- 1. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Nguyễn Đình Tiến Dũng NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ NANG HÓA NANO SẮT TỪ LÊN LIPOSOME ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU MANG THUỐC LUẬN VĂN THẠC SĨ: HÓA HỌC Thành phố Hồ Chí Minh – 04/2020
- 2. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Nguyễn Đình Tiến Dũng NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ NANG HÓA NANO SẮT TỪ LÊN LIPOSOME ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU MANG THUỐC Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 8440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ: HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Hướng dẫn 1: PGS. TS. Vũ Minh Thành Hướng dẫn 2: PGS. TS. Nguyễn Đại Hải Thành phố Hồ Chí Minh – 04/2020
- 3. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Nếu có bất kỳ sự gian dối nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Tp. Hồ Chí Minh, ngàytháng năm Học viên cao học Nguyễn Đình Tiến Dũng
- 4. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện cho tôi được học tập và rèn luyện trong suốt thời gian vừa qua, từ năm 2017-2020. Tôi xin cảm ơn PGS. TS. Vũ Minh Thành và PGS. TS. Nguyễn Đại Hải đã hướng dẫn tôi thực hiện đề tài này. Thầy đã truyền đạt những kiến thức chuyên ngành sâu rộng, những kinh nghiệm nghiên cứu quý báu, và nguồn động lực để tôi có thể vượt qua những khó khăn trong quá trình thực hiện đề tài. Tôi xin cảm ơn Phòng Vật liệu Y sinh, Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam tại thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi bao gồm hóa chất, dụng cụ và thiết bị để tôi có thể hoàn thành đề tài. Tôi xin cảm ơn các anh chị và các bạn, đặt biệt là chị Lê Ngọc Thùy Trang và anh Nguyễn Vũ Duy Khang đã hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực nghiệm. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên tinh thần và hỗ trợ tôi trong thời gian tôi học tập và thực hiện đề tài. Tp. Hồ Chí Minh, ngàytháng năm Học viên cao học Nguyễn Đình Tiến Dũng
- 5. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ đầy đủ Nghĩa tiếng Việt Chol Cholesterol CTAB Cetyltrimethylammonium bromide LC Loading capacity Hàm lượng nang hóa EE Entrapment efficiency Hiệu suất nang hóa DLS Dynamic light scattering Tán xạ ánh sáng động FTIR Fourier transform infrared Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier spectroscopy ICP-MS Inductive coupled plasma - Quang phổ nguồn plasma cảm mass spectroscopy ứng cao tần kết hợp khối phổ ION Iron oxide nanoparticles Nano oxide sắt từ LP Liposome OA Oleic acid OCION Oleic acid-coated iron oxide Nano oxide sắt từ phủ oleic acid nanoparticles QCT Quercetin SEM Scan electron microscopy Kính hiển vi điện tử quét UV-Vis Ultraviolet-visible Phổ tử ngoại-khả kiến spectroscopy VSM Vibrating-sample Từ kế mẫu rung magnetometer XRD X-ray diffracion Nhiễu xạ tia X
- 6. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Phân loại liposome theo kích thước và số lớp màng phospholipid kép 27 Bảng 2.1. Nguyên liệu và hóa chất ..........................................................................................40 Bảng 2.2. Danh mục các trang thiết bị và dụng cụ.........................................................41 Bảng 2.3. Quy trình tổng hợp OCION...................................................................................46 Bảng 2.4. Quy trình tổng hợp liposome................................................................................47 Bảng 2.5. Quy trình tổng hợp OCION@LP.......................................................................49 Bảng 2.6. Quy trình tổng hợp OCION-QCT@LP..........................................................51 Bảng 3.1. Giá trị tính toán hằng số mạng tinh thể và kích thước hạt của ION và OCION từ giản đồ XRD.................................................................................................................56 Bảng 3.2. Kết quả kích thước hạt và thế zeta của liposome tổng hợp 3 lần lặp lại..................................................................................................................................................................64 Bảng 3.3. Bảng so sánh kết quả DLS của các mẫu OCION@LP tổng hợp bằng các phương pháp hydrate hóa khác nhau..............................................................................65 Bảng 3.4. Bảng kết quả kích thước hạt và thế zeta của LP nang hóa OCION các tỉ lệ đo ngay sau tổng hợp và sau 1 tuần...............................................................................66 Bảng 3.5. Kết quả nang hóa OCION với các tỉ lệ khác nhau trên liposome .. 67 Bảng 3.6. Bảng kết quả kích thước hạt và thế zeta của OCION-QCT@LP đo ngay sau tổng hợp và sau 1 tuần................................................................................................70
- 7. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Ô mạng tinh thể của oxide sắt từ............................................................................8 Hình 1.2. Cấu trúc spin của oxide sắt từ..................................................................................8 Hình 1.3. Sự tạo thành domain nhằm giảm năng lượng tĩnh từ.................................9 Hình 1.4. Đường cong từ hóa của vật liệu siêu thuận từ.............................................11 Hình 1.5. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt ..................................12 Hình 1.6. Mô hình cấu trúc lõi – vỏ của hạt nano từ [6].............................................13 Hình 1.7. Mô hình chất lỏng từ..................................................................................................15 Hình 1.8. Nguyên tắc tách tế bào bằng từ trường............................................................22 Hình 1.9. Nguyên lý dẫn truyền thuốc bằng vật liệu nano từ tính.........................24 Hình 1.10. Ảnh MRI của chuột trước và sau khi tiêm ION [34]. ..........................24 Hình 1.11. Công thức phân tử của: A) Cholesterol và B) Phospholipid............25 Hình 1.12. A) Cấu tạo và B) Nguyên lý mang thuốc của liposome .....................25 Hình 1.13. Phân loại liposome theo cấu trúc màng lipid kép...................................27 Hình 1.14. Sơ đồ phương pháp hydrate hóa màng mỏng lipid................................32 Hình 1.15. Công thức phân tử của quercetin......................................................................37 Hình 2.1. Sơ đồ tổng hợp OCION............................................................................................45 Hình 2.2. Sơ đồ quy trình tổng hợp liposome ...................................................................47 Hình 2.3. Sơ đồ quy trình tổng hợp OCION@LP...........................................................49 Hình 2.4. Sơ đồ quy trình tổng hợp [email protected] Hình 3.1. OCION phân tán trong CHCl3 không áp từ trường (trái) và có áp từ trường (phải)..........................................................................................................................................54 Hình 3.2. Phổ XRD của ION và OCION.............................................................................54 Hình 3.3. Phổ FT-IR của: a) oxide sắt từ (ION), b) oleic acid (OA) và c) oxide sắt từ phủ oleic acid (OCION)....................................................................................................57
- 8. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM vi Hình 3.4. Các dạng tương tác của OA và ION .................................................................58 Hình 3.5. Ảnh SEM của ION và OCION và biểu đồ thống kê kích thước hạt tương ứng................................................................................................................................................59 Hình 3.6. Ảnh TEM và thống kê kích thước hạt của OCION..................................60 Hình 3.7. Phổ DLS (kích thước hạt) của OCION trong CHCl3..............................60 Hình 3.8. Phổ VSM của ION và OCION.............................................................................62 Hình 3.9. Mẫu Liposome sau tổng hợp.................................................................................63 Hình 3.10. Ảnh TEM của liposome.........................................................................................63 Hình 3.11. Phổ DLS phân tích kích thước hạt (trái) và thế zeta (phải) của liposome...................................................................................................................................................63 Hình 3.12. OCION@LP với các tỉ lệ OCION 1% (A), 5% (B) và 10% (C), và các mẫu tương ứng khi áp từ trường ngoài (D, E, F) ....................................................64 Hình 3.13. Phổ DLS phân tích kích thước hạt (trái) và thế zeta (phải) của OCION@LP tỉ lệ 5%.......................................................................................................................66 Hình 3.14. Phổ XRD của OCION@LP.................................................................................68 Hình 3.15. Phổ VSM của OCION@LP ................................................................................69 Hình 3.16. OCION-QCT@LP trước (trái) và sau khi loại OCION dư (phải) 69 Hình 3.17. Phổ DLS phân tích kích thước hạt (trái) và thế zeta (phải) của OCION-QCT@LP.............................................................................................................................70 Hình 3.18. Phổ FT-IR của: a) OCION, b) QCT, c) LP và d) OCION-QCT@LP 71 Hình 3.19. Đường chuẩn đo nồng độ QCT bằng phương pháp UV-Vis ...........72 Hình 3.20. Phổ VSM của OCION-QCT@LP....................................................................73
- 9. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM vii DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC Phụ lục 1. Phổ DLS kích thước hạt của OCION..............................................................81 Phụ lục 2. Phổ DLS kích thước hạt của liposome...........................................................82 Phụ lục 3. Phổ DLS kích thước hạt của liposome mang OCION tỉ lệ 1% .......83 Phụ lục 4. Phổ DLS kích thước hạt của liposome mang OCION tỉ lệ 5% .......84 Phụ lục 5. Phổ DLS kích thước hạt của liposome mang OCION tỉ lệ 10% ...85 Phụ lục 6. Phổ DLS kích thước hạt của liposome mang OCION và QCT.......86 Phụ lục 7. Phổ DLS thế zeta của liposome..........................................................................87 Phụ lục 8. Phổ DLS thế zeta của liposome mang OCION tỉ lệ 1%......................88 Phụ lục 9. Phổ DLS thế zeta của liposome mang OCION tỉ lệ 5%......................89 Phụ lục 10. Phổ DLS thế zeta của liposome mang OCION tỉ lệ 10%.................90 Phụ lục 11. Phổ DLS thế zeta của liposome mang OCION và QCT...................91 Phụ lục 12. Phổ FT-IR của ION................................................................................................92 Phụ lục 13. Phổ FT-IR của oleic acid (OA)........................................................................93 Phụ lục 14. Phổ FT-IR của OCION.........................................................................................94 Phụ lục 15. Phổ FT-IR của liposome......................................................................................95 Phụ lục 16. Phổ FT-IR của quercetin (QCT) .....................................................................96 Phụ lục 17. Phổ FT-IR của liposome mang OCION và QCT..................................97
- 10. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 1 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................................................i LỜI CẢM ƠN......................................................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................................... iii DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................................ iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ..................................................................................v DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC ...................................................................................................vii MỤC LỤC.................................................................................................................................................1 MỞ ĐẦU....................................................................................................................................................5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN....................................................................................................... 7 1.1. VẬT LIỆU SẮT TỪ.............................................................................................................. 7 1.1.1. Vật liệu sắt từ dạng khối................................................................................................... 7 1.1.1.1. Sơ lược về lịch sử phát hiện......................................................................................... 7 1.1.1.2. Cấu trúc tinh thể.................................................................................................................. 7 1.1.1.3. Tính chất từ............................................................................................................................ 8 1.1.2. Vật liệu nano oxide sắt từ (ION) .............................................................................. 10 1.1.2.1. Cấu trúc tinh thể............................................................................................................... 10 1.1.2.2. Tính chất từ......................................................................................................................... 10 1.1.2.3. Tương tác giữa các hạt ION...................................................................................... 13 1.1.2.4. Sự biến đổi và ổn định của magnetite................................................................. 13 1.1.3. Chất lỏng từ........................................................................................................................... 14 1.1.4. Một số phương pháp tổng hợp ION........................................................................ 15 1.1.4.1. Phương pháp vật lý ........................................................................................................ 15
- 11. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 2 1.1.4.2. Phương pháp hóa học ........................................................................ 16 1.1.5. Ứng dụng của ION .............................................................................. 21 1.1.5.1. Phân tách và chọn lọc tế bào, ADN .................................................. 21 1.1.5.1. Tăng thân nhiệt cục bộ ...................................................................... 22 1.1.5.2. Dẫn truyền thuốc ............................................................................... 23 1.1.5.3. Tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ .................................... 24 1.2. LIPOSOME........................................................................................... 25 1.2.1. Khái niệm ............................................................................................ 25 1.2.2. Ưu điểm và nhược điểm ...................................................................... 26 1.2.2.1. Ưu điểm............................................................................................. 26 1.2.2.2. Nhược điểm ....................................................................................... 26 1.2.3. Phân loại .............................................................................................. 26 1.2.3.1. Phân loại theo cấu trúc ...................................................................... 27 1.2.3.2. Phân loại theo phương pháp điều chế ............................................... 28 1.2.3.3. Phân loại theo thế hệ ......................................................................... 28 1.2.4. Phương pháp tổng hợp ........................................................................ 31 1.2.4.1. Phương pháp hydrate hóa màng mỏng lipid ..................................... 31 1.2.4.2. Phương pháp tiêm ether .................................................................... 32 1.2.4.3. Phương pháp tiêm ethanol ................................................................ 33 1.2.4.4. Phương pháp bay hơi pha đảo ........................................................... 34 1.2.4.5. Phương pháp thẩm tách bằng CHĐBM ............................................ 34 1.3. LIPOSOME NANG HÓA NANO OXIDE SẮT TỪ ........................... 35 1.4. QUERCETIN ........................................................................................ 37 1.4.1. Tính chất hóa lý................................................................................... 37 1.4.2. Dược tính ............................................................................................ 38
- 12. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 3 1.5. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ................................................................. 39 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................... 40 2.1. NGUYÊN LIỆU - HÓA CHẤT VÀ TRANG THIẾT BỊ .................... 40 2.1.1. Nguyên liệu – hóa chất ....................................................................... 40 2.1.2. Dụng cụ và trang thiết bị ..................................................................... 41 2.1.3. Các phương pháp phân tích ................................................................ 43 2.1.3.1. Nhiễu xạ tia X ................................................................................... 43 2.1.3.2. Phổ hồng ngoại (FT-IR) .................................................................... 43 2.1.3.3. Phổ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis) .................................................... 43 2.1.3.4. Tán xạ ánh sáng động (DLS) ............................................................ 44 2.1.3.5. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)....................................................... 44 2.1.3.6. Quang phổ nguồn plasma cảm ứng cao tần kết hợp khối phổ .......... 44 2.1.3.7. Từ kế mẫu rung (VSM) ..................................................................... 44 2.2. TỔNG HỢP NANO OXIDE SẮT TỪ PHỦ OLEIC ACID (OCION) 45 2.3. TỔNG HỢP LIPOSOME NANG HÓA ION VÀ QUERCETIN ........ 47 2.3.1. Tổng hợp liposome ............................................................................. 47 2.3.2. Tổng hợp liposome nang hóa OCION (OCION@LP) ....................... 49 2.3.3. Tổng hợp liposome nang hóa OCION và quercetin (OCION-QCT@LP) 51 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 54 3.1. TỔNG HỢP NANO OXIDE SẮT TỪ ................................................. 54 3.1.1. Cảm quan ............................................................................................ 54 3.1.2. Phân tích cấu trúc (XRD, FT-IR) ........................................................ 54 3.1.3. Phân tích kích thước hạt ...................................................................... 59 3.1.4. Phân tích hàm lượng sắt (ICP) ............................................................ 61
- 13. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 4 3.1.5. Phân tích từ tính (VSM) ...................................................................... 62 3.2. TỔNG HỢP LIPOSOME NANG HÓA OCION VÀ QUERCETIN ... 62 3.2.1. Liposome ............................................................................................. 62 3.2.1.1. Cảm quan .......................................................................................... 62 3.2.1.2. TEM .................................................................................................. 63 3.2.1.3. DLS ................................................................................................... 63 3.2.2. Liposome nang hóa OCION (OCION@LP) ...................................... 64 3.2.2.1. Cảm quan .......................................................................................... 64 3.2.2.2. DLS ................................................................................................... 65 3.2.2.3. Hàm lượng OCION nang hóa ........................................................... 67 3.2.2.4. XRD .................................................................................................. 68 3.2.2.5. VSM .................................................................................................. 69 3.2.3. Liposome nang hóa QCT và OCION (OCION-QCT@LP) ............... 69 3.2.3.1. Cảm quan .......................................................................................... 69 3.2.3.2. Kích thước hạt ................................................................................... 70 3.2.3.3. Phân tích thành phần ......................................................................... 71 3.2.3.4. Hàm lượng QCT và OCION nang hóa ............................................. 71 3.2.3.5. VSM .................................................................................................. 73 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................... 74 4.1. KẾT LUẬN........................................................................................... 74 4.2. KIẾN NGHỊ .......................................................................................... 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 75 PHỤ LỤC ........................................................................................................ 81
- 14. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 5 MỞ ĐẦU Theo sự phát triển nhanh chóng của công nghệ nano, ngày càng nhiều loại vật liệu nano với tính chất đặc biệt được khám phá, từ đó thúc đẩy những bước tiến mới ở nhiều lĩnh vực, trong đó có vật liệu y sinh. Các loại vật liệu mới này đa dạng cả về bản chất (vô cơ, hữu cơ, composite...), lẫn về cấu trúc (phân tử, gel, micelle...), và trở thành một làn sóng, một xu hướng nghiên cứu mới thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học nhằm hướng đến mục tiêu cải thiện chất lượng sống của con người. Một trong số những loại vật liệu phải kể đến là vật liệu nano từ tính, mà điển hình là nano oxide sắt từ (iron oxide nanoparticles – ION). Khác với dạng phân tử hoặc dạng vật liệu khối thông thường, vật liệu nano từ tính nói chung và ION nói riêng khi đạt kích thước hạt từ khoảng vài nanomet đến vài trăm nanomet, tức kích thước của một domain, sẽ xuất hiện một số tính chất đặc biệt như siêu thuận từ, dị hướng từ bề mặt, bề mặt riêng lớn... Những đặc tính này giúp ION có khả năng đáp ứng có kiểm soát với từ trường ngoài, một yêu cầu quan trọng để ION được ứng dụng trên cơ thể người. Bên cạnh đó, kích thước nano còn giúp ION có thể dễ dàng được đưa vào cơ thể, xuyên qua hầu hết các hàng rào bảo vệ và xâm nhập đến cơ quan mục tiêu. Mặc dù vậy, với kích thước nano, ION có năng lượng bề mặt rất lớn và dễ dàng bị kết tụ, nhất là trong môi trường sinh lý. Điều này không những làm suy giảm tính chất của vật liệu mà còn có thể gây nguy hiểm khi hình thành các khối lớn trong cơ thể gây tắt nghẽn mạch máu hoặc các biến chứng khác. Để khắc phục, ION được bảo vệ bằng một lớp phủ bên ngoài nhằm hạn chế sự kết tụ. Tùy vào mục đích sử dụng mà lớp phủ này có thể là polymer, hợp chất vô cơ như silica, hoặc hợp chất hữu cơ như acid citric. Một phương pháp khác mang lại hiệu quả cao đó chính là nang hóa ION vào một hệ chất mang có sẵn, cụ thể là liposome. Việc nang hóa ION vào liposome có thể cùng lúc thực hiện nhiều mục đích, vừa có thể bảo vệ ION không bị kết tụ, vừa giúp liposome có được khả năng đáp ứng với từ trường ngoài, từ đó tạo thành hệ chất mang đa chức năng,
- 15. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 6 có tiềm năng lớn trong ứng dụng mang thuốc hướng đích. Với ý nghĩa khoa học và thực tiễn nêu trên, đề tài “Nghiên cứu tổng hợp và nang hóa nano sắt từ lên liposome định hướng ứng dụng làm vật liệu mang thuốc” được chọn làm đề tài luận văn tốt nghiệp cao học.
- 16. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 7 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. VẬT LIỆU SẮT TỪ 1.1.1. Vật liệu sắt từ dạng khối 1.1.1.1. Sơ lược về lịch sử phát hiện Từ hơn 2500 năm trước, con người đã phát hiện vật liệu từ đầu tiên là một loại khoáng vật mang tên magnetite với khả năng hấp dẫn các vật dụng bằng sắt. Các mảnh nhỏ magnetite được từ hóa tự nhiên còn được gọi là đá nam châm (lodestone). Sau đó, người Hy Lạp đã nghĩ ra việc biến các mảnh sắt trở thành nam châm bằng cách chạm hoặc cọ xát mảnh sắt với magnetite, tạo tiền đề cho sự xuất hiện của la bàn sau này. Thực tế là trong suốt nhiều năm sau đó, đây là cách duy nhất được dùng để chế tạo nam châm cho đến khi nam châm điện được phát minh vào năm 1825 [1]. 1.1.1.2. Cấu trúc tinh thể Magnetite, hay còn gọi là oxide sắt từ, có công thức hóa học là Fe3O4 hoặc FeO.Fe2O3, là một trong những khoáng vật chứa sắt phổ biến thuộc nhóm ferrite. Các ferrite, tùy vào thành phần hóa học mà có thể có cấu trúc lập phương tâm diện hoặc lục giác, những ferrite có cấu trúc lập phương tâm diện lại phân thành hai dạng là spinel hoặc spinel đảo. Đối với ferrite có cấu trúc spinel, công thức hóa học có thể được viết thành AB2X4 với X là anion (thường là oxigen, lưu huỳnh và selen) có điện tích -2, A là cation hóa trị II chiếm vị trí lỗ trống tứ diện, B là cation hóa trị III chiếm vị trí lỗ trống bát diện trong ô mạng tinh thể. Trong khi đó, oxide sắt từ lại nằm trong nhóm ferrite có cấu trúc spinel đảo. Các hợp chất dạng này có công thức hóa học được viết thành B(AB)X4 với A, B và X tương tự như spinel thường, tuy nhiên ở cấu trúc spinel đảo, cation A hóa trị II lại chiếm vị trí lỗ trống bát diện, một nửa số cation B hóa trị III chiếm vị trí lỗ trống bát diện, nửa còn lại chiếm vị trí lỗ trống tứ diện. Cụ thể hơn, đối với oxide sắt từ, công thức hóa học được viết lại thành
- 17. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 8 Fe3+ (Fe2+ Fe3+ )O4 2- , trong đó ion Fe2+ và một nửa số ion Fe3+ chiếm vị trí lỗ trống bát diện, một nửa số ion Fe3+ còn lại chiếm vị trí lỗ trống tứ diện. Hình 1.1. Ô mạng tinh thể của oxide sắt từ 1.1.1.3. Tính chất từ Tinh thể oxide sắt từ có cấu trúc lập phương tâm diện, độ từ hóa bão hòa Ms xấp xỉ 92 emu/g và nhiệt độ Curie khoảng 580°C [1]. Trong ô mạng tinh thể, 8 ion Fe3+ trong lỗ trống tứ diện có spin ngược chiều với spin của 8 ion Fe3+ trong lỗ trống bát diện nên triệt tiêu lẫn nhau, như vậy moment từ tổng cộng là tổng các moment từ do các ion Fe2+ trong lỗ trống bát diện gây ra. Hình 1.2. Cấu trúc spin của oxide sắt từ Tuy nhiên, đối với oxide sắt từ dạng khối, moment từ trong toàn khối vật liệu không thể theo cùng một hướng vì khi đó sẽ tạo ra một từ trường lớn bao quanh vùng không gian xung quanh vật liệu, yêu cầu trường này phải lưu trữ
- 18. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 9 lượng lớn năng lượng tĩnh từ (magnetostatic energy) dẫn đến sự tăng nội năng. Để tối thiểu hóa những năng lượng này, khối vật liệu tự chia thành nhiều vùng, mỗi vùng có chiều moment song song nhau và khác so với các vùng khác, những vùng này được gọi là domain. Khi domain đạt đến một kích thước nhất định (10- 5 – 10-6 m) thì năng lượng cần thiết để tạo nên vách domain (khi phân chia thành các domain nhỏ hơn) lớn hơn năng lượng cần để duy trì domain, do đó domain ngừng phân chia và duy trì khoảng kích thước cố định [2]. Hình 1.3. Sự tạo thành domain nhằm giảm năng lượng tĩnh từ Một đặc tính khác của vật liệu từ là dị hướng từ, có liên quan đến các tương tác từ trong tinh thể có trật tự từ. Tính dị hướng thể hiện khi tính chất từ của vật liệu khác nhau theo các phương khác nhau. Nguồn gốc của dị hướng từ liên quan đến các dạng năng lượng tương tác cơ bản xác định trạng thái của vật liệu, trong đó phải kể đến dị hướng từ tinh thể, dị hướng từ đàn hồi và các ứng suất. Dị hướng từ tinh thể là dạng năng lượng trong các vật có từ tính liên quan đến tính đối xứng tinh thể và sự định hướng của moment từ. Trong tinh thể, moment từ luôn có xu hướng định hướng theo một phương ưu tiên nào đó của tinh thể, gọi là trục dễ từ hóa. Khi từ hóa theo hướng khác (lệch 90o so với trục dễ từ hóa) thì quá trình từ hóa sẽ khó hơn và rất khó đạt trạng thái bão hòa từ, trục đó gọi là trục khó từ hóa. Năng lượng dị hướng từ tinh thể được định nghĩa là năng lượng cần thiết để quay moment từ từ trục khó từ hóa sang hướng của trục dễ từ hóa. Bên cạnh
- 19. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 10 nguồn gốc do tính đối xứng tinh thể, dị hướng từ tinh thể còn có thể được tạo ra do ứng suất, do hình dạng của vật từ hay trật tự của các cặp spin với định hướng khác nhau. 1.1.2. Vật liệu nano oxide sắt từ (ION) 1.1.2.1. Cấu trúc tinh thể Phổ nhiễu xạ tia X đã chứng minh rằng khi giảm đến kích thước nano, hạt nano oxide sắt từ vẫn có cấu trúc tinh thể spinel đảo và không thay đổi so với vật liệu khối. Tuy nhiên giá trị hằng số mạng a của ION thường nhỏ hơn so với vật liệu khối. Điều này được giải thích là do tỉ lệ của các nguyên tử và ion trên bề mặt là tương đối lớn so với toàn bộ thể tích hạt, đồng thời sự oxi hóa các ion Fe2+ trên bề mặt thành Fe3+ dẫn đến sự thay đổi tỉ lệ sắp xếp các ion trong các lỗ trống tứ diện và bát diện [3]. 1.1.2.2. Tính chất từ Cũng giống như các loại vật liệu nano khác, oxide sắt từ khi đạt đến kích thước nano xuất hiện một số sự thay đổi tính chất, đặc biệt là tính chất từ. Trong đó hai yếu tố chính ảnh hưởng đến tính chất từ là hiệu ứng kích thước và hiệu ứng bề mặt. a) Ảnh hưởng của hiệu ứng kích thước Các hiệu ứng kích thước được nghiên cứu nhiều nhất trong các hạt nano từ là giới hạn đơn domain và giới hạn siêu thuận từ. Như đã nói ở trên, khi kích thước hạt giảm đến một mức tới hạn, sự hình thành vách domain (khi domain phân chia thành các domain nhỏ hơn) sẽ trở nên không thuận lợi về mặt năng lượng, do đó hạt sẽ có cấu trúc đơn domain và có cùng một hướng moment từ. Hiệu ứng thứ 2 là hiện tượng siêu thuận từ và giới hạn kích thước siêu thuận từ. Ở vật liệu sắt từ, các moment từ trong nguyên tử sắp xếp song song với nhau, tạo nên một từ trường bên trong rất lớn. Khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Curie (hay nhiệt độ Néel đối với vật liệu phản sắt từ), dao động nhiệt đủ lớn để thắng lại các lực liên kết bên trong, làm cho các moment từ của nguyên tử từ song song trở thành dao động tự do, do đó triệt tiêu từ trường bên trong và
- 20. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 11 vật liệu thể hiện tính thuận từ. Khái niệm siêu thuận từ được Frenkel và Dorfman đưa ra vào năm 1930, theo đó, trong vật liệu sắt từ được cấu tạo bởi một hệ các hạt (thể tích V) tương tác và liên kết với nhau. Giả sử nếu giảm dần kích thước hạt thì năng lượng dị hướng KV giảm dần, nếu tiếp tục giảm kích thước thì đến một lúc nào đó, KV << kT, năng lượng nhiệt sẽ thắng năng lượng dị hướng và vật sẽ mang đặc trưng của một chất thuận từ [4]. Khi đó vật liệu thể hiện cả tính sắt từ (hay phản sắt từ) và tính thuận từ ngay cả khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ Curie (hay nhiệt độ Néel). Hiện tượng này gọi là hiện tượng siêu thuận từ, và giới hạn kích thước V để KV<< kT gọi là giới hạn kích thước siêu thuận từ. Hai đặc trưng cơ bản của các chất siêu thuận từ là: - Đường cong từ hoá không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. - Không có hiện tượng từ trễ, có nghĩa là lực kháng từ HC bằng 0. Trong thực tế, vật liệu có lực kháng từ HC ≤ 20 Oe cũng được xem là vật liệu siêu thuận từ. Hình 1.4. Đường cong từ hóa của vật liệu siêu thuận từ Vật liệu siêu thuận từ có tính chất như vật liệu thuận từ, nhưng chúng lại nhạy với từ trường hơn và có từ độ lớn như của chất sắt từ. Do đó, khi áp từ trường, vật liệu xuất hiện từ tính và đáp ứng lại từ trường ngoài, nhưng khi ngừng áp từ trường thì vật liệu không còn từ tính nữa. Đây là một đặc điểm rất quan trọng khi ứng dụng vật liệu siêu thuận từ trong y sinh học. Hình 1.3 mô tả sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt. Dưới kích thước giới hạn
- 21. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 12 của trạng thái siêu thuận từ, các hạt không có từ dư sau khi ngừng áp từ trường và chúng không có tính từ trễ. Hình 1.5. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt b) Ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt Đối với tất cả vật liệu nano nói chung, khi kích thước vật liệu giảm đến cỡ nanomet thì số nguyên tử trên bề mặt là tương đối lớn so với tổng số nguyên tử của vật liệu, do đó hiệu ứng bề mặt đóng vai trò rất quan trọng. Ở vật liệu nano từ tính, hiệu ứng bề mặt là nguyên nhân chính tạo ra dị hướng trong các hạt nano, do đó làm giảm moment từ bão hòa. Sự suy giảm này được quan sát bằng thực nghiệm trong nhiều hệ hạt nhỏ và được giải thích bằng sự tồn tại của lớp vỏ không từ (lớp chết từ hoặc lớp spin nghiêng) trên bề mặt hạt [5]. Theo tác giả Gangopadhyay, tỷ lệ đáng kể của diện tích bề mặt so với thể tích toàn khối là một trong những nguyên nhân chính dẫn tới sự suy giảm moment từ bão hòa theo kích thước của các hạt nano từ [6]. Các hạt được xem như các quả cầu với phần lõi có cấu trúc spin định hướng song song và từ độ bão hòa tương tự như của khối đơn tinh thể lý tưởng. Trong khi đó phần vỏ vì tồn tại các sai lệch về cấu trúc tinh thể và sự khuyết thiếu các ion nên có cấu trúc spin bất trật tự, dẫn đến từ độ phần vỏ bé hơn nhiều so với phần lõi. Khi kích thước hạt giảm, phần
- 22. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 13 vỏ không từ đóng góp đáng kể vào toàn bộ thể tích của hạt do đó moment từ giảm. Điều này khiến từ độ bão hòa của vật liệu từ tính dạng nano thường nhỏ hơn so với dạng khối. Hình 1.6. Mô hình cấu trúc lõi – vỏ của hạt nano từ [6] 1.1.2.3. Tương tác giữa các hạt ION Tương tác giữa các hạt nano từ phụ thuộc vào tính chất nội tại, khoảng cách và môi trường giữa các hạt. Hai loại tương tác thường xuất hiện là tương tác lưỡng cực giữa các hạt và tương tác trao đổi qua bề mặt của các hạt gần nhau. Tuy nhiên tương tác trao đổi qua bề mặt các hạt gần nhau thường chỉ tồn tại trong các vật liệu nano phản sắt từ. Trong hệ hạt nano sắt từ và ferrite từ tương tác lưỡng cực đóng vai trò chủ yếu. Các hạt nano từ đơn domain được xem như có một moment từ khổng lồ (so với moment từ của một spin đơn lẻ) và tạo ra quanh nó một từ trường cục bộ khá lớn, có thể khác không ngay cả khi không có từ trường ngoài. Do đó khi xét đến trạng thái của hạt nano từ thì tương tác lưỡng cực giữa các hạt là yếu tố không thể bỏ qua. 1.1.2.4. Sự biến đổi và ổn định của magnetite Magnetite dễ bị oxi hóa trong không khí thành maghemite (γ-Fe2O3) theo phương trình: 4 Fe3O4 + O2 → 6 γ-Fe2O3 Ở nhiệt độ lớn hơn 300°C, magnetite bị oxi hóa thành hematite (α- Fe2O3). Khi khảo sát tính chất và ứng dụng của các hạt nano từ thì các tính chất vật lý và hóa học ở bề mặt có ý nghĩa rất lớn. Trong các dung dịch có nước, các
- 23. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 14 nguyên tử sắt có thể kết hợp với nước, phân ly các phân tử nước thành các nhóm -OH lưỡng tính trên bề mặt oxide sắt, có thể phản ứng với cả acid và base. 1.1.3. Chất lỏng từ Chất lỏng từ là một hệ keo bao gồm các hạt có từ tính phân tán trong dung môi. Các hạt có từ tính này thường có dạng hình cầu với kích thước cỡ từ vài đến hàng chục nanomet, và thường được bao phủ bởi một chất hoạt động bề mặt giúp ngăn sự kết tụ và giữ cho các hạt nano từ phân tán tốt trong thời gian dài. Chất lỏng từ mang đầy đủ tính chất của một hệ keo, tức là nó có quá trình khuếch tán và sa lắng của các hạt trong chất lỏng. Một trong các đặc trưng của một chất lỏng từ chất lượng tốt là độ ổn định, bao gồm: - Độ ổn định đối với lực trọng trường. - Độ ổn định với gradient từ trường. - Độ ổn định đối với sự kết tụ của các hạt do hiệu ứng tương tác lưỡng cực hay tương tác Van der Waals. - Năng lượng chuyển động nhiệt - Thế năng - Năng lượng tĩnh từ Hệ keo từ đạt được trạng thái ổn định nếu năng lượng nhiệt đủ lớn để chống lại sự kết tụ của các hạt dưới tác dụng của trọng trường và từ trường.
- 24. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 15 Hình 1.7. Mô hình chất lỏng từ 1.1.4. Một số phương pháp tổng hợp ION Cũng giống như các vật liệu nano khác, vật liệu nano từ tính thường được chế tạo theo hai cách chính: nghiền nhỏ vật liệu khối đến kích thước nano (top- down) và hình thành hạt nano từ các nguyên tử (bottom-up). Cách thứ nhất gồm các phương pháp nghiền và biến dạng như nghiền hành tinh, nghiền rung. Cách thứ hai được phân thành ba loại là phương pháp vật lý, phương pháp hóa học và phương pháp sinh học. Sau đây là một số phương pháp thường được sử dụng. 1.1.4.1. Phương pháp vật lý a) Nhiệt phân sol khí Trong phương pháp nhiệt phân sol khí, dung dịch muối Fe3+ và một tác nhân khử trong dung môi hữu cơ được phun vào một chuỗi lò phản ứng gồm 2 buồng, buồng thứ nhất có nhiệt độ 200-250°C làm bay hơi dung môi, buồng thứ 2 có nhiệt độ khoảng 500-1000°C sẽ nhiệt phân mẫu. Bộ phận đầu phun được thiết kế để có thể điều khiển được kích thước hạt của sol khí, từ đó gián tiếp điều khiển kích thước hạt của sản phẩm tạo thành, vì độ đồng đều và sự rời rạc của các hạt nhỏ sẽ ảnh hưởng đến độ mịn và đồng đều của sản phẩm. Trong dung dịch cồn, các hạt maghemite với kích thước từ 5 – 60 nm có thể được hình thành với nhiều hình dạng khác nhau phụ thuộc vào bản chất của tiền chất chứa sắt ban đầu. Với tiền chất là Fe(NO3)3 thì đường kính hạt mịn là 6 nm nhưng khi tiền chất là FeCl3 thì giá trị đó là 60 nm. Với sắt (III) acetylacetonate hạt được tạo ra có kích thước 5 nm và có độ đồng nhất rất cao. Nếu tiền chất là sắt (II) ammonium citrate thì kết quả là hình cầu rỗng có đường kính đến 300 nm.
- 25. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 16 Vỏ của các hình cầu là tập hợp các hạt nano nhỏ hơn có kích thước từ 20 – 40 nm phụ thuộc vào nhiệt độ của lò. Tính chất từ của sản phẩm cũng phụ thuộc vào tiền chất, đối với tiền chất là Fe(NO3)3 , sắt (III) acetylacetonate và sắt (II) ammonium citrate thì sản phẩm có tính siêu thuận từ, nhưng với tiền chất FeCl3 thì sản phẩm có tính ferri từ [7]. Ưu điểm lớn của phương pháp này là quy trình sản xuất được tiến hành liên tục nên cho sản lượng cao, tuy nhiên nhược điểm là các hạt mịn thường bị kết tụ thành các hạt lớn hơn. Trong khi đó phương pháp nhiệt phân laser tạo các hạt mịn ít kết tụ với nhau. b) Nhiệt phân bằng laser Phương pháp nhiệt phân laser được dùng để giảm thể tích của phản ứng. Trong phương pháp này, tiền chất chứa sắt là Fe(CO)5 dạng hơi được mang bởi chất mang là ethylene, khi hỗn hợp gặp chùm laser, phản ứng hóa học sẽ diễn ra tại một vùng thể tích rất nhỏ (10,6 mm) và được tách hoàn toàn khỏi các vùng khác làm cho quá trình kết đám của các hạt được loại bỏ gần như hoàn toàn. Tiền chất Fe(CO)5 không hấp thu laser, do đó ethylene ngoài là chất mang còn được sử dụng như một chất chuyển năng lượng laser thành năng lượng nhiệt để phân hủy Fe(CO)5. Hạt nano tổng hợp từ phương pháp này có kích thước nhỏ khoảng 2-7 nm với độ phân tán kích thước hạt rất hẹp và hầu như không kết tụ [8]. 1.1.4.2. Phương pháp hóa học a) Vi nhũ tương Vi nhũ tương (microemulsion) là một phương pháp được dùng khá phổ biến để tạo hạt nano [9]. Với hệ nhũ tương “nước trong dầu”, các giọt dung dịch nước bị bao bọc bởi các phân tử chất hoạt động bề mặt tạo thành các micelle phân tán được trong dung môi hữu cơ. Do sự giới hạn về không gian, sự hình thành và phát triển của các hạt nano bị hạn chế bởi kích thước micelle. Kích thước hạt có thể từ 4-12 nm với độ sai khác khoảng 0.2-0.3 nm. Cơ chế cụ thể của phản ứng xảy ra trong hệ vi nhũ tương như sau: phản ứng hóa học tạo các chất mong muốn sẽ xảy ra khi ta hòa trộn các hệ vi nhũ tương này lại với nhau. Có 2 cách để các phân tử tác chất gặp nhau:
- 26. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 17 - Cách thứ nhất: Các phân tử tác chất thấm qua lớp màng chất hoạt động bề mặt ra ngoài và gặp nhau. Nhưng thực tế thì tỷ lệ sản phẩm tạo thành theo cách này là rất nhỏ, không đáng kể. - Cách thứ hai: Khi các hạt vi nhũ tương chứa các tác chất gặp nhau, nếu có đủ lực tác động thì 2 hạt nhỏ có thể tạo thành một hạt lớn hơn. Các tác chất trong 2 hạt nhỏ sẽ phản ứng với nhau trong lòng hạt lớn và sản phẩm mong muốn được tạo thành (ở đây là các hạt ION). Các hạt ION sau khi tạo thành sẽ bị chất hoạt động bề mặt bao phủ và ngăn cản không cho phát triển thêm về kích thước. b) Phương pháp sol-gel Phương pháp sol-gel dựa trên sự hydroxyl hóa và ngưng tụ của các hạt nano tiền chất phân tán thành hệ keo trong dung dịch, gọi là sol. Sự ngưng tụ và sự polymer hóa vô cơ diễn ra tạo thành mạng lưới oxide kim loại 3 chiều, được gọi là gel. Vì phản ứng diễn ra ở nhiệt độ phòng, hỗn hợp cần phải được xử lý nhiệt để chuyển sang trạng thái tinh thể [10]. Tính chất của gel phụ thuộc rất lớn vào sự hình thành cấu trúc trong giai đoạn sol. Dung môi, nhiệt độ, nồng độ tiền chất, pH và sự dao động (khuấy) là những yếu tố chính ảnh hưởng đến động học phản ứng, sự thủy phân và ngưng tụ, từ đó ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của gel. Ví dụ, hạt nano γ-Fe2O3 với kích thước 6-15 nm được tổng hợp khi xử lý gel ở nhiệt độ 400°C [11]. Một số ưu điểm của phương pháp sol-gel là [12]: - Có thể chế tạo vật liệu với cấu trúc được xác định trước nhờ kiểm soát các điều kiện thực nghiệm. - Có thể tổng hợp được vật liệu đơn pha vô định hình, đơn phân tán với kích thước hạt được kiểm soát. - Có thể kiểm soát được cấu trúc micro và sự đồng nhất của vật liệu.
- 27. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 18 - Có thể nhúng các phân tử hoặc hạt nano vào hệ sol-gel mà vẫn duy trì được tính chất và độ ổn định của hệ, ví dụ hạt nano γ-Fe2O3 nhúng trong nền silica. Phương pháp sol – gel được sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực che phủ. Chẳng hạn đưa vào vật liệu từ những tính năng như chống ngưng động hơi, tính dẫn điện, chống mài mòn, cào xước, chống phân hủy quang... c) Phương pháp polyol Phương pháp polyol có thể được coi là một dạng của phương pháp sol- gel. Trong phương pháp polyol, dung môi được sử dụng là một alcol đa chức (polyol), mà thường gặp là polyethyleneglycol (PEG). Ưu điểm của polyol là có hằng số điện môi lớn, có thể hòa tan tốt các hợp chất vô cơ, đồng thời có nhiệt độ sôi cao để có thể áp dụng cho các phản ứng vô cơ với khoảng nhiệt độ rộng (25°C đến điểm sôi). Bên cạnh đó, polyol có thể vừa là tác nhân khử, vừa đóng vai trò là chất bảo vệ các hạt trong quá trình phát triển mầm, ngăn cản sự kết tụ [13]. Trong phương pháp polyol, tiền chất được phân tán trong polyol lỏng, sau đó được khuấy và gia nhiệt đến nhiệt độ cần thiết, tối đa là nhiệt độ sôi của polyol. Tiền chất kim loại hòa tan bởi polyol sẽ bị khử thành các mầm kim loại, sau đó phát triển thành hạt kim loại. Các hạt kim loại kích thước dưới micromet có thể được tổng hợp bằng cách tăng nhiệt độ phản ứng hoặc thêm các hạt mầm kim loại vào dung dịch phản ứng để kiểm soát sự phát triển mầm [12]. d) Phương pháp nhiệt phân phức sắt Phương pháp nhiệt phân phức sắt ở nhiệt độ cao phân ly tiền chất chứa sắt trong môi trường chất hoạt động bề mặt có thể tạo ra các hạt nano oxide sắt đồng nhất, kích thước như mong muốn và kết tinh tốt. Ví dụ, Maity và cộng sự đã tổng hợp nano oxide sắt từ kích thước khoảng 9 nm khi nhiệt phân phức Fe(III) acetylacetonate có mặt oleic acid và oleylamine ở 330°C trong 4 giờ [14]. Kim và cộng sự đã tổng hợp nano oxide sắt từ kích thước 3 nm khi nhiệt phân phức Fe(III) oleate trong diphenyl ether có mặt oleyl alcohol tại 250°C [15]. Stepanov và cộng sự đã chế tạo thành công hạt nano oxide sắt từ đồng
- 28. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 19 nhất kích thước 3 – 20 nm bằng cách cho phản ứng Fe(III) oleate trong octadecene với sự thay đổi loại bếp, tốc độ gia nhiệt và nhiệt độ phản ứng [16]. e) Phương pháp mô phỏng sinh học Phương pháp mô phỏng sinh học nghiên cứu trên đối tượng ferritin, một loại phân tử protein chứa sắt, là phương pháp được nghiên cứu kĩ lưỡng nhất. Ferritin gồm một lõi Fe3+ hydrate hóa được bao bởi nhiều lớp protein. Do lõi Fe3+ bị giam hãm như vậy mà người ta có thể tạo ra hạt nano magnetite [17] và magnetite/maghemite [18] với kích thước 6 – 7 nm bằng cách oxi hóa apoferritin (ferritin trống) bằng trimethylamino-N-oxide. f) Phương pháp nhiệt dung môi/ thủy nhiệt Nhiệt dung môi là sự tiến hành các phản ứng hóa học khi có mặt của dung môi ở điều kiện nhiệt độ cao và áp suất lớn hơn 1 atm, nếu dung môi là nước thì được gọi là phương pháp thủy nhiệt. Phương pháp nhiệt dung môi sử dụng điều kiện nhiệt độ hoặc áp suất cao, có tác dụng làm tăng tốc độ hòa tan và tốc độ phản ứng giữa các tác chất. Để thực hiện được điều này, vật liệu được phân tán trong dung môi và được cho vào một nồi hấp kín, đốt nóng. Dựa vào nhiệt độ và lượng dung dịch đưa vào nồi hấp ta có thể biết được áp suất tạo bên trong nồi hấp. Sắt từ tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt phải trải qua hai giai đoạn chính: giai đoạn thủy phân, và giai đoạn oxi hóa hoặc trung hòa các hỗn hợp hydroxide kim loại. Trong đó, các điều kiện phản ứng như dung môi, nhiệt độ, thời gian phản ứng là những nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến sản phẩm. Ví dụ, kích thước hạt được điều khiển chủ yếu bằng tỉ lệ của quá trình tạo mầm và phát triển mầm, tỉ lệ này phụ vào nhiệt độ của phản ứng khi cố định những điều kiện khác. Quá trình tạo mầm có thể nhanh hơn quá trình phát triển mầm khi phản ứng ở nhiệt độ cao làm giảm kích thước hạt. Ngược lại, kéo dài thời gian phản ứng ở nhiệt độ thấp có lợi cho sự phát triển mầm.
- 29. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 20 g) Phương pháp điện hóa Phương pháp điện hóa cũng được dùng để chế tạo hạt nano oxide sắt từ với dung dịch điện hóa là dung dịch hữu cơ. Kích thước của hạt nano từ 3 – 8 nm được điều khiển bằng cường độ dòng điện [19]. Sự phân tán của các hạt nano nhờ vào các chất hoạt động bề mặt tích điện dương. Phương pháp này phức tạp và hiệu suất không cao như các phương pháp khác nên ít được nghiên cứu. h) Phương pháp đồng kết tủa Để ứng dụng trong y sinh, hạt nano từ thường được chế tạo theo các phương pháp hóa học. So với các phương pháp như vi nhũ tương, nhiệt phân phức sắt, thủy nhiệt..., đồng kết tủa là một phương pháp đơn giản, chi phí thấp, và có thể tổng hợp lượng lớn hạt nano. Hạt ION khi được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa có bề mặt được bao phủ một lớp – OH, là một nhóm chức quan trọng trong việc tạo liên kết với các chất hoạt hóa bề mặt cần thiết để tổng hợp chất lỏng từ cho các ứng dụng trong sinh học. Massart và cộng sự là người đầu tiên tổng hợp ION bằng phương pháp đồng kết tủa. Theo nhóm tác giả này, các hạt ION dạng cầu thô được tạo ra bằng cách kết tủa dung dịch muối FeCl2 và FeCl3 trong môi trường kiềm với kích thước 8 nm [20]. Một số nghiên cứu sau đó cho thấy các yếu tố như: loại base (NH3, CH2NH3, NaOH...), độ pH, loại cation thêm vào (N(CH3)4 + , CH3NH3 + , Na+ , K+ , Li+ và NH4 + ) và tỷ lệ Fe2+ /Fe3+ ảnh hưởng tới hiệu suất phản ứng, kích thước và độ phân tán của hạt. Tùy vào từng điều kiện phản ứng có thể thu được hạt có kích thước từ 4,2 nm đến 16,6 nm [21, 22]. Trong đó, tỷ lệ Fe2+ /Fe3+ là yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tổng hợp hạt ION. Jolivet đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ x = Fe2+ /Fe3+ lên thành phần, kích thước, hình dáng cũng như tính chất từ của hạt nano. Khi tỷ lệ Fe2+ /Fe3+ nhỏ, sản phẩm tạo ra có dạng goethite. Với x = 0.3, ngoài pha Fe3O4 còn tồn tại pha hydroxide sắt. Với x = 0,5 các hạt tạo ra đơn pha Fe3O4 và tương đối đồng nhất [23]. Một yếu tố quan trọng không kém là nồng độ muối sắt. Sự ảnh hưởng của nồng độ muối sắt gần tương tự sự ảnh hưởng của tỉ lệ Fe2+ /Fe3+ , nồng độ muối tối ưu khoảng 39-78 mM. Một số yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến tính chất của hạt
- 30. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 21 ION như: tốc độ dòng tiêm dung dịch kiềm vào dung dịch muối sắt, nhiệt độ phản ứng, sự sục khí N2 trong quá trình phản ứng [24, 25]. Theo thống kê của nhóm tác giả Attarad Ali, năm 2016, ION được tổng hợp bằng phương pháp sinh học chiếm 2%, phương pháp vật lý chiếm 8% và phương pháp hóa học chiếm đến 90%, trong đó, phương pháp đồng kết tủa và thủy nhiệt là hai phương pháp được sử dụng nhiều nhất với tỉ lệ lần lượt là 28% và 26% [26]. Với quy trình chế tạo đơn giản và chi phí thấp, đồng kết tủa là sự lựa chọn của nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Tại Việt Nam, những nghiên cứu đầu tiên được thực hiện tại Trung tâm Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu do GS. TSKH. Thân Đức Hiền chủ trì. Trong các công bố của mình, nhóm tác giả cũng sử dụng phương pháp đồng kết tủa để chế tạo hệ hạt ION có kích thước dưới 15 nm và khảo sát đặc tính siêu thuận từ của mẫu hạt nano. Ngoài ra các nghiên cứu trên hạt nano Fe3O4 được thực hiện tại một số nhóm nghiên cứu uy tín tại Việt Nam như nhóm của GS.TSKH. Nguyễn Hữu Đức – Trường Đại học Công nghệ, PGS.TS. Nguyễn Hoàng Hải – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, PGS.TS. Trần Hoàng Hải – Viện Khoa học Vật lý Thành phố Hồ Chí Minh [27]. 1.1.5. Ứng dụng của ION 1.1.5.1. Phân tách và chọn lọc tế bào, ADN Trong y sinh học, việc tách một loại thực thể sinh học nào đó ra khỏi môi trường của chúng thường được dùng để tăng nồng độ khi phân tích, làm sạch hoặc cho một mục đích khác. Thời gian gần đây, kỹ thuật phân tách bằng từ tính thường được sử dụng vì một số ưu điểm hơn so với các phương pháp phân tách truyền thống. Một ưu điểm nổi bật của phương pháp là quy trình đơn giản, tất cả các bước của quá trình phân tách có thể được thực hiện trong ống nghiệm mà không cần phải có hệ thống sắc ký lỏng đắt tiền [28]. Quá trình phân tách được chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thực thể sinh học cần nghiên cứu và tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường. Việc đánh dấu được thực hiện thông qua các hạt nano từ tính, thường dùng là hạt oxide sắt. Các hạt này được bao phủ bởi các chất có tính tương hợp sinh học như dextran, polyvinyl alcohol (PVA), hoặc có khả năng liên kết với mục tiêu cần tách như
- 31. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 22 dopamine, vancomycin, vừa giúp các hạt nano phân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ, vừa tăng khả năng liên kết của hạt nano với mục tiêu. Ví dụ, nhóm amino của vancomycin được dùng để cố định kháng nguyên trên bề mặt hạt nano từ, giúp hệ có khả năng bắt giữ và xác định các chủng vi khuẩn Enterococci kháng vancomycin hoặc các vi khuẩn Gram dương ngay cả ở nồng độ thấp [29]. Hình 1.8. Nguyên tắc tách tế bào bằng từ trường Việc sử dụng nano từ còn là một trong những phương pháp rất nhạy để có thể tách tế bào ung thư từ máu, đặc biệt là khi nồng độ tế bào ung thư rất thấp, khó có thể tìm thấy bằng các phương pháp khác. Người ta có thể phát hiện kí sinh trùng sốt rét trong máu bằng cách đo từ tính của kí sinh trùng đánh dấu từ. Ngoài ra, trong phương pháp PCR nhằm khuyếch đại ADN nào đó, quá trình làm giàu ADN ban đầu cũng được thực hiện nhờ hạt nano từ tính. Với nguyên tắt tương tự như phân tách tế bào, hạt nano từ tính cũng được dùng để phân tách DNA. 1.1.5.1. Tăng thân nhiệt cục bộ Phương pháp đốt các tế bào ung thư bằng từ trường ngoài mà không ảnh hưởng đến các tế bào bình thường là một trong những ứng dụng quan trọng của hạt nano từ tính. Những nghiên cứu đầu tiên về đốt nhiệt cục bộ bằng hạt nano từ xuất hiện từ năm 1957. Nguyên tắc hoạt động là phân tán các hạt nano từ tính có kích thước từ 20-100 nm trong các mô mong muốn sau đó tác dụng một từ trường xoay chiều bên ngoài đủ lớn về cường độ và tần số để làm cho các hạt nano hưởng ứng và tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh. Nhiệt
- 32. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 23 độ khoảng 42°C trong khoảng 30 phút có thể đủ để giết chết các tế bào ung thư trong khi các tế bào thường vẫn an toàn [30]. Khó khăn chủ yếu là việc dẫn truyền lượng hạt nano phù hợp để tạo ra đủ nhiệt lượng khi có mặt từ trường ngoài mạnh trong phạm vi điều trị cho phép. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đốt nóng cục bộ là lưu lượng máu và phân bố của các mô. 1.1.5.2. Dẫn truyền thuốc Một trong những nhược điểm lớn nhất của hóa trị liệu là tính không đặc hiệu. Khi vào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh xâm nhập và tiêu diệt cả tế bào ung thư lẫn tế bào thường, gây ra nhiều tác dụng phụ. Chính vì thế việc dùng các hạt từ tính như một hệ mang thuốc đến vị trí khối u đã được nghiên cứu từ những năm 1970 [31]. Việc sử dụng hệ chất mang hướng đích này có hai lợi ích chính: hạn chế sự xâm nhập của các thuốc vào các mô lành nên làm giảm tác dụng phụ của thuốc; và giảm lượng thuốc điều trị [32]. Nguyên lý của ứng dụng này là gắn kết hạt nano từ tính có tính tương hợp sinh học với thuốc điều trị tạo thành một hệ chất mang. Thông thường hệ thuốc/hạt tạo ra một chất lỏng từ và đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn. Khi các hạt đi vào mạch máu, người ta dùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào vị trí của khối u. Một khi hệ thuốc/hạt được tập trung tại vị trí cần thiết thì quá trình nhả thuốc có thể diễn ra thông qua cơ chế hoạt động của các enzyme hoặc các tính chất sinh lý học do các tế bào ung thư gây ra như độ pH, quá trình khuyếch tán hoặc sự thay đổi của nhiệt độ. Hiệu quả của việc dẫn truyền thuốc phụ thuộc vào cường độ từ trường, gradient từ trường, thể tích và tính chất từ của hạt nano, các thông số sinh lý học như khoảng cách từ vị trí của thuốc đến nguồn từ trường, mức độ liên kết thuốc/hạt, và thể tích của khối u. Ngoài ra, các chất mang thường đi vào tĩnh mạch hoặc động mạch nên các thông số thủy lực như thông lượng máu, nồng độ chất lỏng từ, thời gian tuần hoàn cũng ảnh hưởng đến hiệu quả dẫn truyền thuốc [33]. Các hạt nano kích thước trên 200 nm có thời gian tồn tại trong máu thấp do bị bắt giữ bởi lá lách, sau đó bị loại bỏ bởi hệ thống thực bào. Các hạt nano kích thước dưới 10 nm thì dễ bị thanh thải bởi
- 33. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 24 thận. Do đó, kích thước khoảng 10-100 nm là tối ưu để ứng dụng hạt nano từ tính trong dẫn truyền thuốc [12]. Hình 1.9. Nguyên lý dẫn truyền thuốc bằng vật liệu nano từ tính Các hạt nano từ tính thường dùng là oxide sắt từ (magnetite Fe3O4, maghemite γ-Fe2O3) được bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học như PVA, dextran, silica hoặc liposome. Chất bao phủ có tác dụng chức năng hóa bề mặt để có thể liên kết với các phân tử khác như nhóm chức carboxyl, biotin, avidin, carbodiimide,… 1.1.5.3. Tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ Ảnh cộng hưởng từ (MRI) dựa trên sự cộng hưởng từ hạt nhân của các proton trong phân tử, chủ yếu là nước tồn tại trong mô tế bào. Vì môi trường xung quanh mỗi mô tế bào thay đổi phụ thuộc vào vị trí của chúng trong cơ thể, nên có thể dùng MRI để xác định những dạng mô khác nhau. Đây là một phương pháp tiên tiến để chuẩn đoán bệnh một cách chính xác, đặc biệt là ung thư. Phương pháp này có thể giúp ta phân biệt được các khối u lành tính hay ác tính, đã di căn chưa, để có thể có biện pháp điều trị thích hợp và kịp thời. Hình 1.10. Ảnh MRI của chuột trước và sau khi tiêm ION [34].
- 34. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 25 1.2. LIPOSOME 1.2.1. Khái niệm Liposome là hệ phân phối thuốc dưới dạng tiểu bào (vesicular), được đề xuất bởi Gregoriadis vào năm 1991 [35]. Thành phần chính của liposome là phospholipid có nguồn gốc tự nhiên (đậu nành, hạt hướng dương, lòng đỏ trứng,...) và cholesterol. Hình 1.11. Công thức phân tử của: A) Cholesterol và B) Phospholipid Về mặt cấu trúc, liposome có dạng hình cầu gồm một nhân nước ở giữa được bao bọc bởi vỏ phospholipid kép (thường có thành phần là phospholipid và cholesterol), có kích thước từ hàng chục đến hàng ngàn nanomet. Tùy thuộc vào đặc tính ưa dầu hay nước, dược chất có thể ở trong khoang nước, nằm giữa lớp phospholipid kép hoặc hấp phụ trên bề mặt của lớp phospholipid kép. Hơn nữa, nhờ vào thể tích lõi nước bên trong lớn và khả năng tương thích sinh học của vỏ lipid bên ngoài, liposome còn có thể phân phối số lượng lớn các đại phân tử như DNA, protein và các tác nhân tăng độ tương phản hình ảnh [36]. Hình 1.12. A) Cấu tạo và B) Nguyên lý mang thuốc của liposome
- 35. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 26 1.2.2. Ưu điểm và nhược điểm 1.2.2.1. Ưu điểm - Liposome có thể nang hóa được các dược chất ưa nước (nằm ở khoang nước bên trong) và các dược chất ưa dầu (nằm giữa lớp phospholipid kép). Liposome đồng thời còn có tác dụng bảo vệ và phóng thích dược chất một cách có kiểm soát. - Lớp màng phospholipid kép của liposome có cấu trúc tương tự lớp màng sinh học của tế bào sống do đó liposome có độ an toàn cao đối với cơ thể. - Liposome có thể được thiết kế để tăng nồng độ dược chất ở những mô đặc biệt, hoặc tạo ra những hệ liposome nhạy với nhiệt độ, pH [37]. 1.2.2.2. Nhược điểm - Độ ổn định thấp: liposome kém ổn định cả về mặt hóa học, vật lý và sinh học. Do là hệ không đồng pha, các tiểu phân trong hệ luôn có khả năng kết tụ dẫn đến sự không ổn định của liposome. Mặt khác, lớp vỏ của liposome là các lipid rất dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như nhiệt độ, pH và vi sinh. - Nguyên liệu của liposome đòi hỏi phải có độ tinh khiết cao, đắt tiền nên giá thành sản phẩm cao. - Các phương pháp chế tạo liposome đều sự dụng dung môi hữu cơ để hòa tan lipid nên ảnh hưởng bất lợi đến môi trường, và có thể gây hại cho sức khỏe người sử dụng nếu không được loại bỏ hoàn toàn. - Đa số các phương pháp chế tạo liposome đều chỉ thích hợp ở quy mô phòng thí nghiệm, rất khó để sản xuất ở quy mô công nghiệp. - Tỉ lệ nang hóa dược chất của liposome chưa cao, khó mang được các dược chất có khối lượng phân tử lớn [37]. 1.2.3. Phân loại
- 36. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 27 Tùy theo phương pháp bào chế, thành phần lipid, điện tích bề mặt mà sản phẩm liposome có các đặc tính khác nhau về kích thước, cấu trúc và khả năng nang hóa. Liposome thường được phân loại dựa vào cấu trúc của lớp màng phospholipid kép và phương pháp bào chế. 1.2.3.1. Phân loại theo cấu trúc Liposome phân loại theo cấu trúc được thể hiện trong Bảng 1.1 Bảng 1.1. Phân loại liposome theo kích thước và số lớp màng phospholipid kép Dạng liposome Viết tắt Kích thước Số màng lipid kép Đơn lớp loại nhỏ SUV 20-100 nm 1 Đơn lớp loại lớn LUV 100-1000 nm 1 Đơn lớp khổng lồ GUV 1-200 μm 1 Đa lớp OLV 0.1-1 μm 2-5 Đa lớp MLV > 0,5 µm 5-25 Liposome chứa liposome MVV > 1 µm Cấu trúc đa ngăn Hình 1.13. Phân loại liposome theo cấu trúc màng lipid kép
- 37. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 28 1.2.3.2. Phân loại theo phương pháp điều chế - REV (Reverse – phase evaporation vesicles): liposome được điều chế bằng phương pháp bốc hơi pha đảo. - VET (Vesicles by extrusion techniques): liposome được điều chế bằng kỹ thuật ép đùn. - DRV (Dehydration – Rehydration vesicles): liposome được điều chế bằng phương pháp dehydrate hóa – hydrate hóa trở lại. - FTV (Freeze – thaw vesicles): liposome được điều chế bằng phương pháp đông lạnh-xả đông [38]. 1.2.3.3. Phân loại theo thế hệ a) Conventional liposome Thế hệ liposome đầu tiên là Conventional Liposome (C Liposome). Thành phần chỉ gồm phospholipid và (hoặc) cholesterol, thích hợp để mang các dạng thuốc tác dụng trên hệ thống đại thực bào như các thuốc kháng vi sinh vật, thuốc điều hòa miễn dịch dùng trong điều trị ung thư và ngăn chặn khối u phát triển. C Liposome được xem là các hạt “ngoại lai” và bị bắt giữ bởi hệ thống thực bào đơn nhân (Mononuclear Phagocytic System, MPS). Phần lớn MPS là các tế bào Kuffer ở gan và đại thực bào của lá lách. Do không bền vững trong dịch sinh học nên C Liposome phóng thích nhanh các phân tử đã được kết nang ở bên trong nhờ sự tương tác qua lại với hai nhóm protein plasma là HDL và opsonin đã hấp thụ lên bề mặt liposome. HDL và opsonin đóng vai trò là các chất trung gian cho sự nhập bào của liposome bởi MPS. Vì vậy tốc độ thanh thải của liposome từ sự tuần hoàn máu phụ thuộc vào khả năng bám vào bề mặt liposome của opsonin. Mặt khác sự thanh thải của liposome từ dòng máu phụ thuộc vào các đặc tính của liposome như trạng thái lỏng của lớp màng kép, bề mặt và kích thước của túi. Khuynh hướng rõ rệt của C Liposome là bị bắt giữ bởi các tế bào đích của MPS. Ðiều này là rất thuận lợi cho việc phân phối thuốc đến các đại thực bào nhưng lại cản trở sự sử dụng liposome trong cơ thể để dẫn thuốc một cách chọn lọc đến các vị trí khác. C Liposome bị bắt giữ bởi các tế
- 38. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 29 bào MPS đã hạn chế sự phát triển của liposome trong việc làm phương tiện dẫn thuốc trong nhiều năm qua. Sau nhiều công trình nghiên cứu khác nhau, các liposome với độ bền cao đã được tạo ra. Liposome cấu tạo từ lipid kết hợp với polyethylene glycol (PEG) với các đặc tính tránh được sự hấp thụ của MPS và tăng thời gian lưu thông trong tuần hoàn máu, liposome có thể chịu được các sửa đổi một cách đặc biệt của màng kép hoặc có thể được bao phủ với các phân tử khác nhau. Các loại liposome này bao gồm proteo liposome, mang protein kích thích dung hợp; liposome nhạy với pH, có khả năng tránh được sự phân hủy của lysosome; liposome cation tạo ra các phức hợp với DNA; liposome nhạy cảm với tế bào đích, không hợp nhất sau khi bám vào tế bào đích và giải phóng vật chất chứa bên trong vào vùng lân cận tế bào này; liposome miễn dịch điều khiển các vị trí đặc hiệu bởi các kháng thể ghép đôi tới các bề mặt của chúng [38]. b) Long-circualating liposome Như đã đề cập ở trên, C Liposome bị bắt giữ nhanh chóng bởi MPS đã hạn chế khả năng sử dụng đối với các loại tế bào khác. Các liposome nhỏ, cứng, giàu cholesterol làm tăng tính bền vững trong plasma, tránh được sự hấp thụ của MPS. Các phương pháp khác nhằm làm tăng thời gian lưu thông của liposome trong máu là kết hợp vào liposome các polyvinyl pyrolidone polyacrylamide lipid, glucoronic acid lipid hoặc phospholipid distearoyl phosphatidylcholine. Bao bọc liposome với protein, polysaccharide và glycolipid của hồng cầu cũng làm tăng thời gian lưu thông trong máu của chúng. Một cấu trúc khác đã cho thấy thời gian lưu thông trong dòng máu dài hơn là liposome mang phospholipid kết hợp với một polymer ưa nước tổng hợp (PEG). Các liposome này có cấu trúc không gian bền vững và có khả năng giảm thiểu sự hấp thụ của MPS tốt nhất. Polymer PEG cản trở sự tương tác qua lại của protein huyết thanh với bề mặt của liposome do tác dụng kỵ nước và tính linh động của chúng và kết quả là làm giảm sự hấp thụ liposome của các tế bào MPS [38].
- 39. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 30 c) Targeted liposome Phương pháp có nhiều triển vọng nhất đối với sự chọn lọc tế bào đích của liposome với các vị trí đặc hiệu là gắn vào bề mặt của liposome các phối tử (ví dụ như các kháng thể, đường dư lượng, protein hoặc hormone) có thể nhận ra các phân tử đặc hiệu. Các kháng thể hoặc các phối tử khác nhau như folate, transferrin, anionized albumin, dextran bám vào các thụ quan làm tăng khả năng điều hòa trên bề mặt của tế bào đích. Chúng có thể được gắn lên bề mặt của liposome bằng cách sử dụng các gai dạng neo hoặc đầu mút PEG, xen vào lớp màng kép của liposome nhờ một chất dẫn xuất của phospholipid. Liposome miễn dịch mang trên bề mặt các kháng thể cặp đôi đồng hóa trị, đảm bảo sự phân phối thuốc đến các kháng nguyên bề mặt đặc hiệu. Một số kết quả khả quan đã đạt được trên mô hình động vật trong ống nghiệm và trong cơ thể. Mặc dù đã sử dụng kháng thể người để điều trị ung thư nhưng chúng vẫn chưa được phổ biến rộng rãi trong lâm sàng. Nhiều phân tử đã được phát hiện trên bề mặt tế bào trong các điều kiện bệnh lý, vì vậy liposome miễn dịch được xem là một công cụ chẩn đoán và chữa bệnh đầy hứa hẹn trong tương lai. Tuy nhiên tính bám đặc hiệu của liposome với tế bào đích không phải lúc nào cũng dẫn đến sự phân phối thuốc có hiệu quả. Các kháng nguyên đích mà tế bào tiếp thu có thể làm trung gian phân phối thuốc nội bào hiệu quả. Vì vậy chiến lược tạo ra liposome miễn dịch được tối ưu hóa để sự phân phối thuốc và sự tiếp thu nội bào xảy ra [38]. d) Sensitive liposome - Liposome nhạy nhiệt: liposome nhạy với nhiệt đã được tổng hợp từ phospholipid với nhiệt độ chuyển pha khoảng 40ºC. Liposome này đã được sử dụng thành công trong các mô hình in vitro và in vivo nhưng chưa được đưa vào lâm sàng mặc dù sự tăng nhiệt cục bộ đã được sử dụng để điều trị kháng ung thư và nhiệt độ trên 40ºC là dễ dàng có được ở các mô khác nhau.
- 40. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 31 - Liposome nhạy với pH: để tránh sự phân hủy của lysosome, liposome nhạy pH, không ổn định và kích thích dung hợp ở pH 6 ra đời. Liposome này bao gồm một hỗn hợp phosphatidyl ethanolamine (PE) với acidic phospholipid. Ở pH 6,5; sau khi proton hóa lớp màng kép, PE chuyển pha màng kép thành pha hexagon, không bền, trở nên kích thích dung hợp và giải phóng các chất chứa trong liposome vào cytosol. Liposome nhạy pH đã được sử dụng một cách thành công trong việc làm vector chuyển nucleic acid. - Liposome nhạy với tế bào đích: liposome nhạy với tế bào đích đã được tổng hợp thành công nhờ sự bền vững của PE trong lớp màng kép với các kháng thể có nguồn gốc từ aicd béo (thường là palmitic acid). Sau khi bám vào bề mặt các tế bào đích, sự tập trung của các phân tử globulin miễn dịch ở các điểm tiếp xúc làm cho lớp màng kép của liposome không ổn định. Tại vị trí này, các chất chứa trong liposome được giải phóng vào các vùng lân cận của tế bào đích. Kỹ thuật này đã được sử dụng để phân phối các tác nhân kháng virus [38]. 1.2.4. Phương pháp tổng hợp Ngày nay, có nhiều phương pháp có thể được áp dụng để chế tạo hệ giá mang liposome, trong đó có 5 phương pháp được sử dụng phổ biến nhất, bao gồm: phương pháp hydrate hóa màng mỏng lipid; phương pháp tiêm ether, tiêm ethanol; phương pháp bay hơi pha đảo và phương pháp thẩm tách bằng chất hoạt động bề mặt. 1.2.4.1. Phương pháp hydrate hóa màng mỏng lipid Phương pháp hydrat hóa màng mỏng lipid được Bangham đưa ra và phát triển từ năm 1965 và cho đến nay vẫn là phương pháp được sử dụng nhiều để bào chế liposome nhờ vào tính tiện ích, dễ thực hiện, không yêu cầu thiết bị công nghệ cao, dễ bổ sung cải tiến và hiệu quả mang thuốc cao so với các phương pháp khác. Cách tiến hành:
- 41. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 32 - Lipid được hoà tan trong hệ dung môi và tiến hành cô quay hệ dung dịch để làm bay hơi dung môi, tăng dần nồng độ lipid trong hệ. Các phân tử lipid theo cơ chế tự hợp tạo thành các lớp màng lipid mỏng. Sau khi làm bay hơi hết dung môi, tiến hành hydrate hoá lớp màng mỏng lipid này bằng dung dịch đệm hoặc dung dịch mang thuốc. Quá trình này được tiến hành bằng cách khuấy trộn để tạo được các liposome có kích thước lớn và các liposome đa lớp. Để làm nhỏ các hạt này và tạo liposome đơn lớp, các phương pháp như: sóng siêu âm, qua màng đùn, đồng hoá… được áp dụng. - Tuỳ vào bản chất của thuốc mà thuốc được đưa vào liposome ở các giai đoạn khác nhau. Thuốc thuộc hệ ưa dầu sẽ được phân tán cùng với lipid trong dung môi ở giai đoạn đầu, hiệu suất mang thuốc khá cao và có thể đạt gần 100%. Ngược lại, nếu thuộc hệ ưa nước, thuốc sẽ được hoà tan với dung dịch đệm dùng để hydrat lớp màng lipid. Trong trường hợp này, hiệu suất thu được sẽ không cao (thấp hơn 30%) [37, 39]. Hình 1.14. Sơ đồ phương pháp hydrate hóa màng mỏng lipid 1.2.4.2. Phương pháp tiêm ether Kỹ thuật này lần đầu tiên được nghiên cứu bởi Bangham và cộng sự năm 1976.
- 42. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 33 Cách tiến hành: - Dung dịch lipid sẽ được hòa tan trong diethylether hoặc hỗn hợp ether/methanol. - Tiêm dung dịch trên vào pha nước chứa hoạt chất ở nhiệt độ 55 – 65o C hoặc dưới áp suất giảm. Trong quá trình tiêm và phân tán vào trong pha nước, ether sẽ bốc hơi và hình thành các liposome. Đối với phương pháp này, nhiệt độ của pha nước, nồng độ lipid trong ether và tốc độ tiêm là các yếu tố quan trọng cần được kiểm soát trong quá trình điều chế. Nhược điểm chính của phương pháp là liposome thu được không đồng nhất và một số thành phần của công thức có thể phân hủy dưới nhiệt độ cao [40]. 1.2.4.3. Phương pháp tiêm ethanol Cách tiến hành: - Lipid được hòa tan trong ethanol (nồng độ lipid khoảng 50 µmol/ml, đôi khi có thể đạt đến 100 µmol/ml). - Tiêm nhanh dung dịch lipid vào một lượng lớn pha nước hoặc hệ đệm ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi của phospholipid. Nồng độ ethanol sau khi tiêm trong dung dịch không vượt quá 7,5%. Quá trình tiêm có thể được tiến hành dưới áp suất giảm. Kích thước của các tiểu phân tạo thành phụ thuộc vào nồng độ lipid hòa tan trong ethanol, thông thường nồng độ phospholipid nằm trong khoảng 4 – 40 mM, kích thước của các liposome được tạo ra từ 30 – 120 nm. Phương pháp có ưu điểm là không sử dụng nhiệt độ nên các thành phần lipid ổn định, không bị phân hủy. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp là dung dịch liposome thu được có nồng độ thấp, khó khăn khi loại bỏ hoàn toàn ethanol và nhiều hợp chất sinh học bị bất hoạt trong dung dịch có ethanol. Phương pháp tiêm ether và ethanol chủ yếu thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm [39, 40].
- 43. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 34 1.2.4.4. Phương pháp bay hơi pha đảo Trong phương pháp này, lipid đóng vai trò như chất hoạt động bề mặt để phân tán pha nước chứa thuốc vào dung môi không phân cực. Sau quá trình khuấy trộn, người ta tạo được hệ micell các hạt lipid bao gói dung dịch thuốc bên trong. Tiến hành cô quay dung dịch này để bay hơi hết dung môi hữu cơ, các micell sẽ tụ hợp với nhau tạo thành các lớp gel. Tiến hành hydrate hoá gel này ta thu được hệ iposome mang thuốc. Ưu điểm của phương pháp là hiệu quả nang hóa hoạt chất cao (đạt đến 80%), có thể nang hóa các hoạt chất phân tử nhỏ, lớn và đại phân tử. Nhược điểm chủ yếu của phương pháp trải qua giai đoạn siêu âm ngắn có thể dẫn đến chia cắt hoặc làm bất hoạt một số phân tử lớn (DNA, protein), khó áp dụng khi chế tạo lượng lớn và phải dùng dung môi. Để cải thiện các nhược điểm trên đòi hỏi tỷ trọng của dung môi hữu cơ gần với tỷ trọng pha nước hoặc có thể dùng CO2 siêu tới hạn để thay cho dung môi hữu cơ (phương pháp bốc hơi pha đảo siêu tới hạn – SCRPE). Với cải tiến này có thể bào chế liposome với các dược chất kém bền như peptide [39, 40]. 1.2.4.5. Phương pháp thẩm tách bằng CHĐBM Cách tiến hành: - Dùng CHĐBM có nồng độ micelle tới hạn để hòa tan lipid. - Loại bỏ CHĐBM để làm giàu phospholipid trong micelle làm cho phospholipid kết hợp thành liposome lớn một lớp. CHĐBM có thể được loại bỏ bởi phương pháp thẩm tách. Thuận lợi của phương pháp thẩm tách CHĐBM là tạo ra liposome có kích thước đồng nhất và đảm bảo được tính lặp lại giữa các lô mẻ thí nghiệm. Nhược điểm chủ yếu của phương pháp là khó loại bỏ ra hết CHĐBM khỏi liposome. CHĐBM có thể loại bỏ bằng phương pháp thẩm tách, sắc ký gel Sephadex hoặc trao đổi ion.
- 44. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 35 1.3. LIPOSOME NANG HÓA NANO OXIDE SẮT TỪ Như đã biết, nano oxide sắt từ (ION) là một loại vật liệu có năng lượng bề mặt lớn, bên cạnh đó do cấu trúc đơn domain, các hạt ION có moment từ rất lớn xung quanh chúng. Điều này dẫn đến ION rất dễ bị kết tụ với nhau gây nhiều hạn chế cho việc ứng dụng ION, nhất là trong lĩnh vực y sinh. Nhằm ngăn sự kết tụ đồng thời bảo vệ ION khỏi sự oxi hóa, ION được biến tính bề mặt bằng nhiều tác nhân khác nhau. Trong đó có các tác nhân polymer như chitosan, poly(ethylene glycol), dextran, poly(vinyl alcohol), poly(vinyl pyrrolidone) và alginate [41-45]; các tác nhân vô cơ như silica [46]; hoặc tác nhân hữu cơ như citric acid, oleic acid [47]. Trong thời gian gần đây, việc sử dụng liposome như một phương pháp mới nhằm bảo vệ hạt ION đã thu hút nhiều sự chú ý từ các nhà khoa học. Mặc dù hạt ION trần dễ kết tụ rất khó được nang hóa vào liposome, ION có thể được bảo vệ bằng các tác nhân kể trên, sau đó nang hóa vào liposome nhằm tạo lớp bảo vệ kép. Liposome đã được biết đến là một hệ chất mang có độ tương hợp sinh học cao và khả năng nang hóa rất tốt, do đó, việc nang hóa ION vào liposome không những có thể giúp tăng hiệu quả bảo vệ ION khỏi sự kết tụ và oxi hóa, giúp tăng tính tương hợp sinh học của ION, mà còn khiến liposome có được những đặc tính quý của ION, điển hình là tính siêu thuận từ. Tính chất này có thể giúp liposome được hướng đích chủ động bằng cách áp từ trường ngoài. Ngoài ra, liposome với lớp lipid kép ưa dầu và lõi ưa nước, có thể nang hóa cùng lúc ION và các loại thuốc khác, tạo thành hệ chất mang đa chức năng có tiềm năng ứng dụng rất cao. Một số nghiên cứu điển hình trên thế giới về liposome nang hóa ION: Năm 2007, Akira Ito và cộng sự đã tổng hợp hệ liposome mang đồng thời ION (kích thước 10 nm) ở lõi và 4-S-cysteaminylphenol (4-S-CAP) ở lớp lipid kép. Tỉ lệ nang hóa ban đầu là 40 mg ION trong 15 mg lipid. Hệ chất mang được tổng hợp theo phương pháp hydrate hóa màng lipid mỏng, hydrate hóa bằng đánh xoáy và siêu âm mang lipid với dung dịch ION trong nước. Hệ chất mang có kích thước 124.5 nm khi không nang hóa 4-S-CAP, khi tăng lượng 4-
- 45. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 36 S-CAP đến 100 uM, kích thước hạt tăng, và xuất hiện kết tủa khi lượng 4-S- CAP vượt quá 100 uM [48]. Năm 2011, Katagiri và cộng sự đã tổng hợp hệ liposome biến tính copolymer nhạy nhiệt mang ION phủ oleic acid (OCION) từ phosphatidylcholine lòng trắng trứng (EYPC). Hệ chất mang được tổng hợp theo phương pháp hydrate hóa màng mỏng, hydrate hóa bằng siêu âm và ép đùn qua màng polycarbonate. Với các tỉ lệ OCION nang hóa là 0, 10 và 30% (w/w) so với khối lượng lipid, kích thước hạt của hệ trong dung môi lần lượt là 82, 141 và 131 nm [49]. Năm 2012, Frascione và cộng sự đã tổng hợp liposome nang hóa ION phủ dextran (kích thước động học 20 nm). Kích thước hệ chất mang khoảng 160- 170 nm. Với các nồng độ sắt ban đầu từ 0.5, 1.0, 2.0 và 3.0 mg/ml, hiệu suất nang hóa đạt lần lượt là 92, 75, 83 và 74%. Sau một tuần bảo quản, hiệu suất nang hóa được đo lại là 42, 72, 63 và 65%, chứng tỏ có sự phóng thích ION theo thời gian [50]. Năm 2018, Skouras và cộng sự đã tổng hợp liposome nang hóa đồng thời ION và doxorubicin trong lõi ưa nước. Đầu tiên, liposome rỗng được tổng hợp bằng phương pháp hydrate hóa màng lipid mỏng, tiếp đó dung dịch liposome được trộn với dung dịch ION, đông khô và tái hydrate hóa, sau đó ép đùn qua màng polycarbonate 100 nm. Dung dịch liposome mang ION sau đó được trộn với dung dịch doxorubicin trong 1 giờ. Sản phẩm có kích thước hạt 129.5 nm với độ đồng đều cao (PDI = 0.156), và lượng Fe nang hóa đạt 1.55 mol Fe/mol lipid [51]. Năm 2019, Szuplewska và cộng sự đã tổng hợp liposome nang hóa đồng thời ION ưa dầu (OCION) và thuốc điều trị ung thư doxorubicin. Lipid được trộn với 5% OCION trong chloroform, cô quay đuổi dung môi tạo màng mỏng, sau đó hydrate hóa bằng dung dịch doxorubicin trong nước, đông/rã đông lặp lại 8 lần, sau đó ép đùn. Kích thước hạt của liposome khoảng 110 nm. Việc nang hóa OCION vào lớp lipid kép của liposome được cho rằng sẽ làm tăng mô đun ứng suất của lớp lipid kép, khiến nó trở nên kém đàn hồi hơn và do đó
- 46. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 37 dễ bị phá vỡ dưới tác dụng của từ trường dao động có cường độ và tần số thấp nhằm giải phóng thuốc doxorubicin bên trong [52]. 1.4. QUERCETIN 1.4.1. Tính chất hóa lý Quercetin là một flavonoid, được phát hiện đầu tiên ở dạng aglycon của quercitrin có trong vỏ cây quercus tinctoria. Trong tự nhiên, quercetin phân bố rất rộng rãi và tồn tại ở nhiều dạng khác nhau dạng tự do và glycoside, điển hình như dạng 3 – glucoside tìm thấy trong ngô, hoa hòe … dạng tự do có trong lá hành, trà xanh, trà đen… [53]. Hình 1.15. Công thức phân tử của quercetin Bột màu vàng, không vị, tồn tại dạng tinh thể hình kim, đưa ra ánh sáng bị sẫm màu. Vì không bền dưới ánh sáng, cần bảo quản quercetin trong lọ sẫm màu, đặt nơi thoáng mát [54]. Ngoài ra, quercetin không ổn định khi tiếp xúc với enzyme catalase, chất oxy hóa cũng như oxy khí quyển. Sự thoái hóa này ảnh hưởng đến hiệu quả dược lý cũng như kết quả phân tích định lượng [55]. Quercetin trong methanol hấp thu năng lượng ở vùng 210 – 450 nm, cho 2 đỉnh hấp thu cực đại ở bước sóng 255 nm và 372 nm, trong ethanol cho đỉnh cực đại tại 375 nm [56]. Ở trạng thái bình thường, quercetin ngậm hai phân tử nước chuyển sang dạng khan ở 203 – 207°C. Nóng chảy ở 316 – 318°C. Độ tan trong nước 60 mg/l ở 16°C, rất tan trong ether, methanol, tan trong ethanol, acetone, pyridine, acid acetic.
- 47. tại sividoc.com Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM 38 1.4.2. Dược tính Quercetin có nhiều hoạt tính sinh học như chống oxy hóa, ức chế quá trình sinh tổng hợp của chất màu melanin trên da, chống dị ứng, chống viêm, kháng nấm, ức chế vi khuẩn Gram (+), ức chế virus HIV, điều trị bệnh gout, ngăn chặn các biến chứng của bệnh đái tháo đường [53]. Quercetin còn có tác dụng kìm hãm sự phát triển của tế bào ung thư nên được chỉ định cho điều trị một số loại ung thư như dạ dày, tuyến tiền liệt, ruột kết... - Tác dụng chống oxy hóa: Quercetin là một trong những flavonoid có hoạt tính mạnh nhất trong việc bảo vệ cơ thể chống lại các gốc tự do oxy hóa. Cơ chế chống oxy hóa của quercetin có thể là loại bỏ gốc tự do, ức chế sự peroxy hóa lipid và tạo phức chelate với ion kim loại. Bên cạnh đó, nhiều nghiên cứu đã chứng minh quercetin bảo vệ cơ thể khỏi tác dụng oxy hóa quang học của tia UVB, UVA theo cơ chế làm giảm enzym chống oxy hóa do phơi nhiễm UVB, UVA gây ra, giảm lượng malondialdehyd, chống viêm… - Ức chế quá trình sinh tổng hợp chất màu melanin trên da: quercetin ức chế hoạt động của enzym tyrosinase, enzym đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh tổng hợp chất màu melanin. Do đó, quercetin được sử dụng khá phổ biến trong mỹ phẩm và dược phẩm để điều trị các bệnh về da và làm đẹp da. - Chống dị ứng: Quercetin đã cho thấy ức chế sự phóng thích histamine bởi các tế bào mast để phản ứng với kháng nguyên. Vào cuối những năm 1970, một loại thuốc xịt mũi có chứa quercetin và các loại tinh dầu từ Artemisia abrotanum được sử dụng để điều trị 12 bệnh nhân có chẩn đoán lâm sàng viêm mũi dị ứng, dị ứng viêm kết mạc, và các bệnh lý tắc nghẽn phế quản. 10 trong số 12 bệnh nhân bị viêm mũi dị ứng và tắc nghẽn mũi, hắt hơi và chảy nước mũi, đã có sự giảm nhẹ nhanh chóng và đáng kể trong vòng 5 phút. Đối với dạng tiêm, các triệu chứng giảm trong vài giờ.
|
