CÔNG NGHỆ NANO TRONG Y – SINH HỌC

Chia sẻ: Ôn Gia Bi | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:21

Thêm vào BST

Báo xấu

600
lượt xem 137
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong đó, y dược là thị trường lớn nhất tiêu thụ vật liệu nano. Vật liệu nano có khả năng ứng dụng cao trong y – sinh học vì kích thước của chúng so sánh được với kích thước của tế bào (10-100 nm), virus (20-450 nm), protein (5-50 nm), gen (2 nm rộng và 10-100 nm chiều dài). Với kích thước nhỏ bé, cộng với việc “ngụy trang” giống như các thực thể sinh học khác và có thể thâm nhập vào các tế bào hoặc virus thì vật liệu nano được ứng dụng cụ thể trong y – sinh học ra sao, chúng ta...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: CÔNG NGHỆ NANO TRONG Y – SINH HỌC

CÔNG NGHỆ NANO TRONG Y – SINH HỌC Công nghệ nano có ứng dụng rất lớn trong nhiều lĩnh vực c ủa đời s ống. Các vật liệu nano được sử dụng và nghiên cứu phát triển để t ận d ụng t ối đa ưu th ế và ích lợi nhiều mặt của nó, kể đến như: - Y dược : Hạt nano - Hóa chất và vật liệu cao cấp : Ống nano - Công nghệ thông tin, viễn thông : Vật liệu xốp nano - Năng lượng : Lồng nano - Tự động hóa : Chấm lượng tử - Hàng không vũ trụ : Vật liệu cấu trúc nano - Dệt : Sợi nano - Nông nghiệp : Hạt chứa hạt nano (capsule) Trong đó, y dược là thị trường lớn nhất tiêu thụ vật liệu nano. V ật li ệu nano có khả năng ứng dụng cao trong y – sinh học vì kích thước của chúng so sánh được với kích thước của tế bào (10-100 nm), virus (20-450 nm), protein (5-50 nm), gen (2 nm rộng và 10-100 nm chiều dài). Với kích thước nh ỏ bé, c ộng v ới việc “ngụy trang” giống như các thực thể sinh học khác và có th ể thâm nh ập vào các tế bào hoặc virus thì vật liệu nano được ứng dụng cụ th ể trong y – sinh học ra sao, chúng ta cùng tìm hiểu về một vài ứng dụng đang đ ược phát tri ển và nghiên cứu sôi nổi. A. Các ứng dụng tiêu biểu 1. Phân tách, chọn lọc tế bào Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tách một loại th ực th ể sinh học nào đó ra khỏi môi trường của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho các mục đích khác. Phân tách tế bào sử dụng các h ạt nanô từ tính là một trong những phương pháp thường được sử dụng.
Các hạt nano từ tính dùng trong y – sinh học th ường có dạng ch ất l ỏng t ừ, còn gọi là nước từ, gồm 3 phần: hạt nano từ tính, chất hoạt hóa bề mặt và dung môi. Trong đó hạt nano từ tính là thành phần duy nhất quyết định tính chất từ của chất lỏng từ. Các chất hoạt hóa bề mặt làm hạt nano phân tán trong dung môi, tránh kết tụ và có tác dụng che phủ hạt nano kh ỏi sự phát hiện của hệ thống bảo vệ cơ thể, tạo các liên kết hóa học với các phân tử khác như nhóm chức amino, biotin, steptavidin, carbonxyl, thiol, silica hoặc các bề mặt có điện tích âm hoặc dương. Ưu điểm của hạt nano từ tính: + Kích thước : 1-100nm + Bề mặt: có khả năng tương thích với các thực thể sinh học + Tính chất vật lý: có thể thao tác bằng từ trường (điều khiển bằng từ trường ngoài) Quá trình phân tách được chia làm hai giai đoạn: * Đánh dấu thực thế sinh học cần nghiên cứu * Tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường. 1. Việc đánh dấu được thực hiện thông qua các hạt nanô từ tính. Hạt nanô thường dùng là hạt ô-xít sắt. Các hạt này được bao phủ b ởi m ột lo ại hóa chất (chất hoạt hóa) có tính tương hợp sinh học như là dextran, polyvinyl alcohol (PVA),... sẽ có tính chất tương tự các phân tử trong h ệ mi ễn d ịch, có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung th ư, vi khu ẩn. Ngoài ra, các hóa chất này còn giúp cho các hạt nanô phân tán t ốt trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ. Đây là cách rất hiệu quả và chính xác để đánh dấu tế bào. 2. Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài. Từ trường ngoài tạo một lực hút đối với các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu. Các tế bào không được đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài.
Lực tác động lên hạt từ tính được cho bởi phương trình sau: F = 6πηR mΔυ Trong đó η là độ nhớt của môi trường xung quanh tế bào (nước), R m là bán kính của hạt từ tính, Δυ là sự khác biệt về vận tốc giữa tế bào và nước. Để từ trường bên ngoài có thể giữ được hạt nanô từ tính đang chảy trong nước thì phải có sự cân bằng giữa lực thủy động và lực do từ trường tạo ra. Tách tế bào bằng từ trường đã được ứng dụng thành công trong y – sinh học. Đây là một trong những phương pháp rất nhạy để có thể phân tách tế bào ung thư từ máu, đặc biệt là khi nồng độ tế bào ung th ư rất th ấp, khó có thể tìm thấy bằng các phương pháp khác. Người ta có thể phát hiện kí sinh trung sốt rét trong máu bằng cách đo từ tính của kí sinh trùng đánh dấu. Với nguyên tắt tương tự như phân tách tế bào, hạt nanô từ tính được dùng để phân tách DNA. Tách ADN của siêu vi Herpes bằng hạt nano từ tính Hạt nano từ tính chức năng hóa amino còn được sử dụng để tách ADN của siêu vi Herpes gây bệnh ngoài da và bệnh đường sinh dục. Bằng cách chức năng hóa amino hạt nano ô-xít sắt để gắn kết với một đoạn ADN dò đặc trưng cho siêu vi Herpes, ADN đích trong bệnh ph ẩm c ần xét nghi ệm s ẽ gắn kết với hạt nano có ADN dò được phân tách bằng một nam châm. Nồng độ của ADN sau phân tách tăng hàng trăm lần so với ban đầu. Kết hợp với một cảm biến điện hóa đơn giản, độ nhạy vừa phải, quy trình làm giàu ADN giúp nồng độ ADN đạt đến mức mà cảm biến có th ể phát hi ện ra. Quy trình phân tách này và cảm biến có thể xác định nhanh siêu vi này ở vùng sâu, vùng xa, những nơi còn chưa có các thiết bị y tế chính xác. Đây là m ột ph ương pháp có thể sử dụng để mở rộng để xác định sự có mặt của nhiều loại siêu vi khác như siêu vi cúm gia cầm. 2. Dẫn truyền thuốc
Một trong những nhược điểm quan trọng nhất của hóa trị liệu đó là tính không đặc hiệu. Khi vào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố không tập trung nên các tế bào mạnh khỏe bị ảnh hưởng do tác dụng phụ của thuốc. Chính vì thế việc dùng các hạt nano như là hạt mang thuốc đ ến v ị trí c ần thiết trên cơ thể (thông thường dùng điều trị các khối u ung th ư) đã đ ược nghiên cứu từ những năm 1970, những ứng dụng này được gọi là dẫn truy ền thuốc bằng công nghệ nano. Cơ chế chung: Hạt nano có tính tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị. Lúc này hạt nano có tác dụng nh ư một h ạt mang (h ạt t ải). Thông thường hệ thuốc/hạt tạo ra một chất lỏng và đi vào cơ th ể thông qua hệ tuần hoàn. Và khi các hạt tải được tập trung một cách chính xác t ại vùng cần điều trị thì quá trình nhả thuốc có th ể diễn ra thông qua c ơ ch ế ho ạt động của các enzym hoặc các tính chất sinh lý h ọc do các t ế bào ung th ư, các khối u gây ra như độ pH, quá trình khuyếch tán hoặc sự thay đổi của nhi ệt độ. Có hai ưu điểm cơ bản là: + Thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ th ể nên làm gi ảm tác dụng phụ của thuốc. + Giảm lượng thuốc điều trị. Phân loại hạt nano dẫn truyền thuốc vào tế bào: Hạt nano từ tính sử dụng Gradient: hạt oxit sắt, hạt nano vàng. - Hạt nano sử dụng liên kết hóa học: liposome, polymer. - a. Hạt nano từ tính sử dụng gardient điều khiển đến vùng cần điều trị: Hệ thuốc/hạt từ tính khi đi vào mạch máu sẽ được một gradient từ trường ngoài rất mạnh tập trung vào một vị trí nào đó cần thiết trên cơ thể. Sau đó hạt tải sẽ tiến hành nhả thuốc. Các hạt nano từ tính thường dùng là ô-xít sắt bao ph ủ xung quanh bởi m ột hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học như PVA, detran hoặc
silica. Chất bao phủ có tác dụng chức năng hóa bề mặt đ ể có th ể liên k ết với các phân tử khác như nhóm chức carboxyl, biotin,... b. Hạt nano sử dụng liên kết hóa học để đưa thuốc tới vùng điều trị: Hạt tải thuốc nano được kết hợp với phân tử thuốc ở vỏ hoặc được ch ứa bên trong hạt. * Liposome: là một loại hạt có vỏ kép được thiết kế có tính thân nước (hydrophilic) ở bề mặt trong và ngoài để có thể di chuyển trong môi trường sinh học và chứa phân tử thuốc trong trạng thái dung dịch nước.
Bề mặt vỏ liposome được thiết kế với thành phần hóa học thích hợp sao cho hạt biết tránh các tế bào khoẻ mạnh và chỉ có th ể tác dụng với t ế bào ung thư và nhả thuốc khi gặp một môi trường có một nhiệt độ hay pH nhất định. Liposome trong trị liệu gen: thực chất là phức hợp cationic liposome (liposome cấu tạo bởi các phân tử phospholipid mang đi ện d ương) có kh ả năng nén nhỏ các phân tử ADN hoặc plasmit cồng kềnh và v ận chuy ển vào trong nhân tế bào. Khả năng ứng dụng liposome như chất thay thế hồng cầu nhằm vận chuyển oxy có rất nhiều triển vọng. * Polymer cũng là vật tải thuốc có chức năng tương tự nhưng với một cấu trúc đơn giản hơn. Vật liệu polymer thường được dùng là polymer sinh học chitosan (chế biến từ vỏ tôm) hay polymer tổng hợp.
Các polymer kết tập thành các mixen (micelle) có tính tương thích sinh học (bio-compatible) và phân hủy sinh học (bio-degradable). Gần đây, tương tự như hạt liposome, mixen polymer được thiết kế có độ nhạy đối với pH của môi trường xung quanh. Độ nhạy pH của polymer được thiết kế để khi gặp môi trường của khối u ung thư polymer bị phân giải và nhả thuốc chống ung thư ở một tốc độ tối ưu định sẵn. 3. Tăng nhiệt (gây sốt) cục bộ Phương pháp tăng thân nhiệt (gây sốt) cục b ộ là một quá trình điều trị sử dụng các hạt nano từ tính để tăng nhiệt độ của một vùng cơ thể có kh ối u ác tính hoặc các u khác. Đây cũng là một phương pháp điều trị ung thư. Cơ chế: Trước tiên, các hạt nano từ tính có kích thước từ 20-100 nm được phân tán trong các mô mong muốn. Sau đó tác dụng một t ừ tr ường xoay chiều bên ngoài đủ lớn về cường độ và tần số để làm cho các hạt nano hưởng ứng mà tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh. Nhiệt độ khoảng 42°C trong khoảng 30 phút có thể đủ để giết chết các tế bào ung thư. Khó khăn chủ yếu đó là việc dẫn truyền lượng hạt nano phù hợp để tạo ra đủ nhiệt lượng khi có sự có mặt của từ trường ngoài mạnh trong ph ạm vi điều trị cho phép. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nung nóng cục bộ là lưu lượng máu và phân bố của các mô. Thực nghiệm và tính toán cho biết tỉ số phát nhiệt vào khoảng 100 mW/cm3 là đủ trong hầu hết các trường hợp thực nghiệm. Tần số và biên độ của từ trường thường dùng dao động trong kho ảng f =
0,05-1,2 MHz, H < 0,02 T. Mật độ hạt nano cần thiết vào kho ảng 5-10 mg/cm3. Phần lớn các thí nghiệm được tiến hành với hạt siêu thuận t ừ. V ới h ạt siêu thuận từ, khi áp dụng một từ trường xoay chiều thì hạt s ẽ h ưởng ứng dưới tác dụng của từ trường đó. Sự hưởng ứng được thể hiện bằng chuy ển động quay vật lý và quay mô men từ của h ạt. L ượng nhi ệt thoát ra đ ược cho bởi phương trình sau: P = m 0 π f c H2 Trong đó m0 là từ thẩm của môi trường, f là tần số từ trường xoay chi ều, c là thành phần lệch pha của độ cảm từ phức (độ hấp th ụ), H là c ường độ t ừ trường. Ưu điểm là cho phép chỉ làm nóng trực tiếp khối u. Để tăng hiệu qu ả c ủa phương pháp này, người ta còn thường sử dụng các hạt nano từ đơn domen (kích thước nano mét) mà tránh sử dụng các hạt nano hấp th ụ nhi ều năng lượng trong từ trường xoay chiều. Nhiệt năng phụ thuộc rất nhiều vào kích thước và hình dạng của hạt. Do đó việc lựa chọn các phương pháp chế tạo phù hợp sẽ tăng cường hiệu quả của phương pháp này. Để thực hiện phương pháp gây sốt cục bộ an toàn (không bị quá nhiệt), có thể sử dụng các vật liệu vô định hình (hợp kim của Fe, P, C, và Ge có đi ện trở lớn) có nhiệt độ Curie thấp. Khi nhiệt độ vượt quá nhiệt độ Curie, từ tính sẽ biến mất, sự gia nhiệt dưới tác dụng của từ trường sẽ giảm và nhiệt độ luôn ổn định xung quanh giá trị nhiệt độ Curie. Ngày nay người ta còn dung các dung dịch vi khuẩn từ tính nồng độ cao để thay thế các hạt nano từ tính trong việc điều trị các kh ối u ác tính bằng phương pháp gây sốt cục bộ. Trong trường hợp này, các vi khuẩn từ tính
cũng được làm khu trú xung quanh khối u ác tính nhờ tác dụng của gradient từ trường. Tiếp đó, dưới tác dụng của một từ trường xoay chiều, các vi khuẩn từ tính (và cả khối u) được làm nóng lên đến 40 o C để làm chết ác tế bào trong khối u. 4. Tạo ảnh sinh học Hạt nano (còn gọi là chấm lượng tử) của hợp chất bán dẫn hay kim loại chứa vài nguyên tử đến vài trăm nguyên tử, có đường kính vài nanomét đến vài trăm nanomét. Khi được kích hoạt bằng sóng có năng lượng cao như tia tử ngoại hay ánh sáng xanh, hạt nano phát huỳnh quang cho nhiều màu sắc khác nhau tùy vào kích cỡ của hạt theo qui luật lượng tử. Đặc tính phát quang của hạt nano đã được tận dụng một cách linh hoạt trong việc tạo ảnh, th ắp sáng các tế bào trong nhiều ứng dụng y sinh học. Bảng 1 : Bước sóng và năng lượng sóng Bước sóng (nm) Năng lượng sóng (eV) Ánh sáng Tia tử ngoại ngắn hơn 380 lớn hơn 3,3 Tím 380 3,3 Xanh 450 2,8 Xanh lục 530 2,3 Vàng 580 2,1 Đỏ 720 1,7 Tia hồng ngoại dài hơn 720 nhỏ hơn 1,7 Việc nối kết các phân tử có khả năng phát huỳnh quang (fluorophore) như fluorescein (phát màu xanh lục) hay rhodamine (phát màu đỏ) vào các tế bào để định vị và quan sát sự phân bố trong những thí nghiệm sinh học đã được thực hiện từ nhiều năm nay. Tuy nhiên, các phân tử huỳnh quang này có cường độ phát quang yếu và bị lu mờ sau vài phút hoạt động. Hạt nano giải
quyết được những vướng mắc này. Trong cùng một điều kiện kích hoạt, hạt nano tỏa sáng gấp 20 lần phân tử huỳnh quang và giữ độ sáng liên tục không bị lu mờ theo thời gian. Hạt nano của của một số hợp chất bán dẫn chẳng hạn như CdS (cadmium sulfide), CdSe (cadmium selenide) có đặc tính phát huỳnh quang. Hạt nano CdSe đã được công ty Invitrogen tung ra thị trường dưới thương hiệu Qdot. Tuy nhiên, cadmium mang độc tính không thích h ợp cho vi ệc ứng d ụng trong cơ thể. Để khắc phục khuyết điểm này, một lớp ZnS (sulfide k ẽm) được phủ lên bề mặt CdSe ngăn chận sự rò rỉ của cadmium. Sau đó, các loại nhóm biên hóa học (functional group), phân tử sinh học, kháng thể, protein, đ ược kết hợp trên bề mặt hạt cho từng ứng dụng khác nhau. Dựa trên nguyên tắc phát quang theo qui luật lượng tử, hạt nano được chế tạo với nhiều kích cỡ và bề mặt được cải biến với kháng thể hay phân tử sinh học. Hạt sẽ kết hợp với các loại tế bào khác nhau và dưới kính hiển vi các tế bào sẽ rực sáng như bầu trời đầy sao hay như cây thông Christmas với muôn màu sắc. Hình 1: Hạt nano Qdot bám vào tế bào và phát quang khi được kích hoạt bởi ánh sáng xanh cho thấy sự phân bố của tế bào. Mặc dù liposome là vật tải nano phổ cập cho việc trị liệu ung thư, các nhà khoa học vẫn không ngừng hoàn thiện cấu trúc liposome. Một trong nh ững cải biến gần đây mang tính đột phá là việc kết hợp phân tử sinh học và hạt nano phát quang vào bề mặt liposome, cho ra một loại vật liệu phức h ợp
nano đa năng. Phân tử sinh học có chức năng bám vào tế bào ung thư nhưng không tác dụng với tế bào khoẻ mạnh bình thường. V ật liệu ph ức h ợp nano này vừa có thể phát quang tạo ảnh, vừa tìm và kết n ối v ới t ế bào ung th ư và nhả thuốc tấn công mục tiêu. Việc phát quang tạo ảnh giúp người quan sát nhìn thấy tế bào ở vùng sâu trong cơ thể và ước lượng được mật độ k ết tập và phân bố của liposome tại một "địa chỉ" nào đó. Hình 2: Phân tử sinh học (□) và hạt nano phát quang (O) được kết hợp trên bề mặt liposome. Thật là thú vị khi trong một không gian cực nhỏ của h ạt tải thuốc liposome, với những phương pháp tổng hợp hóa học các nhà khoa h ọc đã c ải biến bề mặt hạt liposome để tạo nên hệ thống hoàn chỉnh giống nh ư m ột chiếc tàu chiến tí hon đi theo dòng chảy của hệ thống tuần hoàn vừa có đèn pha định vị, vừa có "radar" tìm mục tiêu và pháo để tiêu di ệt đ ối ph ương! Và tất cả đã được thực hiện trong một không gian có đường kính chỉ trên dưới 100 nm. Cùng một phương pháp cải biến bề mặt tương tự, ống than nano đã đ ược sử dụng thay cho liposome. Ống than nano có đường kính từ vài nanomét đ ến vài chục nanomét. Một bài báo cáo gần đây mô tả cách ch ế tạo và ch ức năng của ống than nano/hạt nano phát quang CdSe trong đó bề mặt ống được xử lý
với polymer để hạt nano CdSe được nối kết dễ dàng. Thuốc ch ống ung th ư được chứa bên trong ống nano. Vật liệu phức hợp nano này được tiêm vào chuột và khi kích hoạt bằng ánh sáng xanh, hạt nano trên bề mặt ống than lập loè ánh sáng đỏ. Nhờ sự phát quang người ta quan sát được sự kết t ập của vật liệu phức tạp nano này nhiều nhất ở tế bào gan, thận, ruột, dạ dày của chuột thí nghiệm. So với liposome là hạt t ải thu ốc thông d ụng hi ện nay, ống than nanao có tiềm năng tải thuốc và nhả thuốc khá hiệu quả nh ờ hiệu ứng xuyên thủng màng tế bào như cây kim. Như đề cập ở phần kế tiếp, việc xuyên thủng có thể đưa đến hệ quả phát viêm tế bào và là một đề tài c ần nghiên cứu triệt để trước khi đưa vào ứng dụng. Hình 3: Ống than nano kết hợp với hạt nano phát quang trên phần vỏ và chứa thuốc chống ung thư trong phần ruột. Trong phẩu thuật thẩm mỹ 5. Trong phẩu thuật thẩm mĩ đang hình thành ngành Cosmetic Nano Surgery (tạm dịch Nano phẫu thuật thẩm mỹ). Hạt nano bạch kim :
Đặc điểm: Bạch kim là kim loai quý hiếm, không độc, không mùi và an toàn, có thể dùng theo đường ăn uống. Ứng dụng và cơ chế của ứng dụng Nhờ có kích thước cực nhỏ chỉ bằng 1/2000 lỗ nang lông, hạt Nano - bạch kim có thể đi vào các lớp da từ nông đến sâu dễ dàng và mang theo các thành phần điều trị thấm trọn vẹn. Nhờ vào hiệu ứng bề mặt mà hạt Nano bạch kim có thể mang các - thành phần hoạt tính điều trị đến các tế bào đích điều trị. Nano bạch kim có chức năng làm tăng sức sống của tế bào rất mạnh - nhờ đó chống lão hóa mạnh. Nano bạch kim làm chất xúc tác mạnh cho các ph ản ứng trong chuy ển - hóa của tế bào, làm tăng chuyển hóa tế bào da, tái tạo collagen cho da làm trẻ hóa da. Nhờ đặc tính giải phóng điện tử: - + Nano bạch kim khử được những tác động của gốc tự do trên da gây lão hóa. Bình thường các phân tử của cơ thể ở trạng thái cân bằng.Trong quá trình trao đổi chất, do tác nhân bên trong hoặc bên ngoài (môi tr ường, tia tử ngoại..) nên có một số nguyên tử mất electron. Những nguyên tử này chiếm các electron từ những nguyên tử lành lặn khác. Nguyên tử đi chi ếm electron gọi là “gốc tự do”. Khi chiếm electron, các gốc tự do s ẽ gây ra một loạt gốc tự do mới, làm cho các tế bào bị h ư h ại hoặc bi ến ch ất, d ần dần sẽ dẫn tới lão hóa, bệnh tật và thậm chí ung thư. + Chống vi trùng mạnh: Khi giải phóng điện tử, các electron này d ễ chuyển động, bám vào các gốc hoá học, phá vỡ các mối liên kết, t ạo ra
các phản ứng oxy hoá khử… ngăn chặn quá trình sinh trưởng của vi khuẩn. - Nano bạch kim có tác dụng giữ ẩm cho da. Máy NanoBu: Máy bắn một sợi bạch kim thành những hạt nano Bạch kim bằng một dòng điện cực mạnh. Các hạt nano bạch kim được đ ưa vào da cùng với các sản phẩm điều trị hoặc tế bào gốc để sữa chữa hư hại do lão hóa, sẹo mụn, tình trạng da nhạy cảm. Ngoài ra : Các loại kem bôi da chứa hạt nano giúp thay đổi màu da hay ngăn ch ặn - tia tử ngoại dễ gây ung thư da. (căng da, xóa nếp nhăn, đổi màu tóc...). - Ngành công nghệ mới có tên Nano-bio (tạm dịch là Sinh học nano) đang hình thành, sẽ tạo ra những vật liệu mới tạo mô xương, các bộ phận thay thế y sinh học dùng cho con người như da, băng thông minh... 6. Các vật liệu nano có nhiều ứng dụng a. Hạt nano vàng Giới thiệu chung Mối quan tâm của các nhà khoa học về nguyên tố không biến đổi và không bị ôxy hoá này đã xuất hiện từ rất lâu: ngành y học cổ truy ền Ai Cập, Trung Hoa hay Ấn Độ đã sử dụng kim loại này để xử lý vết loét trên da hay một số bệnh viêm nhiễm khác. Nhưng ngày nay, nhờ vào tiến bộ trong lĩnh vực khoa học Nano, người ta có thể xác định thêm nhi ều đ ặc tính thú vị khác của kim loại này. Đặc tính của nano vàng
- Các hạt nano vàng là ổn định về cấu trúc, không độc, có khả năng tương hợp sinh học cao và nhất là chúng dễ dàng hoạt hoá đ ể g ắn k ết với các phân tử sinh học như amino acid, protein, enzyme, ADN và các phân tử thuốc. - Hạt nano vàng co thể phát huỳnh quang là một thay thế tuyệt vời cho hạt nano phát quang của hợp chất cadmium vì vàng không có độc tính. - Hạt nano vàng có kích thước từ 10 đến vài trăm nanomét, sự phát huỳnh quang nhường chỗ cho sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng. Hiện tượng đặc biệt này là do hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (surface plasmon resonance, SPR) chỉ xảy ra trong kim loại quí như vàng, bạc nhưng không thấy ở các kim loại thường như sắt, nhôm. - Vàng có màu vàng quen thuộc khi ở thể khối, nhưng khi ở cấp nanomét, SPR gây ra sự hấp thụ sóng ở một bước sóng nhất định nào đó, tán xạ và hiển thị sóng ở các bước sóng còn lại. Vì vậy, hạt nano vàng không là màu vàng nữa mà hiển thị màu xanh, xanh lục, đỏ, tím, tuỳ vào kích cỡ của hạt. Ứng dụng của nano vàng trong y học * Chữa ung thư: Hiện nay trên thế giới, hạt nano vàng được sử dụng điều trị ung th ư có 3 phương pháp: PP1: Đối với các tế bào ung thư nằm sát ngoài cơ thể, người ta đưa h ạt nano vào đường máu sau đó nó sẽ tự động gắn kết với tế bào ung th ư, chiếu ánh sáng laser để hạt nano hấp thụ ánh sáng này. Năng lượng h ấp thụ lớn làm hạt nano vàng bị nóng chảy, làm nóng môi trường xung quanh, tiêu diệt tế bào ung thư. Phương pháp này ch ỉ tiêu di ệt các t ế bào ung th ư
một cách chính xác không ảnh hưởng cũng như tiêu diệt các tế bào bình thường PP2: Đối với các tế bào ung thư nằm sâu bên trong cơ thể khó chiếu laser bức xạ. Các nhà khoa học đã chỉ ra được rằng một lượng nhỏ phân tử nano vàng có thể hoạt hóa hoặc ức chế có chọn lọc những gen chi ph ối việc hình thành mạch máu trên khối u. Từ đó kiểm soát quá trình cung c ấp oxy và dinh dưỡng cho hầu hết các tế bào ung thư. Bên cạnh đó, có thể kết hợp nano vàng với một chất hóa học mang nó vào bên trong hạt nhân của tế bào ung thư và làm cho tế bào ung thư ngừng phân chia. PP3: Kết hợp thuốc chữa ung thư với nano vàng Nano vàng giúp truyền dẫn thuốc tới đúng nơi có chưa các t ế bào ung th ư ẩn nấu và tiêu diệt tế bào ung thư. Để đưa những chất này vào đúng vị trí, các nhà khoa học đã tạo ra những viên nhộng rất nhỏ với kích thước vài nanomet. Vỏ ngoài viên nhộng được cấu tạo bởi nhiều lớp polyme rất mỏng đặt lên nhau, cho phép chúng vượt qua dễ dàng l ớp màng bên ngoài màng tế bào. Trên bề mặt viên nhộng là những phân tử Nano được s ử dụng từ những nguyên tử vàng và bạc. Khi đã hấp thụ vào những tế bào trong khối u, viên nhộng sẽ di chuyển bằng tia hồng ngo ại. S ức nóng này
sẽ đẩy những phân tử vàng và bạc di chuyển khiến viên nhộng vỡ ra và phá vỡ kết cấu những tế bào ác tính. b. Hạt nano bạc Giới thiệu chung - Hạt nano bạc có khả năng kháng khuẩn tốt hơn so với các v ật li ệu kh ối do khả năng giải phóng nhiều ion Ag+ hơn. Có tính khử khuẩn, chống nấm, khử mùi. - Các hạt nano bạc có hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt. Hiện tượng này tạo nên màu sắc từ vàng nhạt đến đen cho các dung d ịch có chứa hạt nano bạc với các màu sắc phụ thuộc vào nồng đ ộ và kích th ước hạt nano. - Độ bền hóa học cao, không có hại cho sức khỏe con người với liều lượng tương đối cao. Đặc tính và cơ chế kháng khuẩn của bạc - Bạc và các hợp chất của bạc thể hiện tính độc đối với vi khuẩn, virus, tảo và nấm. Tuy nhiên, khác với các kim loại nặng khác (chì, th ủy ngân…) bạc không thể hiện tính độc với con người. - Các đặc tính kháng khuẩn của bạc bắt nguồn từ tính chất hóa h ọc của các ion Ag+. Sau khi Ag+ tác động lên lớp màng bảo vệ của tế bào vi khuẩn gây bệnh nó sẽ đi vào bên trong tế bào và phản ứng với nhóm sunfuahydrin – SH của phân tử enzym chuyển hóa oxy và vô hiệu hóa men này dẫn đến ức chế quá trình hô hấp của tế bào vi khuẩn. - Cơ chế hoạt động của Nano bạcsẽ tiêu diệt 99,9% khuẩn Staphylococci và Escherichia Coli (E. Coli) gây nên bệnh ung thư và tiêu chảy kiết lị.
Ứng dụng của nano bạc trong y học 1. Khẩu trang nano bạc: Được thiết kế với 3-4 lớp gồm 2 lớp vải, một lớp v ật li ệu t ẩm nano b ạc và than hoạt tính ở giữa. Lớp vải tẩm nano bạc có chức năng diệt vi khuẩn, virus, nấm bị giữ lại trên khẩu trang đồng thời có tác dụng kh ử mùi. 2. Sản xuất thuốc chữa bệnh Thuốc kháng nấm, kháng khuẩn cho vi khuẩn kháng thuốc kháng sinh, ngăn ngừa nhiễm trùng, chữa lành vết thương và chống viêm.
3.Kem đánh răng 4.Màng hô hấp: Đó là một tấm màng mỏng có thể cho khí và hơi nước qua nh ưng không thể cho chất lỏng đi qua, có vô số những lỗ khí nh ỏ tồn t ại trong t ấm film. Các hạt nano bạc gần đây đã được kết hợp với film polyolefin v ới đặc tính kháng khuẩn rất tốt. c. Vật liệu lai nano Trong SPR, sự hấp thụ ánh sáng của hạt nano càng tiến về hướng ánh sáng đỏ (bước sóng dài) khi hạt càng to. Nhóm nghiên cứu tại Rice University (Mỹ) đã phủ vàng lên hạt nano silica (SiO2) tạo ra một loại hạt lai nano có thể hấp thụ tia hồng ngoại.
Bước sóng hấp thụ được điều chỉnh với độ chính xác rất cao qua sự tương quan giữa độ lớn của hạt nano silica và độ dày của lớp phủ vàng để cho vật liệu lai này có thể hấp thụ một vùng rộng lớn của tia hồng ngoại có bước sóng từ 800 đến 2.200 nm. Sử dụng các vật liệu lai nano để chữa bệnh ung thư: Nhóm nghiên cứu của giáo sư Hyeon tại đại học Seoul cải biến thêm bề mặt silica trong đó hạt nano siêu từ tính oxít sắt được kết hợp, sau đó phủ vàng tạo ra một bề mặt phức hợp, đa năng. (1) hạt nano silica trần; (2) được kết hợp với hạt oxit sắt và (3) được phủ bởi lớp nano vàng. Hạt nano silica có đường kính 100 nm, hạt oxít sắt 7 nm và b ề dày l ớp phủ vàng 15 nm. Bề mặt phức hợp này có hai tác dụng trên tế bào ung th ư: lớp phủ vàng hấp thụ tia hồng ngoại cho việc trị liệu nhiệt và hạt nano oxít sắt có công dụng gia tăng độ tương phản cho phương pháp tạo ảnh cộng hưởng từ MRI. d. Que nano