LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌCT MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI …………………………………………………………… ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU………………………………………………………… GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI……………….…………………………………………… MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI…………………………………………………………… PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI……………… CÁC BƯỚC THỰC HIỆN…………………………………… ……………………….2 PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HẠT NANO TỪ……………………………………… 1.1 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA CÔNG NGHỆ NANO… ……………………………… 1.2 VẬT LIỆU NANO VÀ CÁC HIỆU ỨNG LIÊN QUAN………….……………… 1.2.1 Vật liệu nano…………………………………………………………………… 1.2.2 Các hiệu ứng đặc biệt hạt kích thước nano…………… ……………… 1.3 Vật liệu từ hạt nano oxit sắt từ Fe O …………….…………………………… 1.3.1 Vật liệu từ……………………………………………………………………… 1.3.2 Phân loại vật liệu từ………………………………………………………… 10 1.3.3 Hạt nano oxit sắt từ Fe O …………………………………………………… 13 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO HẠT NANO TỪ Fe O ……………… 17 2.1 PHƯƠNG PHÁP TỪ TRÊN XUỐNG…………………………….…………… 17 2.1.1 Phương pháp nghiền bi……………………………………………… 17 2.1.2 Phương pháp ăn mòn laser………………………………………………… 18 2.2 PHƯƠNG PHÁP TỪ DƯỚI LÊN…………….…………………………………….20 2.2.1 Chế tạo hạt nano từ tính đơn lẻ……………………………………………… 20 2.2.2 Chế tạo hạt nano từ tính bao tiểu cầu……………………………… 26 CHƯƠNG ĐIỀU KIỆN VÀ ỨNG DỤNG HẠT NANO TỪ TRONG Y SINH HỌC………………………………………………………………………… ……… 30 3.1 ĐIỀU KIỆN KHI ỨNG DỤNG HẠT NANO TỪ TRONG Y SINH HỌC… 30 3.1.1 Hạt nano từ tính tác dụng từ trường ngoài………………………… 30 3.1.2 Điều kiện ứng dụng hạt nano từ vào y sinh học……………………… 32 3.2 ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANO TỪ …………………………………………… 33 3.2.1 Ứng dụng hạt nano từ tính tự nhiên……………………………… 33 3.2.2 Ứng dụng hạt nano từ y sinh học……………………………………35 3.3 MỘT SỐ THÀNH TỰU ỨNG DỤNG HẠT NANO TỪ………………………… 48 GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN i SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌCT 3.3.1 Thành tựu nước…………………………………………………… 48 3.3.2 Thành tựu nước ngoài…………………………………………………… 49 3.4 MẶT TRÁI CỦA CÔNG NGHỆ NANO TRONG Y SINH HỌC……………… 51 PHẦN KẾT LUẬN ………………………………………………………………… 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………… 54 GVHD: Th.S DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN ii SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC PHẦN MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Công nghệ nano biết đến vài thập kỷ gần song thành tựu mà mang đến thật ấn tượng với khoa học nhân loại, Y học Sinh học xem hai lĩnh vực hưởng nhiều lợi ích từ công nghệ Và vật liệu nano mục đích nghiên cứu quan trọng bậc Các vật liệu kích thước nano có khả ứng dụng to lớn y sinh học chúng có kích thước tương thích với tế bào (10 – 100 µm), vius (20 – 450 nm), protein (5 - 50 nm), gen (2 × 10 – 100 nm) Các hạt nano có kích thước đủ nhỏ để dễ dàng thâm nhập vào thể mà không phá vỡ chức thông thường giúp thao tác quy mô phân tử tế bào Hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 với nhiều đặc điểm lý thú, kích thước từ 1-100 nm, có hiệu ứng bề mặt đặc biệt, khả tương thích cao với nhiều thực thể sinh học, điều khiển từ trường ngoài, loại vật liệu tiềm cho công nghệ nano ứng dụng vào y sinh học Các hạt nano từ bắt đầu sử dụng hàng loạt lĩnh vực y sinh chụp ảnh cộng hưởng, sensor, thăm dò, phân tích AND, điều trị ung thư xử lý nước nhiễm bẩn, Vật liệu nano từ tính thật sâu vào đời sống đại, chiếm ý nghĩa quan trọng người mà vật liệu truyền thống Nó mang đến triển vọng chiến chống bệnh tật bảo vệ môi trường Vì vậy, em chọn đề tài: Tìm hiểu hạt nano từ Fe3O4 ứng dụng y sinh học cho luận văn tốt nghiệp mình, để tổng hợp kiến thức hạt nano từ nhằm phục vụ công việc học tập nghiên cứu ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu đề tài hạt nano từ Fe3O4 ứng dụng y sinh học nước ta giới Đề tài thực phương pháp nghiên cứu lí thuyết sở khoa học phương pháp chế tạo hạt nano oxit sắt từ; phân tích ứng dụng cụ thể GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI Đề tài dừng lại mức độ tìm hiểu, nghiên cứu lý thuyết tính chất, phương pháp chế tạo ứng dụng hạt nano từ Fe3O4 y sinh học MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI - Cung cấp sở lý thuyết từ trường hạt nano từ để người đọc hiểu hạt nano từ khả ứng dụng - Tìm hiểu số phương pháp chế tạo hạt nano từ - Nêu ứng dụng quan trọng hạt nano từ Fe3O4 y sinh học - Cung cấp nhìn tổng quát hạt nano từ PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 5.1 Phương pháp nghiên cứu: Để hoàn thành đề tài này, em thực việc nghiên cứu phương pháp sau GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC - Nghiên cứu, phân tích tổng hợp tài liệu 5.2 Phương tiện thực đề tài - Tài liệu tham khảo: giáo trình, giảng, luận văn tốt nghiệp Đại học, tài liệu từ sách báo, tài liệu Internet - Phương tiện hỗ trợ: máy tính, máy in,… CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Bước 1: Lựa chọn vấn đề nghiên cứu Bước 2: Xác định đề tài Bước 3: Lập đề cương nghiên cứu sơ Bước 4: Thu thập tài liệu nghiên cứu Bước 5: Lập đề cương nghiên cứu chi tiết Bước 6: Triển khai đề tài nghiên cứu Bước 7: Xin ý kiến Giáo viên hướng dẫn, chỉnh sửa luận văn Bước 8: Viết hoàn chỉnh báo cáo luận văn GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HẠT NANO TỪ 1.1 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA CÔNG NGHỆ NANO Cuối thập niên 80, công nghệ nano bắt đầu phát triển thu nhiều thành to lớn không nghiên cứu mà mở rộng phạm vi ứng dụng nhiều lĩnh vực Ở vật liệu linh kiện nano xuất nhiều tượng, tính chất vật lý hóa học mẻ loại vật liệu khối [4] Công nghệ nano nghiên cứu ngày rộng rãi nhằm tạo vật liệu có tính chất ưu việt so với vật liệu truyền thống dựa ba sở khoa học sau: Thứ nhất, vật liệu nano mang chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử Để xét tồn tại, di động tương tác vật chất cực nhỏ, ta cần đến tư so với xiềng xích học cổ điển Các quy luật vật lý cổ điển không với hệ có kích thước nhỏ nanomet mà thay vào quy luật vật lý lượng tử, hệ quan trọng đại lượng vật lý bị lượng tử hóa Tính chất vật liệu nano vật liệu khối mà không giống hợp chất phân tử, vừa nằm vòng chi phối qui luật vật lý cổ điển vừa tùy thuộc vào thuyết lượng tử Những tính chất bao gồm tính, lý tính, quang tính, từ tính, hóa tính, biến đổi tùy vào độ lớn hạt (dây, sợi) nano, khoảng cách hạt (dây, sợi) hình dạng [10] Thứ hai hiệu ứng bề mặt Kích thước vật liệu giảm số lượng nguyên tử tập trung bề mặt chiếm tỷ lệ lớn so với số nguyên tử có vật liệu (bảng 1.1) Rõ ràng đường kính hạt giảm, tỉ số diện tích bề mặt/khối lượng hạt tăng lên nhanh Năng lượng bề mặt chiếm ưu liên kết bên lõi nhỏ, làm cho tính chất vật liệu có kích thước nano khác biệt với vật liệu khối Ưu điểm chủ yếu hạt nano diện tích bề mặt hiệu dụng chúng lớn, dễ dàng gắn kết chất liên kết khuếch tán vào mô cải thiện Chúng ứng dụng để tàng trữ khí phân tử khí hấp phụ bề mặt, ứng dụng tượng xúc tác, phản ứng xảy bề mặt chất xúc tác Mặt khác, lượng liên kết nguyên tử bề mặt bị hạ thấp cách đáng kể chúng không liên kết cách đầy đủ, kết hạt nano nóng chảy nhiệt độ thấp nhiều so với nhiệt độ nóng chảy vật liệu khối tương ứng [2] Bảng 1.1 So sánh diện tích bề mặt đường kính hạt hình cầu [2] Đường kính hạt Tỉ số diện tích bề mặt/ khối lượng 3cm2/g 30 cm2/g 30.000 cm2/g 3000.000 cm2/g 30.000.000 cm2/g cm mm µm 100 nm nm GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC Thứ ba, giới hạn kích thước vật liệu, tính chất vật lý, hóa học vật liệu thay đổi hoàn toàn kích thước mà gọi độ dài tới hạn (bảng 1.2) Vật liệu sắt từ hình thành từ đômen, lòng đômen, nguyên tử có từ tính xếp song song không thiết phải song song với mômen từ nguyên tử đômen khác Giữa hai đômen có vùng chuyển tiếp gọi vách đômen Độ dày vách đômen phụ thuộc vào chất vật liệu mà dày từ 10-100 nm Nếu vật liệu tạo thành từ hạt có kích thước độ dày vách đômen có tính chất khác hẳn với tính chất vật liệu khối ảnh hưởng nguyên tử đômen tác động lên nguyên tử đômen khác Bảng 1.2 Độ dài tới hạn số tính chất vật liệu [11] Lĩnh vực Tính chất Bước sóng điện tử Tính chất điện Tính chất từ Tính chất quang Tính siêu dẫn Tính chất Xúc tác Siêu phân tử Miễn dịch Quãng đường tự trung bình không đàn hồi Độ dài tới hạn (nm) 10-100 1-100 Hiệu ứng đường ngầm 1-10 Độ dày vách đômen 10-100 Quãng đường tán xạ spin 1-100 Hố lượng tử 1-100 Độ dài suy giảm 10-100 Độ sâu bề mặt kim loại 10-100 Độ dài liên kết cặp Cooper 0,1-100 Độ thẩm thấu Meisner 1-100 Tương tác bất định xứ 1-1000 Biên hạt 1-10 Bán kính khởi động đứt vỡ 1-100 Sai hỏng mầm 0,1-10 Độ nhăn bề mặt 1-10 Hình học topo bề mặt 1-10 Độ dài Kuhn 1-100 Cấu trúc nhị cấp 1-10 Cấu trúc tam cấp 10-1000 Nhận biết phân tử 1-10 GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC 1.2 VẬT LIỆU NANO VÀ CÁC HIỆU ỨNG LIÊN QUAN 1.2.1 Vật liệu nano Năm 1959, Giáo sư Richard Feynman (Viện Kỹ thuật Massatchusets – Mit) đưa ý tưởng công nghệ nano sau: “Thay phân chia vật chất, không từ vô nhỏ” [12] Từ nay, khoa học – công nghệ nano không ngừng nghiên cứu, phát triển xâm nhập vào đời sống người nhiều lĩnh vực khác mà đích đến chung tìm loại vật liệu với nhiều tính vượt bậc: vật liệu nano Cụ thể hơn, khoa học nano ngành khoa học nghiên cứu tượng can thiệp vào vật liệu quy mô nguyên tử, phân tử đại phân tử Khoa học nano nghiên cứu nhiều lĩnh vực như: vật lý, hóa học, y học, sinh học vài ngành khoa học liên quan Công nghệ nano việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo ứng dụng cấu trúc, thiết bị hệ thống việc điều khiển hình dáng kích thước vật liệu quy mô nanomet, tạo biến đổi hoàn toàn lý tính cách sâu sắc hiệu ứng kích thước lượng tử Vì thế, đứng trước vật liệu khối truyền thống, vật liệu nano trở nên hút đến kỳ lạ nhờ vào đặc điểm mà vật liệu thông thường Vật liệu nano vật liệu tổ hợp (composite), có chiều mang kích thước nanomet (nm, nm= 10-9 m) Ở kích thước nano, cho phép xử lý phận nhỏ vật chất [11] Nói chung, điểm lý thú của vật liệu nano có nhờ vào kích thước nhỏ bé chúng Người ta dựa vào hình thái cấu trúc nano, phân vật liệu nano thành loại sau: - Cấu trúc nano không chiều (0D), có kích thước nano theo ba chiều không gian Ví dụ: đám nano, hạt nano… - Cấu trúc nano chiều (1D), có kích thước nano theo hai chiều không gian Ví dụ: dây nano, ống nano,… - Cấu trúc nano hai chiều (2D), có kích thước nano theo chiều không gian Ví dụ: màng siêu mỏng, bề mặt - Cấu trúc nano ba chiều (3D), khối có kích thước lớn theo ba chiều không gian chứa phần tử cấu thành có kích thước nano cấu trúc có nano không chiều, chiều, hai chiều đan xen lẫn (nanocomposite) Ví dụ: vật liệu nano pha, vật liệu nano tinh thể, khối, mảng, tấm, phiến nano… Hình 1.1 Cấu trúc nano không chiều [33] GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC Hình 1.2 Cấu trúc nano chiều [33] Hình 1.3 Cấu trúc nano hai chiều [33] Hình 1.4 Cấu trúc nano ba chiều [33] 1.2.2 Các hiệu ứng đặc biệt hạt kích thước nano Ở kích thước nano, vật liệu có hiệu ứng đặc biệt hữu ích sau: 1.2.2.1 Hiệu ứng bề mặt Ở phần trên, có đề cập sơ qua hiệu ứng bề mặt Để thấy rõ đặc điểm hiệu ứng đặc biệt này, ta xét ví dụ sau: Xét hạt nano hình cầu Nếu gọi ns số nguyên tử nằm bề mặt, n tổng số nguyên tử mối liên hệ hai số ns = 4n2/3 Tỉ số số nguyên tử bề mặt tổng số nguyên tử f = ns/n = 4/n1/3= 4r0/r, r0 bán kính nguyên tử r bán kính hạt nano [2] Như vậy, kích thước vật liệu giảm (r giảm) tỉ số f tăng lên Do nguyên tử bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất nguyên tử bên lòng vật liệu nên kích thước vật liệu giảm hiệu ứng có liên quan đến nguyên tử bề mặt, hay gọi hiệu ứng bề mặt tăng lên tỉ số f tăng Khi kích thước vật liệu giảm đến nm giá trị f tăng lên đáng kể Sự thay đổi tính chất có liên quan đến hiệu ứng bề mặt tính đột biến theo GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC thay đổi kích thước f tỉ lệ nghịch với r theo hàm liên tục Chúng ta cần lưu ý đặc điểm nghiên cứu ứng dụng Hiệu ứng bề mặt có tác dụng với tất giá trị kích thước, hạt bé hiệu ứng lớn ngược lại Ở giới hạn cả, vật liệu khối truyền thống có hiệu ứng bề mặt, có điều hiệu ứng nhỏ thường bị bỏ qua Vì vậy, việc ứng dụng hiệu ứng bề mặt vật liệu nano tương đối dễ dàng Bảng 1.3 cho biết số giá trị điển hình hạt nano hình cầu Với hạt nano có đường kính nm số nguyên tử mà hạt chứa 4.000 nguyên tử, tỉ số f 40 %, lượng bề mặt 8,16×1011 (erg/mol) tỉ số lượng bề mặt lượng toàn phần 14,3 % Tuy nhiên, giá trị vật lí giảm nửa kích thước hạt nano tăng gấp hai lần lên 10 nm [13] Bảng 1.3: Số nguyên tử lượng bề mặt hạt nano hình cầu [13] Đường kính hạt nano (nm) Số nguyên tử Tỉ số nguyên Năng lượng bề tử bề mặt (erg/mol) mặt (%) Năng lượng bề mặt/Năng lượng tổng (%) 10 30.000 20 4,08×1011 7,6 4.000 40 8,16×1011 14,3 250 80 2,04×1012 35,3 30 90 9,23×1012 82,2 1.2.2.2 Hiệu ứng lượng tử Xuất phát từ giả thuyết lượng tử Planck, kỷ trôi qua thuyết lượng tử sông vượt qua nhiều khúc quanh, ghềnh thác, tập hợp phát vĩ đại theo dòng chảy để ngày hôm trở thành dòng sông to lớn đổ vào biển khoa học, trì phồn vinh hạnh phúc nhân loại [14] Một thành công nghệ nano Công nghệ nano trở thành mục tiêu cho ứng dụng tuân theo học lượng tử Từ công thức Planck: E  hv (E lượng quang tử, v tần số sóng), biểu tính hạt sóng Hai mươi năm sau, nhà vật lý người Pháp, Louise de Broglie đưa công thức bước sóng hạt với ý tưởng táo bạo cho hạt có tính sóng:  h (h: số Planck; m: khối lượng hạt;  : vận tốc hạt) m Công thức bước sóng De Broglie cho thấy có vật có kích thước khối lượng cực nhỏ cho hiệu ứng lượng tử hóa xảy thể rõ tính sóng hạt GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC Một ví dụ điển hình cho hiệu ứng lượng tử chấm lượng tử, viết tắt QD (quantum dots), hạt vật chất có kích thước nhỏ đến mức việc thêm hay bớt điện tử làm cho tính chất thay đổi hẳn Bằng cách điều chỉnh kích thước QD, người ta tạo hàng loạt ứng dụng kỹ thuật, mở đường cho hệ vật liệu với tính chất mong muốn mà không cần thay đổi thành phần hóa học vật chất Thay vào điều chỉnh kích thước hình dạng vật chất, làm cho trở nên đơn giản tiết kiệm nhiều Theo đó, kích thước hạt giảm xuống xấp xỉ bán kính Bohr xảy hiệu ứng kích thước lượng tử (quantum size effects), hay gọi hiệu ứng giam giữ lượng tử (quantum confinement effects), trạng thái electron trạng thái dao động hạt nano bị lượng tử hóa Hiệu ứng giam giữ lượng tử mô tả sau: electron vùng dẫn lỗ trống vùng hóa trị chất bán dẫn chuyển động tự khắp tinh thể, lưỡng tính sóng hạt, chuyển động hạt tải điện mô tả tổ hợp tuyến tính sóng phẳng có bước sóng vào cỡ nanomét Nếu kích thước khối bán dẫn giảm xuống, xấp xỉ giá trị bước sóng này, hạt tải điện bị giam khối thể tính chất giống hạt chuyển động hộp Những chuyển dời hạt tải điện mức lượng gián đoạn gây quang phổ vạch Hệ hạt gọi hệ bị giam giữ lượng tử Một hệ khác hiệu ứng lượng tử kể đến hiệu ứng đường hầm Trong đó, điện tử tức thời chuyển động xuyên qua lớp cách điện, với lợi này, vật liệu nano ứng dụng nhiều cho lĩnh vực điện tử Ví dụ: chip điện tử kích cỡ nano hoạt động nhanh hơn, tốn điện tử, đóng gói liệu nhiều lượng transistor thông thường 1.3 VẬT LIỆU TỪ VÀ HẠT NANO OXIT SẮT TỪ Fe3O4 1.3.1 Vật liệu từ Từ học môn khoa học lâu đời Vật lý Vật liệu từ theo mà hình thành phát triển mạnh mẽ đến ngày hôm nay, với nhiều ứng dụng to lớn thiết thực vào đời sống sản xuất Chúng ta bắt gặp chúng khắp nơi từ vật dụng ngày thiết bị y tế tinh vi có kích thước nano Vậy vật liệu có chất gì? Vật liệu từ loại vật liệu mà tác dụng từ trường bị từ hóa, tức có tính chất từ đặc biệt Đặc trưng tính chất từ vật liệu độ từ hóa độ cảm từ [11] - Độ từ hóa moment từ trung bình mẫu vật (hoặc đơn vị thể tích mẫu vật) Nếu từ trường không thật lớn độ từ hóa M tỷ lệ với cường độ từ trường H: M=  H GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC Một nghiên cứu thử nghiệm tăng thân nhiệt thỏ cho thấy nhiệt độ bên bên u bướu (hai đường cùng) cao nhiều so với nhiệt độ vùng xung quanh (những đường dưới) (hình 3.11) Thực nghiệm tính toán cho biết tỉ số phát nhiệt vào khoảng 100 mW/cm3 đủ hầu hết trường hợp thực nghiệm Tần số biên độ từ trường thường dùng dao động khoảng f = 0,05 - 1,2 MHz, H < 0,02 T Mật độ hạt nano cần thiết vào khoảng 5-10 mg/cm3 Vật liệu dùng để làm hạt nano thường magnetite maghemite có tính sắt từ siêu thuận từ Phần lớn thí nghiệm tiến hành với hạt siêu thuận từ Với hạt siêu thuận từ, áp dụng từ trường xoay chiều hạt hưởng ứng tác dụng từ trường Sự hưởng ứng thể chuyển động quay vật lý quay mômen từ hạt Hai trình quay đặc trưng hai thông số thời gian hồi phục Brown (  B) thời gian hồi phục Néel (  N) Với kích thước hạt cho trước tổn hao Brown thắng tần số thấp, tổn hao Néel thắng tần số cao Tính toàn lượng nhiệt thoát hạt nano siêu thuận từ dựa mô hình Debye lần tính cho chất lỏng phân cực Phương trình tính công suất thoát nhiệt hạt nano siêu thuận từ không tương tác tác dụng từ trường xoay chiều cho công thức sau: P =  0f”  H2 Trong  từ thẩm môi trường, f tần số từ trường xoay chiều,  ” thành phần ngược pha độ cảm từ phức (độ hấp thụ), H cường độ từ trường [21] Nếu chuyển động hạt nano từ tính ngược pha so với từ trường phần lượng từ chuyển thành nội hệ Một chất lỏng từ đặc trưng tốc độ hấp thụ riêng (specific absorption rate - SAR) có đơn vị W/g Tích số SAR với mật độ hạt nano từ tính cho công suất thoát nhiệt hạt nano Ngoài khả thoát nhiệt hạt siêu thuận từ, hạt sắt từ ứng cử viên đốt nhiệt từ Công suất đốt nhiệt hạt sắt từ phụ thuộc vào diện tích đường cong từ trễ P =  0f  HdM Công suất thoát nhiệt sắt từ lớn từ trường lớn đến 100 kA/m Tuy nhiên ứng dụng thực tế, từ trường đặt vào khoảng 15 kA/m nên công suất phát nhiệt sắt từ thường nhỏ công suất phát nhiệt siêu thuận từ Với chất lỏng từ tốt giá trị SAR đạt giá trị 45 W/g từ trường cỡ 5,6 kA/m, tần số 300 kHz 3.2.2.4 Diệt khuẩn E.coli Khuẩn E.coli nguyên 1/3 số trường hợp tiêu chảy, người bị nhiễm E.coli nghiêm trọng bị rối loạn máu suy thận Việc chuẩn đoán nhiễm khuẩn gặp nhiều khó khăn triệu chứng lâm sàng không đặc hiệu E.coli thường có nguồn nước sinh hoạt khó tiêu diệt thuốc khử trùng nước GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 41 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC Hình 3.12 Khuẩn E.coli [11] Để phòng tránh nhiễm E.coli cách hiệu quả, giữ gìn vệ sinh ăn uống, có phương pháp hiệu sử dụng hạt nano có lõi oxit sắt Fe3O4 bao phủ lớp vỏ bạc (Ag) để diệt khuẩn E.coli Ta biết từ xa xưa, người biết dùng bạc chế tạo dụng cụ chứa đồ ăn, nước uống để trị bệnh Thậm chí chiến tranh, bạc dùng để điều trị nhiễm trùng trước thuốc kháng sinh đời Ion bạc có khả biến đổi cấu trúc gây tổn thương màng tế bào vi khuẩn, tác dụng với AND làm cho vi khuẩn tái tạo mARN để tạo protein Những biến đổi làm cho vi khuẩn phát triển chậm cuối bị tiêu diệt Ngày nay, với phát triển công nghệ nano, người chế tạo hạt nano từ có kích thước nhỏ, diện tích bề mặt tiếp xúc lớn mang theo ion bạc dễ dàng tác động thâm nhập qua lớp màng tế bào vi khuẩn Vì thế, tác dụng diệt khuẩn hiệu Nếu không dùng bạc để bao bọc người ta gắn lên hạt nano từ chất thuốc đặc trị khuẩn E.coli xảy tình trạng kháng thuốc Thông qua nghiên cứu ỏi chưa thể đánh giá hết tác động hạt nano đến sức khỏe người Tuy nhiên khẳng định tác nhân góp phần làm môi trường, chất độc hại với thể người Quy trình thực nghiệm mô tả sau : - Trên đĩa thạch (môi trường thuận lợi cho phát triển khuẩn Ecoli) có đục lỗ hình trụ có bán kính 0,9cm, vị trí đánh dấu A, B, C, D chứa thể tích 200µl mẫu (hình 3.13), giữ đĩa thạch nhiệt độ 40C 4h để hạt nano mẫu (nếu có) khuếch tán vị trí xung quanh chứa chúng Sau tiến hành nuôi cấy vi khuẩn Ecoli lên đĩa thạch Đĩa thạch giữ 370C (là điều kiện để vi khuẩn phát triển bình thường) Sau 16h kể từ nuôi cấy vi khuẩn số vi khuẩn nhân lên đáng kể Sau ta tiến hành quan sát mặt thạch đĩa: GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 42 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC - Những chỗ mẫu có hạt nano mang màu sáng vi khuẩn sinh sôi Từ hoạt tính mẫu xác định bán kính trung bình vùng gọi bán kính vùng kháng sinh, lớn chứng tỏ hạt khuếch tán lớn Từ kết ta khẳng định hoạt tính diệt khuẩn lớn C D B A Hình 3.13 Đĩa thạch nuôi cấy khuẩn E.coli [11] Việc chế tạo hạt nano oxit sắt từ bao phủ bạc để diệt khuẩn nguồn nước sinh hoạt thuốc chữa trị cho người bị nhiễm E.coli thay hạt nano hoàn toàn làm từ bạc giảm chi phí chế tạo giá thành bạc cao so với oxit sắt từ Bên cạnh sử dụng gradient từ trường điều khiển chế hoạt động theo mong muốn 3.2.2.5 Phát virus bệnh Để xác định người có bị dương tính với virus viêm gan B, viêm gan C đưa liệu pháp điều trị thích hợp phải biết số lượng virus hoạt động có máu Muốn vậy, bác sĩ phải định xét nghiệm sinh học phân tử để phát định lượng virus Các xét nghiệm dựa theo phương pháp phải tốn 24 thực hiện, khâu tách chiết chất liệu di truyền virus tốn nhiều thời gian ổn định Sử dụng nano từ có độ nhạy cao rút ngắn thời gian xét nghiệm sinh học phân tử để phát theo dõi điều trị đặc hiệu loại bệnh viêm gan B, viêm gan C, virus cúm, sốt xuất huyết,… Chỉ cần 15 phút, loại virus có huyết tương người bị “dụ” hạt nano từ Sở dĩ sử dụng nano từ phát loại virus nhanh nano từ giúp tách chiết DNA, RNA (chất liệu di truyền vi sinh vật) cách nhanh Nhờ đặc tính từ tính, chất liệu di truyền virus sau bám vào hạt nano từ tách chiết dễ dàng plate từ cần rửa chất liệu di truyền tinh để làm tiếp xét nghiệm Do đó, khoảng cho xét nghiệm cho ta kết GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 43 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC 3.2.2.6 Tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ Các hạt nano oxit sắt từ hợp chất chứa Gd thường sử dụng tác nhân làm tăng độ tương phản cộng hưởng từ Mặc dù mômen từ proton nhỏ thể động vật có lượng lớn proton nên tạo hiệu ứng đo cách: tác dụng từ trường cố định có cường độ 1T với từ trường xoay chiều vuông góc với từ trường cố định hấp thụ cộng hưởng xảy Nếu tác dụng từ trường tĩnh cố định có cường độ B0 = T có ba phần triệu proton định hướng theo phương từ trường B0 Tín hiệu đo hấp thụ cộng hưởng sau: tác dụng từ trường xoay chiều vuông góc với từ trường cố định B0 có tần số tần số tuế sai Larmor  0=  B0 (  hệ số từ cơ) proton hấp thụ cộng hưởng xảy Với hạt nhân nguyên tử hiđrô 1H, tỉ số từ 2,67x108 rad/(s.T) Tần số tuế sai Larmor tương ứng với tần số sóng vô tuyến có giá trị 42,57 MHz Khi có mặt từ trường cố định, proton tuế sai xung quanh hướng từ trường Khi từ trường xoay chiều phát ra, cường độ từ trường yếu nhiều so với từ trường cố định tần số tần số tuế sai nên mômen từ proton hướng theo phương từ trường xoay chiều, tức vuông góc với từ trường cố định Thực tế người ta tác dụng từ trường xoay chiều theo xung, độ dài xung đủ lớn để tạo hưởng ứng liên kết mômen từ mà máy đo đo Khi từ trường xoay chiều ngừng tác động, mômen từ trở lại phương từ trường cố định (xem hình 3.14) Một cuộn dây thu tín hiệu thu lại thời gian hồi phục mômen từ proton trở lại phương từ trường B0 sau khuyếch đại 50 – 100 lần Theo hình 3.13, B0 song song với trục z, tín hiệu hồi phục cho [21]: mz = m[1-exp(-t/T1)] mx,y = m sin(  0t +  )exp(-t/T2) Trong thời gian hồi phục dọc T1 (spin-mạng) thời gian hồi phục ngang T2 (spin-spin), t thời gian  số pha T1 đặc trưng cho mát nhiệt lượng môi trường xung quanh phép đo thể liên kết từ spin môi trường Hồi phục theo phương x, y tương đối nhanh điều khiển lệch liên kết pha proton tuế sai tương tác từ proton với với mô men thăng giáng mô T2 đặc trưng cho lệch pha proton với từ trường xoay chiều Tuy nhiên lệch pha bất đồng từ trường nên giá trị T2 thay giá trị T2* [21].: 1/T*2 = 1/T2 +  B0/2  B0 biến thiên từ trường cố định biến dạng địa phương từ trường thay đổi độ cảm từ Các giá trị T1 T2* giảm có mặt hạt nano từ tính Sự có mặt chúng làm nhiễu loạn từ trường địa phương nên làm T2 thay đổi giá trị nhiều Giá trị T1 thay đổi mức độ yếu GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 44 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC Từ trường xoay chiều tác dụng thường khởi động theo từ xung Các thông số quan trọng chu kì xung (thời gian hai xung liên tiếp) thời gian trễ (thời gian bật xung đến đo tín hiệu) Chu kì ngắn tăng hiệu ứng T1, chu kì dài làm cho proton đạt trạng thái hồi phục dọc hoàn toàn nên làm giảm T1 Thời gian trễ ngắn làm giảm T2, thời gian trễ dài làm tăng T2 Như ta thu tín hiệu dựa T1 (tối ưu hóa chu kì giảm thời gian trễ) T2 (chu kì thời gian trễ dài) Tín hiệu Thời gian biên độ Tín hiệu Thời gian biên độ Hình 3.14 Cơ chế cộng hưởng từ hạt nhân [21] (a) Mômen từ proton tuế sai xung quanh từ trường T, (b) Một từ trường xoay chiều tần số tần số tuế sai mô men từ tác dụng làm cho mômen từ hướng theo phương từ trường xoay chiều, (c) Sau tắt từ trường xoay chiều mô men từ hồi phục theo phương từ trường T Thời gian hồi phục tín hiệu máy đo Thời Thời gian gian Hình 3.15 Thời gian hồi phục có mặt hạt nano từ tính (a) hạt nano từ tính (b) [21] GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 45 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC Ví dụ, hạt nano oxit sắt bao phủ dextran có tính tương hợp sinh học đào thải qua gan sau sử dụng Các hạt nano phát màng lưới nội mô thể Độ tương phản ảnh cộng hưởng từ hạt nhân dựa tượng mô khác hấp thu khác Ví dụ hạt nano có đường kính 30 nm nhanh chóng vào gan tì quan khác chậm Như vậy, mật độ hạt nano quan khác nhau, dẫn đến nhiễu loạn từ trường địa phương khác làm tăng độ tương phản ảnh cộng hưởng từ thời gian hồi phục bị thay đổi từ mô đến mô khác Những hạt có kích thước nhỏ có thời gian tồn thể lâu màng lưới nội mô nhận biết chúng khó Các hạt nano chất tương phản MRI đến tủy xương, mạch máu, hệ thần kinh Chú ý màng lưới nội mô tế bào ung thư hoạt động không hiệu tế bào khỏe mạnh thông thường Do đó, thời gian hồi phục proton tế bào ung không bị ảnh hưởng nhiều Dựa điều người ta xác định hạch bạch huyết, ung thư gan ung thư não Hạt nano từ tính chức hóa để liên kết với số mô định có tác dụng đánh dấu hiệu Hình 3.16 cho thấy ảnh MRI não chuột để phát tế bào gốc cấy vào não Hình có sử dụng tế bào gốc đánh dấu hạt nano từ tính, hình không đánh dấu Độ tương phản tế bào đánh dấu khác biệt hẳn so với độ tương phản tế bào không đánh dấu Ngoài đánh dấu từ tính áp dụng để quan sát thể gen công nghệ gen để nghiên cứu trình chết tế bào Hình 3.16 Ảnh MRI não chuột [21] 3.2.2.7 Xử lý nước nhiễm bẩn Ô nhiễm môi trường diễn nhiều nơi, đặc biệt ô nhiễm nguồn nước Nhiều nhà nghiên cứu kỹ sư khẳng định, công nghệ nano đảm bảo giải pháp hiệu bền vững sử dụng hạt nano để xử lý nước gây ô nhiễm so với phương pháp truyền thống đòi hỏi nhân công, vốn, đất đai lượng Các chất xúc tác nano hạt nano từ tính ví dụ công nghệ nano biến nước ô nhiễm nặng thành nước uống, hợp vệ sinh làm nước tưới Các chất xúc tác có kích thước nano có đặc tính xúc tác hiệu Chúng phân hủy mặt hóa học chất ô nhiễm thay đẩy chúng đến nơi khác, kể chất ô nhiễm mà công nghệ có xử lý không hiệu đòi hỏi chi phí cao GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 46 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC Kích thước nano cho phép xử lý phận nhỏ vật chất Hoạt động kích thước nano liên kết nguyên tử phân tử để khai thác dễ dàng đặc điểm vật chất Giống xây dựng mô hình từ viên gạch Lego, hình dung việc tạo vật liệu thay đổi vật liệu cũ Trong ứng dụng lọc nước, vật liệu làm điều chỉnh để lọc kim loại nặng độc tố sinh học Các vật liệu kích thước nano thường có đặc tính quang học dẫn điện khác với vật liệu loại có kích thước nhỏ hay lớn Ví dụ, titan oxit nano chất xúc tác hiệu titan oxit có kích thước nhỏ Có thể sử dụng titan oxit nano để phân hủy chất ô nhiễm hữu xử lý nước Tuy nhiên, nhiều trường hợp, kích thước nhỏ hạt nano sản xuất làm cho vật liệu độc mức bình thường Nhiều thiết bị xử lý nước sử dụng công nghệ nano có mặt thị trường với thiết bị khác tung thị trường hay trình phát triển Màng lọc nano ứng dụng phổ biến để xử lý muối hòa tan chất ô nhiễm có kích thước nhỏ, làm mềm nước xử lý nước thải Màng lọc nano đóng vai trò rào cản vật lý, ngăn chặn hạt vi sinh vật lớn lỗ màng lọc loại bỏ có chọn lọc chất ô nhiễm Hình 3.17 Sản phẩm máy lọc nước ứng dụng công nghệ nano thân thiện với môi trường (do viện Hàn lâm Nga sản xuất) [12] Các hạt nano từ tính có diện tích bề mặt lớn tỷ lệ với thể tích chúng dễ dàng liên kết với hóa chất Trong ứng dụng xử lý nước, hạt nano từ tính dùng để liên kết với chất ô nhiễm asen hay dầu mỏ để loại bỏ chất ô nhiễm nam châm Một số công ty thương mại hóa công nghệ nhà nghiên cứu thường xuyên công bố phát lĩnh vực Việc ứng dụng công nghệ Nano vào xử lý nước thải cần thiết cấp bách Chúng ta cần nắm bắt, có chiến lược đầu tư tiếp tục đưa công nghệ Nano ứng dụng hiệu vào thực tiễn sản xuất đời sống GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 47 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC 3.3 MỘT SỐ THÀNH TỰU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TỪ 3.3.1 Thành tựu nước Ở Việt Nam, tiếp cận với công nghệ nano năm gần có bước chuyển tạo sức hút lĩnh vực đầy cam go, thử thách [22] Nước ta nỗ lực tắt đón đầu, vào tháng 8/2006 Cần Thơ tổ chức Hội thảo khoa học toàn quốc ứng dụng công nghệ nano, với đăng đàn nhiều nhà khoa học nước Nhà nước dành khoản ngân sách lớn cho chương trình nghiên cứu công nghệ nano cấp quốc gia với tham gia nhiều trường Đại học Viện nghiên cứu Công nghệ Nano chứng minh ứng dụng hiệu thực tiễn sản xuất đời sống Lần Việt Nam, quy trình xét nghiệm sinh học phân tử phát định lượng virus công nghệ nano từ thử nghiệm thành công Việc ứng dụng nano từ vào xét nghiệm tìm virus viêm gan B, viêm gan C TS-BS Phạm Hùng Vân, giảng viên môn vi sinh, khoa Y, Đại học Y Dược TP.HCM TS Nguyễn Chánh Khê Trung tâm Công nghệ cao TP.HCM thực Thành công góp phần rút ngắn thời gian xét nghiệm sinh học phân tử để phát theo dõi điều trị đặc hiệu loại bệnh viêm gan B, viêm gan C, virus cúm, sốt xuất huyết [24] Gần đây, Hội đồng Khoa học, ngành Khoa học Vật liệu- Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam (Viện HLKHCNVN) vừa phối hợp với Hội Nội khoa Việt Nam tổ chức hội thảo “Ứng dụng công nghệ Nano Y Dược học, bước đầu ứng dụng Nano Curcumin phòng trị bệnh” Do sản phẩm có kích thước nano dễ dàng xâm nhập vào mô, dịch thể tế bào Với dược chất tan, công nghệ nano giúp tăng độ tan, tăng khả hấp thu, trì nồng độ cao máu, tăng hiệu điều trị, giảm liều lượng thuốc cho bệnh nhân, giảm độc tính, đặc biệt với hoạt chất điều trị ung thư Theo Giáo sư Nguyễn Văn Hiệu, việc lần nước ta ứng dụng thành công công nghệ Nano vào sản xuất dược đánh dấu bước khởi đầu hiệu cho mô hình hợp tác chuyển giao đề tài nghiên cứu nhà khoa học nhà sản xuất Đồng thời, bước tiến ngành hóa dược Việt Nam việc đưa sản phẩm nghiên cứu khoa học vào thực tiễn sống GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 48 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC Hình 3.18 Ảnh minh họa cho viên nang Nano Curcumin [31] Với tình trạng ô nhiễm môi trường nước trầm trọng nước ta, việc ứng dụng công nghệ Nano vào xử lý nước thải cần thiết cấp bách Với tính ưu việt công nghệ Nano từ, mùi hôi màu nước thải giải nhanh chóng, đảm bảo tất tiêu ô nhiễm có nước thải xử lý đạt chuẩn mà phương pháp trước đáp ứng Mới đây, nhà Silver Sea Tower (Vũng Tàu) ứng dụng công nghệ vào giải vấn đề nước thải hộ gia đình sinh sống nơi Toà nhà cao 21 tầng, với quy mô gồm 89 hộ, lượng nước thải chất thải sinh hoạt hàng ngày thải môi trường lớn, đòi hỏi Ban quản lý nhà phải có giải pháp để xử lý lượng nước thải đảm bảo tiêu chuẩn mà Luật Môi trường Việt Nam cho phép, xả thải vào hệ thống thoát nước chung thành phố Vũng Tàu Trước yêu cầu này, Ban quản lý nhà tìm hiểu định chọn công nghệ Nano để xử lý nước thải sinh hoạt cư dân sinh sống nơi Ngoài ứng dụng xử lý nước thải, công nghệ Nano dùng xử lý khí thải, chất thải nguy hại đạt hiệu cao bảo vệ môi trường chi phí đầu tư, vận hành 3.3.2 Thành tựu nước Tin vui từ nhà nghiên cứu y khoa thuộc trường đại học Keele Nottingham Anh, họ tìm cách khắc phục tái tạo xương bị gãy hạt nano từ tính Quá trình phục hồi phần xương bị gãy ghép phận giả thường khiến bệnh nhân đau đớn nhiều thời gian tập vật lý trị liệu, trường hợp vết thương nặng người bệnh khó cử động [25] Trong nghiên cứu này, chuyên gia cho phần xương bị gẫy phát triển trở lại cách đưa hạt nano từ có mang loại protein kích thích tăng trưởng, giúp kích thích tế bào gốc tái tạo xương Các thử nghiệm ban đầu thực xương đùi gà cho thấy phương pháp giúp tăng mức độ phát triển xương mật độ xương mà không ảnh hưởng đến mô xung quanh GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 49 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC Với kỹ thuật nói trên, hứa hẹn giúp ích cho bệnh nhân bị chấn thương mắc chứng rối loạng xương, loãng xương Hình 3.19 Ảnh chụp X-quang phần xương gẫy tái tạo lại hạt nano từ [25] Các nhà khoa học Hàn Quốc phát triển hạt nano từ tính có khả phá hủy tế bào ung thư tác động từ trường Theo đó, nhóm nghiên cứu Giáo sư Cheon Jin-woo thuộc Đại học Jonsei tiến hành thí nghiệm chống ung thư chuột thành công, hiệu chữa bệnh hạt nano cao nhiều so với loại thuốc chống ung thư thông thường Tuy nhiên chưa kiểm nghiệm thể người Tại nước nghèo, năm có hàng nghìn trường hợp nhiễm độc nước giếng nước bị ô nhiễm asen Các nước phát triển Hoa Kỳ cho đời số sản phẩm ứng dụng khắc phục ô nhiễm asen, điển hạt nano từ tính xử lý asen Đại học Rice sản xuất: hạt nano từ gồm ion oxit nước liên kết với asen, sau loại bỏ nam châm Các nhà nghiên cứu Tổ chức nghiên cứu Khoa học Khối thịnh vượng Oxtraylia chế tạo hydrotalcite, loại đất sét có lỗ kích thước nanomet hấp thụ asen loại bỏ asen khỏi nước Các nhà nghiên cứu đề xuất loại bao gói cho sản phẩm giống “túi chè nhúng” để phục vụ người có thu nhập thấp Có thể nhúng “túi chè” vào nguồn cung cấp nước khoáng 15 phút trước uống, bán túi chè qua sử dụng cho quyền địa phương thúc đẩy hoạt động tái chế xử lý chất thải có chứa asen [26] Công nghệ nano góp phần cải tiến công nghệ màng đồng thời làm giảm chi phí lớn quy trình khử mặn Các nhà khoa học phát triển loại vật liệu có lỗ nano hoạt động hiệu thiết bị lọc truyền thống Ví dụ nghiên cứu Nam Phi chứng minh màng lọc nano lọc nước an toàn từ mạch nước ngầm mặn Ở Ấn Độ, Nga Hoa Kỳ phát triển thiết bị lọc ống nano cácbon xử lý vi khuẩn vius hiệu GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 50 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC 3.4 MẶT TRÁI CỦA CÔNG NGHỆ NANO TRONG Y SINH HỌC Công nghệ nano lĩnh vực công nghệ mới, ứng dụng thành công y dược thời gian qua hứa hẹn tiếp tục phát triển tương lai Tuy vậy, nhà chuyên môn có cảnh báo mặt trái việc ứng dụng công nghệ Một vài kết nghiên cứu gần hạt nano sắt (Fe) ống nano ngắn gây rủi ro cho sức khỏe người động vật Các hạt nano ôxit sắt (Fe3O4) ứng cử viên quan trọng cho ứng dụng dẫn thuốc diệt tế bào, u ác tính Do sắt thành phần tế bào động vật có vú (ví dụ Fe tế bào hồng cầu) nên người ta cho hạt nano có chứa Fe hoàn toàn vô hại cho sinh vật Hình 3.20 Hình ảnh hạt nano Fe3O4 [32] Tuy nhiên đây, nhóm nghiên cứu đứng đầu Sungho Jin, cộng Đại học California, San Diego quan sát thấy hiệu ứng độc xuất tế bào thần kinh bao phủ hạt nano sắt từ Khi đặt hạt nano vào tế bào, nhiều tế bào bị chết số khác bị suy giảm khả sinh sản neuron thần kinh - tế bào cần thiết cho việc truyền dẫn tín hiệu thần kinh (hình 3.21) Hình 3.21 Hình chụp tế bào thần kinh PC12 bị bao phủ hạt nano oxit sắt (Kết nhóm Đại học California, San Diego) [32] GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 51 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC Nhóm thứ hai đứng đầu Matthew Becker cộng Viện Tiêu chuẩn Công nghệ Quốc gia (NIST, Mỹ) phát ống nano đơn vách ngắn 200 nm dễ dàng chui vào tế bào phổi Đồng thời với nghiên cứu này, nhóm Becker (NIST) phát tế bào phổi dễ dàng hấp thu ống nanocarbon đơn thường có bao phủ DNA mà kích thước ống ngắn 200 nm Tùy thuộc vào nồng độ vật liệu nano mà tế bào bị chết gây hiệu ứng nhiễm độc khác Trái lại, ống nano dài 200 nm chui vào tế bào (hình 3.22) Màng tế bào Hình 3.22 Kết nhóm NIST đăng Advanced Materials: Các ống nanocarbon xuyên qua tế bào phổi người [32] Mặc dù kết chưa khoa học xác nhận chứng thực, trình nghiên cứu, không nên bỏ qua cảnh báo loại vật liệu không hoàn toàn vô hại nghĩ Bên cạnh vấn đề sức khỏe, số nhà môi trường lo ngại công nghệ sử dụng vật liệu cỡ phân tử tạo chất gây ô nhiễm có kích thước siêu nhỏ Khi chất ô nhiễm loại ngấm vào máu nước ngầm dù thân hạt nano không gây nguy hiểm, chúng phản ứng với chất khác có hại Do ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ người, môi trường khó kiểm soát Trong tương lai gần, với đầu tư sáng suốt có trách nhiệm phủ nước tiên tiến việc nghiên cứu độc tính nano, bóng dáng tử thần vật liệu nano sáng tỏ [27] Tóm lại, để hạt nano từ tính phát huy tiềm ứng dụng mà đảm bảo sức khỏe người việc sản xuất hạt nano tương lai cần nghiên cứu kỹ, xét mặt ảnh hưởng chúng môi trường sức khỏe GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 52 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC PHẦN KẾT LUẬN Sau trình tìm hiểu đề tài, đặc biệt sâu vào tìm hiểu hạt nano từ Fe3O4, em có nhìn khái quát khoa học - công nghệ nano nói chung hạt nano oxit sắt từ nói riêng Đến bây giờ, hoàn thành luận văn này, em cảm thấy yêu thích công nghệ nano vật liệu nano từ Bởi chúng mang đến cho thân em nhìn mẻ giới vật chất, không đứng yên bất động ta nghĩ mà ngược lại linh động biến hóa Công nghệ nano liên quan đến việc lợi dụng tượng kích thước nanomet để thiết kế vật liệu vật chất với chức đặc biệt từ thang nguyên tử, phân tử Đề tài tổng hợp đầy đủ phương pháp chế tạo hạt nano từ phổ biến phân tích cụ thể ưu nhược điểm phương pháp Sản phẩm tạo thành sử dụng vào ứng dụng y sinh học cách điều khiển từ trường ngoài, hạt nano sắt từ trở thành robot mini đến chăm sóc sức khỏe điều trị bệnh mao mạch, tế bào thể Hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 tỏ có ích với người từ ứng dụng in-vitro ứng dụng in-vivo, xóa nỗi ám ảnh đau đớn, suy nhược thể bệnh quái ác ung thư gây hay tình trạng ô nhiễm nguồn nước khiến nước ngày khan Trái đất Tuy vậy, bên cạnh mặt lợi hạt nano từ tính ẩn chứa không mối hiểm họa, ảnh hưởng đến sức khỏe môi trường giới chuyên môn cảnh báo Hạt nano oxit sắt từ Fe 3O4 giống dao hai lưỡi, không cẩn trọng nghiên cứu sử dụng, người tự hủy hoại sống Đề tài trình bày đầy đủ khía cạnh hạt nano từ mà cụ thể tính chất, cách chế tạo ứng dụng hạt nano oxit sắt từ Fe3O4, cho thấy nhìn khách quan bao quát loại vật liệu này: không ưu hay khắc khe với mà thể hiện, hoàn thành mục đích mà đề tài đặt Do hạn chế kiến thức chuyên ngành nên đề tài em dừng lại mức độ tìm hiểu Với em, đề tài hay có tính ứng dụng thực tiễn cao Hy vọng tài liệu giúp ích cho sinh viên chuyên ngành vật lý y khoa công việc học tập nghiên cứu Đồng thời, trải qua trình thực khóa luận này, hình thành em niềm say mê nghiên cứu khoa học thái độ học tập, làm việc chín chắn Sau hoàn thành đề tài này, em vận dụng kiến thức tìm hiểu công nghệ nano hạt nano sắt từ để phục vụ vào công việc học tập giảng dạy, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm mà em tích lũy cho học sinh Trong tương lai có điều kiện học lên cao, em hy vọng tiếp tục nghiên cứu chế tạo hạt nano oxit sắt từ bao bọc tiểu cầu, ứng dụng cách tốt vào đời sống người GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 53 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Khắc Bình, Nguyễn Nhật Khanh (2006), Vật lý chất rắn, NXB ĐHQG TPHCM [2] Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ cấu trúc nanô điện tử học Spin, NXB ĐHQG Hà Nội [3] Nguyễn Phú Thuỳ (2003), Vật lý tượng từ, NXB ĐHQG Hà Nội [4] J S Murday, The Coming Revolution: Science and technology of Nanoscale structure, The AMPTIAC Newsletter, Spring, 66 (2002), 5-12 [5] K Wormuth, 2001 J Colloid Interface Sci 241 366 [6] R.S Tebble, D.J Craik (1969), Magnetic Materials, John Wiley and Sons Ltd [7] Patricia Berger, Journal of Chemical Education, Vol 76, No 07, July (1999) [8] Messing G L, Zhang S and Jayanthi G V 1993 J Am Ceram Soc 76 2707 [9] Tartaj P, Gonzalez-Carreno T and Serna C J 2001 Adv Mater 13 1620 [10] http://vietsciences.free.fr/giaokhoa/vatly/vatlyluongtu/chlt-vatlieunano.htm [11]http://luanvan.co/luan-van/che-tao-hat-nano-fe3o4-va-khao-sat-mot-so-tinh-chat-dactrung-362/ [12] http://www.baodaklak.vn/channel/3489/201108/Cong-nghe-Nano-cong-nghe-thanthien-voi-moi-truong-2089961/ [13] http://hoahocngaynay.com/vi/hoa-hoc-hien-dai/vat-lieu-moi/2-hat-nanokimloai.html [14] http://www.sem.com/analytic/sem.htm [15] http://vi.wikipedia.org/wiki/C%C3%B4ng_ngh%E1%BB%87_nano [16] http://vi.wikipedia.org/wiki/%C4%90%C3%B4men_t%E1%BB%AB [17] http://vi.wikipedia.org/wiki/%C4%90%C6%A1n_%C4%91%C3%B4men [18] http://khoahoc.tv/congnghemoi/phat-minh/the-gioi/16128 [19] http://vi.wikipedia.org/wiki/Nghi%E1%BB%81n_bi_%C4%91%E1%BB% [20] http://123doc.org/document/199386-nghien-cuu-phuong-phap-an-mon-laser-de-chetao-cac-hat-nano-kim-loai.htm [21] http://user.hus.edu.vn/nguyenhoanghai/che-tao-hat-nano-o-xit-sat [22] http://vatlynano.org/index.php?threads/c%C3%B4ng-ngh%E1%BB%87-nano [23] http://tusach.thuvienkhoahoc.com/wiki/Ch%E1%BA% [24] http://nld.com.vn/khoa-hoc/phat-hien-virus-bang-nano-tu-217808.htm [25]http://khoahoc.tv/doisong/yhoc/suc-khoe/57377_tai-tao-xuong-bang-cac-hat-nano-tutinh.aspx [26] http://ww.scribd.com/doc/28307436/gi%E1%BB%9Bi-thi%E1%BB87u [27] http://www.diendan.org/khoa-hoc-ky-thuat/nano-trong-y-hoc [28] http://doc.edu.vn/tai-lieu/khoa-luan-hat-nano-tu-tinh-fe3o4-tinh-chat-va-ung-dungde-danh-dau-te-bao-va-xu-li-nuoc-bi-nhiem-ban-53657/ GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 54 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC [29]http://vi.wikipedia.org/wiki/V%E1%BA%ADt_li%E1%BB%87u_t%E1%BB%AB_ m%E1%BB%81m [30]http://vi.wikipedia.org/wiki/V%E1%BA%ADt_li%E1%BB%87u_t%E1%BB%AB_c%E1% BB%A9ng [31]http://bka.vn/forum/threads/cong-nghe-nano-va-nhung-ung-dung-trong-thuctien.67388/ [32] http://khoahoc.tv/doisong/ung-dung/14136_doc-tinh-trong-hai-loai-vat-lieu-nanopho-thong.aspx [33] http://tailieu.vn/doc/bai-giang-vat-lieu-cau-truc-nano-nguyen-anh-tuan-1635301.htm [34] http://vi.scribd/doc/256735665/Sơ-lược-về-từ-học-và-vật-liệu-từ.htm [35] http://123doc.org/document/2399551-bai-giang-ve-vat-lieu-tu-cau-truc-nano-pgs-tstran-hoang-hai.htm GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 55 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN [...]... VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC CHƯƠNG 3 ĐIỀU KIỆN ỨNG DỤNG VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANO TỪ TRONG Y SINH HỌC 3.1 ĐIỀU KIỆN ỨNG DỤNG HẠT NANO TỪ TRONG Y SINH HỌC Trong y học, để chữa bệnh ung thư người ta đã và đang tìm cách đưa các phân tử thuốc đến đúng các tế bào ung thư qua các hạt nano đóng vai trò là “xe tải kéo”, tránh được hiệu ứng phụ g y ra cho các... XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC 1.3.3 Hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 Trong tất cả vật liệu từ có cấu trúc nano, hạt nano oxit sắt Fe3O4 luôn được các nhà khoa học trong lĩnh vực y học, dược học và công nghệ sinh học quan tâm đặc biệt Đó là nhờ vào khả năng hưởng ứng mạnh theo từ trường ngoài Có một câu hỏi được đặt ra là đặc điểm nào đã làm cho từ. .. được tiêm từ bên ngoài vào có tính sắt từ và siêu thuận từ Hình 3.2 Mô hình minh họa sự chuyển động của các hạt nano từ tính trong mạch máu Các thành phần trong mạch máu có tính chất từ khác nhau Đường cong từ hóa của các chất nghịch từ (DM), thuận từ (PM), sắt từ (FM) và siêu thuận từ (SPM) [21] 3.1.2 Điều kiện ứng dụng hạt nano từ vào trong y sinh học Công nghệ nano nói chung và hạt nano từ Fe3O4 nói... NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC - Độ cảm từ , là tỷ số của độ từ hóa và từ trường, biểu hiện sự hưởng ứng của vật liệu với từ trường ngoài:    Độ từ cảm n y có thể âm hoặc dương, thường được tính theo đơn vị thích hợp sao cho độ từ cảm không có thứ nguyên T y thuộc vào cách hưởng ứng của vật liệu từ trong từ trường, chúng được chia làm hai nhóm chính: vật liệu từ. .. từ trễ của vật liệu từ mềm và một số thông số trên đường trễ [29] Vật liệu từ mềm a)Vật liệu từ mềm trong kỹ thuật b) Quả cầu chắn từ bằng vật liệu từ mềm Hình 1.6 Một số hình ảnh ứng dụng của vật liệu từ mềm [29] GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 9 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC - Vật liệu từ cứng: là vật liệu có từ trường khử từ. .. n y cho các ứng dụng y sinh học GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 16 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO HẠT NANO TỪ Fe 3 O 4 Gần 20 năm qua, để khai thác triệt để sự khác biệt ở mức tế bào cho việc trị liệu ung thư, vật liệu học và hóa học đã g y dựng nên những phương pháp cực kỳ tinh vi hình thành những. .. không g y hại Vì v y, hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 đạt đủ các điều kiện để có thể ứng dụng vào trong y sinh học, gánh vác lên mình sứ mệnh lớn cho một tương lai tươi sáng hơn trong cuộc chiến chống bệnh tật và bảo vệ môi trường 3.2 ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANO TỪ 3.2.1 Ứng dụng của hạt nano từ tính trong tự nhiên Magnetite (công thức hóa học Fe3O4) là một tên gọi khác của oxit sắt từ, được biết đến từ rất lâu... biệt về độ cảm từ của hạt nano từ và nước (môi trường hạt nano từ tính nằm trong đó) Vm là thể tích của hạt nano Đại lượng trong ngoặc là mật độ năng lượng từ tĩnh GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 31 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC Với oxit sắt, giá trị  lớn hơn 0 nên các hạt nano từ tính phân tán trong nước sẽ bị hút về phía cực... HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC 2.2.2.4 Phương pháp hóa hơi trong chân không Đ y là phương pháp đơn giản thường được dùng nhất để chế tạo tiểu cầu polymer có chứa hạt nano từ tính oxit sắt Polymer thường được dùng nhất là polystyrene Dưới đ y là ví dụ chế tạo tiểu cầu polystyrene có kích thước khoảng vài trăm nm có các hạt nano từ tính phân tán bên trong Hạt nano Fe3O4 được chế tạo... thước từ 2 nm – 15 nm GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 20 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC Cơ chế tổng hợp hạt nano Fe3O4 x y ra đồng thời hai phản ứng với tỉ phần mol hợp lí Fe3+/Fe2+ = 2 trong môi trường kiềm có độ pH từ 9 – 14, trong điều kiện thiếu oxi: Fe3+ + H2O Fe(OH)x3-x Fe2+ + H2O Fe(OH )y2 -y Thông qua quá trình oxi hóa và dehydrat ... HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC CHƯƠNG ĐIỀU KIỆN ỨNG DỤNG VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANO TỪ TRONG Y SINH HỌC 3.1 ĐIỀU KIỆN ỨNG DỤNG HẠT NANO TỪ TRONG Y SINH HỌC Trong y học, để... THỊ MỸ XUYÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HẠT NANO TỪ Fe3O4 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC 1.3.3 Hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 Trong tất vật liệu từ có cấu trúc nano, hạt nano oxit sắt Fe3O4 nhà... ứng dụng hạt nano từ Fe3O4 y sinh học MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI - Cung cấp sở lý thuyết từ trường hạt nano từ để người đọc hiểu hạt nano từ khả ứng dụng - Tìm hiểu số phương pháp chế tạo hạt nano từ