Để cỏc hạt nano núi chung và hạt nano silica cú thể ứng dụng trong sinh học thỡ chỳng phải thỏa món một số yờu cầu cơ bản sau [24]:
- Vỡ mụi trường sinh học chủ yếu là nước nờn cỏc hạt nano phải phõn tỏn được trong nước;
- Phải gắn kết được với cỏc đối tượng sinh học cần đỏnh dấu như DNA, protein, khỏng thể, tế bào… vỡ vậy chỳng phải cú cỏc nhúm chức năng và húa học bề mặt thớch hợp;
- Cỏc hạt nano phải được bảo vệ khỏi sự xõm nhập của mụi trường sinh học vỡ vậy chỳng phải cú lớp bảo vệ;
- Cỏc hạt nano khụng làm ảnh hưởng tới chức năng nhận biết của phõn tử sinh học và khụng làm ảnh hưởng tới khả năng gắn kết với phõn tử thụ cảm;
- Việc gắn kết cỏc hạt nano với cỏc phõn tử sinh học cú thể làm biến đổi phõn bố khụng gian của phõn tử sinh học. Vỡ vậy, yờu cầu của việc gắn kết là khụng làm ảnh hưởng tới hỡnh thỏi và cấu trỳc phõn tử sinh học. Do đú, kớch thước của cỏc hạt nano phải nhỏ hơn một giỏ trị giới hạn nào đú.
Cỏc hạt nano silica ngay sau khi được chế tạo đó cú một số điểm thỏa món yờu cầu trờn. Thứ nhất, cỏc hạt nano silica chế tạo bằng phương phỏp micelle thuận cú tớnh ưa nước tự nhiờn. Thứ hai, cỏc hạt silica là cỏc hạt nano trờn cơ sở nền silica chứa cỏc tõm màu, do đú bản thõn nền silica là lớp bảo vệ cho cỏc tõm màu ở bờn trong chống lại sự xõm nhập của mụi trường sinh học. Để cỏc hạt nano silica cú thể gắn kết với cỏc phõn tử sinh học thỡ chỳng phải cú thờm một số yờu cầu:
- Yờu cầu về bề mặt: Cỏc hạt nano silica hợp sinh phải cú nhúm chức năng
húa học bề mặt thớch hợp để gắn kết được với cỏc phõn tử sinh học cần đỏnh dấu như amine (-NH2), carboxyl (-COOH), thiol (-SH). Do đú sau khi được chế tạo, cỏc hạt nano silica cần phải được biến đổi húa học bề mặt để cú được cỏc nhúm chức năng phự hợp. Tuy nhiờn khi thay đổi nhúm chức năng bề mặt độ ổn định của cỏc hạt nano trong dung dịch cú thể bị thay đổi. Vớ dụ, khi cỏc nhúm chức -NH3+ được gắn kết lờn bề mặt hạt nano silica làm trung hũa điện tớch õm, do đú độ ổn định của hệ giảm và cỏc hạt sẽ kết dớnh lại với nhau trong mụi trường nước. Để giải quyết
vấn đề này, cỏc hợp chất cơ kim tớch điện õm cú chứa cỏc nhúm chức trơ về mặt húa học như phosphonate hoặc cỏc nhúm chức khỏc được thờm vào để tạo ra cỏc hạt nano cú điện tớch õm làm cho cỏc hạt phõn tỏn tốt trong nước và khụng bị kết dớnh [109]. Cỏc tỏc nhõn ổn định khỏc như cỏc hợp chất cơ kim của silica chứa polyethylene glycol (PEG, là một polymer trung tớnh) cũng cú thể thờm vào bề mặt hạt. Bề mặt hạt nano được PEG húa sẽ ưa nước và tăng khả năng phõn tỏn của chỳng trong nước. Hơn nữa, PEG húa bề mặt hạt sẽ làm giảm cỏc liờn kết khụng đặc hiệu bằng cỏch ức chế sự hấp phụ khụng mong muốn cỏc phõn tử sinh học tớch điện.
- Yờu cầu về kớch thước:Để cỏc hạt nano silica cú thể ứng dụng trong sinh học đặc biệt trong cỏc phõn tớch cực nhạy thỡ độ chúi của hạt phải đủ lớn, do đú số phõn tử chất màu chứa trong mỗi hạt silica phải đủ lớn. Vỡ vậy kớch thước hạt nano silica ứng dụng trong sinh học thường lớn vỡ nếu kớch thước hạt nhỏ sẽ khụng chứa đủ số phõn tử màu để tạo tớn hiệu huỳnh quang lớn. Tuy nhiờn, kớch thước hạt lớn cú thể làm cản trở sự liờn kết của hạt nano silica với phõn tử sinh học và hạn chế khả năng chuyển động của cỏc phõn tử sinh học đó được gắn kết với hạt nano silica trong nội tế bào. Vỡ vậy, sự cõn bằng giữa kớch thước và cường độ huỳnh quang của hạt nano silica chứa tõm màu phải được tớnh toỏn tối ưu đối với cỏc ứng dụng khỏc nhau [24,72].
1.2.5.2. Sự gắn kết của hạt nano silica với phõn tử sinh học
Cỏc hạt nano silica được gắn kết với cỏc phõn tử sinh học theo hai cỏch chớnh: trực tiếp và khụng trực tiếp (Hỡnh 1.12).
1.2.5.2.1. Gắn kết trực tiếp
Cỏch gắn kết đơn giản nhất là cỏc phõn tử sinh học hỳt bỏm lờn bề mặt hạt nano qua liờn kết khụng cộng húa trị (Hỡnh 1.12.a). Cỏc hạt nano tớch điện cú thể liờn kết với cỏc phõn tử sinh học tớch điện trỏi dấu qua tương tỏc tĩnh điện. Mặc dự cỏch này đơn giản, khụng yờu cầu khắt khe nhưng trong trường hợp này, hoạt tớnh của liờn kết sinh học cú thể bị ảnh hưởng và số lượng cỏc liờn kết phõn tử sinh học trờn một hạt nano là rất khú điều khiển. Thờm vào đú, cỏch gắn kết này là khụng đặc hiệu.
Cỏch gắn kết trực tiếp thường được sử dụng nhiều nhất là gắn kết đồng húa trị giữa phõn tử sinh học và hạt nano (Hỡnh 1.12.d). Cỏc hạt nano được biến đổi với cỏc nhúm carboxyl (-COOH) trờn bề mặt hạt tạo điều kiện thớch hợp cho liờn kết đồng húa trị với phõn tử sinh học cú nhúm chức amine bằng cỏc tỏc nhõn
carbodiimide tan trong nước (Hỡnh 1.13.a). Cỏc oligonucleotide được biến đổi disunfua cú thể định vị trờn cỏc hạt đó được chức năng húa bởi nhúm thiol (-SH) bằng cỏch tạo cầu liờn kết húa học disunfide S-S (Hỡnh 1.13.b). Hạt nano được chức năng húa với nhúm amine (-NH2) cú thể liờn kết với cỏc hapten và dược phẩm khỏc nhau bằng succinimidyl ester (Hỡnh 1.13.c). Tất nhiờn, điều khiển số phõn tử sinh học liờn kết trờn một hạt nano vẫn là vấn đề thử thỏch đối với phương phỏp này.
Hỡnh 1.12. Cỏc cỏch thường tiếp hợp phõn tử sinh học với hạt nano [24]
a) Hỳt bỏm trực tiếp với cỏc phõn tử sinh học b) Hỳt bỏm giỏn tiếp qua phõn tử trung gian
c) Liờn kết húa học của phõn tử sinh học với cầu nối trung gian hoặc được hỳt bỏm hoặc liờn kết húa học với bề mặt hạt nano
d) Liờn kết húa học trực tiếp của phõn tử sinh học với hạt nano
e) Liờn kết hướng đớch của phõn tử sinh học đó được biotin húa với streptavidin được bọc trờn cỏc hạt nano qua liờn kết biotin-streptavidin
1.2.5.2.2. Gắn kết khụng trực tiếp
Cỏc phõn tử sinh học đầu dũ thường cú những vị trớ cú hoạt tớnh sinh học cao để nhận biết cỏc phõn tử sinh học đớch. Do đú, khi gắn kết cỏc hạt nano với cỏc phõn tử sinh học đầu dũ thỡ cần trỏnh những vị trớ đú bằng cỏch điều khiển cỏc liờn kết. Do đú, phương phỏp gắn kết khụng trực tiếp thường được dựng trong gắn kết hạt nano với phõn tử sinh học.
Hỡnh 1.13. Cỏc cỏch gắn kết đồng húa trị thụng thường giữa phõn tử sinh học và hạt nano [48]
Phương phỏp gắn kết khụng trực tiếp sử dụng một chất khỏc (protein, khỏng thể, peptide…) để làm cầu nối nối phõn tử sinh học và hạt nano. Chất này gồm hai đầu tớch cực: một đầu gắn với hạt nano và một đầu gắn với phõn tử sinh học. Như vậy phõn tử sinh học và hạt nano gắn kết với nhau qua cầu nối đú. Cú nhiều cỏch gắn kết phõn tử cầu nối trung gian với phõn tử sinh học và hạt nano. Phõn tử cầu nối cú thể hỳt bỏm (physisorption) – liờn kết khụng cộng húa trị với cỏc phõn tử sinh học và bề mặt hạt nano (Hỡnh1.12.b). Phương phỏp này cú thể thuận lợi hơn phương phỏp hỳt bỏm trực tiếp giữa phõn tử sinh học và hạt nano, vỡ nú cú thể giỳp cỏc phõn tử sinh học liờn kết cú tớnh định hướng thớch hợp. Một cỏch khỏc là dựa trờn liờn kết húa học giữa cỏc nhúm chức năng của phõn tử sinh học (như thiol, amine) với cỏc phõn tử cầu nối trung gian (crosslinker). Cỏc cầu nối trung gian này lại liờn kết với bề mặt hạt nano qua hỳt bỏm hoặc liờn kết húa học (liờn kết cộng húa trị) (Hỡnh 1.12.c). Tuy nhiờn việc điều khiển cỏc liờn kết là vấn đề khú khăn trong phương phỏp này. Để khắc phục điều này, hiện nay người ta thường sử dụng những cặp phõn tử cú ỏi lực cao với nhau để
làm cầu nối trung gian như biotin- streptavidin, biotin-avidin. Vớ dụ trờn Hỡnh 1.12.e, hạt nano gắn kết với phõn tử sinh học qua cặp biotin-streptavidin làm cầu nối gắn kết phõn tử sinh học với hạt nano: cỏc hạt nano liờn kết với biotin và cỏc phõn tử sinh học đớch liờn kết với streptavidin – chức năng húa hạt nano với mức độ đặc
Hỡnh 1.14. Mụ tả cỏch gắn kết đặc hiệu của
hạt nano silica với vi khuẩn lao
Mycobacterium [27]
a)
b)
hiệu cao. Hiện nay một lượng lớn cỏc phõn tử trung gian khỏc nhau đó được thương mại húa.
Hỡnh 1.14 mụ tả cỏch hợp sinh đặc hiệu của hạt nano silica với vi khuẩn lao Mycobacterium. Theo phương phỏp này, ban đầu vi khuẩn lao Mycobacterium với cỏc khỏng nguyờn trờn bề mặt được gắn kết với cỏc khỏng thể đặc hiệu khỏng Mycobacterium và sau đú được hợp sinh với hệ hạt nano - protein A để sinh ra cỏc tớn hiệu huỳnh quang [27].
1.2.6. Ứng dụng cỏc hạt nano silica trong y – sinh học
Cỏc hạt nano silica/ormosil chứa tõm màu núi riờng và hạt nano silica chứa tõm màu núi chung với những tớnh chất nổi trội của chỳng đặc biệt là ba tớnh chất quan trọng và điển hỡnh: độ chúi rất cao, bền quang và rất dễ hợp sinh đó làm chỳng cú rất nhiều ứng dụng trong phõn tớch sinh học và chẩn đoỏn bệnh. Hạt nano silica chứa tõm màu được sử dụng trong cỏc ứng dụng điển hỡnh và tiờu biểu là: phộp thử miễn dịch, tăng độ nhạy trong phõn tớch và hiện ảnh sinh học, phõn tớch đa kờnh và làm đầu dũ DNA siờu nhạy (Ultrasensitive DNA detection), chẩn đoỏn ung thư, mỏy đếm dũng tế bào (flow cytometer), vận chuyển thuốc,…