1.4. Hạt nano và ứng dụng
1.4.2. Hạt nano từ tính
Ngày nay, các hạt nano được sử dụng trong một loạt các lĩnh vực như công nghệ, y học và công nghiệp. Bằng cách kết hợp các phối tử ái lực lên các hạt nano hay hạt micro đã được áp dụng trong xét nghiệm chẩn đoán và rất nhiều các quy trình nghiên cứu. Các hạt nano vàng có lẽ đã được sử dụng sớm nhất cho những mục đích này [35].
Có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp hạt nano tuy nhiên có thể chia các phương pháp này vào hai phương pháp chính. Phương pháp đầu tiên gọi là phương pháp “phá vỡ” (Breakdown hay còn gọi là top down ) phương pháp này sử dụng ngoại lực tác động lên một khối chất rắn dẫn đến bị vỡ ra thành hạt nhỏ hơn. Thứ hai là xây dựng (Built-up hay bottom-up) phương pháp sản xuất hạt nano bắt đầu từ các nguyên tử dạng khí hoặc lỏng dựa trên biến đổi nguyên tử hoặc thay đổi mật độ phân tử. Với cuộc cách mạng khoa học vật liệu trong công nghệ nano, hình dạng và kích thước hạt là gần như là không giới hạn, từ đó ứng dụng của hạt nano mở rộng đáng kể.
Trong nghiên cứu này, các hạt nano được sử dụng là oxit sắt từ một hỗn hợp bao gồm sắt III (Fe3) và sắt II (Fe2). Các hạt oxit sắt được phủ một lớp bảo vệ bằng silica.
Lớp phủ silica này có 2 tác dụng, một là giúp bảo vệ hạt trong các loại dung môi khác nhau ở các pH khác nhau do tính trơ về mặt hóa học của silica, hai là lớp phủ silica bên ngoài mỗi hạt sẽ tích điện âm cùng dấu do đó các hạt sẽ đẩy nhau và không bị vón lại với nhau. Như chúng ta đã biết, kích thước hạt, thành phần bề mặt, và mật độ hạt trực tiếp ảnh hưởng đến hoạt động của hạt trong dung dịch. Với bề mặt được bao phủ bởi silica hạt nano khá ổn định trong các bộ đệm khác nhau. Mặt khác, các hạt lớn hơn kích thước micron thường sẽ bị lắng xuống theo thời gian trong do trọng lực, các hạt
24
nano sắt với kích thước nano sẽ không dễ bi lắng xuống như vậy. Về lý thuyết, các hạt có thể được tách ra khỏi dung dịch bằng cách ly tâm, nhưng phải mất thời gian lâu hơn và một số hạt có thể bị vón lại và không thể hòa tan trở lại như ban đầu bởi vậy với những hạt này không nên ly tâm trong bất kỳ trường hợp nào, vì vậy nghiên cứu này sử dụng sắt là một nguyên tố kim loại có từ tính có thể được tập hợp nhanh chóng và dễ dàng chỉ bằng cách sử dụng nam châm. Các hạt nano từ tính được chức năng hóa với các nhóm amin để tạo thuận lợi cho các khớp nối với các kháng thể đặc hiệu cho vi khuẩn lao có chứa nhóm carboxyl do đó được đặt tên là các hạt nano amino [36].
Hình 1.6: Hạt nano từ bọc silica
Các hạt nano từ được phủ một lớp silica tích điện âm giúp chúng ổn định huyền phù trong dung dịch do lực đẩy giữa các điện tích cùng dấu, tránh tập hợp lại với nhau và
tủa xuống.
1.4.3. Phức hệ và phương pháp tạo phức hệ với hạt nano.
Có nhiều phương pháp khác nhau để tạo ra phức hệ hạt từ-protein, bao gồm: Sử dụng liên kết chéo carbondiimide để tạo ra liên kết amide giữa nhóm carboxyl của protein và nhóm amine trên bề mặt hạt; Ứng dụng liên kết giữa hạt được hoạt hóa bằng streptavidine tương tác với protein bị biotin hóa; Sử dụng succinimidyl 4-(N- maleimidomethyl) cyclohexan – 1 – carboxylate (SMCC) để gắn gốc sulfhydryl
25
(NHS) với gốc amine.Trong đó SMCC được cho là hợp chất tạo liên kết giữa protein được sử dụng rộng rãi nhất.
Hình 1.7: Cấu trúc phân tử SMCC
Trong nghiên cứu này 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride (EDC hoặc EDAC) là một loại carbodiimide được sử dụng làm chất xúc tác tạo liên kết amide giữa nhóm carboxyl và nhóm amine. Ứng dụng của EDC trên hạt từ và trong các quy trình tạo liên kết bề mặt kết hợp với NHS ( N - hydroxysulfosuccinimide) hoặc sulfo-được sử dung rất rộng rãi [36].
Hình 1.8: Cấu trúc phân tử của EDC[35]
EDC được hòa tan trong dung dich và trộn trực tiếp vào với phản ứng mà không cần sử dụng dung môi hòa tan hữu cơ. Hai thành phần tham gia phản ứng là phân tử protein chứa nhóm carboxyl và hạt nano từ tính chứa nhóm amine. Khi cần thiết các thành phần phản ứng cũng như các sản phẩm phụ tạo ra sau phản ứng gắn có thể được loại bỏ bằng màng lọc dialysis hoặc sắc ký lọc gel.
26
EDC xúc tác tạo thành liên kết giữa hạt nano từ amino và phân tử protein được miêu tả trong Hình 1.9. EDC phản ứng với gốc carboxyl trên phân tử protein tạo ra hợp chất trung gian hoạt động o-acylisourea. Hợp chất này tương tác với nhóm amine trên bề mặt hạt nano từ tạo thành một liên kết amide.
Hình 1.9: Phản ứng tạo liên kết amide xúc tác bởi EDC
EDC phản ứng với carboxylic acids để tạo ra một liên kết ester trung gian sau đó tương tác với gốc amine để tạo thành một liên kết amide và giải phóng EDC (Bioconjugate techniques).
Nghiên cứu của Chử Lương Luân và các cộng sự đã thành công gắn kháng thể lên hạt từ nano sử dụng EDC xúc tác tạo liên kết. Tiếp nối kết quả trên nghiên cứu này hướng tới việc thử nghiệm cố định enzyme lên hạt từ mà không làm mất hoạt tinh của enzyme. Sau đó phối hợp sử dụng hạt từ kháng thể và enzyme để đồng thời bắt giữ và tiêu diệt vi khuẩn lao.