Vi hạt là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa vi hạt

Vi hạt (microparticles) là các hạt vật chất có kích thước nằm trong khoảng từ khoảng 1 micromet đến vài trăm micromet, thường từ 1 µm đến 1000 µm. Vi hạt có thể là các hạt rắn, lỏng hoặc bán rắn, có nguồn gốc tự nhiên hoặc được tổng hợp nhân tạo cho các ứng dụng khác nhau. Vi hạt mang đặc tính bề mặt lớn so với thể tích, khả năng tương tác bề mặt cao và dễ bị phân tán trong môi trường khi có lực tác động như khuấy, dòng chảy hoặc dao động nhiệt độ.

Tính chất vật lý của vi hạt phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, độ xốp, thành phần hóa học và lớp phủ (coating). Vi hạt tròn, hình cầu dễ đồng nhất hơn trong phân bố kích thước và dễ dự đoán hành vi so với vi hạt hình dạng bất định. Các tỷ số như diện tích bề mặt trên thể tích (surface area to volume ratio) tăng cao khi kích thước giảm, dẫn đến các hiện tượng như hấp thụ nhanh hơn, hòa tan nhanh hơn hoặc phản ứng hóa học bề mặt mạnh hơn.

Đặc điểm hóa học quan trọng bao gồm thành phần polymer, kim loại, ceramic hoặc composite, lớp phủ bề mặt hoặc nhóm chức hóa học phụ. Vi hạt polymer có thể được thiết kế với độ phân hủy sinh học, nhóm chức nhuận nước hoặc chống nước, kháng sinh hoặc kháng khuẩn. Vi hạt kim loại hoặc ceramic nổi bật với độ bền, khả năng tương tác từ hoặc dẫn điện; phụ thuộc vào thành phần, những vi hạt này có thể mang độc tính hoặc tương tác sinh học mạnh.

Phân loại vi hạt

Vi hạt được phân chia theo tiêu chí nguồn gốc: tự nhiên hoặc nhân tạo. Vi hạt tự nhiên gồm các hạt bụi khoáng, phấn hoa, vi sinh vật; vi hạt nhân tạo được sản xuất cho mục đích dược phẩm, công nghiệp, thực phẩm hoặc mỹ phẩm. Vi hạt tự nhiên thường có thành phần phức tạp hơn, có thể chứa các tạp chất hữu cơ, khoáng chất; vi hạt nhân tạo có thể được tinh sạch hơn và kiểm soát đặc tính tốt hơn.

Phân loại theo trạng thái vật lý: rắn (như polymer rắn, silica gel), lỏng (nhũ tương, giọt dầu), bán rắn hoặc gel. Trạng thái này ảnh hưởng mạnh lên cách phân bố, khả năng giải phóng chất bên trong và tương tác với môi trường xung quanh. Hình dạng vi hạt có thể là hình cầu, hình sợi, hạt bất định hoặc hình rỗng (hollow).

Theo thành phần hóa học hoặc vật liệu cấu thành: polymer tổng hợp (như polystyrene, poly(lactic-co-glycolic acid) – PLGA), polymer tự nhiên (chitosan, alginate), kim loại (vàng, sắt oxit), ceramic (silica), hoặc composite kết hợp giữa các vật liệu. Bề mặt có thể được phủ hoặc chức năng hóa (functionalized) để tạo nhóm hoạt tính như nhóm carboxyl, amine, PEGylation, hoặc các ligands nhận diện tế bào.

Phương pháp chế tạo vi hạt

Spray drying (phun sấy) là kỹ thuật phổ biến để tạo vi hạt rắn từ dung dịch hoặc huyền phù (suspension). Dung dịch chứa polymer hoặc vật liệu mong muốn được phun thành sương rồi nhanh chóng khô thành hạt nhỏ. Kiểm soát tốc độ phun, nhiệt độ và lưu lượng gió ảnh hưởng lên kích thước và độ đồng đều của vi hạt.

Emulsion polymerization (polymer hóa nhũ tương) tạo vi hạt polymer bằng cách sử dụng nhũ tương phân tán (dispersed phase) trong pha liên tục. Các tham số như nồng độ monomer, dung môi, chất nhũ hóa, tốc độ khuấy ảnh hưởng tới kích thước hạt, phân bố kích thước và độ ổn định của hạt được tạo.

Microfluidics là phương pháp hiện đại sử dụng các kênh vi chất lỏng để tạo dòng chảy điều khiển được, cho phép tạo các vi hạt có kích thước đồng nhất cao. Sol‑gel method dùng để chế tạo vi hạt ceramic hoặc silica bằng quá trình chuyển pha từ dung dịch tới gel rồi nung để ổn định cấu trúc.

Thông số kỹ thuật quan trọng khi chế tạo vi hạt:

• Nồng độ nguyên liệu hoặc monomer
• Tốc độ khuấy hoặc dòng chảy
• Nhiệt độ, pH
• Chất nhũ hóa hoặc chất ổn định bề mặt

Ứng dụng của vi hạt

Dược phẩm: vi hạt dùng làm hệ dẫn thuốc (drug delivery), giúp kiểm soát phóng thích thuốc theo thời gian, theo pH hoặc nhiệt độ. Vi hạt phân hủy sinh học như PLGA hoặc lipid‑based có thể dùng để đưa thuốc vào tế bào, giảm liều dùng, tăng hiệu quả điều trị và giảm tác dụng phụ.

Thực phẩm và mỹ phẩm: vi hạt chứa tinh dầu, hương liệu, vitamin hoặc chất màu, có thể giúp giải phóng chậm hoặc bảo trì tính ổn định của thành phần; trong mỹ phẩm, vi hạt được dùng trong kem chống nắng, chất dưỡng da, sản phẩm trang điểm liquid hoặc micro‑emulsion.

Kỹ thuật và môi trường: vi hạt dùng trong lọc nước, hấp phụ chất ô nhiễm, sử dụng trong cảm biến môi trường, hoặc phân tích vi nhựa trong mẫu nước; trong công nghệ vật liệu, vi hạt ceramic hoặc composite dùng làm vật liệu phủ, lớp chống ăn mòn hoặc tăng tính chịu lực.

Tác động của vi hạt đến sức khỏe và môi trường

Các vi hạt có thể xâm nhập vào cơ thể người thông qua ba con đường chính: hít thở, ăn uống và tiếp xúc qua da. Trong đó, vi hạt có nguồn gốc từ ô nhiễm không khí và vi nhựa trong thực phẩm, nước uống là đáng quan tâm nhất. Khi đi vào phổi hoặc đường tiêu hóa, chúng có thể vượt qua hàng rào sinh học và tích tụ trong mô, cơ quan hoặc máu.

Tác động sinh học của vi hạt phụ thuộc vào thành phần hóa học, kích thước, hình dạng và khả năng tương tác bề mặt. Các vi hạt polymer tổng hợp như polystyrene, polyethylene có thể mang theo chất độc hại như kim loại nặng, dioxin hoặc thuốc trừ sâu do khả năng hấp phụ mạnh trên bề mặt. Các nghiên cứu gần đây cho thấy vi hạt có thể gây:

• Viêm nhiễm mô và stress oxy hóa tế bào
• Rối loạn hệ miễn dịch, nội tiết
• Tác động lên hệ thần kinh, tiêu hóa hoặc sinh sản (trong điều kiện tích tụ dài hạn)

Trong môi trường, vi hạt – đặc biệt là vi nhựa – có khả năng tồn lưu lâu dài do bền hóa học và khó phân hủy sinh học. Chúng được tìm thấy trong nước biển, nước ngọt, trầm tích, băng Bắc Cực và trong các sinh vật từ sinh vật phù du đến động vật có vú lớn. Vi hạt đi vào chuỗi thức ăn sinh thái qua quá trình tiêu hóa nhầm lẫn, gây ảnh hưởng sức khỏe sinh vật và tiềm ẩn rủi ro lan truyền lên người.

Phân tích và đo lường vi hạt

Việc đo lường vi hạt yêu cầu các phương pháp có độ phân giải cao và khả năng xử lý mẫu đa dạng. Một số kỹ thuật phổ biến gồm:

• Dynamic Light Scattering (DLS): đo phân bố kích thước dựa vào tán xạ ánh sáng
• Flow Cytometry: đếm số lượng và đo kích thước vi hạt trong dung dịch
• Scanning Electron Microscopy (SEM): quan sát hình dạng, bề mặt hạt
• Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR): xác định thành phần hóa học

Để phân tích vi nhựa trong mẫu môi trường, các bước bao gồm: (1) lọc mẫu, (2) loại bỏ chất hữu cơ bằng oxi hóa ướt, (3) phân tích kích thước và (4) xác định vật liệu bằng FTIR hoặc Raman. Phương pháp phân tích cần đảm bảo độ tin cậy, tái lặp và không gây phá hủy mẫu hạt.

Độ nhạy và độ phân giải của thiết bị quyết định ngưỡng phát hiện tối thiểu. Ví dụ, SEM có thể quan sát đến kích thước dưới 1 µm, trong khi DLS hiệu quả hơn với các hạt đồng nhất và hình cầu.

So sánh với hạt nano và macro

Vi hạt là một cấp độ trung gian giữa hạt nano và hạt vĩ mô. Sự khác biệt không chỉ nằm ở kích thước mà còn về tính chất vật lý, hóa học và ứng dụng. Bảng sau tóm tắt một số đặc điểm phân biệt:

Thông số	Hạt nano	Vi hạt	Hạt vĩ mô
Kích thước	$1 \text{ nm} \leq d \leq 100 \text{ nm}$	$1 \ \mu m \leq d \leq 1000 \ \mu m$	$d > 1 \text{ mm}$
Diện tích bề mặt riêng	Rất cao	Cao	Thấp
Ứng dụng	Cảm biến, thuốc, vật liệu thông minh	Dược phẩm, thực phẩm, lọc, mỹ phẩm	Vật liệu xây dựng, nông nghiệp
Khả năng xâm nhập sinh học	Cao (qua màng tế bào)	Vừa (qua niêm mạc hoặc thụ động)	Thấp

Hướng phát triển và công nghệ tương lai

Trong tương lai, công nghệ vi hạt sẽ tập trung vào ba hướng chính: (1) tăng độ chính xác điều khiển kích thước và hình thái, (2) sử dụng vật liệu bền vững và phân hủy sinh học, (3) tích hợp chức năng thông minh như cảm ứng hoặc điều khiển bằng tín hiệu ngoài (ánh sáng, nhiệt, từ trường).

Các vi hạt thông minh (smart microparticles) được thiết kế để phản ứng với các yếu tố sinh lý như pH, enzyme, hoặc nhiệt độ – rất hứa hẹn trong điều trị cá nhân hóa và dẫn thuốc chính xác. Vi hạt từ polysaccharide tự nhiên như chitosan, alginate đang được nghiên cứu để thay thế các vật liệu tổng hợp khó phân hủy.

In 3D vi cấu trúc (micro-3D printing) đang mở ra khả năng tạo vi hạt phức tạp theo mô hình CAD, cho phép thiết kế hạt có nhiều buồng, nhiều lớp hoặc hình học không đều để mang thuốc hoặc cảm biến. Việc kết hợp microfluidic và in 3D đang tạo nên nền tảng cho thế hệ hệ dẫn thuốc mới.

Tài liệu tham khảo

1. Allen, T. (2003). Particle Size Measurement. Butterworth-Heinemann.
2. Fahlman, B. D. (2018). Materials Chemistry. Springer.
3. National Institute of Standards and Technology (NIST). Particle Characterization Resources.
4. EFSA (2023). Microplastics and Food Safety.
5. ScienceDirect Topics. Microparticle – Chemistry Topic Overview.
6. Nature Reviews Materials. Advanced Materials and Microparticle Systems.
7. US EPA. Microplastics in the Environment.