5. Bố cục luận văn
1.1.5.Ứng dụng sinh học của vật liệu nano từ tính
Hạt nano từ tính ứng dụng trong y sinh phải thỏa mãn 3 điều kiện sau: - Tính đồng nhất của các hạt cao.
- Từ độ bão hòa lớn.
- Vật liệu có tính tương thích sinh học (không độc hại).
Tính đồng nhất về kích thước là tính chất liên quan nhiều đến phương pháp điều chế, còn từ độ bão hòa và tính tương thích sinh học liên quan đến bản chất của vật liệu. Trong tự nhiên, sắt có độ bão hòa lớn nhất ở nhiệt độ phòng, không độc với cơ thể con người và tính ổn định khi làm việc trong môi trường không khí nên các vật liệu như oxit sắt từ được nghiên cứu rất nhiều để làm hạt nano từ tính.
Các ứng dụng của hạt nano từ trong y sinh học được chia làm 2 loại: ứng dụng ngoài cơ thể và trong cơ thể. Phân tách và chọn lọc tế bào là ứng dụng ngoài cơ thể nhằm tách những tế bào cần nghiên cứu ra khỏi các tế bào khác. Các ứng dụng trong cơ thể gồm: dẫn truyền thuốc, nung nóng thân nhiệt cục bộ và tăng độ tương phản trong cộng hưởng từ [40].
a. Phân tách và chọn lọc tế bào
Quá trình phân tách chia làm 2 giai đoạn: đánh dấu thực thể sinh học cần nghiên cứu và tách các thực thể được đánh dấu ra ngoài môi trường bằng từ trường. Việc đánh dấu được thực hiện thông qua các hạt nano từ tính, thường dùng là oxit sắt từ. Các hạt này được bao phủ bởi một loại hợp chất có tính tương thích sinh học như: dextran, polyvinyl ancohol,… Các hợp chất bao phủ có thể tạo liên kết ở một vị trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử cần tách gọi là tế bào hoặc phân tử được đánh dấu. Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài tạo ra lực hút các hạt từ tính mang tế bào được đánh dấu. Các tế bào không được đánh dấu sẽ không bị giữ lại và đi ra ngoài [2], [31]. Cơ chế phân tách tế bào bằng từ trường được trình bày ở hình 1.11.
Hình 1.10. Nguyên tắc tách tế bào bằng từ trường [41]
Tách tế bào bằng từ trường đã được ứng dụng thành công trong y sinh học. Đây là một trong những phương pháp rất nhạy để có thể tách tế bào ung thư, phát hiện kí sinh trùng sốt rét, đánh dấu các tế bào hồng cầu. Với nguyên tắc tương tự như phân tách tế bào, hạt nano từ tính được dùng để phân tách DNA [2].
b. Dẫn truyền thuốc
Do có tính tương thích sinh học cao nên các hạt MNPs oxit sắt được sử dụng như là chất mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể. Nguyên lý dẫn truyền thuốc ở trình bày ở hình 1.12.
Thông thường phương pháp này được dùng để điều trị các khối u ung thư. Phương pháp này có 2 lợi ích cơ bản: thu hẹp phạm vi phân bố thuốc trong cơ thể nên làm giảm tác dụng phụ của thuốc; giảm lượng thuốc và tăng cường hiệu quả điều trị [2].
Nghiên cứu dẫn truyền thuốc đã được thử nghiệm rất thành công trên động vật, đặc biệt là dùng để điều trị u não. Đến nay, người ta đã thành công trong việc định hướng thuốc doxorubicin đến tế bào u bướu được cấy ở đuôi chuột [40]. Phương pháp này đã được mở rộng sang một số loài động vật khác và cũng cho kết
quả tương tự. Việc ứng dụng phương pháp này trên người còn nhiều hạn chế, nhưng các kết quả nghiên cứu ban đầu là rất khả quan.
Hình 1.11. Quá trình dẫn truyền thuốc [43]
Các hạt nano oxit sắt từ thường dùng có bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tương thích sinh học như PVA, dextran hoặc silica. Chất bao phủ có tác dụng chức năng hoá bề mặt để có thể liên kết với các phân tử khác nhau như nhóm chức carboxyl, biotin,... Nghiên cứu dẫn truyền thuốc đã được thử nghiệm rất thành công trên động vật. Việc áp dụng phương pháp này với người tuy đã có một số thành công nhưng còn rất khiêm tốn [40].
c. Cảm biến sinh học
Các hạt MNP oxit sắt có thể được sử dụng để phát triển hệ cảm biến sinh học. Ở kĩ thuật này, người ta có thể gắn các hạt nano từ tính lên các phân tử nhận dạng, sau đó cho các phân tử này tương tác với phân tử cần phân tích đã bị lưu trên bề mặt cảm biến. Bằng việc đo từ tính phát ra từ các phân tử nhận dạng người ta có thể gián tiếp định tính hoặc định lượng các phân tử sinh học [26]. Nguyên lý cảm biến sinh học được trình bày ở hình 1.12.
Hình 1.12. Ứng dụng của hạt nano Fe3O4 trong cảm biến sinh học [28]
d. Tăng thân nhiệt cục bộ
Phương pháp tăng thân nhiệt cục bộ các tế bào ung thư mà không ảnh hưởng đến các tế bào bình thường là một trong những ứng dụng quan trọng khác của hạt nano từ tính. Nguyên tắc hoạt động là các hạt nano từ tính có kích thước từ 20 – 100 nm được phân tán trong các mô mong muốn sau đó tác dụng một từ trường xoay chiều bên ngoài đủ lớn về cường độ và tần số để làm cho các hạt nano hưởng ứng mà tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh. Nhiệt độ khoảng 420C trong khoảng 30 phút có thể đủ để giết chết các tế bào ung thư. Nghiên cứu về kĩ thuật tăng thân nhiệt cục bộ được phát triển từ rất lâu nhưng chưa có công bố nào thành công trên người. Khó khăn chủ yếu là do việc dẫn truyền lượng hạt nano phù hợp để tạo ra đủ lượng nhiệt lượng khi có mặt của từ trường ngoài mạnh trong phạm vi điều trị cho phép [2].
e. Tăng cường quá trình lên men
Oxit sắt từ với lớp phủ thích hợp cũng có thể được sử dụng để tăng cường quá trình lên men. Các lớp phủ hữu cơ có thể làm tăng đáng kể độ hoà tan oxy trong môi trường nhớt. Việc tăng cường sự chuyển đổi lượng oxy có thể làm tăng tốc độ tăng trưởng tế bào, và cuối cùng làm tăng sản xuất vi khuẩn của hợp chất mong muốn [39].
Bernat và các đồng nghiệp công bố nghiên cứu cho thấy việc chuyển lượng oxy từ khí ga lỏng tăng gấp 6 lần với sự có mặt của các hạt nano oxit sắt [10].