Công nghệ sinh học về nano

MỤC LỤC 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 1.3 Tiềm KHỐI CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ CHẾ TẠO 2.1 Vật liệu nano 2.1.1 Dạng cầu 2.1.2 Dạng 2.2 Các phần tử sinh học 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) 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 học 3.2.2 Vi định vị không gian 3.2.3 Tổng hợp 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 khuôn sinh học 3.3.3 Phỏng sinh học 2.3.4 Sinh học phân tử ỨNG DỤNG 4.1 Khám phá, phân phối thuốc phân tử liệu pháp 4.2 Chẩn đoán điều trị 4.3 Kháng vi sinh vật 4.4 Phát hiện-xác định cấu tử sinh học 4.5 Phân tách cấu tử sinh học 4.6 Máy tính nano sinh học TÀI LIỆU THAM KHẢO GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Lịch sử phát triển 1.1.1 Công nghệ sinh học Công nghệ sinh học (CNSH) thực trở thành ngành công nghiệp vào cuối năm 1970 đề cập tiên đoán tiềm phát triển từ 60 năm trước [1] CNSH tập hợp khám phá khoa học kỹ thuật thí nghiệm cho phép nhà khoa học thao tác sử dụng hệ thống sinh học nghiên cứu phát triển sản phẩm thương mại [2] Với tảng công nghệ tái tổ hợp, CNSH có bước tiến thần kỳ, với ngày nhiều ứng dụng CNSH đại tập trung nghiên cứu trình, chế mức phân tử Sinh học phân tử phát triển, cần công cụ, vật liệu nhằm thâm nhập sâu vào giới hiển vi trình, cấu trúc sinh học 1.1.2 Công nghệ nano Nano theo tiếng Latinh (νανοσ) nghĩa nhỏ xíu Vào kỷ thứ VII trước Công nguyên, Mimnermus, thi gia HyLạp, sáng tác thơ có tên “nữ hoàng Ναννο” Đến kỷ thứ II sau Công nguyên, ναννο tên loại bánh bơ có dầu ôliu, sang kỷ thứ III sau Công nguyên lại mang nghĩa bồn rửa bát đĩa lớn Tiền tố nano xuất tài liệu khoa học lần vào năm 1908, Lohmann sử dụng để sinh vật nhỏ với đường kính 200 nm [3] Vào năm 1974, Tanigushi lần sử dụng thuật ngữ công nghệ nano (nanotechnology) hàm ý liên kết vật liệu cho kỹ thuật xác tương lai [3] Hiện khoa học, tiền tố nano biểu thị số 10-9 tức kích thước phần tỷ m (hình 1) Tổ chức Nanotechnology Initiative (NNI) trực thuộc phủ Mỹ định nghĩa công nghệ nano (CNNN) “bất thứ liên quan đến cấu trúc có kích thước nhỏ 100nm” Định nghĩa loại bỏ cách độc đoán chủ thể nghiên cứu liên quan khác tập trung vào thiết bị vi lỏng (microfluidic) vật liệu tiến hành quy mô µm [4] Trong “Bionanotechnology: lessons from nature”, Goodsell định nghĩa CNNN “thao tác chế tạo quy mô nano với độ xác nguyên tử” [5] Cụ thể hơn, CNNN khoa học, kỹ thuật thao thác liên quan tới hệ thống có kích thước nano, hệ thống thực nhiệm vụ điện, cơ, sinh, hóa tính toán đặc biệt Nền tảng công nghệ tượng “các cấu trúc, thiết bị hệ thống có tính chất chức kích thước siêu nhỏ” Cấu trúc CNNN bao gồm hạt hay tinh thể nano, lớp nano ống nano Các cấu trúc nano khác chỗ chúng tạo thành nguyên tử, phân tử chúng xếp [6] 1.1.3 Công nghệ sinh học nano CNNN phát triển tất yếu dẫn tới nhu cầu tìm kiếm mối liên kết vật có kích thước nano Điều tự phát dẫn tới sinh học (lĩnh vực khoa học “nóng” nhất) (hình 2) Các nhà khoa học mong muốn giao thoa CNSH CNNN lẽ CNNN mang lại cho sinh học công cụ sinh học cho phép CNNN đạt hệ thống có chức [7] Công nghệ tạo hợp tác chưa có nhà khoa học vật liệu, vật lý học sinh học [8] CNSH nano tập CNNN, gần với CNSH thêm khả thiết kế biến đổi chi tiết sinh học mức độ nguyên tử [5] Hiện có nhiều cách định nghĩa CNSH nano CNSH nano ứng dụng CNNN nghiên cứu sinh học bao gồm: khám phá thuốc, thiết bị phân phối thuốc, công cụ chuẩn đoán, liệu pháp vật liệu sinh học [9] Theo NIH, CNSH nano là: Áp dụng công cụ kích thước nano vào hệ thống sinh học Sử dụng hệ thống sinh học làm khuôn mẫu để phát triển sản phẩm cỡ nano Ở đây, cần phân biệt ‘Nano2Bio’ (sử dụng CNNN để phân tích tạo hệ thống sinh học), ‘Bio2Nano’ (sử dụng vât liệu cấu trúc sinh học để tạo hệ thống kỹ thuật) [10] Hình thể khái quát định nghĩa CNSH nano nêu Hình Bức tranh toàn cảnh CNSH nano Trong đó, hệ thống, thiết bị riêng lẻ tích hợp tạo từ tảng giao thoa CNSH CNNN nhằm ứng dụng y học, sinh học… (Theo www.nano2life.org) 1.2 Hướng nghiên cứu Cùng với nở rộ CNNN, CNSH nano có bước tiến thành kỳ Một số ví dụ CNSH nano nghiên cứu phát triển [11]: • Chụp ảnh nghiên cứu tương tác đơn phân tử sinh học • Màng chức tự lắp ráp với tính chất xúc tác, quang hoạt, dẫn điện, điện hóa lọc nước, lọc khí, vi sinh vật • Động DNA (DNA motor) dựa lực tạo lai trình tự bổ sung với • Chụp ảnh trình vận động virus, protein, prion thuốc tế bào sống • Chuyển gene đột biến điểm xác • Các phận phân tử hướng đích tăng phản ứng miễn dịch • Công nghệ phân phối thuốc hướng đích • Khai thác động sinh học protein vận động khác, để tạo lượng điện Hiện thị trường có sản phẩm thương mại CNSH nano Bảng liệt kê số công ty thành công lĩnh vực CNSH nano theo ba hướng nghiên cứu (i) phân tích sinh học; (ii) phân phối thuốc liệu pháp; (iii) thiết bị y học cảm biến sinh học Rõ ràng, có chồng lấp lĩnh vực này, lĩnh vực phát triển xúc tác phát triển lĩnh vực khác [12] Như tất yếu lĩnh vực công nghệ cao mới, Mỹ nước dẫn đầu thể số công ty vượt trội Tuy nhiên, số nước khác Úc Nhật, Canada, Nhật, Anh có công ty tham gia vào thị trường đầy tiềm 1.3 Tiềm Có thể nói, thời điểm tại, thấy tiềm phát triển công nghệ hay kỹ thuật rõ qua nguồn ngân sách nghiên cứu hàng năm doanh thu đem lại từ sản phẩm thương mại Được toàn giới nghiên cứu đầu tư phát triển, ngân sách đầu tư cho CNNN tổ chức thuộc phủ tăng khoảng lần từ 430 triệu năm 1997 lên tỉ USD năm 2003[13] Tỷ lệ đầu tư cho nghiên cứu đào tạo CNSH nano khoảng 6% công nghệ nano Trong lĩnh vực tư nhân, công ty lớn tập trung ứng dụng CNNN cho vât liệu, hóa học, điện; đầu tư dược hệ thống sinh học nano khác ước tính khoảng 10% Tuy nhiên, công ty nhỏ quỹ đầu tư mạo hiểm chi nhiều lĩnh vực (30-40%) [13] Từ năm 1999, 52% số 900 triệu USD quỹ đầu tư mạo hiểm chi cho CNNN tập trung vào thiết lập CNSH nano (hình 4a) Trên thực tế, trong vốn đầu tư mạo hiểm suy giảm từ năm 2001 đến 2002, đầu tư vào CNSH nano lại tăng 313% (hình 4b) Sự tăng trưởng hai yếu tố chủ chốt: ưu đãi phủ khan sáng chế y dược học [9] Trên 50% vốn đầu tư mạo hiểm năm gần chi cho công ty hoạt động CNSH nano [8] Mặc dù Mỹ chiếm gần 1/3 tổng chi cho CNNN toàn cầu [9] Các quốc gia khác không đứng cuộc, sau năm kể từ cựu tổng thống Mỹ Bill Clinton thành lập NNI, 35 quốc gia khác xây dựng chương trình công nghệ [8] Năm 2004, phủ Mỹ chi 847 triệu USD cho CNNN Nhật liên minh Châu Âu chi không Thái Lan giai đoạn chương trình CNNN quốc gia năm với tổng ngân sách 620 triệu USD [14] Anh quốc gia cuối tăng chi tiêu công nghệ nano, giới thiệu vào tháng gần gấp đôi cam kết với £90 ($141) triệu cho quỹ MicroNanoTechnology Network [8] Ngân sách đầu tư cho CNNN phủ số nước thể bảng Theo National Science Foundation, thị trường CNSH nano đạt xấp xỉ 36 tỷ USD vào năm 2006 [15] Không nằm vòng xoáy chung, Việt Nam trọng vào công nghệ nano Năm 2004, vốn đầu tư vào môi trường CNNN tăng 50% so với năm 2003 [16] Trong lĩnh vực đào tạo, ĐHQG - TP.HCM [17], ĐHBK - TP.HCM [18], Trường ĐH-KHTN [19] Đại học Công nghệ trực thuộc ĐHQG-HN [20], ĐHBK-HN nghiên cứu, đào tạo công nghệ nano Khu công nghệ cao TPHCM tập trung đẩy mạnh CNNN [21] Trong triển khai thực tiễn, thành công rực rỡ CNNN Việt Nam chế tạo thành công than nano "lỏng" [22] ứng dụng làm pin nguyên liệu, chế tạo vi mạch [23] Ngoài có nghiên cứu cấu trúc nano đa lớp, vật liệu từ có cấu trúc nano [24] chế tạo thành công cảm biến nano dùng để xác định nồng độ khí gas hoá lỏng [25] Khu công nghệ cao TP.HCM hợp tác với trung tâm nhiệt đới Việt Nga để chế tạo mặt nạ sinh học dùng than nano [26], giấy mực nano [27] Tuy nhiên, CNSH nano điều lạ Việt Nam Trong lĩnh vực đào tạo, trường ĐHBK-HN có dự thảo chương trình đào tạo thạc sỹ CNSH nano Tại bắt đầu triển khai ứng dụng CNNN chế tạo thuốc hướng đích GS Phạm Thị Trân Châu (Trung tâm CNSH - ĐHQG HN), PGS Nông Văn Hải (Viện Khoa học công nghệ Việt Nam) GS Nguyễn Hữu Đức (Trường Đại học Công nghệ ĐHQG - HN) thảo luận để khởi động kết hoạch nghiên cứu ứng dụng hạt nano y - sinh học để chẩn đoán chữa bệnh [24] Nói chung, CNSH nano Việt Nam đặt viên gạch móng KHỐI CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ CHẾ TẠO 2.1 Vật liệu nano Vật liệu nano vật liệu có chiều có kích thước nm Hình cho thấy số vật liệu nano tiêu biểu kích thước chúng Đặc trưng vật liệu nano Các tính chất vật lý, hóa học vật liệu bị giới hạn kích thước, gọi kích thước tới hạn Các tính chất điện, từ, quang hóa học có độ dài tới hạn cỡ nm Nếu vật liệu nhỏ kích thước tính chất hoàn toàn bị thay đổi Tính chất đặc biệt vật liệu nano đem lại kích thước nhỏ kích thước tới hạn vật liệu Bảng Kích thước số cấu tử nano Phân loại vật liệu nano Theo trạng thái, người ta phân chia vật liệu nano thành trạng thái rắn, lỏng khí Vật liệu nano tập trung nghiên cứu vật liệu rắn, sau đến chất lỏng khí Về hình dáng vật liệu, người ta chia vật liệu nano thành: • Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều có kích thước nano), ví dụ, đám nano, hạt nano • Vật liệu nano chiều vật liệu hai chiều có kích thước nano, ví dụ, dây nano, ống nano (NT), • Vật liệu nano hai chiều vật liệu chiều có kích thước nano, ví dụ, màng mỏng, • Ngoài có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite có phần vật liệu có kích thước nm, cấu trúc có nano không chiều, chiều, hai chiều đan xen lẫn Trong khuôn khổ viết tập trung vào CNSH nano này, đề cập đến vật liệu nano ứng dụng ngành khoa học mẻ Do vậy, để tiện theo dõi chia vật liệu nano dùng CNSH nano thành hai loại dạng cầu (điểm lượng tử, dendrimer, lỗ nano, vỏ nano hạt nano) dạng (ống nano, que nano, dây nano) 2.1.1 Dạng cầu Điểm lượng tử (QD) QD hạt vật chất tạo nên từ vật liệu nhóm II–VI (CdSe) III-V (InP) bảng hệ thống tuần hoàn [28], có kích thuớc nhỏ (< 10 nm) [29] tới mức thêm hay lấy điện tử làm thay đổi tính chất Khi ta kích thích QD nhỏ luợng cuờng độ phát sáng tăng, mang lại bước sóng phát xạ khả điều hướng đa hình phổ phát xạ QD (hình 6) Vì cửa ngõ cho hàng loạt áp dụng kỹ thuật (wikipedia) Trong số vật liệu nano, QD nghiên cứu ứng dụng nhiều Có thể nói, với ưu điểm vượt trội mình, QD dần thay chất phát huỳnh quang ứng dụng trước lai in situ, FRET, xác định khả di động tế bào… Dendrimer Dendrimer phân tử chế tạo cách thêm liên tiếp đơn vị nhánh tỏa từ điểm khởi đầu (hình 7) [31] Chất khơi mào (initiator): Có thể tạo dendrimer từ phân tử gốc nguyên tố đa trị Có thể gắn thêm nhóm chức để tạo dendrimer đa chức Đơn vị nhánh: đơn vị nhánh bên toàn amin (DAB-Am = PPI = Astromol), hỗn hợp amine/amide (PAMAM), toàn amide (L-lysine dendrimers), gallate resorcinolate Nếu muốn dùng dendrimer làm thuốc, cần dùng đơn vị nhánh phù hợp với ứng dụng dược học (không độc, hiệu cao, có khả giám sát….) Thể liên kết bề mặt: Tính đa dạng cấu trúc dendrimer tạo nên chủ yếu nhóm bề mặt loại thể liên kết dùng [31] Lỗ nano (nanopore) Lỗ nano tạo nên từ vật liệu rắn (như silicon nitride) kỹ thuật khắc tia ion (ion-beam sculpting technique) [32, 33] theo hai cách: tạo lỗ cách khắc màng, lấp lỗ lớn điều kiện trình chuyển khối biên chủ đạo Chiều sâu lỗ nano màng 5-10 nm đường kĩnh lỗ 3nm Chúng nhỏ đến mức cho mạch đơn DNA qua (hình 8a) Vỏ nano (Nanoshell) Vỏ nano khối cầu silica rỗng với hạt vàng bao quanh (hình 8b) Có thể gắn kháng thể lên bề mặt nhằm tạo khối cầu hướng đích [33, 36, 37] Hạt nano (Nanoparticle) Hạt kim loại nano thường định nghĩa hạt tách biệt có kích thước - 50 nm ngăn cản kết tụ vỏ bảo vệ Phụ thuộc vào vỏ bảo vệ sử dụng, chúng tái phân tán nước (“hydrosols”) dung môi hữu (“organosols”) (hình 8c) [29, 38] Lõi hạt nano hạt C, hạt kim loại [39, 40], hạt từ, hạt hữu [41], hạt silica [42] … 2.1.2 Dạng Ống nano Được khám phá lần Dr Sumio Lijima NEC, Nhật (1991), NT carbon mạng lưới lục giác nguyên tử C thông qua liên kết C sp2 graphite, có đường kính ~1nm chiều dài 1-100 µm NT carbon có tính chất ưu việt kích thước khối lượng nhỏ, độ dẫn điện, dẫn nhiệt, độ bền cao… [38, 43] Có hai loại NT NT vách NT đa vách (hình 9.1, 9.1) [43]… Có thể gắn cấu tử sinh học với NT carbon (hình 9.3), cho phép sử dụng hệ thống lai thiết bị cảm biến sinh học transistor với phổ hoạt động hiệu quả, tạo cấu trúc nano phức hợp mạch nano (nanocircuit) với tính chất chức điều khiển [44] Ngoài NT carbon, với phát triển công nghệ nano, ngày người ta tạo NT peptide [45] Dây nano Các dây nano kim loại khác gồm bạc [46], vàng [47], platinum [48], palladium [49], ZnS [50], đồng [51], silicon [52] tạo nhờ khuôn DNA tổng hợp hóa học Có thể tạo sợi vàng nano cách sử dụng protein dẫn hướng (RecA) [53] Patolsky cộng polymer bước đơn vị monomer G-actin gắn hạt vàng nano đơn vị G-actin không đánh dấu để tạo sợi protein gắn kim loại sau xúc tác kim loại hóa hạt nano (hình 10a) [54] Hình 10b minh họa dây nano silica quấn quanh sợi tóc, nhỏ phần năm virus, bền gấp lần tơ nhện Mã vạch nano (Nanobarcode, NBC) Mã vạch nano hiểu vật liệu nano có khả mã hóa khác tương ứng với loại phân tử đích Chúng hạt nano hình trụ có vạch phân bố tự do, rộng 12 - 15 µm dài - 50 µm Các mô hình sọc làm chúng tách biệt (giống mã vạch truyền thống) ánh sáng, kính hiển vi huỳnh quang khối phổ (hình 11) [29] Nanobarcode tạo thành vừa có khả mã hóa vừa có khả dò Gần đây, que nano đa kim loại với sọc barcode chế tạo thành công Người ta nhận diện chúng cách đo hệ số phản xạ [55] Ngoài người ta tạo NBC có chất phân tử DNA lai có nhiều đầu, đầu gắn với loại mẫu dò tín hiệu phát huỳnh quang màu khác để tạo phân tử có khả mã hóa [56] Que nano (Nanorod) Trong CNNN, que nano sử dụng phổ biến Chúng tạo thành từ kim loại, phi kim muối Co, CuO, Au, CdSe, BaCrO4, BaWO4 [38], gắn với nhóm chức nhằm mang lại khả tự lắp ráp thành cấu trúc hai ba chiều Hiện tại, CNSH, que nano đa thành phần que nano Au/Ni [57] (phần vàng gắn với yếu tố hướng đích, phần Ni gắn với plasmid tạo vector chuyển gene hiệu quả), Au-Ni-Au cho thấy ứng dụng to lớn chuyển gene phân tách chọn lọc cấu tử sinh học Ngoài vật liệu nano kể trên, với phương pháp tổng hợp hóa học, người ta tạo cấu trúc đĩa nano (nanodisks), hạt nano đa vỏ, cách tử nano tam giác cấu trúc nano nhánh [41], mang lại ứng dụng đa dạng CNSH nano Bên cạnh vật liệu nano, phần tử sinh học đóng vai trò vô quan trọng CHSH nano Cho đến nay, người ta lợi dụng phần nhỏ cấu tử, cấu trúc nguyên lý sinh học CNSH nano 2.2 Các phần tử sinh học CNSH nano Tế bào tập hợp hàng ngàn máy nano (nanomachine, nanodevice), chúng thu nhận biến đổi để thực nhiệm vụ CNNN tùy theo chủ định Hiện tại, 10.000 máy nano làm việc thể người Đáng ý sau tách tinh chế, máy nano giữ chức kích thước phân tử Chúng máy phân tử độc lập, lợi dụng để phục vụ người [5] Các phân tử sinh học đóng vai trò thành phần thu nhận, vận chuyển ánh sáng, chuyển hóa tín hiệu, xúc tác, bơm đông máy nano để tạo lượng sản phẩm đặc biệt, thực nhiệm vụ kiểm soát hay lưu giữ liệu [60] Các cấu trúc thiết yếu trao đổi chất tế bào (ty thể, túi vận chuyển, ribosome…) trở thành “bộ phận” máy sinh học-nano Và với tiến công nghệ, mở rộng chức máy theo mục đích mình, biến đổi máy nano phân tử sinh học sẵn có thiết kế hoàn toàn [5, 61] Theo xu nay, người ta không ngừng tìm hiểu, khám phá chế sinh học, tận dụng tối đa tiềm sẵn có hệ thống sinh học để ứng dụng vào CNSH nano Bởi thế, nọi cấu tử sinh học đối tượng nghiên cứu CNSH nano 2.3.1 Protein Trong CNSH nano, protein sử dụng phổ biến Chúng đóng vai trò mẫu dò kỹ thuật protein chip [62], trợ giúp trình tự lắp ráp theo chế kháng nguyên-kháng thể [38], bao gói vật liệu nano khác phân tử liệu pháp (kháng thể) [38] đặc biệt vai trò động nano Động sinh học nano protein phức hệ protein thực chức khác thiết yếu cho sống tái biệt hóa tế bào Chúng sử dụng lượng hóa học, điện hóa điện chuyển lượng thành lực học [63] Tự nhiên cung cấp cho dải rộng động sinh học nano (hình 13), chúng tiến hóa để thực chức đặc biệt với hiệu cao [64] Các protein vận động myosin kinesin đóng vai trò vận chuyển truyền động, động có chất RNA làm virus dễ dàng bao gói axit nucleic [65], RNA polymerase chuyển động dọc theo DNA phiên mã, [66] động tiên mao đẩy vi khuẩn [67] Một số enzyme kinesin, RNA polymerase, myosin, adenosine triphosphate (ATP) synthase có chức động sinh học quay tịnh tiến kích thước nano chí tự cấp nguyên liệu dựa thay đổi môi trường in vivo (như pH) TLR thông qua nguyên lý bổ sung PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO 3.1 Phương pháp hóa học Tổng hợp hóa học giúp tạo lượng lớn vật liệu nano với giá thành hợp lý Có thể bắt đầu với dung dịch muối cho thêm hóa chất (như hydroxide) Sau sản phẩm trạng thái siêu bão hòa, trình kết tủa xảy nhân hóa đồng dị hợp (homogeneous or heterogeneous nucleation) Để tạo hạt với phân bố kích thước hẹp, toàn trình kết tủa phải xảy lúc phải nhân hóa sau tạo thành hạt Tính chất hạt phần lớn xác định tốc độ phản ứng, tốc độ phản ứng lại bị ảnh hưởng nồng độ chất tham gia phản ứng, nhiệt độ, pH thứ tự chất phản ứng cho vào dung dịch Vật liệu nano đa pha (multiphase nanomaterial) khó tạo phương pháp hóa học pha cần điều kiện kết tủa khác Có thể giới hạn kích thước hạt cách tạo nhiều vị trí hạt nhân hóa (nucleation site) sử dụng micelle ngược (reverse micelle), cách bao phủ bề mặt (capping the surface) [94] 3.1.1 Micelle ngược Một số chất hoạt động bề mặt nguyên tử dạng que với đầu ưa nước kỵ nước Khi trộn dầu, nước chất hoạt động bề mặt với theo tỷ lệ thích hợp, phân tử hoạt động bề mặt tự xếp tạo thành vỏ cầu (spherical shells) với nước choán đầy không gian vỏ Kiểu xếp hình học chất hoạt động bề mặt nước gọi micelle ngược (reverse micelle), xảy để tối thiểu hóa lượng.[94] Có thể điều khiển kích thước micelle ngược kích thước phụ thuộc tuyến tính vào tỷ lệ lượng nước lượng chất hoạt động bề mặt Có thể thực hầu hết phản ứng nước nước chứa bên micelle Do đó, kết tủa hạt nano bên micelle Kích thước hạt nano bị giới hạn kích thước micelle ngược [94] cho phân tử mũ (chất gắn cộng hóa trị với bề mặt vật liệu) vào dung dịch để ngăn cản trình kết tụ hạt nano tạo thành (hình 18) Thiolate chất capping thường sử dụng Capping hạn chế kết tụ [94] 3.1.2 Khử Các hạt nano kết tủa thường oxit hydroxid Nếu cần hạt nano kim loại, khử oxid hydroxid hydro nhiệt độ cao Cũng khử rượu đa chức (như ethylene glycol) nhiệt độ cao [94] Quá trình khử hóa học muối kim loại (hình 18) có chất ổn định để tạo hạt keo kim loại hóa trị không (zerovalent) dung dịch lỏng dung môi hữu công bố lần vào năm 1857 Faraday, cách tiếp cận trở thành phương pháp tổng hợp mạnh phổ biến lĩnh vực Phương pháp chuẩn để tạo hạt keo kim loại (như hạt vàng 20nm cách khử [AuCl4–] sodium citrate) thiết lập Turkevich [38] 3.1.3 Tổng hợp điện hóa Từ năm 1994, chế tạo linh hoạt keo lưỡng đơn kim loại cấu trúc nano Reetz nhóm nghiên cứu ông phát triển Quá trình tổng hợp điện hóa tổng quát gồm bước nhỏ (hình 20) Sự phân rã ôxy hóa điện cực anode kim loại Các kim loại hóa trị n dịch chuyển đến cathode Tạo thành nguyên tử kim loại hóa trị cathode Tạo thành hạt kim loại trình hạt nhân hóa phát triển (nucleation and growth) Đình trệ trình phát triển ổn định hóa hạt chất bảo vệ keo Kết tủa hạt keo kim loại cấu trúc nano Bằng cách sử dụng trình tổng hợp điện hóa, tạo hạt cầu Pd(0) với kích thước - nm Phương pháp điện hóa áp dụng thành công để chuẩn bị số organosol hydrosol kim loại Pd, Ni, Co, Fe, Ti, Ag, Au quy mô hàng trăm mg (hiệu suất >95%) [38] 3.2 Phương pháp vật lý 3.2.1 Các phương pháp học Nghiền trục cao Có thể sử dụng phương pháp nghiền trục cao (high-energy ball milling), gọi bào mòn học (mechanical attrition) để giảm kích thước vật liệu hạt từ vài µm xuống 2-20nm Quá trình chậm cần nhiều thời gian để đạt kích thước nhỏ Ưu điểm phương pháp tương đối rẻ dễ tăng quy mô để sản xuất lượng lớn vật liệu Thông thường, để tối đa hóa lượng bào mòn, người ta sử dụng thép cứng cao phân tử (high-mass hard-steel) Ăn mòn có học tạo vật liệu siêu ổn định (metastable) Nếu nghiền có O2 N2, tạo thành oxit nitrit [94] Cắt laze Trong kỹ thuật cắt laser (Hình 21(a)) ngưới ta đặt graphite lò dùng xung laser mạnh để cắt khí trơ Đầu tiên, dùng điện cực carbon nguyên chất với nhiệt độ khí argon xung quanh 1200oC Khí mang argon tập hợp sản phẩm lắng chúng (deposit) phủ chất làm lạnh Lớp phủ gồm ống nano 4-24 lớp (Hình 21(b)), chiều dài < 300 nm, với lượng nhỏ chất onion SWNT tạo sau đó, trộn lượng nhỏ ([...]... nói, sinh học phân tử là một công cụ không thể thiếu, là kỹ thuật nền của công nghệ sinh học nano 4 ỨNG DỤNG CNSH nano phản ánh tầm quan trọng ngày càng tăng của khoa học nano và công cụ nano trong việc tạo ra các loại vật liệu sinh học mới để sử dụng trong kỹ thuật mô (tissue engineering) và sắp xếp tế bào (cell patterning), điện cực dùng trong chuẩn đoán, lỗ nano để giải trình tự DNA, vật liệu nano. .. hiệu cao của các thụ thể sinh học (DNA, kháng thể), so với điện cực hóa học, điện cực sinh học nhạy hơn nhiều trong các đánh giá sinh học [82] Dùng vật liệu nano trong điện cực sinh học cho phép sử dụng một số kỹ thuật truyền tín hiệu mới Vì m, các điện cực nano, mẫu dò nano và các hệ thống khác là nhữngµkích thước dưới lĩnh vực cách mạng hóa trong phân tích sinh học và hóa học, cho phép phân tích nhanh... và (B) dây nano ZnS-virus [Theo 50] 3.3.3 Phỏng sinh học Trong tương lai, các hệ thống vật liệu chức năng được phát triển cho công nghệ sinh học nano hoặc công nghệ nano có thể gồm protein (hình 27) Chúng tham gia vào quá trình lắp ráp, chế tác và chắc chắn, trong cấu trúc sản phẩm cuối cùng, mang lại các chức năng đặc biệt, có thể điều khiển tương tự các cấu trúc trong mô xốp và rắn sinh học Trong... dây nano [50] Với sự phát triển như vũ bão của công nghệ hiện nay, có thể nói, mọi cấu tử sinh học 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 hiện các nhiệm vụ đặc biệt ở quy mô nano, như hướng đích tới các tế bào ung thư hoặc giải quyết một một nhiệm vụ máy tính đơn giản Khi CNSH nano. .. 109] Giải pháp thứ ba là tự lắp ráp và/hoặc đồng lắp ráp các phân tử sinh học thành cấu trúc nano có trật tự Điều này đảm bảo một quá trình lắp ráp tinh vi để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp, và có thể là các cấu trúc có thứ bậc, tương tự trong tự nhiên Hình 28 Tiềm năng ứng dụng của MB trong công nghệ nano và công nghệ sinh học nano sử dụng các polypeptide biến đổi di truyền gắn chất vô cơ [Theo 38]... công nghệ cho CNSH nano Các kỹ thuật lai, dung hợp protein, tạo đột biến… được dùng thường nhật trong CNSH nano để tạo ra các khối cấu trúc sinh học, các kỹ thuật nhạy mới Các hệ thống sinh học có khả năng độc nhất vô nhị trong việc điều khiển cấu trúc, pha, chiều hướng và topo học cấu trúc nano của các tinh thể vô cơ Các nghiên cứu gần đây đã lợi dụng các nguyên lý nhận biết sinh học để phát triển... nano trong đó protein và tính chất gắn của nó được tạo ra nhờ kỹ thuật DNA trong khi thành phần vô cơ mang các chức năng đặc biệt (như điện, quang, từ) Các polypeptide gắn này (hay các protein nhỏ) được gọi là các protein kỹ thuật di truyền cho chất vô cơ [38] 3.3.4 Sinh học phân tử Một phần không thể thiếu trong CNSH nano là sinh học phân tử Sinh học phân tử phát triển mang lại một nền tảng công nghệ. .. thành công Các cảm biến sinh học nano được sử dụng thành công trong các đo đạc nội bào Điện cực PEBBLE có thể xác định pH, Mg+, Cl-, K+, Ca2+, oxy và glucose nội bào khá chính xác [84] Các cảm biến nano sợi quang của Vo-Dinh và cộng sự [127] được chế tạo thành công để đo nồng độ benzo-a-pyrenetetrol (BPT) trong bào tương của tế bào ung thư vú của người và tế bào biểu mô gan chuột Điện cực sinh học nano. .. microfluidic chip có thể được tự động hóa quy mô lớn trong quá trình sinh học sử dụng các thể tích nl Ngày nay, chúng ta đang thấy các hệ thống microfluidic thật sự nổi lên để điều khiển các vật liệu ở mức nl, chúng được gọi là các hệ thống nanofluidic [81] 2.2.3 Điện cực nano (nanosensor) Điện cực sinh học là một thiết bị gồm thụ thể sinh học và một yếu tố chuyển đổi có khả năng chuyển hóa những thông... thao tác mô Công ty AngstroMedica (Newton, MA, USA) đang sử dụng các vật liệu được cấu trúc ở quy mô nano để ổn định và tái tạo xương từ canxi và phosphate Công ty pSiMedica (The Malverns, UK) đang sử dụng silicon phân hủy sinh học để cấy vào xương Các loại kiến trúc quy mô nano khác đang được phát triển để tái tạo thần kinh ở công ty NanoMateria (Chicago, IL, hình 3) [12] Các nhà khoa học tại Northwestern ... vậy, nói, sinh học phân tử công cụ thiếu, kỹ thuật công nghệ sinh học nano ỨNG DỤNG CNSH nano phản ánh tầm quan trọng ngày tăng khoa học nano công cụ nano việc tạo loại vật liệu sinh học để sử... vi sinh vật 4.4 Phát hiện-xác định cấu tử sinh học 4.5 Phân tách cấu tử sinh học 4.6 Máy tính nano sinh học TÀI LIỆU THAM KHẢO GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Lịch sử phát triển 1.1.1 Công nghệ sinh học Công. .. dây nano [50] Với phát triển vũ bão công nghệ nay, nói, cấu tử sinh học kích thước nano có tiềm ứng dụng CNSH nano 2.3 Cấu trúc nano tích hợp Ngày nay, người ta thiết kế chế tạo máy sinh học nano