5. BỐ CỤC LUẬN VĂN
1.1.5.Ứng dụng của hạt nano sắt từ
a. Ứng dụng trong y sinh
Yêu cầu đối với hạt nano từ tính ứng dụng trong y sinh
Hạt nano từ tính muốn sử dụng đƣợc trong y sinh phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Tính đồng nhất của các hạt cao; - Từ độ bão hòa lớn;
- Vật liệu có tính tƣơng thích sinh học (không độc hại).
Tính đồng nhất về kích thƣớc và tính chất liên quan nhiều đến phƣơng pháp chế tạo; còn từ độ bão hòa và tính tƣơng thích sinh học liên quan đến bản chất vật liệu. Trong tự nhiên, Fe có từ độ bão hòa lớn nhất ở nhiệt độ phòng, không độc với cơ thể con ngƣời, dạng oxit sắt có tính ổn định trong môi trƣờng không khí nên các vật liệu nhƣ oxit sắt Fe3O4 đƣợc nghiên cứu rất nhiều để làm hạt nano từ tính.
Phân tách và chọn lọc tế bào
Trong y sinh học, ngƣời ta thƣờng xuyên phải tách một loại thực thể sinh học nào đó ra khỏi môi trƣờng của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho các mục đích khác [14]. Phân tách tế bào sử dụng các hạt nano từ tính là một trong những phƣơng pháp thƣờng đƣợc sử dụng. Quá trình phân tách đƣợc chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thực thể sinh học cần quan tâm và tách các thực thể đã đƣợc đánh dấu ra khỏi môi trƣờng nhờ từ trƣờng. Tách tế bào bằng từ trƣờng đã và đang đƣợc ứng dụng thành công trong y sinh học. Đây là một trong những phƣơng pháp rất nhạy để có thể tìm thấy tế bào ung thƣ từ máu, đặc biệt là khi nồng độ tế bào ung
thƣ rất thấp, khó có thể tìm thấy bằng phƣơng pháp khác. Ngƣời ta có thể phát hiện kí sinh trùng sốt rét trong máu bằng cách đo từ tính của kí sinh trùng đánh dấu hoặc đánh dấu tế bào hồng cầu bằng chất lỏng từ tính. Ngoài ra, với nguyên tắc tƣơng tự nhƣ phân tách tế bào, quá trình phân tách và làm giàu DNA cũng đƣợc thực hiện nhờ hạt nano từ tính.
Dẫn truyền thuốc
Phƣơng pháp hóa trị liệu đang đƣợc sử dụng phổ biến hiện nay có nhƣợc điểm là không đặc hiệu. Khi vào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố không tập trung nên các tế bào mạnh khỏe cũng bị ảnh hƣởng do tác dụng phụ của thuốc [2]. Chính vì vậy, việc dùng các hạt từ tính nhƣ là hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trong cơ thể (thƣờng dùng cho điều trị các khối u ung thƣ) đã đƣợc nghiên cứu từ những năm 1970. Những ứng dụng này đƣợc gọi là dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính. Có hai lợi ích cơ bản của phƣơng pháp này là:
- Thu hẹp phạm vi phân bố của thuốc trong cơ thể nên làm giảm tác dụng phụ của thuốc;
- Giảm lƣợng thuốc điều trị.
Hạt nano từ tính có tính tƣơng thích sinh học đƣợc gắn kết với thuốc điều trị, lúc này hạt nano có tác dụng nhƣ chất mang. Thông thƣờng, hệ thuốc/ hạt tạo ra một chất lỏng từ đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn. Khi các hạt đi vào mạch máu, ngƣời ta dùng một gradient từ trƣờng ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể. Một khi hệ thuốc/ hạt đƣợc tập trung tại vị trí cần thiết thì quá trình nhả thuốc có thể diễn ra thông qua cơ chế hoạt động của các enzyme hoặc các tính chất sinh lý học do các tế bào ung thƣ gây ra nhƣ độ pH, quá trình khuếch tán hoặc sự thay đổi nhiệt độ. Quá trình vật lý diễn ra trong việc dẫn truyền thuốc cũng tƣơng tự nhƣ phân tách tế bào.
Các hạt nano từ tính thƣờng dùng là oxit sắt (magnetite Fe3O4, maghemite - Fe3O4) bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tƣơng hợp sinh học nhƣ PVA, detran hoặc silica. Chất bao phủ có tác dụng chức năng hóa bề mặt để có thể liên kết với các phân tử khác nhƣ nhóm carboxyl, biotin… Nghiên cứu
dẫn truyền thuốc đã đƣợc thử nghiệm rất thành công trên động vật, đặc biệt là dùng để điều trị u não. Việc dẫn truyền thuốc đến các u não rất khó khăn vì thuốc cần phải vƣợt qua hàng rào ngăn cách giữa não và máu, nhờ có sự trợ giúp của hạt nano từ có kích thƣớc 10-20nm, việc dẫn truyền thuốc có hiệu quả hơn rất nhiều. Việc áp dụng phƣơng pháp này đối với ngƣời tuy đã có một số thành công nhƣng còn rất khiêm tốn.
Tăng thân nhiệt cục bộ
Phƣơng pháp tăng thân nhiệt cục bộ các tế bào ung thƣ mà không làm ảnh hƣởng đến các tế bào bình thƣờng là một trong những ứng dụng khác của hạt nano từ tính. Nguyên tắc hoạt động là các hạt nano từ tính có kích thƣớc từ 20-100 nm đƣợc phân tán trong các mô mong muốn, sau đó dƣới tác dụng của một từ trƣờng xoay chiều bên ngoài đủ lớn về cƣờng độ và tần số để làm cho các hạt nano hƣởng ứng mà tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh. Nhiệt độ khoảng 42 C trong 30 phút có thể đủ để giết chết các tế bào ung thƣ. Nghiên cứu về kĩ thuật tăng thân nhiệt cục bộ đƣợc phát triển từ rất lâu và có rất nhiều công trình đề cập đến kĩ thuật này nhƣng chƣa công bố nào thành công trên ngƣời. Khó khăn chủ yếu là việc dẫn truyền lƣợng hạt nano phù hợp để tạo ra đủ nhiệt lƣợng khi có mặt của từ trƣờng ngoài mạnh trong phạm vi điều trị cho phép [2].
Tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ
Mặc dù momen từ của một proton rất nhỏ (1,5.10-3 ) nhƣng trong cơ thể động vật có một lƣợng rất lớn proton nên có thể tạo ra một hiệu ứng có thể đo đƣợc. Nếu tác dụng một từ trƣờng cố định có cƣờng độ H = 1T cùng với một từ trƣờng xoay chiều vuông góc với từ trƣờng cố định và có tần số [7]. Ví dụ hạt nano có kích thƣớc 30 nm đƣợc bao phủ dextran có thể nhanh chóng đi vào gan và tì, trong khi những cơ quan khác thì chậm hơn. Nhƣ vậy, mật độ hạt nano ở các cơ quan là khác nhau, dẫn đến sự nhiễu loạn từ trƣờng cục bộ khác nhau, làm tăng độ tƣơng phản trong ảnh cộng hƣởng từ do thời gian hồi phục bị thay đổi khi đi từ mô này đến mô khác.
Nano từ lỏng đƣợc ứng dụng để xử lý nƣớc bị nhiễm bẩn. Để làm sạch nƣớc bẩn có nhiều phƣơng pháp vật lý, hóa học. Các phƣơng pháp này thƣờng phức tạp, tốn kém, mất nhiều thời gian nhƣng đôi khi hiệu quả chƣa cao, không tách lọc triệt để các tạp chất trong nƣớc bẩn. Gần đây, với việc chế tạo ra chất lỏng từ ferit ứng dụng để lắng đọng nƣớc bẩn bằng cơ chế tĩnh điện và hấp phụ có thể làm sạch nƣớc triệt để, nhanh chóng, hiệu quả.
Mới đây nhà khoa học Nhật Bản có sáng kiến sử dụng hạt nano từ tính lọc nƣớc bằng cách cho một loài vi khuẩn chuyên ăn các chất lơ lửng trong nƣớc có thể hòa tan thêm các hạt nano từ tính. Bình thƣờng, các vi khuẩn có tác dụng thu gom các chất bẩn. Khi đã ăn no, chúng tự chìm xuống đáy (theo tác dụng của trọng lực) và mang theo các chất bẩn đã thu gom, do vậy làm nƣớc trở nên sạch hơn. Nếu trong nƣớc có các hạt nano từ tính thì các vi khuẩn sẽ gom vào mình các chất bẩn thông thƣờng và cả hạt nano từ tính, khi đó có thể dùng từ trƣờng ngoài để hút các vi khuẩn này, làm cho chúng chìm nhanh hơn và nƣớc sạch nhanh hơn.
Xuất phát từ ý tƣởng đó, các nhà khoa học nƣớc ta đã kết hợp sử dụng nano từ tính Fe3O4 với Al2(SO4)3 để lọc nƣớc. Al2(SO4)3 khi tan trong nƣớc sẽ thủy phân tạo ra kết tủa Al(OH)3 dạng keo. Kết tủa này có tác dụng nhƣ tấm lƣới, khi nó lắng đọng thì các chất bẩn mắc vào nó cũng bị kéo xuống, kết quả là nƣớc trong hơn. Khi đã kết hợp hạt nano từ tính Fe3O4 với Al(OH)3, dƣới tác dụng của từ trƣờng, các hạt nano từ tính Fe3O4 bị hút xuống dƣới. Đồng thời kéo theo tấm lƣới Al(OH)3 chuyển động theo. Khi đó, Al(OH)3 sẽ lắng đọng nhanh hơn hàng chục lần so với khi không dùng hạt nano từ tính.