(Báo cáo tại Hội nghị Vật lý toàn
quốc lần thứ 6, sẽ
được tổ chức vào tháng 11, 2005)
Tóm tắt
Bài này trình bày tổng quan về các
phương pháp chế tạo của hạt nano và
ứng dụng trong y sinh học. Hạt nano
từ tính có thể được chế tạo theo hai
nguyên tắc: vật liệu khối được
nghiền nhỏ đến kích thước nano và
hình thành hạt nano từ các nguyên
tử. Phương pháp thứ nhất gồm các
phương pháp nghiền và biến dạng như
nghiền hành tinh, nghiền rung.
Phương pháp thứ hai được phân thành
hai loại là phương pháp vật lý (phún
xạ, bốc bay,...) và phương pháp hóa
học (phương pháp kết tủa từ dung
dịch, hình thành từ pha khí). Các
ứng dụng của hạt nano từ được chia
làm hai loại: ứng dụng ngoài cơ thể
(phân tách tế bào) và trong cơ thể
(dẫn thuốc, nung nóng cục bộ và tăng
độ tương phản trong ảnh cộng hưởng
từ hạt nhân). Một số nghiên cứu đang
được triển khai tại ĐHQGHN kết hợp
với ĐHQGHCM cũng được trình bày.
1- Mở đầu
Công nghệ nano đang thay làm thay
đổi cuộc sống của chúng ta nhờ vào
khả năng can thiệp của con người tại
kích thước nano mét, tại đó, vật
liệu nano thể hiện rất nhiều tính
chất đặc biệt và lý thú [1]. Một
nhánh quan trọng của công nghệ nano,
đó là lý sinh học nano, trong đó,
vật liệu nano được sử dụng để chẩn
đoán và điều trị bệnh. Lý sinh học
nano đã và đang được nghiên cứu rất
mạnh mẽ nhờ vào khả năng ứng dụng
rất linh hoạt và hiệu quả của vật
liệu nano [2]. Trong bài này, chúng
tôi xin trình bày tổng quan một số
phương pháp chế tạo vật liệu và
nghiên cứu điển hình trong đó có sử
dụng các hạt nano từ tính. Các hạt
nano từ tính có kích thước tương ứng
với kích thước của các phân tử nhỏ
(1-10 nm) hoặc kích thước của các
virus (10-100 nm). Chính vì thế mà hạt nano có thể thâm nhập vào hầu hết
các cơ quan trong cơ thể và giúp cho
chúng ta có thể thao tác ở qui mô
phân tử và tế bào [3]. Từ trường
không có hại đối với con người nên
các hạt nano từ tính được quan tâm
sử dụng rất nhiều vào mục đích chẩn
đoán và chữa bệnh.
2- Vật liệu từ tính
Bất cứ vật liệu nào đều có sự hưởng
ứng với từ trường ngoài (H), thể
hiện bằng độ từ hóa (từ độ - M). Tỷ
số c = M/H được gọi là độ cảm từ.
Tùy thuộc vào giá trị, độ cảm từ có
thể phân ra làm các loại vật liệu từ
khác nhau.
Vật liệu có c < 0 (~-10-6)
được gọi là vật liệu nghịch từ.
Vật
liệu có c > 0 (~10-6)
được gọi là vật liệu thuận từ.
Vật
liệu có c > 0 với giá trị rất lớn có
thể là vật liệu sắt từ, ferri từ
[4].
Ở đây, vật liệu từ tính ngụ ý
là vật liệu sắt từ, ferri từ hoặc
siêu thuận từ (sẽ nói đến sau đây).
Ngoài độ cảm từ, một số thống số
khác cũng rất quan trọng trong việc
xác định tính chất của vật liệu, ví
dụ như: từ độ bão hòa (từ độ đạt cực
đại tại từ trường lớn), từ dư (từ độ
còn dư sau khi ngừng tác động của từ
trường ngoài), lực kháng từ (từ
trường ngoài cần thiết để một hệ,
sau khi đạt trạng thái bão hòa từ,
bị khử từ). Nếu kích thước của hạt
giảm đến một giá trị nào đó (thông
thường từ vài cho đến vài chục nano
mét), phụ thuộc vào từng vật liệu cụ
thể, tính sắt từ và ferri từ biến
mất, chuyển động nhiệt sẽ thắng thế
và làm cho vật liệu trở thành vật
liệu siêu thuận từ. Đối với vật liệu
siêu thuận từ, từ dư và lực kháng từ
bằng không. Điều đó có nghĩa là, khi
ngừng tác động của từ trường ngoài,
vật liệu sẽ không còn từ tính nữa,
đây là một đặc điểm rất quan trọng
khi dùng vật liệu này cho các ứng
dụng y sinh học.
Hạt
nano từ tính
dùng trong y sinh học cần phải thỏa
mãn ba điều kiện sau:
*
tính đồng nhất
của các hạt cao, từ độ bão hòa lớn
và vật liệu có tính tương hợp sinh
học (không có độc tính) [2].
*
Tính
đống nhất về kích thước và tính chất
liên quan nhiều đến phương pháp chế
tạo còn từ độ bão hòa
*
và tính tương
hợp sinh học liên quan đến bản chất
của vật liệu.
Trong tự nhiên, sắt
(Fe) là vật liệu có từ độ bão hòa
lớn nhất tại nhiệt độ phòng, sắt
không độc đối với cơ thể người và
tính ổn định khi làm việc trong môi
trường không khí nên các vật liệu
như oxyd sắt được nghiên cứu rất
nhiều để làm hạt nano từ tính.
Hạt nano từ tính dùng trong y sinh
học thường ở dạng chất lỏng từ, hay còn gọi là nước từ.
Một
chất lỏng từ gồm ba thành phần:
hạt
nano từ tính, chất hoạt hóa bề mặt,
và dung môi.
Hạt nano từ tính là
thành phần duy nhất quyết định đến
tính chất từ của chất lỏng từ.
Chất hoạt hóa bề mặt có tác
dụng làm cho hạt nano phân tán trong
dung môi, tránh các hạt kết tụ lại
với nhau ngay cả khi có mặt của từ
trường ngoài. chất hoạt hóa bề mặt còn có tác dụng
“che phủ” hạt nano khỏi sự phát hiện
của hệ thống bảo vệ cơ thể và tạo
các mối liên kết hóa học với các
phân tử khác. Dung môi là chất lỏng
mang toàn bộ hệ [5].
3- Chế tạo hạt
nano từ tính
Hạt nano từ tính có thể được chế tạo
theo hai nguyên tắc: vật liệu khối
được nghiền nhỏ đến kích thước nano
(top-down) và hình thành hạt nano từ
các nguyên tử (bottom-up).
Phương
pháp thứ nhất gồm các phương pháp
nghiền và biến dạng như nghiền hành
tinh, nghiền rung.
Phương pháp thứ
hai được phân thành hai loại là
phương pháp vật lý (phún xạ, bốc
bay,... [6])
và phương pháp hóa học
(phương pháp kết tủa từ dung dịch và
kết tủa từ khí hơi,...) [3]. Phần
dưới đây chỉ trình bày sơ lược những
phương pháp phổ biến nhất.
3.1. Phương pháp nghiền
Phương pháp nghiền được phát triển
từ rất sớm để chế tạo chất lỏng từ dùng cho
các ứng dụng vật lý như truyền động
từ môi trường không khí vào buồng
chân không, làm chất dẫn nhiệt trong
các loa công suất cao,... Trong
những nghiên cứu đầu tiên về chất
lỏng từ,
vật liệu từ tính oxyd sắt Fe3O4,
được nghiền cùng với chất hoạt hóa
bề mặt (acid
Oleic) và dung môi (dầu, hexane).
chất hoạt hóa bề mặt giúp cho quá trình nghiền được
dễ dàng và đồng thời tránh các hạt
kết tụ với nhau. Sau khi nghiền, sản
phẩm phải trải qua một quá trình
phân tách hạt rất phức tạp để có
được các hạt tương đối đồng nhất.
Phương pháp nghiền có ưu điểm là đơn
giản và chế tạo được vật liệu với
khối lượng lớn. Việc thay đổi chất
hoạt hóa bề mặt
và dung môi không ảnh hưởng nhiều
đến quá trình chế tạo. Nhược điểm
của phương pháp này là tính đồng
nhất của các hạt nano không cao vì
khó có thể khống chế quá trình hình
thành hạt nano. Chất
lỏng từ chế tạo bằng
phương pháp này thường được dùng cho
các ứng dụng vật lý [5].
3.2. Phương pháp hóa học
Phương pháp hóa học để chế tạo các
hạt nano từ cũng được phát triển từ
lâu. Phương pháp hóa học có thể tạo
ra các hạt nano với độ đồng nhất khá
cao, rất thích hợp cho phần lớn các
ứng dụng sinh học.
Nguyên tắc tạo
hạt nano bằng phương pháp hóa học là
kết tủa từ một dung dịch đồng nhất
dưới các điều kiện nhất định hoặc
phát triển hạt từ thể hơi khi một
hóa chất ban đầu bị phân rã [3].
Trong phương pháp kết tủa từ dung
dịch, khi nồng độ của chất đạt đến
một trạng thái bão hòa tới hạn,
trong dung dịch sẽ xuất hiện đột
ngột những mầm kết tụ. Các mầm kết
tụ đó sẽ phát triển thông qua quá
trình khuếch tán của vật chất từ
dung dịch lên bề mặt của các mầm cho
đến khi mầm trở thành hạt nano. Để
thu được hạt có độ đồng nhất cao,
người ta cần phân tách hai giai đoạn
hình thành mầm và phát triển mầm.
Trong quá trình phát triển mầm, cần
hạn chế sự hình thành của những mầm
mới. Các phương pháp sau đây là
những phương pháp kết tủa từ dung
dịch: đồng kết tủa, nhũ tương,
polyol, phân ly nhiệt...
Phương pháp
đồng kết tủa là một trong những
phương pháp thường được dùng để tạo
các hạt oxyd sắt. Hydroxid sắt bị
oxy hóa một phần bằng một chất oxy
hóa khác hoặc tạo hạt từ Fe2+ và
Fe3+ trong dung môi nước. Kích thước
hạt (4-15 nm) và điện tích bề mặt
được điều khiển bằng độ pH và ion
trong dung dịch. Nhũ tương
(microemulsion) cũng là một phương
pháp được dùng khá phổ biến để tạo
hạt nano. Các hạt dung dịch nước bị
bẫy bởi các phân tử chất hoạt hóa bề
mặt trong dầu
(các mixen).
Do sự giới hạn về không
gian của các phân tử chất hoạt hóa
bề mặt, sự hình
thành, phát triển các hạt nano bị
hạn chế và tạo nên các hạt nano rất
đồng nhất. Kích thước hạt có thể từ
4-12 nm với độ sai khác khoảng
0.2-0.3 nm [7]. Cũng bằng phương
pháp này, người ta có thể chế tạo
hạt oxyd sắt bao phủ bởi một lớp
vàng để tránh oxy hóa và tăng tính
tương hợp sinh học. Polyol là phương
pháp thường dùng để tạo các hạt nano
kim loại như Ru, Pd, Au, Co, Ni,
Fe,... Các hạt nano kim loại được
hình thành trực tiếp từ dung dịch
muối kim loại có chứa polyol. Polyol
có tác dụng như một dung môi hoặc
trong một số trường hợp như một chất
khử ion kim loại. Dung dịch được
điều khiển nhiệt độ để làm tăng giảm
động học của quá trình kết tủa thu
được các hạt có hình dạng và kích
thước rất xác định. Một phương pháp
khác nữa là phân ly nhiệt. Sự phân
ly của các hợp chất chứa sắt với sự
có mặt của một chất hoạt hóa bề mặt ở nhiệt độ cao
cải thiện đáng kể chất lượng của các
hạt nano.
Trong phương pháp tạo hạt từ thể
hơi, sự nhiệt phân bụi hơi chất lỏng
và laser là những kĩ thuật rất tốt
để tạo ra trực tiếp và liên tục các
hạt nano từ tính. Sự khác biệt giữa
nhiệt phân bụi hơi chất lỏng và
laser ở trạng thái cuối cùng của vật
liệu. Ở phương pháp nhiệt phân bụi
hơi, hạt nano thường kết tụ thành
từng đám còn ở phương pháp nhiệt
phân laser thì không. Nguyên tắc của
phương pháp nhiệt phân bụi hơi là
chất rắn được hình thành khi chất
lỏng dung dịch được phun vào một
chuỗi các bình phản ứng, ở đó, quá
trình chất lỏng bốc bay, chất rắn
ngưng tụ, quá trình làm khô và nhiệt
phân xảy ra ở mỗi hạt chất lỏng. Kết
quả thu được là chất rắn xốp. Phương
pháp nhiệt phân laser sử dụng laser
CO2 để khởi động và duy trì phản ứng
hóa học. Khi áp suất và năng lượng
laser vượt quá ngưỡng nhất định, quá
trình hình thành hạt nano sẽ xảy ra.
Kết quả là các hạt nano có kích
thước rất nhỏ, độ đồng nhất cao và
không bị kết tụ.
4- Ứng dụng của hạt
nano từ tính
Các ứng dụng của hạt nano từ được
chia làm hai loại: ứng dụng ngoài cơ
thể và trong cơ thể. Chúng tôi chỉ
trình bày một số ứng dụng tiêu biểu
trong rất nhiều ứng dụng đã và đang
được nghiên cứu. Phân tách và chọn
lọc tế bào là ứng dụng ngoài cơ thể
nhằm tách những tế bào cần nghiên
cứu ra khỏi các tế bào khác. Các ứng
dụng trong cơ thể gồm: dẫn thuốc,
nung nóng cục bộ và tăng độ tương
phản trong ảnh cộng hưởng từ [2, 7].
4.1. Phân tách và chọn lọc tế bào
Trong y sinh học, người ta thường
xuyên phải tách một loại thực thể
sinh học nào đó ra khỏi môi trường
của chúng để làm tăng nồng độ khi
phân tích hoặc cho các mục đích
khác. Phân tách tế bào sử dụng các
hạt nano từ tính là một trong những
phương pháp thường được sử dụng.
Quá
trình phân tách được chia làm hai
giai đoạn:
-
đánh dấu thực thế sinh
học cần nghiên cứu;
-
và tách các thực
thể được đánh dấu ra khỏi môi trường
bằng từ trường.
Việc đánh dấu được thực hiện thông
qua các hạt nano từ tính. Hạt nano
thường dùng là hạt oxyd sắt. Các
hạt này được bao phủ bởi một loại
hóa chất có tính tương hợp sinh học
như là dextran, polyvinyl alcohol
(PVA),... Hóa chất bao phủ không
những có thể tạo liên kết với một vị
trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc
phân tử mà còn giúp cho các hạt nano
phân tán tốt trong dung môi, tăng
tính ổn định của chất lỏng từ. Giống
như trong hệ miễn dịch, vị trí liên
kết đặc biệt trên bề mặt tế bào sẽ
được các kháng thể hoặc các phân tử
khác như các hormone, acid folic
tìm thấy. Các kháng thể sẽ liên kết
với các kháng nguyên. Đây là cách
rất hiệu quả và chính xác để đánh
dấu tế bào. Các hạt từ tính được bao
phủ bởi các chất hoạt hóa tương tự
các phân tử trong hệ miễn dịch đã có
thể tạo ra các liên kết với các tế
bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi,
vi khuẩn, tế bào ung thư đường tiết
niệu và thể golgi [7]. Đối với các
tế bào lớn, kích thước của các hạt
từ tính đôi lúc cũng cần phải lớn,
có thể đạt kích thước vài trăm nano
mét.
Quá trình phân tách được thực hiện
nhờ một gradient từ trường ngoài. Từ
trường ngoài tạo một lực hút các hạt
từ tính có mang các tế bào được đánh
dấu. Các tế bào không được đánh dấu
sẽ không được giữ lại và thoát ra
ngoài. Lực tác động lên hạt từ tính
được cho bởi phương trình sau:
F = 6 pi n R Dn
Trong đó n là độ nhớt của môi trường
xung quanh tế bào (nước), R là bán
kính của hạt từ tính, Dn là sự khác
biệt về vận tốc giữa tế bào và nước.
Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản nhất
được trình bày ở hình 1.
Hình 1
Hỗn hợp tế
bào và chất đánh dấu (hạt từ tính
bao phủ bởi một lớp chất hoạt hóa bề
mặt) được trộn
với nhau để các lên kết hóa học giữa
chất đánh dấu và tế bào xảy ra. Sử
dụng một từ trường ngoài là một
thanh nam châm vĩnh cửu để tạo ra
một gradient từ trường giữ các hạt
tế bào được đánh dấu lại.
4.2. Dẫn truyền thuốc
Một trong những nhược điểm quan
trọng nhất của hóa trị liệu đó là
tính không đặc hiệu. Khi vào trong
cơ thể, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố
không tập trung nên các tế bào mạnh
khỏe bị ảnh hưởng do tác dụng phụ
của thuốc. Chính vì thế việc dùng
các hạt từ tính như là hạt mang
thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ
thể (thông thường dùng điều trị các
khối u ung thư) đã được nghiên cứu
từ những năm 1970 [*], những ứng dụng
này được gọi là dẫn truyền thuốc
bằng hạt từ tính.
Có hai lợi ích cơ
bản là:
(i) thu hẹp phạm vi phân bố
của các thuốc trong cơ thể nên làm
giảm tác dụng phụ của thuốc; và
(ii)
giảm lượng thuốc điều trị.
Hạt nano từ tính có tính tương hợp
sinh học được gắn kết với thuốc điều
trị. Lúc này hạt nano có tác dụng
như một hạt mang. Thông thường hệ
thuốc/hạt tạo ra một chất lỏng từ và
đi vào cơ thể thông qua hệ tuần
hoàn. Khi các hạt đi vào mạch máu,
người ta dùng một gradient từ trường
ngoài rất mạnh để tập trung các hạt
vào một vị trí nào đó trên cơ thể.
Một khi hệ thuốc/hạt được tập trung
tại vị trí cần thiết thì quá trình
nhả thuốc có thể diễn ra thông qua
cơ chế hoạt động của các enzym hoặc
các tính chất sinh lý học do các tế
bào ung thư gây ra như độ pH, quá
trình khuyếch tán hoặc sự thay đổi
của nhiệt độ. Quá trình vật lý diễn
ra trong việc dẫn truyền thuốc cũng
tương tự như trong phân tách tế bào.
Gradient từ trường có tác dụng tập
trung hệ thuốc/hạt.
Hiệu quả của
việc dẫn truyền thuốc phụ thuộc vào
cường độ từ trường, gradient từ
trường, thể tích và tính chất từ của
hạt nano. Các chất mang (chất lỏng
từ) thường đi vào các tĩnh mạnh hoặc
động mạch nên các thông số thủy lực
như thông lượng máu, nồng độ chất
lỏng từ, thời gian tuần hoàn đóng
vai trò quan trọng như các thống số
sinh lý học như khoảng cách từ vị
trí của thuốc đến nguồn từ trường,
mức độ liên kết thuốc/hạt, và thể
tích của khối u. Các hạt có kích
thước micro mét (tạo thành từ những
hạt siêu thuận từ có kích thước nhỏ
hơn) hoạt động hiệu quả hơn trong hệ
thống tuần hoàn đặc biệt là ở các
mạch máu lớn và các động mạch.
Nguồn
từ trường thường là nam châm NdFeB
có thể tạo ra một từ trường khoảng
0,2 T và gradient từ trường khoảng 8
T/m với động mạch đùi và khoảng 100
T/m với động mạch cổ. Điều này cho
thấy quá trình dẫn thuốc bằng hạt
nano từ tính có hiệu quả ở những
vùng máu chảy chậm và gần nguồn từ
trường. Tuy nhiên, khi các hạt nano
chuyển động ở gần thành mạch máu thì
chuyển động của chúng không tuân
theo định luật Stoke nên với một
gradient từ trường nhỏ hơn quá trình
dẫn thuốc vẫn có tác dụng.
Các hạt nano từ tính thường dùng là
oxyd sắt (magnetite Fe3O4,
maghemite a-Fe2O3) bao phủ xung
quanh bởi một hợp chất cao phân tử
có tính tương hợp sinh học như PVA,
detran hoặc silica. Chất bao phủ có
tác dụng chức năng hóa bề mặt để có
thể liên kết với các phân tử khác
như nhóm chức carboxyl, biotin,...
Nghiên cứu dẫn truyền thuốc đã được
thử nghiệm rất thành công trên động
vật, đặc biệt nhất 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 băng cách
giữa não và máu, nhờ có trợ giúp của
hạt nano từ có kích thước 10-20 nm,
việc dẫn truyền thuốc có hiệu quả
hơn rất nhiều. Việc áp dụng phương
pháp này đối với người tuy đã có một
số thành công, nhưng còn rất khiêm
tốn.
4.3. 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 ứng dụng quan trọng
khác của hạt nano từ tính. Nguyên
tắc hoạt động là các hạt nano từ
tính có kích thước từ 20-100 nm được
phân tán trong các mô mong muốn sau
đó tác dụng một từ trường xoay chiều
bên ngoài đủ lớn về cường độ và tần
số để làm cho các hạt nano hưởng ứng
mà tạo ra nhiệt nung nóng những vùng
xung quanh. Nhiệt độ khoảng 42 °C
trong khoảng 30 phút có thể đủ để
giết chết các tế bào ung thư. Nghiên
cứu về kĩ thuật tăng thân nhiệt cục
bộ được phát triển từ rất lâu và có
rất nhiều công trình đề cập đến kĩ
thuật này nhưng chưa có công bố nào
thành công trên người. Khó khăn chủ
yếu đó là việc dẫn truyền lượng hạt
nano phù hợp để tạo ra đủ nhiệt
lượng khi có sự có mặt của từ trường
ngoài mạnh trong phạm vi điều trị
cho phép. Các yếu tố ảnh hưởng đến
quá trình nung nóng cục bộ là lưu
lượng máu và phân bố của các mô.
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.
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/cm3.
Vật liệu dùng để làm
hạt nano thường là magnetite và
maghemite và có thể có tính sắt từ
hoặc siêu thuận từ.
Phần lớn các thí
nghiệm được tiến hành với hạt siêu
thuận từ.
Vì vậy, ở đây chúng tôi
chỉ giải thích cơ chế vật lý cho hạt
siêu thuận từ. Với hạt siêu thuận
từ, khi áp dụng một từ trường xoay
chiều thì hạt sẽ hưởng ứng dưới tác
dụng của từ trường đó. Sự hưởng ứng
được thể hiện bằng chuyển động quay
vật lý và quay mô men từ của hạt.
Hai quá trình quay này được đặc
trưng bới hai thông số là thời gian
hồi phục Brown ( tB) và thời gian hồi
phục Néel (tN ). Lượng nhiệt thoát ra
được cho bởi phương trình sau:
P = m0
pi f c H2
trong đó m0 là từ thẩm của môi
trường, f là tần số từ trường xoay
chiều, c là thành phần lệch pha của
độ cảm từ phức (độ hấp thụ), H là
cường độ từ trường. Nếu chuyển động
của hạt nano từ tính lệch pha so với
từ trường thì một phần năng lượng từ
chuyển thành nội năng của hệ. Một
chất lỏng từ được đặc trưng bởi tốc
độ hấp thụ. Với chất lỏng từ tốt giá
trị này có thể đạt giá trị 45 W/g
tại từ trường cỡ 0,01 T [7].
4.4. Tăng độ tương phản cho ảnh
cộng hưởng từ
Mặc dù mômen từ của một proton rất nhỏ
(1,5 10-3 Magneton Bohr)
nhưng trong cơ thể động vật có một lượng rất lớn proton (hạt
nhân nguyên tử hydrogen của phân tử nước
(6,6 1019)
nên có thể tạo
ra một hiệu ứng có thể đo được. Nếu
tác dụng một từ trường cố định có
cường độ = 1 T cùng với một từ
trường xoay chiều vuông góc với từ
trường cố định và có tần số bằng tần
số tuế sai Larmor của proton thì sự
hấp thụ cộng hưởng sẽ xảy ra.
Với
hạt nhân nguyên tử hydrogen 1H, tỉ số
từ hồi chuyển
Rad.s-1.T-1.
Tần số tuế sai Larmor
sẽ tương ứng với tần số sóng vô
tuyến và có giá trị là 42,57 MHz.
Khi chỉ có mặt của từ trường cố
định, proton sẽ tuế sai xung quanh
hướng của từ trường. Khi từ trường
xoay chiều được phát ra, mặc dù
cường độ của từ trường này yếu hơn
nhiều so với từ trường cố định nhưng
vì tần số của nó đúng bằng tần số
tuế sai nên mômen
từ của proton sẽ
hướng theo phương của từ trường xoay
chiều, tức là vuông góc với từ
trường cố định. Khi từ trường xoay
chiều ngừng tác động, mô men từ sẽ
trở lại phương của từ trường cố định
(xem hình 2).
Hình 2
Quá trình hồi phục phụ
thuộc vào hai thông số, đó là, thời
gian hồi phục dọc T1 và thời gian
hồi phục ngang với phương từ trường
cố định T2 cho bởi công thức:
mz = m[1-exp(-t/T1)]
mxy = m sin(wt+phi) exp(-t/T2)
t là thời gian và phi là hằng số
pha.
T1 đặc trưng cho sự mất mát
nhiệt lượng ra môi trường xung
quanh, T2 đặc trưng cho sự lệch pha
của proton với từ trường xoay chiều.
Tuy nhiên sự lệch pha có thể do sự
bất đồng nhất của từ trường nên giá
trị T2 được thay thế bằng giá trị
T2*:
1/T2* = 1/T2 + g DB/2
DB là sự biến thiên của từ trường cố
định có thể do sự biến dạng địa
phương của từ trường hoặc do sự thay
đổi của độ cảm từ.
Các giá trị T1 và T2* có thể giảm đi
khi có mặt của hạt nano từ tính.
Các
hạt nano siêu thuận từ tạo thành từ
oxyd sắt hoặc hợp chất chứa Gd
thường được sử dụng như tác nhân làm
tăng độ tương phản trong cộng hưởng
từ. Sự có mặt của chúng làm nhiễu
loạn từ trường địa phương nên làm
thay đổi giá trị rất nhiều. Giá trị
của cũng thay đổi nhưng ở mức độ yếu
hơn. Dựa trên đặc tính của từng mô
trong cơ thể, tùy loại mô mà độ hấp
thụ hạt nano mạnh hay yếu. Ví dụ,
hạt nano có kích thước 30 nm được
bao phủ dextran có thể nhanh chóng
đi vào gan và tì trong khi những cơ
quan khác thì chậm hơn. Như vậy, mật
độ hạt nano ở các cơ quan là khác
nhau, dẫn đến sự nhiễu loạn từ
trường địa phương cũng khác nhau làm
tăng độ tương phản trong ảnh cộng
hưởng từ do thời gian hồi phục bị
thay đổi khi đi từ mô này đến mô
khác.
5- Một số nghiên cứu ở Việt Nam
Ở Việt Nam, việc chế tạo các hạt
nano từ đã được thực hiện một vài
năm trước đây bằng phương pháp hóa,
phương pháp phún xạ,... Phương pháp
cơ học (nghiền) cũng bắt đầu được
chúng tôi thử nghiệm. Có điều đặc
biệt là các nghiên cứu chế tạo hạt
nano từ đều tập trung định hướng vào
các ứng dụng trong y-sinh học. Ngoài
các ứng dụng để tách tế bào, dẫn
thuốc, nung nóng cục bộ đã nêu ở
trên, chúng tôi còn quan tâm đến
việc chế tạo các hạt nano từ mang
các chất phát quang. Khi đi vào cơ
thể, các hạt mang loại này sẽ khu
trú tập trung tại các vùng bệnh. Kết
hợp với kỹ thuật thu nhận tín hiệu
phản xạ quang, dựa vào cường độ phản
xạ ra bên ngoài chúng ta có thể đóan
nhận được vị trí của các mầm bệnh và
có các biện pháp điêù trị kịp thời.
Đề tài đang được thực hiện trên cơ
sở gợi ý của một số công ty khoa
học. Để giải quyết bài toán này,
ngoài việc nghiên cứu quá trình sinh
hóa trong cơ thể, các phương pháp
tăng hiệu quả dẫn truyền hạt nano,
còn phải tìm ra các vật liệu phát
quang tốt có khả năng kết hợp với
các hạt nano từ.
6- Tài liệu tham khảo
1. Pitkethly, M.J., Nanotoday, 7
(2004) 20.
2. Leslie-Pelecky, D.L., V.
Labhasetwar, and J. Kraus, R.H.,
Nanobiomagnetics, in Advanced
Magnetic Nanostructures, D.J.
Sellmyer and R.S. Skomski, Editors.
2005, Kluwer: New York.
3. Tartaj, P., M.d.P. Morales, S.
Veintemillas-Verdaguer, T.
Gonzalez-Carreno, and C.J. Serna, J.
Phys. D: Appl. Phys., 36 (2003)
R182.
4. Chikazumi, S., Physics of
Ferromagnetism. Second ed, ed. J.
Birman. 1997, Oxford: Clarendon
Press.
5. Rosensweig, R.E.,
Ferrohydrodynamics. 1985, Cambridge:
Cambridge University Press.
6. Hai, N.H., R. Lemoine, S.
Remboldt, M. Strand, J.E. Shield, D.
Schmitter, R.H. Kraus Jr., M. Espy,
and D.L. Leslie-Pelecky, J. Magn.
Magn. Mater., 293 (2005) 75.
7. Pankhurst, Q.A., J. Connolly,
S.K. Jones, and J. Dobson, J. Phys.
D: Appl. Phys., 36 (2003) R167.
Xin mời đọc:
http://datrach.blogspot.com/
©
http://vietsciences.free.fr và
http://vietsciences.net
Dạ Trạch
|
|