TÀI LIỆU VỀ ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANÔ TỪ TÍNH

ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANÔ TỪ TÍNH Các ứng dụng của hạt nanô từ được chia làm hai loại: ứng dụng ngoài cơ thể và trong cơ thể. Chúng tôi chỉ trình bày một số ứng dụng tiêu biểu trong rất nhiều ứng dụng đã và đang được nghiên cứu. Phân tách và chọn lọc tế bào là ứng dụng ngoài cơ thể nhằm tách những tế bào cần nghiên cứu ra khỏi các tế bào khác. Các ứng dụng trong cơ thể gồm: dẫn thuốc, nung nóng cục bộ và tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ… I Phân tách và chọn lọc tế bào,ADN,tế bào CD làm giàu DNA của siêu vi Herpes 1Phân tách và chọn lọc tế bào: Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tách một loại thực thể 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 hạt nanô từ tính là một trong những phương pháp thường được sử dụng 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. 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 bởi một loại hóa chất có tính tương hợp sinh học như là dextran, polyvinyl alcohol (PVA), Hóa chất bao phủ không những có thể tạo liên kết với một vị trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà còn giúp cho các hạt nanô phân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ. Giống như trong hệ miễn dịch, vị trí liên kết đặc biệt trên bề mặt tế bào sẽ được các kháng thể hoặc các phân tử khác như các hoóc-môn, a-xít folic tìm thấy. 1 Các kháng thể sẽ liên kết với các kháng nguyên. Đây là cách rất hiệu quả và chính xác để đánh dấu tế bào. Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa tương tự các phân tử trong hệ miễn dịch đã có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi, vi khuẩn, tế bào ung thư đường tiết niệu và thể golgi. Đối với các tế bào lớn, kích thước của các hạt từ tính đôi lúc cũng cần phải lớn, có thể đạt kích thước vài trăm nanô mét.Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài. 2 Hình: tập hợp tế bào cừu liên kết lại với nhau Hình:cấu trúc của một hạt nano từ có dạng bông hoa Từ trường ngoài tạo một lực hút 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 = πηRΔν Trong đó η là độ nhớt của môi trường xung quanh tế bào (nước), R là bán kính của hạt từ tính, Δν =ν −ν là sự khác biệt về vận tốc giữa tế bào và nước. Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản nhất được hình trên. Hỗn hợp tế bào và chất đánh dấu (hạt từ tính bao phủ bởi một lớp CHHBM) được trộn với nhau để các lên kết hóa học giữa chất đánh dấu và tế bào xảy ra. Sử dụng một từ trường ngoài là một thanh nam châm vĩnh cửu để tạo ra một gradient từ trường giữ các hạt tế bào được đánh dấu lại. 2. Làm giàu DNA của siêu vi Herpes: Herpes là một siêu vi gây bệnh ngoài da và bệnh đường sinh dục. Đoạn mã DNA dò của siêu vi này được dùng trong nghiên cứu của là một đoạn mã đặc trưng 5’-AT CAC CGA CCC GGA GAG GGA C-3’ (Invitrogen). Đoạn mã sẽ lai hóa với đoạn mã đối ứng của của DNA đích của dung dịch cần làm giàu. Để DNA dò có thể tiếp hợp với amino- NP thì gốc phosphate của đầu 5’ của đoạn DNA cần được hoạt hóa. Sử dụng 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC, Sigma) làm chất xúc tác cho việc hình 3 Hình:Sơ đồ đơn giản về cơ phân tách tế bào thành liên kết giữa nhóm amino trên bề mặt hạt nano và nhóm phosphate của đầu 5’ của đoạn DNA dò. Tuy nhiên, thời gian sống của EDC sau khi hoạt hóa DNA trong nước rất ngắn nên chúng tôi dùng 1-methyllmidazole (MIA) để phản ứng với EDC hình thành lên nhóm chức hoạt động khác làm cho quá trình hoạt hóa DNA trong nước được ổn định (hình B). Sau quá trình này, DNA được hoạt hóa (gọi tắt là DNA hoạt hóa). Trộn amino-NP và DNA hoạt hóa thì DNA dò sẽ tiếp hợp lên bề mặt của hạt nano ta thu được hạt nano từ tính có đoạn DNA dò trên bề mặt (DNA-NP) (hình C). Quá trình tiếp hợp DNA và hạt nano được ổn định ở nhiệt độ 37°C trong 18 giờ. Sản phẩm của quá trình này là hạt nano từ tính có bề mặt là các DNA dò. Các DNA-NP sẽ được dùng để làm giàu DNA của mẫu thực.Quá trình làm giàu DNA của siêu vi Herpes bằng hạt nano từ tính được thực hiện như sau. Lấy 1 ml dung dịch chứa DNA-NP (2 % khối lượng DNA-NP/ml dung dịch) trộn với 2 ml – 20 ml dung dịch 0,1 nM/l DNA của siêu vi Herpes. Quá trình lai hóa giữa đoạn 4 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 DNA dò trên bề mặt hạt nano từ tính và DNA của siêu vi xảy ra tại nhiệt độ được ổn định là 37°C trong thời gian 1 giờ. 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. Lượng DNA-NP được ước tính là dư so với số phân tử DNA có trong dung dịch. Hạt cô đặc trong tất cả các trường hợp được hòa vào trong 0,1 ml dung dịch và được gia nhiệt tại nhiệt độ 98°C để tách DNA của siêu vi ra khỏi hạt nano từ tính. Nếu quá trình tách lọc từ đạt hiệu suất 100 % thì nồng độ DNA trong dung dịch cuối cùng sẽ gia tăng từ 20 đến 200 lần. Đo nồng độ của DNA sau khi được làm giàu và tách khỏi hạt nano bằng vi cảm biến độ dẫn.Vi cảm biến độ dẫn đo nồng độ DNA dựa trên sự thay đổi về độ dẫn ở khoảng cách giữa các điện cực khi có sự lai hóa giữa DNA đích và DNA dò . Điện cực bằng đồng giống như hai chiếc lược đan xen với nhau. Kích thước mỗi răng lược 70´1000 mm2, khoảng cách giữa chúng là 30 mm. Các điện cực được cố định trên đế Si bằng phương pháp quang khắc. Khoảng trống giữa các điện cực là Si được tiếp hợp với DNA dò theo một phương pháp tương tự như phương pháp tiếp hợp hạt nano từ tính với DNA dò. Khi cho cảm biến vào dung dịch có chứa DNA Herpes, quá trình lai hóa giữa DNA dò và DNA đích xảy ra gây ra sự thay đổi về độ dẫn. So sánh với tín hiệu của một điện cực khác không được chức năng hóa bề mặt bằng DNA dò ta sẽ thu được tín hiệu đầu ra. 5 Hinh: Quá trình kết hợp AND với nano từ thành ‘AND dây’ phủ trên đế silic Sự chênh lệch độ dẫn phụ thuộc vào nồng độ DNA. Nhược điểm của phương pháp này là không đo được khi nồng độ thấp hơn 10 nM/l. Kết hợp quá trình làm giàu bằng từ trường như trình bày ở trên và vi cảm biến độ dẫn có thể xác định được DNA có nồng độ thấp hơn. Hình cho thấy sự phụ thuộc của nồng độ DNA vào thể tích của dung dịch ban đầu trước và sau khi làm giàu DNA. Nồng độ tăng tuyến tính theo thể tích cho thấy quá trình làm giàu DNA bằng từ tính đạt hiệu quả. Giá trị đo được bằng vi cảm biến độ dẫn không sai khác nhiều so với giá trị ước tính từ sự giảm thể tích ban đầu về 0,1 ml cho thấy hầu hết phân tử DNA trong dung dịch ban đầu (nồng độ 0,1 nM/l) đều lai hóa với hạt nano từ tính và được cô đặc bằng tách lọc từ. Đây là một phương 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. 3. Đếm tế bào bạch cầu CD4+T Quá trình gắn với kháng thể antiCD4 được thực hiện bằng cách lấy 0,4 g amino- NP rửa và tách từ hai lần bằng 1 ml dung dịch đệm 2-(N-Morpholino) ethanesulfonic acid (MES) có pH bằng 6 với nồng độ 0,1 M (Sigma). Sau đó, amino-NP được phân tán trong 0,25 ml dung dịch đệm chứa MES và 2 mg EDC ở dạng bột bằng cách khuấy đều tại nhiệt độ phòng trong 15 phút. Tách rửa bằng từ trường hai lần trước khi nhỏ 1 μg - 100 μg kháng thể đơn dòng antiCD4 (antiCD4, Invitrogen). Tách rửa từ 4 lần bằng nước 6 cất ta thu được hạt nano gắn kháng thể antiCD4, kí hiệu là antiCD4-NP. Trong một số mẫu, chúng tôi sử dụng 20 μl kháng thể antiCD4 phát huỳnh quang (viết tắt là *antiCD4, bước sóng kích thích 480 nm, bước sóng phát xạ 520 nm của hãng Exiobio) trộn với antiCD4 có các nồng độ khác nhau. Sau 2 giờ các hạt nano được bọc bởi các kháng thể đơn dòng antiCD4 và *antiCD4 được tách rửa từ 3 lần bằng 1 ml dung dịch đệm phosphate saline (PBS). Kết quả cuối cùng ta thu 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) và được bảo quản trong PBS bổ sung thêm albumin huyết thanh bò (BSA). Lấy 200 μl máu của người bình thường được li tâm trong ống nghiệm Eppendorf 1,5 ml với tốc độ 1000 vòng/phút trong 10 phút để loại bỏ huyết thanh rồi hòa lại vào 200 μl PBS bổ sung 1% BSA. Sau đó các ống được ủ với 0,2 mg antiCD4-NP và *antiCD4-NP trong 20 phút tại nhiệt độ phòng. Bổ sung 1,3 dung dịch đệm nhược trương (5 mM Tris pH 7.0, 10% glycerol) để đột 7 Hinh: Sự phụ thuộc của nồng độ DNA vào thể tích của dung dịch ban đầu trước khi và sau khi làm giàu DNA. ngột phá tung màng tế bào máu làm tế bào trở thành dạng không có bào quan và bào tương hay còn gọi là tế bào ma (ghost cell). Giai đoạn này, các antiCD4-NP và *antiCD4-NP trên bề mặt hạt nano sẽ gắn đặc hiệu lên các tế bào giúp loại bớt các tế bào ma. Trong một thí nghiệm đối chứng, chúng tôi gắn trực tiếp 20 μl kháng thể đơn dòng antiCD4 phát huỳnh quang với 200 μl máu để nhuộm tế bào bạch cầu CD4+ T. Quá trình xử lý tiếp theo cũng tương tự như thí nghiệm với antiCD4-NP và *antiCD4-NP nhưng không có bước tuyển từ. Các tế bào sau phản ứng gắn đặc hiệu với kháng thể được bảo quản trong 50 μl PBS lạnh, bổ sung 1% BSA và 10% glycerol. 5μl dung dịch chứa tế bào được nhỏ lên một tấm kính (slide glass) rồi được phủ lên bằng một phiến kính mỏng (cover slip) để quan sát bằng 8 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. hiển vi huỳnh quang Carl Zeiss Axio. Cường độ huỳnh quang được xử lí bằng phần mềm Scion Image.là ảnh chụp các tế bào trong máu từ kính hiển vi dưới ánh sáng thường và dưới chế độ phát huỳnh quang (ánh sáng kích thích 480 nm, ánh sáng huỳnh quang 520 nm). Với mẫu không được tuyển từ, dưới ánh sang thường có thể nhìn thấy tế bào hồng cầu và nhiều loại tế bào bạch cầu. Sự nhận biết loại tế bào có thể thông qua hình dạng của chúng. 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. Sở dĩ như vậy vì hạt nano từ có kháng thể đơn dòng *antiCD4 rất đặc hiệu, chỉ gắn với kháng nguyên CD4 trên bề mặt tế bào bạch cầu CD4+ T và làm các tế bào này phát sáng. Độ sáng của tế bào bạch cầu đo được là (137±45)´103 (đơn vị tùy ý). Dựa trên diện tích của hình nghiên cứu vào khoảng 104 mm2,ước tính số tế bào bạch cầu CD4+ T của hai người trưởng thành là 670 và 810 tế bào/ml. Giá trị này nằm trong khoảng an toàn đối với người khỏe mạnh (600 đến 1200 tế bào/ml). 9 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). Với người mắc bệnh HIV, số lượng tế bào bạch cầu giảm đi rất nhiều (thậm chí ít hơn 150 tế bào/ml) nên việc lấy thống kê theo diện tích trên hình quan sát của kính hiển vi không chính xác. Chính vì thế sử dụng hạt nano từ tính chức năng hóa bằng kháng thể antiCD4 để làm giàu tế bàobạch cầu trước khi đếm bằng hiển vi huỳnh quang. Chúng tôi đã thử nghiệm với các nồng độ antiCD4 khác nhau từ 1 mg – 100 mg và thấy rằng 20 mg là đủ để chức năng hóa bề mặt của 0,4 g hạt nano.hình trên cho thấy ảnh chụp tế bào máu sau khi tách từ. Không giống như hình , hình này không có nhiều tế bào hồng cầu, tiểu cầu hoặc các tế bào bạch cầu loại khác với bạch cầu CD4+ T. Hơn nữa, tín hiệu thu được dưới chế độ ảnh chụp huỳnh quang cho thấy 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. Cường độ đo được là (356±64)´103 (đơn vị tùy ý) gấp 2,6 lần cường độ lần trước. Các kết quả trên cho thấy rằng, quá trình tách lọc tế bào sử dụng tương tác kháng nguyên- kháng thể đã thành công. Không những thế, cường độ huỳnh quang của các tế bào có hạt nano lại mạnh hơn trường hợp không có hạt nano. Điều này có thể giải thích như sau: nếu không có hạt nano, chỉ có một lớp kháng thể huỳnh quang bám trên bề mặt tế bào nên cường độ huỳnh quang chỉ do một lớp đó phát ra; trong trường hợp của hạt nano huỳnh quang, hạt nano có tác dụng “thu thập” các kháng thể huỳnh quang trước khi tiếp hợp trên bề mặt tế bào tạo nên nhiều lớp kháng thể huỳnh quang nên độ sáng lớn hơn độ sáng của một lớp kháng thể. 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. Phương pháp đánh dấu tế bào kết hợp với tuyển từ như thế này rất hiệu quả trong việc đếm tế bào bạch cầu CD4+ T cho các bệnh nhân bị nhiễm HIV II. ỨNG DỤNG BÊN TRONG CƠ THỀ: 1. Phương pháp tăng thân nhiệt (gây sốt) cục bộ Phương pháp tăng thân nhiệt (gây sốt) cục bộ là một quá trình điều trị sử dụng các hạt nano từ tính để tăng nhiệt độ của một vùng cơ thể có khối u ác tính hoạc các u khác. Đây cũng là một phương pháp điều trị ung thư vì tốc độ phát triển ung thư có thể được làm 10 [...]... T Mật độ hạt nano cần thiết vào khoảng 5-10 mg/cm3 Vật liệu dùng để làm hạt nano thường là magnetite và maghemite và có thể có tính sắt từ hoặc siêu thuận từ Phần lớn các thí nghiệm được tiến hành với hạt siêu thuận từ Vì vậy, ở seminar này chỉ giải thích cơ chế vật lý cho hạt siêu thuận từ Với hạt siêu thuận từ, khi áp dụng một từ trường xoay chiều thì hạt sẽ hưởng ứng dưới tác dụng của từ trường... dùng các hạt từ tính như là hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể (thông thường dùng điều trị các khối u ung thư) đã được nghiên cứu từ những năm 1970, những ứng dụng này được gọi là dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính Có hai lợi ích cơ bản là: (i) thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể nên làm giảm tác dụng phụ của thuốc; và (ii) giảm lượng thuốc điều trị Hạt nano từ tính có tính tương... lệch pha của proton với từ trường xoay chiều Tuy nhiên sự lệch pha có thể do sự bất đồng nhất của từ trường nên giá trị T2 được thay thế bằng giá trị T2*: 19 1/T2* = 1/T2 + g DB/2 DB là sự biến thiên của từ trường cố định có thể do sự biến dạng địa phương của từ trường hoặc do sự thay đổi của độ cảm từ Các giá trị T1 và T2* có thể giảm đi khi có mặt của hạt nano từ tính Các hạt nano siêu thuận từ tạo... hạt nhân có momen từ tương tự như có gắn một thanh nam châm cực nhỏ Dưới tác dụng của từ trường ngoài, momen từ của hạt nhân nguyên tử quay đảo tương tự như con quay dưới tác dụng của trọng trường trên mặt đất Nếu hạt nhân đang quay đảo với tần số w mà có thêm sóng vô tuyến cùng tần số w tác dụng, hạt nhân sẽ quay đảo cực mạnh vì có hiện tượng cộng hưởng Đó là cộng hưởng từ hạt nhân Khi ngừng tác dụng. .. 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 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... 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 Theo hướng này, hiện nay, các loại vật liệu như Ferit, peroveskit cũng là các vật liệu khá triển vọng 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 khối u ác tính bằng phương... nặng của các hạt CoFe2O4 xử lý Bộ phận lọc 2 Thiết bị Hạt CoFe2O4 đã hấp phụ kim loại nặng khử trùng Nước sạch Hình 5 : Mô hình xử lý nước bị nhiễm kim loại nặng 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 sử dụng ) IV ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ VÀ KỸ THUẬT 1.Chế tạo transistor dùng vật liệu từ. .. mạch tích hợp ngày nay 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... hưởng sẽ xảy ra Với hạt nhân nguyên tử hydrogen 1H, tỉ số từ hồi chuyển Rad.s -1.T-1 Tần số tuế sai Larmor sẽ tương ứng với tần số sóng vô tuyến và có giá trị là 42,57 MHz Khi chỉ có mặt của từ trường cố định, proton sẽ tuế sai xung quanh hướng của từ trường Khi từ trường xoay chiều được phát ra, mặc dù cường độ của từ trường này yếu hơn nhiều so với từ trường cố định nhưng vì tần số của nó đúng bằng... các hat nano từ tính là như sau: 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 từ trường 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 Nghiên cứu về kĩ thuật tăng . ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANÔ TỪ TÍNH Các ứng dụng của hạt nanô từ được chia làm hai loại: ứng dụng ngoài cơ thể và trong cơ thể. Chúng tôi chỉ trình bày một số ứng dụng tiêu biểu trong rất nhiều ứng. với hạt siêu thuận từ. Vì vậy, ở seminar này chỉ giải thích cơ chế vật lý cho hạt siêu thuận từ. Với hạt siêu thuận từ, khi áp dụng một từ trường xoay chiều thì hạt sẽ hưởng ứng dưới tác dụng của. thiên của từ trường cố định có thể do sự biến dạng địa phương của từ trường hoặc do sự thay đổi của độ cảm từ. Các giá trị T1 và T2* có thể giảm đi khi có mặt của hạt nano từ tính. Các hạt nano