
hạt nano hematite có dạng bát diện trong lớp vở SiO2 dày 50 nm; C) các hạt nano oxit
sắt từ trong hình cầu silic; D) Các đám nano sắt kẹp trong chất keo SiO2 ..................26
Hình 1.14. Các phương pháp chuyển pha hạt nano từ sang môi trường nước..............29
Hình 1.15. Minh họa quy trình chuyển pha ligand exchange sử dụng poly với các nhóm
chức COOH................................................................................................................. 30
Hình 1.16. Ảnh TEM (a) và phổ DLS (b) của hạt nano Fe3O4 bọc bởi phân tử dophamine
sulfonate (DS), và quy trình tổng hợp và cấu trúc phân tử của DS (c). Hình nhỏ bên trong
(hình a) là ảnh chụp các hạt Fe3O4 bọc bởi các phân tử DS phân tán trong nước........31
Hình 1.17. Minh họa quy trình chuyển pha sử dụng các amphiphilic polymer: DSPEPEG (phần trên), PMAO (Phần giữa) và Fluronic (phần hình dưới)............................32
Hình 1.18. Mô hình quá trình bọc hệ hạt nano bằng PAA và bọc bằng PMAO...........32
Hình 1.19. Mô hình bọc hạt nano Fe3O4 của nhóm tác giả Sun...................................33
Hình 1.20. Các ứng dụng của hạt nano từ tính............................................................. 34
Hình 1.21. Mô hình cấu tạo máy MRI. Radio Frequancy Coil: cuộn phát sóng tần số
radio, Gradient coils: cuộn gradient, Maggnet: Từ trường, Scanner: Bộ phận
quét, Patient: Bệnh nhân. Patient Table: Bàn bệnh nhân.............................................. 36
Hình 1.22. Nguyên lý của MRI và vai trò của hạt nano từ tính làm thuốc tăng tương
phản (a) spin từ (m) của các proton nước tiến động xung quanh hướng của từ trường bên
ngoài B0; (b) sau khi áp dụng một xung RF, m tiến động công góc với B 0; (c) m hồi phục


trở lại trạng thái cân bằng ban đầu của nó thông qua theo chế độ hồi phục chiều dọc (T1)
và (d) ngang (T2); (e) Khi có mặt nano từ tính, các spin của các proton nước bắt đầu tiến
động không đồng nhất dưới tác dụng bổ sung của trường lưỡng cực cục bộ(B1, gây ra

bởi các hạt nano. Do đó các hồi phục xảy ra nhanh hơn và tạo ra một tín hiệu MRI mạnh
hơn............................................................................................................................... 37
Hình 1.23. Tạo ảnh T2, T1 điều chỉnh......................................................................... 40
Hình 1.24. Hiệu ứng tương phản của các hạt nano từ tính trong nước.........................41
Hạt nano từ tính được chức năng hóa để liên kết với một số mô nhất định sẽ có tác dụng
đánh dấu hiệu quả hơn. Hiện tại có thể chia các chất tương phản làm 3 loại tương ứng
với các cơ chế T1 và theo 1 cơ chế mới phát hiện gần đây là cơ chế trao đổi bão hòa
kèm theo chuyến hóa chất............................................................................................ 41
Hình 1.25. Cơ chế trao đổi bão hòa kèm theo chuyển hóa chất (CEST)......................42
Hình 1.26. Phân loại các thuốc tăng tương phản tương ứng với các cơ chế T l, T2 và CEST
.............................................................................................................................................43
Hình 1.27. Công thức hóa học và sản phẩm OMNISCAN của thuốc tương phản T1 .
43
Hình 1.28. Vai trò ảnh hưởng của kích thước hạt lên hình ảnh trọng T2 MRI
của
Fe3O4(4, 6, 9,12 nm) trong từ trường 1,5T................................................................... 45
Hình 1.29. Giá trị T1 và T2 và hình ảnh MRI của hợp kim nano FeCo/C, so sánh với 2
sản phẩm thương mại là Feridex và Magnevist............................................................ 46
Hình 1.30. Chế độ chụp MRI nanohybrid, T1, T2 và multimodal...............................46
Hình 2.1.Quy trình tổng hợp hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp thủy nhiệt................49
Hình 2.2. Quy trình tổng hợp hạt nano từ tính Fe3O4 bọc Chitosan............................50
Hình 2.3. Hệ thiết bị dùng để chế tạo hệ hạt Fe3O4 bằng phương pháp phân hủy nhiệt (a)
và (b) sơ đồ quá trình thay đổi nhiệt độ và thời gian tổng hợp hạt nano Fe3O4............54
Hình 2.4. Quy trình tổng hợp hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp phân hủy nhiệt.......54
Hình 2.5. Mô hình quá trình chuyển pha và bọc hệ hạt nano bằng PMAO..................56
Hình 2.6. Quy trình chuyển pha và bọc hạt Fe3O4 bằng PMAO.................................. 56
Hình 2.7. Sơ đồ tín hiệu của quy hoạch thực nghiệm................................................... 58
Hình 2.8. Vùng xác định ABCD các yếu tố yếu tố ảnh hưởng và vùng lân cận...........60
Hình 2.9. Vùng xác định A’B’C’D’các yếu tố ảnh hưởng và vùng lân cận..................60
Hình 2.10. Sơ đồ nhiễu xạ tia X từ một số mặt phẳng hữu hạn.................................... 62

Hình 2.11. Thiết bị nhiễu xạ tia X................................................................................ 63
Hình 2.12. Sơ đồ mô tả các tín hiệu nhận được từ mẫu trong ảnh SEM......................65
Hình 2.13. Kính hiển vi điện tử quét HITACHI S-4800.............................................. 65
Hình 2.14. Kính hiển vi điện tửtruyền qua JEOL TEM............................................... 65
Hình 2.15. Hệ đo VSM................................................................................................ 66
Hình 2.16. Máy đo MalvernZetasizer và Horiba SZ-100............................................. 67
Hình 2.17. Xác định giá trị IC50 trực tiếp dựa vào đồ thị đáp ứng liều của các dòng tế
bào khi thử thuốc với các nồng độ khác nhau.............................................................. 68
Hình 2.18. Chuẩn bị đĩa giếng chứa các mẫu chất lỏng từ: Fe3O4@PMAO, Fe3O4@CS,
Resovist và mẫu đối chứng agar 2% (trên) và sơ đồ chụp các bước chụp ảnh bằng kỹ
thuật MRI (dưới).......................................................................................................... 72


Hình 3.1. Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố theo phân tích ANOVA (p<0,05)...........78


Hình 3.2: Mô hình (dự đoán) so với giá trị thực nghiệm trong quá trình tổng hợp hạt
nano từ tính (MNPs).................................................................................................... 79
Hình 3.3: Đồ thị bề mặt đáp ứng biểu diễn sự tác động của từng cặp yếu tố (AB, AC)
đến giá trị từ độ và mức độ mong muốn theo các cặp tương tác.................................. 80
Hình 3.4: Đường cong từ độ bão hòa của các mẫu hạt nano Fe3O4 bọc chitosan ở các
điều kiện tổng hợp khác nhau và tại điều kiện tối ưu bằng phương pháp thủy nhiệt....80
Hình 3.5. Đường M(H) fit theo hàm Langevin của mẫu tại điều kiện tối ưu...............83
Hình 3.6. Mô hình liên kết của hạt nano từ Fe3O4 với chitosan khi phân tán hạt từ trong
mạng lưới chitosan ……………………………………………………………………83
Hình 3.7. Ảnh nhiễu xạ tia X của vật liệu nano Fe3O4 tinh khiết và vật liệu nano.......84
Hình 3.8. Phổ FTIR của Chitosan (CS), Fe3O4 và hạt nano từ tính
Hình 3.9. Ảnh FESEM của mẫu Fe3O4 tổng hợp ở các điều kiện phản ứng khác nhau.
..................................................................................................................................... 86
Hình 3.10. Ảnh TEM hạt Fe3O4@CS điều chế ở điều kiện khác nhau chế tạo bằng

phương pháp thủy nhiệt............................................................................................... 87
3+
Hình 3.11. Ảnh TEM hạt Fe3O4@CS điều chế ở điều kiện tối ưu (nồng độ Fe 0,21M;
0
nhiệt độ phản ứng 165 C; thời gian ủ mẫu 2 giờ 55 phút) chế tạo bằng phương pháp thủy
nhiệt (a) và giản đồ phân tích nhiệt TGA với lớp vỏ bọc CS (b).................................. 87
Hình 3.12. Giản đồ phân bố kích thước hạt (DLS) của chất lỏng từ Fe 3O4@CS tại các
giá trị pH khác nhau (a) và nồng độ muối NaCl khác nhau (b).................................... 88
Hình 3.13. Giản đồ phân bố kích thước hạt (DLS) của Fe3O4@CS ở các nồng độ muối
100 mM (a) và 300 mM (b)......................................................................................... 89
Hình 3.14. Quá trình quét thế Zeta của các hạt nano phân tán trong chất lỏng ở các thời
điểm khác nhau: cho 0 ngày (a), 90 ngày (b), 180 ngày (c), và (d) ảnh của huyền phù
Fe3O4@CS dưới tác động của từ trường trong phòng nhiệt độ trong 90 ngày..............90
Hình 3.15. Đường cong từ hóa của các mẫu Fe3O4@CS sau 90 ngày chế tạo. Đường liền
nét là đường làm khớp theo hàm Langevin.................................................................. 90
Hình 3.16: Hình thái của tế bào Sarcoma 180 đạt chuẩn trước khi tiến hành thử nghiệm
MTT............................................................................................................................. 91
Hình 3.17. Phản ứng trong thử nghiêm màu MTT....................................................... 91
Hình 3.18. Tỷ lệ sống sót của tế bào Sarcoma 180 sau khi ủ trong 48 tiếng với
Fe3O4@CS. Dãy đồng độ thử nghiệm như sau: (C1): 500 µg/ml, (C2): 250 µg/ml, (C3):
125 µg/ml, (C4): 62,5 µg/ml, (C5): 30,25 µg/ml and (C6): 15,125 µg/ml. Các giá trị
được biểu diễn dưới dạng giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn (SD)..............................92
Hình 3.19. Hình thái tế bào Sarcoma 180 quan sát dưới kính hiển vi soi ngược. CA: đối chứng
sinh học. CB: Đối chứng dung môi DMSO. Dải nồng độ chất lỏng từ Fe3O4@CS (C1): 500
µg/ml, (C2): 250 µg/ml, (C3): 125 µg/ml, (C4): 62.5 µg/ml, (C5): 30.25 µg/ml and (C6):
15.125 µg/ml. Hình ảnh quan sát dưới vật kính 20X, độ phóng đại 5.6.......................93

Hình 4.1. Giản đồ XRD của các mẫu Fe3O4 được chế tạo ở các nhiệt độ phản ứng khác
nhau trong các dung môi khác nhau............................................................................. 97
Hình 4.2. Ảnh TEM hạt của các mẫu Fe3O4 được chế tạo ở các nhiệt độ khác nhau trong

các dung môi khác nhau trong thời gian 1 giờ............................................................. 98


Hình 4.3. Ảnh HRTEM hạt của các mẫu Fe3O4 được chế tạo bằng phương pháp phân
hủy nhiệt trong hỗn hợp dung môi dibenzyl ete và 1-octadecene................................99
Hình 4.4. Đường cong từ hóa và đường cong từ hóa phóng đại trong vùng từ trường nhỏ
dùng để xác định Hc của các mẫu ở các nhiệt độ trong các dung môi khác nhau......101
Hình 4.5. Giản đồ XRD của các mẫu Fe3O4 được chế tạo ở các thời gian phản ứng khác
o
nhau trong vùng từ 0,5 đến 2 giờ tại nhiệt độ phản ứng 298 C.................................101
Hình 4.6. Ảnh TEM hạt của các mẫu Fe3O4 được chế tạo ở các thời gian khác nhau ở
o
nhiệt độ phản ứng 310 C...........................................................................................102
Hình 4.7. Đường cong từ hóa và đường cong từ hóa phóng đại trong vùng từ trường nhỏ
dùng để xác định Hc của các mẫu ở các thời gian khác nhau....................................103
Hình 4.8. Ảnh mẫu Fe3O4 trước và sau khi chuyển pha (a) và ảnh HRTEM của hạt Fe3O4
trước khi chuyển pha và bọc PMAO trong dung môi hexane và hạt Fe3O4 bọc bởi PMAO
trong nước (b)............................................................................................................104
Hình 4.9. Ảnh TEM của các mẫu: Fe3O4@PMAO (a) và Fe3O4@PMAO pha loãng 105
Hình 4.10. Ảnh HRTEM hạt của các mẫu Fe3O4 sau khi được chuyển pha...............105
Hình 4.11. Phổ FTIR của Fe3O4 chế tạo bằng phương pháp phân hủy nệt với lớp vỏ b bọc OA,

OLA (a), của PMAO (b) và của vật liệu sau khi chuyển pha và bọc bằng PMAO (c)
................................................................................................................................... 106
Hình 4.12. Giản đồ TGA của Fe3O4 với lớp vỏ bọc OA, OLA chế tạo bằng phương pháp
phân hủy nhiệt (a) và sau khi bọc PMAO (b)............................................................107
Hình 4.13. Gía trị thế zeta và hình ảnh mẫu chất lỏng từ Fe3O4@PMAO sau 1 tháng chế
tạo (a) 3 tháng (b) và sau 6 tháng chế tạo (c).............................................................107
Hình 4.14. Đường M(H) ở nhiệt độ phòng của các mẫu Fe3O4,
Hình 4.15. Hình ảnh mẫu chất lỏng trong các môi trường nồng độ muối khác nhau. 108

Hình 4.16. Gía trị thế zeta và hình ảnh mẫu chất lỏng từ Fe3O4@PMAO ở các nồng độ
muối khác nhau..........................................................................................................109
Hình 4.17. Kết quả độc tính của hệ nano từ Fe3O4@PMAO trên ba dòng tế bào ung thư
người Hep-G2, MCF-7 và RD cùng 1 dòng tế bào lành của khỉ Vero. Nồng độ của
Fe3O4@PMAO trong đồ thì này là 25 ug/ml; DMSO được dùng làm đối chứng dung
môi và chất chuẩn pha trong DMSO được dùng làm đối chứng dương.....................110
Hình 4.18. Hình ảnh tế bào quan sát dưới kính hiển vi Optika 4083.B1 với vật kính 40X.
Tế bào ung thư gan Hep-G2 trong DMSO (A) và ủ với 25 ug/ml chất lỏng nano từ
Fe3O4@PMAO (B). Tế bào thận khỉ Vero trong DMSO (C) và ủ với 25 ug/ml chất lỏng
nano từ Fe3O4@PMAO (D).......................................................................................110
Hình 5.1. Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân của hệ nano từ ở chế độ T1W, TR=
100 ms (a), TR =200 ms (b), TR =400 ms (c), TE =12 ms đối với các mẫu (A) hệ nano
từ Fe3O4@PMAO trong môi trường agar 2%, (B) Hệ nano từ Fe3O4@CS trong môi
trường agar 2%. Nồng độ sắt từ trong mỗi giếng là (1) 2,5 µg/ml, (2) 5,0 µg/ml, (3) 10,0
µg/ml, (4) 15,0 µg/ml, (5) 25,0 µg/ml và (6) 30,0 µg/ml...........................................115
Hình 5.2. Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân của hệ nano từ ở chế độ T2W, TE =11
ms (a), TE =23 ms (b), TE = 34 ms (c), TE= 57 ms (d), TE =91 ms (e), TE =113 ms (f),
TR =4000 ms đối với các mẫu (A) hệ nano từ Fe3O4@PMAO trong môi trường agar
2%, (B) Hệ nano từ Fe3O4@CS trong môi trường agar 2%. Nồng độ sắt từ trong mỗi


giếng là (1) 2,5 µg/ml, (2) 5,0 µg/ml, (3) 10,0 µg/ml, (4) 15,0 µg/ml, (5) 25,0 µg/ml và
(6) 30,0 µg/ml............................................................................................................116
Hình 5.3. Đường cong hồi phục T2 (suy giảm về 0) đo cho các mẫu chất lỏng từ
Fe3O4@PMAO (a) Fe3O4@CS (b) ở các nồng độ khác nhau....................................116
Hình 5.4. Tốc độ hồi phục ngang (a) và hồi phục dọc (b) của mẫu chất lỏng từ
Fe3O4@PMAO (a) và Fe3O4@CS (b). 116
Bảng 5.1. Kết quả tính toán độ hồi phục r1, r2 và tỷ số r1/r2 cho mẫu Fe 3O4@PMAO,
Fe3O4@CS và chất so sánh Resovist.........................................................................117
Hình 5.5. Hình ảnh chụp MRI xác định độ hồi phục r1, r2........................................118

Hình 5.6. Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân của hệ nano từ ở chế độ T2W trong
môi trường nước, TE= 12 ms (a), TE =25 ms (b), TE =37 ms (c), TE =50 ms (d), TE=
62 ms (e), TE =75 ms (f), TR =4000 ms đối với các mẫu (A) hệ nano từ Fe 3O4@PMAO
trong môi trường nước, (B) Hệ nano từ Fe 3O4@Dextran (Resovist) trong môi trường agar
2%, (C) Hệ nano từ Fe3O4@CS trong môi trường nước, (D) Mẫu đối chứng (không
có hạt từ) trong môi trường nước...............................................................................119
Hình 5.7. Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân của hệ nano từ ở chế độ T1W trong môi
trường nước, TR= 100 ms (a), TR =400 ms (b), TE =15 ms đối với các mẫu (A) hệ nano
từ Fe3O4@PMAO trong môi trường nước, (B) Hệ nano từ Fe3O4@Dextran (Resovist)
trong môi trường nước, (C) Hệ nano từ Fe3O4@CS trong môi trường nước, (D) Mẫu đối
chứng (không có hạt từ) trong môi trường nước. Nồng độ sắt từ trong mỗi giếng là .. 119
Hình 5.8. Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân của hệ nano từ ở chế độ T2W trong
môi trường pH khác nhau, TE= 11 ms (a), TE = 23 ms (b), TE =34 ms (c), TE =57 ms
(d) đối với các mẫu (A) hệ nano từ Fe3O4@PMAO, (B) Hệ nano từ Fe3O4@Dextran
(Resovist). Nồng độ sắt từ trong mỗi giếng 45,0 µg/ml trong môi trường có............121
Hình 5.9. Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân của hệ nano từ ở chế độ T1W trong
môi trường pH khác nhau, TR= 100 ms (a), TR = 200 ms (b), TR =400 ms (c), TE =12
ms đối với các mẫu (A) hệ nano từ Fe3O4@PMAO, (B) Hệ nano từ Fe3O4@Dextran
(Resovist). Nồng độ sắt từ trong mỗi giếng 45,0 µg/ml trong môi trường có (1) pH =2,
(2) pH =3, (3) pH =7, (4) pH =9, (5) pH =12.............................................................121
Hình 5.10. Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân của hệ nano từ ở chế độ T2W trong
môi trường nồng độ muối khác nhau.........................................................................122
Hình 5.11. Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân của hệ nano từ ở chế độ T1W trong
môi trường nồng độ muối khác nhau, TR= 100 ms (a), TR =400 ms (b), TE =12 ms đối
với các mẫu (A) Hệ nano từ Fe3O4@Dextran (Resovist), (B) Hệ nano từ Fe3O4@PMAO,
(C) Mẫu đối chứng (không có hạt từ) trong môi trường nước. Nồng độ sắt từ trong mỗi
giếng 45,0 µg/ml trong môi trường có nồng độ muối khác nhau (1) 50 mM, (2) 100 mM,
(3) 150 mM, (4) 200 mM. ..........................................................................................
123
Fe3O4 làm thuốc tương phản trong kỹ thuật cộng hưởng từ MRI trên động vật ........ 123

Hình 5.12. Hình ảnh thỏ trước khi được đưa vào máy chụp MRI. ............................
125
Hình 5.13. Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ trên thận thỏ của hệ
nano Fe3O4@PMAO ở chế độ T1W (SAGITAL), TE= 9,2 ms, TR =659 ms đối với (A)
Thỏ trước khi tiêm chất lỏng từ, (B) Thỏ sau khi tiêm chất lỏng từ. ......................... 126


Hình 5.14. Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ trên mô gan thỏ của
hệ nano Fe3O4@PMAO ở chế độ T1W (SAGITAL), TE= 9,2 ms, TR =659 ms đối với
(A) Thỏ trước khi tiêm chất lỏng từ, (B) Thỏ sau khi tiêm chất lỏng từ....................126
Hình 5.15. Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ trên mô gan thỏ của
hệ nano Fe3O4@PMAO ở chế độ T2W (SAGITAL), TE= 94 ms, TR =3571 ms đối với
(A) Thỏ trước khi tiêm chất lỏng từ, (B) Thỏ sau khi tiêm chất lỏng từ....................127
Hình 5.16. Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ trên thận thỏ của hệ
nano Fe3O4@PMAO ở chế độ T2W (SAGITAL), TE= 94 ms, TR =3571 ms đối với (A)
Thỏ trước khi tiêm chất lỏng từ, (B) Thỏ sau khi tiêm chất lỏng từ...........................128
Hình 5.17. Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ của hệ nano Fe 3O@PMAO
ở chế độ T1W (CORONAL) trên thỏ, TE= 20 ms, TR =550 ms đối với (A) Thỏ trước khi tiêm

chất lỏng từ, (B) Thỏ sau khi tiêm chất lỏng từ. (a) Trước tiêm, (b) sau tiêm............129
Hình 5.18. Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ của hệ nano
Fe3O4@PMAO ở chế độ T2W (CORONAL) trên thỏ, TE= 112 ms, TR =7500 ms đối
với (A) Thỏ trước khi tiêm chất lỏng từ, (B) Thỏ sau khi tiêm chất lỏng từ. (a) Trước
tiêm, (b) sau tiêm 30 phút, (c) sau tiêm 60 phút.........................................................129
Hình 5.19. Chuột nhắt trắng Swiss............................................................................131
Hình 5.20. Chuột trắng swiss lên u báng ở đùi sau 15 ngày tạo khối u……………..
131
Hình 5.21. Tiêm tĩnh mạch (a) và tiêm trực tiếp tại khối u (b) trên chuột nhắt trắng.
131
Hình 5.22. Một số hình ảnh chuột sau khi gây mê trước khi đưa vào chụp ảnh MRI.

................................................................................................................................... 133
Hình 5.23. Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ của hệ nano
Fe3O4@PMAO ở chế độ T2W (CORONAL) trên chuột, TE= 91 ms, TR =3970 ms trên chuột.

………………………………………………………………………………………………….133
Hình 5.24. Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ của hệ nano
Fe3O4@PMAO ở chế độ T2W (AXIAL) trên khối u chuột sau khi tiêm tiêm trực tiếp
khối u, TE= 91 ms, TR =3970 ms trên chuột. (a) không tiêm, (b) ngay sau tiêm, (c) sau
15 phút, (d) sau 30 phút.............................................................................................134
Hình 5.25. Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ của hệ nano
Fe3O4@PMAO ở chế độ T2W (AXIAL) trên khối u chuột sau khi tiêm theo tĩnh mạch, TE=
91 ms, TR =3970 ms trên chuột. (a) không tiêm, (b) sau 2 giờ, (c) sau 12 giờ, (d) sau 24 giờ.

135
Hình 5.26. Khả năng tăng tương phản hình ảnh chụp cộng hưởng từ của hệ nano
Fe3O4@PMAO ở chế độ T2W (AXIAL) trên mô gan chuột, TE= 91 ms, TR =3970 ms
trên chuột. (a) không tiêm, (b) tiêm tĩnh mạch...........................................................136


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
I. Danh mục các ký hiệu
A
Aex

Tỷ số tăng sinh
Hệ số tương tác trao đổi

dSP

Kích thước giới hạn siêu thuận từ

EA

Năng lượng dị hướng tinh thể

Ec

Năng lượng dị hướng hình dạng

Hc

Lực kháng từ

Hd

Trường khử từ

Hext

Từ trường ngoài

IC50
K

Nồng độ ức chế (Inhibited Concentration)

K1 và K2

Hằng số dị huớng từ tinh thể
Hằng số dị hướng từ bậc 1 và 2

L(x)
M

Hàm Langevin
Từ độ khớp theo hàm Langevin

N
rc

Thừa số khử từ
Bán kính đơn đômen tới hạn

TH

Giá trị trung bình của mật độ quang học ở các giếng thử với mẫu

TB

Nhiệt độ khóa

Tz

Giá trị trung bình của mật độ quang học ở các giếng nuôi tế bào ở thời

V
VH
κ
μ0
φ

Ms
Mco, Msh
Tmax
T
T1, T1W

điểm zero lúc bắt đầu tra mẫu để thử
Thể tích hạt
Giá trị trung bình của mật độ quang học ở các giếng thử với dung
môi
Góc giữa từ độ và trục dễ
Độ từ thẩm chân không
Góc giữa trục dễ của hạt nano từ và từ trường ngoài
Từ độ bão hòa
Từ độ lõi, từ độ vỏ
Nhiệt độ cực đại
Nhiệt độ
Thời gian hồi phục spin-mạng (dọc) - Chụp MRI theo chế độ trọng T1


T2, T2W

R1
R2
r1
r2
B, H
f
C
@

Thời gian hồi phục spin-spin (ngang) - Chụp MRI theo chế độ trọng
T2
Tốc độ hồi phục dọc
Tốc độ hồi phục ngang
Độ hồi phục dọc
Độ hồi phục ngang
Từ trường
Tần số
Nồng độ
Được bọc bởi

II. Danh mục các chữ viết tắt

Tiếng Anh
AAS
DLS
EDS
FT-IR
ILP
MIH MNPs
MRI
PPMS
SAR
SEM
TGA
VSM
XRD
CS
DPA

DSC
DSPE-PEG
DTA
FA
FC

Atomic Absorption Spectroscopy (Phổ hấp phụ nguyên tử)
Dynamic Light Scattering (Tán xạ ánh sáng động)
Energy Dispersion Spectroscopy (Phổ phân tán năng lượng tia X)
Fourier Transformation Infrared (Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier)
Intrinsic Loss Power (Công suất tổn hao riêng)
Magnetic Inductive Heating (Đốt nóng cảm ứng từ) Magnetice Nano
Particles (Các hạt nano từ)
Magnetic Resonance Imaging (Ảnh cộng hưởng từ)
Physical Property Measurement System (Hệ đo các tính chất vật lý)
Specific Absorption Rate (Tốc độ hấp phụ riêng)
Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét)
Thermogrametric Analysis (Phân tích nhiệt vi trọng)
Vibrating Sample Magnetometer (Từ kế mẫu rung)
X-ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X)
Chitosan
Phân tử dopamine
(Differential Scaning Calorimetry) Phân tích nhiệt lượng quét vi sai
1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N [amino
(polyethylene glycol)-2000
Phân tích nhiệt vi sai (Differential Thermal Analysis)
Các axit béo
Làm lạnh có từ trường

FE-SEM

IO
OLA
PAA
PEG
PMAO
PMMA
SQUID
TEM
TOPO
ZFC

Field Emission Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử
quét- phát xạ trường)
Iron oxide (Hạt nano oxit sắt)
Oleylamine
Axit polyacrylic
Polyethyleneglycol
Poly (maleic anhydride-alt-1-octadecene)
Polymethylmethacrylate
Superconducting quantum interference device (Giao thoa kế lượng tử

siêu dẫn)
Transmission Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử truyền qua)
Trioctylphosphine oxide
Làm lạnh không có từ trường

Tiếng Vi ệt
CHTHN

CNNNUT
ĐCSH
TBUT D

Cộng hưởng từ hạt nhân
Công nghệ Nano Ung thư
Đối chứng sinh học
Tế bào ung thư
Kích thước hạt nano


1
MỞ ĐẦU
Công nghệ nano đã và đang làm thay đổi đời sống của con người. Các nghiên cứu từ
cơ bản đến ứng dụng trong lĩnh vực này giúp chúng ta hiểu biết tường tận hơn về các tính
chất đặc biệt và lý thú của vật liệu khi ở kích thước nano, qua đó phát huy các ưu điểm nổi
bật, hạn chế và ngăn ngừa các tác hại có thể có để từng bước ứng dụng công nghệ và vật
liệu nano vào phục vụ cuộc sống ngày một tốt hơn. Hạt nano từ tính là một ví dụ điển hình
trong ứng dụng hạt nano vào lĩnh vực y sinh học do đặc điểm dễ chế tạo, giá thành thấp và
tính tương thích cao với cơ thể sống. Gần đây các ứng dụng của hạt nano từ trong các ứng
dụng y sinh, đặc biệt là trong chẩn đoán hình ảnh bằng kỹ thuật cộng hưởng từ MRI đã
thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới [49, 138, 109, 108]. Hiện nay
trong chẩn đoán hình ảnh bằng chụp cộng hưởng từ MRI, các tác nhân tương phản T1 đã
trở thành thương phẩm truyền thống, đó là phức của ion thuận từ có trị số mômen spin lớn
như Gd

3+

(có 7 điện tử chưa ghép cặp) [65, 111, 29, 15]. Các ion Gd

3+

này được kết hợp

với các phân tử như DTPA (axit dietylentriamin penta axetic) và tạo ra các cấu trúc dạng
phức vòng chelat Gd-DTPA [33]. Trong quá trình hồi phục, sự tương tác giữa mômen từ
của proton với mômen từ của các ion thuận từ khiến cho thời gian T1 bị giảm, nhờ vậy tốc
độ hồi phục R1 tăng lên. Nồng độ các tác nhân là khác nhau trong mỗi vùng mô tế bào, do
vậy mang lại hiệu quả tương phản trên ảnh chụp MRI. Trong khoảng gần 20 năm nay,
cùng với sự phát triển của công nghệ nano hạt nano sắt oxit (iron oxide - IO) đang được
nghiên cứu mạnh và thực tế đến nay đã có nhiều dòng sản phẩm thương mại chất tăng
mức độ tương phản MRI dùng loại vật liệu sắt oxit này, chứng minh rằng các sắt oxit-MRI
có thể cho chất lượng tăng mức độ tương phản tốt hơn cả loại Gd-DTPA vì hạt sắt oxit có
hệ số cảm từ lớn hơn [143, 40, 154,107, 12]. Các chất IO-MRI có thể làm giảm cả T1 và
T2, tăng được tốc độ hồi phục MRI chụp theo cả 2 chế độ chụp MRI trọng Tl và trọng T2
[96,152, 163, 131, 18]. Các yêu cầu quan trọng đối với sản phẩm tăng tương phản ảnh
MRI là hạt nano từ tính phải có độ phân bố hạt tương đối đều và từ độ bão hòa đủ lớn, và
chất bọc phải có độ tương hợp sinh học tốt [49,75,116, 61]. Trong khi một số sản phẩm
thương mại trên thế giới như Resovist dùng chất bọc là dextran [103, 135], với hạt lõi cỡ
65nm tạo ra từ độ bão hòa khoảng 65 emu/g. Các sản phẩm với cỡ hạt trong vùng 2040nm như AMI-227: Sinerem/Combidex là thích hợp với bạch huyết và xương [23].
Trong khoảng 10 năm gần đây người ta đang nghiên cứu để chế tạo các hạt nano siêu
thuận từ với cỡ hạt nhỏ hơn 20 nm (còn được gọi là loại siêu nhỏ nếu cỡ hạt D<10 nm) và
đặc biệt là các hạt sắt oxit có đánh dấu từ nhằm mục đích chụp ảnh MRI hướng đích
(targeted imaging) [24, 62, 118, 95, 122]. Tại Việt Nam, cho đến nay việc chế tạo các hạt
nano nói chung và hạt


2
nano từ nói riêng đã được tập trung nghiên cứu theo hai phương diện: Nghiên cứu cơ bản
và nghiên cứu định hướng ứng dụng. Các kết quả nghiên cứu sâu sắc được công bố chủ

yếu từ các cơ sở nghiên cứu mạnh như: Đại học Quốc gia Hà Nội, Đại học Bách khoa Hà
Nội và Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam [98, 129, 76, 89]. Việc tổng hợp
vật liệu nano từ đa phần được thực hiện trong môi trường nước và bằng các phương pháp
tổng hợp như phương pháp đồng kết tủa, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp vi sóng và
phương pháp tổng hợp điện hóa siêu âm. Do tổng hợp trong môi trường nước nên các hạt
nano từ chế tạo được có chất lượng chưa cao, các hạt không đồng đều về cỡ hạt và không
đồng nhất về hình dạng và vì vậy chúng bị hạn chế sử dụng cho các ứng dụng in vivo
trong y sinh như dùng làm thuốc tương phản trong chẩn đoán hình ảnh bằng kỹ thuật chụp
cộng hưởng từ MRI, đốt nóng cảm ứng từ v.v, ngoài ra chính sự không đồng đều đó còn
ảnh hưởng ngay cả đến kết quả nghiên cứu các tính chất từ của chúng. Do đó, cho đến nay
việc lựa chọn các điều kiện trong quá trình chế tạo chất lỏng từ tính nano Fe 3O4 nhằm chế
tạo ra các hạt có cỡ hạt bé, có sự phân bố đều, đồng nhất về hình dạng, độ bền cao, từ tính
cao và có khả năng tương thích sinh học cao, nhờ đó có khả năng ứng dụng làm thuốc
tương phản trong chẩn đoán hình ảnh bằng kỹ thuật chụp cộng hưởng từ MRI, tạo ra các
trị số tối ưu của các xung TR, TE khi chụp theo chế độ T1, T2, đồng thời xác định trị số
hồi phục r1, r2 để đánh giá chất lượng của chất lỏng từ làm thuốc tương phản trong chẩn
đoán hình ảnh bằng kỹ thuật chụp cộng hưởng từ MRI vẫn đang đòi hỏi những nghiên cứu
tiếp tục một cách toàn diện và có hệ thống.
Xuất phát từ tình hình nghiên cứu về vật liệu nano từ trên thế giới cũng như ở Việt
Nam, căn cứ vào tiềm lực nghiên cứu, đào tạo tiến sĩ của Học viện Khoa học và Công
nghệ, Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam, dưới sự hướng dẫn của tập thể các
nhà khoa học giàu kinh nghiệm, chúng tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo chất

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

MRI, ứng dụng trong xác định chính xác mô bệnh ung thư. Các nhóm nội dung chính
sau đã được tiến hành trong luận án:
1. Tổng hợp thành công hạt nano siêu thuận từ Fe3O4 có kích thước hạt đồng đều


3
và từ độ bão hòa cao bằng phương pháp thủy nhiệt và phân hủy nhiệt.
2. Chế tạo thành công các mẫu chất lỏng từ có độ bền cao trên nền hạt nano siêu

thuận từ Fe3O4 tổng hợp bằng hai phương pháp trên.
3. Nghiên cứu đánh giá độc tính và độ bền của hệ chất lỏng từ.
4. Nghiên cứu khả năng ứng dụng làm chất tăng cường độ tương phản ảnh trong
kỹ thuật chụp cộng hưởng từ MRI.

Nội dung của luận án được trình bày bao gồm:
Chương 1 trình bày tổng quan giới thiệu về cấu trúc, tính chất của vật liệu ferit
spinel, các phương pháp chế tạo hạt nano nói chung và đặc biệt đối với hạt nano từ
Fe3O4 nói riêng. Các quy trình bọc hạt cũng như các quá trình chuyển pha trên nền hạt
nano từ Fe3O4 cũng được trình bày tổng quát. Trong chương 2, các quy trình chế tạo
hạt Fe3O4, quy trình chế tạo chất lỏng từ trên nền hạt Fe 3O4 và nguyên lý của các phép
đo nhằm phân tích và biện luận các kết quả trong luận án được trình bày chi tiết. Các
kết quả thu nhận được của luận án và các thảo luận liên quan được tập trung trình bày
chi tiết trong chương 3, chương 4 và chương 5. Chương 3 trình bày các kết quả nghiên
cứu tổng hợp vật liệu Fe 3O4 bằng phương pháp thủy nhiệt cùng các kết quả phân tích
về cấu trúc, hình thái học, và các tính chất từ của chúng. Các kết quả nghiên cứu trong
chương 4 liên quan đến hệ vật liệu Fe 3O4 được tổng hợp bằng phương pháp phân hủy
nhiệt cùng các đặc trưng cấu trúc, hình thái, và tính chất từ được trình bày, phân tích
và biện luận chi tiết. Chương 5 trình bày các kết quả nghiên cứu định hướng ứng dụng
trong y sinh bao gồm các kết quả nghiên cứu độ bền, đánh giá độc tính và thử nghiệm
làm chất tăng cường độ tương phản ảnh trong chụp cộng hưởng từ MRI.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:
Bản thân việc tổ chức thực hiện đề tài đã có ý nghĩa quan trọng đối với phát triển
một hướng khoa học công nghệ đa ngành là công nghệ nano cho Y học. Sẽ có sự trao
đổi học thuật, học hỏi lẫn nhau giữa các nhóm nghiên cứu trong các ngành xưa nay
xem như độc lập với nhau. Về mặt khoa học, từ độ của hệ hạt từ cho ứng dụng y sinh
bị ảnh hưởng rất mạnh bởi nhiều yếu tố mà cơ chế của các ảnh hưởng này vẫn là vấn
đề chưa được nghiên cứu một cách cơ bản. Nhiều hệ hạt nano từ sau khi chế tạo có từ
độ bão hòa bị suy giảm đến 60-70% so với vật liệu khối. Đối với ứng dụng y sinh, việc
này lại càng quan trọng, vì chế tạo được hệ có từ độ cao sẽ giảm được liều lượng chất
lỏng từ cần đưa vào cơ thể sống, đồng nghĩa với giảm được độc hại trong chẩn đoán và
điều trị bệnh.


4
Đối với ứng dụng chẩn đoán và điều trị bệnh ung thư, công nghệ nano nói chung
đang tạo một kỳ vọng lớn, đó là có thể đóng góp vào việc giải quyết vấn đề chẩn đoán
bệnh sớm và thuốc đưa tới đích hay vùng can thiệp được khu trú tại đích. Đề tài thực
hiện có đặt mục tiêu dùng chất lỏng từ nâng cao được độ tương phản chụp ảnh cộng
hưởng từ hạt nhân (CHTHN), có thể góp phần phân tích mô ung thư giai đoạn sớm.
Đối với nước ta, nếu chế tạo được chất lỏng từ làm chất tăng tương phản cũng sẽ đảm
bảo được một lượng đáng kể nhu cầu thuốc tăng tương phản đang nhập khẩu hiện nay.
Những đóng góp mới của luận án:
Đưa ra được quy trình ổn định chế tạo chất lỏng từ tính và hồ sơ đánh giá chất
lượng độc tính của hệ chất lỏng từ tính để làm thuốc tăng tương phản trong chẩn đoán
chụp ảnh MRI đạt tiêu chuẩn được ứng dụng với các tiêu chí tương đương sản phẩm
nhập ngoại Resovist (Schering AG, CHLB Đức), mở ra định hướng ứng dụng vật liệu
nano này trong y-sinh học nhằm phát hiện, chẩn đoán sớm, chính xác tế bào ung thư,
khối ung thư. Nâng cao được hiểu năng tương phản ảnh MRI nhằm xác định chính xác
xác mô bệnh ung thư, các chất lỏng từ chế tạo được. Thiết lập được hồ sơ thử nghiệm
in-vivo thuốc tăng tương phản.

Phương pháp nghiên cứu:
Đây là đề tài nghiên cứu thực nghiệm, các phương pháp nghiên cứu sử dụng đều
là các phương pháp thực nghiệm. Đề tài đã sử dụng các thiết bị tốt nhất tại phòng thí
nghiệm trọng điểm của Viện Khoa học vật liệu, thiết bị chụp ảnh cộng hưởng từ MRI
hiện đại nhất khu vực Bắc Miền Trung tại bệnh viện Quốc tế Vinh thuộc tập đoàn
Hoàn Mỹ, trung tâm thực hành thí nghiệm trường Đại học Vinh, và một số thiết bị đo
đạc đặc thù tại các Trường và Viện nghiên cứu ở Hà Nội.
Bố cục của luận án:
Luận án có 137 trang (chưa bao gồm tài liệu tham khảo), bao gồm phần mở đầu,
5 chương nội dung và kết luận. Cụ thể như sau:
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU FERIT SPINEL
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU HỆ CHẤT LỎNG TỪ TRÊN NỀN Fe3O4 SIÊU
THUẬN TỪ TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU HỆ CHẤT LỎNG TỪ TRÊN NỀN Fe3O4 SIÊU
THUẬN TỪ TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY NHIỆT
CHƯƠNG 5: ĐẶC TRƯNG ĐỘ HỒI PHỤC r1, r2 và ĐỘC TÍNH, ĐÁNH GIÁ ĐỘ
TƯƠNG PHẢN ẢNH BẰNG KỸ THUẬT CHỤP ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ MRI


5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU FERIT SPINEL VÀ PHƯƠNG PHÁP
CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH BẰNG KỸ THUẬT CHỤP MRI

1.1. Cấu trúc và tính chất của vật liệu ferit spinel
1.1.1. Cấu trúc của vật liệu ferit spinel
Ferit spinel là thuật ngữ dùng để chỉ loại vật liệu có cấu trúc hai phân mạng mà
các tương tác giữa chúng là phản sắt từ hoặc ferit từ [24]. Một đơn vị ô cơ sở của ferit
2-

spinel (với hằng số mạng tinh thể, a 8,4 nm) được hình thành bởi 32 nguyên tử O và
2+

2+

2+

2+

2+

2+

3+

3+

24 cation (Fe , Zn , Co , Mn , Ni , Mg , Fe , Gd ). Trong một ô cơ sở có 96
vị trí cho các cation (64 ở vị trí bát diện, 32 ở vị trí tứ diện). Số cation ở vị trí bát diện
nhiều hơn ở vị trí tứ diện (A), cụ thể có 16 cation chiếm ở vị trí bát diện (B) trong khi
+

+

đó ở vị trí tứ diện có 8 cation (bao gồm cation hóa trị 2 hoặc 3 ).
Bảng 1.1. Thông số bán
kính của một số ion kim
loại [1, 24].
Ion

Bán kính (nm)

2+

0,083

3+

0,067

2+

0,072

2+

0,091

2+

0,082

Fe
Fe

Co

Mn
Zn

Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của vật liệu
ferit spinel [24].

Cấu trúc ferit spinel thường có dạng (A)[B 2]O4 được mô tả bởi khối lập phương bao
gồm cả các ion oxy (hình 1.1). Với bán kính ion của ôxy là 0,132 nm lớn hơn rất nhiều so
với bán kính ion của các kim loại trong cấu trúc (0,06 ÷ 0,091 nm) (bảng 1.1) do đó ion
này trong mạng hầu như nằm sát nhau và tạo thành một mạng lập phương tâm mặt xếp
chặt [1]. Một ô cơ sở của ferit spinel chứa 8 nguyên tử (A)[B 2]O4, các ion kim loại hóa trị
+

+

2 và 3 có thể có mặt ở các vị A và B trong cấu trúc ferit spinel. Ở cả hai ví trí A và B xen
+

kẽ bởi các nút mạng bị chiếm chỗ bởi các cation. Khi tất cả các cation hóa trị 2 chiếm ở
+

vị trí A, trong khi tất cả các cation hóa trị 3 chiếm ở vị trí B, kiểu sắp sếp cation như vậy
+

được gọi là cấu trúc spinel thuận (A)[B 2]O4. Khi tất cả các cation hóa trị 2 chiếm ở vị trí
+

B, một nửa cation hóa trị 3 chiếm ở vị trí A và một nửa
ở vị trí B, gọi là cấu trúc spinel hỗn hợp với dạng sau (B)[AB]O 4 (bảng 1.2).


6
Bảng 1.2. Phân bố ion trong các vị trí của cấu trúc spinel [1, 4].

Vị trí
Số vị trí có Số được sử
Kiểu cấu trúc
sẵn
dụng
Spinel thuận
Spinel đảo
2+
3+
(A)
64
8
8 Me
8 Fe
3+
2+
3+
(B)
32
16
16 Fe
8 Me , 8 Fe
Fe3O4 (Magnetite) là hợp chất ôxít phổ biến của nguyên tố sắt, vật liệu này thuộc
họ vật liệu ferit spinel. Vật liệu Fe3O4 có cấu trúc spinel đảo. Công thức phân tử:
3+

3+

2+

2-

Fe3O4 = FeO. Fe2O3 = Fe. Fe2O4. Mô hình ion: [Fe ]A[ Fe Fe ]B O4
2Các ion O hình thành nên mạng lập phương tâm mặt với hằng số mạng
3+
2+
a = 0,8398 nm. Các ion Fe , Fe có bán kính ion nhỏ hơn nên sẽ phân bố trong khoảng
22+
3+
trống giữa các ion O . Vì ion Fe chiếm 1/4 ở vị trí bát diện và ion Fe thì được chia
bằng nhau: 1/8 ở vị trí tứ diện và 1/4 ở vị trí bát diện nên magnetite có cấu trúc spinel
đảo. Cấu trúc này được mô tả như hình 1.2, trong đó một ô cơ bản bao gồm 8 ô đơn vị
và có công thức Fe24O32 phân bố như sau [21]:
3+

2+

3+

Fe 8A[ Fe 8 Fe 8 ] BO32
3+
Trong đó A là vị trí bát diện còn B là vị trí tứ diện. Trong spinel đảo Fe 3O4, ion Fe
có mặt ở cả hai phân mạng nhưng vì momen từ của ion này sắp xếp đối song nên mômen
từ tổng cộng chỉ do ion Fe

2+

quyết định, tính chất này được mô tả như hình 1.2.

Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể và sự sắp xếp mômen từ trong vật liệu Fe3O4.

1.1.2. Tính chất từ của vật liệu ferit spinel
Các vật liệu khi hưởng ứng với từ trường thì sẽ có tính chất từ. Đặc trưng tính
chất từ của các vật liệu là độ từ hóa và độ từ cảm:
- Độ từ hóa là momen từ trung bình của mẫu vật (hoặc trong một đơn vị thể tích của
mẫu vật). Nếu từ trường không quá lớn thì độ từ hòa M tỷ lệ với cường độ từ trường
H: M = χ H
- Độ từ cảm χ, là tỷ số của độ từ hóa và từ trường, biểu hiện sự hưởng ứng của vật
liệu với từ trường ngoài: χ = (độ từ cảm này có thể âm hoặc dương, thường được tính
theo đơn vị thích hợp sao cho độ từ cảm không có thứ nguyên).


7
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).
a) Thuận từ
Các chất có χ >0 gọi là chất thuận từ. Tính thuận từ thường thể hiện khá yếu và
-4

phụ thuộc vào nhiệt độ. Chẳng hạn ở nhiệt độ phòng thì χ ~ 10 .
Vật liệu thuận từ là những vật liệu mà khi không có từ trường ngoài tác dụng thì
các moment từ nguyên tử định hướng hỗn loạn, điều này dẫn đến moemnt từ trung bình
bằng không, độ từ hóa bằng không. Khi có từ trường ngoài tác dụng thì các moment từ
nguyên tử sẽ định hướng theo từ trường ngoài và xuất hiện độ từ hóa cùng chiều với từ
trường ngoài.
b) Nghịch từ
Các chất có χ < 0 gọi là chất nghịch từ. Thông thường tính nghịch từ thể hiện rất yếu | |~ 10-6.

Chất nghịch từ là chất bị từ hóa ngược chiều từ trường ngoài. Khi từ trường không
thật lớn, ta có M = χ H với χ < 0. Tính nghịch từ có liên quan với xu hướng của các điện

tích muốn chắn phần trong của vật thể khỏi từ trường ngoài (tuân theo định luật Lentz
của hiện tượng cảm ứng điện từ).
c) Sắt từ

Vật liệu sắt từ là các chất có tính từ mạnh, hay khả năng hưởng ứng mạnh dưới
tác dụng của từ trường ngoài, mà tiêu biểu là sắt (Fe), và tên gọi “sắt từ” được đặt cho
nhóm các chất có tính chất giống với sắt. Các chất sắt từ có hành vi gần giống với các
chất thuận từ ở đặc điểm hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài. Đặc trưng của chúng
là ở dưới nhiệt độ nào đó (tùy từng chất) tồn tại momen từ trung bình một cách tự phát
(gọi là độ từ hóa tự phát) ngay khi không có từ trường ngoài. Ở 0 K, các momen từ
nguyên tử sắp xếp trật tự ngày khi không có từ trường ngoài. Giá trị của độ từ cảm χ
của các chất từ trật tự này lớn hơn nhiều so với chất thuận từ và chất nghịch từ.
Các thông số xác định tính chất của vật liệu từ, ngoài độ cảm từ còn có từ độ bão
hòa (từ độ đạt cực đại từ trường lớn, MS), độ từ dư (từ độ còn dư sau khi ngừng tác động
của từ trường ngoài MR), lực kháng từ (từ trường ngoài cần thiết để một hệ sau khi đạt
được trạng thái bão hòa từ, bị khử từ, HC).
d) Siêu thuận từ
Siêu thuận từ là trạng thái từ tính xảy ra ở các vật liệu từ, mà ở đó vật liệu biểu
hiện cá tính chất giống như các chất thuận từ, ngay ở dưới nhiệt độ Curie (T C, nhiệt độ
chuyển pha sắt từ - thuận từ) hay nhiệt độ Neel (T N, nhiệt độ chuyển pha sắt từ- thuận
từ). Đây là một hiệu ứng kích thước, về mặt bản chất là sự thắng thế của năng lượng
nhiệt so với năng lượng định hướng khi kích thước của hạt quá nhỏ. Các thảo luận chi
tiết về vật liệu siêu thuận từ sẽ được trình bày chi tiết dưới đây.