Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano từ tính Fe3O4 cấu trúc lõivỏ định hướng ứng dụng trong y tế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano từ tính
Fe3O4 cấu trúc lõi-vỏ định hướng
ứng dụng trong y tế

Ngành Vật lý Kỹ thuật
Chuyên ngành Vật liệu điện tử và Công nghệ nano

Bộ môn:

Vật liệu điện tử

Viện:

Vật lý Kỹ thuật

HÀ NỘI - 7/2020



TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano từ tính
Fe3O4 cấu trúc lõi-vỏ
định hướng ứng dụng trong y tế
Ngành Vật lý Kỹ thuật
Chuyên ngành Vật liệu điện tử và Công nghệ nano

Giảng viên hướng
dẫn (Ký và ghi rõ
họ tên)

HÀ NỘI - 7/2020



Lời cảm ơn
Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn đến giáo viên hướng dẫn, người đã trực
tiếp hướng dẫn và tận tâm chỉ bảo em trong suốt quá trình hồn thành đồ án tốt
nghiệp này. Em chúc cơ ln luôn mạnh khỏe, hạnh phúc và ngày càng thành
công trong sự nghiệp nghiên cứu khoa học.
Em cũng xin được cảm ơn các thầy cô đang công tác tại Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội nói chung và Viện Vật lý Kỹ thuật nói riêng, em cảm ơn các
thầy cơ đã ln tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện học
tập tốt nhất dành cho toàn thể các bạn sinh viên.
Em xin cảm ơn các anh, chị là các cựu thành viên của nhóm nghiên cứu
cảm biến sinh học vì đã giúp đỡ, dìu dắt em những ngày đầu làm việc tại phịng
thí nghiệm. Cảm ơn các bạn và các em cùng nhóm nghiên cứu đã hỗ trợ mình về
mọi mặt trong quá trình làm đồ án này. Tôi xin cảm ơn các bạn của tôi đã luôn
động viên, chia sẻ và cùng tôi trải qua những năm tháng nhiều thăng trầm tại
Bách Khoa.
Cuối cùng, con cảm ơn gia đình đã ln u thương, tin tưởng và là nguồn
động lực lớn lao để con có thể giữ vững tinh thần, vượt qua mọi khó khăn, thử
thách.

Tóm tắt nội dung đồ án
Mục tiêu của đồ án tốt nghiệp này là nghiên cứu và chế tạo vật liệu nano từ
tính Fe3O4 cấu trúc lõi-vỏ định hướng ứng dụng trong y tế. Vật liệu nano từ tính

Fe3O4 được chế tạo với các hình dạng và kích thước khác nhau bằng phương
pháp đồng kết tủa và phương pháp dung môi nhiệt. Cấu trúc tinh thể, tính chất từ
và hình thái bề mặt của vật liệu được khảo sát lần lượt thông qua phương pháp đo
nhiễu xạ tia X, hệ đo từ kế mẫu rung và hình ảnh hiển vi điện tử quét (SEM). Từ
các kết quả khảo sát cho thấy hạt nano từ Fe 3O4 cấu trúc lõi-vỏ đã được chế tạo
thành cơng và có nhiều tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực y tế.
Sinh viên thực hiện
Ký và ghi rõ họ tên



MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU............................................................. 1
1.1

Đặt vấn đề................................................................................................. 1

1.2

Khái quát về hệ nano y sinh...................................................................... 1
Cấu trúc của hệ nano y sinh....................................................... 1
Các chức năng của hệ nano y sinh............................................. 3

1.3

Vật liệu từ Fe3O4................................................................................................................................... 4
Tính chất từ của vật liệu............................................................ 4
Cấu trúc tinh thể của Fe3O4................................................................................... 7
Ứng dụng của vật liệu nano Fe3O4 trong lĩnh vực y tế..............8
Các phương pháp tổng hợp hạt nano sắt từ Fe3O4.............................11

Các phương pháp phân tích tính chất đặc trưng của vật liệu.. .13

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM........................................................................ 18
2.1

Hóa chất – thiết bị................................................................................... 18
Hóa chất.................................................................................. 18
Thiết bị.................................................................................... 18

2.2

Quy trình thực nghiệm............................................................................. 18
Tổng hợp hạt nano Fe3O4 theo phương pháp đồng kết tủa......18
Tổng hợp hạt nano Fe3O4 theo phương pháp dung môi nhiệt .
19 Chế tạo hạt nano từ tính Fe3O4 cấu trúc lõi-vỏ...................20

2.3

Phân tích một số tính chất đặc trưng của hạt nano từ, hạt nano từ cấu trúc
lõi vỏ sau khi tổng hợp............................................................................ 21
Phân tích nhiễu xạ tia X.......................................................... 21
Phân tích từ kế mẫu rung......................................................... 22
Phân tích hiển vi điện tử quét kết hợp phổ tán xạ năng lượng
tia X....................................................................................................... 23

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................... 24
3.1

Hạt nano Fe3O4 chế tạo theo phương pháp đồng kết tủa.........................24
Khảo sát hình thái hạt.............................................................. 24

Cấu trúc tinh thể...................................................................... 24
Tính chất từ............................................................................. 25

3.2

Hạt nano Fe3O4 chế tạo theo phương pháp dung môi nhiệt.....................26


Khảo sát hình thái hạt.............................................................. 26
Cấu trúc tinh thể...................................................................... 28
Tính chất từ............................................................................. 29
3.3

Hạt nano Fe3O4 bọc SiO2............................................................................................................. 31
Khảo sát hình thái, cấu trúc và tính chất từ hạt Fe3O4-ĐKT@SiO2
................................................................................................. 31
Khảo sát hình thái, cấu trúc và tính chất từ hạt nano Fe3O4DMN200oC-40: 33

3.4

Hạt nano Fe3O4 bọc Au...........................................................................35
Khảo sát hình thái, cấu trúc và tính chất từ của hạt nano từ
Fe3O4- Đ 35
Khảo sát hình thái, cấu trúc và tính chất từ của hạt nano từ
Fe3O4-DMN200oC-40:
Khảo sát hình thái, cấu trúc và tính chất từ của hạt nano từ
Fe3O4-DMN200oC-30:

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN................................................................................. 45
4.1

Kết luận................................................................................................... 45

4.2

Hướng phát triển của đồ án trong tương lai............................................. 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................ 46


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo của một hệ vật liệu nano y sinh đa chức năng điển hình
[7].......................................................................................................................... 2
Hình 1.2: Đường cong từ hóa có dạng tuyến tính trong các chất thuận từ và nghịch
từ [11].................................................................................................................... 5
Hình 1.3: Đường cong từ trễ của chất sắt từ và ferrit từ [11].................................6
Hình 1.4: Cấu trúc đơn và đa đơmen của hạt sắt từ theo kích thước [12]..............7
Hình 1.5: (a) Đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ dạng khối và (b) đường cong
từ hóa của vật liệu sắt từ dạng siêu thuật từ [12]................................................... 7
Hình 1.6: Cấu trúc tinh thể ferrit thường gặp [14]................................................. 8
Hình 1.7: Sơ đồ minh họa cơ chế mang thuốc hướng đích bằng từ trường ngồi
[12]........................................................................................................................ 9
Hình 1.8: Ngun tắc chụp ảnh cộng hưởng từ [3].............................................. 10
Hình 1.9: Sơ đồ cơ chế hình thành hạt nano sắt từ tổng hợp bằng phương pháp
dung mơi nhiệt [25]........................................................................................... 12
Hình 1.10: Nhiễu xạ tia X bởi các mặt phẳng nguyên tử (mặt phẳng 1 và 2). 13
Hình 1.11: Nhiễu xạ kế tia X D8 ADVANCE (tấm chắn tia X đã được bỏ ra) do
hãng Bruker (Đức) sản xuất................................................................................ 15
Hình 1.12 Hình học nhiễu xạ kế tia X................................................................. 15
Hình 1.13 Hình ảnh của hệ VSM hiện đại........................................................... 16

Hình 1.14: Hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) tích hợp với phổ kế tán
xạ năng lượng tia X (EDX) và đầu dị huỳnh quang catơt (CL): JEOL JSM7600F (Mỹ)......................................................................................................... 17
Hình 2.1: Hình ảnh thực tế hệ phản ứng tổng hợp hạt nano Fe 3O4 theo phương
pháp đồng kết tủa................................................................................................ 19
Hình 2.2: Máy nhiễu xạ tia X X’Pert Pro (PANalytical) đặt tại phòng C9-110,
Viện Vật lý Kỹ thuật, Đại học Bách Khoa Hà Nội.............................................. 22
Hình 2.3: Hệ đo từ kế mẫu rung tại Viện ITIMS, Đại học Bách Khoa Hà Nội. 22
Hình 2.4: Hình ảnh một số mẫu hạt nano từ tính được chuẩn bị sẵn trên phiến
Silic để đo SEM/EDX......................................................................................... 23
Hình 3.1: Ảnh SEM các hạt nano Fe3O4-ĐKT và Fe3O4-ĐKT-TN.....................24
Hình 3.2: Phổ nhiễu xạ tia X của các hạt nano từ Fe3O4-ĐKT và Fe3O4-ĐKT-TN.
.............................................................................................................................. 25
Hình 3.3: Đường cong từ tính của các hạt nano Fe3O4-ĐKT và Fe3O4-ĐKT-TN.
.............................................................................................................................. 26
Hình 3.4: Ảnh SEM các hạt Fe3O4-DMN170oC-40:1-24h..................................27
Hình 3.5: Ảnh SEM các hạt Fe3O4-DMN200oC-30:1-24h, Fe3O4-DMN200oC40:1-24h, Fe3O4-DMN200oC-30:1-12h và Fe3O4-DMN200oC-40:1-12h...........27
Hình 3.6: Giản đồ nhiễu xạ tia X của các hạt Fe3O4 tổng hợp bằng phương pháp
dung môi nhiệt.................................................................................................... 28


Hình 3.7: Đưởng cong từ trễ của hạt Fe3O4-DMN170oC-40:1-24h....................29
Hình 3.8: Đường cong từ trễ của các hạt nano Fe3O4 tổng hợp theo phương pháp
dung môi nhiệt ở 200 oC theo các tỷ lệ và thời gian khác nhau...........................30
Hình 3.9: Ảnh SEM của hạt nano Fe3O4-ĐKT và Fe3O4-Đ
Hình 3.10: Ảnh SEM và phổ EDX của mẫu hạt nano từ tính Fe3O4-ĐKT@SiO2.
.............................................................................................................................. 32
Hình 3.11: Phổ XRD của hạt nano từ Fe3O4-ĐKT và Fe3O4-Đ
Hình 3.12: Đường cong từ tính của hai mẫu Fe3O4-ĐKT và Fe3O4-ĐKT@SiO2.
.............................................................................................................................. 33
Hình 3.13: Ảnh SEM của mẫu Fe3O4-DMN200oC-40:1-12h.............................33

Hình 3.14: Ảnh SEM và phổ EDX của mẫu hạt nano từ Fe3O4- DMN200oC40:1- 12h............................................................................................................. 34
Hình 3.15: Phổ XRD của hạt Fe3O4 DMN200oC-40:1-12h trước và sau khi bọc
SiO2................................................................................................................................................................................ 34
Hình 3.16: Đường cong từ tính của hai mẫu Fe3O4-DMN200oC-40:1-12h và
Fe3O4- DMN200oC-40: 35
Hình 3.17: Ảnh SEM và phổ tán xạ năng lượng tia X của hạt nano Fe3O4-Đ 36
Hình 3.18: Ảnh SEM của mẫu Fe3O4-ĐKT-TN và Fe3O4-Đ
Hình 3.19: Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt Fe3O4-ĐKT-TN và Fe3O4-Đ 37
Hình 3.20: Đường cong từ tính của mẫu Fe3O4-ĐKT-TN và Fe3O4-ĐKT-TN@Au.
.............................................................................................................................. 37
Hình 3.21: Hình ảnh thực tế các hạt Fe3O4-ĐKT-TN và Fe3O4-ĐKT-TN@Au
được phân tán trong nước.................................................................................... 38
Hình 3.22: Ảnh SEM và phổ tán xạ năng lượng tia X của hạt nano từ tính Fe3O4DMN200oC-40:
Hình 3.23: Ảnh SEM của mẫu Fe3O4-DMN200oC-40:1-24h.............................39
Hình 3.24: Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt nano từ Fe3O4-DMN200oC-40:1-24h
trước và sau khi bọc Au...................................................................................... 39
Hình 3.25: Kết quả khảo sát VSM của mẫu Fe3O4-DMN200oC-40:1-24h trước và
sau khi bọc vàng.................................................................................................. 40
Hình 3.26: Hình ảnh thực tế các hạt Fe3O4-DMN200oC-40:1-24h và các hạt
Fe3O4- DMN200oC-40:1-24h@Au phân tán trong nước.....................................40
Hình 3.27: Ảnh SEM và phổ EDX của hạt nano từ Fe3O4-DMN200oC-30: 41
Hình 3.28: Ảnh SEM của Fe3O4-DMN200oC-30:1-24h.....................................42
Hình 3.29: Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt Fe3O4-DMN200oC-30:1-24h............43
Hình 3.30: Đường cong từ tính của hai mẫu Fe3O 4-DMN200oC-30:1-24h và
Fe3O 4-DMN200oC-30:1-24h@Au ...................................................................43


Hình 3.31: Hình ảnh thực tế các hạt Fe3O4-DMN200oC-30:1-24h trước và sau
khi bọc Au được phân tán trong nước................................................................. 44

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Điều kiện tổng hợp các mẫu Fe 3O4 theo phương pháp dung môi nhiệt ở
các điều kiện khác nhau...................................................................................... 20
Bảng 3.1: So sánh giữa kích thước hạt và kích thước tinh thể của các hạt nano từ
Fe3O4-ĐKT và Fe3O4-ĐKT-TN...........................................................................25
Bảng 3.2: Giá trị từ độ bão hòa và lực kháng từ của các hạt nano Fe3O4-ĐKT
và Fe3O4-ĐKT-TN..............................................................................................26
Bảng 3.3: Kích thước tinh thể của các hạt Fe3O4 tổng hợp bằng phương pháp
dung môi nhiệt.................................................................................................... 29
Bảng 3.4: Giá trị từ độ bão hòa và lực kháng từ của các mẫu tổng hợp theo
phương pháp dung môi nhiệt ở các điều kiện nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ mol
giữa Fe3+ và urê khác nhau................................................................................. 30


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1 Đặt vấn đề
Những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ
đã đem lại cho con người những tiến bộ vượt bậc, điển hình là những thành tựu
trong lĩnh vực y sinh học và y tế đã giúp con người có thể phát hiện và điều trị
sớm những căn bệnh hiểm nghèo như bệnh ung thư, góp phần nâng cao chất
lượng sức khỏe cộng đồng.
Ứng dụng công nghệ nano trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khỏe hiện
đang là xu hướng nghiên cứu của rất nhiều các nhà khoa học trên thế giới. Trong
những năm gần đây đã có nhiều cơng trình nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ nano,
tức là các vật liệu kích thước nano mét, trong dẫn và giải phóng mục tiêu một số
dược phẩm như Curcumin, Paclitaxel, Doxorubicin... đến các vị trí đích (tế bào
ung thư) một cách an tồn mà khơng gây ảnh hưởng đến các tế bào khỏe mạnh
xung quanh [1]. Ngồi ra, vật liệu nano có từ tính cũng đã và đang được quan
tâm nghiên cứu nhằm ứng dụng trong việc sàng lọc tế bào ung thư cũng như hỗ

trợ chẩn đoán ung thư bằng cách tăng cường độ tương phản hình ảnh cộng hưởng
từ hạt nhân (Magnetic Resonance Imaging – MRI), ứng dụng trong liệu pháp
nhiệt trị tức là làm tăng nhiệt độ tại vị trí khối u thơng qua từ trường [2], hoặc
ứng dụng dẫn truyền thuốc dưới sự điều khiển của từ trường [3]... Các hạt nano
từ được biến tính bề mặt sau đó được bọc bởi các lớp vỏ là các polime thiên
nhiên hoặc polime tổng hợp, các co-polime... gắn thêm một số nhân tố hướng
đích mục tiêu khác như axit folic (folate), aptamer, kháng thể... tạo thành hệ
thống nano đa chức năng, cải thiện tính chọn lọc đối với tế bào ung thư. Khi sử
dụng hệ vật liệu này thì liều lượng thuốc sử dụng giảm đáng kể, giúp người bệnh
tránh được các tác dụng phụ không mong muốn và tập trung nhả thuốc vào đúng
vị trí khối u, tránh tổn hại lên các tế bào khỏe [4].
Sau khi tham khảo tài liệu và nhận thấy những ứng dụng tiềm năng của hệ
vật liệu y sinh sử dụng hạt nano từ ứng dụng trong chẩn đoán sớm và điều trị
bệnh cũng như các ứng dụng y tế khác, tôi xin thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề
tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano từ tính Fe 3O4 cấu trúc lõi-vỏ định hướng
ứng dụng trong y tế”.
1.2 Khái quát về hệ nano y sinh
Cấu trúc của hệ nano y sinh
Vật liệu nano là thuật ngữ dùng để chỉ các vật liệu với ít nhất một chiều có
kích thước nano mét (từ 1 đến 100 nm). Trong lĩnh vực y sinh, vật liệu nano có
thể được định nghĩa có kích thước lớn hơn (đến vài trăm nano mét), do sự tương
đồng về kích thước với các cấu trúc tự nhiên như vi rút [5]. Vật liệu cấu trúc
nano có nhiều đặc tính nổi trội và khác biệt với vật liệu dạng khối như kích thước
nhỏ, tỷ lệ bề mặt/thể tích rất lớn, tiềm năng phản ứng cao, tạo ra hiệu ứng cộng
hưởng bề mặt Plasmon... Nguyên nhân tạo ra sự khác biệt giữa tính chất của các
vật liệu kích thước lớn và vật liệu nano là do kích thước nano đạt tới kích
thước tới hạn của
13

nhiều tính chất lý hóa khác nhau. Do vậy, vật liệu nano được ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong y sinh học và y tế [6].
Các hệ vật liệu nano y sinh đa chức năng có kết cấu đặc biệt với nhiều chức
năng đi kèm được cấu tạo từ nhiều vật liệu hữu cơ và vô cơ. Cấu trúc của hệ
thường là kiểu cấu trúc lõi – vỏ. Trên hình 1.1 trình bày kết cấu của một hệ vật
liệu nano y sinh đa chức năng điển hình.

Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo của một hệ vật liệu nano y sinh đa chức năng điển hình [7].

Hệ vật liệu nano y sinh này được tổng hợp để ứng dụng hỗ trợ chẩn đốn
bằng hình ảnh và trong q trình điều trị bệnh. Hệ này có thể tạo ra bằng cách kết
hợp các tinh thể nano vô cơ (lõi) với các phân tử chức năng thông qua các kỹ
thuật biến tính bề mặt để tạo các lớp phủ (vỏ) khác nhau.
Về mặt hóa học, hệ đa chức năng có thể được cấu thành từ cả vật liệu vô cơ
và vật liệu hữu cơ. Vật liệu hữu cơ thường gặp gồm có các polime thiên nhiên,
polime tổng hợp. Trong khi đó, vật liệu vơ cơ thường được dùng là oxít sắt từ,
vàng, chấm lượng tử (quantum dot – QD) và hạt nano phát quang chứa các ion
đất hiếm [8].
Dựa trên các đặc trưng vật lý, hệ có thể được phân loại thành vật liệu từ, vật
liệu quang học, vật liệu điện. Vật liệu nano từ bao gồm nano kim loại và nano
oxít kim loại. Các kim loại chuyển tiếp (Fe, Co, Ni), các hợp kim của hai kim
loại và các vật liệu từ cứng như Nd-Fe-B, Sm-Co có thể được sử dụng làm hạt từ
lõi. Tuy nhiên, do có độc tính và dễ bị oxy hóa nên các kim loại tinh khiết (Fe,
Co, Ni) ít được quan tâm dù có từ độ bão hòa cao. Các loại vật liệu từ cứng như
Nd-Fe-B và Sm-Co lại cần phải có từ trường ngoài lớn mới gây được ảnh hưởng


đến các loại vật liệu này. Trong khi đó, các oxít kim loại ít nhạy hơn với q trình
oxy hóa và

có thể dễ dàng phản ứng với từ trường ngồi. Các loại oxít từ tính được sử dụng
rộng rãi nhất là Mn-ferrit, Co-ferrit, Ni-ferrit và Fe 3O4 (sắt từ). Trong đó, oxít sắt
từ khơng có độc tính với cơ thể sinh vật và thể hiện nhiều ưu điểm hơn cả. Trên
thực tế, các hạt nano sắt từ đã được ứng dụng trong y sinh học do từ độ bão hòa
cao, hệ số từ hóa cao, bền về mặt hóa học, khơng gây độc hại, có thể phân hủy
sinh học, khả năng tương thích sinh học, phương pháp tổng hợp đơn giản và dễ
chức năng hóa. Đặc biệt, chúng có thể dễ dàng biến đổi để liên kết với các lớp
phủ tương thích sinh học cũng như các tác nhân hướng đích, tác nhân tạo ảnh hay
các phân tử dược chất [9].
Các chức năng của hệ nano y sinh
a) Chức năng chẩn đốn (phân tích đặc hiệu, ảnh MRI, ảnh quang...)
Hiện nay, đã có nhiều nghiên cứu được cơng bố về việc chế tạo ra các vật
liệu kích thước nano ứng dụng để chụp ảnh y sinh học. Ví dụ, các chấm lượng tử
được sử dụng để chụp ảnh huỳnh quang. Các hạt nano vàng được ứng dụng trong
chụp cắt lớp vi tính tia X (Computer tomography – CT), các hạt nano sắt từ có
kích thước, thành phần cấu tạo chính xác đã và đang được nghiên cứu làm tác
nhân tăng độ tương phản ảnh cộng hưởng từ hạt nhân MRI [5].
Đối với chức năng chụp ảnh huỳnh quang, để quan sát được độ thâm nhập
vào bên trong của tế bào, các phân tử phát huỳnh quang được gắn vào hệ dẫn
thuốc. Việc kết nối các phân tử có khả năng phát huỳnh quang (fluorophore) như
phát màu xanh lục (fluorescein) hoặc phát màu đỏ (rhodamine) vào các tế bào
nhằm mục đích định vị và quan sát sự phân bố trong các thí nghiệm sinh học đã
được thực hiện nhiều năm nay [2]. Sự kết hợp giữa chấm lượng tử phát quang
trên hạt nano từ cũng cho phép thực hiện các chức năng quang học tương tự,
đồng thời tăng cường chất lượng ảnh chụp tế bào, giúp người quan sát nhìn thấy
tế bào ở vùng sâu bên trong cơ thể và xác định được mật độ phân bố của hệ mang
thuốc tại một vùng tế bào cụ thể [10].
b) Chức năng điều trị
Chức năng điều trị, đặc biệt là điều trị ung thư, của vật liệu nano được thực

hiện với nhiều đặc trưng:
• Cải thiện khả năng điều trị của thuốc bằng cách tăng hiệu quả và/hoặc giảm
độc tính đối với tế bào thường.
• Đưa thuốc đến mục tiêu là các mơ, tế bào hoặc cơ quan cụ thể.
• Tăng cường các tính chất của dược chất (ví dụ như sự ổn định, độ tan, thời
gian lưu thông trong máu và khả năng tích tụ tại khối u).
• Kích hoạt sự phóng thích thuốc kéo dài hoặc phóng thích thuốc dưới tác
động của mơi trường sinh lý khối u.
• Tạo thuận lợi cho việc mang các dạng thuốc sinh học phân tử (ví dụ: DNA,
RNA và protein) đến các điểm hoạt động nội bào.
• Đồng phối hợp nhiều thuốc để cải thiện hiệu quả điều trị và chống kháng
thuốc.


•

Vận chuyển thuốc qua các hàng rào sinh học (ví dụ như đường tiêu hóa và
hàng rào máu-não).


•

Hiển thị các điểm phân phối thuốc bằng cách kết hợp các tác nhân trị liệu và
chẩn đốn hình ảnh và/hoặc các phản hồi thời gian thực tế về tính hiệu quả
của dược chất.
• Cung cấp các phương pháp tiếp cận mới cho việc phát triển vắc xin tổng hợp.
• Kết hợp tính chất điều trị vốn có của một số vật liệu nano [5].

1.3 Vật liệu từ Fe3O4
Tính chất từ của vật liệu

a) Một số khái niệm về vật liệu từ
Mơmen từ hay cịn gọi là mơmen lưỡng cực từ (magnetic dipole môment)
là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất từ của vật chất. Mơmen từ của nguyên
tử sinh ra do: i) Điện tử chuyển động quanh hạt nhân (mơmen từ quỹ đạo); ii)
Điện tử có mơmen từ riêng (mơmen từ spin); iii) Hạt nhân có mơmen từ (nhỏ so
với hai mômen trên). Mômen từ của một vật bằng tổng vectơ các mômen từ của
các hạt tạo nên vật đó.
Cường độ từ trường H là một đại lượng véctơ, đặc trưng cho độ mạnh yếu
của từ trường về phương diện tác dụng lực. Trong hệ SI (hệ đơn vị đo lường quốc
tế), cường độ từ trường có đơn vị là A/m hoặc Oe (Oersted, 1 Oe = 79,58 A/m).
Từ độ M hay còn gọi là độ từ hóa được xác định bằng tổng mơmen từ
ngun tử trên một đơn vị thể tích của vật từ. Đơi khi, từ độ cịn được định nghĩa
là tổng mơmen từ trên một đơn vị khối lượng. Do có cùng thứ nguyên với cường
độ từ trường nên từ độ mang đơn vị của từ trường, đơn vị trong hệ SI là A/m.
Trong hệ CGS, đơn vị đo của từ độ là emu/cm 3 (1 emu/cm3=12,57×10-4 Wb/m2,
Wb=kgm2/s2A) hoặc emu/g trong đó emu là viết tắt của cụm từ electromagnetic
unit.
Độ cảm từ χ là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng từ hóa của vật liệu,
hay nói lên khả năng phản ứng của chất dưới tác dụng của từ trường ngoài. Độ
cảm từ cịn có tên gọi khác là hệ số từ hóa, thể hiện mối quan hệ giữa từ độ (là
đại lượng nội tại) và từ trường ngoài, nên thường mang nhiều ý nghĩa vật lý gắn
với các tính chất nội tại của vật liệu và được xác định theo công thức:
� ⃗ = �� ⃗

PT
1.1

Dựa vào dấu và độ lớn của độ cảm từ χ cũng như sự phụ thuộc của nó vào nhiệt
độ mà người ta phân loại vật liệu từ thành các loại vật liệu sau đây:
• Vật liệu nghịch từ: khi khơng có từ trường ngồi tác dụng, chất nghịch từ

khơng có mơmen từ. Khi có từ trường ngồi tác dụng, mơmen từ của chất
nghịch từ định hướng ngược với hướng của từ trường ngồi. Do đó, độ cảm
từ có giá trị âm và tương đối nhỏ.
• Vật liệu thuận từ: các chất thuận từ thường chứa các ngun tử (phân tử) có
mơmen từ nhất định. Tuy nhiên, các mômen từ này lại tồn tại độc lập, định
hướng hỗn loạn nên từ độ tổng cộng bằng không. Khi có tác động của từ


trường ngồi, các mơmen từ định hướng theo hướng từ trường ngoài nên
tổng


mômen từ tăng lên và tỷ lệ với cường độ từ trường ngoài. Như vậy, độ cảm
từ của chất này có giá trị dương nhưng vẫn tương đối nhỏ.
• Vật liệu sắt từ: là các chất có mơmen từ tự phát ở dưới một nhiệt độ đặc
trưng cho từng chất, gọi là nhiệt độ Curie (T c). Sở dĩ có trật tự từ là do
tương tác nội tại giữa các mơmen từ của các ngun tử có mơmen từ khác
khơng. Do có tính chất từ tự phát nên χ của nhóm vật liệu này có giá trị lớn.
• Vật liệu phản sắt từ: là các chất mà các mômen từ định hướng đối song
song và bù trừ nhau ở dưới một nhiệt độ nhất định, gọi là nhiệt độ Neel
(DMN). Độ từ cảm của các chất khơng lớn và có giá trị dương.
• Vật liệu ferrit từ: là vật liệu có trật tự từ tự phát ở dưới nhiệt độ Curie. Các
mômen từ sắp xếp đối song nhưng không bù trừ nhau dẫn tới độ cảm từ
tương đối lớn và có giá trị dương.
Phân loại về mặt ứng dụng thì vật liệu từ được phân chia thành ba loại chính, đó
là vật liệu từ cứng, vật liệu từ mềm và vật liệu ghi từ.
Đường cong từ hóa là đồ thị mơ tả q trình từ hóa vật liệu từ từ trạng thái
ban đầu khi chưa nhiễm từ (trạng thái khử từ). Trên đồ thị mơ tả sự thay đổi của
tính chất từ (thông qua giá trị của từ độ, cảm ứng từ...) theo giá trị của từ trường
ngồi (xem hình 1.2). Ở cấu trúc vi mơ, q trình từ hóa chính là sự thay đổi về

cấu trúc từ (cấu trúc đơmen) thơng qua các cơ chế khác nhau.

Hình 1.2: Đường cong từ hóa có dạng tuyến tính trong các chất thuận từ và nghịch từ [11].

Từ trễ (Magnetic hysteresis) là hiện tượng bất thuận nghịch giữa q trình
từ hóa và đảo từ ở các vật liệu sắt từ có khả năng giữ lại từ tính của chúng. Hiện
tượng từ trễ là một đặc trưng quan trọng và dễ thấy nhất ở các chất sắt từ.


Hiện tượng từ trễ được biểu hiện thông qua đường cong từ trễ (Từ độ - từ trường,
M(H) hay Cảm ứng từ - Từ trường, B(H)), được mô tả như sau: sau khi từ hóa
vật


liệu sắt từ đến một từ trường bất kỳ, nếu ta giảm dần từ trường và quay lại theo
chiều ngược, thì nó khơng đi theo đường cong từ hóa ban đầu mà đi theo đường
khác. Nếu tiếp tục đảo từ theo một chu trình kín (từ chiều này sang chiều kia), thì
ta sẽ có một đường cong kín gọi là đường cong từ trễ hay chu trình từ trễ (xem
hình 1.3). Tính chất từ trễ là một tính chất nội tại đặc trưng của các vật liệu sắt từ,
và hiện tượng trễ biểu hiện khả năng từ tính của của các chất sắt từ.

Hình 1.3: Đường cong từ trễ của chất sắt từ và ferrit từ [11].

Nhiệt độ Curie (Tc) là nhiệt độ mà tại đó tính chất sắt từ bị mất đi tức là khi
T > TC thì sắt từ trở thành thuận từ. Nhiệt độ T C còn được gọi là nhiệt độ chuyển
pha sắt từ - thuận từ. Một số chất có nhiệt độ Curie như sau: Fe là 1.043 K; Co là
1.388 K; Ni là 627 K; Fe3O4 là 858 K và CoFe2O4 là 793 K [11].
b)

Tính chất từ của Fe3O4

Vật liệu sắt từ dạng khối có mơmen từ (M) khi chưa có từ trường ngồi,
chứa đa đơmen (multi domains) (xem hình 1.4). Do sự định hướng khác nhau của
các mômen từ nguyên tử trong mỗi đômen, từ độ chung của mẫu khối giảm so
với giá trị tổng cộng của từ độ của các đômen. Dưới tác dụng của từ trường ngoài
H, từ độ M của vật liệu sắt từ tăng theo H cho đến khi đạt giá trị từ độ bão hịa
Ms. Sau đó, khi H giảm dần đến 0, tồn tại một giá trị từ dư M r do tất cả các
đômen không trở lại định hướng ban đầu. Từ dư M r chỉ có thể triệt tiêu bằng cách
áp một lực kháng từ Hc tại phương đối diện. Đường cong từ trễ có thể quan sát
được như trên đồ thị M(H) hình 1.5.


Hình 1.4: Cấu trúc đơn và đa đơmen của hạt sắt từ theo kích thước [12].

Hình 1.5: (a) Đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ dạng khối và (b) đường cong từ hóa
của vật liệu sắt từ dạng siêu thuật từ [12].

Khi kích thước của vật liệu sắt từ giảm dần, vật liệu sẽ đạt đến kích thước
tới hạn, tại đó, mỗi hạt chỉ chứa một (đơn) đơmen, tức là spin từ của tất cả các
nguyên tử sắp xếp theo cùng một hướng và khi đó vật liệu sẽ thể hiện tính siêu
thuận từ. Trong trường hợp này, đường cong từ trễ sẽ không xuất hiện trên đường
cong từ hóa. Theo nghiên cứu của nhóm tác giả Reddy LH [13], hạt nano sắt từ
có kích thước nhỏ hơn hoặc xấp xỉ 20 nm thường thể hiện tính chất siêu thuận từ
tại nhiệt độ phịng. Do có mơmen từ nội tại bằng 0 (do sự chuyển động nhiệt sau
khi ngừng áp từ trường ngoài), tương tác từ của các hạt nano sắt từ được tối thiểu
hóa, vì vậy, chúng rất thích hợp cho các ứng dụng thực tế.
Cấu trúc tinh thể của Fe3O4
Sắt từ (Fe3O4) là một hỗn hợp oxít FeO.Fe2O3 có cấu trúc tinh thể spinel
ngược, thuộc nhóm ceramic từ, được gọi là ferrit với cấu trúc tinh thể lập phương
tâm mặt. Ô đơn vị gồm 56 nguyên tử: 32 anion O 2-, 16 cation Fe3+, 8 cation Fe2+

[14]. Trên hình 1.6 trình bày cấu trúc của tinh thể ferrit thường gặp.


Hình 1.6: Cấu trúc tinh thể ferrit thường gặp [14].

Các ferrit spinel có cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt xếp chặt bởi các ion oxi,
thuộc nhóm fd-3m. Cấu trúc của sắt từ tuân theo cấu trúc ferrit, các spin của 8 ion
Fe3+ chiếm vị trí tứ diện, sắp xếp ngược chiều và khác nhau về độ lớn với spin
của 8 ion Fe3+ và 8 ion Fe2+ ở vị trí bát diện. Các ion Fe 3+ ở vị trí tứ diện ngược
chiều với các ion Fe2+ ở vị trí bát diện nên chúng triệt tiêu nhau. Do đó, mơmen
từ tổng cộng là do tổng mômen từ của các ion Fe 2+ ở vị trí bát diện gây ra và có
độ lớn là 4µB (Borh Magneton). Phân tử Fe3O4 tồn tại tính dị hướng từ tức là thể
hiện tính chất từ khác nhau theo các phương khác nhau.
Ứng dụng của vật liệu nano Fe3O4 trong lĩnh vực y tế
Hạt nano sắt từ có nhiều ứng dụng như làm chất hấp phụ và xử lý các chất ô
nhiễm trong môi trường [15], ứng dụng trong công nghệ thông tin và truyền
thông
[16] và đặc biệt được sử dụng rất nhiều trong lĩnh vực y sinh học và y tế. Trong lĩnh
vực này, hạt nano sắt từ có các ứng dụng nổi bật như dẫn thuốc hướng đích,
phóng thích thuốc chủ động, làm tăng độ tương phản ảnh cộng hưởng từ và nhiệt
trị nhờ hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ. Ngồi ra, hạt nano từ còn được ứng dụng
trong các cảm biến sinh học [17].
Ứng dụng mang thuốc hướng đích
Nguyên tắc cơ bản của ứng dụng này là bao bọc, liên kết hoặc hấp phụ các
dược chất lên hạt nano từ. Trong đó, hạt nano có lõi là hạt từ và lớp vỏ có thể là
các polime. Cách thức gắn phân tử thuốc lên hạt từ phụ thuộc vào đặc tính của
thuốc và cấu trúc hạt nano từ. Với sự kết hợp của từ trường ngồi và các tác nhân
hướng đích khác, loại hệ này có thể đưa thuốc hiệu quả đến các vị trí nhiễm
bệnh. Hạt nano có khả năng thẩm thấu qua các lỗ trống trên các thành mạch máu
bị rò rỉ ở khối u. Khi hệ mang thuốc đến các vị trí này, dược chất sẽ được giải

phóng khỏi hệ mang nhờ hoạt động của các enzym, các thay đổi của điều kiện
môi trường “in vivo” như nhiệt độ, độ pH..., hoặc các tác động khác. Phương


pháp dẫn thuốc này có ưu điểm là giảm liều dùng và giảm tác dụng phụ của
thuốc đối với các tế bào