VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ NGOAN NGHIÊN CỨU, TỔNG HỢP, ĐẶC TR

Bản ghi

1 VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ NGOAN NGHIÊN CỨU, TỔNG HỢP, ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU LAI VÔ CƠ (Ag, Fe3O4) HỮU CƠ (CHITOSAN) CẤU TRÚC NANO ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC HÀ NỘI 2016

2 VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ...*** NGUYỄN THỊ NGOAN NGHIÊN CỨU, TỔNG HỢP, ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU LAI VÔ CƠ (Ag, Fe3O4) HỮU CƠ (CHITOSAN) CẤU TRÚC NANO ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC Chuyên ngành: Vật liệu cao phân tử và tổ hợp Mã số: Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Trần Đại Lâm 2. PGS.TS. Nguyễn Tuấn Dung Hà Nội 2016

3 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận án này do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của người hướng dẫn khoa học. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong luận án khác. Tác giả luận án NCS. Nguyễn Thị Ngoan

4 LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Trần Đại Lâm, PGS.TS. Nguyễn Tuấn Dung đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình hoàn nghiên cứu cũng như hoàn thiện luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Phạm Gia Điền cùng tập thể phòng Công nghệ các chất có Hoạt tính sinh học - Viện hóa học; Phòng Nghiên cứu ứng dụng và triển khai công nghệ - Viện Kỹ thuật nhiệt đới; GS. Jeung Sang Go phòng thí nghiệm trọng điểm NExT MEMS Trường Đại học Pusan Hàn Quốc đã tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành các nhiệm vụ nghiên cứu cũng như hoàn thiện bản luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến phòng sau đại học Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, Khoa Hóa học - Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện để tôi hoàn thiện luận án. Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã động viên trong suốt quá trình thực hiện luận án! Tác giả luận án Nguyễn Thị Ngoan

5 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT... 5 DANH MỤC CÁC BẢNG... 7 DANH MỤC CÁC HÌNH... 8 MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chitosan Giới thiệu chung về chitosan Tổng hợp và tính chất của chitosan Ứng dụng của chitosan trong lĩnh vực y sinh Curcumin Nanocompozit chitosan/nano kim loại Nanocompozit chứa hạt nano bạc trên nền chitosan Hạt nano bạc Các tính chất đặc trưng và ứng dụng Các phương pháp chế tạo Nanocompozit chứa hạt nano bạc trên nền chitosan (CS/AgNPs) Nanocompozit chứa hạt nano sắt từ trên nền CS (CS/MNPs) Hạt nano sắt từ Các tính chất và ứng dụng Các phương pháp chế tạo Nanocompozit chứa hạt nano sắt từ trên nền chitosan (CS/MNPs) Nanocompozit chứa hạt nano bạc và hạt nano sắt từ trên nền chitosan (CS/AgNPs-MNPs) Nanocompozit bạc - sắt từ (AgNPs-MNPs) Các tính chất và ứng dụng Các phương pháp tổng hợp Nanocompozit chứa hạt nano bạc, hạt nano sắt từ trên nền chitosan (CS/AgNPs-MNPs)

6 CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM Nguyên liệu và hóa chất Phương pháp thực nghiệm Phương pháp chế tạo nanocompozit chứa nano bạc trên nền chiosan (CS/AgNPs) Phương pháp sử dụng chất khử NaBH Phương pháp không sử dụng chất khử Phương pháp đưa nanocompozit CS/AgNPs lên trên bề mặt vải Phương pháp mang curcumin lên vật liệu CS/AgNPs Chế tạo nanocompozit chứa hạt nano sắt từ trên nền chitosan (CS/MNPs) Phương pháp đồng kết tủa Phương pháp oxi hóa kết tủa Phương pháp phân tán CS/MNPs trong CS biến tính với chất phát quang Chế tạo nanocompozit chứa hạt nano bạc- sắt từ trên nền chitosan (CS/AgNPs-MNPs) Phương pháp chế tạo nanocompozit CS/AgNPs-MNPs Phương pháp mang curcumin lên vật liệu CS/AgNPs-MNPs Thực nghiệm đốt nhiệt cảm ứng từ Các phương pháp nghiên cứu Phương pháp xác định cấu trúc nanocompozit Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) Phương pháp xác định hình thái học nanocompozit Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Phương pháp hiển vi điện tử quét xạ trường FESEM Phương pháp nghiên cứu tính chất hóa, lý, sinh của nanocompozit Phương pháp từ kế mẫu rung (VSM)

7 Phương pháp phổ tử ngoại khả kiến (UV-vis) Phương pháp phổ huỳnh quang Phương pháp thử hoạt tính sinh học CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Nanocompozit chứa hạt nano bạc trên nền chitosan (CS/AgNPs) Chế tạo nanocompozit CS/AgNPs Phương pháp sử dụng chất khử NaBH Phương pháp gia nhiệt Phương pháp sử dụng lò vi sóng Đặc trưng cấu trúc Hình thái học Tính chất lý, hóa, sinh học Tính chất quang Hoạt tính sinh học Khả năng mang curcumin Tóm tắt kết quả phần Nanocompozit chứa hạt nano sắt từ trên nền chitosan Đặc trưng cấu trúc Hình thái học Tính chất lý, hóa, sinh học Tính chất từ Tính chất huỳnh quang Khả năng ứng dụng y sinh của CS/MNPs trong kênh vi lưu Tóm tắt kết quả phần 3.2: Vật liệu nanocompozit chứa nano sắt từ, nano bạc trên nền chitosan (CS/AgNPs-MNPs) Cấu trúc Hình thái học Tính chất hóa, lý, sinh học Tính chất siêu thuận từ

8 Hoạt tính sinh học Khả năng mang curcumin Tóm tắt kết quả phần Kết luận chung Định hướng nghiên cứu tiếp theo Một số điểm mới của luận án Danh mục các công trình công bố của nghiên cứu sinh TÀI LIỆU THAM KHẢO

9 AgNPs Bs Ca CS CS/NPs CS/AgNPs1 CS/AgNPs2 CS/AgNPs3 CS/MNPs CS/MNPs1 CS/MNPs2 CS/MNP3 CS-FITC Cur DCM DD DOX Ec EDX FESEM FMNPs FITC IC 50 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Nano bạc Bacillus subtilis Candida albicans Chitosan Nanocompozit chứa nano kim loại trên nền chitosan Nanocompozit chứa nano bạc trên nền chitosan chế tạo bằng phương pháp khử NaBH 4 Nanocompozit chứa nano bạc trên nền chitosan chế tạo bằng phương pháp dùng chitosan điều kiện gia nhiệt Nanocompozit chứa nano bạc trên nền chitosan chế tạo bằng phương pháp dùng chitosan trong lò vi sóng Nanocompozit chứa nano sắt từ trên nền chitosan Nanocompozit chứa nano sắt từ trên nền chitosan chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa dưới dòng nitơ trơ Nanocompozit chứa nano sắt từ trên nền chitosan chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa trong hệ vi lưu Nanocompozit chứa nano sắt từ trên nền chitosan chế tạo bằng phương pháp oxy hóa kết tủa Chitosan biến tính với florescien isothiocyanat Curcumin Diclometan Độ đề axetyl hóa Doxorubicin Escherichia coli Phương pháp phổ tán xạ năng lượng Hiển vi điện tử quét xạ trường Nanocompozit nano sắt từ trên nền chitosan gắn chất phát quang Fluorescein isothiocyanat Nồng độ ức chế tối thiểu 50% vi khuẩn, vi nấm 5

10 La Lactobacillus fermentum MNPs Nano sắt từ Fe 3 O 4 M S Pa Sa Se SEM TEM TLC XRD UV-vis VSM Từ độ bão hòa Pseudomonas aeruginosa Staphylococcus aureus Salmonella enteric Hiển vi điện tử quét Hiển vi điện tử truyền qua Sắc ký lớp mỏng Nhiễu xạ tia X Hấp thụ ánh sáng tử ngoại vùng nhìn thấy Từ kế mẫu rung 6

11 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Thông tin về cấu trúc tinh thể của một số oxit sắt Bảng 2.1. Các điều kiện sử dụng tổng hợp CS/ MNPs2 trong kênh vi lưu Bảng 3.1. Hàm lượng các nguyên tố trong CS/AgNPs Bảng 3.2. Kết quả xác định IC50 trên vi khuẩn và nấm của nanocompozit CS/AgNPs Bảng 3.3. Các vị trí hấp thụ chính của CS, MNPs và CS/MNPs Bảng 3.4. Bảng thành phần các nguyên tố trong CS/AgNPs-MNPs Bảng 3.5. Các thông số Ts, dt/dt và SLP của chất lỏng từ CS/AgNPs-MNPs tại các giá trị khác nhau của từ trường Bảng 3.6. Các thông số Ts, dt/dt của chất lỏng từ CS/AgNPs-MNPs tại các nồng độ khác nhau Bảng 3.7. Kết quả kích thước vòng vô khuẩn trên 2 chủng vi khuẩn E. Coli và P. aeruginosa

12 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc hoá học của chitin Hình 1.2. Sơ đồ chuyển hóa chitin thành chitosan Hình 1.3. Các khả năng biến tính chitosan Hình 1.4. Công thức hóa học của curcumin Hình 1.5. Ứng dụng nanocompozit polyme/kim loại trong y sinh Hình 1.6. Quá trình tạo phức của ion kim loại với chitosan Hình 1.7. Cấu trúc lập phương tâm mặt của bạc kim loại Hình 1.8. Cơ chế kháng khuẩn của AgNPs Hình 1.9. Cấu trúc tinh thể Fe 3 O Hình Sơ đồ hình thành nano Fe 3 O 4 trong mạng lưới CS [134] Hình Cơ chế hình thành Fe 3 O 4 trên bề mặt chitosan [67] Hình Sơ đồ vật liệu compozit lai hoá dị thể AgNPs-MNPs Hình 2.1. Sơ đồ các phương pháp chế tạo CS/AgNPs Hình 2.2. Chế tạo CS/MNPs1 sử dụng hệ khuấy trộn trong điều kiện trơ Hình 2.3. Mô hình chế tạo CS/MNPs2 trong hệ thống vi lưu Hình 2.4. Sơ đồ quá trình tổng hợp CS/MNPs Hình 2.5. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm đốt nhiệt cảm ứng từ Hình 2.6. Đường đốt nhiệt từ Hình 3.1. (A) Phổ UV-vis của CS/AgNPs trước và sau khi khử bằng NaBH 4 trong 30 phút; (B) Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào thời gian khử Hình 3.2. Phổ hấp thụ UV-vis của CS/AgNPs2 với các nhiệt độ phản ứng khác nhau Hình 3.3. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào thời gian khử Hỉnh 3.4. (A) Phổ UV-vis của nanocompozit trước và sau khi khử trong lò vi sóng trong 10 phút; (B) Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang của CS/AgNPs3 vào thời gian khử Hình 3.5. Ảnh chụp dung dịch chứa CS/AgNPs1 và CS/AgNPs3 sau khi bổ sung HCl

13 Hình 3.6. Phổ IR của nanocompozit CS/AgNPs và CS Hình 3.7. Giản đồ nhiễu xạ tia X của: (A) CS và (B) CS/AgNPs Hình 3.8. Phổ EDX của CS/AgNPs Hình 3.9. Ảnh FESEM của: (A) CS; (B) CS/AgNPs1,(C) CS/AgNPs2; (D) CS/AgNPs Hình Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của: (A) CS/AgNPs1, (B) CS/AgNPs2 và (C) CS/AgNPs Hình Sơ đồ Lamer mô tả quá trình hình thành hạt nano Hình Phổ hấp thụ UV-vis của CS/AgNPs1, CS/AgNPs2 và CS/AgNPs Hình Ảnh FESEM của bề mặt sợi vải polyeste: (A) trước khi tẩm, (B) sau khi tẩm CS/AgNPs2, (C) sau khi tẩm CS/AgNPs Hình Hoạt tính kháng khuẩn E.Coli của vải tẩm CS/AgNPs2 và CS/AgNPs Hình (A) Ảnh chụp dung dịch nước chứa CS/AgNPs và CS/AgNPs-Cur; (B) TLC định tính Cur trong CS/AgNPs-Cur Hình Phổ hấp thụ UV-VIS của (A) CS/AgNPs và (B) CS/AgNPs-Cur Hình Giản đồ XRD của nanocompozit CS/MNPs1, CS/MNPs2 và CS/MNPs Hình Phổ IR của CS, MNPs và CS/MNPs Hình Ảnh FESEM của: (A) CS; (B) CS/MNPs1, (C) CS/MNPs2; (D) CS/MNPs Hình Ảnh TEM của CS/MNPs2, FMNPs-M1 và FMNPs - M Hình Công thức cấu tạo CS-FITC Hình Từ độ bão hòa của nanocompozit CS/MNPs1, CS/MNPs2 và CS/MNPs Hình Từ độ bão hòa của CS/MNPs và FMNPs M1, FMNPs-M Hình Phổ hấp thụ UV-vis của các mẫu FMNPs Hình Phổ phát huỳnh quang (PL) của các mẫu FMNPs Hình Ảnh hưởng của từ trường ngoài đến chuyển động của FMNPs Hình Giản đồ XRD của CS/MNPs và CS/AgNPs-MNPs

14 Hình Phổ EDX vật liệu nanocompozit CS/AgNPs-MNPs Hình 3.29: Ảnh FESEM của vật liệu CS/AgNPs-MNPs Hình Ảnh TEM của vật liệu nanocompozit CS/AgNPs-MNPs Hình Từ độ bão hòa của CS/MNPs và and CS/AgNPs-MNPs Hình Đường cong nhiệt trị của chất lỏng từ CS/AgNPs-MNPs (1 mg/ml) tại các giá trị từ trường khác nhau Hình Đường cong nhiệt trị của chất lỏng từ CS/AgNPs-MNPs tại các nồng độ khác trong từ trường 80 Oe Hình Sự phụ thuộc của nhiệt độ bão hòa vào nồng độ của CS/AgNPs-MNPs Hình Hình ảnh đĩa thạch xác định vòng vô khuẩn các vi khuẩn E. Coli Hình Hình ảnh đĩa thạch xác định vòng vô khuẩn các vi khuẩn P.aeruginosa của CS/AgNPs, CS/MNPs, CS/AgNPs-MNPs Hình Phổ hấp phụ UV-vis của CS/AgNPs, CS/AgNPs-MNPs, CS/AgNPs- MNPs Cur

15 MỞ ĐẦU Công nghệ và vật liệu nano là lĩnh vực còn khá mới mẻ nhưng đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học. Nhiều thành tựu ứng dụng trong các ngành vật liệu điện tử, quang điện tử, vật liệu từ, y sinh học đã được nghiên cứu và phát triển thành công [6, 83, 87]. Vật liệu polyme nanocompozit, kết quả của sự kết hợp giữa polyme và vật liệu nano, đã thể hiện được các ưu điểm của các thành phần chất gia cường nano và pha phân tán polyme. Lý thuyết, mô hình chế tạo và ứng dụng của loại vật liệu này cũng đã và đang được quan tâm chú ý. Ngoài các ứng dụng vượt trội của vật liệu polyme nanocompozit trong các lĩnh vực như xây dựng, điện tử, gia dụng do tính chất cơ lý nổi trội của vật liệu nanocompozit như tăng độ bền, chịu nhiệt, giảm độ thấm khí. Ngày nay, vật liệu nanocompozit đã được quan tâm hơn cho các ứng dụng sinh học dựa vào khả năng tương thích sinh học và phân hủy sinh học của một số loại polyme sinh học kết hợp với các tính năng đặc biệt như tính chất từ, tính chất quang của các chất gia cường nano. Trong số các polyme sinh học, chitosan đã và đang thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. [5, 9, 70, 86]. Chitosan là sản phẩm đề axetyl hóa chitin, có nguồn gốc từ phế phẩm của ngành chế biến thủy hải sản, là polyme có hàm lượng đứng thứ 2 trong tự nhiên (sau xenlulo) [86]. Chitosan mang đầy đủ đặc trưng ưu việt của chitin như: (i) có tính tương thích sinh học và không độc hại, (ii) có khả năng phân hủy sinh học, (iii) có tính hấp phụ cao. Thêm vào đó, các chất gia cường nano như hạt nano bạc, nano sắt từ cũng đã được chế tạo và ứng dụng thành công trong các ứng dụng trong lĩnh vực y sinh, trong chẩn đoán và điều trị bệnh do mang các tính chất từ và tính chất quang cũng như tính kháng khuẩn thú vị [1, 7, 15, 28, 32, 46, 97]. Vật liệu polyme nanocompozit kết hợp chất gia cường nano bạc, nano sắt từ trên nền polyme chitosan hứa hẹn sẽ tăng cường ứng dụng của loại vật liệu này trong lĩnh vực y sinh. Chính vì vậy mục tiêu của luận án này là chế tạo vật liệu nanocompozit đa chức năng chứa nano bạc, nano sắt từ trên nền chitosan nhằm kết hợp các tính chất quý báu 11

16 riêng rẽ của các vật liệu thành phần, tạo ra hệ polyme nanocompozit đa chức năng có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh. Với các lý do nêu trên, đề tài không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn có ý nghĩa thực tiễn to lớn. 12

17 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Chitosan Giới thiệu chung về chitosan Chitosan (CS) là dạng đề axetyl hóa từ chitin, có cấu trúc polysacarit. Chitin có chủ yếu trong vỏ cứng của các loại giáp xác như tôm, cua, mực, tảo biển, vỏ của bọ cánh cứng Vì vậy sản lượng chitin rất lớn, đứng thứ hai trong số các polyme thiên nhiên (sau xenlulo) [86]. Chitin là một polysacarit tồn tại dạng tinh thể có ba dạng thù hình α, β, γ, khác nhau ở sự sắp xếp các mạch phân tử trong tinh thể và tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu [70]. Trong vỏ tôm, cua, chitin chiếm tỉ lệ khá cao (14%-35%), phần lớn là dạng α - chitin, là loại có cấu trúc mạch ngược chiều nhau đều đặn. Ngoài liên kết hydro trong một lớp và hệ chuỗi còn có lực liên kết giữa các lớp, do các chuỗi thuộc lớp gần nhau nên rất bền vững. β-chitin thường được tách ra từ mai mực ống, loại này trong tự nhiên ít hơn α-chitin. Còn γ-chitin được tách ra từ sợi kén của bọ cánh cứng, loại này có rất ít trong tự nhiên. Hiện nay phần lớn chitin được sản xuất từ vỏ tôm do có tiềm năng về nguồn nguyên liệu. Vỏ tôm sau khi tách protein, khoáng, loại bỏ chất màu thu được chitin [70]. Việt Nam có hơn 3260 km chiều dài bờ biển với lãnh hải rộng 12 hải lý, hơn 1 triệu km 2 vùng biển đặc quyền kinh tế, 3600 hòn đảo lớn nhỏ và gần 7000 loài động vật biển có sản lượng khai thác ước tính 1,5 triệu tấn/năm là điều kiện rất thuận lợi cho việc khai thác đánh bắt hải sản [1]. Thêm vào đó, chúng ta còn có 2860 sông ngòi với tổng diện tích khoảng ha với tổng lượng dòng chảy gần 867 tỷ m 3 /năm, 112 vùng cửa sông, ha ao hồ, ha đầm lầy và gần 1 triệu ha đất ngập mặn là những điều kiện thiên nhiên rất thuận lợi cho việc phát triển ngành nuôi trồng, đánh bắt và chế biến thủy hải sản. Cùng với sự phát triển của ngành chế biến thủy hải sản, lượng chất thải cũng ngày càng lớn, ước tính lượng chất thải rắn lên tới 0,04-0,05 tấn/tấn sản phẩm, là nguồn nguyên liệu tự nhiên dồi dào và rẻ tiền. Tuy vậy, chúng mới được sử dụng khoảng 70% để làm thức ăn gia súc, phân bón, phần còn lại không kịp tiêu thụ, bị phân hủy thối rữa gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Chất thải rắn ngành chế biến thủy hải sản 13

18 đang là mối quan tâm đặc biệt của xã hội, với tổng lượng chất thải rắn lên đến tấn/năm, riêng ngành chế biến tôm đã là hàng nghìn tấn/năm [1]. Do đó việc nghiên cứu tái sử dụng chúng thành các sản phẩm hữu ích là rất quan trọng Tổng hợp và tính chất của chitosan Chitin có công thức phân tử dạng đơn giản là (C 8 H 13 O 5 N)n, được tạo thành từ các phân tử N-axetyl-D-glucosamin và được nối với nhau bởi liên kết β-(1-4)- glycozit. Cấu trúc phân tử của chitin gần giống xenlulo, trong đó nhóm hyđroxyl của xenlulo được thay bằng nhóm axetamino (hình 1.1) [66]. Chitin không tan trong nước và trong các dung môi hữu cơ. Chitin chỉ bị đứt mạch trong axit và kiềm đặc. Độ trơ về mặt hóa học đã hạn chế tiềm năng ứng dụng của chitin. Hình 1.1. Cấu trúc hoá học của chitin Chitosan (CS) là dẫn xuất của chitin, là sản phẩm của quá trình đề axetyl hóa chitin trong môi trường kiềm ở nhiệt độ cao hoặc sử dụng enzym (hình 1.2). NaOH Enzym Hình 1.2. Sơ đồ chuyển hóa chitin thành chitosan 14

19 Độ đề axetyl hóa (DD): là tỷ lệ phần trăm nhóm -NH 2 thay thế nhóm - NHCOCH 3 trong phân tử chitin. Theo quy ước, nếu phân tử có DD 50% gọi là chitosan, DD < 50% gọi là chitin [48]. Trong cấu trúc của phân tử CS có các nhóm chức năng dễ dàng biến tính hóa học. Các nhóm chức -OH bậc 1, -OH bậc 2 và các nhóm NH 2 là các trung tâm hoạt động hóa học của CS. Trên nguyên tử O, N của các nhóm này còn đôi điện tử chưa phân chia, được xem như những tác nhân nucleophin và có thể tham gia vào một số phản ứng chuyển hóa [53]. Hình 1.3. Các khả năng biến tính chitosan Phản ứng vào nhóm amin: Nhóm amin có khả năng nhận proton từ axit loãng theo cân bằng phản ứng: Chito-NH 2 + CH 3 COOH Chito-NH 3 + CH 3 COO - Nếu chuyển ph của phản ứng tới giá trị ph=7-8, phản ứng sẽ chuyển dịch theo hướng ngược lại, tạo gel CS. 15

20 Nhóm amin của CS còn có khả năng tham gia phản ứng với anđehit tạo liên kết imin. Phản ứng vào cả hai nhóm chức hydroxyl và amin - Phản ứng thế với axit monocloaxetic - Phản ứng thế với ankyl halogen Để các phản ứng này xảy ra ở một trong hai nhóm chức (nhóm -NH 2 hoặc nhóm -OH) phải tiến hành khóa một nhóm, ví dụ khóa nhóm -NH 2 bằng cách tạo phức với các kim loại chuyển tiếp Ứng dụng của chitosan trong lĩnh vực y sinh Tương tự xenlulo, CS là polyme thiên nhiên có khả năng tương thích sinh học và phân hủy sinh học. Trong công thức phân tử của CS chứa các nhóm chức năng linh động với ưu điểm bán tổng hợp đơn giản và nguồn nguyên liệu dồi dào, do đó CS được lựa chọn thay thế tinh bột và xenlulo trong nhiều ứng dụng y sinh học, tạo ra các dẫn xuất mang thuốc nhả chậm hoặc chất nền tương thích sinh học với cơ thể. Một số lượng lớn các công trình nghiên cứu nhận định rằng CS có tiềm năng ứng dụng to lớn trong công nghiệp dược nhờ độ tương thích sinh học cao, tỷ lệ điện tích cao, không độc và không gây ra các phản ứng miễn dịch [31, 34, 49, 74]. CS không chỉ cải thiện độ phân tán của các thuốc khó tan trong nước mà còn ảnh hưởng đáng kể đến chuyển hóa chất béo trong cơ thể. Các gel được hình thành thông qua tương tác của CS với các tác nhân polyanion như polyphosphat, sulfat, glutaraldehit có ứng dụng rộng rãi trong các chế phẩm điều trị ngoài da dạng gel (kem trị sẹo) [74], các chế phẩm uống và chế phẩm yêu cầu độ tiệt trùng cao (các loại thuốc tiêm) [109]. Trong công nghiệp bào chế dược phẩm, CS đã được nghiên cứu làm tá dược dính, tá dược rã, tá dược độn trong bào chế viên nang, chất mang thuốc có khả năng nhả chậm...[74]. Đồng thời CS cũng được nghiên cứu như là một hoạt chất có tác dụng giảm đau, hạ cholesterol, chữa bệnh dạ dày, chống động tụ máu, tăng sức đề kháng, chữa xương khớp [31]. Ngoài ra, CS được dùng làm vật liệu sinh học mới thay thế trong y sinh học và dược phẩm. CS được ứng dụng làm chỉ khâu tự tan trong phẫu thuật, thay thế 16

21 các loại chỉ truyền thống, do CS có đặc tính bền với dịch mật, dịch tụy và nước tiểu [49]. Trong các trường hợp bị bỏng, CS có thể tạo màng xốp hút nước mạnh, và giúp cho oxy thấm qua màng vào mô tổn thương rất dễ dàng, tạo điều kiện bình phục nhanh [31]. Trong điều trị vết thương, CS có tác dụng cầm máu, đẩy nhanh quá trình phát triển các tế bào ở vùng mô bị thương, tăng cường hoạt động của enzym chitinase và lysozym, giúp mau lành vết thương và giảm nhiễm trùng [49]. Gần đây, CS cũng được nghiên cứu dạng ống nhằm mục đích tái sinh dây thần kinh [38]. CS là vật liệu có tiềm năng ứng dụng cao trong lĩnh vực y sinh học. Dựa vào các đặc tính quý của một polyme thiên nhiên sẵn có và rẻ tiền, vật liệu CS cần được khai thác sâu hơn nữa, điều này không những có ý nghĩa khoa học mà còn có ý nghĩa kinh tế vô cùng to lớn. Tại Việt Nam, việc nghiên cứu chế tạo chitin, CS từ nguồn phế thải ngành chế biến tôm, thuỷ hải sản, phát triển các ứng dụng thực tế đã và đang được quan tâm mạnh mẽ. Nhóm tác giả Trần Thị Luyến, Trường Đại học Thuỷ sản Nha Trang, là những người lần đầu tiên công bố quy trình sản xuất chitin, chitosan [9]. Sau đó, nhiều cơ sở khoa học cũng tham gia nghiên cứu: Trường Đại học Nông lâm - Thành phố Hồ Chí Minh, Viện Hoá học - Viện Hàn lâm KHCNVN [5], Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thuỷ sản 2. Với đặc tính tương thích sinh học và phân hủy sinh học tốt, CS được Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đánh giá rất cao về tiềm năng ứng dụng trong y sinh dược học [48]. Việc tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi, khả năng ứng dụng của CS vẫn luôn là vấn đề thời sự, thu hút sự quan tâm của đông đảo các nhà khoa học trong và ngoài nước Curcumin Curcumin (Cur) là hoạt chất được chiết suất từ củ nghệ vàng (Curcuma longa), Cur là các dẫn xuất của feruloylmetan có màu vàng cam là hỗn hợp gồm 3 chất chính: curcumin, demethoxycurcumin và bis-demethoxycurcumin thường gọi chung là các curcuminoit [71]. 17

22 O O R1 R2 OH OH R1=R2=OCH3 : Curcumin R1=OCH3 ; R2=H : Demethoxycurcumin R1=R2=H : Bis-demethoxycurcumin Hình 1.4. Công thức hóa học của curcumin Về cấu trúc hoá học, curcuminoit chứa các nối đôi liên hợp có khả năng hấp thụ ánh sáng nên có màu vàng, đồng thời Cur cũng có khả năng phát quang tương đối mạnh. Cur đã được chứng minh có nhiều tính chất sinh học quý như: tác dụng kháng viêm, giảm đau, ức chế các gốc oxy hóa, hỗ trợ điều trị ung thư [71]. Khả năng hỗ trợ điều trị ung thư của Cur thực hiện qua các cơ chế đặc biệt như: cơ chế diệt tế bào ung thư theo chương trình, cơ chế ức chế tế bào ung thư [91]. Chính vì vậy, Cur ngày càng thu hút mạnh mẽ sự quan tâm các nhà nghiên cứu, trong cả lĩnh vực hợp chất thiên nhiên (chiết tách) và lĩnh vực hóa dược (bào chế), nhằm tăng sinh khả dụng của Cur. Tuy nhiên, Cur có nhược điểm là kém tan trong nước, chỉ tan trong các dung môi hữu cơ. Mặt khác, quá trình bán tổng hợp để tạo ra các dẫn xuất Cur tan trong nước có thể làm mất hoạt tính của Cur [91]. Để khắc phục nhược điểm này, các nhà khoa học tập trung nghiên cứu tăng khả năng phân tán của Cur trong nước, bằng cách mang Cur trên các hệ vật liệu kích thước nano [17, 95] Theo hướng nghiên cứu này, nanocompozit trên cơ sở CS là vật liệu đặc biệt hấp dẫn Nanocompozit chitosan/nano kim loại Nanocompozit polyme/kim loại là nhóm vật liệu có nhiều tính năng vượt trội nhờ có cấu trúc đặc biệt, trong đó polyme đóng vai trò như chất bao bọc bên ngoài và ổn định hạt kim loại có kích thước nano [6]. Có hai phương pháp chế tạo nanocompozit polyme/kim loại: in-situ và exsitu: - Phương pháp in-situ: Các ion kim loại được phân tán vào trong mạng lưới polyme sau đó bị khử bởi các tác nhân hóa học, nhiệt hay bức xạ, để hình thành hạt nano trong mạng lưới polyme. Hoặc các hạt nano kim loại được phân tán trong 18

23 dung dịch chứa các monome, sau đó tiến hành trùng hợp monome, để tạo thành polyme chứa các hạt nano kim loại Phương pháp này cho sản phẩm nanocompozit có cấu trúc phân tán đồng đều. Phương pháp ex-situ: Trước tiên nano kim loại được chế tạo và thụ động hữu cơ nhằm tránh sự kết tụ do năng lượng bề mặt lớn. Sau đó các hạt nano kim loại được phân tán vào dung dịch polyme trong điều kiện khuấy trộn cơ học hoặc siêu âm. Phương pháp này khó thu được vật liệu có độ phân tán đồng đều. Hiện nay, phương pháp in-situ được sử dụng phổ biến hơn do khả năng phân tán nano kim loại trong polyme tốt hơn, chất lượng nanocompozit ổn định hơn. Nanocompozit polyme/kim loại và hệ lai vô cơ-hữu cơ nói chung có nhiều ưu điểm đặc biệt, kết hợp đặc tính của các vật liệu thành phần. Đây là vật liệu có triển vọng phát triển mạnh mẽ, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong công nghệ y sinh dược học, nanocompozit polyme/kim loại ứng dụng trong hệ thống dẫn truyền thuốc, các loại cảm biến sinh học, làm giàu và phân tách trong thử nghiệm miễn dịch (hình 1.6 ) [4, 83, 87]. Tác nhân đánh dấu Phân tử thuốc Lớp chức năng Lớp bảo vệ Tác nhân phát quang Tương thích sinh học Nhận diện hình dạng Hình 1.5. Ứng dụng nanocompozit polyme/kim loại trong y sinh CS với nhiều tính chất quý báu được quan tâm nghiên cứu chế tạo nanocompozit với các nano kim loại (CS/NPs) rất rộng rãi, mục đích để nâng cao khả năng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh. 19

24 Nanocompozit CS/NPs có thể chế tạo theo 2 phương pháp [35, 40, 42]. - Phương pháp in-situ: Cũng như các loại nanocompozit polyme/kim loại khác, CS/NPs cũng có thể chế tạo theo phương pháp in-situ. Haizhen Huanga và cộng sự [40] đã tiến hành chế tạo CS/NPs theo hai bước: + Bước 1: Phân tán các ion kim loại trong dung dịch CS bằng cách khuấy trộn hoặc siêu âm trong môi trường axit loãng, ion kim loại sẽ tạo phức với các nhóm -NH 2 của CS (hình 1.7).. Hình 1.6. Quá trình tạo phức của ion kim loại với chitosan + Bước 2: Khử các ion kim loại bằng các tác nhân hóa học (NaBH 4, axit ascorbic...), gia nhiệt hoặc bức xạ, để hình thành hạt nano kim loại phân tán tán trong mạng lưới CS. - Phương pháp ex-situ: Gogoin và cộng sự đã chế tạo nanocompozit CS và nano Ag theo hai bước [35]: + Bước 1: Các hạt nano Ag được chế tạo theo phương pháp khử hóa học AgNO 3 bằng axit ascorbic. 20

25 + Bước 2: Các hạt nano Ag được phân tán vào mạng lưới polyme CS trong điều kiện khuấy trộn mạnh, nhằm đạt được độ phân tán cao nhất Nanocompozit chứa hạt nano bạc trên nền chitosan Hạt nano bạc Các tính chất đặc trưng và ứng dụng Bạc kim loại thường có cấu trúc tinh thể kiểu mạng lập phương tâm mặt (Hình 1.8), với thông số của ô cơ sở là: a = 4.08Ǻ, b = 4.08 Ǻ, c = 4.08 Ǻ, a = 90, ß = 90, γ = 90. Các nguyên tử đuợc bố trí tại 8 đỉnh của hình lập phương tương ứng với tọa độ (000), (100), (110), (010), (001), (101), (111), (011) và 6 nguyên tử bố trí ở tâm của 6 mặt của ô cơ sở tương ứng có tọa độ (1/2 0 1/2), (1 1/2 1/2), (1/2 1 1/2), (0 1/2 1/2), (1/2 1/2 0), (1/2 1/2 1). Hình 1.7. Cấu trúc lập phương tâm mặt của bạc kim loại Hạt nano bạc (AgNPs) có tính chất khác biệt so với vật liệu khối do hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thuớc và do có mật độ điện tử tự do lớn Tính chất quang học Tính quang học của AgNPs bắt nguồn từ hiện tượng cộng huởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance) do điện tử tự do trong AgNPs hấp thụ ánh sáng. Kim loại có mật độ điện tử tự do lớn, các điện tử tự do này sẽ dao dộng duới tác dụng của điện từ truờng bên ngoài hấp thụ ánh sáng. Thông thuờng các dao dộng bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại, khi quãng đuờng tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thuớc. Khi kích thuớc của kim loại nhỏ hơn quãng đuờng tự do trung bình thì hiện tuợng 21

26 dập tắt không còn nữa, điện tử sẽ dao dộng cộng hưởng với ánh sáng kích thích. Tính chất quang của hạt AgNPs có được do sự dao dộng tập thể của các điện tử, dẫn đến quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao dộng như vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt AgNPs, làm cho hạt AgNPs bị phân cực điện, tạo thành một lưỡng cực điện. Do vậy xuất hiện một tần số cộng huởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dạng, kích thước của hạt AgNPs và môi truờng xung quanh. Ngoài ra, nồng độ hạt AgNPs cũng ảnh huởng đến tính chất quang. Nếu nồng độ loãng thì có thể coi như gần đúng hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đến ảnh huởng của quá trình tương tác giữa các hạt. Tính chất điện Ag kim loại có tính dẫn điện rất tốt, hay điện trở rất nhỏ, do có mật độ điện tử tự do cao. Ðối với vật liệu khối, các lý luận về độ dẫn dựa trên cấu trúc vùng năng luợng của chất rắn. Ðiện trở của kim loại đến từ sự tán xạ của điện tử lên các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán xạ với dao động nhiệt của nút mạng (phonon). Các điện tử chuyển động trong kim loại (dòng điện I) duới tác dụng của điện truờng (U) có liên hệ với nhau thông qua định luật Ohm: U = IR, trong đó R là điện trở của kim loại. Ðịnh luật Ohm cho thấy quan hệ I U là một đuờng tuyến tính.. Khi kích thuớc của vật liệu giảm dần, hiệu ứng giam cầm điện tử làm rời rạc hóa cấu trúc vùng năng luợng. Hệ quả của quá trình luợng tử hóa này đối với hạt AgNPs là tương quan I U không còn tuyến tính nữa, mà xuất hiện một hiệu ứng gọi là hiệu ứng chắn Coulomb (Coulomb blockade), làm cho đuờng I U bị nhảy bậc với giá trị mỗi bậc sai khác nhau một luợng e/2c cho U và e/rc cho I, với e là điện tích của điện tử, C và R là điện dung và điện trở khoảng nối hạt AgNPs với điện cực. Tính kháng khuẩn của nano bạc AgNPs được chứng minh có tính kháng khuẩn theo hai cơ chế chính [68]: - AgNPs liên kết các cầu nối disulfit (S-S) trong cấu trúc enzym của các vi khuẩn, vi nấm. Các cầu nối này rất quan trọng vì nó đóng vai trò như một công tắc đóng, mở thuận nghịch để tạo ra protein khi tế bào vi khuẩn gặp các phản ứng oxy hóa. Hạt AgNPs vô hiệu hóa enzym này nên có tác dụng diệt khuẩn, diệt nấm. 22

27 - Phá vỡ màng tế bào vi khuẩn bằng các phản ứng oxy hóa: AgNPs giúp tạo ra oxy hoạt tính trong không khí hoặc trong nuớc. Những oxy hoạt tính này có khả năng phá vỡ màng tế bào hoặc thành tế bào của vi khuẩn. Tế bào chết AgNPs liên kết với enzym Tế bào vi khuẩn AgNPs Enzym của vi khuẩn Hình 1.8. Cơ chế kháng khuẩn của AgNPs Ứng dụng nano bạc trong y sinh Phần lớn các ứng dụng của AgNPs trong y sinh dựa vào hai tính chất tiêu biểu là tính chất quang học và hoạt tính kháng khuẩn, cụ thể như sau: - Hoạt tính kháng nấm: AgNPs có tác dụng kháng nấm trên phổ rộng, bao gồm các loại nấm thông thường như aspergillus, candida, và saccharomyces [94]. - Ứng dụng ức chế virus HIV: AgNPs có tiềm năng ứng dụng làm thuốc ức chế virus HIV thế hệ mới trong tương lai. Humberto và cộng sự đã chỉ ra rằng AgNPs có khả năng ức chế virus HIV-1, tuỳ theo kích thước hạt. Với AgNPs kích thước trung bình khoảng 10 nm, hiệu quả ức chế có thể đạt 60% [46]. - Hoạt tính kháng viêm: AgNPs được chứng minh có hoạt tính kháng viêm. Wong KK và cộng sự khi thử nghiệm trên chuột đã cho thấy AgNPs làm biến đổi các hoạt động màng metallo proteinase (là thành phần quan trọng trong các quá trình kháng viêm), ngăn chặn sự phát triển của TNFα (cytokin viêm), interleukin (IL)-12 và IL-1, làm liền sẹo nhanh vết thương [113]. 23

28 - Hiệu ứng làm nóng plasmon: Chiếu tia laze vào AgNPs không chỉ gây ra sự hấp thụ photon mà còn chuyển nhiệt từ hạt nano ra xung quanh gây tăng nhiệt cục bộ. Lý thuyết về quá trình mở các lớp polyelectronic bọc các AgNPs kích thước 20nm đã được chứng minh trên các tế bào sống. Quá trình tăng thân nhiệt cục bộ sử dụng tia laze để mở các lớp polyelectronic phụ thuộc vào kích thước hạt AgNPs [50]. Dựa vào khả năng kháng khuẩn và kháng nấm tốt, hạt AgNPs có tác dụng diệt vi khuẩn trên phổ rộng, đặc biệt hiệu quả trong việc giải quyết các tác dụng phụ thường gặp khi điều trị ung thư Các phương pháp chế tạo Có nhiều phương pháp để chế tạo AgNPs: ăn mòn laze, khử hóa học, khử vật lý, khử sinh học...trong đó phương pháp khử hóa học được sử dụng phổ biến nhất. Phương pháp này dùng các tác nhân hóa học để khử các ion Ag + thành Ag, tác nhân khử thường được sử dụng là: focmandehit, natri xitrat, axit ascorbic, glucozơ, NaBH 4 Để AgNPs phân tán tốt trong dung môi, tránh kết tụ, AgNPs được phân tán trong các chất hữu cơ, các polyme. Một số polyme hay được sử dụng là: pyrolidon (PVP) [23, 101], polyvinyl alcol (PVA) [107], polyanilin (PANi) [22], polyetylen glycol (PEG) [23] Ngoài tác dụng làm pha phân tán, ổn định AgNPs, các polyme còn có tác dụng chức năng hóa, tăng độ tương thích sinh học của nano bạc cho các ứng dụng trong y sinh. Ở Việt Nam, AgNPs đã được nghiên cứu khá rộng rãi. Nhóm nghiên cứu của tác giả Nguyễn Hoài Châu, Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm KHCNVN đã công bố chế tạo thành công nano bạc (kích thước 5-20 nm) sử dụng phương pháp mixen đảo. Các tác giả đã tạo ra các sản phẩm ứng dụng như bình xịt nano bạc, gạc y tế, và khẩu trang tẩm nano bạc [7, 32]. Nhóm nghiên cứu của tác giả Đặng Mậu Chiến, Đại học Quốc gia - Thành phố Hồ Chí Minh, đã nghiên cứu chế tạo hạt AgNPs sử dụng phương pháp khử hóa học dùng polyol. Nghiên cứu thử nghiệm sử dụng AgNPs phủ lên sợi vải cotton, 24

29 hay mang trên polyurethan xốp, các sản phẩm đều thể hiện tính năng sát khuẩn tốt trên các chủng vi khuẩn như E.coli, S.aureus, Coliform, và B. subtillis [2, 29]. Nhóm nghiên cứu của tác giả Lê Anh Tuấn, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đã phát triển thành công các phương pháp mới chế tạo AgNPs thân thiện với môi trường như kĩ thuật quang hóa có bức xạ UV kích thích và phương pháp phân hủy nhiệt. Các hạt AgNPs chế tạo được có kích thước trung bình 9-10 nm, phân bố kích thước hẹp, đạt hiệu lực diệt khuẩn mạnh tại nồng độ bạc rất nhỏ [15, 61, 62] Nanocompozit chứa hạt nano bạc trên nền chitosan (CS/AgNPs) CS được đánh giá là một polyme sinh học có tiềm năng ứng dụng to lớn, gần đây được quan tâm nghiên cứu mạnh mẽ trong chế tạo nanocompozit với AgNPs. Mansor Bin Ahmad và cộng sự đã chế tạo AgNPs bằng phương pháp khử hóa học, sử dụng chất khử NaBH 4 kích thước từ nm, thể hiện hoạt tính kháng khuẩn tốt [67]. Ying Zhou và cộng sự chế tạo thành công CS/AgNPs bằng cách sử dụng phương pháp chiếu xạ gamma 60Co vào dung dịch CS chứa AgNO 3 [121]. Nhằm hướng đến công nghệ hóa học xanh (green synthesis), S. Govindan đã sử dụng CS như một tác nhân khử ion Ag +, đồng thời ổn định AgNPs tạo thành [100]. Cơ chế hình thành liên kết giữa AgNPs và CS đồng thời được các tác giả đưa ra theo 2 giả thiết, giả thiết hình thành phức hợp giữa AgNPs với các nhóm - NH 2 của Haizhen Huanga và cộng sự [40] và đã được nhóm tác giả S.Govindan [121] chứng minh qua phân tích phổ FITR. Mặt khác, khi tiến hành khử Ag + trong mạng lưới CS có mặt của polyetylen glycol Mansor Bin Ahmad [67] đã đưa ra giả thiết liên kết giữa CS với AgNPs là do hình thành phức của các nhóm OH với Ag được trình bày trên Hình 1.9: 25

30 Hình 1.9. Cơ chế liên kết giữa AgNPs với CS Do bề mặt giầu điện tử tự do nên AgNPs có khả năng tạo liên kết phối trí đồng thời với các nhóm chức -NH 2 và -OH linh động của CS điều này giúp phân tán đồng đều các hạt AgNPs trong mạng lưới CS. Nhóm nghiên cứu của Trần Thị Ý Nhi, Viện Hóa học và nhóm tác giả Trần Thị Ngọc Dung, Viện Công nghệ Môi trường (Viện Hàn lâm KHCNVN), đã chế tạo thành công nanocompozit CS/AgNPs bằng phương pháp khử hóa học sử dụng NaBH 4, các hạt AgNPs thu được có kích thước trung bình 20-50nm [7, 8]. Nanocompozit CS/AgNPs đã được chứng minh có độ tương thích sinh học cao hứa hẹn có tiềm năng trong các ứng dụng y sinh. Các nhóm tác giả mới dừng lại ở việc dùng CS làm chất ổn định cho AgNPs và quá trình khử AgNPs vẫn cần phải sử dụng đến các chất khử từ trung bình như axit ascorbic, glucozơ đến chất khử mạnh như NaBH 4 tạo nhiều tạp chất khó loại bỏ trong sản phẩm tạo thành Nanocompozit chứa hạt nano sắt từ trên nền CS (CS/MNPs) Ngoài AgNPs được sử dụng để chế tạo nanocmopozit với CS, hạt nano sắt từ cũng được đặc biệt quan tâm nghiên cứu cho các mục đích ứng dụng trong y sinh. 26

31 Hạt nano sắt từ Hạt nano sắt từ (MNPs) thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học bởi tính phổ biến trong thiên nhiên và tầm quan trọng trong cơ thể sống, là vật liệu chứa Fe có tính chất từ bao gồm oxit sắt từ và các hợp chất sắt tồn tại ở các dạng perovkit, spinen. Oxit sắt hình thành do sự kết hợp các nguyên tử Fe với O, trong đó Fe có thể tồn tại ở trạng thái oxi hóa +2 hoặc +3 [27]. Hầu hết các oxit sắt đều có cấu trúc, trật tự và kích thước tinh thể xác định, tuy nhiên trong một số trường hợp nó phụ thuộc vào quá trình hình thành tinh thể. Các oxit sắt quan trọng bao gồm: hematit α Fe 2 O 3, maghemit γ - Fe 2 O 3 và magnetit Fe 3 O 4. Tên chất Bảng 1.1. Thông tin về cấu trúc tinh thể của một số oxit sắt Thành phần hóa học Cấu trúc tinh thể Nhóm không gian Hematit α Fe 2 O 3 Bát diện R 3 C 0,5034 Kích thước ô đơn vị (nm) A B C 1,3752 Maghemit γ - Fe 2 O 3 Lập phương Fd3m 0, Magnetit Fe 3 O 4 Lập phương P4332 0, Z 6 Do tính chất siêu thuận từ và độ độc thấp nên 2 oxit sắt γ - Fe 2 O 3, và Fe 3 O 4 được dùng phổ biến trong các ứng dụng y sinh, γ - Fe 2 O 3 và Fe 3 O 4 đều có cấu trúc lập phương tâm mặt. Trong mạng tinh thể của Fe 3 O 4 có 8 ô mạng cơ sở chứa cả Fe 3+ và Fe 2+ dạng octahedral/tetrahedral. Do chứa các electron tại phân lớp 3d linh động nên xảy ra quá trình chuyển đổi điện tử giữa Fe 3+ và Fe 2+, dẫn đến khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt của vật liệu cao. Fe 3 O 4 có thể được xem như b án kim loại, có đầy đủ spin phân cực để chuyển thành các electron âm quay phân cực tại mức Fermi. Trong khi đó γ - Fe 2 O 3 cũng là một oxit sắt từ có cấu trúc tinh thể tương tự như Fe 3 O 4. Sự khác biệt giữa γ - Fe 2 O 3 và Fe 3 O 4 ở chỗ hầu hết Fe trong γ - Fe 2 O 3 ở trạng thái Fe 3+, tế bào chứa 32 O 2- và 64/3 Fe 3+ và 7/3 lỗ trống, mỗi cặp cation trạng thái tetrahedral và lỗ trống ở octaheral [27, 96]. 27

32 Hình 1.9. Cấu trúc tinh thể Fe 3 O 4. Do tính dẫn nhiệt và dẫn điện tốt hơn nên vật liệu Fe 3 O 4 có ưu thế hơn hẳn so với γ - Fe 2 O 3 trong các ứng dụng sinh học. Mặt khác, xét về phương pháp tổng hợp, tuy hai loại vật liệu này có chung các phương pháp tổng hợp: lắng đọng pha hơi vật lý (PVD), lắng đọng pha hơi hóa học (CVD), phương pháp tĩnh điện, thủy nhiệt, kết tủa, hay phân hủy nhiệt cao, nhưng quá trình tạo hạt nano Fe 3 O 4 dễ dàng điều khiển hơn so với hạt nano Fe 2 O 3 [98] Các tính chất và ứng dụng Tính chất siêu thuận từ Khi giảm kích thước hạt xuống dưới một giới hạn nhất định, độ từ dư không còn được giữ theo các định hướng xác định bởi dị hướng hình dạng hoặc dị hướng từ tinh thể của hạt nữa. Trong trường hợp này, ngay ở nhiệt độ phòng, năng lượng nhiệt cũng đủ để làm cho các mô men từ thay đổi giữa hai định hướng cân bằng của từ độ. Đây chính là trạng thái tương tự chuyển động Brown. Các chuyển động nhiệt của các phân tử là hỗn độn và bù trừ nhau khi xét trên toàn hệ (trên toàn không gian) hoặc đối với một hạt khi xét trên toàn thời gian. Tuy nhiên, khi xét trong một vùng vi mô (vài hạt từ tính) và trong một khoảng thời gian xác định vẫn có thể quan sát thấy hiệu ứng chuyển động phân tử v 0 và M 0 [13]. Nói chung, các hạt từ tính trở thành siêu thuận từ ở kích thước nano, tính chất từ trở nên hết sức thú vị. 28

33 Đường cong từ hóa M-H của các chất siêu thuận từ cũng tương tự như các chất sắt từ với 2 đặc điểm cơ bản: (i) tiến tới bão hòa theo định luật Langevin và (ii) không có hiện tượng trễ, tức là lực kháng từ bằng 0. Quá trình khử từ của các chất siêu thuận từ xảy ra không cần lực kháng từ, vì đó không phải là quá trình tác dụng của từ trường ngoài, mà do tác dụng của năng lượng nhiệt. Ứng dụng nano sắt từ trong y sinh Trong lĩnh vực y sinh, vật liệu MNPs, hay chất lỏng từ, được ứng dụng rộng rãi trong điều trị (dẫn truyền thuốc, làm nóng cục bộ (nhiệt trị)...) và trong chẩn đoán (phân tách và chọn lọc tế bào, tăng độ tương phản của hình ảnh cộng hưởng từ.). - Dẫn truyền thuốc: Ứng dụng giúp thu hẹp phạm vi phân bố thuốc trong cơ thể, giảm tác dụng phụ của thuốc và giảm lượng thuốc điều trị [97]. Vật liệu MNPs có tính tương thích sinh học được gắn kết với thuốc điều trị với vai trò như một chất mang thuốc. Thông thường hệ thuốc/mnps đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn, khi các hạt đi vào mạch máu, bằng cách dùng gradien từ trường mạnh bên ngoài điều khiển quá trình tập trung hệ thuốc/mnps, hướng tới đích cần điều trị [97]. Hiệu quả của việc dẫn truyền thuốc phụ thuộc vào cường độ từ trường, gradien từ trường, hàm lượng và tính chất từ của MNPs. Nghiên cứu dẫn truyền thuốc đã được thử nghiệm rất thành công trên động vật, đặc biệt là dùng để điều trị u não. Việc dẫn truyền thuốc đến các u não rất khó khăn vì thuốc cần phải vượt qua hàng rào ngăn cách giữa não và máu, nhờ có trợ giúp của hạt nano từ có kích thước nm, việc dẫn truyền thuốc hiệu quả hơn rất nhiều [97]. - Tăng thân nhiệt cục bộ: Phương pháp tăng thân nhiệt cục bộ các tế bào ung thư mà không ảnh hưởng đến các tế bào bình thường là một trong những mục tiêu hướng đích quan trọng của vật liệu MNPs. Nguyên tắc hoạt động là vật liệu MNPs có kích thước từ nm được phân tán trong các mô mang mầm bệnh là các tế bào ung thư, sau đó áp dụng một từ trường xoay chiều bên ngoài đủ lớn về cường độ và tần số để các hạt MNPs dao động cộng hưởng, gây ma sát và sinh nhiệt làm nóng những vùng xung quanh. Thực tế cho thấy, khi tăng nhiệt độ lên khoảng 42 C trong khoảng 30 phút có thể giết chết các tế bào ung thư. Nhiều nghiên cứu 29

34 về kĩ thuật tăng thân nhiệt cục bộ được phát triển từ rất lâu nhưng chưa được áp dụng thử nghiệm trên người. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình làm nóng cục bộ là nồng độ hạt MNPs phân bố vào các mô. Tần số và biên độ của từ trường thường dùng dao động trong khoảng f = 0,05-1,2 MHz, H < 0,02 T. Mật độ hạt nano cần thiết vào khoảng 5-10 mg/cm 3. Vật liệu MNPs thường là các hạt nano Fe 2 O 3 và Fe 3 O 4 có từ tính hoặc siêu thuận từ. Phần lớn các thí nghiệm được tiến hành với hạt siêu thuận từ. Thực nghiệm và tính toán cho biết tỉ số phát nhiệt vào khoảng 100 mw/cm3 là đủ trong hầu hết các trường hợp thực nghiệm. Nhóm tác giả Ji-Ho Park đã công bố chế tạo thành công hạt nano MNPs, đồng thời tiến hành các thử nghiệm invitro và invivo, đánh giá khả năng tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ hạt nhân. Tác giả cũng chỉ ra rằng với liều 1mg/kg khối lượng cơ thể chuột, vật liệu có khả năng nhiệt trị ung thư [52]. Ở Việt Nam, nhóm nghiên cứu của tác giả Thân Đức Hiển, ĐH Bách khoa Hà Nội từ năm 2004 đã nghiên cứu vật liệu MNPs định hướng ứng dụng chủ yếu trong điện tử [28, 105]. Nhóm nghiên cứu của tác giả Nguyễn Hoàng Hải, trường ĐH Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, đã nghiên cứu chế tạo các hạt nano từ tính, định hướng ứng dụng cho xử lý môi trường và phân tích ADN [79, 81]. Nhóm nghiên của của tác giả Trần Hoàng Hải, viện Vật lý Thành phố Hồ Chí Minh cũng đã nghiên cứu chế tạo hạt nano Fe 3 O 4 làm chất tăng độ tương phản cho ảnh MRI [60] Các phương pháp chế tạo Có nhiều phương pháp chế tạo vật liệu MNPs: phương pháp vật lý, phương pháp hóa học và các phương pháp kết hợp hóa lý, tuy nhiên phương pháp hóa học ướt (đồng kết tủa, oxy hóa kết tủa) được sử dụng rộng rãi hơn do dễ thực hiện và dễ điều khiển kích thước hạt tạo thành [13]. - Phương pháp đồng kết tủa Hạt nano Fe 3 O 4 được hình thành bằng phương pháp đồng kết tủa muối Fe 2+ và Fe 3+ trong môi trường kiềm. 2Fe 3+ + Fe OH - Fe 3 O 4 + 4H 2 O 30

35 Điều kiện phản ứng, như tác nhân kiềm hóa, chất ổn định, nhiệt độ, thời gian phản ứng đều ảnh hưởng đến hình dạng và kích thước hạt nano [120]. - Phương pháp oxi hóa kết tủa Phương pháp này dựa trên quá trình oxy hoá muối Fe (II) trong môi trường kiềm bằng các chất oxy hoá có độ mạnh trung bình, ví dụ các muối nitrat, anilin, hoặc cacbon monoxit [115]: 3FeCl 2 + 3NaNO 3 + 6NaOH => Fe 3 O 4 + 3NaNO 2 + 6NaCl + 3H 2 O Quá trình xảy ra theo 2 giai đoạn: Giai đoạn 1: Quá trình oxi hóa khử Fe 2+ - e Fe 3+ N e N 3+ Giai đoạn 2: Quá trình đồng kết tủa 2Fe 3+ + Fe OH - Fe 3 O 4 + 4H 2 O Trong đó quá trình oxi hóa khử xảy ra chậm, quá trình đồng kết tủa xảy ra gần như đồng thời, kích thích và thúc đẩy nhau Nanocompozit chứa hạt nano sắt từ trên nền chitosan (CS/MNPs) Kết hợp các đặc tính quý của MNPs và CS, nanocompozit CS/MNPs đã được nghiên cứu chế tạo, chủ yếu ứng dụng trong lĩnh vực y sinh [44, 117, 121] và môi trường [54]. Trong lĩnh vực y sinh, nanocompozit CS/MNPs được công bố có thể ứng dụng làm chất mang thuốc, ứng dụng chọn lọc làm giàu trong các thử nghiệm miễn dịch, ứng dụng tăng độ phân giải ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (MRI) hay trong nhiệt trị điều trị ung thư... Hui Chia Yang và cộng sự đã công bố tổng hợp thành công nanocompozit CS/MNPs, trong đó hạt MNPs có kích thước khoảng 15nm, ứng dụng làm chất mang thuốc Flourouracil (5-FU) trong điều trị ung thư [44]. Nhóm tác giả Z. Roveimiab tổng hợp thành công nanocompozit CS/MNPs kích thước khoảng 100 nm bằng phương pháp đồng kết tủa. CS/MNPs được nghiên cứu ứng dụng trong chọn lọc phân tách tế bào, kết quả đã chứng minh độ tương thích cấp độ tế bào cao của vật liệu [117]. Gần đây nhất, năm 2014, Yuan-Yuan Liang và cộng sự đã công bố chế tạo thành công compozit CS/MNPs nhằm cố định tế bào 31

36 trên hạt nano MNPs, lượng tế bào đưa lên hạt nano lên đến 112,3mg/g, vật liệu hứa hẹn được sử dụng làm chất mang cho các enzym [122]. Phần lớn các công bố đều khẳng định độ tương thích sinh học cao của compozit CS/MNPs phù hợp trong các ứng dụng y sinh. Nanocompozit CS/MNPs thường được tổng hợp theo phương pháp in-situ một giai đoạn, cơ chế hình thành được nhóm tác giả Zohre Zarnegar [118] trình bày trên hình Hình Sơ đồ hình thành nano Fe 3 O 4 trong mạng lưới CS [118] Bước 1: Quá trình tạo phức của các ion Fe 2+ và Fe 3+ với các nhóm -NH 2 và OH trong phân tử CS. Bước 2: Quá trình đồng kết tủa các ion Fe 2+, Fe 3+ trong mạng lưới CS bởi tác nhân kiềm, các hạt MNPs (Fe 3 O 4 ) được hình thành phân tán trong mạng lưới CS có liên kết phối trí với các nhóm -NH 2 và OH. Kết quả thu được nanocompozit trong đó pha gia cường là các hạt MNPs phân tán tốt trong CS. Tại Việt Nam, phòng thí nghiệm Vật liệu nano Y sinh (trước đây là phòng Vật lý vật liệu từ và siêu dẫn) của Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm KHCNVN, đã bắt đầu nghiên cứu về hạt nano từ, nanocompozit CS/MNPs từ năm 2010, thông qua việc thực hiện đề tài các cấp, một tập thể liên ngành lý-hóa-sinh-y gồm các nhóm nghiên cứu từ nhiều cơ quan (các Viện của Viện Hàn lâm 32

37 KHCNVN, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Hà Nội, Bệnh viện Quân Y 108, Học viện Quân y 103, Viện kiểm nghiệm thuốc TƯ ) đã được hình thành [39, 59, 85, 103, 104, 106]. Nhóm nghiên cứu của tác giả Nguyễn Xuân Phúc đã khảo sát khả năng ứng dụng của vật liệu MNPs và CS/MNPs trong y sinh học, đặc biệt là trong kỹ thuật liệu pháp nhiệt trị và chẩn đoán bằng MRI đã thu được các kết quả ban đầu khả quan. Một trong những kết quả nổi bật của nhóm nghiên cứu nêu trên là: i) đã tìm cách đưa được các hệ nano vectơ tới đích (tế bào ung thư) và ii) theo dõi được đường đi hay xác định được địa điểm và mức độ tập trung của các hệ vectơ (hệ đa chức năng từ-quang) sử dụng đại thực bào. Các tác giả đã đưa ra giả thiết về cơ chế hình thành nanocompozit CS/MNPs như trình bày trên hình 1.11: trước tiên, hỗn hợp muối Fe 2+ /Fe 3+ phân tán vào trong mạng lưới CS thông qua quá trình tạo phức với các nhóm -NH 2 và -OH của CS, sau đó các hạt MNPs (Fe 3 O 4 ) được hình thành trong mạng lưới CS thông qua quá trình đồng kết tủa với tác nhân kiềm (NaOH) [59, 106], tương đồng với giả thiết của tác giả Zohre Zarnegar [118]. F e (O H ) + F e (O H ) 2 + F e 3 + /F e 2 + s o lu tio n N H 3 + N H N H 3 + N H 3 + N H 3 N H 3 + C h ito s a n Dung A c iddịch ic CCS S strong o lu tioaxit n Chitosan + NH3 + NH3 + NH 3 NH3 + NH3 + + NaOH NH 3 + Phân Dispersion tán tạo of phức Fe 3+ /Fe 2+ into CS matrix Fe 3+ /Fe 2+ trong mạng CS đồng kết tủa Coprecipitation H2N Fe3O4 H2N NH2 Fe3O4 NH2 NH2 NH2 NH2 Fe 3O 4 NH2 NH2 NH2 H2N NH2 Fe3O4 Fe3O4 NH2 NH2 Fe 3O 4 NH2 H2N NH2 Fe3O4 NH2 NH2 H2N NH2 H2N NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 Fe3O4 Fe3O4 NH2 Fe3O4 NH2 NH2 NH2 NH2 Fe 3O 4 Magnetite (Fe 3 O 4 ) NH2 Chitosan Hình Cơ chế hình thành Fe 3 O 4 trên bề mặt chitosan [59] Tác giả Nguyễn Xuân Phúc và cộng sự đã chế tạo thành công CS/MNPs sử dụng phương pháp đồng kết tủa in-situ, hạt nano từ Fe 3 O 4 có kích thước khoảng 50 nm, bề mặt bọc bởi chitosan, dễ dàng được vận chuyển tới khối u bằng các đại thực bào. Vật liệu bước đầu được thử nghiệm in-vitro cho kết quả khả quan trong các ứng dụng y sinh, như khả năng nhiệt trị, tăng độ tương phản ảnh MRI và dẫn truyền thuốc [59, 106]. Curcumin được sử dụng như một thuốc mô hình nhờ các đặc tính tự phát quang và tiêu diệt tế bào ung thư. Trong nghiên cứu, cả quá trình 33

38 điều khiển/theo dõi và điều trị được kết hợp bởi hai yếu tố nano Fe 3 O 4 và Cur nhờ tính chất kép quang-từ của hệ nano vectơ [39, 59]. Thử nghiệm đo từ tính của hệ nano vectơ trước và sau khi vận chuyển bởi đại thực bào cho thấy từ tính của hệ (tỉ lệ với nồng độ Fe 3 O 4 ) tăng theo thời gian, từ 1-6 giờ, tương ứng với sự tăng tín hiệu huỳnh quang (tỉ lệ với nồng độ Cur, có màu xanh lá cây) khi được chụp ảnh bằng hiển vi đồng tiêu quét laze (LSCM) trong cùng điều kiện. Nhóm nghiên cứu của tác giả Trần Thái Hòa, Đại học Huế, đã nghiên cứu tổng hợp nanocompozit CS/MNPs qua con đường ex-situ, định hướng ứng dụng làm xúc tác cho quá trình oxi hóa styren và ứng dụng trong xử lý môi trường [3]. Do các đặc tính quý của MNPs kích thước nano với bề mặt hoạt động và năng lượng bề mặt lớn, nên dễ dàng hấp phụ các ion kim loại nặng. Thêm vào đó, màng CS chứa nhóm -NH 2 và -OH có khả năng tạo phức với các ion kim loại nặng đã gia tăng khả năng xử lý nước thải nhiễm Pb, As, Fe, Co, Cr... Dựa trên các đặc tính quý, CS đã và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học sử dụng thay thế các chất nền, đặc biệt cho hệ nanocompozit chứa hạt MNPs nhằm tăng tính ổn định của chất lỏng từ, tăng độ tương thích sinh học cho hệ CS/MNPs. Mặc dù đã thu được nhiều kết quả khả quan, nhưng các hệ CS/MNPs được chế tạo bằng các phương pháp thông thường đã chỉ ra hạn chế về từ độ bão hòa, chưa đủ mạnh để ứng dụng invivo cho liệu pháp nhiệt trị ung thư một trong các ứng dụng chính của hạt MNPs trong lĩnh vực này Nanocompozit chứa hạt nano bạc và hạt nano sắt từ trên nền chitosan (CS/AgNPs-MNPs) Nanocompozit bạc - sắt từ (AgNPs-MNPs) Bên cạnh các nghiên cứu về hạt nano kim loại riêng rẽ, các tổ hợp hạt nano kim loại kết hợp với hạt nano từ tính (MnFe 2 O 4, CoFe 2 O 4, FePt, CoPt) cũng thu hút được sự quan tâm rất lớn của các nhà khoa học trên thế giới, đặc biệt trong các lĩnh vực điện tử, y sinh và môi trường. Tổ hợp của hai hay nhiều vật liệu ở kích thước nano không những có khả năng kết hợp và phát huy được tối đa những tính năng ưu việt của từng loại vật liệu mà còn có thể hạn chế được những nhược điểm của chúng khi hoạt động riêng lẻ. 34

39 Vật liệu MNPs và AgNPs đã và đang được ứng dụng một cách rộng rãi trong lĩnh vực y sinh, môi trường. Tuy nhiên khi dùng riêng rẽ, chúng đều thể hiện một số mặt hạn chế. Các ứng dụng của AgNPs chủ yếu dựa vào khả năng diệt khuẩn mạnh trên phổ rộng. Hạn chế lớn nhất là khó thu hồi sau khi sử dụng, một mặt gây lãng phí, mặt khác gây ô nhiễm, ảnh hưởng đến môi trường sinh thái [32]. Vật liệu MNPs với tính chất siêu thuận từ đã và đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt lĩnh vực y sinh. Tuy nhiên khả năng tương thích sinh học và độ phân tán của các hạt MNPs kém là nguyên nhân hạn chế tiềm năng ứng dụng của loại vật liệu này. Phần lớn các nhà nghiên cứu chế tạo nanocompozit AgNPs-MNPs nhằm giải quyết yếu điểm khó thu hồi của AgNPs, một số nghiên cứu khác có mục tiêu tăng tính quang học của lõi MNPs [21]. Nanocompozit chứa AgNPs và MNPs được chia thành 2 dạng cấu trúc chính: - Vật liệu nanocompozit tổ hợp lai hóa dị thể (AgNPs-MNPs). Hình Sơ đồ vật liệu compozit lai hoá dị thể AgNPs-MNPs Nhóm tác giả Guihuan Xing đã đưa ra môi hình hóa về cấu trúc lai hóa dị thể của nanocompozit Fe 3 O 4 -Ag nhằm tăng độ tương phản trong chẩn đoán cộng hưởng từ hạt nhân và cũng hứa hẹn khả năng diệt tế bào ung thư bằng phương pháp làm nóng Plasmon với mục tiêu hướng đích [36]. Liên kết giữa các hạt nano Ag và nano Fe 3 O 4 được quyết định bởi lực hút Van der Waals, hoặc liên kết hóa học quyết định bởi các nhóm chức năng của lớp polyme bao quanh các hạt nano. - Vật liệu nanocompozit cấu trúc lõi vỏ + Vật liệu chứa nhân là hạt Fe 3 O 4 bọc bởi lớp vỏ Ag (ký hiệu Fe 3 O Nhóm tác giả Begu m Akduman chế tạo thành công vật liệu nanocompozit cấu trúc lõi vỏ với nhân nano Fe 3 O 4 bọc bởi lớp vỏ Ag biến tính với N-axetyl cystein, 35

40 kích thước khoảng 70 nm, ứng dụng trong hấp phụ ferritin. Phần lớn các vật liệu có cấu trúc Fe 3 O có mục đích ứng dụng mạnh tính chất của nano Ag như tăng khả năng diệt khuẩn, hoặc ứng dụng Plasmon bề mặt [19]. + Vật liệu nanocompozit chứa nhân là hạt Ag bọc bởi lớp vỏ Fe 3 O 4 (ký hiệu Ag@Fe 3 O 4 ): Nhóm tác giả Wanquan Jiang chế tạo thành công nanocompozit Ag@Fe 3 O 4 bằng phương pháp thủy nhiệt một giai đoạn. Sản phẩm được xác định có kích thước khoảng 200 nm, lớp lõi Ag có kích thước từ nm. Vật liệu có khả năng xúc tác khử 4-nitrophenol và có thể tái sử dụng nhiều lần [112]. Các hệ cấu trúc nano tổ hợp AgNPs-MNPs được nghiên cứu ứng dụng ngày càng rộng rãi, đặc biệt trong lĩnh vực xúc tác, môi trường và y sinh. Tùy mục đích sử dụng hệ nanocompozit được phân tán trong các mạng polyme như PVA, polyvidon, PEG, để tăng độ phân tán, tính ổn định và khả năng tương thích với cơ thể. Phương pháp chế tạo có thể là ex-situ (chèn polyme trong dung dịch chứa các hạt nano, trộn hợp các hạt nano riêng lẻ với dung dịch polyme) hoặc in-situ (tổng hợp các hạt kim loại nano có mặt polyme), tương tự như nguyên tắc tổng hợp hệ nanocopmpozit nền polyme [6] Các tính chất và ứng dụng Các tính chất Hệ nanocompozit tổ hợp AgNPs-MNPs kết hợp tính chất của từng thành phần, AgNPs và MNPs. Tùy phương pháp chế tạo, tổ hợp AgNPs-MNPs có cấu trúc khác nhau và ảnh hưởng đến tính chất của hệ, ví dụ vật liệu cấu trúc lõi vỏ Fe 3 O có tính chất đặc trưng rõ rệt của AgNPs, như tính chất plasmon bề mặt hay tính kháng khuẩn; vật liệu Ag@Fe 3 O 4 sử dụng Ag để bền hóa hạt MNPs, vì vậy tính chất từ tính của vật liệu sẽ giảm đi rõ rệt. - Tính chất từ: Do tương tác với các thành phần khác nhau trong nanocompozit, các tính chất từ của hạt MNPs (tính chất siêu thuận từ, trường hồi phục cao, trường bão hòa cao, phân bố siêu dị hướng) có thể bị thay đổi, theo hướng tăng lên hoặc giảm đi, tùy thuộc vào cấu trúc của compozit. Nhóm tác giả Xueping Zhang đã công bố hệ nanocompozit tổ hợp Fe 3 O 4 /Ag có từ tính đủ mạnh 36

41 (khoảng 40 emu/g) để ứng dụng cho quá trình xúc tác phân hủy Rhodamin B và có thể tái sử dụng nhiều lần [111]. - Tính chất quang: Do AgNPs trong nanocompozit tổ hợp tương tác với MNPs, nên tính chất quang của AgNPs có sự thay đổi. Dinh Hao và cộng sự đã công bố rằng bước sóng hấp thụ cực đại của AgNPs tại 409 nm, của Ag-Fe 3 O 4 tại 421nm, sự chuyển dịch này được giải thích do những thay đổi về SRP trên bề mặt AgNPs khi có mặt MNPs [111]. - Tính kháng khuẩn: Nhóm tác giả Ping Gong [84] và nhóm tác giả Bhupendra [20] đã chỉ ra rằng nanocompozit tổ hợp vẫn giữ được khả năng ức chế trên các dòng vi khuẩn và vi nấm. Đặc biệt nanocompozit tổ hợp AgNPs-MNPs có khả năng ức chế mạnh hơn trên dòng vi khuẩn gram (-) so với thành phần AgNPs dạng tự do [84]. Ứng dụng của nanocompozit tổ hợp AgNPs-MNPs Nhóm tác giả Hui Wang đã sử dụng PEG ổn định hạt Fe 3 O tạo ra vật liệu lai có khả năng mang thuốc DOX, hệ phức hợp mang thuốc đa chức năng có tác dụng diệt đến 80% tế bào ung thư dòng B16F10 sau khi ủ 72 giờ, làm tăng độ tương phản ảnh, có khả năng ứng dụng trong điều trị nhiệt trị và quang trị với bước sóng kích thích 405 nm, phức hợp phát huỳnh quang mạnh và chỉ thị màu rõ rệt khi ủ với dòng tế bào B16F10 [45]. Nhóm tác giả Jiang Jiang đã chế tạo thành công hệ thể dị hai pha Fe 3 O 4 - Ag nanocompozit, bước đầu thử nghiệm thành công trong đánh dấu sinh học tế bào, làm giàu trong các kít thử miễn dịch, dựa trên tính chất siêu thuận từ của vật liệu [51]. Đối với hệ dị thể MNPs - AgNPs, do tương tác với nhau bằng lực Van der Waals, đồng thời chịu chi phối bởi các mắt mạng trong hệ polyme, nên sự đồng nhất trong cấu trúc nanocompozit phụ thuộc lớn vào phương pháp chế tạo. Hệ MNPs-AgNPs phân tán đồng nhất có thể kết hợp tốt nhất tính chất của cả hai thành phần, ứng dụng hiệu quả làm hệ điều trị đa chức năng. 37

42 Các phương pháp tổng hợp Nhóm tác giả Ding Hao đã sử dụng phương pháp thủy nhiệt muối Fe(CO) 5 trong axit oleic và oleylamin để chế tạo nhân Fe 3 O 4, sau đó AgNO 3 được thêm vào và khử bằng oleylamin ở nhiệt độ 250 o C, kết quả thu được nanocompozit nhân nano MNPs (Fe 3 O 4 ) bọc bởi lớp vỏ Ag (ký hiệu Fe 3 O [30]. Nhóm tác giả Begu m Akduman đã chế tạo nanocompozit lai hóa Fe 3 O bằng phương pháp khử hóa học [19]. Nhân Fe 3 O 4 chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa với dung dịch NH 4 OH, sau đó được tách, rửa sạch và phân tán lại trong nước. AgNO 3 được phân tán vào dung dịch trên theo tỷ lệ xác định, tiếp tục khử Ag + bằng NaBH 4. Kết tủa màu nâu được tách ra và rửa sạch, tiếp tục được biến tính bề mặt bằng N-axetyl cystein. Bằng các phương pháp phân tích hóa lý: (phương pháp TEM, SEM, XRD), nhóm tác giả đã khẳng định được cấu trúc vật liệu nanocompozit Fe 3 O Nhóm nghiên cứu của R. Prucek [93] đã công bố kết quả nghiên cứu cấu trúc nano tổ hợp dạng lõi/vỏ giữa MNPs và AgNPs. Cấu trúc này được tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học các ion bạc bởi maltozơ trong sự có mặt của pha từ và các phân tử polyacrylat. Cấu trúc nano tổ hợp này có hoạt tính diệt khuẩn và diệt nấm được tăng cường mạnh, đặc biệt cấu trúc nano tổ hợp Fe 3 O và Ag@Fe 2 O 3 không có độc tính, khả năng thu hồi và tái sử dụng cao Nanocompozit chứa hạt nano bạc, hạt nano sắt từ trên nền chitosan (CS/AgNPs-MNPs) Vật liệu nanocompozit tổ hợp AgNPs-MNPs chứa thành phần AgNPs và MNPs nên kết hợp được đặc tính quý của từng thành phần. Tuy nhiên để mở rộng ứng dụng của nanocompozit, tổ hợp trên cần được tăng cường độ phân tán cũng như độ tương thích sinh học. Sử dụng polyme làm pha phân tán trong trường hợp này là giải pháp hiệu quả, được đông đảo các nhà khoa học quan tâm. Một số công trình đã công bố sử dụng các polyme PEG, PVA để ổn định nanocompozit AgNPs- MNPs nhằm mục đích ứng dụng trong y sinh, tuy nhiên khả năng tương thích sinh học chưa cao [19, 30, 45, 51]. 38

43 Việc sử dụng polysacarit tự nhiên như chitin, CS làm tác nhân bền hóa hệ tổ hợp nanocompozit AgNPs-MNPs cũng đã được đề cập đến, tuy nhiên các nghiên cứu vẫn còn rất ít. Gần đây, năm 2014, nhóm tác giả Bo Duan lần đầu tiên công bố chế thành công compozit Ag-Fe 3 chitin kích thước micro bằng con đường insitu một giai đoạn, ứng dụng cho xúc tác hydro hóa 4-nitrophenol, có khả năng tái sử dụng đến 10 lần [18]. Trong luận án này, chúng tôi nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng, định hướng ứng dụng của hệ vật liệu đa chức năng trên cơ sở kết hợp AgNPs, MNPs trên cơ sở chitosan (nanocompozit) nhằm kết hợp các tính chất quý báu riêng rẽ của các vật liệu thành phần, tạo ra hệ nanocompozit đa chức năng có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh. 39

44 CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 2.1. Nguyên liệu và hóa chất Chitosan dạng bột đã được xác định trọng lượng phân tử 382KD và độ deaxetyl hóa tương đương: 84,5%, là sản phẩm thuộc Đề tài cấp Viện Hàn lâm KHCNVN do tác giả Phạm Gia Điền chủ trì ( ). Curcumin độ tinh khiết 95% - Viện Hóa học Công nghiệp. AgNO 3 độ tinh khiết 99% xuất xứ Nhật. NaBH 4 độ tinh khiết 99% xuất xứ Nhật. FeCl 2.6H 2 O độ tinh khiết 99%, Sigma (Đức). FeCl 3.4 H 2 O độ tinh khiết 99% Sigma (Đức). NaOH độ tinh khiết 99% xuất xứ Trung Quốc. NH 4 OH độ tinh khiết 28% xuất sứ Trung Quốc. NaNO 3 độ tinh khiết 99% xuất xứ Trung Quốc. Fluorescein isothiocyanat độ tinh khiết 99%, Sigma (Đức). CH 3 COOH độ tinh khiết 99% xuất xứ Trung quốc. Axit xitric độ tinh khiết 98% xuất xứ Trung Quốc. Etanol nồng độ 95 o xuất xứ Trung Quốc. Etylaxetat nồng độ 95% xuất xứ Trung Quốc. Diclometan 95% xuất sứ Trung quốc Phương pháp thực nghiệm Phương pháp chế tạo nanocompozit chứa nano bạc trên nền chiosan (CS/AgNPs) Hòa tan 0,2 g CS trong 50ml dung dịch axit CH 3 COOH 2%, khuấy trong 1giờ ở 50 0 C. Hòa tan 0,15 g AgNO 3 trong 30ml H 2 O đến khi tan hoàn toàn Nhỏ từ từ dung dịch AgNO 3 vào dung dịch CS dưới điều kiện khuấy trộn mạnh để AgNO 3 phân tán đồng nhất vào dung dịch CS trong 30 phút, được dung dịch A. Sơ đồ chung phương pháp tổng hợp CS/AgNPs: 40

45 CS Axit axetic (2%) Dung dịch CS Dung dịch AgNO 3 solutio(0,1m) Dung dịch A (AgNO 3 /CS) NaBH 4 Gia nhiệt Lò vi sóng CS/AgNPs1 CS/AgNPs2 CS/AgNPs3 Hình 2.1. Sơ đồ các phương pháp chế tạo CS/AgNPs Phương pháp sử dụng chất khử NaBH 4 Cân 0,04 g NaBH 4 (đảm bảo NaBH 4 dư), hòa tan hoàn toàn trong 20 ml nước ở nhiệt độ khoảng 5 o C, nhanh chóng nhỏ giọt vào dung dịch A trong điều kiện khuấy mạnh và nhiệt độ khoảng 30 o C, phản ứng tỏa nhiệt có thể đạt nhiệt độ o C sau khi kết thúc quá trình. Quá trình khử được tiến hành trong các khoảng thời gian khác nhau: 10, 15, 30, 60 phút. NaBH 4 đóng vai trò là tác nhân khử ion Ag + thành Ag, tạo thành AgNPS trên nền CS, nanocompozit ký hiệu là CS/AgNPs1. 2AgNO 3 + 2NaBH 4 2Ag + 2NaNO 3 + B 2 H 6 + H Phương pháp không sử dụng chất khử Phân tử CS chứa các nhóm NH 2 còn dư đôi điện tử có khả năng tham gia phản ứng khử yếu Ag + /Ag. Muốn quá trình khử xảy ra nhanh cần cung cấp năng lượng vừa đủ để kích thích phản ứng, bằng cách gia nhiệt hoặc sử dụng lò vi sóng. Phương pháp gia nhiệt 41

46 Dung dịch A trong điều kiện khuấy mạnh được gia nhiệt tại các nhiệt độ khác nhau: 30 o C, 60 O C, 70 o C, 90 o C, khử Ag thành Ag + tạo thành CS/AgNPs2. Tại nhiệt độ 90 o C, khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng: các khoảng thời gian 1 giờ, 3 giờ, 5 giờ, 7 giờ, 9 giờ, 24 giờ, đến quá trình khử Ag +. Phương pháp sử dụng lò vi sóng 50ml dung dịch A được đặt trong lò vi sóng (model MW-ER-01, Lab kits) tại 70 o C, công suất 200 w trong các khoảng thời gian khác nhau: 2 phút, 5 phút, 7 phút, 10 phút và 60 phút, thu được nanocompozit CS/AgNPs3. Các mẫu Nanocompozit CS/AgNPs chế tạo theo các phương pháp trên được đặc trưng cấu trúc bằng phổ hồng ngoại (IR), đánh giá độ tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), xác định thành phần nguyên tố bằng phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX), nghiên cứu tính chất quang học bằng phổ tử ngoại khả kiến (UV-vis). Hình thái học của CS/AgNPs được phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Phương pháp đưa nanocompozit CS/AgNPs lên trên bề mặt vải Tiến hành tẩm nanocompozit CS/AgNPs trên vải theo quy trình như sau: Bước 1: Vải polyeste được cắt với diện tích chính xác 2 cm 2, cân chính xác khối lượng, được làm sạch bề mặt bằng plasma. Bước 2: Nanocompozit CS/AgNPs được pha loãng trong dung dịch axit xitric 5%, nồng độ khoảng 200 ppm, khuấy đều trong 30 phút. Bước 3: Vải polyeste được ngâm tẩm trong dung dịch nanocompozit CS/AgNPs 30 phút, sau đó đem sấy nhẹ ở nhiệt độ o C trong 2 giờ. Quy trình ngâm tẩm vải được thực hiện 3 lần, sau đó sấy khô đến khối lượng không đổi Phương pháp mang curcumin lên vật liệu CS/AgNPs Cur được hòa tan trong 10 ml etanol, khuấy ở nhiệt độ 50 0 C để Cur tan hoàn toàn đến bão hòa. Nhỏ từ từ dung dịch Cur vào 50 ml dung dịch CS/AgNPs 200 ppm, tiếp tục khuấy ở nhiệt độ o C đến khi xuất hiện kết tủa thì dừng quá trình. 42

47 Tiếp tục khuấy thêm 30 phút tại nhiệt độ đó để dung môi etanol bay hết, dừng quá trình thu được CS/AgNPs-Cur. Sản phẩm được tiến hành đo quang phổ hấp thụ UV-vis để xác định khả năng mang Cur Chế tạo nanocompozit chứa hạt nano sắt từ trên nền chitosan (CS/MNPs) Phương pháp đồng kết tủa Fe 3 O 4 tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa của muối Fe 2+ và Fe 3+ bởi NaOH, theo phương trình phản ứng: 2Fe 3+ + Fe OH - = Fe 3 O 4 + 4H 2 O Cân chính xác lượng muối Fe 2+ và Fe 3+ theo tỷ lệ số mol 1:2, hòa tan hai muối vào 20 ml nước cất, bổ sung một lượng nhỏ axit HCl nhằm hạn chế sự thủy phân của muối sắt. Cân 0,2 g CS hòa tan trong 50 ml axit axetic 2%, khuấy trong 1 giờ ở 50 o C. Nhỏ từ từ dung dịch chứa hỗn hợp muối Fe vào dung dịch CS, khuấy trộn trong 30 phút để thu được dung dịch đồng nhất, được dung dịch A. Phương pháp đồng kết tủa sử dụng hệ khuấy trộn trong điều kiện trơ Đưa dung dịch A vào trong thiết bị phản ứng như hình 2.2. Trước khi phản ứng tiến hành bơm sục N 2 trơ trong 15 phút để loại bỏ không khí. Cân lượng NaOH phản ứng vừa đủ với lượng Fe 2+ và Fe 3+ theo phương trình phản ứng, hòa tan trong 20 ml H 2 O được dung dịch B. Mở van, nhỏ giọt từ từ dung dịch B vào dung dịch A trong khoảng 10 phút, trong điều kiện khuấy mạnh và sục N 2, để phản ứng diễn ra trong 30 phút. Quan sát quá trình phản ứng qua sự thay đổi của màu sắc từ kết tủa nâu sang đen. Kết thúc quá trình ph dung dịch khoảng 8-10 đảm bảo lượng muối Fe đã phản ứng hết. Sản phẩm thu được ký hiệu CS/MNPs1, 43

48 Dung dịch B Dung dịch A Hình 2.2. Chế tạo CS/MNPs1 sử dụng hệ khuấy trộn trong điều kiện trơ Đổ sản phẩm sau phản ứng ra cốc có mỏ, dùng nam châm thu sắt từ và rửa với nước cất đến khi ph = 7 nhằm loại hết sản phẩm phụ và các chất dư chưa phản ứng. Kết tủa thu được phân tán trong 100ml nước cất bằng siêu âm. Dung dịch chứa nano sắt từ nồng độ 0,7% bền trong điều kiện thường. Phương pháp đồng kết tủa trong hệ vi lưu Phương pháp này dựa trên quá trình đồng kết tủa xảy ra trong các kênh vi lưu được chế tạo bởi vật liệu polymetylsilosan (PDMS), mô hình cấu tạo hệ vi lưu được trình bày trên hình 2.3. Đầu vào 3 Đầu vào 2 Đầu vào 1 Đầu ra Đầu vào 2 Đầu vào 1 Đầu vào 2 Hình 2.3. Mô hình chế tạo CS/MNPs2 trong hệ thống vi lưu 44

49 Hệ vi lưu (microfluidic) có cấu tạo gồm hệ phức hợp như bơm, khoang chứa, khoang trộn, các van đóng mở. Hệ kênh vi lưu có đường kính khoảng μm nối với nhau tùy theo mục đích, cho phép các phản ứng hóa học diễn ra. Chất lỏng hoặc khí được đưa vào thông qua hệ thống bơm có điều khiển tốc độ. Quá trình tổng hợp CS/MNPs được tiến hành trong hệ vi lưu PDMS Các dòng chất lỏng từ các đầu vào 1, 2 và 3 tạo thành các dòng chất lỏng song song. Lớp diclometan (DCM) ngăn quá trình xảy ra mãnh liệt của phản ứng tạo kết tủa do điều này dễ dẫn đến hiện tượng tắc kênh, các chất tham gia phản ứng khuếch tán vào lớp DCM và phản ứng xảy ra từ từ đồng thời kích thước CS/MNPs được điều khiển. Dựa vào độ ổn định của dòng và quan sát phản ứng tránh hiện tượng tắc kênh vi lưu, các điều kiện tác nhân phản ứng và tốc độ dòng được lựa chọn phù hợp như trình bày trên bảng 2.1. Bảng 2.1. Các điều kiện sử dụng tổng hợp CS/ MNPs2 trong kênh vi lưu Đầu vào Tác nhân phản ứng Tốc độ dòng (μl/phút) 1 DCM 80 2 Dung dịch A 15 3 NH 4 OH 15 Kết quả thu được ở đầu ra sản phẩm CS/MNPs2 có màu đen, các hạt CS/MNPs2 thu được bằng nam châm ngoài được rửa vài lần với nước cất cho đến khi trung tính Phương pháp oxi hóa kết tủa Phương pháp này dựa trên quá trình oxi hóa kết tủa muối Fe 2+ theo phương trình phản ứng: 3Fe NO 3 + 2OH - - => Fe 3 O 4 + 2NO 2 + H 2 O 0,2 g CS hòa tan trong 50 ml axit axetic 2%, khuấy trong 1giờ tại nhiệt độ 50 o C. Cân lượng chính xác FeCl 2.6H 2 O hòa tan vào 20 ml H 2 O đến tan hoàn toàn. Nhỏ từ tử dung dịch FeCl 2 vào dung dịch CS, khuấy đều trong 30 phút, thu được dung dịch A. 45

50 Cân lượng NaNO 3 + NaOH theo phương trình phản ứng, hòa tan vào 20 ml H 2 O đến tan hoàn toàn, thu được dung dịch B. Dưới điều kiện khuấy trộn mạnh và gia nhiệt ở o C, nhỏ từ từ dung dịch B vào hỗn hợp dung dịch A. Quá trình phản ứng được quan sát bởi sự kết tủa và màu sắc kết tủa tạo thành. Sản phẩm CS/MNPs3 có màu đen được thu bằng nam châm và lọc rửa đến khi ph về trung tính. NaNO 3 + NaOH FeCl 2 /CS Hình 2.4. Sơ đồ quá trình tổng hợp CS/MNPs3 Nanocompozit CS/MNPs thu được từ 3 phương pháp trên được tiến hành phân tích hình thái học bằng kính hiển vi điện tử quét FESEM và kính hiển vi điện tử truyền qua TEM; phân tích cấu trúc bằng phương pháp nhiễu xạ tia X; phân tích tính chất từ bằng phương pháp từ kế mẫu rung Phương pháp phân tán CS/MNPs trong CS biến tính với chất phát quang Chất phát quang flourescent isothiocyanat (FITC) thường được sử dụng trong kỹ thuật đánh dấu huỳnh quang, là hợp chất màu vàng có thể gắn kết với các kháng thể mà không ảnh hưởng tới hoạt tính của kháng thể. Khi bị kích thích bởi tia UV hay ánh sáng xanh, FITC phát quang thành ánh sáng màu xanh lá. 0,1 g CS hòa tan trong 20 ml axit axetic 2%, khuấy trong 1 giờ tại nhiệt độ 50 o C. Cân 0,02 g FITC hòa tan trong 5 ml etanol. 46

51 Nhỏ từ từ dung dịch FITC vào dung dịch CS trong 5 phút trong điều kiện tránh ánh sáng, tiếp tục khuấy thêm 1giờ, được phức hợp CS-FITC (dung dịch A). Chuẩn bị 10 ml dung dịch CS/MNPs2 nồng độ 0,3 mg/ml, nhỏ giọt chậm vào 5ml dung dịch A, tránh ánh sáng, khuấy trong 30 phút, thu được FMNPs M1. Chuẩn bị 10 ml dung dịch CS/MNPs2 nồng độ 0,3 mg/ml nhỏ giọt chậm vào 15ml dung dịch A, tránh ánh sáng, khuấy trong 30 phút thu, được FMNPs-M2. Các dung dịch thu được FMNPs-M1 và FMNPs-M2 giữ trong điều kiện tránh ánh sáng được tiến hành đo các tính chất: xác định từ độ bão hòa bằng phương pháp từ kế mẫu rung và tính chất quang bằng phương pháp phát huỳnh quang Chế tạo nanocompozit chứa hạt nano bạc- sắt từ trên nền chitosan (CS/AgNPs-MNPs) Qua quá trình nghiên cứu các vật liệu CS/AgNPs và CS/MNPs, lựa chọn được vật liệu có nhiều đặc tốt nhất, tiếp tục chế tạo nanocompozit đa thành phần CS/AgNPs-MNPs Phương pháp chế tạo nanocompozit CS/AgNPs-MNPs Vật liệu nanocompozit CS/AgNPs-MNPs được tổng hợp bằng phương pháp phân tán ex-situ, phối trộn các thành phần CS/AgNPs và CS/MNPs: Chuẩn bị 50 ml dung dịch MNPs/CS nồng độ 0,7% và 50 ml dung dịch AgNPs/CS nồng độ 500 ppm, trộn vào nhau và khuấy mạnh trong 1 giờ tại nhiệt độ phòng. Sau đó, nanocompozit được thu lại bằng nam châm, rửa bằng nước cất để loại bỏ các thành phần dư Phương pháp mang curcumin lên vật liệu CS/AgNPs-MNPs Phân tán 0,2g CS/AgNPs-MNPs trong 50ml H 2 O, nhỏ từ từ 10ml dung dịch Cur bão hòa trong etanol vào, khuấy ở nhiệt độ o C. Đến khi xuất hiện kết tủa thì dừng lại. Tiếp tục khuấy thêm 30 phút để dung môi etanol bay hết, thu được sản phẩm CS/AgNPs-MNPs-Cur. 47

52 Thực nghiệm đốt nhiệt cảm ứng từ Các phép đo nhiệt-từ được thực hiện trong từ trường xoay chiều có tần số 236 khz và cường độ Oe trên thiết bị RDO-HFI, công suất đầu ra 5kW. Chi tiết về thiết kế thí nghiệm được minh hoạ trên hình 2.5. Hình 2.5. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm đốt nhiệt cảm ứng từ. Các mẫu đo được đặt trong thiết bị thử nghiệm đốt nhiệt cảm ứng từ, cách nhiệt với môi trường ngoài bằng một vỏ bình thuỷ tinh được hút chân không Torr. Nhiệt độ mẫu được quan sát bằng mắt thường với nhiệt kế thủy ngân (độ chính xác 0,5 o C) và bằng đồng hồ vạn năng Keithley 2001 sử dụng cặp nhiệt Cu- Const. Mối tương quan giữa nhiệt độ mẫu với thời gian áp từ trường lên mẫu thí nghiệm được thiết lập, gọi là đường đốt nhiệt từ (hình 2.6). 48

53 Nhiệt độ ( o C ) thức Hình 2.6. Đường đốt nhiệt từ Tốc độ hấp thụ nhiệt (SAR-specific absorbtion rate), được xác định từ công m T s SLP C m i t, trong đó C là nhiệt dung riêng của hệ mẫu (hạt từ và dung dịch), m s là khối lượng tổng cộng của hệ mẫu và m i là khối lượng hạt từ, T t là tốc độ tăng nhiệt ban đầu, xác định từ tiếp tuyến của đường cong đốt nhiệt từ tại thời điểm bật từ trường, hay được xác định là tốc độ tăng nhiệt trong giây đốt đầu tiên Các phương pháp nghiên cứu Phương pháp xác định cấu trúc nanocompozit Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) Phương pháp XRD xác định thành phần cấu trúc mạng tinh thể của mẫu cần nghiên cứu. Dựa vào số lượng, vị trí và cường độ của vạch phổ nhiễu xạ thu được và so sánh với ngân hàng vạch phổ có thể nhận biết pha tồn tại trong mẫu nghiên cứu. Trong luận án cấu trúc tinh thể của vật liệu được phân tích nhiễu xạ tia X trên thiết bị Siemens D-500 với bức xạ Cu-K α (bước sóng λ=1,5406a o ) - Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm KHCNVN. 49

54 Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) Phương pháp phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X dùng để phân tích thành phần các nguyên tố trong mẫu nanocompozit. Các mẫu nanocompozit được phân tích EDX trên máy JSM 6490-JED 2300, JEOL - Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm KHCNVN Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) Phương pháp phổ hồng ngoại (InfraRed Spectroscopy - IR) phân tích, đánh giá các liên kết hóa học trong hợp chất. Các vân phổ phổ hồng ngoại đặc trưng nhóm chức đặc trưng cho các các liên kết có mặt trong phân tử hợp chất hoá học. Các mẫu vật liệu nanocompozit được sấy khô, ép viên với KBr đo trên máy FTIR NEXUS 670 của hãng NICOLET - Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, Viện Hàn lâm KHCNVN Phương pháp xác định hình thái học nanocompozit Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) với độ phân giải cao dùng để nghiên cứu hình thái, cấu trúc vật liệu nanocomopozit: hình dạng, kích thước hạt, biên giới hạt ngoài ra còn xác định được cách sắp xếp các thành phần nano trong vật liệu. Trong luận án các phân tích TEM được thực hiện trên thiết bị JEM Viện Vệ sinh dịch tễ Trung ương; thiết bị JEM-1400 Đại học Busan Hàn Quốc Phương pháp hiển vi điện tử quét xạ trường FESEM Phương pháp kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) được sử dụng để xác định hình thái bề mặt và kích thước hạt của các vật liệu đã chế tạo. Trong luận án, phân tích FESEM được thực hiện trên thiết bị S4800 của hãng Hitachi (Nhật Bản), tại Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm KHCNVN; thiết bị JSM-6700F tại Đại học Busan Hàn Quốc; thiết bị Hitachi S-480 tại Viện Vệ sinh dịch tễ. 50

55 Phương pháp nghiên cứu tính chất hóa, lý, sinh của nanocompozit Phương pháp từ kế mẫu rung (VSM) Phương pháp từ kế mẫu rung được sử dụng để khảo sát tính chất từ của các vật liệu cấu trúc nano có chứa hạt Fe 3 O 4. Trong quá trình đo, mẫu phân tích bị từ hóa bởi một từ trường mạnh và dao động điều hòa với biên độ nhỏ quanh cuộn pick-up. Các phân tích tính chất từ trong luận án được thực hiện trên hệ từ kế mẫu rung - Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm KHCNVN Phương pháp phổ tử ngoại khả kiến (UV-vis) Phương pháp phổ UV-vis được sử dụng trong nghiên cứu này để khảo sát quá trình hình thành nanocompozit CS/AgNPs và khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu sau khi mang thuốc đồng thời định lượng lượng thuốc Cur trên hệ chất mang. Trong luận án này phổ hấp thụ UV-vis được đo trên máy UV-vis Agilent 8453 Viện Hóa học, Viện Hàn lâm KHCNVN Phương pháp phổ huỳnh quang Huỳnh quang là hiện tượng phát ra ánh sáng (không kể bức xạ của vật đen tuyệt đối) khi vật liệu tương tác với các hạt hay bức xạ. Phổ huỳnh quang (PL) là đường cong biểu diễn sự phân bố cường độ phát quang theo tần số hay bước sóng của bức xạ. Tính chất quang của vật liệu được khảo sát bằng phổ PL trên hệ đo quang, với máy đô phân giải cao tại phòng thí nghiệm trọng điểm Viện Khoa học vật liệu- Viện Hàn lâm KHCNVN và phòng thí nghiệm phân tích huỳnh quang Đại học Busan Hàn Quốc. Hệ laze có bước sóng kích thích 300nm và 495 nm từ Trung tâm MEMS Đại học Busan Hàn Quốc Phương pháp thử hoạt tính sinh học Phương pháp đục lỗ thạch Chuẩn bị môi trường dinh dưỡng nuôi cấy vi khuẩn (NA). Sau đó, môi trường NA được hấp khử trùng và đổ vào các đĩa petri với thể tích khoảng 15ml để tạo mặt thạch. 51

56 Chuẩn bị các chủng vi khuẩn thử nghiệm: Cấy các chủng vi khuẩn thử nghiệm vào môi trường tăng sinh vi khuẩn (TSB) đã được khử trùng. Ủ ở 37 0 C trong thời gian từ 6-8h để các chủng vi khuẩn hoạt hóa và tăng sinh. Xác định mật độ tế bào vi khuẩn bằng phương pháp đo mật độ quang ở bước sóng 625nm. Độ đục của vi khuẩn phải trong khoảng từ 0,08 đến 0,1 để tương ứng với mật độ vi khuẩn khoảng 1 2 x 10 8 CFU/ml. Mật độ vi khuẩn này sẽ được cố định để tiến hành sử dụng cho thử hoạt tính kháng khuẩn của mẫu thử nghiệm. Chuẩn bị các chất thử nghiệm: Dùng pippetman hút chính xác 100µl dung dịch vi khuẩn đã chuẩn bị cho vào đĩa petri chứa môi trường NA, dùng que trải thủy tinh trải đều vi khuẩn lên trên mặt thạch của môi trường NA. Đợi mặt thạch tương đối khô, tiến hành đục những lỗ thạch. Dùng pippetman hút chính xác 100µl các chất thử nghiệm cho vào các lỗ thạch. Các thao tác phải được tiến hành trong điều kiện vô trùng. Ủ các đĩa petri này trong 24 giờ ở nhiệt độ 37 0 C, quan sát kết quả dựa vào vòng kháng khuẩn. Nếu mẫu có tạo vòng kháng khuẩn chứng tỏ chất thử nghiệm có khả năng kháng được chủng vi khuẩn thử nghiệm. Các thử nghiệm sinh học được tiến hành tại Viện Hóa học Viện Hàn lâm KHCNV. 52

57 Độ hấp thụ (a.u) Độ hấp thụ (a.u) CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nanocompozit chứa hạt nano bạc trên nền chitosan (CS/AgNPs) Chế tạo nanocompozit CS/AgNPs Nanocompozit nano bạc trên nền CS được chế tạo theo ba phương pháp: phương pháp sử dụng chất khử NaBH 4, phương pháp gia nhiệt và phương pháp sử dụng lò vi sóng như đã trình bày trong phần Phương pháp sử dụng chất khử NaBH 4 CS/AgNPs1 được chế tạo theo phương pháp khử hóa học sử dụng NaBH 4 đóng vai trò là tác nhân khử, khử ion Ag + thành Ag, như trình bày ở phần Các mẫu nanocompozit chế tạo được với các điều kiện thời gian phản ứng khác nhau: 5 phút, 10 phút, 20 phút, 30 phút, 60 phút, được phân tích phổ UV-vis để xác định pic hấp thụ cực đại. Hình 3.1A trình bày phổ UV-vis của vật liệu trước và sau khi khử 30 phút, bước sóng hấp thụ cực đại ( max) là 413 nm, các mẫu khác cũng có cùng max như vậy. Hình 3.1B trình bày sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang (ABS) của các mẫu theo thời gian phản ứng. Do hap thu (AU) A 413 nm CS/AgNPs1 CS/AgNPs1 cs/agn03 Độ hấp thụ (a.u Do hap thu (AU) B CS/AgNO Buoc song Bước sóng (nm) Thoi (ph) Thời gian (phút) Hình 3.1. (A) Phổ UV-vis của CS/AgNPs trước và sau khi khử bằng NaBH 4 trong 30 phút; (B) Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào thời gian khử Quan sát hình 3.1 B ta thấy độ hấp thụ tăng nhanh trong 30 phút đầu, sau đó hầu như không tăng. Như vậy, phản ứng khử Ag + thành Ag diễn ra nhanh do NaBH 4 là chất khử mạnh. Kết quả tương đồng với tài liệu đã công bố [67]. 53

58 Phương pháp gia nhiệt CS/AgNPs2 được chế tạo theo phương pháp sử dụng CS là chất khử Ag + trong điều kiện gia nhiệt. Quá trình chế tạo được thực hiện trong 7h tại các nhiệt độ khác nhau: 60, 70, 90 o C. Các mẫu thu được được phân tích phổ UV-vis và trình bày trên hình o C 70 o C 90 o C Độ Do hấp hap thụ thu (a.u (AU) o C 70 o C o C Buoc song (nm) Bước sóng (nm) Hình 3.2. Phổ hấp thụ UV-vis của CS/AgNPs2 với các nhiệt độ phản ứng khác nhau Các mẫu nanocompozit đều có λ max tại 400nm, mẫu chế tạo ở nhiệt độ 90 o C có cường độ pic hấp thụ mạnh nhất. Nguyên nhân khiến quá trình khử Ag + thành Ag xảy ra chậm ở nhiệt độ thấp là do chitosan là chất khử yếu. Và Ag + /Ag có tính oxy hóa yếu (thế oxy hóa khử chuẩn bằng 0,8V). Do đó, nhiệt độ cao là cần thiết để thúc đẩy quá trình khử ion bạc thành hạt nano bạc. Tuy nhiên, không nên chế tạo ở nhiệt độ cao hơn 90 o C vì sự lắng tụ của các hạt nano bạc có thể xảy ra; đồng thời chitosan có thể bị phân hủy. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng tới quá trình khử cũng được khảo sát với 1 giờ, 3 giờ, 5 giờ, 7 giờ, 9 giờ, 11 giờ, nhiệt độ phản ứng giữ nguyên ở 90 o C. Kết quả phân tích UV-vis các mẫu nanocompozit được trình bày trên hình

59 Độ hấp thụ (a.u) Độ hấp thụ (a.u) Độ hấp thụ (a.u) 1.5 Độ hấp thụ (a.u Do hap thu (ABS) Thời Thoi gian (h) (giờ) Hình 3.3. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào thời gian khử Quan sát hình 3.3 ta thấy trong 9 giờ đầu, cường độ hấp thụ tăng nhanh theo thời gian phản ứng, sau đó hầu như tăng không đáng kể. Do đó, chúng tôi lựa chọn 9 giờ là thời gian để tiến hành phản ứng Phương pháp sử dụng lò vi sóng Nanocompozit CS/AgNPs3 được chế tạo trong điều kiện lò vi sóng như đã được trình bày trong phần Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến quá trình khử Ag + về Ag được khảo sát bằng các phân tích phổ UV-vis (hình 3.4). Độ hấp thụ (a.u Do hap thu (Au) A 433 nm CS/AgNPs3 CS/AgNO3 CS/AgNPs CS/AgNO 3 Độ hấp thụ (a.u Do hap thu (AU) B Buoc song (nm) Bước sóng (nm) Thời Thoi gian (ph) (phút) Hỉnh 3.4. (A) Phổ UV-vis của nanocompozit trước và sau khi khử trong lò vi sóng trong 10 phút; (B) Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang của CS/AgNPs3 vào thời gian khử 55

60 Kết quả cho thấy CS/AgNPs có max là 433 nm, độ hấp thụ quang tăng nhanh theo thời gian phản ứng trong 10 phút đầu tiên, sau đó hầu như không tăng. Có thể kết luận 10 phút là thời điểm kết thúc phản ứng. Cơ chế phản ứng khử Ag + thành Ag bằng CS được giả thiết như sau: Bước 1: Các ion Ag + được hấp phụ vào CS Bước 2: Phản ứng tạo thành CS/AgNPs Theo cơ chế này, đầu tiên ion Ag + sẽ tạo liên kết với nhóm -NH 2 của CS do sự chia sẻ cặp electron tự do của nguyên tử N và sự cạnh tranh hấp phụ của Ag + và H + đối với nguyên tử N. Thêm vào đó, phức R-NH 2 Ag + bị thủy phân với H 2 O tạo AgOH. Bước 2 quá trình tạo thành CS/AgNPs, đầu tiên sản phẩm AgOH không bền tiếp tục bị thủy phân thành Ag 2 O, tiếp theo Ag 2 O bị khử bởi nhóm CH 2 -OH của CS tạo Ag và nhóm CH 2 OH bị oxy hóa thành -CHO. -CHO tiếp tục khử Ag 2 O tạo thành Ag và gốc -COO -. Kết quả Ag + bị khử thành Ag bởi CS và phân tán trong mạng lưới CS. - Trong quá trình phản ứng trên, CS vừa đóng vai trò giúp các ion Ag + phân tán đều trên bề mặt, vừa đóng vai trò là tác nhân khử ion Ag + thành Ag. Tuy nhiên CS là tác nhân khử yếu nên phản ứng khử xảy ra chậm. - Sau khi hạt nano bạc được tạo thành, chúng phân tán trong mạng CS và tránh được hiện tượng kết tụ. Khả năng khử AgNO 3 của CS bằng phương pháp khử trong lò vi sóng và phương pháp khử hóa học bằng NaBH 4 được so sánh thông qua thí nghiệm đánh giá định tính Ag + còn dư trong dung dịch sản phẩm sau phản ứng với anion Cl -. Ảnh chụp kết quả phương pháp thử Ag + dư với Cl - được trình bày trên hình

61 CS/AgNPs1 CS/AgNPs3 Hình 3.5. Ảnh chụp dung dịch chứa CS/AgNPs1 và CS/AgNPs3 sau khi bổ sung HCl So sánh cả 2 mẫu CS/AgNPs1 và CS/AgNPs3 với thuốc thử là ion Cl -, kết quả thu được âm tính, cả 2 dung dịch trong suốt, không xuất hiện kết tủa. Điều này chứng tỏ AgNO 3 đã phản ứng hết (Ag + đã bị khử hoàn toàn thành Ag o ). Phương pháp khử bằng CS trong lò vi sóng chứng tỏ ưu điểm hơn hẳn, khả năng khử mạnh trong thời gian ngắn, sản phẩm có độ tinh khiết cao. CS/AgNPs đã được chế tạo thành công theo 3 phương pháp: phương pháp khử hóa học dùng NaBH 4 với lượng dư NaBH 4 (để đảm bảo quá trình xảy ra hoàn toàn) kết thúc sau 30 phút; phương pháp khử dùng CS trong điều kiện khuấy gia nhiệt tại nhiệt độ 90 o C kết thúc sau 9 giờ; phương pháp khử trong lò vi sóng kết thúc sau 10 phút. Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng, phương pháp khử hóa học sử dụng NaBH 4 có ưu điểm là trình khử xảy ra hoàn toàn, tuy nhiên có nhược điểm là chứa lượng dư chất phản ứng NaBH 4 và tạo ra các sản phẩm phụ NaNO 3 và B 2 H 6, nên ứng dụng của CS/AgNPs sẽ bị hạn chế, đặc biệt trong lĩnh vực y sinh. Trong ba phương pháp này, phương pháp sử dụng lò vi sóng có ưu điểm hơn cả, khắc phục được các nhược điểm của hai phương pháp còn lại, độ tinh khiết cao, thời gian phản ứng ngắn Đặc trưng cấu trúc Phân tích phổ IR 57

62 Cấu trúc của nanocompozit CS/AgNPs2 và CS/AgNPs3 được nghiên cứu bằng phổ hồng ngoại IR. Kết quả thu được trên hình ,8 0,7 Cường độ (a.u) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 CS/AgNPs2 CS/AgNPs3 CS 0, Số sóng (cm -1 ) Hình 3.6. Phổ IR của nanocompozit CS/AgNPs và CS Quan sát hình 3.6 ta thấy trên phổ IR của nanocompozit có sự xuất hiện một số pic mới tại vị trí 1628 cm -1, 1410 cm -1 trong vùng từ 1390 đến 1600 cm -1 gây ra bởi tương tác giữa các Ag với mạng lưới CS [48, 100]. Về cơ bản các pic của nanocompozit mới tạo thành giống các pic của CS, điều này chứng tỏ điều kiện gia nhiệt và lò vi sóng không phá vỡ trúc của CS. Như vậy phương pháp sử dụng lò vi sóng để tổng hợp CS/AgNPs3 thể hiện ưu điểm hơn hẳn về thời gian, độ tinh sạch cũng như hiệu suất của quá trình. Phân tích nhiễu xạ tia X Cấu trúc tinh thể của Ag trong nanocompozit CS/AgNPs được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X. Giản đồ nhiễu xạ tia X của CS và CS/AgNPs3 được trình bày trên hình

63 A B Cường độ (a.u) Cường độ (a.u) Góc nhiễu xạ 2θ Góc nhiễu xạ 2θ Hình 3.7. Giản đồ nhiễu xạ tia X của: (A) CS và (B) CS/AgNPs Giản đồ nhiễu xạ tia X của CS thể hiện các pic tại giá trị 11,7 o và 20,2 o, phù hợp với tài liệu công bố liên quan giản đồ nhiễu xạ tia X của CS [67]. Trên giản đồ không xuất hiện pic nhiễu xạ của các tạp chất. Giản đồ nhiễu xạ tia X của nanocompozit CS/AgNPs (Hình 3.7B) xuất hiên các pic tại (111), (200), (220), (311) đặc trưng cho tinh thể Ag (theo ngân hàng phổ JCPDS card No ) [65], [92], [37]. Thành phần nguyên tố của nanocompozit CS/AgNPs3 được phân tích định tính và định lượng bằng phương pháp EDX, kết quả trình bày trên hình 3.8 và bảng 3.1. Hình 3.8. Phổ EDX của CS/AgNPs3 59

64 Bảng 3.1. Hàm lượng các nguyên tố trong CS/AgNPs3 Nguyên tố Năng lượng (kev) Khối lượng (%) Nguyên tử (%) Sai số (%) C K* 0, ,16 N K* 0, ,392 O K 0, ,525 Na K Ag L ,76 Trên phổ EDX của vật liệu ta quan sát thấy các pic đặc trưng của C, O, N, Na, Ag trong thành phần của nanocompozit CS/AgNPs3. Với sự xuất hiện pic của C tại mức năng lượng E = 0,277keV, pic của O tại mức năng lượng E = 0,525keV, pic của N tại mức năng lượng E = 0,392keV, pic của Na tại mức năng lượng E = 1,041keV, pic của Ag tại mức năng lượng E = 2,983keV [76]. Kết quả phân tích định lượng cho thấy Ag chiếm khoảng 23% (bảng 3.1). Trong bảng 3.1 cũng nhận thấy xuất hiện lượng tạp chất Na và K điều này được giải thích do tạp chất trong hóa chất khi tiến hành thí nghiệm Hình thái học Hình dạng, kích thước và sự phân tán các hạt AgNPs trong nanocompozit CS/AgNPs được xác định bằng phương pháp FESEM và TEM. Trên hình 3.9 trình bày ảnh FESEM của CS và các mẫu nanocompozit CS/AgNPs chế tạo bằng các phương pháp khác nhau. 60

65 A B C D Hình 3.9. Ảnh FESEM của: (A) CS; (B) CS/AgNPs1,(C) CS/AgNPs2; (D) CS/AgNPs3 Bề mặt CS có dạng vô định hình, các lớp xếp khít nhau. Trên ảnh FESEM của các tổ hợp nanocompozit CS/AgNPs có thể quan sát thấy hạt AgNPs phân tán trong mạng lưới CS, các hạt có dạng hình cầu, kích thước tương đối đồng đều với độ đơn phân tán cao, tuy nhiên qua ảnh FESEM khó phân biệt được sự khác nhau về kích thước của ba loại nanocompozit, cần quan sát trên ảnh TEM với độ phân giải cao hơn (hình 3.10). 61

66 A (a) 5 4 Số counts hạt nm Kích particle thước size (nm) (nm) B (b) Số count hạt nm Kích size thước (nm) (nm) C (c) Số count hạt nm Kích thước (nm) size (nm) Hình Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của: (A) CS/AgNPs1, (B) CS/AgNPs2 và (C) CS/AgNPs3 Hình 3.10 trình bày ảnh TEM và biểu đồ phân bố kích thước hạt AgNPs trong các mẫu CS/AgNP1, CS/AgNPs2 và CS/AgNPs3. Cả ba phương pháp đều cho các hạt AgNPs dạng hình cầu, kích thước trung bình là 20, 7 và 8 nm tương ứng với các mẫu CS/AgNPs1, CS/AgNPs2 và CS/AgNPs3. Phân bố kích thước từ 5 27 nm với CS/AgNPs1, 1-9 nm với CS/AgNPs2 và 1-12 nm với CS/AgNPs3. Sự phân bố kích thước hạt AgNPs tùy theo phương pháp chế tạo được giải thích dựa trên thuyết Lamer [80], giả thiết về sự hình thành và lớn lên của các hạt nano. 62

67 Nồng độ dung dịch Thời gian Hình Sơ đồ Lamer mô tả quá trình hình thành hạt nano Với phương pháp khử hóa học sử dụng chất khử NaBH 4, các hạt nhân Ag hình thành một cách nhanh chóng với nồng độ cao, do tương tác năng lượng bề mặt lớn nên quá trình lớn lên của các hạt AgNPs xảy ra mạnh mẽ, các hạt nano hình thành với kích thước lớn hơn (khoảng 20nm). Đối với phương pháp gia nhiệt, tuy trên phổ IR không chỉ ra sự thay đổi sự phá vỡ cấu trúc của CS, tuy nhiên do nhiệt độ cao (70-90 o C) làm tăng chuyển động nhiệt của các tiểu phân Ag hình thành trong quá trình dẫn đến sự cạnh tranh giữa lực tương tác bề mặt với chuyển động nhiệt. Điều này ngăn cản quá trình lớn lên của các hạt AgNPs, mặt khác sự khử Ag + thành Ag thông qua các nhóm -NH 2 của CS là quá trình khử yếu nên thời gian kéo dài và các nhân hình thành cũng chậm hơn. Kết quả hạt AgNPs hình thành tương đối nhỏ. Trong phương pháp khử bằng CS sử dụng lò vi sóng, quá trình tăng nhiệt cục bộ nhanh kết hợp vi sóng, đã thúc đẩy quá trình khử hóa học bằng nhóm NH 2, các hạt nhân Ag hình thành nhanh hơn, với nồng độ cao, quá trình lớn lên của các AgNPs cũng diễn ra thuận lợi hơn. Kết quả hạt AgNPs lớn hơn so với phương pháp khuấy gia nhiệt. Tuy nhiên, phương pháp này tiết kiệm thời gian, sản phẩm tinh khiết nên có tiềm năng ứng dụng tốt hơn. 63

68 Độ hấp thụ (a.u) Tính chất lý, hóa, sinh học Tính chất quang Tính chất quang của CS/AgNPs bắt nguồn từ hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance) do điện tử tự do trong hạt AgNPs hấp thụ ánh sáng chiếu vào. Ag là kim loại có nhiều điện tử tự do, tính chất quang của hạt AgNPs được do sự dao động cộng hưởng của các điện tử dẫn đến quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao động như vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành một lưỡng cực điện do vậy gây ra tần số cộng hưởng. Tần số cộng hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng các yếu tố về hình dạng, kích thước của hạt nano AgNPs. Tính chất quang của các mẫu nanocompozit CS/AgNPs1, CS/AgNPs2 và CS/AgNPs3 được nghiên cứu bằng phổ UV-vis và được trình bày trên Hình 3.12: Độ hấp thụ (a.u Bước sóng (nm) Hình Phổ hấp thụ UV-vis của CS/AgNPs1, CS/AgNPs2 và CS/AgNPs3 Trên phổ hấp thụ UV-vis của CS/AgNPs1, CS/AgNPs2, CS/AgNP3. Phổ hấp thụ thể hiện cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface plasmon resonance SPR), các pic 400 nm, 413 nm và 433 nm là cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch chứa CS/AgNPs2, CS/AgNPs1 và AgNPs3. Thay đổi màu sắc của dung dịch tương ứng 64

69 với cường độ hấp thụ trên phổ UV-vis của các dung dịch chứa 3 loại nanocompozit CS/AgNPs. Mẫu CS/AgNPs1, CS/AgNPs3 có cường độ hấp thụ cao hơn nhiều so với mẫu CS/AgNPs2 nên phương pháp khử hóa học sử dụng NaBH 4 và phương pháp khử trong lò vi sóng hiệu quả hơn phương pháp gia nhiệt Hoạt tính sinh học Ứng dụng của công nghệ nano trong các vật liệu dệt may là một xu thế ngày càng thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học và các nhà công nghệ. Trong đó, sản phẩm thông dụng nhất phải kể đến là công nghệ đưa nano bạc với tính diệt khuẩn mạnh (gần 700 loài vi khuẩn, vi nấm ) lên vải. Trong nội dung nghiên cứu dưới đây chúng tôi sẽ trình bày kết quả ứng dụng diệt khuẩn khi đưa nanocompozit CS/AgNPs lên vải. CS/AgNPs3 được đưa lên vải theo quy trình như phần 2.1.3, vải sau khi được ngâm tẩm sấy đến khối lượng không đổi. Đem cân trên cân phân tích xác định lượng nanocompozit đã bám dính trên bề mặt vải và tính trung bình cho 1 cm 2. Thí nghiệm được lặp lại 3 lần lấy kết quả trung bình. - Hàm lượng nanocompozit CS/AgNPs trung bình trên 1cm 2 vải: 0 2, , , ,07727( mg / cm 3 Mẫu vải PET sau khi tẩm CS/AgNPs2; CS/AgNPs3 được phân tích FESEM, kết quả trình bày trên hình 3.13: ) 65

70 A B C Hình Ảnh FESEM của bề mặt sợi vải polyeste: (A) trước khi tẩm, (B) sau khi tẩm CS/AgNPs2, (C) sau khi tẩm CS/AgNPs3 Từ hình ảnh trên hình 3.13 cho thấy bề mặt các mẫu vải ngâm trong dung dịch chứa CS/AgNPs. Sự bám dính của các hạt AgNPs lên bề mặt vải thông qua lớp nền CS. CS có chứa các nhóm chức năng như NH 2, COOH và nhóm OH, các nhóm này có khả năng liên kết với bề mặt vải polyeste [58]. Từ hình ảnh SEM cho thấy các hạt nano bạc phân bố tương đối đồng đều trên bề mặt sợi vải, hình dạng sợi vải không có sự thay đổi sau khi ngâm vải trong dung dịch CS/AgNPs3. Tuy chưa đánh giá độ bám dính các hạt nano bạc trên vải qua số lần giặt nhưng theo tài liệu [58] đã công bố CS trong nanocompozit CS/AgNPs tương tác tốt với bề mặt vải. Điều này cho phép dự đoán tiềm năng ứng dụng của CS/AgNPs trên các loại vải dùng trong y tế để diệt trùng, đặc biệt dùng cho băng bó vết thương hoặc các vết bỏng da 66

71 Nanocompozit CS/AgNPs diệt khuẩn nhờ tác dụng kháng khuẩn của hạt AgNPs. Vi khuẩn Escherichia coli (viết tắt là E. coli), hay còn gọi là vi khuẩn đại tràng, là một vi khuẩn gram (-), chính ký sinh trong đường ruột của động vật máu nóng, thường được sử dụng mô hình cho các nghiên cứu về vi khuẩn. Hoạt tính kháng vi khuẩn E.Coli của vải tẩm nanocompozit CS/AgNPs2 và CS/AgNPs3 được đánh giá qua vòng vô khuẩn trên đĩa thạch đặc. Kết quả trình bày trên hình Mẫu trắng CS/AgNPs3 CS/AgNPs2 Hình Hoạt tính kháng khuẩn E.Coli của vải tẩm CS/AgNPs2 và CS/AgNPs3 Quan sát vòng vô khuẩn ta thấy CS/AgNPs3 có vòng ức chế vi khuẩn lớn hơn hẳn so với CS/AgNPs2, điều này có thể giải thích do nồng độ AgNPs trong dung dịch CS/AgNPs3 cao hơn, đã được khẳng định từ kết quả phân tích UV-vis (hình 3.12). Khả năng diệt khuẩn của mẫu vải tẩm CS/AgNPs do sự giải phóng các hạt nano Ag tẩm trên vải vào môi trường nuôi cấy. Quá trình tiếp xúc của AgNPs với vi khuẩn giúp diệt khuẩn theo hai cơ chế: Cơ chế diệt khuẩn của các CS/AgNPs bằng cách phá vỡ các nối disulfit: các nối disulfit ( S S ) trong vi khuẩn rất quan trọng vì nó đóng vai trò nhu một công tắc đóng, mở thuận nghịch để tạo ra protein khi tế bào vi khuẩn gặp các phản ứng oxy hóa. Ðây là cấu trúc quan trọng của các enzym trong vi khuẩn với tính chất xúc tác, nano bạc vô hiệu 67

72 hóa enzym mà vi khuẩn, virus và nấm cần cho quá trình chuyển hóa oxy. Đồng thời phá vỡ màng tế bào vi khuẩn bằng các phản ứng oxy hóa: nano bạc giúp tạo ra oxy hoạt tính trong không khí hoặc từ nuớc. Những oxy hoạt tính này có khả năng phá vỡ màng tế bào hoặc thành tế bào của vi khuẩn [69]. CS/AgNPs3 tiếp tục được thử nghiệm đánh giá nồng độ ức chế tối thiểu 50% (IC 50 ) trên các dòng vi khuẩn và nấm: Bacillus subtilis (Bs), Escherichia coli (Ec), Pseudomonas aeruginosa (Pa), Candida albicans (Ca), Lactobacillus fermentum (Lac), Salmonella enterica (Se) sau 3 lần tiến hành thử nghiệm kết quả trình bày trên bảng 3.2. Bảng 3.2. Kết quả xác định IC 50 trên vi khuẩn và nấm của nanocompozit CS/AgNPs3 Vi khuẩn và nấm mốc IC50 (ppm) Bs Ec Pa Ca Se Lac CS/AgNPs3 33 >50 9,33 >50 >50 >50 Ta thấy CS/AgNPs3 cho thấy kết quả IC 50 tương đối tốt, đặc biệt trên dòng vi khuẩn P.aeruginosa. Đây là dòng vi khuẩn gram âm thường xuất hiện trong nhiễm khuẩn bệnh viện, rất nguy hiểm do đã kháng trên rất nhiều dòng kháng sinh. Với kết quả nồng độ ức chế tối thiểu 50% vi khuẩn là 9,33 ppm. Vật liệu CS/AgNPs3 chế tạo được hứa hẹn tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y sinh và đặc biệt trong khử trùng bệnh viện Khả năng mang curcumin Cur có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt, với nhiều đặc tính sinh học quý nên ngày càng được các nhà khoa học quan tâm. Cur tiếp tục được sử dụng như loại thuốc mô hình, xác định khả năng dẫn truyền thuốc của nanocompozit CS/AgNPs. Trong một công bố của chúng tôi có liên quan đến khả năng mang Cur của nano chitosan chúng tôi có chứng minh Cur có khả năng tạo liên kết với nano CS, thông qua phân tích FITR đã đưa ra kết quả xuất hiện các pic chuyển dịch của CS khi mang Cur. Điều này cho phép đưa ra giả thiết về khả năng tạo liên kết giữa Cur và CS. 68

73 Quá trình phân tán trong nước và xác định định tính Cur trong dung dịch được đánh giá bằng sắc ký lớp mỏng (TLC) với hệ dung môi khai triển gồm diclometan/metanol = 9/0,5 (hình 3.15). A B Rf CS/AgNPs- Cur CS/AgNPs Cur CS/AgNPs-Cur Hình (A) Ảnh chụp dung dịch nước chứa CS/AgNPs và CS/AgNPs-Cur; (B) TLC định tính Cur trong CS/AgNPs-Cur Trên hình 3.15A cho thấy Cur phân tán tốt trong dung dịch chứa CS/AgNPs, dung dịch có màu vàng đậm hơn so với dung dịch CS/AgNPs. Cơ chế mang thuốc của nanocompozit dựa vào phức hợp Cur với lớp CS bọc xung quanh AgNPs làm tăng độ phân tán của Cur trong dung dịch. Hình 3.15B chỉ ra kết quả định tính Cur trên sắc ký bản mỏng với hệ khai triển diclometan: metanol = 9: 0,5, ái lực của hệ dung môi trên với Cur chuẩn và cur trong CS/AgNPs-Cur tạo vết có cùng giá trị R f (R f = 0.8). Điều này chứng minh cho giả thiết Cur chỉ tạo phức hợp và bị hấp phụ bởi lớp CS như đã được đưa ra trong một công bố của chúng tôi có liên quan đến khả năng mang Cur của nano chitosan và không có liên kết hóa học được hình thành giữa CS/AgNPs và Cur. Cur là chất có màu vàng, chứa các nối đôi liên hợp có khả năng hấp thụ ánh sáng. Trong khi đó, nanocompozit CS/AgNPs cũng có các đặc tính quang học tương đối mạnh và rõ rệt. Tính chất quang cộng hưởng của hệ CS/AgNPs-Cur được nghiên cứu bằng phổ hấp thụ UV-vis, với cùng hệ số pha loãng cho dung 69

74 dịch CS/AgNPs và CS/AgNPs-Cur trong dải bước sóng từ nm, kết quả được trình bày trên hình Cường độ (a.u Bước sóng (nm) Hình Phổ hấp thụ UV-VIS của (A) CS/AgNPs và (B) CS/AgNPs-Cur Từ phổ UV-vis xác định được λ max của CS/AgNPs và CS/AgNPs- Cur lần lượt là 413 nm và 449 nm. Sự chuyển dịch về phía bước sóng dài khi có mặt Cur được lý giải do tương tác bề mặt của AgNPs và các phân tử Cur. Đồng thời cường độ hấp thụ quang cũng tăng lên so với CS/AgNPs. Điều này chứng tỏ có thể sử dụng Cur như một chất phát quang, nhằm nghiên cứu cơ chế hoạt động của các hệ mang thuốc cũng như khả năng hướng đích và lưu trữ thuốc của tế bào ung thư. Tóm tắt kết quả phần Vật liệu nanocompozit CS/AgNPs đã được chế tạo thành công theo 3 phương pháp: CS/AgNPs1 chế tạo theo phương pháp khử hóa học sử dụng chất khử mạnh NaBH 4 (trong 30 phút); CS/AgNPs2 chế tạo theo phương pháp khử tại nhiệt độ 90 o C (trong 9 giờ), và CS/AgNPs3 chế tạo theo phương pháp khử bằng CS trong lò vi sóng (trong10 phút). - Vật liệu CS/AgNPs1 có kích thước hạt tương đối đồng đều khoảng 20nm, tuy nhiên khó kiểm soát dư chất phản ứng và loại sản phẩm phụ tạo thành. 70

75 - Vật liệu CS/AgNPs2 có ưu điểm tránh được ảnh hưởng của dư chất phản ứng trong sản phẩm, tuy nhiên việc sử dụng nhiệt độ cao và thời gian dài dẫn đến tốn năng lượng và khó kiểm soát kích thước, hình thái, tính chất hạt nano. - Vật liệu CS/AgNPs3 khắc phục được nhược điểm của 2 phương pháp trên. Phổ IR cho thấy cấu trúc của CS không bị phá vỡ, kết quả FESEM và TEM cho thấy kích thước hạt trung bình khoảng 8 nm, phân tán tương đối tốt. 2. Nanocompozit CS/AgNPs3 được tẩm lên vải cho kết quả kháng khuẩn rất khả quan. Vật liệu ức chế tốt các vi khuẩn, vi nấm, đặc biệt trên dòng vi khuẩn gram (-) bao gồm E. Coli và P. aeruginosa, với giá trị IC50 trên dòng Pa là 9,33ppm. 3. Nanocompozit CS/AgNPs có khả năng mang thuốc Cur, làm tăng độ phân tán của Cur, dịch chuyển λ max của dung dịch chứa CS/AgNPs từ 413nm sang 429nm đồng thời tăng cường độ hấp thụ. Kết hợp tính chất quang của Cur trong hệ CS/AgNPs mở ra triển vọng nghiên cứu hướng đích thuốc, cơ chế mang thuốc của các hệ dẫn thuốc nano. 71

76 3.2. Nanocompozit chứa hạt nano sắt từ trên nền chitosan Nanocompozit CS/MNPs được chế tạo theo 3 phương pháp khác nhau như đã trình bày trong phần 2.2.3: phương pháp đồng kết tủa trong điều kiện nitơ trơ (CS/MNPs1), phương pháp đồng kết tủa trong hệ vi lưu (CS/MNPs2) và phương pháp oxi hóa kết tủa (CS/MNPs3) Đặc trưng cấu trúc Cấu trúc tinh thể của các mẫu CS/MNPs1, CS/MNPs2, CS/MNPs3 được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) trình bày trên hình (311) CS/MNPs1 CS/MNPs2 CS/MNPs3 Cường độ (a.u) Cuong do (a.u) (220) (400) (422) (511) (440) Góc nhiễu xạ (2θ) Diffraction angle -2*theta (degree) Hình Giản đồ XRD của nanocompozit CS/MNPs1, CS/MNPs2 và CS/MNPs3 Trên hình 3.17 các pic thu được tại 220, 311, 400, 511 và 440 (được quan sát ở tất cả các mẫu) đặc trưng cho Fe 3 O 4. Các pic trong phổ XRD của CS/MNPs so sánh với phổ chuẩn trong ngân hàng JCPDS chỉ ra độ sạch của pha Fe 3 O 4 thu được khi không có sự xuất hiện của γ - Fe 2 O 3 trong cấu trúc của vật liệu. Như vậy về mặt cấu trúc có thể khẳng định pha từ trong vật liệu MNPs có cấu trúc spinen của Fe 3 O 4 [47]. 72

77 Độ truyền qua (%) Phân tích phổ IR Sự biến đổi cấu trúc CS trước và sau khi chế tạo nanocompozit, đồng thời sự tạo thành các liên kết mới trong nanocompozit được nghiên cứu bằng phương pháp phổ hồng ngoại. Kết quả được trình bày trên hình , CS/Fe3O4 CS/MNPs Độ truyền Absorbance qua (%) (a.u) Fe3O Chitosan CS Wavenumbers, cm -1 Số sóng (cm -1 ) Hình Phổ IR của CS, MNPs và CS/MNPs1 Phổ IR của MNPs tinh khiết, CS và CS/MNPs1 được thể hiện trên hình 3.18, các pic chính được thể hiện trên bảng 3.3 Bảng 3.3. Các vị trí hấp thụ chính của CS, MNPs và CS/MNPs1 73

78 Dao động Hợp chất Vị trí dao động đặc trưng của các nhóm liên kết (cm -1 ) ν(o H) ν(c H) ν(c-o) (N H) ν(fe-o) CS , , 1555, , MNPs 3420, (Fe 3 O 4 ) CS/MNPs , So sánh compozit CS/MNPs với các chất đầu phản ứng CS và MNPs có thể nhận thấy: pic ở vị trí 605 cm 1 tương ứng với nhóm Fe O, đã bị dịch chuyển sang vị trí 595 cm -1 chứng tỏ sự tồn tại của Fe 3 O 4 trong CS/MNPs. Sự có mặt của Fe 3 O 4 trong mạng CS làm cho dao động của nhóm N-H dịch chuyển từ 1638 tới 1681 cm - 1 đồng thời nhóm OH dịch chuyển từ 3395 đến 3427 cm -1 sự biến đổi này có thể được giải thích do liên kết của Fe với các nhóm NH 2 và OH của CS. Bên cạnh đó tương tác tĩnh điện giữa bề mặt tích điện âm của Fe 3 O 4 và CS tích điện dương có thể gây ra sự biến đổi này, tương tự như giả thiết đã công bố [64], [118] Hình thái học Kết quả nghiên cứu hình thái học của các vật liệu CS và nanocompozit bằng ảnh FESEM được trình bày trong hình 3.19: A B 74

79 C D 500 nm Hình Ảnh FESEM của: (A) CS; (B) CS/MNPs1, (C) CS/MNPs2; (D) CS/MNPs3 Quan sát ảnh FESEM có thể nhận thấy sự khác biệt về hình thái và kích thước của các mẫu nanocompozit CS/MNPs1, CS/MNPs2 và CS/MNPs3 MNPs trong mẫu CS/MNPs3 (hình 3.19D) chế tạo bằng phương pháp oxi hóa kết tủa có dạng hình khối đa diện tương đối rõ ràng, kích thước khoảng nm. Trong khi đó, CS/MNPs1, CS/MNPs2 (hình 3.19B, 3.19C) chế tạo bằng phương pháp đổng kết tủa, MNPs đều có kích thước khoảng nm, các hạt hình cầu phân tán tương đối đồng nhất và ở dạng đơn phân tán. Dạng hình cầu có năng lượng bề mặt cao hơn và khả năng liên kết bề mặt lớn hơn so với dạng hình đa diện, chính vì vậy CS/MNPs dạng hình cầu sẽ được sử dụng làm nhân cho hệ nanocompozit CS/AgNPs-MNPs (chứa AgNPs và MNPs trên nền CS). CS/MNPs2 được lựa chọn để phân tán trong polyme CS biến tính với chất phát quang flourescent isothiocyanat (ký hiệu CS-FITC), nhằm mục đích phát quang cho các ứng dụng trong chọn lọc tế bào. Tùy theo nồng độ pha phân tán CS- FITC ta có các mẫu FMNPs-M1 và FMNPs-M2 (phần ). Hình thái học của vật liệu CS/MNPs2, FMNPs-M1 và FMNPs-M2 được phân tích ảnh TEM. Kết quả trình bày trên hình

80 CS/ CS/ FMNPs - FMNPs - Hình Ảnh TEM của CS/MNPs2, FMNPs-M1 và FMNPs - M2 Ảnh TEM cho thấy thành phần nano có dạng hình cầu có kích thước từ nm khẳng định kết quả phân tích FESEM. Với độ phân giải cao, có thể quan sát thấy MNPs có độ tương phản tối màu tương phản rõ rệt so với lớp vỏ CS sáng màu bao bọc bên ngoài, dày khoảng 2 nm. Lớp vỏ bọc CS tạo hiệu ứng không gian với tác dụng chính là bền hóa và ngăn các hạt nano tương tác kết tụ với nhau do năng lượng bề mặt lớn. Qua nhóm chức COOH, FITC liên kết một phần với các nhóm -NH 2 trong phân tử của CS tạo thành phức hợp CS-FITC (hình 3.21) bao quanh hạt MNPs. Ảnh TEM của FMNPs cho thấy lớp vỏ bao quanh hạt FMNPs tăng lên

81 nm. Các hạt có xu thế co cụm hơn do nhóm COOH trong phân tử FITC có tác dụng như tác nhân khâu mạch. Hình Công thức cấu tạo CS-FITC Tính chất lý, hóa, sinh học Tính chất từ Từ độ bão hòa của vật liệu: Là giá trị từ độ đạt được khi được từ hóa đến từ trường đủ lớn (vượt qua giá trị trường dị hướng) sao cho vật ở trạng thái bão hòa từ, có nghĩa là các momen từ hoàn toàn song song với nhau. Khi đó đường cong từ trễ (từ độ-từ trường) M(H) có dạng nằm ngang. Từ độ bão hòa là tham số đặc trưng của vật liệu sắt từ thường được ký hiệu là M s hoặc I s (chữ "s" có nghĩa là saturation - bão hòa). Ở không độ tuyệt đối (0 o K), nó là giá trị từ độ tự phát của chất sắt từ. Từ độ bão hòa của các mẫu được xác định là giá trị mômen từ cao nhất trên đường cong từ hóa ban đầu ở 300 o K với từ trường ngoài đặt vào từ 0 T đến 1,2 T. Hình 3.22 trình bày kết quả xác định từ độ bão hòa của nanocompozit chế tạo bằng 3 phương pháp với tỷ lệ CS: MNPs tương tự nhau. 77

82 Ms (emu/g) Tu do (eum/g) CS/MNPs3 CS/MNPs1 CS/MNPs Từ trường H (Oe) H (Oe) Hình Từ độ bão hòa của nanocompozit CS/MNPs1, CS/MNPs2 và CS/MNPs3 Từ hình 3.22 có thể xác định được từ độ bão hòa của các nanocompozit CS/MNPs1, CS/MNPs2 và CS/MNPs3 tương ứng là 79,1emu/g, 69 emu/g, 59,3 emu/g. CS/MNPs3 có từ độ bão hòa tương đối thấp, điều này được giải thích do kích thước hạt không đồng đều (hình 3.19). CS/MNPs1 tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa trong môi trường khí trơ N 2, có kết quả từ độ bão hòa cao nhất 79,1 emu/g, cao hơn kết quả đã công bố là dưới 70emu/g [13]. Có thể dòng khí trơ N 2 đã có tác dụng giúp ngăn quá trình oxy hóa muối sắt của oxy không khí, cải thiện từ độ bão hòa của vật liệu [78]. CS/MNPs2 chế tạo trong kênh vi lưu cũng cho kết quả 69 emu/g, tuy không sử dụng khí trơ nhưng pha từ hình thành trong kênh vi lưu được điều tốt, từ độ bão hòa tuy thấp hơn CS/MNPs1 nhưng kích thước hạt đồng đều, mặt khác từ độ đạt 69emu/g là tương đối cao so với tài liệu đã công bố [13]. Vật liệu từ tính chế tạo lần đầu tiên trên kênh vi lưu cho kết quả khả quan, mở ra hướng chế tạo mới cho loại vật liệu này. 78

83 Hình 3.23 trình bày từ độ bão hòa tương ứng của các loại vật liệu nanocompozit phân tán trong CS biến tính (CS-FITC) như đã trình bày ở phần Ms (emu/g) FMNPs-M2 CS/MNPs FMNPs M1 Từ trường H(Oe) Hình Từ độ bão hòa của CS/MNPs và FMNPs M1, FMNPs-M2. Kết quả cho thấy các hạt MNPs tồn tại trong các nanocompozit đều ở dạng siêu thuận từ. Từ độ bão hòa của CS/MNPs2, FMNPs1 và FMNPs2 lần lượt là 69 emu/g, 54 emu/g và 45emu/g tương ứng với hàm lượng pha từ trong vật liệu. Kết quả chứng tỏ sự tương tác bề mặt của pha từ MNPs với nền polyme làm giảm từ độ bão hòa, phù hợp với kết quả phân tích TEM (hình 3.20). Sự suy giảm của từ độ bão hòa đã được chứng minh bằng thực nghiệm trong nhiều hệ hạt nhỏ và được giải thích bằng sự tồn tại của lớp vỏ phi từ trên bề mặt hạt Tính chất huỳnh quang Tính chất huỳnh quang của CS/MNPs được nghiên cứu bằng phổ phát quang PL, nanocompozit được biến tính bằng chất phát huỳnh quang FITC như trình bày trong phần FITC là một chất phát huỳnh quang với đặc điểm có khả năng hấp thụ ánh sáng ở bước sóng này kích thích để phát ra ánh sáng có bước 79

84 sóng khác. Mặt khác, sự phát quang còn kéo dài một thời gian sau khi tắt ánh sáng kích thích. Thời gian này dài ngắn khác nhau phụ thuộc vào chất phát quang. Bước sóng (nm) Hình Phổ hấp thụ UV-vis của các mẫu FMNPs Hình 3.24 trình bày phổ hấp thụ UV-vis của vật liệu FMNPs trong dải bước sóng từ 200nm đến 700 nm, nhằm xác định bước sóng hấp thụ cực đại (λ max ) của mẫu FMNPs. Quan sát thấy cả hai mẫu đều có hai λ max, tại 300 nm và 495 nm. Sử dụng máy laze có 2 bước sóng này kích thích vật liệu, thu được phổ phát huỳnh quang PL (hình 3.25). Cường độ (PL) (a.u) Cường độ (a.u) Bước sóng (nm) Hình Phổ phát huỳnh quang (PL) của các mẫu FMNPs 80

85 Tại bước sóng kích thích 300 nm và 495 nm, cường độ PL của mẫu FMNPs- M1 và FMNPs-M2 có sự khác nhau về cường độ phát xạ, FMNPs-M2 có cường độ phát quang mạnh hơn sơ với mẫu FMNPs ở cả hai bước sóng kích thích. Điều này được giải thích do nồng độ của FITC trong phức hợp CS-FITC bao quanh, tạo lớp vỏ M2 dày hơn M1 (hình 3.20) Khả năng ứng dụng y sinh của CS/MNPs trong kênh vi lưu Hệ vi lưu đã được sử dụng nhiều trong các ứng dụng sinh học, khi đưa vật liệu MNPs kết hợp trong hệ vi lưu có thể thấy khả năng ứng dụng vượt trội của vật liệu này trong các thí nghiệm phân tách, chọn lọc, đánh dấu và làm giàu sinh học. Đầu vào 1 Nam châm Đầu ra 1 Đầu vào 2 Đầu ra 2 Hình Ảnh hưởng của từ trường ngoài đến chuyển động của FMNPs trong hệ vi lưu: (A) FMNPs tại vị trí gần đầu bơm; (B) FMNPs chuyển động tự do trong lòng kênh vi lưu, (C) FMNPs chuyển động có định hướng dưới tác động của từ trường ngoài (nam châm), (D) FMNPs thu được tại đầu ra có chỉ định trước. Vật liệu FMNPs được phân tán trong môi trường đệm PBS, tiêm hỗn hợp dung dịch vào đầu vào của hệ thống vi lưu. Bước đầu có thể quan sát các dòng chất lỏng song song trong kênh vi lưu riêng biệt: dòng chứa chất lỏng thử nghiệm và dòng chứa các hạt CS/MNPs, do chuyển động xoáy đến giữa lòng ống các dòng chất lỏng được trộn đều. Tại đây có thể xảy ra quá trình tương tác giữa các kháng nguyên (antigen) với FMNPs chứa chất đánh dấu hoặc kháng thể (antibody). Phản ứng xảy ra đặc hiệu dẫn đến khả năng thu giữ các phân tử sinh học trên bề mặt FMNPs. Khi đặt một từ trường ngoài bên cạnh kênh vi lưu (đoạn C và D), nanocompozit FMNPs được thu giữ bởi từ trường ngoài, làm giàu các phân tử sinh 81

86 học tại đầu ra các quá trình sinh học được tiến hành nhằm phân tích, đánh giá, định lượng các phân tử sinh học.thực nghiệm này là tiền đề để chứng minh khả năng ứng dụng các hạt MNPs trong phân tách, đánh dấu và làm giàu sinh học. Bằng việc gắn các phân tử sinh học như các kháng thể, dựa vào phản ứng đặc hiệu kháng thể - kháng nguyên, có thể làm giàu các kháng nguyên có trong mẫu sinh học, kết hợp các phân tử đánh dấu có thể gián tiếp phân tích định tính và định lượng được các phân tử sinh học. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng và là nguyên lý cơ bản trong các kit thử nghiệm sinh học. Tóm tắt kết quả phần 3.2: 1. Nanocompozit CS/MNPs được chế tạo thành công theo 3 phương pháp: CS/MNPs1 chế tạo theo phương pháp đồng kết tủa trong điều kiện N 2, CS/MNPs2 chế tạo theo phương pháp đồng kết tủa trong kênh vi lưu và CS/MNPs3 chế tạo theo phương pháp oxy hóa kết tủa. Các kết quả phân tích cho thấy nanocompozit CS/MNPs đều có cấu trúc đặc trưng của Fe 3 O 4. Nanocompozit CS/MNPs1, CS/MNPs2 chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa của dạng hình cầu, kích thước tương đối đồng đều, trong khi CS/MNPs3 có hình đa diện tương đối rõ rệt và phân bố kích thước hạt kém đồng đều hơn. 2. Tính chất siêu thuận từ của vật liệu được chứng minh qua giá trị từ độ bão hòa của vật liệu. Do kích thước đồng đều nên từ độ bão hòa của vật liệu CS/MNPs theo phương pháp đồng kết tủa đạt cao hơn (79,1 và 69 emu/g) so với CS/MNPs3 tổng hợp theo phương pháp oxi hóa kết tủa (59.3 emu/g). 3. Cấu trúc MNPs được bao bọc bởi lớp polyme CS dày cỡ 2 nm, được chứng minh bằng kết quả phân tích TEM, cho thấy vai trò của CS ngăn chặn các hạt MNPs kết tụ và tồn tại dưới dạng đơn phân tán trong mạng lưới CS. 4. CS/MNPs gắn yếu tố phát quang được thử nghiệm chuyển động trong hệ vi lưu đã mở ra triển vọng ứng dụng vật liệu này trong phân tách, làm giàu sinh học 82

87 3.3. Vật liệu nanocompozit chứa nano sắt từ, nano bạc trên nền chitosan (CS/AgNPs-MNPs) Vật liệu CS/AgNPs và CS/MNPs đều thể hiện các đặc tính quý báu, có khả năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y sinh (trong điều trị, trong các hệ dẫn thuốc, nhiệt trị diệt tế bào ung thư, chẩn đoán ). Với mục tiêu nhằm tổng hợp hệ vật liệu đa chức năng nhằm điều trị bệnh ung thư có hiệu quả và hạn chế các tác động của tạp chất có thể ảnh hưởng đến hệ compozit, phương pháp ex-situ phối hợp 2 hệ nanocompozit riêng rẽ CS/AgNPs và CS/MNPs được sử dụng để tạo ra hệ nanocompozit CS/AgNPs-MNPs hoàn thiện, có tính tương thích, có liên kết chặt chẽ trong pha phân tán CS ở cấu trúc nano. Phương pháp tổng hợp này đảm bảo sự tồn tại một cách tối ưu của các thành phần AgNPs và MNPs trong cấu trúc của compozit. Lớp CS thụ động bề mặt của AgNPs và MNPs là pha nền chính của hệ nanocompozit 2 thành phần. Do cơ chế ổn định các thành phần nano AgNPs và MNPs bởi CS tương tự nhau nên quá trình phối trộn ex-situ hai thành phần trên có sự tương thích. Các thành phần nano phân tán đồng đều trong cùng pha nền. Quá trình khuấy trộn sẽ xảy ra sự phân tán của các chất gia cường nano vào mạng lưới CS đồng thời xảy ra tương tác bề mặt giữa các hạt nano thông qua lực Van der Waals. Ưu điểm của phương pháp khi sử dụng CS/AgNPs và CS/MNPs phân tán ex-situ vào nhau dựa trên 2 yếu tố: các thành phần AgNPs và MNPs đều được thụ động bề mặt bởi lớp CS nên dễ dàng xảy ra sự phân tán đồng đều trong mạng lưới CS, mặt khác các hạt nano AgNPs và MNPs có bề mặt tương đối hoạt động nên xảy ra tương tác hút Van der Waals giữa các thành phần. Điều này sẽ tạo điều kiện thuận lợi để phân tán đồng đều các thành phần nano kim loại trong mạng lưới CS. CS/MNPs1 và CS/AgNP3 được lựa chọn để chế tạo nanocompozit CS/AgNPs-MNPs, do các ưu điểm về hình dạng, từ độ bão hòa và độ tinh khiết. 83

88 Cấu trúc Thành phần, cấu trúc tinh thể của hệ nanocompozit CS/AgNPs-MNPs được xác định qua phương pháp XRD. Kết quả đã chứng minh sự hình thành của pha từ MNPs (Fe 3 O 4 ) và Ag trong nanocompozit (hình 3.27): Intensity (a.u) Cường độ (a.u) (Ag) (Ag) (Ag) Ag/Fe 3 O 4 Cs/AgNPs-MNPs Cs/MNPs Fe 3 O Diffraction Góc nhiễu Angle xạ 2 (2θ) (degree) Hình Giản đồ XRD của CS/MNPs và CS/AgNPs-MNPs Các pic đặc trưng của nano Fe 3 O 4 và nano Ag thể hiện khá rõ nét trên giản đồ XRD cho thấy Fe và Ag tồn tại trong mẫu nanocompozit ở 2 pha riêng rẽ.các pic tại (220), (311), (400), 422), (511) trên giản đồ XRD của CS/AgNPs-MNPs tương tự CS/MNPs, ngoài ra còn xuất hiện các pic tại các giá trị 2θ 38,1 o, 44 o, 32 o, 64,4 o tương ứng với các điểm (111), (200), (220) đặc trưng cho tinh thể Ag [82] (hình 3.7B). Có thể kết luận nanocompozit chế tạo được có cấu tạo dị thể với các thành phần riêng rẽ MNPs và AgNPs. Tỷ lệ thành phần các nguyên tố trong nanocompozit được phân tích bằng phương pháp EDX. Kết quả trình bày trên hình

89 EDX spectrum of Fe 3 O 4 /Ag nanocomposite Fe O 1000 counts Fe Ag C Ag Fe Energy (kev) Năng lượng (KeV) Hình Phổ EDX vật liệu nanocompozit CS/AgNPs-MNPs Bảng 3.4. Bảng thành phần các nguyên tố trong CS/AgNPs-MNPs Nguyên tố Năng lượng (kev) Khối lượng(%) Nguyên tử (%) Sai số(%) C K* 0, ,09 O K 0, ,33 Na K* ,65 0,92 0,47 Si K* ,37 0,43 0,24 P K* ,29 0,27 0,21 S K* ,13 0,14 0,16 Fe K ,00 0,55 Ag L ,47 Phổ EDX của nanocompozit xuất hiện pic nguyên tố của Fe, Ag, O, C khá rõ rệt với cường độ tương đối mạnh tại các mức năng lượng lần lượt là 6,398keV, 2.983keV, 0,525keV và 0,277keV. Ngoài ra còn xuất hiện một số pic của Na, P, Si hàm lượng không đáng kể (tạp chất lẫn trong hóa chất sử dụng). Có thể kết luận sự có mặt của Ag, Fe trong nanocompozit. 85

90 Với hàm lượng Ag và Fe được xác định tương ứng là 17,64% và 51,21% tổng thành phần trong nanocompozit. Trong đó tỷ lệ Ag/Fe 3 O 4 = 0, Hình thái học Ảnh FESEM Khả năng phân tán các pha chất gia cường nano trong pha phân tán CS của nanocompozit CS/AgNPs-MNPs với sự phân tán ex situ CS/MNPs1 phân tích bằng kính hiển vi điện tử phát xạ trường (FESEM) và trình bày trên hình Hình 3.29: Ảnh FESEM của vật liệu CS/AgNPs-MNPs Kết quả FESEM cho thấy sự phân tán của hệ dị thể trong pha CS. Hình dạng và kích thước của nanocompozit CS/AgNPs-MNPs được xác định bằng phương pháp TEM (hình 3.30). Do sự khác nhau về mật độ các electron tự do trên bề mặt (các hạt Fe 3 O 4 có mật độ electron cao hơn so với các hạt Ag) nên ảnh hiển vi điện tử của Ag sáng hơn của hạt Fe 3 O 4 [116]. Quan sát hình 3.30 ta thấy AgNPs có kích thước khoảng 5-10 nm, MNPs có kích thước khoảng nm. Ngoài ra, có thể nhận thấy MNPs được bọc xung quanh bởi các hạt AgNPs trong mạng lưới CS. 86

91 100 nm 100 nm 100 nm Hình Ảnh TEM của vật liệu nanocompozit CS/AgNPs-MNPs Trong cấu trúc nanocompozit thu được không chỉ có sự kết hợp cơ học giữa MNPs và AgNPs mà còn có tương tác giữa chúng thông qua chất nền CS. Tương tác giữa MNPs và AgNPs xảy ra do lực Van der waals thông qua năng lượng bề mặt lớn của các hạt nano thành phần. Mặt khác mạng lưới CS đóng vai trò chất nền và tác nhân khâu mạch giúp phân tán đồng đều các hạt MNPs và các hạt AgNPs tránh co cụm Tính chất hóa, lý, sinh học Tính chất siêu thuận từ Từ độ bão hòa của nanocompozit CS/MNPs và CS/AgNPs-MNPs được đánh giá bằng phương pháp từ kế mẫu rung VSM. Kết quả trình bày trên hình

92 Magnetization Ms (emu/g) 80 FeCS/MNPs 3 O 4 /Ag-CS 60 Fe CS/AgNPs-MNPs 3 O Từ Magnetic trường H field (Oe) (Oe) Hình Từ độ bão hòa của CS/MNPs và and CS/AgNPs-MNPs Từ độ bão hòa của CS/MNPs và CS/AgNPs-MNPs tương ứng là 79,1 và 67,5 emu/g, với cùng hàm lượng pha từ. Như vậy, từ độ bão hòa trong nanocompozit CS/AgNPs-MNPs giảm do cấu trúc sự phân bố AgNPs trên bề mặt hạt MNPs. Tuy nhiên sự giảm này không đáng kể, vật liệu có từ độ bão hòa cao hơn so với tài liệu đã công bố [30, 51], chứng tỏ vật liệu nanocompozit chế tạo được có triển vọng ứng dụng trong y sinh, ví dụ trong nhiệt trị hay phân tách sinh học. Khả năng sinh nhiệt trong từ trường xoay chiều của CS/AgNPs-MNPs (Đường cong nhiệt trị chất lỏng từ của hệ nanocompozit) Từ nhiệt trị là một trong những ứng dụng quan trọng của các hạt MNPs, dựa trên khả năng sinh nhiệt của MNPs trong từ trường xoay chiều. Khả năng sinh nhiệt do sự đóng góp của nhiều cơ chế gồm: cơ chế từ trễ, cơ chế hồi phục Neel, cơ chế hồi phục Brown và cơ chế dòng điện tích bề mặt. Tuy nhiên với các hạt nano siêu thuận từ, cơ chế tổn hao Neel và Brown đóng vai trò chủ yếu [13]. Hình 3.32 trình bày đường đốt từ của CS/AgNPs-MNPs trong từ trường từ 40 Oe đến 80 Oe, 236 khz, với nồng độ hạt từ 1 mg/ml. Xu hướng bão hoà nhiệt độ 88

93 xảy ra khi năng lượng toả ra từ các hạt từ cân bằng với nhiệt lượng truyền ra môi trường xung quanh. Mẫu có từ độ bão hoà lớn có tốc độ tăng nhiệt ban đầu và nhiệt độ đốt bão hoà cao hơn. Dựa trên đường đốt từ nhiệt theo thời gian có thể xác định công xuất tỏa nhiệt SLP của vật liệu theo công thức: dt SLP Cimi / m dt Trong đó C i là nhiệt dung riêng của thành phần có khối lượng m i trong chất lỏng từ, trong điều kiện thí nghiệm bao gồm nước và hạt từ, nhiệt dung riêng của nước là 4,186 J/gK, nhiệt dung riêng của Fe 3 O 4 là 0,65 J/gK [17], m là khối lượng hạt từ, dt/dt là tốc độ tăng nhiệt trong thời gian đốt đầu tiên. Các thông số nhiệt độ bão hòa (T S ), từ trường H (Oe), giá trị dt/dt và SLP của CS- AgNPs-MNPs được xác định và trình bày trên hình 3.32 và trên bảng Oe 70 Oe 60 Oe 50 Oe 40 Oe Nhiệt độ ( o C ) T ( o C) Thời t gian (s) (giây) Hình Đường cong nhiệt trị của chất lỏng từ CS/AgNPs-MNPs (1 mg/ml) tại các giá trị từ trường khác nhau 89

94 Bảng 3.5. Các thông số Ts, dt/dt và SLP của chất lỏng từ CS/AgNPs-MNPs tại các giá trị khác nhau của từ trường. Từ trường H(Oe) TS ( o C) dt/dt ( o C/s) SLP (W/g) 40 31,2 0,006 25, ,3 0,010 42, ,5 0,015 63, ,0 0, , ,9 0, ,0 Kết quả trên bảng 3.5 cho thấy nhiệt độ đốt bão hòa và công suất tổn hao tăng lên, gần như bão hòa ở thời gian 1200 s trong tất cả các trường hợp. Giá trị T s trong từ trường 70 Oe và 80 Oe cho giá trị > 42 o C, phù hợp ứng dụng trong nhiệt điều trị ung thư (42 47 o C). Ảnh hưởng của nồng độ CS/AgNPs-MNPs được tiếp tục khả sát trong điều kiện từ trường áp đặt là 80 Oe, kết quả đường đốt nhiệt từ được trình bày trên hình mg/ml 0.7 mg/ml 0.5 mg/ml 0.3 mg/ml Nhiệt T ( o độ ( o C) C) Thời gian t (giây) (s) Hình Đường cong nhiệt trị của chất lỏng từ CS/AgNPs-MNPs tại các nồng độ khác trong từ trường 80 Oe 90

95 Bảng 3.6. Các thông số Ts, dt/dt của chất lỏng từ CS/AgNPs-MNPs tại các nồng độ khác nhau Nồng độ CS/AgNPs-MNPs (mg/ml) TS ( o C) dt/dt ( 0 C/s) 1 46,9 0,030 0,7 42,6 0,026 0,5 37,6 0,022 0,3 34,2 0,015 Khi khảo sát ở các nồng độ CS/AgNPs-MNPs khác nhau từ 0,3 1 mg/ml, cường độ từ trường 80 Oe, 236 khz. Các kết quả đã chứng tỏ đường cong nhiệt trị phụ thuộc rất mạnh mẽ vào nồng độ các hạt từ trong dung dịch. Sự phụ thuộc này gần như tuyến tính (R ) như hình Ts T BH ( o C) y = 18.57x R 2 = 0, nong do C (mg/ml) Nồng độ (mg/ml) Hình Sự phụ thuộc của nhiệt độ bão hòa vào nồng độ của CS/AgNPs-MNPs Điều này rất thuận lợi cho việc điều khiển chính xác nhiệt độ điều trị. Với nồng độ 0,7 mg/ml cho giá trị nhiệt độ đốt bão hòa 42.6 o C, giá trị này phù hợp với nhiệt độ để diệt tế bào ung thư (42 47 o C). Để tăng giá trị nhiệt độ đốt bão hòa này, ta có thể tăng cường độ từ trường ngoài. 91

96 Hoạt tính sinh học Nanocompozit CS/AgNPs-MNPs chứa thành phần AgNPs nên có khả năng diệt vi khuẩn và nấm. Nanocompozit CS/AgNPs-MNPs với thành phần CS/AgNPs, mẫu nanocompozit CS/AgNPs-MNPs xác định khả năng kháng khuẩn trên đĩa thạch đặc với dòng vi khuẩn phổ biến: E. Coli và P. aeruginosa. Các thí nghiệm được tiến hành 3 lần lấy kết quả trung bình. Hình 3.35 và bảng 3.7 trình kết quả so sánh vòng vô khuẩn của CS/AgNPs và nanocompozit CS/AgNPs-MNPs cùng nồng độ pha AgNPs là 50ppm trên các đĩa thí nghiệm với lượng vi khuẩn 1000 CFU/đĩa. Các thí nghiệm được tiến hành 3 lần lấy kết quả trung bình. Bảng 3.7. Kết quả kích thước vòng vô khuẩn trên 2 chủng vi khuẩn E. Coli và P. aeruginosa Mẫu Đường kính vòng vô khuẩn (mm) E. coli P. aeruginosa CS/AgNPs-MNPs CS/AgNPs CS/MNPs - 0 CS/AgNPs CS/AgNPs-MNPs Hình Hình ảnh đĩa thạch xác định vòng vô khuẩn các vi khuẩn E. Coli Kết quả thu được cho thấy vòng vô khuẩn của CS/AgNPs cao hơn so CS/AgNPs-MNPs. Quá trình diệt khuẩn do sự tiếp xúc của các hạt AgNPs với vi khuẩn. Các hạt AgNPs trong CS/AgNPs linh động hơn nên khả năng diệt khuẩn 92

97 cao hơn so CS/AgNPs-MNPs do ảnh hưởng của các hạt MNPs. Tuy nhiên, khả năng kháng khuẩn của CS/AgNPs-MNPs tương đối mạnh, các hạt AgNPs tồn tại trong vật liệu vẫn thể hiện hoạt tính kháng khuẩn tương đối cao phù hợp với các công bố thế giới của các nhóm tác giả Ping Gong [84] và Bhupendra [20]. Thế mạnh của nanocompozit hai thành phần là có thể thu hồi và tái sử dụng lâu dài, tránh ảnh hưởng tiêu cực lên môi trường (nhờ có thành phần MNPs). Kết quả thu được trên dòng vi khuẩn P. aeruginosa được trình bày trên hình CS/AgNPs-MNPs CS/AgNPs-MNPs CS/MNPs CS/AgNPs-MNPs CS/AgNPs3 CS/AgNPs3 Hình Hình ảnh đĩa thạch xác định vòng vô khuẩn các vi khuẩn P.aeruginosa của CS/AgNPs, CS/MNPs, CS/AgNPs-MNPs Thực nghiệm xác định vòng vô khuẩn trên dòng vi khuẩn P.aeruginosa cho kết quả rất thú vị, CS/AgNPs-MNPs có khả năng kháng khuẩn vượt trội so với CS/AgNPs. Kết quả này phù hợp với công bố của M. Kooti và cộng sự [75] khi chế tạo Fe2O4) sau khi thử nghiệm trên các dòng vi khuẩn gram và gram + cùng đối chứng với các dòng kháng sinh đang được sử dụng gồm có Penicillin, Cefixime, Amoxicillin, Erythromycin and Streptomycin, nhóm tác giả nhận thấy trong khi cả năm dòng kháng sinh thông thường đã bị vi khuẩn P.aeruginosa kháng lại thì nanocompozit Ag@Co- Fe 2 O 4 lại thể hiện khả năng kháng mạnh thậm chí cao hơn pha AgNPs tự do [75]. Cơ chế nhóm tác giả đưa ra dựa trên giả thiết 93