Hiệu ứng đốt từ trong các hạt từ kích thước nanomet

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN ANH TUẤN

HIỆU ỨNG ĐỐT TỪ TRONG CÁC HẠT TỪ KÍCH
THƯỚC NANOMET

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2007


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN ANH TUẤN

HIỆU ỨNG ĐỐT TỪ TRONG CÁC HẠT TỪ
KÍCH THƯỚC NANOMET

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện nanô

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. LÊ VĂN HỒNG

Hà Nội – 2007

MỤC LỤC

Trang phụ bìa
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Trang
MỞ ĐẦU

1

CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN

4

1.1. Tổng quan về ứng dụng hạt từ kích thước nanomet trong y sinh học và xử lý môi trường

4

1.1.1. Đánh dấu và tách chiết tế bào

4

1.1.2. Dẫn truyền các tác nhân chữa trị ung thư

7

1.1.3. Tăng cường độ tương phản trong chụp ảnh cộng hưởng từ

hạt nhân
1.1.4. Nhiệt-từ trị trong chữa trị ung thư

10

14

1.1.6. Ứng dụng của hạt nanô từ trong xử lý mơi trường: tái hoạt
hố vật liệu hấp phụ khí hữu cơ độc hại

19

1.2. Từ tính của vật liệu từ dạng hạt kích thước nanomet

20

1.2.1. Đơmen trong các hạt nhỏ

20

1.2.2. Siêu thuận từ

22

1.2.3. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt

23

1.3. Cơ chế vật lý của hiệu ứng đốt nhiệt sử dụng hạt từ
1.3.1. Tổn hao từ trễ

24
24


1.3.2. Tổn hao hồi phục
1.3.3. Tổn hao ma sát gây bởi chuyển động quay của hạt trong môi
trường chất lỏng
1.3.4. Hiệu ứng dịng điện bề mặt
1.4. u cầu về cơng suất đốt nhiệt và tối ưu tính chất vật lý của các
hạt nanô từ ứng dụng trong nhiệt-từ trị

25
29

30
31

1.4.1. Yêu cầu về công suất đốt nhiệt của các hạt từ

31

1.4.2. Giới hạn và lựa chọn các thông số của từ trường

32

1.4.3. Tối ưu các tính chất vật lý của hạt từ ứng dụng trong nhiệt trị

33

1.5. Đốt nhiệt-từ tự khống chế nhiệt độ

34

CHƢƠNG 2 - THỰC NGHIỆM

36

2.1. Các phép đo nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ

36

2.1.1. Nhiễu xạ tia X

36

2.1.2. Hiển vi điện tử quét

37

2.1.3. Các phép đo từ

38

2.2. Thực nghiệm đốt nhiệt-từ

39

2.3. Thực nghiệm giải hấp khí

40

2.4. Các mẫu sử dụng trong luận văn

41

CHƢƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

43

3.1. Hiệu ứng đốt nhiệt-từ trên các hạt Fe3O4

43

3.2. Hiệu ứng đốt nhiệt-từ tự khống chế nhiệt độ với các hạt
perovskite manganite

50

3.3. Ứng dụng hiệu ứng đốt nhiệt từ trong giải hấp khí với các hạt
Mn1-xZnxFe2O4

56


KẾT LUẬN

62

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ

63

TÀI LIỆU THAM KHẢO

64


Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Kí hiệu

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AEH

Arterial embolization
hyperthermia

Nhiệt trị theo đường động
mạch

CMIO

Colloidal magnetic iron oxide

Các hạt ơxít sắt từ tính dạng
keo

DIH

Direct injection hyperthermia

Nhiệt trị tiêm trực tiếp

DTPA

Diethylenetriaminepentaacetic axit Diethylenetriaminepentaacetic
axit

IH

Intracellular hyperthermia

Nhiệt trị nội tế bào

PPMS

Physical property measurement
system

Hệ đo tính chất vật lý

PVA

Polyvinyl alcohol

Polyvinyl alcohol

SEM

Scanning electron microscope

Kính hiển vi điện tử quét

SLP

Specific loss power

Công suất tổn hao

VOC

Volatile organic compound

Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi

VSM

Vibrating sample magnetometer

Từ kế mẫu rung

XRD

X-ray difraction

Nhiễu xạ tia X

Danh mục các bảng

STT

Chú thích bảng

Trang

01

Bảng 3.1: Các thơng số tính chất từ và giá trị SLP của
các mẫu Fe3O4.

46

02

Bảng 3.2: Các thơng số tính chất từ, đường kính lõi
tinh thể trung bình và các thơng số khả năng đốt nhiệttừ của các hạt La0.7Sr0.15Ca0.15MnO3.

54

03

Bảng 3.3: các thơng số tính chất từ của hệ mẫu (MnZn)Fe2O4.

58

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

STT

Chú thích hình

Trang

01

Hình 1.1. Minh hoạ đơn giản về nguyên lý tách chiết sử dụng
từ trường. Các hạt màu đen là các thực thể cần được tách, các
hạt màu trắng là các thực thể khơng từ.

06

02

Hình 1.2. Hình minh hoạ về ngun lý vận chuyển và gắn
thuốc.

07

03

Hình 1.3. Hình minh hoạ quá trình cộng hưởng từ của hệ
proton với từ độ tổng cộng m. Chuyển động của m khi (a)
khơng có trường điện từ và (b) có trường điện từ. Tín hiệu từ

độ hồi phục (c) trong mặt phẳng (xy) và (d) theo trục z.

11

04

Hình 1.4. Cấu trúc của tác nhân tương phản T2 Gd-DTPA.

13

05

Hình 1.5. Minh hoạ về quá trình đốt nhiệt sử dụng hạt nanơ
từ.

15

06

Hình 1.6: Q trình phát triển của khối u theo thời gian sau
các lần áp dụng điều trị trong từ trường xoay chiều trong thí
nghiệm của Yanase và các cộng sự. Sự tái phát triển của khối
u không cịn xuất hiện sau 3 tháng.

17

07

Hình 1.7: Thiết bị MFH – 300 F (cơng ty MagForce) dùng
trong nhiệt-từ trị.

19

08

Hình 1.8: Quá trình đốt nhiệt tự khống chế nhiệt độ của các
hạt ferrite spinel (từ trường 56 kHz, 100 Oe). Đường liền nét:
mẫu có TC = 501 K, đường đứt nét: mẫu có TC = 523 K.

20

09

Hình 1.9: Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt.

23

10

Hình 1.10: sự phụ thuộc của tổn hao từ trễ vào cường độ từ
trường với (a) các mẫu chế tạo bằng các phương pháp khác
nhau (đường vng góc: mơ hình Stoner-Wohlfarth), (b) các
mẫu với kích thước khác nhau.

24

11

Hình 1.11: Sự phụ thuộc của cơng suất tổn hao hồi phục Néel
vào kích thước hạt với ba tần số đo khác nhau.

26

12

Hình 1.12: Sự phụ thuộc của tổn hao Néel và từ trễ vào kích
thước hạt.

27


13

Hình 1.13: Đường phụ thuộc của phần ảo độ tự cảm xoa
chiều theo tần số đo. Đường liền nét là các tính tốn 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).

28

14

Hình 1.14: Thí nghiệm so sánh SLP sinh bởi các hạt siêu
thuận từ (trên) và sắt từ (dưới).

29

15

Hình 1.15: Yêu cầu về cơng suất đốt từ đối với kích thước các
khối u khác nhau.

31

16

Hình 1.16: u cầu về cơng suất đốt nhiệt theo các nồng độ
hạt từ khác nhau.

32

17

Hình 1.17: Các kết quả thực nghiệm về sự phụ thuộc của
công suất toả nhiệt vào kích thước hạt Fe3O4.

33

18

Hình 1.18: Ngun lý của đốt nhiệt - từ tự khống chế nhiệt
độ: hạt từ không hấp thụ năng lượng của từ trường xoay chiều
khi chúng ở trạng thái thuận từ.

34

19

Hình 1.19 : Thí nghiệm đốt nhiệt-từ với các hạt Fe3O4,

La0,8Sr0,2MnO3, La0,75Sr0,25MnO3 và ZnFe2O4 của nhóm
Kuznetsov.

35

20

Hình 2.1: Mơ hình hình học của hiện tượng nhiễu xạ tia X.

36

21

Hình 2.2: tương tác của chùm tia điện tử với mẫu nghiên cứu.

37

22

Hình 2.3: Hệ đo PPMS 6000.

39

23

Hình 2.4: Ảnh chụp hệ thí nghiệm đốt nhiệt-từ.

39

24

Hình 2.5: (a) minh hoạ bố trí thí nghiệm đốt nhiệt-từ, (b) xác
định tốc độ tăng nhiệt ban đầu từ đường nhiệt độ đốt phụ
thuộc thời gian.
Hình 2.6: Sự phụ thuộc của cơng suất toả nhiệt trên dây đốt
vào tốc độ tăng nhiệt ban đầu.
Hình 2.7: Hình minh hoạ bố trí thí nghiệm giải hấp khí.

40

Hình 3.1: Đường từ trễ đo ở nhiệt độ phịng của các hạt ơxít
sắt.

43

25
26
27

40
41


28

Hình 3.2: Giản đồ nhiễu xạ tia X của hai mẫu M4 và M6.

44

29

Hình 3.3: Ảnh hiển vi điện tử quét của mẫu M6.

44

30

Hình 3.4: Đường đốt nhiệt-từ của các mẫu M1  M6 (nồng độ
20 mg/ml).

45

31

Hình 3.5: Sự phụ thuộc của tốc độ tăng nhiệt ban đầu vào từ
độ tại từ trường cao (M1T) và từ độ tại từ trường thấp (M80)
của các hạt ơxít sắt.

46

32

Hình 3.6: Cơng suất toả nhiệt của mẫu M5 tỉ lệ với M80 theo
hàm bậc hai.

47

33

Hình 3.7: Sự phụ thuộc của tốc độ tăng nhiệt ban đầu vào

cường độ từ trường của mẫu M5 (nồng độ 20 mg/ml).

47

34

Hình 3.8: Sự phụ thuộc của cơng suất toả nhiệt vào diện tích
đường trễ ở các từ trường khác nhau của mẫu M5.

48

35

Hình 3.9. Đường đốt nhiệt từ của các mẫu M5 (ký hiệu đen)
và M6 (ký hiệu trắng) với nồng độ hạt từ khác nhau.

49

36

Hình 3.10. Sự phụ thuộc của nhiệt độ đốt bão hoà và tốc độ
tăng nhiệt ban đầu vào nồng độ hạt từ trong dung dịch của
các mẫu M5 và M6.

49

37

Hình 3.11: Độ rộng vạch nhiễu xạ thay đổi tương ứng với các
mẫu có kích thước hạt khác nhau.

51

38

Hình 3.12: Phân bố kích thước hạt của các mẫu nung theo các
nhiệt độ khác nhau.

51

39

Hình 3.13: Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của các mẫu: (a)
SC0; (b) SC500; (c) SC700 và (d) SC900.

52

40

Hình 3.14: (a) các đường từ nhiệt và (b) các đường từ trễ của
hệ mẫu.

52

41

Hình 3.15. Các đường đốt nhiệt từ của hệ mẫu
La0,7Sr0,15Ca0,15MnO3 và mẫu M5 với nồng độ 20 mg/ml,

53

trong từ trường 80 Oe, 219 kHz.
42

Hình 3.16 là sự phụ thuộc của Tbh vào TC và M1T của các mẫu
La0,7Sr0,15Ca0,15MnO3.

54

43

Hình 3.17: (a) Các đường đốt nhiệt từ của mẫu SC700 với
nồng độ khác nhau; (b) sự phụ thuộc của nhiệt độ đốt vào
nồng độ hạt từ trong dung dịch.

55

44

Hình 3.18: Sự phụ thuộc của nhiệt độ đốt bão hoà vào cường
độ từ trường xoay chiều.

55

45

Hình 3.19: Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu Mn1xZnxFe2O4 (x = 0,0 ÷ 0,5).

56

46

Hình 3.20: Ảnh SEM của các mẫu (a) Z0; (b) Z10; (c) Z30 và
(d) Z50.

57

47

Hình 3.21: Các đường từ trễ của các mẫu(Mn-Zn)Fe2O4. Hình
nhỏ: phóng đại đường trễ của hai mẫu Z0 và Z10.

57

48

Hình 3.22. Các đường từ nhiệt của hệ mẫu(Mn-Zn)Fe2O4.

58

49

Hình 3.23: Các đường đốt nhiệt-từ của hệ mẫu với nồng độ
200 mg/ml (từ trường 80 Oe).

59

50

Hình 3.24: Hiệu suất giải hấp khí theo thời gian của hỗn hợp
chất hấp phụ có nồng độ hạt từ khác nhau (từ trường 80 Oe,
219 kHz).

59

51

Hình 3.25: Sự phụ thuộc của hiệu suất giải hấp khí vào nhiệt
độ giải hấp.

60

52

Hình 3.26: Hiệu suất giải hấp khí theo thời gian của hỗn hợp
chất hấp phụ với các hạt từ khác nhau (hạt từ chiếm 30 %
tổng khối lượng hỗn hợp chất hấp phụ).

60


1

MỞ ĐẦU
Ung thư hiện đang là mối đe doạ trên toàn cầu, thách thức hệ thống y tế
của mọi quốc gia, cả các nước giàu cũng như các nước nghèo với hơn 10 triệu
trường hợp mắc bệnh mới mỗi năm. Theo số liệu của cơ quan thống kê sức khỏe
Hoa Kỳ (2005), số lượng người chết vì ung thư ở nước này vẫn không hề giảm
bớt trong suốt hơn 50 năm qua. Hiện nay bên cạnh các phương pháp chữa trị

ung thư truyền thống như phẫu thuật, hoá trị và xạ trị, liệu pháp nhiệt trị đang
được đánh giá rất triển vọng và được đặc biệt quan tâm nghiên cứu [10]. Cơ sở
điều trị của liệu pháp này dựa trên tác dụng ngăn chặn sự phát triển của tế bào
ung thư khi nhiệt độ của chúng được đẩy lên trên 42 oC, trong khi các tế bào
khoẻ mạnh vẫn có thể chịu đựng được nhiệt độ cao hơn. Tác dụng của nhiệt đối
với các tế bào cho tới nay vẫn đang là vấn đề được tranh luận và nghiên cứu, tuy
nhiên nguời ta vẫn phân loại liệu pháp dựa vào hai vùng nhiệt độ điều trị chính:
- Nhiệt trị (hyperthermia hoặc mild-hyperthermia): điều trị trong vùng
nhiệt độ 42  45 oC trong vài giờ. Để đạt được hiệu quả cao, liệu pháp này
cần được kết hợp với các phương pháp điều trị khác như xạ trị hoặc hoá
trị [10].
- Nhiệt hủy (thermoablation): là phương thức điều trị với mục đích tiêu
diệt tất cả các tế bào ung thư bằng nhiệt. Do đó nhiệt độ tối thiểu phải
được tạo ra ở vùng khối u là trên 50 oC, trong thời gian chỉ một vài phút
[27].
Ngồi ra tuỳ vào kích thước, hình dạng và vị trí của vùng khối u, các
phương pháp nhiệt trị có thể được ứng dụng theo ba dạng: (i) nhiệt trị tồn thân
(whole-body hyperthermia) có tác dụng nhiệt trên toàn cơ thể, (ii) nhiệt trị vùng
(regional hyperthermia) được sử dụng để chữa trị các vùng khối u có kích thước
lớn và (iii) nhiệt trị cục bộ (local hyperthermia) có tác dụng nhiệt trên vùng diện
tích nhỏ, như các khối u đơn lẻ.
Vào năm 1994, nhóm của Robins đã chế tạo thiết bị nhiệt trị toàn thân
Aquatherm với khả năng khống chế nhiệt độ rất chính xác (41,8 oC) [49]. Ở
phương pháp nhiệt trị vùng, đặc biệt là các vùng sâu trong cơ thể, người ta
thường sắp xếp các đầu phát sóng điện từ theo phân bố khơng gian để giao thoa
tập trung năng lượng vào những nơi cần thiết. Đường kính vùng chiếu phụ thuộc
vào tần số sóng điện từ và có thể lên tới 15 cm (ở 60 MHz) và 8 cm (ở 100
MHz). Đối với nhiệt trị cục bộ, khối u được đốt trực tiếp từ các nguồn nhiệt như
trường sóng điện từ, bức xạ vi sóng, siêu âm hoặc nguồn laser. Tuy nhiên tất cả

2

các phương pháp này đều gặp hạn chế trong việc khống chế nhiệt độ đốt, do vậy
không những tế bào ung thư mà ngay cả các tế bào khoẻ mạnh cũng có thể bị
tiêu diệt.
Để tránh việc các tế bào khoẻ mạnh bị đốt quá nhiệt, nhiệt lượng cục bộ
phải được tập trung vào vùng khối u, đồng thời nhiệt độ đốt cũng phải được điều
khiển một cách chính xác. Năm 1957, Gilchrist đã đưa ra ý tưởng sử dụng các
hạt từ đặt trong từ trường xoay chiều như các tác nhân tạo nhiệt [11]. Một khi
các hạt từ với kích thước đủ nhỏ này (đã được tương hợp sinh học bằng các
polymer) được gắn xung quanh khối u ung thư, nhiệt năng toả ra từ chúng sẽ tác
dụng trực tiếp lên khối u và chỉ gây ảnh hưởng tới một lớp mỏng các tế bào khỏe
mạnh xung quanh. Gần đây Kuznietsov đã đề xuất sử dụng các hạt từ có nhiệt
độ Curie trong vùng 42  46 oC [38] để khống chế nhiệt độ điều trị. Các hạt từ
không còn hấp thụ đáng kể năng lượng từ trường xoay chiều nếu chúng ở trạng
thái thuận từ (khi nhiệt độ cao hơn TC), do vậy sẽ không xảy ra trường hợp đốt
quá nhiệt đối với các tế bào bình thường. Các ý tưởng tiên phong này đã mở đầu
cho một số lượng lớn các nghiên cứu tiếp theo với mục đích đưa liệu pháp nhiệttừ trị vào ứng dụng thực tế. Gần đây các thành công thu được đã càng cho thấy
rõ hơn khả năng ứng dụng chữa trị ung thư trên cơ thể người trong tương lai.
Nhìn chung cơ chế toả nhiệt của các hạt từ trong từ trường xoay chiều đến
nay đã tương đối sáng tỏ. Quá trình hấp thụ năng lượng của các hạt từ xảy ra
theo ba cơ chế vật lý chính, đó là tổn hao từ trễ, tổn hao hồi phục Néel và tổn
hao hồi phục Brown [20]. Công suất đốt nhiệt-từ của các vật liệu khơng chỉ phụ
thuộc vào kích thước, hình dạng, vi cấu trúc, phân bố kích thước hạt, các tính
chất từ mà cịn liên quan đến các thơng số kỹ thuật của từ trường xoay chiều như
tần số và cường độ. Chính vì vậy, cho đến nay các kết quả nghiên cứu thực
nghiệm về hiệu ứng đốt nhiệt-từ vẫn chưa mang tính hệ thống và chưa có nghiên
cứu đầy đủ nào đánh giá được công suất toả nhiệt cực đại của các hạt từ dựa trên
các thơng số tính chất của chúng [19].

Bên cạnh ứng dụng đốt nhiệt-từ chữa trị ung thư, gần đây hiệu ứng đốt
nhiệt sử dụng các hạt nanơ từ cịn được quan tâm tới như một phương pháp ưu
việt có khả năng thay thế các phương pháp giải hấp khí truyền thống [35, 36].
Với mục đích đánh giá khả năng ứng dụng của liệu pháp nhiệt trị sử dụng
các hạt nanô từ, luận văn này tập trung vào nghiên cứu sự phụ thuộc của công
suất toả nhiệt đối với các thơng số tính chất từ như từ độ bão hoà (M s), nhiệt độ
Curie (TC), lực kháng từ Hc cũng như với cường độ từ trường và nồng độ hạt từ
trong dung dịch. Kết quả thu được của luận văn bao gồm các nghiên cứu bước


3

đầu về hiệu ứng đốt nhiệt-từ với các hạt Fe3O4, hiệu ứng đốt nhiệt-từ tự khống
chế nhiệt độ với các hạt La0,7Sr0,15Ca0,15MnO3 và hiệu ứng đốt nhiệt-từ ứng dụng
giải hấp khí với các hạt Mn1-xZnxFe2O4 (x = 0,0 ÷ 0,5).
Bố cục của luận văn gồm có:
- Mở đầu
- Chương 1: Tổng quan
- Chương 2: Thực nghiệm
- Chương 3: Kết quả và thảo luận
- Kết luận
Luận văn được thực hiện tại phịng thí nghiệm Vật liệu Từ và Siêu dẫn,
Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.


4

CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về ứng dụng hạt từ kích thƣớc nanomet trong y - sinh học
và xử lý môi trƣờng

Ý tưởng sử dụng các hạt nhỏ trong chẩn đoán và chữa bệnh đã được bắt
đầu từ cách đây gần 60 năm, sau phát hiện về các hạt polymer có kích thước rất
đồng đều của các nhà hố học cơng ty Dow (Dow Chemical Company). Cho đến
nay, việc nghiên cứu và phát triển ý tưởng này đã mang lại những ứng dụng đột
phá trong lĩnh vực y – sinh học. Nguyên lý chung của các ứng dụng là lợi dụng
một số tính chất ưu việt của các hạt nhỏ để điều khiển chúng thâm nhập vào cơ
thể hoặc tương tác 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) mà khơng
bị phát hiện. Thơng thường để làm việc này, người ta phải lựa chọn hạt có kích
thước phù hợp và biến đổi bề mặt của chúng bằng cách gắn thêm các phân tử
sinh học như kháng thể đơn tính, lectin, peptide hoặc hoocmơn. Với lớp vỏ bọc
như vậy, khơng những các hạt đã có khả năng tương hợp sinh học tốt và tồn tại
lâu trong cơ thể mà chúng cịn có thể được gắn một cách có điều khiển vào các
vùng mơ mong muốn. Đặc biệt trong trường hợp của các hạt nanô từ, khả năng
tương tác của chúng đối với từ trường là lợi thế lớn nhất và quan trọng nhất
trong một loạt các ứng dụng y – sinh học như sau:
- Tách chiết các tế bào và các thực thể sinh học.
- Dẫn truyền thuốc, gen và các nuclide phóng xạ tới những vùng bệnh
nằm sâu trong cơ thể.
- Nhiệt trị điều trị ung thư.
- Tăng cường độ tương phản trong chẩn đốn cộng hưởng từ.
Ngồi ra, hạt nanơ từ cịn được sử dụng trong một số ứng dụng cải thiện
môi trường như xử lý nước bị nhiễm Asen hay tái hoạt hoá vật liệu hấp phụ các
chất hữu cơ độc hại. Chi tiết về các ứng dụng kể trên được trình bày dưới đây:
1.1.1. Đánh dấu và tách chiết tế bào
Trong y – sinh học, việc tách riêng các thực thể sinh học ra khỏi môi
trường tồn tại tự nhiên của chúng là rất cần thiết để thu được các mẫu tinh khiết
dùng trong phân tích hoặc một số mục đích khác. Quá trình sử dụng các hạt từ
tương hợp sinh học để tách chiết thông thường bao gồm hai bước: (i) gắn hoặc
đánh dấu các thực thể sinh học bằng vật liệu từ và (ii) tách các thực thể này bằng

5

một thiết bị tuyển từ. Khi đó các thực thể sinh học đã được gắn hạt từ sẽ được từ
trường giữ lại hoặc lôi ra khỏi môi trường chứa chúng.
Bước đầu tiên được thực hiện bằng cách biến đổi bề mặt của các hạt từ
bằng phương pháp hố học, thơng thường là bọc hạt từ bằng các phân tử tương
hợp sinh học như dextran, polyvinyl alcohol (PVA) và phospholipid. Bên cạnh
vai trò như một cầu nối giữa hạt từ với tế bào hoặc phân tử, lớp bọc còn nâng
cao độ ổn định của chất lỏng từ. Sau quá trình bọc hạt, các chất kháng thể hoặc
các phân tử như hcmơn và axít folic sẽ được sử dụng để tạo liên kết với bề
mặt tế bào. Vì các kháng nguyên chỉ liên kết với kháng thể của chúng nên đây là
một cách đánh dấu tế bào bằng các hạt từ rất chính xác. Hiện nay, các hạt từ
được bọc tác nhân miễn dịch đã được gắn thành công với nhiều loại tế bào như
tế bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi, tế bào ung thư cơ quan sinh dục hoặc với
cả các vi khuẩn [46]. Hầu hết các thí nghiệm nghiên cứu cho đến nay đều sử
dụng hạt sắt ơxít (Fe3O4 hoặc Fe2O3) vì chúng có độ tương hợp sinh học tốt và
có bề mặt dễ biến đổi.
Bước thứ hai, tách các thực thể sinh học ra khỏi hạt, được thực hiện nhờ
sự hỗ trợ của từ trường ngoài. Về lý thuyết, lực tác dụng của từ trường B lên một
hạt có mơmen lưỡng cực m là:
Fm  (m ) B  (m

B
B
B
)i  (m ) j  (m )k
x
y

z

(1.1)

Để có hình dung trực quan hơn về cơng thức (1.1), ta giả sử có một
mơmen lưỡng cực m nằm dọc theo trục Ox, do vậy mx ≠ 0 và my = mz = 0. Lực từ
tác dụng lên mômen là Fx  mx (Bx / x) . Có thể thấy lực tác dụng khác 0 chỉ
trong trường hợp mx ≠ 0, Bx ≠ 0 và có một từ trường bất đồng nhất dọc theo trục
Ox ( (Bx / x)  0 ). Do vậy cần phải tạo được một gradient từ trường để di chuyển
một mơmen vì từ trường đồng nhất chỉ có thể làm quay chứ khơng gây ra sự
thay đổi vị trí của mơmen đó.
Đối với trường hợp các hạt nanơ từ ở trong một dung dịch có từ tính yếu
(thuận từ hoặc nghịch từ), mơmen từ tổng cộng của hạt là m = VmM, trong đó Vm
là thể tích hạt và M là mơmen từ trên một đơn vị thể tích. Ta có M = H, với
 = m - w là độ tự cảm hiệu dụng của hạt từ so với môi trường (m là độ tự
cảm của hạt từ và w là độ tự cảm của mơi trường). Trong mơi trường nước tinh
khiết, có thể giả sử B = μ0H, do đó phương trình (1.1) trở thành:
Fm 

Vm 

0

1
( B ) B  Vm ( B  H )
2

(1.2)

6

Từ phương trình (1.2) này có thể thấy
lực từ tác dụng tỉ lệ thuận với mật độ năng
lượng tĩnh từ,

Dòng chảy

1
B  H . Khi   0 , lực từ sẽ
2

tác dụng theo hướng mật độ năng lượng thay
đổi mạnh nhất, và đây cũng là nguyên lý được
áp dụng trong các thiết bị tách chiết tế bào
cũng như dẫn truyền thuốc.

Nam
châm

Hình 1.1. Minh hoạ đơn giản

Hình 1.1 là minh hoạ đơn giản về về nguyên lý tách chiết sử dụng
nguyên lý tách chiết sử dụng từ trường. Các từ trường. Các hạt màu đen là
các thực thể cần được tách, các
thực thể sinh học “có gắn từ tính” (các hạt
hạt màu trắng là các thực thể
đen) được tách ra khỏi dung dịch mang khi không từ.
chúng chảy qua vùng tác dụng của một
gradient từ trường. Để giữ được các hạt mong muốn, lực từ phải thắng được lực

ma sát của môi trường lỏng tác dụng lên các hạt, Fd = 6Rmv, trong đó  là
độ nhớt của mơi trường, Rm là bán kính hạt và v = vm – vw là hiệu số vận tốc
của tế bào và dung dịch. Ngồi ra cịn có ảnh hưởng của lực đẩy Acsimet lên
chuyển động của hạt. Lực này phụ thuộc vào khối lượng riêng của hạt từ và
dung dịch. Tuy nhiên trong đa số ứng dụng y - sinh, tác dụng của lực này có thể
được bỏ qua. Khi lực ma sát cân bằng với lực từ, vận tốc tương đối của hạt so
với môi trường là:
v 

Với  


Rm2 
( B 2 ) hoặc v  ( B 2 )
0
90

(1.3)

Rm2 
là hằng số thể hiện khả năng điều khiển được của hạt từ. Có
9

thể thấy các hạt kích thước càng lớn thì  càng tăng và khả năng tương tác với từ
trường cũng càng mạnh. Trên thực tế, để tăng cường khả năng “bắt” các hạt từ,
người ta thường có những thiết kế đặc biệt để tạo ra những vùng từ trường bất
đồng nhất mạnh trong thiết bị tuyển từ [18].
Cho đến nay tách chiết bằng từ trường đã được sử dụng thành công trong
các lĩnh vực nghiên cứu y học và sinh học. Phương pháp này có độ chính xác
cao khi dùng để tách các tế bào của một số loại khối u hiếm ra khỏi máu. Ngoài

ra người ta đã tăng cường khả năng phát hiện vi rút sốt rét kí sinh trong các mẫu
máu bằng việc tối ưu hố tính chất từ của các vi rút kí sinh hoặc bằng cách đánh
dấu các tế bào hồng cầu với chất lỏng từ gắn miễn dịch. Bên cạnh đó cịn có các
ứng dụng khác như khuếch đại và phát hiện DNA, đếm tế bào (đo mômen từ của


7

các hạt từ) và một số cảm biến xác định vị trí cũng như định vị các tế bào chức
năng trong cơ thể [46].
1.1.2. Dẫn truyền các tác nhân chữa trị ung thư
Khoảng 20 năm trở lại đây, đã có nhiều phương pháp vận chuyển và dẫn
truyền thuốc được phát triển với mục đích làm tăng nồng độ thuốc (các tác nhân
chống ung thư) trong khối u mà không bị phân tán ở những vùng mô tế bào khoẻ
mạnh. Bằng cách này khơng những người ta có thể hạn chế các tác dụng phụ
nguy hiểm nảy sinh trong quá trình điều trị mà cịn có thể giảm thiểu tối đa liều
lượng thuốc đưa vào cơ thể. Hầu hết các nghiên cứu đều tập trung vào kỹ thuật
sử dụng từ trường để giữ các hạt từ “mang thuốc” ở vị trí các mô tế bào xác
định, tránh không cho chúng trôi theo dịng máu. Điều này là rất khó khăn vì
hiệu suất của phương pháp phụ thuộc vào nhiều tham số vật lý như cường độ từ
trường, độ bất đồng nhất (gradient từ), thể tích và tính chất từ của các hạt. Thông
thường các chất lỏng từ được đưa trực tiếp vào cơ thể theo đường tĩnh mạch
hoặc động mạch, do vậy các tham số động học như tốc độ máu chảy, nồng độ
chất lỏng từ, khả năng hấp thụ thuốc của vùng mô tế bào và thời gian lưu thông
của hạt cũng rất quan trọng. Bên cạnh đó cũng cần phải xét đến độ sâu của vùng
cần thuốc (khoảng cách tới nguồn phát từ trường), độ mạnh yếu của liên kết giữa
thuốc và hạt từ cùng với thể tích của khối u [41].

Nam châm

Khối u

Mạch máu
ni khối u

Hỗn hợp
thuốc/hạt mang

Hình 1.2. Hình minh hoạ về nguyên lý vận chuyển và gắn thuốc [2].

Cở sở của phương pháp dựa trên việc sử dụng các phân tử thuốc (thường
là các tác nhân có khả năng ảnh hưởng đến tế bào - cryotoxic) được gắn các hạt
từ tương hợp sinh học (có thể được gọi là hạt mang). Hỗn hợp thuốc/hạt mang
này được đưa vào cơ thể qua hệ tuần hoàn. Sau khi thâm nhập vào mạch máu,
chúng được giữ lại ở các vùng mong muốn bằng một từ trường ngồi có độ bất


8

đồng nhất cao. Khi đã được định vị, các phân tử thuốc có thể được giải phóng
theo cơ chế hoạt động của emzym hoặc do sự khác biệt về các điều kiện sinh lý
ở vùng khối u như độ pH, độ thẩm thấu hoặc nhiệt độ [3]. Hình 1.2 là ví dụ
minh họa về nguyên lý vận chuyển và gắn thuốc ở khối u dưới tác dụng của từ
trường một nam châm vĩnh cửu. So với các mô tế bào bình thường, khối u ung
thư có lượng mạch máu ni lớn hơn rất nhiều, do vậy khả năng hấp thụ các
phân tử thuốc cũng cao hơn [2].
Cấu trúc của một hạt mang thuốc gồm hai phần: (i) lõi hạt từ (thường là
sắt ơxít) được bọc bởi (ii) một lớp polymer tương hợp sinh học. Các polymer
thông dụng hiện nay là PVA hoặc dextran. Trong một số trường hợp người ta
còn sử dụng lớp bọc vơ cơ như silic ơxít. Ngồi tác dụng bảo vệ các hạt khỏi ảnh

hưởng của môi trường xung quanh, đặc điểm quan trọng nhất của lớp bọc là làm
cầu nối để chức năng hoá các hạt khi gắn vào chúng các nhóm carboxyl, biotin,
avidin, carbodi-imide hoặc một số phân tử khác [46].
Có thể coi phương pháp sử dụng hạt từ để dẫn truyền thuốc là một dạng
hố trị cục bộ. Cho đến nay có khoảng gần 50 loại tác nhân hoá trị đang được sử
dụng thường xuyên trong điều trị ung thư [2]. Tác dụng của các tác nhân này là
tác động đến hệ gen của tế bào, can thiệp vào quá trình trao đổi chất hoặc phá
huỷ cấu trúc và ngăn cản sự phát triển của tế bào. Các tác nhân được phân loại
thành nhiều nhóm dựa theo cơ chế hoạt động của chúng:
- Các hợp chất alkylating (cyclophosphamide, ifosfamid, busulfan,
mitoxantrone) có tác dụng với các nhóm hoạt động trong tế bào và DNA. Phản
ứng với thuốc alkylating làm sai hỏng q trình nhân đơi của DNA trong giai
đoạn phân chia tế bào và do vậy giết chết tế bào.
- Các antimetabolite (5-fluorouracil, methotrexate) kiềm chế pha chu trình
tế bào bằng cách ngăn lại quá trình tiền tổng hợp axít nucleic ở pha S.
- Các chất ngăn chặn sự phân bào (vindesin, vinblastin) kiềm chế quá
trình phân chia tế bào.
- Antineoplastic antibiotics (adriamycin, bleomycin) ngăn chặn quá trình
tổng hợp của RNA phụ thuộc vào DNA.
- Ngồi ra cịn có một số tác nhân khác (dacarbacin, cisplatin, paclitaxel)
hoạt động theo các cơ chế chưa được làm rõ cho đến nay.
Trong hố trị thơng thường, các tác nhân thuốc không thể phân biệt được
sự khác nhau giữa khối u và các mô tế bào khoẻ mạnh, do vậy chúng cũng làm
hỏng các tế bào bình thường này và gây ra các tác dụng phụ không mong muốn


9

như tạo ra các mầm ung thư thứ cấp. Chính vì vậy phương pháp hố trị cục bộ
có ưu thế hơn hẳn với mục đích tập trung các tác nhân điều trị hố học ở vùng

khối u, do vậy có thể giảm thiểu các tác dụng phụ ở mô tế bào bình thường.
Năm 1983, các hạt từ lần đầu tiên đã được sử dụng để mang thuốc
(doxorubicin) tới các khối u được cấy trên đuôi chuột [54]. Kết quả bước đầu là
rất khả quan khi trên 80% số chuột có các khối u đã giảm hoàn toàn so với
trường hợp hố trị thơng thường với liều thuốc lớn hơn 10 lần. Trong những
năm thập kỉ 70, Kramer (1974) và Rahman (1974) đã tiến hành gắn các tác nhân
daunorubicin, mercaptopurine và actinomycine vào hạt mang. Các hạt này
thường bị phá huỷ trong các cơ quan cơ thể bởi tác động cơ học và tác động của
enzyme, do vậy không mang lại hiệu quả điều trị cao. Đến năm 1996,
Bergemann lần đầu tiên tạo được liên kết hoá học trực tiếp giữa các tác nhân
thuốc với chất lỏng từ (hạt từ được bọc bởi tinh bột – starch) [2], theo đó giải
quyết được vấn đề không bền vững của các hạt mang. Sau đó Lubbe đã thử
nghiệm tác dụng của chất lỏng từ này trên cơ thể chuột và thấy rằng độc tính của
chúng đối với cơ thể là rất thấp. Vào năm 1997, Kuznetsov sử dụng các hạt đơn
phân tán có lõi sắt hoặc sắt oxít, được gắn với một cấu trúc cácbon hoặc được
bọc cácbon phía ngồi. Kích thước hạt từ 0,01 đến 1 micromet và hạt được kết
hợp với dung dịch thuốc kháng ung thư. Sau khi thử nghiệm điều trị trên hơn
100 bệnh nhân với nhiều loại ung thư khác nhau, kết quả cho thấy hầu hết các
trường hợp đều khỏi hồn tồn hoặc tình trạng bệnh tiến triển đáng kể [40].
Cũng vào năm này, Allen công bố chế tạo được các hạt tải từ tính có khả năng
dẫn truyền thuốc (magnetically targetable carrier, MTC TM) với thành phần là
hợp kim của sắt và than hoạt tính (kích thước 0,5  2 μm) được bọc bởi
paclitaxel, một tác nhân tiềm năng trong chữa trị ung thư đầu và cổ [4]. Các hạt
tải này có thể giải phóng 38% lượng thuốc hấp phụ được vào huyết thanh trong
vòng 24 h. Chúng có thể bị giữ bởi từ trường trong mạch máu nhỏ (tốc độ chảy
0.2 cm/s) và trong động mạch chính (tốc độ chảy 28 cm/s). Một số kết quả thử
nghiệm điều trị trên cơ thể người cho đến nay cũng rất khả quan [2]. Từ tháng 4
năm 2001 đến tháng 6 năm 2002, sử dụng một từ trường được chiếu vào vùng
khối u, bốn bệnh nhân đã được tiêm vào động mạch một dung dịch gồm các hạt
sắt được bọc cácbon, có gắn các phân tử doxorubicine. Một bệnh nhân đã có

kích thước khối u thu nhỏ đáng kể, trong khi các khối u ở các bệnh nhân khác
vẫn giữ ngun kích thước trong suốt q trình quan sát từ 5 đến 17 tháng.
Nhóm của Alexiou đã thực hiện một số nghiên cứu tiền điều trị, trong đó các hạt
nanơ từ (đường kính 100 nm, Chemicell®, Berlin, Đức) gắn các mitoxantrone
(Novantrone®, Lederle, Wyeth-Pharma, Đức) được tiêm vào mạch máu của


10

khối u ung thư trên thỏ. Một từ trường rất mạnh (1,7 T) đã được sử dụng để
chiếu lên vùng khối u. Trong thí nghiệm dẫn thuốc này, tồn bộ khối u đã giảm
hẳn chỉ cần sử dụng 20  50% liều thuốc hố trị thơng thường và khơng gây
phản ứng phụ có hại nào.
Bên cạnh các kết quả khả quan đã đạt được cũng tồn tại một số hạn chế
mà phương pháp dẫn truyền thuốc sử dụng hạt từ cần phải vượt qua để có thể
được ứng dụng chữa trị rộng rãi, đó là: (i) các mạch máu ở vùng mơ đích có thể
bị tắc do sự kết tụ với nhau của các hạt từ, (ii) không thể áp dụng các tham số
điều trị trên cơ thể động vật đối với cơ thể người vì khoảng cách giữa các vùng
điều trị lớn hơn và cần cường độ từ trường mạnh hơn, (iii) sau khi được giải
phóng, thuốc khơng cịn được điều khiển bằng từ trường nên chúng vẫn có thể
phân tán tự do trong cơ thể và làm tổn hại các tế bào khoẻ mạnh.
Một cách khắc phục nhược điểm đối với thuốc sau khi được giải phóng là
sử dụng tác nhân chữa trị được gắn với hạt mang trong suốt quá trình điều trị.
Dựa trên ý tưởng này, khả năng gắn các nuclon phóng xạ thay vì các tác nhân
hoá trị vào các hạt từ cũng đã được khảo sát. Ưu thế của hệ này so với hệ
thuốc/hạt từ là các khối u không cần “bắt” các tác nhân mà vẫn chịu tác dụng
của nuclon phóng xạ. Các đồng vị phóng xạ khác nhau có thể được sử dụng để
điều trị trên các khoảng cách khác nhau, tuỳ thuộc theo bản chất của ngun tố
(ví dụ 90Y có thể phát xạ tới 12 mm trong mô tế bào). Trong thí nghiệm thực
hiện trên cơ thể chuột, nhóm của Hafeli đã tiêm các hạt từ đường tĩnh mạch tập

trung ở gần một khối u dưới da bụng và sử dụng một nam châm nhỏ ở phía trên.
Kết quả cho thấy phóng xạ phát ra từ các nguyên tử 90Y đã tiêu diệt được > 50%
khối u [17].
1.1.3. Tăng cường độ tương phản trong chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân
Nguyên lý của chụp ảnh cộng hưởng từ (magnetic resonant imaging MRI) dựa trên tín hiệu cộng hưởng từ hạt nhân của các proton khi có tác dụng
kết hợp giữa một từ trường một chiều mạnh (lên đến 2 T) và một trường sóng
điện từ ngang (5 ÷ 100 MHz). Các proton (hạt nhân nguyên tử Hyđrô) là thành
phần cấu tạo của phân tử nước nên chúng có mặt ở khắp mọi nơi trong các cơ
quan của cơ thể sống: mô tế bào, mỡ, protein,… Khả năng cảm ứng của chúng
dưới tác dụng của từ trường một chiều là rất nhỏ, nếu đặt một từ trường B0 = 1 T
để từ hố thể tích 1 mm3 nước (chứa 6,6.1019 proton) thì tín hiệu thu được chỉ
tương đương với 2.1014 mơmen từ của proton. Tuy nhiên dưới tác dụng của từ
trường xoay chiều, các proton có thể dao động cộng hưởng nếu như tần số của
từ trường trùng với tần số Larmor của proton, ω0 = B0 (với proton 1H,  =


11

2,67.108 rad.s-1T-1). Giả sử ta đồng thời tác dụng một từ trường một chiều B0 và
một xung trường sóng điện từ vng góc với B0, có tần số ω0 lên các proton. Sau
khi trường sóng điện từ tắt, các proton sẽ hồi phục trở lại vị trí cân bằng với
véctơ từ độ tổng cộng có xu thế định hướng dọc theo từ trường B0. Tín hiệu từ
độ này có thể đo được bằng dòng điện cảm ứng sinh ra trên cuộn pick-up và nó
mang thơng tin về q trình hồi phục của proton. Như thấy trên hình 1.3, với B0
song song với trục z, tín hiệu hồi phục có dạng:
mz  m(1  e  t / T1 )

mx, y  m sin(0t   )et / T2

(1.4a)

(1.4b)

trong đó T1 và T2 là thời gian hồi phục
dọc và ngang,  là hằng số pha. Hồi
phục dọc là quá trình quay trở lại của
mômen từ theo phương song song với
B0 và được kí hiệu là hồi phục T1, hồi
phục ngang là q trình các mơmen
ngang biến mất và được gọi là phân rã
T2. Quá trình hồi phục dọc phản ánh
năng lượng bị tổn hao (dưới dạng nhiệt
năng) của hệ proton, do đó có thể được
coi là một phép đo sự gắn kết của Hình 1.3. Hình minh hoạ quá trình
cộng hưởng từ của hệ proton với từ
mômen proton với môi trường
độ tổng cộng m. Chuyển động của m
(“mạng”) xung quanh nó. Chính vì thế khi (a) khơng có trường điện từ và (b)
hồi phục T1 còn được gọi là hồi phục có trường điện từ. Tín hiệu từ độ hồi
“spin - mạng” (spin - lattice) và T1 là phục (c) trong mặt phẳng (xy) và (d)
theo trục z.
thời gian để 63 % mômen từ dọc khôi
phục được hướng ban đầu của chúng. Trong khi đó phân rã T2 khơng là q
trình giải phóng hay hấp thụ năng lượng trong mơ tế bào mà phụ thuộc vào tổn
hao cộng hưởng pha giữa các proton. Các hạt nhân hyđrô quay cùng pha với
nhau dưới tác dụng của xung sóng điện từ. Sau khi kết thúc xung, từ trường của
các hạt nhân tương tác lẫn nhau và năng lượng được trao đổi giữa các hạt nhân,
vì thế các hạt nhân khơng cịn cộng hưởng pha nữa mà nhanh chóng quay một
cách ngẫu nhiên. Vì phân rã T2 là kết quả của việc trao đổi năng lượng giữa các
proton đang quay, nên nó được gọi là hồi phục “spin - spin” và T2 là thời gian để
các mômen từ ngang giảm đi 37 % giá trị ban đầu. Trên thực tế, sự suy giảm về

pha cịn có thể bị ảnh hưởng bởi các tâm khơng đồng nhất cục bộ trong từ
trường dọc nên thời gian T2 sẽ ngắn hơn và được xác định từ công thức:


12
B0
1
1
 
*
T2 T2
2

(1.5)

Trong đó B0 là sự thăng giáng của từ trường.
Nói chung dựa theo các giá trị thời gian T1 và T2 khác nhau, các mô tế bào
khác nhau có thể được phân biệt. Người ta ghi nhận số liệu của q trình hồi
phục bằng một máy vi tính, sau đó biến đổi Fourier hai chiều để đưa ra biên độ
của tín hiệu cộng hưởng từ hạt nhân và xây dựng lại ảnh 3-D. Dựa vào việc điều
chỉnh các tham số như thời gian lặp lại (thời gian giữa hai xung kích thích) và
thời gian trễ (thời gian giữa xung kích và thời điểm đo tín hiệu đầu tiên), ta có
thể thu được hình ảnh với độ tương phản như mong muốn. Về cơ bản, thời gian
lặp ngắn sẽ làm tăng hiệu ứng T1, còn thời gian lặp dài cho phép các mơ tế bào
có thể đạt được trạng thái hồi phục dọc hoàn toàn, do vậy làm giảm hiệu ứng T1.
Thời gian trễ ngắn sẽ làm giảm hiệu ứng T2 trong khi thời gian trễ dài hỗ trợ cho
q trình tổn hao của tín hiệu ngang, do vậy làm nâng cao hiệu ứng T2. Từ đó
chụp ảnh T1 (chẩn đốn dựa vào T1) có thể được điều chỉnh bằng cách tối ưu
thời gian lặp và thời gian trễ ngắn, cho phép mômen từ của các mô tế bào có T1
được khơi phục hồn tồn và chỉ cho phép khơi phục một phần mơmen từ của

các mơ có T1 dài. Mặt khác, với ảnh chụp theo T2, thời gian lặp và thời gian trễ
dài cần được sử dụng để có độ tương phản tốt. Các mơi trường chất lỏng thường
có thời gian T2 dài và chúng thường gắn liền với bệnh lý như nội chấn thương,
thương tổn gây bởi ung thư,… do vậy chụp ảnh dựa vào T2 thường được sử
dụng cho q trình chẩn đốn.
Tương phản cộng hưởng từ thường được tăng cường tự nhiên bởi sự có
mặt của các hợp chất thuận từ trong cơ thể. Các hợp chất này có khả năng làm
tăng tốc độ hồi phục spin của các proton trong phân tử nước và được đặc trưng
bằng các tham số R1 = 1/T1 hoặc R2 = 1/T2. Trong cơ thể, các haemoglobin có
đủ ơxi (haemoglobin trong mạch máu) có tính nghịch từ với độ hồi phục R1 thấp
nhưng ở dạng thiếu ơxi, nó trở thành thuận từ (độ hồi phục cao, tăng cường hồi
phục đối với các proton xung quanh). Sử dụng đặc tính này, người ta có thể xác
định được những vùng não tạo nhiều hoặc ít ơxi và có thể đo được sự biến đổi
của dịng máu. Thậm chí đã có nghiên cứu chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân đối
với haemoglobin để vẽ lại bản đồ chức năng não với các hành động như nếm,
ngửi, đọc, nghe,… Tuy nhiên trong nhiều trường hợp chẩn đoán, sự khác nhau
của R1 (hoặc R2) giữa các mô tế bào là nhỏ và việc sử dụng các mơi trường
tương phản ngồi là cần thiết để nâng cao giá trị chẩn đoán của MRI.


13

Hiện nay các tác nhân tương phản
T1 thường là hỗn hợp của iơn thuận từ có
giá trị mơmen spin lớn như Gd3+ (có 7
điện tử chưa ghép cặp). Các iơn Gd3+ này
được kết hợp với các phân tử như DTPA
Hình 1.4. Cấu trúc của tác nhân
tương phản T2 Gd-DTPA[42].
(diethylenetriaminepentaacetic axit) và

tạo thành các cấu trúc dạng phức “càng
cua” (hình 1.4) để hạn chế độc tính của iơn kim loại đối với cơ thể người. Trong
quá trình hồi phục, sự tương tác giữa mômen từ của proton với mômen từ của
các iôn thuận từ khiến thời gian T1 bị suy giảm. Nồng độ các tác nhân là khác
nhau ở mỗi vùng mô tế bào, do vậy mang lại hiệu quả tương phản trên ảnh chụp
MRI. Thông thường Gd-DTPA được phân bố trong mạch máu và các kẽ mô tế
bào để tăng cường tín hiệu của các phần chất lỏng hoặc các vùng bị tổn thương.
Các nghiên cứu cho thấy để có được sự tương phản đáng kể, nồng độ của hỗn
hợp khi áp dụng phải vào khoảng 0,1 mmol/kg khối lượng cơ thể. Hiện nay có
một số tác nhân tương phản T1 cũng đang được phát triển trên cơ sở tăng đồng
thời cả nồng độ iôn thuận từ và khối lượng nguyên tử, ví dụ như dẫn xuất của
Gd-DTPA được nối với các phân tử lớn như dextran hoặc liposome. Ngoài ra
đối với một số ứng dụng chẩn đoán chuyên biệt, người ta có thể sử dụng các hợp
chất khác như Mn2+-DTPA (chẩn đoán thương tổn gan) hay metalloporphyrin
sắt và mangan.
Đối với kĩ thuật chụp tương phản T2, các hạt siêu thuận từ với kích thước
từ 3 đến 10 nm thường được sử dụng. Với giá trị mômen từ lớn hơn nhiều lần so
với các phân tử Gd-DTPA, độ hồi phục của chúng cũng cao hơn nhiều. Về cơ
bản, từ trường bất đồng nhất xung quanh các hạt nanô đã làm thay đổi pha dao
động của mômen từ trong proton, do vậy làm giảm thời gian T2 trong khi ảnh
hưởng không đáng kể đến T1. Vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trong các
dung dịch tác nhân T2 là các hạt ơxít sắt (Fe3O4 hoặc Fe2O3). Để tiêm vào tĩnh
mạch, chúng thường được chế tạo bằng phản ứng kết tủa trong môi trường kiềm
của muối sắt (II) và sắt (III) trong dung dịch các phân tử lớn như dextran,
carboxydextran, chitosan, starch, heparin và albumin. Các phân tử này có tác
dụng giới hạn kích thước lõi từ trong q trình chế tạo và ổn định sự phân tán
của các hạt trong dung dịch. Sau q trình chẩn đốn, các hạt ơxit sắt bọc
polymer tương hợp sinh học này sẽ bị đào thải dần bởi gan. Tương phản T1 phụ
thuộc vào nồng độ hạt từ khác nhau tập trung tại các cơ quan trong cơ thể. Ngồi
ra kích thước hạt cũng có ảnh hưởng mạnh đối với ứng dụng này: các hạt nanơ

với đường kính lớn hơn 30 nm thường tập trung nhiều ở gan và lách, trong khi