6. Giả thuyết khoa học
3.3. Hạt nano kim loai vàng
Vàng là một vật liệu cho nhiều ứng dụng quan trọng trong y học có lịch sử đã hàng ngàn năm. Huyền phù (colloid) vàng đã đƣợc xử dụng nhƣ dƣợc liệu từ thời Trung cổ cho các bệnh liên hệ đến tim, hoa liễu, kiết lỵ, động kinh. Ngày nay, ngƣời ta ít nói đến vàng nhƣ một dƣợc liệu vì sự tiến bộ của dƣợc hóa học hiện đại đã tổng hợp đƣợc nhiều phân tử thuốc thay thế vai trò của vàng. Đóng góp quan trọng của vàng vào y học và sinh học hiện nay vẫn tập trung ở dạng huyền phù nano nhƣng thuộc về lĩnh vực phát quang và hấp thụ sóng điện từ. Hạt nano vàng là một thay thế tuyệt vời cho hạt nano phát quang của hợp chất cadmium vì vàng không có độc tính. Ngoài ra, cũng nhƣ hạt nano bán dẫn, bề mặt hạt nano vàng có thể kết hợp với phân tử thuốc, phân tử sinh học nhƣ DNA, các loại protein nhƣ enzyme, kháng thể cho nhiều ứng dụng y học khác nhau.
Hạt nano vàng phát huỳnh quang chứa 5, 8, 13, 23 và 31 nguyên tử đƣợc chế tạo với một đƣờng kính chính xác ở cấp nanomét trong đó chùm 31 nguyên tử có đƣờng kính lớn nhất khoảng 1 nm. Tuy nhiên, khi hạt nano vàng có kích thƣớc từ 10 đến vài trăm nanomét, sự phát huỳnh quang nhƣờng chỗ cho sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng. Hiện tƣợng đặc biệt này là do hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt (surface plasmon resonance, SPR), chỉ xảy ra trong kim loại qúi nhƣ vàng, bạc nhƣng không thấy ở các kim loại thƣờng nhƣ sắt, nhôm. Nó cũng tƣơng tự nhƣ khi ánh sáng mặt trời xuyên qua bầu
khí quyển quả đất, ánh sáng xanh bị tán xạ bởi các phân tử nitrogen, oxygen trong không khí cho ta bầu trời xanh lơ. Vàng có màu vàng quen thuộc khi ở thể khối, nhƣng khi ở cấp nanomét SPR gây ra sự hấp thụ sóng ở một bƣớc sóng nhất định nào đó, tán xạ và hiển thị sóng ở các bƣớc sóng còn lại (thí dụ, khi ánh sáng màu xanh bị hấp thụ thì ánh sáng đỏ sẽ hiển thị và ngƣợc lại). Vì vậy, hạt nano vàng không là màu vàng nữa mà hiển thị màu xanh, xanh lục, đỏ, tím, tuỳ vào kích cỡ của hạt. Đặc tính SPR đã gây ra sự chú ý đặc biệt đến các nhà vật liệu học và họ đã nhanh chóng thiết kế hạt nano vàng với nhiều độ lớn khác nhau để sự hấp thụ sóng có thể xảy ra trong một vùng rộng lớn dải rộng từ tia tử ngoại đến tia hồng ngoại. Trong các ứng dụng y học của hạt nano vàng, sự phát huỳnh quang gần nhƣ bị bỏ quên nhƣng SPR đƣợc áp dụng rộng rải và cho nhiều kết quả bất ngờ. Sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng qua SPR của hạt nano vàng để quan sát và chẩn đoán các tế bào ung thƣ miệng. Bề mặt hạt nano vàng (đƣờng kính 35 nm) đƣợc kết hợp kháng thể có chức năng bám vào tế bào ung thƣ. Nhờ vậy, hạt nano có "ái lực" với tế bào ung thƣ 6 lần nhiều hơn với tế bào mạnh khoẻ bình thƣờng. Dƣới ánh sáng trắng, các tế bào ung thƣ đƣợc thắp sáng và quan sát bằng kính hiển vi quang học thông thƣờng. Phải nói là sự tiện lợi và sử dụng các dụng cụ thí nghiệm ít tốn kém là một ƣu điểm của phƣơng pháp này. Một ƣu điểm nổi bật khác là dung dịch hạt nano có thể phun lên các mô tế bào và kết quả có thể nhìn thấy tức khắc. Hơn nữa, hạt nano vàng còn cho thấy sự khác biệt của bƣớc sóng hấp thụ giữa tế bào ung thƣ và tế bào khoẻ mạnh. Kết quả quan trọng này giúp y sĩ phân biệt "đá vàng", tế bào tốt xấu trong việc trị liệu và phẫu thuật.
Trong SPR, sự hấp thụ ánh sáng của hạt nano càng tiến về hƣớng ánh sáng đỏ (bƣớc sóng dài) khi hạt càng to. Tận dụng sự liên hệ này, nhóm nghiên cứu tại Rice University (Mỹ) đã phủ vàng lên hạt nano silica (SiO2) tạo ra một loại hạt lai nano có thể hấp thụ tia hồng ngoại. Bƣớc sóng hấp
thụ đƣợc điều chỉnh với độ chính xác rất cao qua sự tƣơng quan giữa độ lớn của hạt nano silica và độ dày của lớp phủ vàng để cho vật liệu lai này có thể hấp thụ một vùng rộng lớn của tia hồng ngoại có bƣớc sóng từ 800 đến 2.200 nm.
Đây là một phƣơng pháp chế tạo vật liệu lai nano đơn giản nhƣng đầy tính sáng tạo. Ta không cần phải dùng 100 % vàng tốn kém mà sử dụng silica không mang độc tính làm chất độn, vừa có thể uyển chuyển điều chỉnh bƣớc sóng hấp thụ qua hai biến số là đƣờng kính silica và độ dày của vàng. Silica là một vật liệu vô cơ vô cùng phong phú, giá rẻ và là thành phần chính của cát và thủy tinh. Từ thập niên 60 của thế kỷ trƣớc, hạt silica đã đƣợc chế tạo dễ dàng với kích thƣớc từ 50 nm đến 2 μm (2.000 nm). Silica cũng đƣợc cơ quan "Food and Drug Administration" (FDA, Mỹ) đánh giá là vật liệu an toàn cho cơ thể. Phủ vàng lên hạt nano silica là một thí dụ trong nhiều phƣơng pháp cải biến bề mặt hạt silica cho các áp dụng y học nano.
Trên phƣơng diện y học, hạt lai nano vàng/silica giải quyết đƣợc những khó khăn của các vật liệu cổ điển trong việc tạo ảnh hồng ngoại và trị liệu nhiệt. Trong các liệu pháp y khoa những vật liệu cảm ứng với tia hồng ngoại (tức là nhiệt) mang đến nhiều ƣu điểm hơn tia tử ngoại hay laser mang năng lƣợng cao. Đặc biệt, vùng cận hồng ngoại (bƣớc sóng 800 - 1.100 nm) có khả năng xuyên qua mô nhƣng ít gây tổn hại hơn tia tử ngoại hay ánh sáng thấy đƣợc. Chẳng hạn, phƣơng pháp trị liệu ung thƣ bằng quang nhiệt (photothermal therapy) đòi hỏi sự tập trung nhiệt nhắm vào mô tế bào bệnh là một khái niệm phổ quát đã đƣợc nghiên cứu và áp dụng rộng rãi. Tuy nhiên, khi khối u ung thƣ nằm trong vùng sâu trong cơ thể, việc áp đặt nguồn nhiệt gần mục tiêu là việc bất khả thi. Ngƣời ta đã đƣa vào cơ thể các phân tử hấp thụ nguồn hồng ngoại để phát nhiệt "tại chỗ" ở tế bào, nhƣng chúng không có hiệu năng hấp thụ cao và sự phát nhiệt tan biến nhanh chóng. Sự xuất hiện của
hạt lai nano vàng/silica làm cục diện thay đổi. Kết quả nghiên cứu của nhóm nghiên cứu tại Rice University (Mỹ) đã đƣa đến sự hình thành hạt nano lai vàng/silica với đƣờng kính lõi silica là 119 nm và độ dày lớp phủ vàng 12 nm. Ở kích thƣớc này, hạt hấp thụ rất mạnh tia cận hồng ngoại ở bƣớc sóng 800 nm. Hạt lai nano này và đƣợc tiêm vào chuột vừa phát quang cho việc tạo ảnh mô tế bào, vừa phát nhiệt cho việc trị liệu ung thƣ. Tiến xa hơn nữa, nhóm nghiên cứu của giáo sƣ Hyeon tại đại học Seoul (Seoul National University, Hàn Quốc) cải biến thêm bề mặt silica trong đó hạt nano siêu từ tính oxít sắt đƣợc kết hợp, sau đó phủ vàng tạo ra một bề mặt phức hợp, đa năng (hình 3.9). Hạt nano silica có đƣờng kính 100 nm, hạt oxít sắt 7 nm và bề dày lớp phủ vàng 15 nm. Bề mặt phức hợp này có hai tác dụng trên tế bào ung thƣ: lớp phủ vàng hấp thụ tia hồng ngoại cho việc trị liệu nhiệt và hạt nano oxít sắt có công dụng gia tăng độ tƣơng phản cho phƣơng pháp tạo ảnh cộng hƣởng từ hạch MRI.
Hình 3.9: Bề mặt phức hợp của hạt nano silica, (1) hạt nano silica trần; (2) được kết hợp với hạt oxít sắt và (3) được phủ bởi lớp nano vàng.
Câu chuyện về nano vàng sẽ thiếu sót nếu không nói đến que nano (nanorod). SPR rất hiệu quả trên bề mặt của que nano vàng còn hơn cả hạt nano. Bƣớc sóng hấp thụ rất nhạy cảm với đƣờng kính và chiều dài que khiến cho que nano vàng trở nên một vật liệu nano quan trọng trong nhiều ứng dụng. Đặc điểm quan trọng của vật liệu nano kim loại là có độ nóng chảy tùy
thuộc vào kích thƣớc. Độ nóng chảy của kim loại không phải là một hằng số mà là một lƣợng khả biến, càng thấp khi kích thƣớc càng nhỏ. Vàng khối có độ nóng chảy ở khoảng 1.064 °C, nhƣng sẽ giảm nhanh đến 200 °C hoặc thấp hơn khi là hạt nano chỉ chứa vài nguyên tử vàng. Vì vậy, khi hấp thụ tia laser que nano nóng chảy co lại thành dạng cầu. Một nhóm nghiên cứu tại Đài Loan lần đầu tiên đã áp dụng sự biến hình này để tải phân tử DNA vào các tế bào. DNA đƣợc kết hợp với que nano vàng và dƣới sự kích hoạt của tia hồng ngoại, que biến hình thành hạt và trong quá trình này DNA đƣợc phóng thích vào tế bào chất (Hình 3.10).
Hình 3.10. Phân tử DNA được kết hợp với que nano vàng và cho vào tế bào. Khi được kích hoạt bởi tia hồng ngoại, que biến hình thành hạt và đồng thời
phóng thích DNA.
Khám phá này cho một tiềm năng ứng dụng cực kỳ thú vị; ta chỉ cần dùng tia hồng ngoại để phóng thích nhân tố di truyền vào trong các tế bào bằng một vật tải không mang độc tính. Tuy nhiên, theo sự suy luận của ngƣời viết để có một áp dụng thực tiễn que nano cần phải đƣợc thiết kế với đƣờng kính cực nhỏ, nhỏ hơn 1 nm để giảm độ nóng chảy của que và gia tăng hiệu suất phóng thích. Khi độ nóng chảy quá cao (> 200 °C), khả năng phá hủy do sự phát nhiệt từ que sẽ làm biến chất tế bào; que nano trở thành một vật tác hại đối với tế bào khỏe mạnh hơn là một vật tải hữu dụng trong trƣờng hợp này.