Ebook Công nghệ sinh học nano

Chia sẻ: Nguyễn Xuân Vũ | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:45

1
998
lượt xem
696
download

Ebook Công nghệ sinh học nano

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ebook Công nghệ sinh học nano giới thiệu đến các bạn những nội dung về: Lịch sử phát triển của công nghệ sinh học, công nghệ nano, công nghệ sinh học nano, vật liệu nano, các phần tử sinh học của công nghệ sinh học nano, cấu trúc nano tích hợp, phương pháp chế tạo vật liệu nano. Mời các bạn cùng tham khảo tài liệu.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Ebook Công nghệ sinh học nano

  1. Công nghệ sinh học Nano .
  2. MỤC LỤC 1. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Lịch sử phát triển 1.1.1 Công nghệ sinh học 1.1.2 Công nghệ nano 1.1.3 Công nghệ sinh học nano 1.2. Hướng nghiên cứu chính 1.3 Tiềm năng 2. KHỐI CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ CHẾ TẠO 2.1 Vật liệu nano 2.1.1 Dạng cầu 2.1.2 Dạng thanh 2.2 Các phần tử sinh học trong CNSH nano 2.2.1 Protein 2.2.2 DNA 2.2.3 Các cấu trúc khác 2.3 Cấu trúc nano tích hợp 2.3.1 Microarray 2.3.2 Microfluidic 2.3.3 Điện cực nano (nanosensor) 2.3.4 Thiết bị nano (nanodevice) 3. PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO 3.1 Phương pháp hóa học 3.1.1 Micelle ngược 3.1.2 Khử 3.1.3 Tổng hợp điện hóa 3.2 Phương pháp vật lý 3.2.1 Các phương pháp cơ học 3.2.2 Vi định vị không gian 3.2.3 Tổng hợp trong pha khí 3.2.4 Hồ quang điện 3.3 Các phương pháp sinh học 3.3.1 Tự lắp ráp phân tử 3.3.2 Vi chế tác dựa trên khuôn sinh học 3.3.3 Phỏng sinh học 2.3.4 Sinh học phân tử 4. ỨNG DỤNG 4.1 Khám phá, phân phối thuốc và các phân tử li ệu pháp 4.2 Chẩn đoán và điều trị
  3. 4.3 Kháng vi sinh vật 4.4 Phát hiện-xác định cấu tử sinh học 4.5 Phân tách các cấu tử sinh học 4.6 Máy tính nano sinh học TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Lịch sử phát triển 1.1.1 Công nghệ sinh học Công nghệ sinh học (CNSH) thực sự trở thành một ngành công nghi ệp vào cu ối nh ững năm 1970 nhưng nó đã được đề cập và tiên đoán tiềm năng phát tri ển t ừ 60 năm tr ước đó [1]. CNSH là tập hợp các khám phá khoa học và kỹ thuật thí nghi ệm cho phép các nhà khoa học thao tác và sử dụng các hệ thống sinh học trong nghiên c ứu c ơ b ản và phát triển các sản phẩm thương mại [2]. Với nền tảng là công nghệ tái t ổ h ợp, CNSH đã và đang có những bước tiến thần kỳ, với ngày càng nhi ều ứng d ụng m ới. CNSH hiện đại tập trung nghiên cứu các quá trình, cơ ch ế ở mức phân t ử. Sinh h ọc phân tử càng phát triển, càng cần các công cụ, vật liệu m ới nh ằm thâm nh ập sâu h ơn vào thế giới hiển vi của những quá trình, cấu trúc sinh h ọc. 1.1.2 Công nghệ nano Nano theo tiếng Latinh (νανοσ) nghĩa là nhỏ xíu. Vào th ế k ỷ th ứ VII tr ước Công nguyên, Mimnermus, thi gia HyLạp, đã sáng tác bài th ơ có tên “n ữ hoàng Ναννο”. Đ ến thế kỷ thứ II sau Công nguyên, ναννο là tên một loại bánh b ơ có d ầu ôliu, sang th ế k ỷ thứ III sau Công nguyên thì nó lại mang nghĩa b ồn rửa bát đĩa l ớn. Tiền tố nano xuất hiện trong tài liệu khoa học lần đầu tiên vào năm 1908, khi Lohmann sử dụng nó để chỉ các sinh vật rất nhỏ với đường kính 200 nm [3]. Vào năm 1974, Tanigushi lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ công nghệ nano (nanotechnology) hàm ý s ự liên kết các vật liệu cho kỹ thuật chính xác trong tương lai [3]. Hi ện t ại trong khoa h ọc, tiền tố nano biểu thị con số 10-9 tức kích thước 1 phần t ỷ m (hình 1). Hình 1. Các phân tử DNA có kích thước khoảng 2,5 nm. 10 nguyên t ử H x ếp li ền nhau dài 1nm (Theo www.cecs.ucf.edu). Tổ chức Nanotechnology Initiative (NNI) trực thuộc chính ph ủ M ỹ đ ịnh nghĩa công
  4. nghệ nano (CNNN) là “bất cứ thứ gì liên quan đến các cấu trúc có kích th ước nh ỏ h ơn 100nm”. Định nghĩa này đã loại bỏ một cách độc đoán chủ thể của các nghiên c ứu liên quan khác tập trung vào các thiết bị vi lỏng (microfluidic) và các vật li ệu đang đ ược ti ến hành ở quy mô µm [4]. Trong cuốn “Bionanotechnology: lessons from nature”, Goodsell đ ịnh nghĩa CNNN là “thao tác và chế tạo ở quy mô nano với độ chính xác nguyên t ử” [5]. Cụ thể hơn, CNNN là khoa học, kỹ thuật và thao thác liên quan t ới các h ệ th ống có kích thước nano, ở đó các hệ thống này thực hiện nhiệm vụ điện, cơ, sinh, hóa ho ặc tính toán đặc biệt. Nền tảng của công nghệ này là hi ện tượng “các cấu trúc, thi ết b ị và hệ thống có tính chất và chức năng mới khi ở kích thước siêu nh ỏ”. Cấu trúc c ơ b ản của CNNN bao gồm các hạt hay tinh thể nano, lớp nano và ống nano. Các c ấu trúc nano này khác nhau ở chỗ chúng được tạo thành như thế nào và các nguyên t ử, phân tử của chúng được sắp xếp ra sao [6] Hình 2. Mối tương quan giữa các thiết bị máy móc (đồng hồ) có kích thước µm đ ến mm và cấu tử sinh học (ribosom, tiên mao) có kích thước nano [Theo 5]. 1.1.3 Công nghệ sinh học nano CNNN phát triển tất yếu dẫn tới nhu cầu tìm kiếm các mối liên kết gi ữa nh ững v ật có kích thước nano. Điều đó tự phát dẫn tới sinh học (lĩnh vực khoa h ọc “nóng” nh ất) (hình 2). Các nhà khoa học mong muốn sự giao thoa gi ữa CNSH và CNNN b ởi l ẽ CNNN mang lại cho sinh học những công cụ mới trong khi sinh h ọc cho phép CNNN đạt được các hệ thống có chức năng mới [7]. Công nghệ này tạo ra sự h ợp tác ch ưa từng có giữa các nhà khoa học vật liệu, vật lý học và sinh h ọc [8]. CNSH nano là t ập
  5. con của CNNN, nó cũng gần với CNSH nhưng thêm khả năng thi ết k ế và biến đ ổi các chi tiết sinh học ở mức độ nguyên tử [5]. Hiện có nhiều cách đ ịnh nghĩa CNSH nano. CNSH nano là bất cứ ứng dụng nào của CNNN trong nghiên c ứu sinh h ọc bao g ồm: khám phá thuốc, thiết bị phân phối thuốc, công cụ chu ẩn đoán, li ệu pháp và v ật li ệu sinh học mới [9]. Theo NIH, CNSH nano là: 1. Áp dụng công cụ ở kích thước nano vào h ệ th ống sinh học và 2. Sử dụng hệ thống sinh học làm khuôn mẫu để phát tri ển các s ản ph ẩm m ới cỡ nano. Ở đây, cần phân biệt giữa ‘Nano2Bio’ (sử dụng CNNN để phân tích và t ạo ra các h ệ thống sinh học), và ‘Bio2Nano’ (sử dụng vât liệu và cấu trúc sinh h ọc đ ể t ạo các h ệ thống kỹ thuật) [10]. Hình 3 thể hiện khái quát các định nghĩa CNSH nano nêu trên. Hình 3. Bức tranh toàn cảnh CNSH nano. Trong đó, các hệ th ống, thi ết b ị riêng l ẻ cũng như tích hợp được tạo ra từ nền tảng là sự giao thoa giữa CNSH và CNNN nhằm ứng dụng trong y học, sinh học… (Theo www.nano2life.org) 1.2. Hướng nghiên cứu chính Cùng với sự nở rộ của CNNN, CNSH nano cũng đang có nh ững b ước tiến thành kỳ. Một số ví dụ của CNSH nano trong nghiên cứu và phát triển [11]: • Chụp ảnh và nghiên cứu tương tác giữa các đơn phân tử sinh h ọc. • Màng chức năng tự lắp ráp với các tính chất như xúc tác, quang ho ạt, d ẫn đi ện, đi ện hóa và lọc nước, lọc khí, vi sinh vật. • Động cơ DNA (DNA motor) dựa trên lực tạo ra khi lai các trình t ự b ổ sung v ới nhau. • Chụp ảnh quá trình vận động của virus, protein, prion và thu ốc trong t ế bào s ống. • Chuyển gene và đột biến điểm chính xác. • Các bộ phận phân tử mới hướng đích và tăng phản ứng mi ễn d ịch • Công nghệ phân phối thuốc hướng đích • Khai thác các động cơ sinh học như cơ và các protein vận động khác, đ ể t ạo năng lượng điện hoặc cơ.
  6. Hiện tại trên thị trường đã có những sản phẩm thương mại của CNSH nano. B ảng 1 liệt kê một số công ty thành công trong lĩnh vực CNSH nano theo ba h ướng nghiên c ứu chính là (i) phân tích sinh học; (ii) phân phối thu ốc và li ệu pháp; (iii) thi ết b ị y h ọc và cảm biến sinh học. Rõ ràng, có sự chồng lấp giữa các lĩnh vực này, và m ột lĩnh v ực phát triển sẽ xúc tác sự phát triển của lĩnh vực khác [12]. Nh ư m ột t ất y ếu trong các lĩnh vực công nghệ cao và mới, Mỹ luôn là nước dẫn đầu thể hi ện ở số công ty v ượt trội. Tuy nhiên, một số nước khác như Úc Nhật, Canada, Nhật, Anh cũng đã có nh ững công ty tham gia vào thị trường đầy tiềm năng này.
  7. 1.3 Tiềm năng Có thể nói, trong thời điểm hiện tại, có thể thấy tiềm năng phát triển của m ột công nghệ hay kỹ thuật mới rõ nhất qua nguồn ngân sách nghiên c ứu hàng năm và doanh thu đem lại từ các sản phẩm thương mại của nó. Được toàn thế giới nghiên cứu và đầu tư phát triển, ngân sách đầu t ư cho CNNN c ủa các tổ chức thuộc chính phủ đã tăng khoảng 7 lần từ 430 triệu năm 1997 lên 3 t ỉ USD năm 2003[13]. Tỷ lệ đầu tư cho nghiên cứu và đào t ạo CNSH nano bằng kho ảng 6% của công nghệ nano. Trong lĩnh vực tư nhân, các công ty l ớn hi ện t ập trung ứng d ụng CNNN cho vât liệu, hóa học, điện; đầu tư trong dược và các hệ th ống sinh h ọc nano khác ước tính khoảng 10%. Tuy nhiên, các công ty nh ỏ và qu ỹ đ ầu t ư m ạo hi ểm chi nhiều hơn trong lĩnh vực này (30-40%) [13]. T ừ năm 1999, 52% trong s ố 900 tri ệu USD trong quỹ đầu tư mạo hiểm chi cho CNNN tập trung vào thiết lập CNSH nano (hình 4a). Trên thực tế, trong khi trong khi vốn đầu tư mạo hiểm suy giảm t ừ năm 2001 đ ến 2002, đầu tư vào CNSH nano lại tăng 313% (hình 4b). S ự tăng tr ưởng này do hai y ếu tố chủ chốt: các ưu đãi của chính phủ và sự khan hiếm các sáng chế y d ược h ọc [9]. Trên 50% vốn đầu tư mạo hiểm trong 4 năm gần đây được chi cho các công ty ho ạt động trong CNSH nano [8].
  8. Hình 4. Sức cám dỗ ngày càng tăng của CNNN với các nhà đầu t ư. (a) V ốn đầu t ư mạo hiểm chi cho CNSH nano so với các lĩnh vực CNNN khác. (b) Quỹ đ ầu t ư mạo hiểm hàng năm chi cho CNNN [Theo 9]. Mặc dù Mỹ chiếm gần 1/3 tổng chi cho CNNN toàn cầu [9]. Các qu ốc gia khác cũng không đứng ngoài cuộc, sau 3 năm kể từ khi cựu tổng th ống M ỹ Bill Clinton thành l ập NNI, 35 quốc gia khác đã xây dựng các chương trình trong công ngh ệ này [8]. Năm 2004, chính phủ Mỹ chi 847 triệu USD cho CNNN trong khi đó Nhật và liên minh Châu Âu cũng chi không kém. Thái Lan đang ở giai đo ạn gi ữa c ủa ch ương trình CNNN qu ốc gia 6 năm với tổng ngân sách 620 triệu USD [14]. Anh là qu ốc gia cu ối cùng tăng chi tiêu trong công nghệ nano, được giới thiệu vào tháng 6 m ột s ự g ần nh ư g ấp đôi cam kết của nó với £90 ($141) triệu cho quỹ MicroNanoTechnology Network [8]. Ngân sách đầu tư cho CNNN của chính phủ một số nước được thể hiện trong bảng 2. Theo National Science Foundation, thị trường CNSH nano s ẽ đ ạt x ấp x ỉ 36 t ỷ USD vào năm 2006 [15]. Không nằm ngoài vòng xoáy chung, Việt Nam cũng đã và đang chú tr ọng vào công nghệ nano. Năm 2004, vốn đầu tư vào môi trường và CNNN đã tăng h ơn 50% so v ới năm 2003 [16]. Trong lĩnh vực đào tạo, ĐHQG - TP.HCM [17], ĐHBK - TP.HCM [18], Trường ĐH-KHTN [19] và Đại học Công nghệ trực thuộc ĐHQG-HN [20], ĐHBK-HN đã và đang nghiên cứu, đào tạo về công nghệ nano. Khu công nghệ cao TPHCM cũng tập trung đẩy mạnh CNNN [21]. Trong tri ển khai th ực tiễn, thành công rực rỡ nhất của CNNN tại Việt Nam là chế t ạo thành công than nano
  9. "lỏng" [22] ứng dụng làm pin nguyên liệu, chế t ạo vi mạch [23]. Ngoài ra còn có các nghiên cứu về cấu trúc nano đa lớp, vật liệu từ có cấu trúc nano [24] và đã ch ế t ạo thành công cảm biến nano dùng để xác định nồng độ khí gas hoá l ỏng [25]. Khu công nghệ cao TP.HCM cũng đang hợp tác với trung tâm nhi ệt đ ới Việt Nga đ ể ch ế t ạo m ặt nạ sinh học dùng than nano [26], giấy và mực nano [27]. Tuy nhiên, CNSH nano vẫn là một điều gì đó mới lạ ở Việt Nam. Trong lĩnh v ực đào tạo, trường ĐHBK-HN mới có dự thảo chương trình đào tạo thạc sỹ về CNSH nano. Tại đây cũng bắt đầu triển khai ứng dụng CNNN trong chế tạo thu ốc h ướng đích. GS. Phạm Thị Trân Châu (Trung tâm CNSH - ĐHQG HN), PGS. Nông Văn Hải (Vi ện Khoa học và công nghệ Việt Nam) và GS. Nguyễn Hữu Đức (Trường Đ ại h ọc Công ngh ệ - ĐHQG - HN) đang thảo luận để khởi động kết hoạch nghiên cứu ứng d ụng c ủa các h ạt nano trong y - sinh học để chẩn đoán và chữa bệnh [24]. Nói chung, CNSH nano tại Việt Nam hiện chỉ mới đang đặt nh ững viên g ạch móng đ ầu tiên. 2. KHỐI CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ CHẾ TẠO 2.1 Vật liệu nano Vật liệu nano là vật liệu có ít nhất một chiều có kích thước nm. Hình 5 cho th ấy m ột s ố vật liệu nano tiêu biểu và kích thước của chúng. Đặc trưng của vật liệu nano Các tính chất vật lý, hóa học của vật liệu đều bị giới hạn bởi kích th ước, g ọi là kích thước tới hạn. Các tính chất như điện, từ, quang và hóa học đều có đ ộ dài t ới h ạn c ỡ nm. Nếu vật liệu nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn b ị thay đ ổi. Tính chất đặc biệt của vật liệu nano được đem lại do kích thước của nó nh ỏ h ơn kích thước tới hạn của vật liệu. Bảng 3. Kích thước của một số cấu tử nano
  10. Hình 5. Kích thước vật liệu nano và tế bào (Theo http://dvworld.northwestern.edu/) Phân loại vật liệu nano Theo trạng thái, người ta phân chia vật liệu nano thành tr ạng thái r ắn, l ỏng và khí. V ật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay là vật li ệu rắn, sau đó m ới đ ến ch ất l ỏng và khí. Về hình dáng vật liệu, người ta chia vật liệu nano thành: • Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano), ví d ụ, đám nano, hạt nano... • Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chi ều có kích th ước nano, ví d ụ, dây nano, ống nano (NT),... • Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chi ều có kích th ước nano, ví d ụ, màng mỏng,... • Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó ch ỉ có m ột phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chi ều, m ột chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau. Trong khuôn khổ bài viết tập trung vào CNSH nano này, tôi ch ỉ đ ề c ập đ ến nh ững v ật liệu nano đã và đang được ứng dụng trong ngành khoa h ọc m ới m ẻ này. Do v ậy, đ ể tiện theo dõi tôi chia vật liệu nano dùng trong CNSH nano thành hai lo ại là d ạng c ầu (điểm lượng tử, dendrimer, lỗ nano, vỏ nano và h ạt nano) và d ạng thanh ( ống nano, que nano, dây nano). 2.1.1 Dạng cầu Điểm lượng tử (QD) QD là một hạt vật chất được tạo nên từ các vật liệu nhóm II–VI (CdSe) hoặc III-V (InP) trong bảng hệ thống tuần hoàn [28], có kích thuớc nhỏ (< 10 nm) [29] t ới m ức khi thêm hay lấy đi một điện tử sẽ làm thay đổi tính chất của nó. Khi ta kích thích m ột QD càng nhỏ thì năng luợng và cuờng độ phát sáng của nó càng tăng, mang l ại b ước sóng phát xạ khả điều hướng và đa hình phổ phát xạ của QD (hình 6). Vì vậy nó là c ửa ngõ cho hàng loạt những áp dụng kỹ thuật mới (wikipedia).
  11. Hình 6. Vi hạt gắn với QD mang lại màu khác nhau các phân t ử sinh h ọc. M ười màu khác nhau phát ra từ QD (CdSe gắn với ZnS) dưới tia UV [Theo 30]. Trong số các vật liệu nano, QD hiện được nghiên c ứu và ứng d ụng nhi ều nh ất. Có th ể nói, với những ưu điểm vượt trội của mình, QD sẽ dần thay thế các chất phát huỳnh quang trong những ứng dụng trước đây như lai in situ, FRET, xác đ ịnh kh ả năng di động của tế bào…. Dendrimer Dendrimer là các phân tử được chế tạo bằng cách thêm liên ti ếp các đ ơn v ị nhánh t ỏa ra ngoài từ điểm khởi đầu (hình 7) [31]. Hình 7. Cấu trúc hai và ba chiều của dendrimer. Ba thành ph ần c ấu trúc: lõi (vàng), vùng bên trong chứa các đơn vị nhánh lặp lại (xanh da tr ời) và b ề mặt ngoài (đ ỏ) [Theo 12]. Chất khơi mào (initiator): Có thể tạo dendrimer từ phân tử g ốc là nguyên t ố đa tr ị. Có thể gắn thêm các nhóm chức để tạo dendrimer đa chức năng. Đơn vị nhánh: đơn vị nhánh bên trong có thể toàn b ộ là amin (DAB-Am = PPI = Astromol), hỗn hợp amine/amide (PAMAM), toàn b ộ amide (L-lysine dendrimers), gallate hoặc resorcinolate. Nếu muốn dùng dendrimer làm thu ốc, cần dùng đ ơn v ị nhánh phù hợp với các ứng dụng dược học (không độc, hiệu qu ả cao, có khả năng giám sát….). Thể liên kết và bề mặt: Tính đa dạng của các cấu trúc dendrimer đ ược t ạo nên ch ủ yếu nhất bởi nhóm bề mặt và loại thể liên kết được dùng [31]. Lỗ nano (nanopore) Lỗ nano được tạo nên từ các vật liệu rắn (như silicon nitride) bằng kỹ thu ật kh ắc b ởi tia ion (ion-beam sculpting technique) [32, 33] theo hai cách: t ạo l ỗ b ằng cách kh ắc trên màng, hoặc lấp các lỗ lớn hơn dưới những điều kiện ở đó quá trình chuy ển kh ối biên là chủ đạo. Chiều sâu của lỗ nano trên màng là 5-10 nm và đ ường kĩnh l ỗ là 3nm. Chúng nhỏ đến mức chỉ cho một mạch đơn DNA đi qua (hình 8a).
  12. Hình 8. Một số cấu trúc nano dạng cầu (a) Lỗ nano [Theo 34], (b) v ỏ nano (http://planet.tvi.edu/) và (c) hạt nano có t ừ tính [Theo 35]. Vỏ nano (Nanoshell) Vỏ nano là khối cầu silica rỗng với các hạt vàng bao quanh (hình 8b). Có th ể g ắn kháng thể lên bề mặt nhằm tạo ra khối cầu hướng đích [33, 36, 37]. Hạt nano (Nanoparticle) Hạt kim loại nano thường được định nghĩa là các hạt tách bi ệt có kích th ước 1 - 50 nm được ngăn cản sự kết tụ bằng vỏ bảo vệ. Phụ thuộc vào vỏ bảo vệ được sử dụng, chúng được tái phân tán trong nước (“hydrosols”) hoặc dung môi h ữu c ơ (“organosols”) (hình 8c) [29, 38]. Lõi của hạt nano có thể là hạt C, hạt kim lo ại [39, 40], h ạt t ừ, h ạt hữu cơ [41], hạt silica [42] … 2.1.2 Dạng thanh Ống nano Được khám phá lần đầu tiên bởi Dr. Sumio Lijima tại NEC, Nhật (1991), NT carbon là mạng lưới lục giác của các nguyên tử C thông qua liên k ết C sp2 trên graphite, có đường kính ~1nm và chiều dài 1-100 µm. NT carbon có các tính ch ất h ết s ức ưu vi ệt như kích thước và khối lượng nhỏ, độ dẫn điện, dẫn nhiệt, độ bền cao… [38, 43]. Có hai loại NT là NT một vách và NT đa vách (hình 9.1, 9.1) [43]… Có thể gắn các cấu tử sinh học với NT carbon (hình 9.3), cho phép s ử d ụng h ệ th ống lai như các thiết bị cảm biến sinh học hoặc transistor với ph ổ ho ạt đ ộng r ất hi ệu qu ả, tạo ra các cấu trúc nano phức hợp và mạch nano (nanocircuit) v ới các tính ch ất và chức năng được điều khiển [44]. Ngoài NT carbon, cùng với sự phát triển của công ngh ệ nano, ngày nay ng ười ta còn tạo ra NT peptide [45].
  13. Hình 9. NT carbon nguyên chất và gắn với các cấu t ử sinh h ọc. (1) NT carbon 1 vách, (2) nhiều vách (Theo http://dvworld.northwestern.edu/).(3) Ống nano carbon gắn với các cấu tử khác nhau: a) gắn nucleotide; b) gắn đường; c) g ắn ch ất ho ạt đ ộng b ề m ặt; d) gắn peptide; e) gắn C60. [Theo 44] Dây nano Các dây nano kim loại khác nhau gồm bạc [46], vàng [47], platinum [48], palladium [49], ZnS [50], đồng [51], silicon [52] được tạo ra nhờ khuôn DNA hoặc t ổng h ợp hóa h ọc. Có thể tạo sợi vàng nano bằng cách sử dụng protein dẫn h ướng (RecA) [53]. Patolsky và cộng sự polymer từng bước các đơn vị monomer G-actin gắn hạt vàng nano và các đơn vị G-actin không đánh dấu để tạo ra các sợi protein g ắn kim loại sau khi xúc tác s ự kim loại hóa các hạt nano (hình 10a) [54]. Hình 10b minh h ọa dây nano silica qu ấn quanh một sợi tóc, nó nhỏ bằng một phần năm virus, nhưng b ền g ấp 5 l ần t ơ nh ện. Hình 10. Cấu trúc sợi vàng trên lõi actin [Theo 54]. Dây nano qu ấn quanh s ợi tóc (Theo http://planet.tvi.edu/). Mã vạch nano (Nanobarcode, NBC) Mã vạch nano được hiểu là vật liệu nano có khả năng mã hóa khác nhau t ương ứng với từng loại phân tử đích. Chúng có thể là các hạt nano hình tr ụ có v ạch phân b ố t ự do, rộng 12 - 15 µm và dài 1 - 50 µm. Các mô hình sọc làm chúng tách bi ệt (gi ống nh ư mã vạch truyền thống) dưới ánh sáng, kính hiển vi huỳnh quang ho ặc kh ối ph ổ (hình 11) [29]. Nanobarcode tạo thành vừa có khả năng mã hóa v ừa có khả năng dò.
  14. Gần đây, que nano đa kim loại với sọc barcode đã đ ược ch ế t ạo thành công. Ng ười ta có thể nhận diện chúng bằng cách đo hệ số phản xạ [55]. Hình 11. Ảnh phát huỳnh quang của hai h ạt barcode A và B (trong hình iii) s ử d ụng thí nghiệm lai DNA đánh dấu Cy3. (i) Ảnh đen trắng; (ii) Ảnh kênh Cy3; (iii) h ảnh đ ất hi ếm thu được sử dụng bộ lọc ánh sáng dài 420 nm. Ngoài ra người ta còn tạo ra các NBC có bản chất là phân tử DNA lai có nhi ều đ ầu, mỗi đầu gắn với một loại mẫu dò và tín hiệu phát huỳnh quang màu khác nhau đ ể t ạo ra phân tử có khả năng mã hóa [56]. Que nano (Nanorod) Trong CNNN, que nano được sử dụng khá phổ biến. Chúng đ ược tạo thành t ừ kim lo ại, phi kim hoặc muối như Co, CuO, Au, CdSe, BaCrO4, BaWO4 [38], g ắn v ới các nhóm chức nhằm mang lại khả năng tự lắp ráp thành các cấu trúc hai ho ặc ba chi ều. Hi ện tại, trong CNSH, các que nano đa thành phần nh ư que nano Au/Ni [57] (ph ần vàng g ắn với yếu tố hướng đích, phần Ni gắn với plasmid tạo ra một vector chuyển gene r ất hi ệu quả), Au-Ni-Au đã cho thấy các ứng dụng to lớn trong chuyển gene và phân tách ch ọn lọc các cấu tử sinh học. Hình 12. Các loại que nano và cấu trúc nano được t ạo nên t ừ chúng. (A) Que nano 3 thành phần Au-Ni-Au [Theo 57]. (B) Que nano 2 thành ph ần Au-Ni [Theo 58]. (C) Que nano 2 thành phần Au-Ppy và các cấu trúc nano được t ạo nên t ừ chúng [Theo 59]. Ngoài những vật liệu nano kể trên, với các phương pháp t ổng h ợp hóa h ọc, ng ười ta còn tạo ra các cấu trúc đĩa nano (nanodisks), hạt nano đa v ỏ, cách t ử nano tam giác và các cấu trúc nano nhánh [41], mang lại những ứng d ụng h ết s ức đa d ạng trong CNSH nano. Bên cạnh vật liệu nano, các phần tử sinh học đóng vai trò vô cùng quan tr ọng trong CHSH nano. Cho đến nay, người ta mới chỉ lợi dụng được một phần rất nh ỏ c ủa các cấu tử, cấu trúc và nguyên lý sinh học trong CNSH nano. 2.2 Các phần tử sinh học trong CNSH nano Tế bào là tập hợp của hàng ngàn bộ máy nano (nanomachine, nanodevice), chúng có thể được thu nhận và biến đổi để thực hiện các nhiệm vụ CNNN tùy theo ch ủ đ ịnh c ủa chúng ta. Hiện tại, trên 10.000 bộ máy nano đang làm vi ệc trong c ơ th ể m ỗi ng ười.
  15. Đáng chú ý là sau khi tách và tinh chế, các bộ máy nano này v ẫn gi ữ ch ức năng ở kích thước phân tử. Chúng là những bộ máy phân tử độc lập, được l ợi d ụng đ ể ph ục v ụ con người [5]. Các phân tử sinh học có thể đóng vai trò như các thành ph ần thu nh ận, v ận chuyển ánh sáng, chuyển hóa tín hiệu, xúc tác, b ơm hoặc đông c ơ trong các b ộ máy nano để tạo ra năng lượng hoặc các sản phẩm đặc biệt, thực hiện các nhi ệm vụ ki ểm soát hay lưu giữ dữ liệu [60]. Các cấu trúc thiết yếu trong trao đ ổi ch ất t ế bào (ty th ể, túi vận chuyển, ribosome…) có thể trở thành các “bộ phận” của b ộ máy sinh h ọc-nano. Và với các tiến bộ công nghệ, chúng ta có thể mở rộng chức năng của các b ộ máy này theo mục đích của mình, biến đổi các bộ máy nano phân t ử sinh h ọc s ẵn có ho ặc thi ết kế những cái hoàn toàn mới [5, 61]. Theo xu thế hiện nay, người ta không ngừng tìm hiểu, khám phá các c ơ ch ế sinh h ọc, tận dụng tối đa mọi tiềm năng sẵn có trong các hệ thống sinh h ọc để ứng d ụng vào CNSH nano. Bởi thế, có thể nọi mọi cấu tử sinh học đều đã và đang là đ ối t ượng nghiên cứu của CNSH nano. 2.3.1 Protein Trong CNSH nano, protein được sử dụng rất phổ biến. Chúng có th ể đóng vai trò m ẫu dò trong kỹ thuật protein chip [62], trợ giúp quá trình t ự l ắp ráp theo c ơ ch ế kháng nguyên-kháng thể [38], được bao gói trong các vật liệu nano khác nh ư m ột phân t ử li ệu pháp (kháng thể) [38] và đặc biệt nhất là vai trò đ ộng c ơ nano. Động cơ sinh học nano là protein và phức hệ protein thực hiện các ch ức năng khác nhau thiết yếu cho sự sống như tái bản và biệt hóa của tế bào. Chúng s ử d ụng năng lượng hóa học, điện hóa hoặc điện thế và chuyển năng lượng này thành l ực c ơ h ọc [63]. Tự nhiên luôn cung cấp cho chúng ta một dải r ộng các đ ộng c ơ sinh h ọc nano (hình 13), chúng được tiến hóa để thực hiện các chức năng đặc bi ệt v ới hi ệu quả cao [64]. Các protein vận động như myosin và kinesin đóng vai trò v ận chuy ển và truy ền động, các động cơ có bản chất RNA làm virus dễ dàng bao gói axit nucleic [65], RNA polymerase chuyển động dọc theo DNA khi phiên mã, [66] và đ ộng c ơ tiên mao đ ẩy vi khuẩn đi [67]. Một số enzyme như kinesin, RNA polymerase, myosin, và adenosine triphosphate (ATP) synthase có chức năng như các động cơ sinh h ọc quay ho ặc t ịnh tiến ở kích thước nano.
  16. Hình 13. Các protein vận động: kinesin chạy dọc theo microtubule, dynein ch ạy d ọc microtubule theo chiều ngược lại với kinesin, myosin chạy dọc theo s ợi filament, F1- ATPase là một động cơ quay, cuống trung tâm của nó quay khi các d ưới đ ơn v ị bên ngoài thủy phân ATP. Kết hợp các động cơ phân tử sinh học với các hệ thống được chế tạo ở kích thước nano cho phép phát triển các thiết bị lai h ữu c ơ-vô c ơ có khả năng s ử d ụng ATP nh ư nguồn năng lượng. Cách tiếp cận này có thể cho phép tạo ra các cảm bi ến, bi ến năng cơ học và cơ cấu truyền động mới [68, 69]. Các cơ chế bởi đó các động cơ sinh h ọc tạo ra lực là một lĩnh vực nghiên cứu thú vị trong đó các quá trình đáng k ể đ ược t ạo thành [70] 2.3.2 DNA Có thể nói, chưa một cấu tử sinh học nào được nghiên cứu kỹ như DNA. Tuy nhiên, có lẽ không ai có thể ngờ rằng DNA lại có thể có những ứng dụng b ước ngoặt, đ ột phá đến như vậy khi CNSH nano ra đời. Có thể sử dụng tính chất nhận biết phân tử kết hợp với các tính chất cơ h ọc khác nhau của DNA mạch đơn và kép để tạo các thiết bị nano thực hiện nhi ều nhi ệm v ụ h ơn v ới các ứng dụng từ chế tạo nano đến phân phối thuốc thông minh [71]. Có th ể dùng DNA để tạo ra các bộ máy với khả năng chuyển động quay, đẩy và giãn dài, hoặc th ậm chí vận động đẳng hướng [71-73]. Có thể phát minh các thiết b ị nano t ự sinh đ ể b ắt gi ữ và giải phóng các phân tử, thực hiện các nhiệm vụ xử lý thông tin đ ơn gi ản [71]. Một mảng ứng dụng rất lớn nữa của DNA là làm mẫu dò trong gene chip, m ột k ỹ thu ật chỉ mới được phát minh vào đầu những năm 1990 và ti ềm năng phát tri ển có th ể so v ới PCR [62]. Ngoài ra, với các tính chất tự lắp ráp (TLR), bắt cặp b ổ sung…, v ới kh ả năng tổng hợp nhân tạo chính xác phân tử DNA đến từng base (cả mạch đ ơn l ẫn mạch kép), khi gắn DNA với các cấu tử sinh học hoặc cấu trúc, phần tử nano khác s ẽ cho ta những ứng dụng hết sức phong phú và đa dạng. Có thể nói, CNSH nano m ới ch ỉ l ợi dụng được một phần rất nhỏ bé so với tiềm năng vốn có của DNA. 2.3.3 Các cấu trúc khác Ngoài protein và DNA, một số cấu trúc sinh học khác cũng cho th ấy ti ềm năng ứng dụng to lớn trong CNSH nano. Các lớp bề mặt tế bào vi khuẩn g ọi là S-layer, S-layer neoglycoprotein tích hợp có thể sử dụng trong thi ết k ế vaccine, phân ph ối thu ốc s ử dụng sự nhận biết carbohydrate. Ngoài ra, có thể sử dụng glycoprotein, polysaccharide, mono hay oligosaccharide làm mẫu dò trong glycan array [74] ho ặc chính bản thân tế bào cũng được lợi dụng làm khuôn để ch ế t ạo dây nano [50]. V ới s ự phát triển như vũ bão của công nghệ hiện nay, có thể nói, m ọi cấu t ử sinh h ọc ở kích thước nano đều có tiềm năng ứng dụng trong CNSH nano. 2.3 Cấu trúc nano tích hợp Ngày nay, người ta thiết kế và chế tạo các bộ máy sinh học nano để thực hi ện các nhiệm vụ đặc biệt ở quy mô nano, như hướng đích tới các tế bào ung th ư hoặc gi ải quyết một một nhiệm vụ máy tính đơn giản. Khi CNSH nano phát tri ển, chúng ta s ẽ tái thiết kế các bộ máy phân tử của tế bào để thực hiện những nhiệm công ngh ệ và s ức khỏe con người ở quy mô lớn hơn. Các cấu trúc lớn sẽ được xây dựng với đ ộ chính xác nguyên tử với các máy lắp ghép phân tử sinh h ọc ho ặc bằng cách s ử d ụng các mô hình sinh học để lắp ghép. Nhìn vào tế bào, chúng ta có th ể tìm th ấy các đ ộng c ơ t ự
  17. động chính xác, bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, cảm biến… t ất cả chúng đều ở quy mô phân tử, sẵn sàng để thu nhận bởi CNSH nano [5]. 2.2.1 Microarray Trong kỹ thuật DNA array, người ta cố định axit nucleic có trình t ự xác đ ịnh (m ẫu dò) trên giá thể (mảng) thích hợp theo thứ tự. Axit nucleic cần nghiên c ứu (đích) đ ược đánh dấu sau đó lai với mẫu dò trên mảng. Ở những đi ều kiện lý t ưởng, các axit nucleic có trình tự bổ sung sẽ bắt cặp chính xác với nhau. H ơn nữa dưới các đi ều ki ện này, cường độ phát hiện tín hiệu tỷ lệ trực tiếp với lượng mẫu dò nên có thể đ ịnh lượng các loại axit nucleic trong mẫu ban đầu [75]. Trên cơ sở DNA array, các mẫu dò các m ẫu dò có bản chất khác nhau đã được phát triển để tạo ra protein array [76, 77], PNA array [78], peptide array [79], glycan array [74], nanowire array [52, 54], cantilever array [80] … mang lại những ứng dụng hiệu năng cao hết sức đa dạng [62]. Hình 14. Một số loại microarray điển hình. (A) DNA array [Theo 62]. (B) Nanowire array [Theo 54]. (C) Cantilever array [Theo 80]. (D) Protein array [Theo 77]. 2.2.2 Microfluidic Một số thiết bị điều khiển lợi dụng ưu thế của các thiết bị kích th ước nh ỏ (c ỡ µm) so với các thiết bị lớn: giảm lượng mẫu và hóa chất tiêu t ốn, thời gian phân tích ng ắn h ơn, độ nhạy cao hơn, mang lại các phân tích in situ thời gian thực và ti ện l ợi. Có th ể hình dung là tương tự với các vi mạch tích hợp sử dụng transitor thu nh ỏ trong tính toán t ự động, microfluidic chip có thể được tự động hóa quy mô l ớn trong quá trình sinh h ọc s ử dụng các thể tích nl. Ngày nay, chúng ta đang thấy các h ệ th ống microfluidic th ật s ự nổi lên để điều khiển các vật liệu ở mức nl, chúng được gọi là các hệ thống nanofluidic [81]. Hình 15. Ảnh hệ thống nanofluidic thực hiện 3 quá trình song song đ ồng th ời s ử d ụng các thể tích mẫu 1,6 nl, 1,0 nl và 0,4 nl để tách DNA [Theo 81].
  18. 2.2.3 Điện cực nano (nanosensor) Điện cực sinh học là một thiết bị gồm thụ thể sinh học và một yếu t ố chuyển đ ổi có khả năng chuyển hóa những thông tin đặc biệt thành các hi ệu ứng có th ể đo đ ạc (nh ư tín hiệu điện). Vì tính đặc hiệu cao của các thụ thể sinh h ọc (DNA, kháng th ể), so v ới điện cực hóa học, điện cực sinh học nhạy hơn nhiều trong các đánh giá sinh h ọc [82]. Dùng vật liệu nano trong điện cực sinh học cho phép s ử d ụng m ột s ố k ỹ thu ật truy ền tín hiệu mới. Vì m, các điện cực nano, mẫu dò nano và các hệ th ống khác là nhữngµkích thước dưới lĩnh vực cách mạng hóa trong phân tích sinh h ọc và hóa h ọc, cho phép phân tích nhanh nhiều cơ chất cùng lúc in vivo [83]. Một trong các điện cực nano đang được ưu tiên phát tri ển hàng đ ầu là PEBBLE. Chúng có kích thước 20-100nm, được thiết kế đặc biệt để sử dụng trong các môi tr ường sinh học [84]. Do có kích thước nhỏ nên điện cực này tối thiểu hóa các tác hại vật lý đ ối v ới tế bào. Hơn nữa do thuốc nhuộm được nang hóa trong chất n ền tr ơ nên PEBBLE t ạo ra pha cảm biến tách biệt với tế bào, do đó tránh đ ược kh ả năng gây nhi ễu hóa h ọc. Các peptide vòng chứa một số axit amin thay thế dạng D- và L- đ ược s ử d ụng trong một loại cảm biến hóa sinh và hóa học mới do nhóm của Bayley tại Texas A&M University phát triển [85]. Trong đó, họ đặt màng lipid kép ch ứa m ột kênh α-haemolysin (αHL, hình 16) giữa hai dung dịch điện cực, cho đi ện th ế chuy ển màng không đ ổi ch ạy qua và đo dòng chuyển màng. Dòng này đi đôi với s ự v ận chuy ển c ủa các ion ch ạy qua kên αHL vào lỗ trung tâm [85]. Hình 16. Cấu trúc của αHL 2.2.4 Thiết bị nano (nanodevice) Thiết bị nano được định nghĩa là tổ hợp lắp ráp của các phân t ử đã đ ược thi ết k ế t ừ trước để thực hiện chuyển động [86]. Hiện có khá nhi ều thiết b ị nano đ ược t ạo ra nhằm thực hiện các chuyển động tịnh tiến [87-89], quay [72], nâng lên h ạ xu ống [90], co bóp (hình 17) [73, 87, 91-93]. Phổ biến nhất là thi ết b ị nano d ựa trên DNA, k ế đó là các thiết bị được thiết kế đặc biệt lợi dụng các động cơ phân tử, có bản chất là protein [68, 92]. “Nhiên liệu” của các thiết bị này có thể là ATP, enzyme, các kích thích bên ngoài hoặc thậm chí là tự cấp nguyên liệu dựa trên các thay đ ổi môi tr ường in vivo (như pH) hoặc TLR thông qua các nguyên lý bổ sung.
  19. Hình 17. Một số thiết bị nano. (A) Thang máy nano, di đ ộng t ừng b ước t ừ trên xu ống dưới thông qua quá trình khử proton của ba trung tâm –NH2+– [Theo 90]. (B) Chuy ển động tịnh tiến nhờ enzyme [Theo 87]. (C) Chuyển động tịnh ti ến nh ờ ph ản ứng lai [Theo 89]. 3. PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO 3.1 Phương pháp hóa học Tổng hợp hóa học giúp tạo ra lượng lớn vật liệu nano với giá thành h ợp lý. Có th ể b ắt đầu với dung dịch muối và cho thêm hóa chất (như hydroxide). Sau khi s ản ph ẩm ở trạng thái siêu bão hòa, quá trình kết tủa x ảy ra do s ự nhân hóa đ ồng ho ặc d ị h ợp (homogeneous or heterogeneous nucleation). Để t ạo h ạt v ới phân b ố kích th ước h ẹp, toàn bộ quá trình kết tủa phải xảy ra cùng lúc và phải không có s ự nhân hóa sau khi đã tạo thành hạt. Tính chất hạt phần lớn được xác định bởi tốc độ phản ứng, t ốc đ ộ phản ứng lại bị ảnh hưởng bởi nồng độ của các chất tham gia phản ứng, nhiệt độ, pH và th ứ tự chất phản ứng cho vào dung dịch. Vật liệu nano đa pha (multiphase nanomaterial) khó tạo ra hơn bằng phương pháp hóa học vì mỗi pha cần các đi ều ki ện k ết t ủa khác nhau. Có thể giới hạn kích thước hạt bằng cách tạo ra rất nhi ều v ị trí h ạt nhân hóa (nucleation site) sử dụng micelle ngược (reverse micelle), ho ặc bằng cách bao ph ủ b ề mặt (capping the surface) [94]. 3.1.1 Micelle ngược Một số chất hoạt động bề mặt là các nguyên tử dạng que với đầu ưa n ước và k ỵ nước. Khi trộn dầu, nước và chất hoạt động bề mặt với nhau theo tỷ l ệ thích h ợp, các phân tử hoạt động bề mặt tự sắp xếp tạo thành vỏ cầu (spherical shells) v ới n ước choán đầy không gian trong vỏ. Kiểu sắp xếp hình h ọc c ủa chất hoạt đ ộng b ề m ặt và nước như vậy gọi là micelle ngược (reverse micelle), xảy ra để t ối thi ểu hóa năng lượng.[94] Có thể điều khiển được kích thước của micelle ngược vì kích thước của nó phụ thuộc tuyến tính vào tỷ lệ của lượng nước trên lượng chất hoạt động bề mặt. Có thể th ực hiện hầu hết các phản ứng trong nước cũng như trong n ước ch ứa bên trong micelle.
  20. Do đó, có thể kết tủa các hạt nano bên trong micelle. Kích th ước hạt nano b ị gi ới h ạn bởi kích thước của micelle ngược [94]. Hình 18. Sự tạo thành của các hạt keo kim loại có cấu trúc nano theo ph ương pháp khử muối (“salt reduction”) [Theo 38]. Có thể cho phân tử mũ (chất gắn cộng hóa trị với bề mặt của vật liệu) vào dung d ịch để ngăn cản quá trình kết tụ của các hạt nano mới tạo thành (hình 18). Thiolate là các chất capping thường được sử dụng nhất. Capping cũng h ạn ch ế k ết t ụ [94]. 3.1.2 Khử Các hạt nano được kết tủa thường là oxit hoặc hydroxid. Nếu cần hạt nano kim lo ại, có thể khử oxid hoặc hydroxid bằng hydro ở nhiệt độ cao. Cũng có thể kh ử bằng r ượu đa chức (như ethylene glycol) ở nhiệt độ cao [94]. Quá trình khử hóa h ọc mu ối kim lo ại (hình 18) khi có chất ổn định để tạo hạt keo kim loại hóa trị không (zerovalent) trong dung dịch lỏng hoặc dung môi hữu cơ được công bố lần đầu tiên vào năm 1857 b ởi Faraday, và cách tiếp cận này đã trở thành một trong các ph ương pháp t ổng h ợp m ạnh và phổ biến nhất trong lĩnh vực này. Phương pháp chuẩn đầu tiên để t ạo ra h ạt keo kim loại (như hạt vàng 20nm bằng cách khử [AuCl4–] bằng sodium citrate) đ ược thi ết lập bởi Turkevich [38].

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản