Các vật liệu nano ứng dụng trong y sinh

ĐỀ KIỂM TRA CUỐI KÌ Học phần: Vật lý vật liệu nano CHUYÊN ĐỀ 43: Các vật liệu nano biết đến với khả ứng dụng y-sinh học, nêu ví dụ cụ thể ứng dụng vật liệu nano y-sinh học (mô tả chi tiết cấu trúc, tính chất, thiết kế cách đưa vật liệu nano vào ứng dụng)? I Mở đầu Công nghệ nano phát triển với tốc độ chóng mặt làm thay đổi diện mạo ngành khoa học Vật liệu nano 20 năm gần tưởng chừng quanh quẩn xung quanh ứng dụng quang học, điện học, quang điện tử, phát triển âm thầm vươn tầm tay đến y - sinh học, mở hội cho ứng dụng hay cải thiện ứng dụng có việc phục vụ sức khoẻ hạnh phúc người Đặc biệt, ngành công nghệ tạo cách mạng ứng dụng y sinh học nhờ vào khả giúp người can thiệp kích thước nanomet (1nanomet 1/triệu mm) vật liệu nano sử dụng chẩn đoán điều trị bệnh Một số ứng dụng vật liệu nano y sinh học như: - Phân tách chọn lọc tế bào - Dẫn truyền thuốc - Phương pháp tăng nhiệt cục - Tạo ảnh sinh học - Ứng dụng phẩu thuật thẩm mỹ Hạt tải thuốc nano: Y học nano (nanomedicine) áp dụng công nghệ nano vào y học cho việc phịng bệnh, chẩn đốn trị liệu cách dùng vật liệu nano để thao tác hệ thống sinh học mức tế bào hay xuống thấp cấp phân tử Những nghiên cứu y học nano phần lớn liên quan đến việc tải thuốc đến tế bào bệnh chẩn bệnh mức phân tử Việc tận dụng hạt nano làm "vật tải" (carrier) việc tải thuốc nhả thuốc "địa chỉ" trở nên đề tài nghiên cứu nóng liên quan đến việc phát triển dược liệu chống ung thư khả doanh thu lớn cho công ty y dược Điều nhìn thấy qua số lượng báo cáo liên quan gia tăng 15 lần năm, từ 100 (năm 1999) đến 1500 (năm 2007) II Ứng dụng vật liệu nano việc Dẫn truyền thuốc Khái niệm: Dẫn truyền thuốc hạt từ tính phát triển từ năm 1970 Đó việc sử dụng hạt từ tính hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết thể, giúp thu hẹp phạm vi phân bố thuốc thể làm giảm tác dụng phụ thuốc giảm lượng thuốc điều trị Cơ chế chung: Hạt nanơ từ tính có tính tương hợp sinh học gắn kết với thuốc điều trị Lúc hạt nanơ có tác dụng hạt mang Thông thường hệ thuốc/hạt tạo chất lỏng từ vào thể thông qua hệ tuần hoàn Khi hạt vào mạch máu, người ta dùng gradient từ trường mạnh để tập trung hạt vào vị trí thể Một hệ thuốc/hạt tập trung vị trí cần thiết q trình nhả thuốc diễn thông qua chế hoạt động enzym tính chất sinh lý học tế bào ung thư gây độ pH, trình khuyếch tán thay đổi nhiệt độ Quá trình vật lý diễn việc dẫn truyền thuốc tương tự phân tách tế bào Gradient từ trường có tác dụng tập trung hệ thuốc/hạt Hiệu việc dẫn truyền thuốc phụ thuộc vào cường độ từ trường, gradient từ trường, thể tích tính chất từ hạt nanơ Các chất mang (chất lỏng từ) thường vào tĩnh mạnh động mạch nên thông số thủy lực thông lượng máu, nồng độ chất lỏng từ, thời gian tuần hồn đóng vai trị quan trọng thống số sinh lý học khoảng cách từ vị trí thuốc đến nguồn từ trường, mức độ liên kết thuốc/hạt, thể tích khối u Các hạt có kích thước micrô mét (tạo thành từ hạt siêu thuận từ có kích thước nhỏ hơn) hoạt động hiệu hệ thống tuần hoàn đặc biệt mạch máu lớn động mạch Nguồn từ trường thường nam châm NdFeB tạo từ trường khoảng 0,2 T gradient từ trường khoảng T/m với động mạch đùi khoảng 100 T/m với động mạch cổ Điều cho thấy trình dẫn thuốc hạt nanơ từ tính có hiệu vùng máu chảy chậm gần nguồn từ trường Tuy nhiên, hạt nanô chuyển động gần thành mạch máu chuyển động chúng không tuân theo định luật Stoke nên với gradient từ trường nhỏ trình dẫn thuốc có tác dụng Các hạt nanơ từ tính thường dùng ơ-xít sắt (magnetite Fe3O4, maghemite aFe2O3) bao phủ xung quanh hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học PVA, detran silica Chất bao phủ có tác dụng chức hóa bề mặt để liên kết với phân tử khác nhóm chức carboxyl, biotin, Nghiên cứu dẫn truyền thuốc thử nghiệm thành công động vật, đặc biệt dùng để điều trị u não Việc dẫn truyền thuốc đến u não khó khăn thuốc cần phải vượt qua hàng rào băng cách não máu, nhờ có trợ giúp hạt nanơ từ có kích thước 10-20 nm, việc dẫn truyền thuốc có hiệu nhiều Việc áp dụng phương pháp người có số thành cơng, cịn khiêm tốn Hiệu lực loại dược liệu thường bị giới hạn tính khơng phân biệt tế bào bình thường tế bào bệnh, hồ tan, dễ bị thải khỏi thể gây tác dụng phụ Tải thuốc đến tế bào ung thư hóa trị liệu (chemotherapy) đề tài nghiên cứu nhiều Thuốc đề kháng ung thư diệt tế bào ung thư mà tiêu hủy tế bào tốt Sự hủy diệt bừa bãi theo chế "bom rải thảm" phải trị liệu với liều thuốc cao mà đem đến tác dụng phụ tai hại đến thể bệnh nhân Để khắc phục khuyết điểm lợi dụng khác biệt lý tính, hố tính tế bào bình thường tế bào ung thư, hạt tải thuốc nano thiết kế kích cỡ tối ưu vừa có "bộ cảm ứng" biết cảm nhận, phân biệt tế bào, vừa có "bộ phận đóng mở" biết giữ nhả thuốc mơi trường có pH hay nhiệt độ thích hợp Hai yếu tố bật tế bào ung thư có nhiệt độ cao pH biểu thị nhiều tính acid tế bào bình thường Phân loại hạt nano dẫn truyền thuốc vào tế bào: 3.1 Hạt nano từ tính sử dụng Gradient: hạt oxit sắt (Hạt nano từ tính sử dụng gardient điều khiển đến vùng cần điều trị) 3.2 Hạt nano sử dụng liên kết hóa học: liposome, polymer (Hạt nano sử dụng liên Hạt nano có Chất lỏng từ tính tương hợp Sinh học Thuốc điều trị Hệ tuần hoàn Tế bào cần điều trị thể Gardient từ trường ngồi mạnh kết hóa học để đưa thuốc tới vùng điều trị) Phân tử thuốc kết hợp vỏ hạt Hạt nano Phân tử thuốc chứa bên hạt phân tử thuốc Liposome Liposome loại hạt có vỏ kép thiết kế có tính thân nước (hydrophilic) bề mặt ngồi để di chuyển mơi trường sinh học chứa phân tử thuốc trạng thái dung dịch nước (Hình 2) Giữa hai bề mặt vùng chứa chất béo phospholipid cholesterol ghét nước (hydrophobic), có khả hịa tan dược liệu thích béo (lipophilic) Ngồi ra, bề mặt vỏ liposome thiết kế với thành phần hóa học thích hợp cho hạt biết tránh tế bào khoẻ mạnh mục tiêu cơng, mà tác dụng với tế bào ung thư nhả thuốc gặp mơi trường có nhiệt độ hay pH định Các nhà nghiên cứu sinh hóa học thiết kế lớp phospholipid có độ nhạy cảm với pH môi trường Nhờ vậy, liposome vào mơi trường vi mơ mang tính acid khối u ung thư vỏ liposome tan vỡ nhả thuốc vào tế bào bệnh Thành nghiên cứu vài thập niên vừa qua tối ưu hóa cấu trúc liposome, gia tăng hiệu cho việc hóa trị liệu ung thư thể người Hình 1: Cấu trúc liposome phân tử thuốc (●) Polymer Polymer vật tải thuốc có chức tương tự với cấu trúc đơn giản (Hình 2) Hình 2: Vật tải polymer phân tử thuốc(●) Vật liệu polymer thường dùng polymer sinh học chitosan (chế biến từ vỏ tôm) hay polymer tổng hợp, poly (butylcyano acrylate) Các polymer kết tập thành mixen (micelle) có tính tương thích sinh học (bio-compatible) phân hủy sinh học (bio-degradable) Gần đây, tương tự hạt liposome, mixen polymer thiết kế có độ nhạy pH môi trường xung quanh Độ nhạy pH polymer thiết kế để gặp môi trường khối u ung thư polymer bị phân giải nhả thuốc chống ung thư tốc độ tối ưu định sẵn Kết tụ Polymer Mixen Polymer Kết hợp phân tử thuốc Hạt tải thuốc Hệ thống tuần hoàn qua mạch máu Tế bào (nm) < Kích thước hạt nano