Đồ Án Nghiên cứu khai thác thiết kế cải tiến thiết bị tạo từ trường và ứng dụng công nghệ Nano trong nhiệt

MỞ ĐẦU
Ung thư hiện đang là mối đe doạ trên toàn cầu, thách thức hệ thống y tế của mọi quốc gia, cả các nước giàu cũng như các nước nghèo với hơn 10 triệu trường hợp mắc bệnh mới mỗi năm. Theo số liệu của cơ quan thống kê sức khỏe Hoa Kỳ (2005), số lượng người chết vỡ ung thư ở nước này vẫn không hề giảm bớt trong suốt hơn 50 năm qua. Hiện nay bên cạnh các phương pháp chữa trị ung thư truyền thống như phẫu thuật, hoá trị và xạ trị, liệu pháp nhiệt trị đang được đánh giá rất triển vọng và được đặc biệt quan tâm nghiên cứu [10]. Cơ sở điều trị của liệu pháp này dựa trên tác dụng ngăn chặn sự phát triển của tế bào ung thư khi nhiệt độ của chúng được đẩy lên trên 42 oC, trong khi các tế bào khoẻ mạnh vẫn có thể chịu đựng được nhiệt độ cao hơn. Tác dụng của nhiệt đối với các tế bào cho tới nay vẫn đang là vấn đề được tranh luận và nghiên cứu, tuy nhiên nguời ta vẫn phân loại liệu pháp dựa vào hai vùng nhiệt độ điều trị chính:
- Nhiệt trị (hyperthermia hoặc mild-hyperthermia): điều trị trong vùng nhiệt độ 42 45 oC trong vài giờ. Để đạt được hiệu quả cao, liệu pháp này cần được kết hợp với các phương pháp điều trị khác như xạ trị hoặc hoá trị [10].
- Nhiệt hủy (thermoablation): là phương thức điều trị với mục đích tiêu diệt tất cả các tế bào ung thư bằng nhiệt. Do đó nhiệt độ tối thiểu phải được tạo ra ở vùng khối u là trên 50 oC, trong thời gian chỉ một vài phỳt [27].
Ngoài ra tuỳ vào kích thước, hỡnh dạng và vị trớ của vựng khối u, cỏc phương pháp nhiệt trị có thể được ứng dụng theo ba dạng: (i) nhiệt trị toàn thân (whole-body hyperthermia) có tác dụng nhiệt trên toàn cơ thể, (ii) nhiệt trị vùng (regional hyperthermia) được sử dụng để chữa trị các vùng khối u có kích thước lớn và (iii) nhiệt trị cục bộ (local hyperthermia) có tác dụng nhiệt trên vùng diện tích nhỏ, như các khối u đơn lẻ.
Vào năm 1994, nhóm của Robins đó chế tạo thiết bị nhiệt trị toàn thõn Aquatherm với khả năng khống chế nhiệt độ rất chính xác (41,8 oC) [49]. Ở phương pháp nhiệt trị vùng, đặc biệt là các vùng sâu trong cơ thể, người ta thường sắp xếp các đầu phát sóng điện từ theo phân bố không gian để giao thoa tập trung năng lượng vào những nơi cần thiết. Đường kính vùng chiếu phụ thuộc vào tần số sóng điện từ và có thể lên tới 15 cm (ở 60 MHz) và 8 cm (ở 100 MHz). Đối với nhiệt trị cục bộ, khối u được đốt trực tiếp từ các nguồn nhiệt như trường sóng điện từ, bức xạ vi sóng, siêu âm hoặc nguồn laser. Tuy nhiên tất cả các phương pháp này đều gặp hạn chế trong việc khống chế nhiệt độ đốt, do vậy không những tế bào ung thư mà ngay cả các tế bào khoẻ mạnh cũng cú thể bị tiờu diệt.
Để tránh việc các tế bào khoẻ mạnh bị đốt quá nhiệt, nhiệt lượng cục bộ phải được tập trung vào vùng khối u, đồng thời nhiệt độ đốt cũng phải được điều khiển một cách chính xác. Năm 1957, Gilchrist đó đưa ra ý tưởng sử dụng các hạt từ đặt trong từ trường xoay chiều như các tác nhân tạo nhiệt [11]. Một khi các hạt từ với kích thước đủ nhỏ này (đó được tương hợp sinh học bằng các polymer) được gắn xung quanh khối u ung thư, nhiệt năng toả ra từ chúng sẽ tác dụng trực tiếp lên khối u và chỉ gây ảnh hưởng tới một lớp mỏng các tế bào khỏe mạnh xung quanh. Gần đây Kuznietsov đó đề xuất sử dụng các hạt từ có nhiệt độ Curie trong vùng 42 46 oC [38] để khống chế nhiệt độ điều trị. Các hạt từ không cũn hấp thụ đáng kể năng lượng từ trường xoay chiều nếu chúng ở trạng thái thuận từ (khi nhiệt độ cao hơn TC), do vậy sẽ không xảy ra trường hợp đốt quá nhiệt đối với các tế bào bỡnh thường. Cỏc ý tưởng tiên phong này đó mở đầu cho một số lượng lớn các nghiên cứu tiếp theo với mục đích đưa liệu pháp nhiệt-từ trị vào ứng dụng thực tế. Gần đây các thành công thu được đó càng cho thấy rừ hơn khả năng ứng dụng chữa trị ung thư trên cơ thể người trong tương lai.
Nhỡn chung cơ chế toả nhiệt của các hạt từ trong từ trường xoay chiều đến nay đó tương đối sáng tỏ. Quá trỡnh hấp thụ năng lượng của các hạt từ xảy ra theo ba cơ chế vật lý chính, đó là tổn hao từ trễ, tổn hao hồi phục Néel và tổn hao hồi phục Brown [20]. Công suất đốt nhiệt-từ của các vật liệu không chỉ phụ thuộc vào kích thước, hỡnh dạng, vi cấu trúc, phân bố kích thước hạt, các tính chất từ mà cũn liờn quan đến các thông số kỹ thuật của từ trường xoay chiều như tần số và cường độ. Chính vỡ vậy, cho đến nay các kết quả nghiên cứu thực nghiệm về hiệu ứng đốt nhiệt-từ vẫn chưa mang tính hệ thống và chưa có nghiên cứu đầy đủ nào đánh giá được công suất toả nhiệt cực đại của các hạt từ dựa trên các thông số tính chất của chúng [19].
Với mục đích đánh giá khả năng ứng dụng của liệu pháp nhiệt trị sử dụng các hạt nanô từ, khai thỏc mỏy tạo từ trường và thiết kế cải tạo cuộn dõy đảm bảo thực hiện cỏc thực nghiệm chiếu nhiệt với một số mẫu nhất định. Đồ ỏn này tập trung vào nghiên cứu sự phụ thuộc của công suất toả nhiệt đối với các thông số tính chất từ như từ độ bóo hoà (Ms), nhiệt độ Curie (TC), lực khỏng từ Hc cũng như với cường độ từ trường và nồng độ hạt từ trong dung dịch. Kết quả thu được của luận văn bao gồm các nghiên cứu bước đầu về hiệu ứng đốt nhiệt-từ với các hạt Fe3O4, hiệu ứng đốt nhiệt-từ tự khống chế nhiệt độ với các hạt La0,7Sr0,15Ca0,15MnO3, kết luận về độ bỏm dớnh, độ độc của hạt từ đối với tế bàovà cỏc kết quả hiệu ứng đốt nhiệt với cỏc mẫu hạt từ được thớ nghiệm in_vivo và in_vitro.
Với những kiến thức được trang bị trong quỏ trỡnh lờn lớp, trong quỏ trỡnh thực hiện đề tài, những yờu cầu cấp bỏch trong việc điều trị căn bệnh thế kỷ và được sự quan tõm của thầy giỏo Huỳnh Lương Nghĩa, sự giỳp đỡ chỉ bảo tận tỡnh của cỏc cỏn bộ nghiờn cứu thuộc Phũng Vật liệu Từ và Siờu dẫn - Viện Khoa học Vật liệu. Đó là những lý do tụi chọn đề tài này với mục đớch trang bị cho bản thõn kiến thức mới về cụng nghệ nano, bệnh ung thư, thiết bị tạo từ trường và tiếp cận cụng nghệ mới trong những phương phỏp điều trị ung thư.
Bố cục của đồ ỏn gồm cú:
Mục lục
- Mở đầu
- Chương 1: Tổng quan về ung thư và phương phỏp nhiệt trị ung thư
- Chương 2: Cụng nghệ nano trong lĩnh vực y_sinh học
- Chương 3: Khai thỏc thiết kế cải tiến thiết bị tạo từ trường xoay chiều ứng dụng chiếu nhiệt trong nhiệt trị ung thư
- Chương 4: Khảo sỏt thiết bị tạo từ trường đó cải tiến vào nghiờn cứu tỏc động của vật liệu nano ứng dụng in_vivo và in_vitro
- Kết luận
- Tài liệu tham khảo
Phụ lục
Đồ ỏn đó đưa ra và giải quyết khỏ nhiều vấn đề về cụng nghệ nano và quỏ trỡnh thực nghiệm. Đây là vấn đề đang được rất nhiều người quan tõm, song đú là vấn đề khú cần cú sự đầu tư thỏa đáng và liờn kết cỏc nghành Y học, Sinh học, Húa học, Vật lý học, và cỏc nhà kỹ thuật. Chớnh vỡ vậy trong đồ ỏn này khụng thể trỏnh khỏi những thiếu sút. Rất mong được sự đóng gúp và bổ sung của cỏc thầy cụ và cỏc đồng chớ.


MỞ ĐẦU
Ung thư hiện đang là mối đe doạ trên toàn cầu, thách thức hệ thống y tế của mọi quốc gia, cả các nước giàu cũng như các nước nghèo với hơn 10 triệu trường hợp mắc bệnh mới mỗi năm. Theo số liệu của cơ quan thống kê sức khỏe Hoa Kỳ (2005), số lượng người chết vỡ ung thư ở nước này vẫn không hề giảm bớt trong suốt hơn 50 năm qua. Hiện nay bên cạnh các phương pháp chữa trị ung thư truyền thống như phẫu thuật, hoá trị và xạ trị, liệu pháp nhiệt trị đang được đánh giá rất triển vọng và được đặc biệt quan tâm nghiên cứu [10]. Cơ sở điều trị của liệu pháp này dựa trên tác dụng ngăn chặn sự phát triển của tế bào ung thư khi nhiệt độ của chúng được đẩy lên trên 42 [SUP]o[/SUP]C, trong khi các tế bào khoẻ mạnh vẫn có thể chịu đựng được nhiệt độ cao hơn. Tác dụng của nhiệt đối với các tế bào cho tới nay vẫn đang là vấn đề được tranh luận và nghiên cứu, tuy nhiên nguời ta vẫn phân loại liệu pháp dựa vào hai vùng nhiệt độ điều trị chính:
- Nhiệt trị (hyperthermia hoặc mild-hyperthermia): điều trị trong vùng nhiệt độ 42 ¸ 45 [SUP]o[/SUP]C trong vài giờ. Để đạt được hiệu quả cao, liệu pháp này cần được kết hợp với các phương pháp điều trị khác như xạ trị hoặc hoá trị [10].
- Nhiệt hủy (thermoablation): là phương thức điều trị với mục đích tiêu diệt tất cả các tế bào ung thư bằng nhiệt. Do đó nhiệt độ tối thiểu phải được tạo ra ở vùng khối u là trên 50 [SUP]o[/SUP]C, trong thời gian chỉ một vài phỳt [27].
Ngoài ra tuỳ vào kích thước, hỡnh dạng và vị trớ của vựng khối u, cỏc phương pháp nhiệt trị có thể được ứng dụng theo ba dạng: (i) nhiệt trị toàn thân (whole-body hyperthermia) có tác dụng nhiệt trên toàn cơ thể, (ii) nhiệt trị vùng (regional hyperthermia) được sử dụng để chữa trị các vùng khối u có kích thước lớn và (iii) nhiệt trị cục bộ (local hyperthermia) có tác dụng nhiệt trên vùng diện tích nhỏ, như các khối u đơn lẻ.
Vào năm 1994, nhóm của Robins đó chế tạo thiết bị nhiệt trị toàn thõn Aquatherm với khả năng khống chế nhiệt độ rất chính xác (41,8 [SUP]o[/SUP]C) [49]. Ở phương pháp nhiệt trị vùng, đặc biệt là các vùng sâu trong cơ thể, người ta thường sắp xếp các đầu phát sóng điện từ theo phân bố không gian để giao thoa tập trung năng lượng vào những nơi cần thiết. Đường kính vùng chiếu phụ thuộc vào tần số sóng điện từ và có thể lên tới 15 cm (ở 60 MHz) và 8 cm (ở 100 MHz). Đối với nhiệt trị cục bộ, khối u được đốt trực tiếp từ các nguồn nhiệt như trường sóng điện từ, bức xạ vi sóng, siêu âm hoặc nguồn laser. Tuy nhiên tất cả các phương pháp này đều gặp hạn chế trong việc khống chế nhiệt độ đốt, do vậy không những tế bào ung thư mà ngay cả các tế bào khoẻ mạnh cũng cú thể bị tiờu diệt.
Để tránh việc các tế bào khoẻ mạnh bị đốt quá nhiệt, nhiệt lượng cục bộ phải được tập trung vào vùng khối u, đồng thời nhiệt độ đốt cũng phải được điều khiển một cách chính xác. Năm 1957, Gilchrist đó đưa ra ý tưởng sử dụng các hạt từ đặt trong từ trường xoay chiều như các tác nhân tạo nhiệt [11]. Một khi các hạt từ với kích thước đủ nhỏ này (đó được tương hợp sinh học bằng các polymer) được gắn xung quanh khối u ung thư, nhiệt năng toả ra từ chúng sẽ tác dụng trực tiếp lên khối u và chỉ gây ảnh hưởng tới một lớp mỏng các tế bào khỏe mạnh xung quanh. Gần đây Kuznietsov đó đề xuất sử dụng các hạt từ có nhiệt độ Curie trong vùng 42 ¸ 46 [SUP]o[/SUP]C [38] để khống chế nhiệt độ điều trị. Các hạt từ không cũn hấp thụ đáng kể năng lượng từ trường xoay chiều nếu chúng ở trạng thái thuận từ (khi nhiệt độ cao hơn T[SUB]C[/SUB]), do vậy sẽ không xảy ra trường hợp đốt quá nhiệt đối với các tế bào bỡnh thường. Cỏc ý tưởng tiên phong này đó mở đầu cho một số lượng lớn các nghiên cứu tiếp theo với mục đích đưa liệu pháp nhiệt-từ trị vào ứng dụng thực tế. Gần đây các thành công thu được đó càng cho thấy rừ hơn khả năng ứng dụng chữa trị ung thư trên cơ thể người trong tương lai.
Nhỡn chung cơ chế toả nhiệt của các hạt từ trong từ trường xoay chiều đến nay đó tương đối sáng tỏ. Quá trỡnh hấp thụ năng lượng của các hạt từ xảy ra theo ba cơ chế vật lý chính, đó là tổn hao từ trễ, tổn hao hồi phục Néel và tổn hao hồi phục Brown [20]. Công suất đốt nhiệt-từ của các vật liệu không chỉ phụ thuộc vào kích thước, hỡnh dạng, vi cấu trúc, phân bố kích thước hạt, các tính chất từ mà cũn liờn quan đến các thông số kỹ thuật của từ trường xoay chiều như tần số và cường độ. Chính vỡ vậy, cho đến nay các kết quả nghiên cứu thực nghiệm về hiệu ứng đốt nhiệt-từ vẫn chưa mang tính hệ thống và chưa có nghiên cứu đầy đủ nào đánh giá được công suất toả nhiệt cực đại của các hạt từ dựa trên các thông số tính chất của chúng [19].
Với mục đích đánh giá khả năng ứng dụng của liệu pháp nhiệt trị sử dụng các hạt nanô từ, khai thỏc mỏy tạo từ trường và thiết kế cải tạo cuộn dõy đảm bảo thực hiện cỏc thực nghiệm chiếu nhiệt với một số mẫu nhất định. Đồ ỏn này tập trung vào nghiên cứu sự phụ thuộc của công suất toả nhiệt đối với các thông số tính chất từ như từ độ bóo hoà (M[SUB]s[/SUB]), nhiệt độ Curie (T[SUB]C[/SUB]), lực khỏng từ H[SUB]c[/SUB] cũng như với cường độ từ trường và nồng độ hạt từ trong dung dịch. Kết quả thu được của luận văn bao gồm các nghiên cứu bước đầu về hiệu ứng đốt nhiệt-từ với các hạt Fe[SUB]3[/SUB]O[SUB]4[/SUB], hiệu ứng đốt nhiệt-từ tự khống chế nhiệt độ với các hạt La[SUB]0,7[/SUB]Sr[SUB]0,15[/SUB]Ca[SUB]0,15[/SUB]MnO[SUB]3[/SUB], kết luận về độ bỏm dớnh, độ độc của hạt từ đối với tế bàovà cỏc kết quả hiệu ứng đốt nhiệt với cỏc mẫu hạt từ được thớ nghiệm in_vivo và in_vitro.
Với những kiến thức được trang bị trong quỏ trỡnh lờn lớp, trong quỏ trỡnh thực hiện đề tài, những yờu cầu cấp bỏch trong việc điều trị căn bệnh thế kỷ và được sự quan tõm của thầy giỏo Huỳnh Lương Nghĩa, sự giỳp đỡ chỉ bảo tận tỡnh của cỏc cỏn bộ nghiờn cứu thuộc Phũng Vật liệu Từ và Siờu dẫn - Viện Khoa học Vật liệu. Đó là những lý do tụi chọn đề tài này với mục đớch trang bị cho bản thõn kiến thức mới về cụng nghệ nano, bệnh ung thư, thiết bị tạo từ trường và tiếp cận cụng nghệ mới trong những phương phỏp điều trị ung thư.
Bố cục của đồ ỏn gồm cú:
Mục lục

Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về ung thư và phương phỏp nhiệt trị ung thư
Chương 2: Cụng nghệ nano trong lĩnh vực y_sinh học
Chương 3: Khai thỏc thiết kế cải tiến thiết bị tạo từ trường xoay chiều ứng dụng chiếu nhiệt trong nhiệt trị ung thư
Chương 4: Khảo sỏt thiết bị tạo từ trường đó cải tiến vào nghiờn cứu tỏc động của vật liệu nano ứng dụng in_vivo và in_vitro
Kết luận
Tài liệu tham khảo
Phụ lục
Đồ ỏn đó đưa ra và giải quyết khỏ nhiều vấn đề về cụng nghệ nano và quỏ trỡnh thực nghiệm. Đây là vấn đề đang được rất nhiều người quan tõm, song đú là vấn đề khú cần cú sự đầu tư thỏa đáng và liờn kết cỏc nghành Y học, Sinh học, Húa học, Vật lý học, và cỏc nhà kỹ thuật. Chớnh vỡ vậy trong đồ ỏn này khụng thể trỏnh khỏi những thiếu sút. Rất mong được sự đóng gúp và bổ sung của cỏc thầy cụ và cỏc đồng chớ.



giap ys(NANO)