Công nghệ nano là việc sử dụng vật chất ở quy mô nguyên tử, phân tử và siêu phân tử cho các mục đích công nghiệp. Mô tả phổ biến sớm nhất về công nghệ nano đề cập đến mục tiêu công nghệ cụ thể là thao tác chính xác các nguyên tử và phân tử để chế tạo các sản phẩm có quy mô vĩ mô, ngày nay còn được gọi là công nghệ nano phân tử
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY ĐÔ KHOA DƯỢC – ĐIỀU DƯỠNG BÁO CÁO MƠN HĨA LÝ DƯỢC CƠNG NGHỆ NANO * GV hướng dẫn: NGUYỄN NGỌC LINH * Lớp: LTCĐ – ĐHD16B * Nhóm 4: Huỳnh Thị Kha Nguyễn Kim Duyên Nguyễn Thị Tường Vy Lê Trường An Nguyễn Ngọc Thảo Cần Thơ, tháng năm 2022 Cơng nghệ Nano gì? Cơng nghệ nano việc sử dụng vật chất quy mô nguyên tử, phân tử siêu phân tử cho mục đích cơng nghiệp Mơ tả phổ biến sớm công nghệ nano đề cập đến mục tiêu công nghệ cụ thể thao tác xác nguyên tử phân tử để chế tạo sản phẩm có quy mơ vĩ mơ, ngày cịn gọi cơng nghệ nano phân tử Sau đó, mơ tả khái quát công nghệ nano thiết lập Sáng kiến Công nghệ Nano Quốc gia, định nghĩa công nghệ nano điều khiển vật chất với kích thước có kích thước từ đến 100 nanomet Định nghĩa phản ánh thực tế hiệu ứng lượng tử quan trọng quy mô lĩnh vực lượng tử này, định nghĩa chuyển từ mục tiêu công nghệ cụ thể sang hạng mục nghiên cứu bao gồm tất loại nghiên cứu công nghệ xử lý tính chất đặc biệt vật chất ngưỡng kích thước cho Do đó, người ta thường xem dạng số nhiều "công nghệ nano" "cơng nghệ kích thước nano" để phạm vi rộng nghiên cứu ứng dụng có đặc điểm chung kích thước Cơng nghệ nano xác định theo kích thước rộng lớn cách tự nhiên, bao gồm lĩnh vực khoa học đa dạng khoa học bề mặt, hóa học hữu cơ, sinh học phân tử, vật lý bán dẫn, lưu trữ lượng, kỹ thuật, chế tạo vi mô, kỹ thuật phân tử Các nghiên cứu ứng dụng liên quan đa dạng nhau, từ mở rộng vật lý thiết bị thông thường đến cách tiếp cận hồn tồn dựa q trình tự lắp ráp phân tử, từ việc phát triển vật liệu với kích thước quy mơ nano đến điều khiển trực tiếp vật chất quy mô nguyên tử Các nhà khoa học tranh luận tác động công nghệ nano tương lai Công nghệ nano tạo nhiều vật liệu thiết bị với nhiều ứng dụng, chẳng hạn y học nano, điện tử nano, sản xuất vật liệu sinh học lượng sản phẩm tiêu dùng Mặt khác, công nghệ nano đặt nhiều vấn đề tương tự công nghệ nào, bao gồm lo ngại tính độc hại tác động môi trường vật liệu nano, tác động tiềm tàng chúng kinh tế tồn cầu, suy đốn kịch ngày tận khác Những lo ngại dẫn đến tranh luận nhóm vận động phủ việc liệu quy chế cơng nghệ nano có đảm bảo hay khơng Nguồn gốc Các khái niệm công nghệ nano lần thảo luận vào năm 1959 nhà vật lý tiếng Richard Feynman nói chuyện There's Plenty of Room at the Bottom, ông mô tả khả tổng hợp thông qua thao tác trực tiếp với nguyên tử Năm 1960, kỹ sư Ai Cập Mohamed Atalla kỹ sư Hàn Quốc Dawon Kahng Bell Labs chế tạo MOSFET (bóng bán dẫn hiệu ứng trường kim loạioxide-bán dẫn) với độ dày cổng oxide 100 nm, với chiều dài cổng 20 µm Năm 1962, Atalla Kahng bịa đặt nanolayer -base ngã ba kim loại bán dẫn (khớp nối M-S) transistor mà sử dụng màng mỏng vàng (Au) với độ dày 10 nm So sánh kích thước vật liệu nano Thuật ngữ "cơng nghệ nano" Norio Taniguchi sử dụng lần vào năm 1974, khơng biết đến rộng rãi Lấy cảm hứng từ khái niệm Feynman, K Eric Drexler sử dụng thuật ngữ "công nghệ nano" sách năm 1986 ông Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, đề xuất ý tưởng "nhà lắp ráp" kích thước nano tạo mục khác có độ phức tạp tùy ý với điều khiển nguyên tử Cũng năm 1986, Drexler đồng sáng lập Viện Foresight (mà ơng khơng cịn trực thuộc) để giúp nâng cao nhận thức hiểu biết cộng đồng khái niệm ý nghĩa công nghệ nano Sự xuất công nghệ nano lĩnh vực vào năm 1980 xảy thông qua hội tụ cơng trình lý thuyết công khai Drexler, phát triển phổ biến khung khái niệm cho công nghệ nano, tiến thực nghiệm có khả hiển thị cao thu hút ý quy mô rộng đến triển vọng điều khiển nguyên tử vấn đề Kể từ mức độ phổ biến tăng đột biến vào năm 1980, hầu hết công nghệ nano liên quan đến việc nghiên cứu số cách tiếp cận để chế tạo thiết bị khí từ số lượng nhỏ nguyên tử Trong năm 1980, hai bước đột phá lớn thúc đẩy phát triển công nghệ nano kỷ nguyên đại Đầu tiên, việc phát minh kính hiển vi quét đường hầm vào năm 1981, cung cấp hình ảnh chưa có nguyên tử liên kết riêng lẻ, sử dụng thành công để điều khiển nguyên tử riêng lẻ vào năm 1989 Các nhà phát triển kính hiển vi Gerd Binnig Heinrich Rohrer Phịng thí nghiệm Nghiên cứu Zurich IBM nhận giải Nobel Vật lý năm 1986 Binnig, Quate Gerber phát minh kính hiển vi lực nguyên tử tương tự vào năm Buckminsterfullerene C 60, gọi buckyball, thành viên tiêu biểu cấu trúc carbon gọi fullerenes Các thành viên gia đình fullerene đối tượng nghiên cứu cơng nghệ nano Thứ hai, fullerenes phát vào năm 1985 Harry Kroto, Richard Smalley Robert Curl, người đoạt giải Nobel Hóa học năm 1996 C60 ban đầu không mô tả công nghệ nano; thuật ngữ sử dụng liên quan đến công việc với ống graphene liên quan (được gọi ống nano carbon gọi ống Bucky), đề xuất ứng dụng tiềm cho thiết bị điện tử kích thước nano Việc phát ống nano carbon phần lớn Sumio Iijima NEC NEC vào năm 1991, mà Iijima giành giải thưởng Kavli mở đầu năm 2008 Khoa học nano Năm 1987, Bijan Davari dẫn đầu nhóm nghiên cứu IBM trình diễn MOSFET có độ dày oxide cổng 10 nm, sử dụng công nghệ cổng wolfram MOSFET đa cổng cho phép mở rộng quy mô độ dài cổng 20 nm, bắt đầu với FinFET (bóng bán dẫn hiệu ứng trường vây), MOSFET cổng đôi, không phẳng, ba chiều FinFET bắt nguồn từ nghiên cứu Digh Hisamoto Phịng thí nghiệm Nghiên cứu Trung tâm Hitachi vào năm 1989 Tại UC Berkeley, thiết bị FinFET chế tạo nhóm bao gồm Hisamoto với Chenming Hu TSMC nhà nghiên cứu quốc tế khác bao gồm Tsu-Jae King Liu, Jeffrey Bokor, Hideki Takeuchi, K Asano, Jakub Kedziersk, Xuejue Huang, Leland Chang, Nick Lindert, Shibly Ahmed Cyrus Tabery Nhóm chế tạo thiết bị FinFET xuống 17nm vào năm 1998, sau 15nm năm 2001 Năm 2002, nhóm bao gồm Yu, Chang, Ahmed, Hu, Liu, Bokor Tabery chế tạo thiết bị FinFET kích cỡ 10nm Vào đầu năm 2000, lĩnh vực thu hút ý ngày tăng giới khoa học, trị thương mại, dẫn đến tranh cãi tiến Các tranh cãi xuất liên quan đến định nghĩa ý nghĩa tiềm tàng công nghệ nano, minh chứng báo cáo Hiệp hội Hồng gia cơng nghệ nano Những thách thức đặt liên quan đến tính khả thi ứng dụng hình dung người ủng hộ cơng nghệ nano phân tử, mà đỉnh điểm tranh luận công khai Drexler Smalley vào năm 2001 2003 Trong đó, việc thương mại hóa sản phẩm dựa tiến cơng nghệ kích thước nano bắt đầu xuất Các sản phẩm giới hạn ứng dụng hàng loạt vật liệu nano khơng liên quan đến việc kiểm sốt nguyên tử vật chất Một số ví dụ bao gồm tảng Silver Nano để sử dụng hạt nano bạc làm chất kháng khuẩn, kem chống nắng suốt dựa hạt nano, tăng cường sợi carbon cách sử dụng hạt nano silica ống nano carbon cho vải dệt chống ố Các phủ chuyển sang thúc đẩy tài trợ cho nghiên cứu công nghệ nano, chẳng hạn Mỹ với Sáng kiến Cơng nghệ Nano Quốc gia, tổ chức thức hóa định nghĩa dựa kích thước cơng nghệ nano thiết lập tài trợ cho nghiên cứu quy mô nano Châu Âu thông qua Chương trình Khung Châu Âu Nghiên cứu Phát triển công nghệ Đến năm 2000, ý khoa học nghiêm túc mẻ bắt đầu phát triển Các dự án xuất để đưa lộ trình cơng nghệ nano tập trung vào thao tác xác nguyên tử vật chất thảo luận khả năng, mục tiêu ứng dụng có dự kiến Năm 2006, nhóm nhà nghiên cứu Hàn Quốc từ Viện Khoa học Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) Trung tâm Nano Fab Quốc gia phát triển MOSFET nm, thiết bị điện tử nano nhỏ giới Nó dựa cơng nghệ FinFET tồn cổng (GAA) Hơn 60 quốc gia tạo chương trình nghiên cứu phát triển cơng nghệ nano (R&D) phủ từ năm 2001 đến năm 2004 Nguồn tài trợ phủ vượt q chi tiêu cơng ty cho nghiên cứu phát triển công nghệ nano, với phần lớn tài trợ đến từ tập đoàn có trụ sở Hoa Kỳ, Nhật Bản Đức Năm tổ chức hàng đầu nộp nhiều sáng chế trí tuệ R&D cơng nghệ nano từ năm 1970 đến 2011 Samsung Electronics (2,578 sáng chế đầu tiên), Nippon Steel (1,490 sáng chế đầu tiên), IBM (1,360 sáng chế đầu tiên), Toshiba (1,298 sáng chế đầu tiên) Canon (1.162 sáng chế đầu tiên) Năm tổ chức hàng đầu xuất nhiều báo khoa học nghiên cứu công nghệ nano từ năm 1970 đến 2012 Viện Khoa học Trung Quốc, Viện Hàn lâm Khoa học Nga, Trung tâm National de la recherche scientifique, Đại học Tokyo Đại học Osaka Vai trò Nano lĩnh vực y dược Có thể nói, vật liệu nano đóng vai trị vơ quan trọng, tạo nên cách mạng mang tính chất đột phá y học đại Những vai trò bật loại vật liệu phải kể đến Giúp q trình chẩn đốn bệnh xác nhanh chóng: Cơng nghệ Nano đem đến hiệu tuyệt vời chẩn đoán bệnh Các hạt Nano vào thể, khu trú vùng bệnh phát kỹ thuật thu nhận tín hiệu phản xạ quang học Gia tăng hiệu điều trị nhiều bệnh lý: Với kích thước nano giúp loại dược phẩm (phân tử thuốc) dễ dàng xâm nhập vào mô, dịch thể tế bào, tăng độ tan tăng khả hấp thu dược chất gấp nhiều lần, mang đến hiệu tối ưu) Giúp trình dẫn truyền thuốc đạt hiệu cao Nano làm giảm rủi ro, hạn chế độc tính thuốc: Với chế hoạt động đặc trưng, hạt nano từ tính đưa thuốc đến vị trí cần thiết thể Chính chúng thu hẹp phạm vi phân bố thuốc, giảm thiểu tối đa tác dụng phụ, độc tính, rủi ro điều trị tập trung theo vùng định Giúp làm giảm liều lượng thuốc cần sử dụng Đặc biệt, hạt nano thâm nhập vào thể, can thiệp quy mô phân tử tế bào, giúp tiêu giệt tế bào ung thư Đồng thời mang đến nhiều lợi ích vai trị to lớn q trình điều trị bệnh nhân ung thư Có thể nói, nano đóng vai trị vơ quan trọng ngành y tế Vật liệu nghiên cứu, ứng dụng với công nghệ đại mang tên công nghệ nano tạo nên bước ngoặt y khoa Nano ngày ưa chuộng nhiều người biết đến Trong ứng dụng Nano Liposome ứng dụng rộng rãi Cấu trúc dạng thuốc nano Thuốc nano thường dẫn xuất từ thuốc truyền thống sử dụng nhờ hệ thống vận chuyển nano Có nhiều dạng cấu trúc thuốc nano sau: * Giọt lipid (liposome): hạt túi hình cầu, kích cỡ từ 400nm đến 2,5 μm, túi bao quanh lớp lipid kép, thuốc bên nang Theo thống kê Trung tâm Nghiên cứu thuốc, CDER, 350 thuốc nano FDA phê chuẩn, dạng liposome sử dụng nhiều 33%, * Hạt polymere nano (polymeric nanoparticle): hạt polyme rắn, dạng keo, kích cở từ 10 đến 1000nm; Theo thống kê CDER dạng thuốc chiếm 23% tổng số thuốc nano sử dụng * Các dendrimers, micelle: phân tử hình nan hoa, kích thước trung bình khoảng 10 nm Thống kê CDER thấy dạng cấu trúc chiếm 6% tổng số thuốc nano * Hạt lipid rắn: kích thước 50-1000nm có lipid ổn định bề mặt; Nang nano có kích thước 50-300nm, để mang thuốc ưa dầu; * Nhũ dịch nano (nanoemulsions): hạt nhũ tương đường kính từ 100 đến 500nm Thống kê CDER, dạng nhũ dịch chiếm 14% * Hạt nano kim loại oxit sắt, vàng, bạc, niken; * Carbon nano: bao gồm ống carbon nano fullerene bao gồm từ 60 nguyên tử carbon trở lên với cấu trúc đa giác Liposome gì? Cơng nghệ Liposome giúp tạo tiểu phân tử hình cầu, kích thước siêu nhỏ, cấu trúc gồm nhiều lớp màng phospholipid kép bao quanh lõi chứa hoạt chất Công nghệ Liposome tạo phương tiện chứa vận chuyển hoạt chất, dưỡng chất tới mô, tế bào thể theo liều lượng, tỷ lệ cụ thể Nhờ đó, cơng nghệ ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác như: mỹ phẩm, dược mỹ phẩm dược phẩm * Một số hình ảnh cơng nghệ Nano Liposome Liposome hình thành nào? Liposome hình thành từ phospholipid có cấu trúc lưỡng tính bao gồm phần đầu ưa nước phần đuôi kỵ nước Khi phospholipid dung dịch nước, đuôi kỵ nước đối mặt với để tránh nước tạo thành lớp kép phospholipid đầu ưa nước hình thành liên kết hydro với phân tử nước Lớp kép lipid tạo thành khối cầu kín (liposome) để loại trừ hồn tồn nước khỏi kỵ nước Những tính vượt trội cơng nghệ Liposome - Hịa tan hiệu khống chất khó tan sắt, magie, kẽm,… - Tăng khả hấp thu màng tế bào với hoạt chất, dưỡng chất - Giảm thiểu tác dụng phụ loại thuốc điều trị với thể - Cung cấp phospholipid giúp bảo vệ màng tế bào phận thể dày, tá tràng,… - Nâng cao tính an tồn hiệu thành phần hoạt chất - Giảm độc tính tác dụng bất lợi khác - Khả đồng hóa tính tương hợp sinh học tổng thể cao Ứng dụng công nghệ Liposome dược phẩm Polymer micelle – Liposome: Phương pháp chế tạo micelle khối sử dụng chất hoạt động bể mặt nghiên cứu nhiều hai thập kỷ qua.Những nghiên cứu tập trung vào việc làm ổn định cấu trúc dạng bọng trùng hợp chủ yếu sử dụng làm chất mang thuốc Gần đây, Kaler cộng sử dụng bao micelle cân tạo kết hợp chất hoạt tính bề mặt cation anion cetyltrimethylammonium toluene sulfonate (CTAT) sodium dodecybenzen sulfonate (SDBS) để gắn monomer styrene divinyl benzene (DVB) vào Bằng cách thay đổi tỷ lệ SDBS, thu polystyrene chiếm tới 10% khối kết tụ dạng micelle bọc mà không phá vỡ cấu trúc chúng Việc trùng hợp monomer gắn vào làm cho tính ổn định bao kết tang lên đáng kể Kích thước đường kính điển hình bao 60nm độ dày lớp vỏ hai lớp khoảng 10nm Yutao Liu cộng (2009) nghiên cứu tổng hợp hệ dẫn thuốc nano polymer micelle mang thuốc Docetaxel (vỏ màng lipid đơn lõi polymer phân huỷ sinh học), kết hợp acid folic làm tăng hiệu hướng đích điều trị bệnh ung thư Trong nghiên cứu này, Poly (lactide-co-glycolide) (PLGA), loại polymer phân huỷ sinh học không gây độc tế bào sử dụng làm lõi bao bọc lớp hỗn hợp màng lipid đơn (bao gồm 1,2-dilauroylphosphatidylocholine (DLPC),1,2distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy(polyethylene glycol) 2000] (DSPE-PEG2k) 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N[folate(polyethyleneglycol)-5000] (DSPE-PEG5k-FOL) Kết cho hệ dẫn thuốc có kích thước khoảng 263nm với khả bao thuốc 66,88%, đặc tính ổn định cao, bề mặt có lợi cho hấp thu di động quan trọng có tính hướng đích tốt Trong nghiên cứu khác, Sonya Cressman cộng (2009) sử dụng ligand tác nhân hướng đích để tăng khả dẫn thuốc phân tử nano liposome (LNs).Các tác giả sử dụng tác nhân hướng đích chuỗi peptide ngắn chứa arginine-glycine-aspartic acid, cRGDfK, liên hợp với màng lipid distearoyl phosphatidyletha-nolamine (DSPE) để hình thành hệ LNs mang thuốc Doxorubicin Ứng dụng cơng nghệ Liposome mỹ phẩm (3 loại liposome mỹ phẩm) - Transferosomes có tác dụng để phân phối thuốc, hoạt chất trực tiếp qua da Transferosomes tạo thành từ phospholipid, cholesterol với bổ sung số chất hoạt động bề mặt natri cholate 10 - Niosomes túi nhỏ gồm chất hoạt động bề mặt ion từ polyglycerol alkyl dialkyl lớp ete Sử dụng niosomes hữu ích cải thiện hiệu sản phẩm tăng khả thâm nhập, tăng khả tác dụng sinh học thành phần hấp thu, tăng cường ổn định thuốc/ hoạt chất - Ethosome túi nhiều lớp mềm linh hoạt cho phép thành phần nhập sâu vào lớp da lớp sừng Tác dụng Công nghệ Liposome sử dụng để sản xuất mỹ phẩm tốt Công nghệ Liposome mang lại tác dụng sau: - Nhờ có lớp tiếp dẫn phospholipid (Lecithin), loại mỹ phẩm sản xuất theo cơng nghệ Lipsome có khả thẩm thấu sâu vào da với hàm lượng xác - Nhờ dưỡng chất thấm sâu vào tận lớp hạ bì da, tế bào da bị tổn thương nằm sâu thẩm thấu hợp chất - Giảm thiểu tối đa tác dụng phụ, an toàn sử dụng đem lại hiệu cao nhiều lần so với loại dùng công nghệ thường - Tăng cường độ ổn định cho nhiều hoạt chất bị suy thoái hiệu trước tác động môi trường Ứng dụng công nghệ Liposome điều chế dược mỹ phẩm Dược mỹ phẩm bào chế theo công nghệ Liposome trở thành phân tử siêu nhỏ dễ dàng sâu nhờ chất tiếp dẫn phospholipid thẩm thấu vào cấu trúc da đến tận lớp hạ bì Và từ tìm đến tế bào hư tổn để giải phóng hoạt chất, giúp nồng độ hoạt chất vị trí tác động đạt mức cao nhất, an tồn cho da Cùng với cấu trúc màng lipid công nghệ Liposome tương đồng với cấu trúc màng tế bào, dung hợp với để giải phóng lượng hoạt chất bên Mang đến hiệu hấp thụ hoạt chất tế bào tăng Chính cơng nghệ làm đẹp hiệu an toàn so với dược mỹ phẩm thông thường Ứng dụng công nghệ sinh học Trong lĩnh vực sinh học công nghệ liposome làm tăng khả vận chuyển hợp chất để nghiên cứu công nghệ sinh học như: gen nhân bản, protein tái tổ hợp, oligonucleotide antisense,… Không công nghệ liposome đại vừa có khả đồng hóa vừa tính tương hợp sinh học nâng cao Đồng thời liều lượng hoạt chất thời gian tác dụng xác điểm khiến liposome trở thành công nghệ thiếu lĩnh vực sinh học 11 Công nghệ liposome trở thànhh đột phá ngành mỹ phẩm nhiều ngành công nghiệp khác Trong tương lai, công nghệ ứng dụng vào nhiều ngành khác mang đến hiệu tối ưu Một số hình ảnh ứng dụng công nghệ Nano Ngàng Y Dược – Mỹ Phẩm Công nghệ Nano ứng dụng Mỹ Phẩm 12 Ứng dụng Công nghệ Nano Sinh Học Công nghệ Nano Y Dược Đại 13