Tổng quan nghiên cứu tổng hợp hạt nano Chitosan-Polyacrylat chứa Gd-DTPA ứng dụng cho ảnh cộng hưởng từ

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
16 Số 66 - Tháng 03/2021
1. TỔNG QUAN ỨNG DỤNG GD TRONG 
CHỤP CỘNG HƯỞNG TỪ (MRI) 
Chụp cộng hưởng từ (MRI) là một kỹ thuật được 
sử dụng rộng rãi để thu được các chi tiết giải 
phẫu của các mô mềm do các lợi ích sau: không 
ion hóa, vô hại và hình ảnh có độ phân giải cao 
với độ tương phản mô mềm khác biệt giữa các 
mô khác nhau [1]. Sự tương phản giữa các mô 
không giống nhau có thể được tăng cường bằng 
cách sử dụng các hợp chất thuận từ. Ngày nay có 
ba loại chất tương phản MRI: thuận từ (Gd), siêu 
thuận từ (hạt nano oxit sắt) và từ tính. Gd (III) 
là một tác nhân thuận từ, với các electron bên 
ngoài không ghép cặp, khi ion Gd3+ này kết hợp 
với các phân tử axit dietylentriamin penta axetic 
(DTPA) tạo ra các cấu trúc dạng phức vòng chelat 
Gd-DTPA. Trong quá trình hồi phục, sự tương 
tác giữa mômen từ của proton với mômen từ của 
các ion thuận từ khiến cho thời gian (T1) bị giảm, 
nhờ vậy tốc độ hồi phục (R1) tăng lên.
Việc sử dụng các chất tương phản này là phổ biến 
trong hình ảnh y tế như chuẩn đoán ung thư và 
khối u lành tính, quét mạch máu, xác định bất 
thường tim và phát hiện vỡ hàng rào máu não. 
Gadolini được sử dụng làm chất tương phản trong 
hình ảnh cộng hưởng từ (MRI), để tăng khả năng 
hiển thị của các cấu trúc cơ thể bên trong, tức là, 
để tăng cường sự khác biệt tương đối của cường 
độ tín hiệu giữa hai mô liền kề. Hợp chất của Gd3+ 
phù hợp với các thử nghiệm lâm sàng (Hình 1 
và Bảng 1) và một số sản phẩm đã được thương 
mại hóa từ những năm 1980 [1]. Hợp chất của 
Gd (phức chất của Gd) đáp ứng một số yêu cầu 
cho mục đích chẩn đoán MRI: khả năng sửa đổi 
một số tính chất mô liên quan đến độ tương phản 
hình ảnh, độ đặc hiệu của mô, thời gian bù hợp lý 
(hình ảnh trong cộng hưởng từ), độc tính thấp và 
thời gian bảo quản dài. 
2. CÁC NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HẠT 
NANO CHITOSAN - POLYACRYLAT CHỨA 
PHỨC GD-DTPA (NP-PATPA)
Hanns-Joachim Weinmann [2] và cộng sự đã 
nghiên cứu và thử nghiệm chelat của nguyên tố 
đất hiếm gadolini (gd) với diethylenetriamine-
pentaacetic acid (DTPA) tái tổ hợp một phức chất 
thuận từ, ổn định mạnh, tương thích tốt ở động 
vật. Các chelate gadolini được tổng hợp bằng cách 
 Đất hiếm có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, trong đó nguyên tố Gadolini 
được sử dụng nhiều trong lĩnh vực y tế. Thuốc đối quang từ với gốc “gadolinium”, dựa vào tính chất 
thuận từ tác động lên các proton của phân tử nước, chất chứa nguyên tử Hydro (H) – là nguyên tố cơ 
bản trong kỹ thuật chụp cộng hưởng từ, góp phần làm thay đổi độ tương phản của mô được khảo sát. 
 Hiện nay, công nghệ tổng hợp hợp chất tương phản từ Gd ngày càng được phát triển. Chúng 
tôi giới thiệu một số tài liệu nghiên cứu về tổng hợp hạt nano Chitosan-PolyAcrylat chứa Gd-DTPA 
cho ảnh cộng hưởng từ.
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 
TỔNG HỢP HẠT NANO CHITOSAN-POLYACRYLAT 
CHỨA Gd-DTPA ỨNG DỤNG CHO 
ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
17Số 66 - Tháng 03/2021
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
18 Số 66 - Tháng 03/2021
ủ Gd2O3 và các phối tử tương ứng. Một huyền 
phù gồm 43,5 g Gd2O3 và 94,5 g DTPA trong 1,2L 
nước được khuấy, đồng thời được đun nóng đến 
90oC đến 100oC, trong 48 giờ. Vật liệu không hòa 
tan sau đó được lọc bỏ, và dịch lọc được làm bay 
hơi cho đến khi khô. Việc bổ sung N-metylglu-
camin thu được các muối tan trong nước của che-
late Gd. Dung dịch 0,5 mol/L của dimeglumine-
Gd-DTPA có áp suất thẩm thấu là 49,8 atm (1,94) 
osmol/kg và độ nhớt 2,9 mPa.s được đo ở 37oC. 
Các ion gadolini tự do không thể phát hiện được 
(dưới 0,01%) bằng cách sử dụng xylenol da cam 
làm chất chỉ thị. Dung dịch nước gadolini clorua 
và diatrizoate được sử dụng làm dung dịch đối 
chiếu. Phức gadolini có từ tính mạnh làm giảm 
hydroproton ngay cả ở nồng độ thấp (dưới 0,01 
mmol/L). Dược động học của gadolini diethyl-
enetriaminepentaacetic (Gd-DTPA) tiêm tĩnh 
mạch tương tự như các thuốc tương phản iốt nổi 
tiếng được sử dụng trong chụp cắt lớp và chụp 
động mạch, nó được bài tiết chủ yếu qua thận 
hơn 90% trong 24 giờ. Liều gây chết trung bình 
(LD50) tiêm tĩnh mạch của muối meglumine 
(C7H17NO5) của Gd-DTPA là 10 mmol/kg đối với 
chuột và cho thấy không có sự phân ly của ion 
gadolini từ phối tử DTPA. Sự kết hợp của phức 
chất với phục hồi proton mạnh, ổn định, bài tiết 
nước tiểu nhanh và dung lượng cao tạo điều kiện 
cho sự phát triển hơn nữa và tiềm năng ứng dụng 
lâm sàng của gadolini-DTPA như một chất tăng 
cường tương phản trong hình ảnh cộng hưởng từ.
Arsalan Ahmed [3] và cộng sự đã tổng hợp và xác 
định đặc tính của hạt nano Chitosan - Polyacrylat 
chứa phức Gd-DTPA để chụp ảnh cộng hưởng từ. 
Quá trình tổng hợp các hạt nano chitosan - poly-
acrylat chứa phức Gd-DTPA (NP-PATPA) được 
tổng hợp dựa trên phương pháp trùng hợp điều 
chế chitosan - polyacrylat, sau đó mới hấp phụ 
phức Gd- DTPA (Hình 2). Tính chất của hạt NP-
PATPA là hạt hình cầu với kích thước hạt khoảng 
220nm. NP-PATPA có đặc tính đảo ngược điện 
tích trong dung dịch axit. Các đặc tính từ tính 
in-vitro (thử nghiệm trong ống nghiệm) của NP-
PATPA đã được nghiên cứu để ước tính mức độ 
sử dụng của nó trong hình ảnh cộng hưởng từ. 
Khi sử dụng NP-PATPA trong MRI có kết quả 
tốt hơn về độ tương phản và nồng độ chất tương 
phản tăng lên ở gan và não theo thời gian. Do 
đó, NP-PATPA có thể duy trì lưu thông dài, tốc 
độ lưu thông cao và là tác nhân phù hợp để chụp 
cộng hưởng từ trong in-vivo (thử nghiệm trong 
cơ thể sinh vật sống).
Hình 2. Tổng hợp hạt nano CS–PAA NPs chứa 
Gd-DTPA [2]
Jeyarama S. Ananta [4] nghiên cứu chất tương 
phản chứa hạt nano Gd để sử dụng làm tác nhân 
tăng thời gian lưu giữ hình ảnh T1 trong MRI. 
Các chất tương phản hình ảnh cộng hưởng từ 
hiện đang được thiết kế bằng cách sửa đổi các đặc 
tính cấu trúc và hóa lý của chúng để cải thiện tính 
phục hồi và tăng cường độ tương phản hình ảnh. 
Ở đây, nhóm tác giả trình bày một phương pháp 
chung để tăng tính phục hồi bằng cách giam giữ 
chất tương phản từ vào bên trong cấu trúc nano 
của các các hạt silicon. Tăng cường hiệu quả đã 
được hiển thị cho ba Gd-CA khác nhau: Mag-
nevist (MAG), phức hợp polyaminocarboxylate 
Gd3+ được sử dụng lâm sàng và hai tác nhân ưa 
béo dựa trên cấu trúc nano cacbon, gadofuller-
enes (GFs) và gadonanotubes (GNTs) (Hình 
3a–c). Các SiMP được chế tạo vi mô bằng cách 
sử dụng kết hợp quang khắc và khắc điện hóa, 
cho phép kiểm soát kích thước, hình dạng và độ 
xốp của các hạt. Hình dạng có thể là bán cầu, bán 
cầu hoặc hình đĩa, với đường kính hiệu dụng từ 
600 nm đến vài micromet. Đường kính của các lỗ 
có thể được điều chỉnh trong khoảng từ 3 nm (lỗ 
nhỏ) đến 100 nm (lỗ lớn). Trong nghiên cứu này, 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
19Số 66 - Tháng 03/2021
các Gd-CA được nạp vào bên trong các lỗ nano 
của các hạt bán cầu (H-SiMP), với đường kính 
danh nghĩa là 1,6 mm và dày 0,6 mm, và các hạt 
discoidal (D-SiMP), có đường kính danh nghĩa 
1,0 mm và dày 0,4 mm (Hình 1d, e). Các lỗ rỗng 
có đường kính trung bình nằm trong khoảng từ 
30 đến 40 nm đối với cả hai loại SiMP, con số này 
lớn hơn một chút trong các hạt discoidal so với 
trong hạt bán cầu.
Gd-CAs được nạp bằng cách cho SiMPs khô tiếp 
xúc với dung dịch nước đậm đặc của CAs, sau đó 
được hút vào các lỗ xốp bằng hoạt động của mao 
quản. Hai quy trình nạp khác nhau được sử dụng 
trong nghiên cứu này, (i) một bước và (ii) nạp tuần 
tự, trong đó SiMP được tiếp xúc nhiều lần với 
dung dịch đậm đặc của Gd-CAs. Để phân tích độ 
ổn định của cấu trúc nano, việc giải phóng GNT 
từ SiMPs bão hòa được đo ở 2 và 24 giờ. Lượng 
ion Gd3+ được giải phóng theo thời gian nằm dưới 
giới hạn phát hiện của phép đo phổ phát xạ quang 
học - plasma kết hợp cảm ứng (ICP-OES). Đối 
với tất cả các chất tương phản giam giữ trong cấu 
trúc nano silicon, tốc độ hồi phục proton r1 tăng 
theo chiều dọc đã được quan sát: Magnevist, r1 ≈ 
14 mM-1.s-1 /Gd3+ (~8,15.10+7 mM-1 .s-1 /cấu trúc) 
(Hình 3); gadofullerenes, r1 ≈ 200 mM-1.s-1 /Gd3+ 
(~7.10+9 mM-1 .s-1 /cấu trúc); gadonanotubes, r1 ≈ 
150 mM-1.s-1 /Gd3+ (~2.10+9 mM-1 .s-1 /cấu trúc). 
Các giá trị này lớn hơn khoảng 4 đến 50 lần so 
với phức chất đơn của Gd (~4 mM-1.s-1 /Gd3+). Sự 
tăng cường độ tương phản được quy cho sự giam 
giữ hình học của các tác nhân tương phản, ảnh 
hưởng đến hành vi thuận từ của các ion Gd3+. Do 
đó, việc giam giữ ở quy mô nano các chất tương 
phản chứa gadolini đặt ra hướng nghiên cứu mới 
để tăng cường độ tương phản trong chụp cộng 
hưởng từ.
a-c: Biểu diễn C14H18GdN3O10 ( Gd-DTPA hoặc 
Magnevist) (a), ống nano cacbon chứa bất kì loại 
Gd trong chụp cộng hưởng từ (gadofullerenes - 
GFs) (b) và ống nano cacbon chứa Gd3+ (gadona-
notubes – GNTs) (c). 
d, e: Quét các vi sóng điện tử của Gd được đặt 
Hình 3. Các cấu trúc nano MRI mới
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
20 Số 66 - Tháng 03/2021
trong cấu trúc xốp của vi hạt silicon tiêm nội mạch 
hạt hình bán cầu (H-SiMP): đường kính, 1,6 mm; 
độ dày, 0,6 mm) (d) và hình đĩa (D-SiMP): đường 
kính, 1,0 mm; độ dày, 0,4 mm) (e).
f: Phim chụp cho thấy Magnevist, GF và GNTs 
(trái sang phải) được đặt trong cấu trúc xốp của 
vi hạt silicon tiêm nội mạch (SiMPs). Sự giam giữ 
hình học của các chất tương phản hóa học chứa 
Gd giúp tăng cường độ tương phản của tác nhân 
T1 bằng cách thay đổi cả các đóng góp bên trong 
và bên ngoài hình cầu. [4]
Hình 4. Phổ FT-IR của các hạt nano Gd-DTPA, chi-
tosan và Gd @ chitosan được điều chế bằng cách hòa 
tan 2,5% (w/v) chitosan trong dung dịch nước 23% 
Gd-DTPA ở tốc độ 30.000 vòng/phút trong 9 phút 
(Hình A). Hình ảnh TEM của hạt nano Gd- chitosan 
được điều chế bằng 23% Gd-DTPA (Hình B)
Các hạt nano chitosan nạp Gd-DTPA được điều 
chế theo phương pháp liên kết giọt nhũ tương do 
Tokumitsu và cộng sự phát triển. Jie-Jun Cheng 
cùng cộng sự đã áp dụng [7] và có một số thay 
đổi nhỏ: 2,5% (w/v) chitosan được hòa tan trong 
dung dịch nước Gd-DTPA (thay đổi nồng độ Gd-
DTPA từ 5 - 23%) có chứa 1% (v/v) axit axetic. 5 
mg dung dịch này được thêm vào 60 mL parafin 
lỏng chứa 5% (v/v) Span-85 và khuấy mạnh bằng 
máy khuấy có cánh khuấy hoặc máy đồng hóa tốc 
độ cao (T10, IKA, Staufen, Đức) trong 3-5 min ở 
1500 - 30.000 vòng/phút để tạo thành nhũ tương 
nước trong dầu (w/o). Một nhũ tương w/o khác 
chứa 5 –15% NaOH 3M được điều chế theo quy 
trình tương tự. Hai nhũ tương w/o được trộn bằng 
cách khuấy trong 3-9 phút ở 1500 - 30.000 vòng/
phút. Hỗn dịch thu được được ly tâm ở 3000 vòng 
phút trong 60 phút, rửa ba lần bằng toluen, etanol 
và nước, sau đó làm đông khô. Đo phổ hồng ngoại 
Fourier Transformation (FT-IR) được ghi lại trên 
máy quang phổ FT-IR của Nicolet (6700, Thermo 
Nicolet Corporation, Waltham, MA, USA). Kết 
quả được mô tả trong Hình 4.
Hình 5. (a) Cấu trúc của chitosan [poly (β1-4-d-
glucosamine)]. (b) Cấu trúc của chitosan liên kết 
ngang [5]
Chitosan là polyamit thẳng (Hình 5), có hằng 
số phân ly axit (pKa) khoảng từ 6,1 đến 6,3 tùy 
thuộc vào khối lượng phân tử, nồng độ và mức 
độ ion hóa. Các nhóm amin có sẵn trong cấu 
trúc phân tử phản ứng hóa học với axit tạo thành 
muối. Chitosan không tan ở pH kiềm (pH > 7 ở 
25oC) và trung tính (pH = 7 ở 25oC); ở pH axit 
(pH < 7 ở 25oC), các nhóm amin bị proton hóa và 
điều này chuyển chitosan thành một polyme đa 
hóa, do đó thúc đẩy khả năng hòa tan. Chitosan ở 
cấu trúc nano, với tính năng quan trọng là tương 
thích sinh học và có khả năng phân hủy sinh học, 
có thể được sử dụng như một chất dẫn thuốc tiềm 
năng [5]. Để tạo cấu trúc nano chitosan gắn các 
loại phức chất khác nhóm nghiên cứu đã sử dụng 
phương pháp nhỏ giọt (Hình 6). Chính những 
hạt chitosan này là cơ sở cho các nghiên cứu gắn 
các nhóm chức, các chất tương phản hóa học như 
Gadolini, oxit sắt từ, để ứng dụng trong chụp 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
21Số 66 - Tháng 03/2021
cộng hưởng từ.
Tác nhân tương phản (CA) đóng một vai trò nổi 
bật trong hình ảnh cộng hưởng từ trong y học. 
CA MRI chủ yếu được sử dụng để cải thiện phát 
hiện bệnh bằng cách tăng độ nhạy và độ tin cậy 
chẩn đoán. Nhóm nghiên cứu hợp chất nano của 
ion Gd3+ trong các ống nano carbon đơn vách siêu 
ngắn (Hình 7); các loại ống chứa Gd3+ này là nam 
châm phân tử siêu thuận từ tuyến tính với hiệu 
quả chụp cộng hưởng từ (MRI) lớn hơn 40 đến 
90 lần so với chất tương phản chứa Gd3+ trong sử 
dụng lâm sang hiện nay [6].
Hình 7: (a) Mô tả về một ống nano carbon được 
nạp các ion Gd3+ ngậm nước. (b) Hình ảnh HR-
TEM của các ống chứa Gd3+ n hiển thị các cụm 
(mũi tên) Gd3+ n được hình thành trong các ống 
được xác nhận bằng các phép đo EDS. (c) Hình 
ảnh Cryo-TEM của các ống Gd3+ n từ dung dịch 
chất hoạt động bề mặt SDBS 1%
Tại Việt Nam, cho đến nay việc chế tạo các hạt 
nano nói chung và hạt nano từ nói riêng đã được 
tập trung nghiên cứu theo hai phương diện: 
Nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu định hướng 
ứng dụng. Các kết quả nghiên cứu sâu sắc được 
công bố chủ yếu từ các cơ sở nghiên cứu mạnh 
như: Trường Đại học Quốc gia Hà Nội, Đại học 
Bách khoa Hà Nội và Viện Hàn lâm Khoa học và 
công nghệ Việt Nam. Gần đây các ứng dụng của 
hạt nano từ trong các ứng dụng y sinh, đặc biệt 
là trong chẩn đoán hình ảnh bằng kỹ thuật cộng 
hưởng từ MRI đã thu hút được sự quan tâm của 
các nhà khoa học trong nước. Nhóm nghiên cứu 
tại học viện khoa học công nghệ đã chế tạo chất 
lỏng từ trền nền oxit sắt siêu thuận từ định hướng 
ứng dụng chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) [8]. 
Nghiên cứu đã chế tạo thành công chất lỏng từ 
trên nền hạt Fe3O4 bằng phương pháp thủy nhiệt 
bọc bằng polyme tự nhiên chitosan (CS) và đã tối 
ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất từ. 
Mẫu chất lỏng Fe3O4 – CS tạo thành có độ bền 
cao trong môi trường sinh lý [9,10].
3. KẾT LUẬN
Công nghệ nano phát triển mạnh mẽ, nhưng các 
nghiên cứu chủ yếu xoay quanh các nguyên tố quý 
Hình 6. Sơ đồ điều chế hạt chitosan bằng phương pháp nhỏ giọt và hình ảnh chụp hạt chitosan được 
tạo ra bằng kính hiển vi điện tử
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
22 Số 66 - Tháng 03/2021
hiếm (Ag), các nguyên tố bán dẫn và một số kim 
loại thông dụng (Fe). Trong khi đó phức Gadolini 
được sử dụng làm chất tương phản trong hình 
ảnh cộng hưởng từ (MRI), để tăng khả năng hiển 
thị của các cấu trúc cơ thể bên trong. Nghiên cứu 
tổng hợp hạt nano Chitosan-Polyacrylat chứa Gd-
DTPA cho ảnh cộng hưởng từ có ý nghĩa thực tế. 
Tuy nhiên để có thể cạnh tranh với các sản phẩm 
thương mại trên thị trường đòi hỏi những điều 
kiện vô vùng khắt khe, vì vậy nghiên cứu cần có 
thời gian và sự hỗ trợ của các ban ngành.
Ngô Quang Huy, Lưu Xuân Đĩnh
Trung tâm Công nghệ đất hiếm
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Peter Caravan (1999) Gadolinium(III) Che-
lates as MRI Contrast Agents: Structure, Dynam-
ics, and Applications. Chem. Rev. 99, 2293−2352
[2] Hanns-Joachim Weinmann, (1984) Charac-
teristics of Gadolinium-DTPA Complex: A Po-
tential NMR Contrast Agent. AJR: 142. 619-623.
[3] Arsalan Ahmed (2015) Fabrication and Char-
acterization of Gd-DTPA-Loaded Chitosan–
Poly(Acrylic Acid) Nanoparticles for Magnetic 
Resonance Imaging, Macromol. Biosci. DOI: 
10.1002/mabi.201500034.
[4] Jeyarama S. Ananta (2010) Geometrical con-
finement of gadolinium-based contrast agents in 
nanoporous particles enhances T1 contrast. Na-
ture nanotechnology. Vol 5: 815-821
[5] Sunil A. Agnihotri (2004) Recent advances on 
chitosan-based micro- and nanoparticles in drug 
delivery. Journal of Controlled Release 100: 5–28 
doi:10.1016/j.jconrel.2004.08.010
[6] B. Sitharaman (2005) Superparamagnetic ga-
donanotubes are high-performance MRI contrast 
agents. Chem. Commun., 2005, 3915–3917. DOI: 
10.1039/b504435a
[7] Jie-Jun Cheng (2012) Gadolinium-chitosan 
nanoparticles as a novel contrast agent for poten-
tial use in clinical bowel-targeted MRI: a feasibil-
ity study in healthy rats. Acta Radiol; 53(8):900-7. 
doi: 10.1258/ar.2012.110017
[8] Lê Thế Tâm (2019). Nghiên cứu chế tạo chất 
lỏng từ trên nền oxit sắt siêu thuận từ định hướng 
ứng dụng chụp ảnh cộng hưởng từ MRI. Luận án 
tiến sỹ.
[9] Vu Thi Thu, An Ngoc Mai, Le The Tam, 
Hoang Van Trung, Phung Thi Thu, Bui Quang 
Tien, Nguyen Tran Thuat, Tran Dai Lam. Fabri-
cation of PDMS-Based microfluidic devices: Ap-
pliaction for synthesis of magnetic nanoparticles. 
Journal of electronic materials (SCI), Q2, IF2017 
1.579. Vol 45, Issue 5, 2016, pp 2576-2581. DOI 
10.1007/s11664-016-4424-6.
[10] Le The Tam, Nguyen Hoa Du, Le Trong 
Lu, Phan Thi Hong Tuyet, Nguyen Quoc Thang, 
Nguyen Thi Ngoc Linh, Nguyen Thi Hai Hoa, 
Tran Dai Lam. Magnetic Fe3O4 nanoparticle im-
aging T2 contrast agent synthesized by optimized 
hydrothermal method. Submited to Royal Society 
of Chemistry Advances (SCI), 2019, Q1, IF2017 
2.936 (Under Review).