Tổng quan về Công nghệ sinh học Nano và Phương pháp chế tạo vật liệu Nano

PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO

Có thể giới hạn kích thước hạt bằng cách tạo ra rất nhiều vị trí hạt nhân hóa (nucleation site) sử dụng micelle ngược (reverse micelle), hoặc bằng cách bao phủ bề mặt (capping the surface) [94]. Kiểu sắp xếp hình học của chất hoạt động bề mặt và nước như vậy gọi là micelle ngược (reverse micelle), xảy ra để tối thiểu hóa năng lượng.[94] Có thể điều khiển được kích thước của micelle ngược vì kích thước của nó phụ thuộc tuyến tính vào tỷ lệ của lượng nước trên lượng chất hoạt động bề mặt. Quá trình khử hóa học muối kim loại (hình 18) khi có chất ổn định để tạo hạt keo kim loại hóa trị không (zerovalent) trong dung dịch lỏng hoặc dung môi hữu cơ được công bố lần đầu tiên vào năm 1857 bởi Faraday, và cách tiếp cận này đã trở thành một trong các phương pháp tổng hợp mạnh và phổ biến nhất trong lĩnh vực này.

Mô hình này tạo ra các ống nano carbon nhiều thành khi các que nano tinh sạch được sử dụng tại các điện cực và tạo ra các ống nano đơn thành khi chất xúc tác kim loại được trộn với lừi của anode. Mặc dù khi đứng riêng, các liên kết này tương đối yếu nhưng trong tổng thể chung, chúng chi phối quá trình hình thành cấu trúc của tất cả các đại phân tử sinh học và ảnh hưởng đến tương tác của chúng với các phân tử khác. Schnur và cộng sự đi tiên phong trong công nghệ tự lắp ghép ống lipid để tạo ra các vật liệu dùng trong lĩnh vực chế tạo vật liệu mới sử dụng các khối cấu trúc đơn giản [98] (hình 24b).

Các peptide này có ba vùng chung dọc theo chiều dài của nó: một phối tử nhận biết và gắn tế bào đặc biệt, một thể liên kết để phân tách vật lý với bề mặt và neo để gắn cộng hóa trị với bề mặt [98]. Gần đây, Zang và đồng sự đã tiến một bước xa hơn: sử dụng các peptide và protein như một loại mực, họ in trực tiếp các ký hiệu đặc biệt trên bề mặt polyethylene glycol không bám dính để nhanh chóng lắp ráp các mô hình tùy thích mà không cần mặt nạ hay con dấu (hình 24c). Bộ khung sợi nano peptide và proteinCó thể lắp ráp các bộ khung peptide ba chiều bằng cách nhúng peptide TLR vào dung dịch muối hoặc môi trường sinh lý để tạo ra các cấu trúc đại phân tử [101].

Các hạt keo vàng có thể TLR thành một cấu trúc tập trung bằng cách gắn với các hạt 13nm không bổ sung với các oligonucleotide DNA có hai đầu gắn với nhóm thiol và sau đó kết tụ với một phức hệ oligonucleotide với các đầu dính và bổ sung với hai trình tự ghép [105]. Hơn nữa, sử dụng oligonucleotide tổng hợp mang các base biến đổi cho phép điều khiển cấu trúc của khối tuần hoàn bằng cách gắn thêm các nhóm chức năng như chất xúc tác, enzyme, và protein, các cụm kim loại hoặc các cấu trúc nano DNA khác như polyhedra [108] hoặc vòng Borromean [50]. 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 lĩnh vực phỏng sinh học phân tử (molecular biomimetic, MB)- trong đó kết hợp hài hòa các lĩnh vực sinh học và vật lý truyền thống- có thể tạo ra các vật liệu lai được lắp ráp từ mức phân tử sử dụng các tính chất nhận biết và gắn đặc biệt của protein với các chất vô cơ. Thứ hai, có thể sử dụng các protein này làm chất kết nối hay các tập hợp lắp ráp phân tử để liên kết thực thể phân tử, bao gồm hạt nano, polymer chức năng hoặc các cấu trúc khác trên khuôn phân tử. Đạt được điều này sẽ là một nhảy vọt phi thường, với khả năng tạo ra các khối cấu trúc 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 kỹ thuật trình diện phage (phage display) tái tổ hợp đã được sử dụng để xác định các peptide gắn chất bán dẫn thuộc nhóm III–V và II–VI như ZnSe và GaAs, với các vật liệu từ tính và với calcium carbonate, phosphate.

ỨNG DỤNG

Các thiết bị nano dùng dendrimer PAMAM đa chức năng cung cấp một nền tảng nano để chụp ảnh, phân phối thuốc hướng đích và điều chị ung thư in vitro và in vivo [112-114], giúp tăng hoạt lực của thuốc và tạo đáp ứng dược học nhanh chóng. Polymer dendrimer là thiết bị nano đa năng với khả năng hướng đích tới tế bào KB trong canh trường, phân phối chọn lọc thuốc chống ung thư methotrexate nội bào và cung cấp tín hiệu hình ảnh quang học thông qua chất phát huỳnh quang gắn với vector nano [115]. Nang nano sinh học (BNC) có kích thước trung bình 130nm, lớp ngoài là kháng nguyên bề mặt của vi khuẩn viêm gan B là một bộ máy nano hiệu quả với khả năng phân phối gene, thuốc và protein huỳnh quang đặc hiệu tới tế bào gan người [119].

Kam Leong và đồng sự tại Johns Hopkins University và School of Medicine đã sử dụng que nano (hình 12) kim loại chứa nhiều phân đoạn Au và Ni gắn với các phân tử sinh học khác nhau để phân phối vật liệu di truyền vào tế bào [57]. Các ví dụ là dùng siêu âm tập trung để phá vỡ lipid bao quanh các vi bong bóng (lipid encapsulated ‘microbubbles’) [124]; liệu pháp quang động (photodynamic) với chất mang có bản chất silica [125, 126]; cắt bỏ đúng chỗ bởi nhiệt các tổn thương ung thư bằng cách sử dụng kết hợp vỏ nano và sự hoạt hóa quang học tại bước sóng gần hồng ngoại, để xâm nhập sâu vào mô [33, 36, 37]. Các hệ thống trong tương lai có thể được lập trình trước để có tốc độ phân phối biến đổi theo thời gian hoặc tự điều hòa đáp ứng với các kích thích môi trường (những kích thích này có thể phát hiện bằng cảm biến sinh học tại vị trí cấy).

Điện cực sinh học nano dùng enzyme để phát hiện gián tiếp glutamate (chất truyền dẫn nơron quan trọng trong hệ thần kinh trung ương) một cách liên tục đã được chế tạo thành công, trong đó thụ thể sinh học là glutamate dehydrogenase [128]. Weissleder và đồng sự gần đây đã chứng minh rằng các hạt nano có tính chât từ, ưa béo (lymphotropic paramagnetic nanoparticle) cho phép chụp ảnh cộng hưởng từ kích thước nano (MRI) trong người bệnh ung thư tiền liệt tuyến, cái không thể phát hiện bằng bất cứ cách không cấy ghép nào khác (non- invasive) [132]. Đánh giá định lượng đáp ứng của tế bào với hợp chất m-dinitrobenzene, hạt nano phát huỳnh quang đã được sử dụng để xác định nồng độ Ca2+ nội bào, tiền chất gây chết tế bào trong các tế bào tu thần kinh đệm C6 và nguyên bào thần kinh (neuroblastoma) SY5Y của người [133, 134].

Các nhà khoa học tại Northwestern University đã phát triển mã vạch nano (bio- barcode) siêu nhạy có bản chất là hạt vàng nano và DNA để phát hiện phân tử DNA đích (kháng nguyên đặc hiệu tiền liệt tuyến, PSA) ở nồng độ thấp trong máu [137]. Các nhà nghiên cứu thuộc McGowan Institute for Regenerative Medicine và University of Pittsburgh đã tổng hợp được các NT đồng nhất từ các phân tử muối amine HBr bậc hai, NT này có khả năng giết vi khuẩn và xác định các chất khác nhau qua chỉ thị màu [141]. Maxwell cùng cộng sự [148] và Dubertret cùng cộng sự [39] đã khai thác tiềm năng của các tinh thể chất keo nano vàng để làm tắt thuốc nhuộm phát huỳnh quang trong các thí nghiệm phân biệt oligonucleotide với chỉ một base khác biệt.

Martin và cộng sự kết hợp với Hans Soderlund thuộc VTT đã nghiên cứu một kháng thể gắn chọn lọc với một đồng phân lập thể (enantiomer) của thuốc diarylalkyltriazole (FTB) (hình 8a), một chất kìm hãm hoạt tính của enzyme aromatase [159]. Mới đây (2005), Hellmich và đồng sự đã chế tạo thành công hệ thống poly(dimethylsiloxane) microfluidic tích hợp đồng thời các quá trình bắt giữ, điều hướng, định vị tế bào sâu Sf9 (Spodoptera frugiperda), sau đó ly giải bằng SDS, phân tách protein đích và cuối cùng phát hiện chúng với độ nhạy 100fM mà không cần đánh dấu [163].