Bài giảng Nano từ lỏng trong Y khoa và Sinh học

NANO TỪ LỎNG TRONG Y KHOA VÀ SINH HỌC

Nội dung

I. 1-ứng dụng dẫn truyền thuốc

2-MRI 3-tăng thân nhiệt cục bộ

II. 4- phân tách ADN

5-phân tách và chọn lọc tế bào 6- làm giàu AND của siêu vi HERPES 7- đếm tế bào bạch cầu CD4+ T

III. ứng dụng trong môi trường và KHKT

I.Giới thiệu

Nanobiomagnetism

Từ học nano Sinh học

Từ học nano: hạt nano từ tính kích thước nano, có tính siêu thuận từ.

(Fe3O4,Fe2O3,Ni,Co,Nd-Fe-B,Sm-Co)

Sinh học: hệ (hoặc các quá trình) sinh học.

Ứng dụng trong y-sinh học

I.Giới thiệu (tt)

- Liệu pháp từ tính. - Từ trường không có hại đối với con người.

chế tạo các hạt nano sắt từ ứng dụng

trong y học

II. Ứng dụng các hạt nano từ tính trong y-sinh học

 Ưu diểm của hạt nano từ

tính: kích thước : 1-100nm

+Bề mặt: có khả năng tương thích với các

thực thể sinh học (ttsh) +Tính chất vật lý: có thể thao tác bằng từ trường.

Các yêu cầu khi ứng dụng y-sinh học

 Siêu thuận từ, từ độ lớn, sự hưởng ứng cộng

hưởng với từ trường ngoài.

 Ổn định với dd có độ pH trung tính và độ mặn

sinh lý.

 Invivo (bên trong): Không độc, không miễn dịch, có kích thước hợp lý, cần được bọc polyme tương thích sinh học...

II. Ứng dụng các hạt nano từ tính trong y-sinh học

1. Ứng dụng in-vivo (bên trong).

a. Điều trị bệnh. b. Chẩn đoán bệnh 2. Ứng dụng in-vitro (bên ngoài).

a. Phân tích và chọn lọc tế bào, kháng nguyên.

b. Một số ứng dụng trong tương lai.

II.1. Ứng dụng in-vivo

Pp tăng thân nhiệt

Điều trị bệnh

ứng dụng in-vivo

Pp dẫn truyền thuốc và gen

Chẩn đoán bệnh

II.2.a. Điều trị bệnh

1. phương pháp tăng thân nhiệt cục bộ

Sử dụng các hạt nano từ tính để tăng nhiệt độ của 1 vùng cơ thể có u ác tính hay các vùng khác nhiễm bệnh.

Làm chậm lại hoặc tiêu diệt tế bào ung thư

Phương pháp điều trị ung thư

Thường sử dụng phương pháp nung nhiệt toàn cơ thể hoặc 1 bộ phận cơ thể ( bơm các dòng chất lỏng nóng vào cơ thể) hoặc sử dụng siêu âm hay trường điện từ

Nguyên tắc : dùng các hạt nano từ (sắt từ hoặc siêu thuận từ) dưới tác dụng của 1 từ trường xoay chiều

Làm các hạt nano hưởng ứng

Tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh

Phân bố các mô

II.1.a.1. Phương pháp tăng thân nhiệt cục bộ

Lưu lượng máu

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nung nóng cục bộ :

Các yếu tố khác

Ưu điểm của phương pháp : chỉ cho phép làm nóng trực tiếp khối u.

Sử dụng các hạt nano từ đơn domain,tránh sử dụng các hạt nano hấp thụ nhiều năng lượng (các oxit sắt được sử dụng nhiều nhất,có thể sử dụng các vật liệu từ vô định hình)

III.1.a.2. Phương pháp dẫn truyền thuốc và gen

Không đặc hiệu

Chữa bệnh bằng các phương pháp thông thường

Bệnh phân tán,tác dụng phụ

Dẫn truyền thuốc bằng các hạt từ tính

Giảm phạm vi hoạt động của thuốc,giảm tác dụng phụ

Hạt nano + thuốc điều trị

Đưa vào cơ thể

Cường độ từ trường

Gradient từ trường

Các yếu tố phụ thuộc của phương pháp :

Thể tích,tính chất hạt

Thường sử dụng các hạt là oxit sắt + 1 hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học (PVA,PCL…)

III.1.b. Các ứng dụng chẩn đoán bệnh

Phương pháp chụp cộng hưởng từ hạt nhân (NMRI) cho chẩn đoán lâm sàng

Dược liệu từ

II.2.b Một số ứng dụng trong tương lai

II.2.b Một số ứng dụng trong tương lai(tt)

ứng dụng nano từ lỏng trong y khoa

Bùi nhật nam 0619047

phân tách và chọn lọc tế bào:

 Các ứng dụng của hạt nanô từ được chia làm

hai loại: ứng dụng ngoài cơ thể và trong cơ thể

 Các ứng dụng trong cơ thể gồm: dẫn thuốc,

nung nóng cục bộ và tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ…

 ứng dụng ngoài cơ thể nhằm tách những tế bào

cần nghiên cứu ra khỏi các tế bào khác

phân tách và chọn lọc tế bào:

• Các hạt từ nano trước khi được sử dụng cần phải dược xử lý.

• Các hạt này được bao phủ có tính tương hợp sinh học như là dextran, polyvinyl alcohol (PVA),...

Hình:cấu trúc của một hạt nano từ có dạng bông hoa

đến hệ miễn dịch hay bị cơ thể đào thải…

• Không gây ảnh hưởng

phân tách và chọn lọc tế bào:

được chia làm hai giai đoạn:

• Quá trình phân tách

•

• đánh dấu thực thế sinh học cần nghiên cứu. tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường.

Hình: tập hợp tế bào cừu liên kết lại với nhau

được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài.

• Quá trình phân tách

 Các tế bào không được

Hình:Sơ đồ đơn giản về cơ phân tách tế bào

đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài  Hỗn hợp tế bào(hạt từ tính bao phủ bởi một lớp CHHBM) được trộn với nhau để quá trình đánh dấu và tế bào xảy ra.

 Từ trường ngoài tạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu.

LÀM GIÀU DNA CỦA SIÊU VI HERPES

 Herpes là một siêu vi gây bệnh ngoài da và bệnh đường sinh dục

Hinh: Quá trình kết hợp AND với nano từ thành „AND dây‟ phủ trên đế silic

 Sau phản ứng lai hóa, dùng một nam châm thương mại để cô đặc hạt nano từ tính có gắn cùng các DNA của siêu vi

 DNA và hạt nano được ổn định ở nhiệt độ 37 C trong 18 giờ

LÀM GIÀU DNA CỦA SIÊU VI HERPES

Hinh: Sự phụ thuộc của nồng độ DNA vào thể tích của dung dịch ban đầu trước khi và sau khi làm giàu DNA.

 có thể sử dụng để xác định sự có mặt của nhiều loại siêu vi khác như siêu vi cúm gia cầm

Hình: Quy trình tiếp hợp hạt nano được chức năng hóa với DNA của siêu vi Herpes. (A): hoạt hóa DNA bằng EDC.(B): hoạt hóa DNA bằmg MIA do EDC không ổn định trong nước.(C): tiếp hợp hạt nano từ tính phủ amino với DNA

 Đo nồng độ của DNA sau khi được làm giàu và tách khỏi hạt nano bằng vi cảm biến độ dẫn  .Kết hợp từ trường và vi cảm biến độ dẫn có thể xác định được DNA có nồng độ thấp

ĐẾM TẾ BÀO BẠCH CẦU CD4+ T

• được hạt nano từ bọc bởi hai loại kháng thể đơn dòng antiCD4: một loại thường (antiCD4-NP) và một loại phát huỳnh quang (*antiCD4-NP) • Dưới chế độ huỳnh quang thì chỉ nhìn thấy tế bào bạch cầu CD4+ T mà không nhìn thấy các tế bào hồng cầu và bạch cầu dạng khác

Hinh Quy trình tiếp hợp hạt nano được chức năng hóa với kháng thể antiCD4. Phản ứng (A) Hạt nano từ tính được chức năng hóa EDC. Phản ứng (B)Tiếp hợp kháng thể antiCD4 với hạt nano từ tính được bao phủ bởi EDC.

• cường độ phát huỳnh

quang của tế bào bạch cầu CD4+ T mạnh hơn cường độ huỳnh quang của tế bào được tiếp hợp với kháng thể huỳnh quang mà không có hạt nano

•

Ngoài ra việc đếm tế bào cũng dễ dàng hơn do không bị lẫn với các tế bào khác loại và có nhiều tế bào trên một đơn vị diện tích nên thống kê chính xác hơn

Hinh Ảnh chụp các tế bào trong máu từ kính hiển vi dưới ánh sáng thường (A, C) và dưới chế độ phát huỳnh quang (B, D) của tế bào không được bao bọc bởi hạt nano từ tính (A, B) và được bao bọc bởi hạt nano từ tính (C, D).

Ứng dụng của hạt từ nano trong bảo vệ môi trường

•Nano từ lỏng được ứng dụng để xử lý nước bị nhiễm bẩn •Để làm sạch nước bẩn có nhiều phương pháp vật lý , hóa học. Các phương pháp này thường phức tạp , tốn kém , mất nhiều thời gian , nhưng đôi khi hiệu quả không cao , không tách lọc triệt để các tạp chất trong nước bẩn. •Gần đây với việc chế tạo ra chất lỏng từ ferit ứng dụng để lắng đọng nước bẩn bằng cơ chế tĩnh điện và hấp phụ, có thể làm sạch nước triệt để ,nhanh chóng ,hiệu quả .

Ứng dụng của hạt từ nano trong bảo vệ môi trường  Nguyên tắc hoạt đông chung :( hấp phụ nhờ vào cơ chế tĩnh điện ) hạt nano khi ở trong môi trường dung dịch phù hợp sẽ có điện tích bề mặt. Với hạt từ , ở pH trung tính thì bề mặt của hạt sẽ mang điện tích âm. Điện tích âm sẽ hút các ion tạp chất ( mang điện tích dương lên bề mặt ) .

 Ví dụ một chất lỏng nano từ cụ thể CoOFe2O3 : để để khử những kim loại nặng trong nước bị nhiễm bẩn

Quá trinh xử lý nước bẩn bằng CoOFe2O3  Kim loại nặng:

- Kim loại có nguyên tử lượng cao. - Thường có độc tính đối với sự sống như As, Cd, Pb, Hg, Cr, Ni, Zn… ( kim loại nặng đều là những chất độc đối với cơ thể .Tác hại đến chức năng của nhiều cơ quan như thần kinh, tim mạch, tiêu hóa, sinh sản, nghiêm trọng hơn là ung thư bàng quang, gan , thận, ruột, làm rối loạn gen ... )

 Cơ chế :

- Hạt nano từ CoOFe2O3 được phủ bằng axit oleic để tăng hoạt tính bề mặt , tránh oxi hóa và kết tụ , sau đó hòa trộn vào cồn loãng ta thu được chất lỏng từ. - Ta lấy một lượng nhỏ chất lỏng từ pha vào nước bẩn , khuấy đều rồi dùng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện đặt dưới thùng nước để hút các hạt từ đã được tạp chất bám vào , rơi xuống

Quá trinh xử lý nước bẩn bằng CoOFe2O3

Hình 1 : Cơ chế hấp phụ kim loại nặng của các hạt CoOFe2O3

Quá trinh xử lý nước bẩn bằng CoOFe2O3

lắng đọng kim loại nặng và tạp chất trong nước triệt để hơn

 Nếu kết hợp phèn chua với chất lỏng từ thì sẽ làm

Hình 2 : Mô tả lắng đọng chất bẩn bằng hạt nano từ kết hợp với muối Al2(SO4)3

Quá trinh xử lý nước bẩn bằng CoOFe2O3

Hình 3 : So sánh khả năng lắng đọng chất bẩn khi không dùng chất lắng đọng (a), dùng phèn (b), phèn + hạt nano từ

(c)

Một ví dụ cụ thể khi xử lý nhiễm độc Asen

Chỉ với một lượng nhỏ 0,25 g/l với hạt nano Fe3O4; 0,5g/l với hạt ferit Ni; 0,75 g/l với hạt ferrit Co có thể làm giảm nồng độ Asen trong nước từ 0,1 mg/l xuống dưới tiêu chuẩn cho phép của nước uống là 0,01 mg/l sau một thời gian khuấy vài phút .

Hình 4 : Bảng kết quả của các mẫu nước được điều chế trong phòng thí nghiệm trước và sau khi xử lý ( KPF* : không phát hiện ).

Ưu điểm của phương pháp

khảo sát.

 Các hạt CoFe2O4 hấp phụ tất cả các kim loại nặng đã

CoFe2O4 rất tốt.

 Hiệu suất hấp phụ cao: 99,3% ÷ 100 %.  Sử dụng các hạt CoFe2O4 để khử các kim loại nặng trong nước bị nhiễm bẩn sẽ có hiệu suất rất cao với chi phí xử lý thấp .

 Khả năng hấp phụ các kim loại nặng của hạt

 Có thể áp dụng vào thực tế.  Hạt nano từ sau khi xử lý nước bẩn có thể được thu hồi để tái sử dụng ( tách nước sạch ra khỏi hạt nano từ bị bám tạp chất , sau đó rửa sạch , phơi khô và tái sử dụng ) .

Bồn chứa

nước

n ê l c ớ ư n

Bộ phận lọc 1

Hạt CoFe2O4

m ơ B

Bộ phận hấp phụ kim loại nặng của các hạt CoFe2O4

Nước cần xử lý

Bộ phận lọc 2

Thiết bị khử trùng

Hạt CoFe2O4 đã hấp phụ kim loại nặng

Nước sạch

Hình 5 : Mô hình xử lý nước bị nhiễm kim loại nặng.

Ứng dụng trong công nghệ - kĩ thuật : 1.Chế tạo transistor dùng vật liệu từ lỏng :

Các nhà nghiên cứu của trường Đại học California , Berkeley , Mỹ, vừa phát minh ra một biến thể transitor điện tử tiêu chuẩn, một transitor “nano lỏng” đầu tiên, cho phép họ có thể điều khiển được chuyển động của các iôn xuyên qua các kênh chứa nước có kích cỡ hạ vi.

Transistor dùng vật liệu từ lỏng Cơ chế :  Transitor giống như một cái van , sử dụng một điện áp để mở hoặc đóng một kênh ion . Các transistor nano lỏng cũng sẽ trở thành bộ phận quan trọng của các bộ xử lý phân tử, cho phép chất hóa học cực nhỏ gắn trên một con chíp hoạt động được mà không cần đến những bộ phận chuyển động.

 Nếu các ion là các protein, chúng sẽ bị đưa qua lại xuyên qua các kênh được kẻ thành vạch bằng các kháng thể huỳnh quang để dò ra hoặc cảm nhận ra. Nếu các ion là các mảnh của ADN thì chúng sẽ được phân loại và được sắp xếp theo trình tự. Trên thực tế, bất cứ một cảm ứng phân tử sinh học cực nhạy nào thấp xuống mức độ của một phân tử đơn cũng có thể được thực hiện bằng các transitor nano lỏng

Transistor dùng vật liệu từ lỏng

 có thể kết hợp transistor với một con chip điện tử để điều khiển các dòng chất lỏng . Các kênh nano lỏng sẽ được tích hợp với linh kiện điện tử trên một con chíp silic đơn, với các linh kiện điện tử điều khiển hoạt động của các dòng nano lỏng

2.Một số ứng dụng khác của nano từ lỏng trong khoa học – kĩ thuật

 Với những ưu điểm của nano từ lỏng như : kích thước hạt nhỏ , độ nhớt cao , vừa là chất lỏng vừa có từ tính …Nano từ lỏng được ứng dụng : bịt kín các trục máy , bít các chỗ ống nối , làm chất bôi trơn ( chất lỏng từ bôi trơn các thiết bị ,bộ phận chuyển động tuần hoàn ) , phanh từ ( giảm tốc , giảm chấn ) , dùng trong bộ biến đổi cơ điện , dùng trong công tắc điện , dùng trong máy in ( thu hồi mực dư )

Một số ứng dụng khác của nano từ lỏng trong khoa học – kĩ thuật a) Nano từ lỏng dùng để bịt kín các trục máy :

a) Hệ thống MFS: 1. Nam châm, 2.Các cực từ dẫn truyền đường sức từ, 3. Chất lỏng từ ở kẽ hở giữa cực cố dịnh và truc chuyển động (b) Giọt chất lỏng nút kẽ hở: 4.Phía áp suất cao, 1. Phía áp suất thấp

Một số ứng dụng khác của nano từ lỏng trong khoa học – kĩ thuật b) Nano từ lỏng bít các chỗ ống nối :

1- 5. Các bộ phận ống nối , 2, 4. Các chỗ nối bằng mặt bic (các tấm đậy phẳng), 3. Nam châm, 6. Chất lỏng từ, 7,9. Mạch từ, 8. Chất lỏng bảo vệ

Một số ứng dụng khác của nano từ lỏng trong khoa học – kĩ thuật c) Nano từ lỏng ứng dụng bôi trơn :

1. Các đĩa nối với trục chuyển động 2, 3. Nam châm vĩnh cửu, 4. Chất bôi trơn.

Một số ứng dụng khác của nano từ lỏng trong khoa học – kĩ thuật

d) Ứng dụng nano từ dùng làm “phanh từ ” :

1.Môtơ, 2. khuôn bao không từ, 3. Chất lỏng từ, 4. Ụ nổi di động

bằng nam châm vĩnh cửu

Một số ứng dụng khác của nano từ lỏng trong khoa học – kĩ thuật

e) Nano từ lỏng trong bộ biến đổi cơ điện:

(a). Trạng thái ban đầu, (b). Cung cấp năng lượng vào nam châm điện, 1. Vỏ dàn hồi được, 2. Nam châm điện, 3. Chất lỏng từ, 4. Chốt cố định, 5. Chốt di động.