Công nghệ Sinh học Nano Lịch sử phát triển 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 Công nghệ nano Hình Các phân tử DNA có kích thước khoảng 2,5 nm 10 nguyên tử H xếp liền dài 1nm (Theo www.cecs.ucf.edu) T 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] j T ) r \ n v u d e c o H h n i S w W w : i a t e s ia h c u e i l i Ta Hình Mối tương quan thiết bị máy móc (đồng hồ) có kích thước µm đến mm cấu tử sinh học (ribosom, tiên mao) có kích thước nano [Theo 5] 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 T ) \ r \ \ n v u d e c o H h n i S w W w : i a t e s ia h c u e i l i Ta 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) 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 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] \ \ r \ \ \ \ n v u d e c o H h n i S w W w Hình Sức cám dỗ ngày tăng CNNN với nhà đầu tư (a) Vốn đầu tư mạo hiểm chi cho CNSH nano so với lĩnh vực CNNN khác (b) Quỹ đầu tư mạo hiểm hàng năm chi cho CNNN [9] 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 : i a t e s ia h c u e i l i Ta 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 : i a t e s a i h c u e li i Ta \ \ \ \ \ \ \ \ n v u d e c o H h n i S w wW ... 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 Nano2 Bio’... tử sinh học (ribosom, tiên mao) có kích thước nano [Theo 5] 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. .. 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