III. Cỏc lĩnh vực ứng dụng và tiềm năng của khoa học-cụng nghệ nano 3.1 Cỏc lĩnh vực ứng dụng của khoa học-cụng nghệ nano
3.1.4. Cụng nghệ nano sinh học và nan oy học
CNNN sinh học được rất nhiều chuyờn gia đỏnh giỏ là một lĩnh vực cú triển vọng lõu dài vỡ trước hết phải nghiờn cứu rất nhiều lĩnh vực khoa học cơ bản, đồng thời nú cũng hứa hẹn đem lại rất nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong lĩnh vực y học. Dự đoỏn khoảng thời gian để tạo ra những ứng dụng trong lĩnh vực này là 10 năm và xa hơn. Đối với ngắn hạn, cú thể sử dụng trực tiếp cỏc protein, ADN và những polime sinh học khỏc ở cỏc ứng dụng linh kiện điện tử nano và thiết bị cảm biến sinh học. Núi cỏch khỏc, cỏc cấu trỳc mụ phỏng sinh học (bio-mimetic) sẽ được phỏt minh ra nhờ vào việc mụ phỏng hoạt động của cỏc cấu trỳc tự nhiờn, vớ dụ như catenane và rotaxane là những hợp chất hoạt động giống như những động cơ phõn tử tuyến tớnh và quay vũng.
Cỏc ứng dụng trong lĩnh vực y học đặc biệt hứa hẹn. Những lĩnh vực như chẩn đoỏn bệnh, cung cấp dược phẩm theo mục tiờu và chiếu, chụp hỡnh phõn tử đang được tăng cường nghiờn cứu. Cỏc sản phẩm chứa cỏc hạt nano liờn quan tới y học hiện nay đó cú trờn thị trường Mỹ. Vớ dụ CNNN đó khai thỏc tớnh chất chống vi trựng nổi tiếng của bạc nhằm chế tạo ra đồ băng bú vết thương cú chứa bạc tinh thể nano cung cấp ion bạc trong một khoảng thời gian liờn tục để tạo ra một loạt phương phỏp chống vi khuẩn cho 150 nguồn bệnh khỏc nhau.
- Cụng nghệ phõn tớch cấu trỳc dữ liệu sinh học theo dóy (array technology)
Cỏc cụng nghệ phõn tớch cấu trỳc dữ liệu sinh học theo dóy sử dụng cỏc mẫu vật sinh học tương đối lớn ở cỡ micromet, đang tiếp tục được nõng cao về độ nhạy, kớch thước và khả năng phõn tớch dữ liệu. Phương phỏp chip ADN, mang một dóy phõn tử trờn một chất trơ, hiện nay thường được sử dụng trong phõn tớch gen và protein. Xu hướng nghiờn cứu khối lượng mẫu vật nhỏ hơn đũi hỏi độ phõn giải cao hơn đó biến cụng nghệ này thành một cụng nghệ nổi trội. Cỏc cụng nghệ “Lab on chip” (Phũng thớ nghiệm trờn con chip), đang được sử dụng để phỏn đoỏn và hỗ trợ cho việc chẩn đoỏn bệnh, mặc dự hiện thời mới ở phạm vi micromet, nhưng những tiến bộ trong việc phỏt triển cỏc hệ nano lỏng sẽ cú tiềm năng dẫn tới việc cho ra những hệ tớch hợp cỡ nano. Chỳng sẽ cú rất nhiều ứng dụng vớ dụ như sử dụng trong cỏc thiết bị tiờn tiến để dũ ra cỏc tỏc nhõn húa chất và sinh học.
- Tớch hợp cụng nghệ sinh học nano với điện tử học và cụng nghệ thụng tin và truyền thụng
Một trong những lĩnh vực nghiờn cứu CNNN sinh học quan trọng nhất là tớch hợp chức năng của protein vào cỏc thiết bị vớ dụ như cỏc cảm biến phõn tử. Trong lĩnh vực này, nhiệm vụ lớn nhất là hiểu được những tớnh chất điện tử cơ bản của những cơ chế và phõn tử mà nhờ đú dũng điện được truyền giữa chỳng, giữa cỏc kim loại, cỏc chất bỏn dẫn và cỏc composit nano điện tử mới lạ, vớ dụ như cỏc ống CNT. Những tiến bộ trong lĩnh vực này sẽ cho phộp tớch hợp những phõn tử “thụng minh” vào cỏc thiết bị và cỏc hệ thống để tạo ra cỏc ứng dụng cho ICT. Vớ dụ, tạo ra một transitor dựa trờn protein sẽ là một nhiệm vụ lớn của CNNN sinh học. ADN sẽ trở thành một vật liệu điện tử hữu ớch, mặc dự cú nhiều thử nghiệm cho thấy nú khụng phải là một chất dẫn điện tốt, nhưng nú sẽ được sử dụng làm khuụn để sản xuất ra cỏc dõy nano ADN bọc vàng hay bạc và cỏc mạch tớch hợp sử dụng cỏc liờn kết ADN.
Cỏc màng mỏng và cỏc tinh thể của protein màng bacteriorhodopsin đó được chứng minh cú những ứng dụng quang học như trong cỏc bộ điều biến quang học, cỏc thiết bị cảm biến và bộ nhớ chụp ảnh giao thoa quang học. Trung tõm phản ứng quang hợp nằm trong protein này, chỉ cú kớch thước 5 nm, hoạt động với vai trũ là một điốt nm, vỡ vậy cú thể sử dụng nú trong cỏc thiết bị quang điện phõn tử đơn. Vớ dụ, tớch hợp nú với cỏc ống CNT dẫn điện và cỏc điện cực cỡ nm sẽ tạo ra những thiết bị mạch lụgic, cỏc bộ chuyển đổi, cỏc pin quang điện, cỏc bộ nhớ và thiết bị cảm biến.
- CNNN sinh học với phương phỏp tự lắp rỏp
Phương phỏp chế tạo nano từ trờn xuống cú lợi thế là sản xuất được hầu như bất cứ một cấu trỳc tiền xỏc định nào. Tuy nhiờn, phần lớn nghiờn cứu hiện nay đang tập trung vào những quy trỡnh liờn quan tới tự lắp rỏp phõn tử. Trong lĩnh vực này, cỏc vật liệu sinh học cú lợi thế lớn hơn cỏc vật liệu vụ cơ do tớnh đa dạng của cỏc cấu trỳc tự
lắp rỏp mà chỳng cú thể tạo ra. Sự tiến húa trong thế giới tự nhiờn đó sản sinh ra rất nhiều loại thiết bị sinh học phõn tử kỳ diệu. Trong số những vớ dụ nổi bật nhất về việc chế tạo cỏc cấu trỳc nhõn tạo là cỏc cấu trỳc hỡnh học dựa trờn ADN (bao gồm cỏc tinh thể nhõn tạo) và cỏc mỏy nano dựa trờn ADN, cỏc mỏy nano lai ghộp giữa vật liệu sinh học với cỏc thành phần vụ cơ,
- Cung cấp thuốc theo mục tiờu
CNNN cú tiềm năng rất lớn để ứng dụng vào liệu phỏp gen và cung cấp thuốc theo mục tiờu. Trong phương phỏp cung cấp thuốc theo mục tiờu, phương tiện vận chuyển thuốc sẽ là một hạt nano cú khả năng hướng tới những tế bào mắc bệnh. Hạt này sẽ mang những loại thuốc để cung cấp vào tế bào và đồng thời mang theo cả một thiết bị cảm biến để điều chỉnh quỏ trỡnh cung cấp. Cỏc nhà khoa học đó tiến hành thử nghiệm một số giai đoạn của phương phỏp này nhưng việc cung cấp thuốc nhằm vào cỏc tế bào mục tiờu cũn đũi hỏi cần cú những nghiờn cứu sõu hơn.
Bờn cạnh đú, một hướng tiếp cận khỏc, cú liờn quan, đó được đưa vào ỏp dụng trờn thực tế, đú là sử dụng cỏc liệu phỏp dược phẩm cú nguồn gốc polime. Chỳng gồm cỏc dược phẩm polime, cỏc tiếp hợp thuốc polyme, cỏc tiếp hợp protein-polime, cỏc mixen polime, cỏc phức hợp đa thành phần được phỏt triển làm phương tiện vận chuyển khụng dựng virut để sử dụng trong liệu phỏp gen.
Những loại vật liệu kể trờn đó được sử dụng để điều trị một số căn bệnh hiểm nghốo. Liệu phỏp gen, trong đú ADN được nộn vào trong một hạt cỡ nm, cú nhiều hứa hẹn để điều trị cỏc khiếm khuyết di truyền vớ dụ như bệnh xơ hoỏ nang và khiếm khuyết hệ miễn nhiễm. Hiện nay, liệu phỏp gen sử dụng vật truyền virut mới chỉ được ỏp dụng thử nghiệm để chữa trị cho 10 em bộ mắc một số khiếm khuyết hệ miễn nhiễm ở Anh. Cỏc cỏch tiếp cận khụng sử dụng virut và CNNN sinh học cũng đang được nghiờn cứu tớch cực mặc dự chưa một phương phỏp nào được đưa vào điều trị ở cỏc bệnh viện.
- Bào chế dược phẩm
Cỏc kỹ thuật của CNNN giỳp cho cỏc nhà khoa học cú khả năng nghiờn cứu cỏc phản ứng của thụ thể tiếp nhận dược phẩm ở mức độ phõn tử đơn, như bằng cỏch sử dụng cỏc nhớp quang học và AFM, nhờ vậy đó mang lại một phương phỏp để bào chế dược phẩm trực tiếp hơn. Phương phỏp này cũng cú thể cho phộp, vớ dụ, phỏt hiện ra bệnh tật ở mức độ đơn bào, rất sớm trước khi những triệu trứng của căn bệnh phỏt ra bờn ngoài. Đạt được điều này là nhờ cỏc phương phỏp giỏm sỏt những thay đổi ở cỏc lực nguyờn tử hoặc độ dẫn iụn của một thụ thể tiếp nhận đơn hoặc kờnh iụn khi bị một phõn tử thuốc gắn vào.
Hiện nay, cỏc kỹ thuật chiếu, chụp hỡnh khụng xõm phạm giữ vai trũ rất quan trọng trong y học. Phương hướng phỏt triển những kỹ thuật như Chụp hỡnh Cộng hưởng Từ tớnh (MRI) là tăng cường độ phõn giải và cỏc chất tương phản. Cỏc CNNN đó cú đủ khả năng để chụp hỡnh nội bào nhờ sự gắn kết của cỏc chấm lượng tử hoặc cỏc sắc thể tổng hợp vào cỏc phõn tử được lựa chọn, vớ dụ như cỏc protein, hoặc bằng việc kết hợp cỏc protein huỳnh quang, nhờ những kỹ thuật quang học vớ dụ như kớnh hiển vi đồng tiờu điểm và chụp hỡnh tương quan, sẽ cho phộp cỏc nhà khoa học nghiờn cứu trực tiếp quỏ trỡnh sinh hoỏ nội bào.
- CNNN với phương phỏp điều trị ung thư
Sỏng kiến Cụng nghệ nano Quốc gia của Mỹ đó nhận định rằng CNNN cú tiềm năng rất lớn trong việc điều trị bệnh ung thư. Theo Sỏng kiến này, “Tới năm 2015, khả năng chẩn đoỏn sớm và chữa trị những khối u mới xuất hiện sẽ gúp phần loại trừ hoàn toàn số người chết và mắc căn bệnh hiểm nghốo này”. Trong việc điều trị bệnh ung thư, cỏc thiết bị nano cú thể được bọc bờn ngoài bằng một vật liệu cú khả năng tự tỡm mục tiờu, chẳng hạn như khỏng thể, để dũ tỡm tế bào ung thư, hoặc được phủ một lớp thuốc đặc trị để tiờu diệt cỏc tế bào ung thư đồng thời cú thể mang cỏc hoạt chất chụp hỡnh giỳp chẩn đoỏn bệnh chớnh xỏc hơn. Sử dụng thuốc điều trị thụng qua thiết bị nano cú thể tiờu diệt chớnh xỏc tế bào ung thư mà khụng ảnh hưởng tới cỏc tế bào khỏe như liệu phỏp húa trị và xạ trị. Tuy nhiờn, đõy mới chỉ là triển vọng trong tương lai xa. Bờn cạnh việc nghiờn cứu một số biện phỏp chẩn đoỏn sớm và chữa trị một số dạng bệnh ung thư dựa trờn CNNN, những nhõn tố khỏc như việc tăng vốn hiểu biết về những nguyờn nhõn mụi trường gõy ra bệnh ung thư, cỏc phương phỏp chăm súc sức khoẻ cộng đồng, cỏc tiến bộ trong giải phẫu, dược lý và X quang cũng cú vai trũ rất quan trọng trong việc giảm tỷ lệ mắc và tử vong của bệnh ung thư.
- Cấy ghộp và bộ phận giả
Một số vật liệu nano vớ dụ như cỏc ceramic tinh thể nano cú những tớnh chất như độ cứng, chống hao mũn và tương thớch sinh học, sẽ làm cho chỳng trở thành những vật liệu lý tưởng để làm cỏc mụ cấy. Sự phỏt triển của cỏc hệ thống nano điện tử cú mật độ cỏc mỏy dũ lớn và khả năng xử lý dữ liệu cao cú thể giỳp cỏc nhà khoa học tạo ra một vừng mạc nhõn tạo hoặc ốc tai nhõn tạo. Tương tự như vậy, việc sử dụng cỏc linh kiện điện tử nano sẽ cho phộp nghiờn cứu quỏ trỡnh xử lý của dõy thần kinh sinh học với độ phõn giải cao hơn. Cỏc nhà khoa học đó phỏt triển dõy thần kinh của động vật gặm nhấm trờn cỏc bề mặt được chế tạo cỡ nano để hỡnh thành nờn những mạng lưới dõy thần kinh sơ đẳng, nhờ đú họ cú thể đo được tớn hiệu điện phỏt ra. Bằng cỏch gửi và nhận cỏc xung điện từ hệ thống đú, cỏc nhà khoa học cú thể hiểu được cỏc dõy thần kinh tạo nờn trớ nhớ qua những phản ứng của chỳng với cỏc mụ hỡnh tỏc nhõn kớch
thớch khỏc nhau như thế nào. Hy vọng rằng cỏc kết quả nghiờn cứu sẽ giỳp cho những người bị thương tổn thị giỏc cú thể phục hồi lại khả năng nhỡn, hoặc phục hồi lại chức năng của cơ cho những bệnh nhõn mắc bệnh Parkinson.