Vật liệu

Hạt nano KL vàng ứng dụng robot nano y học

Vàng là một vật liệu cho nhiều ứng dụng quan trọng trong y học có lịch sử đã hàng trăm năm. Huyền phù Vàng đã được sử dụng như được liệu từ thời trung cổ cho các bệnh liên quan đến tim, hoa liễu, kiết lị, động kinh. Ngày nay, người ta ít nói đến vàng như một dược liệu vì sự tiến bộ của dược hóa học hiên đại đã tổng hợp được nhiều phân tử thuốc thay thế vai trò của vàng

Đóng góp của vàng vào y học và sinh học hiện nay vẫn tập trung ở dạng huyền phù nano nhưng thuộc vào lĩnh vực phát quang và hấp thụ sống điện từ. Hat nano vàng là thay thế tuyêt vời cho hạt nano phát quang của hơp chất cadmium vì vàng không có độc tính

Ngoài ra, cũng như các hạt nano bán dẫn, bề mặt hạt nano vàng có thể kết hợp với phân tử thuốc , phân tử sinh hoc như DNA, các loại protein như enzyme, kháng thể cho nhiều ứng dụng y hoc khác nhau

Au-particule

Hạt nano phát huỳnh quang chứa 5, 8, 13, 23, 31 nguyên tử được chế tạo với một đường kính chính xác ở cấp nanomet trong đó chùm 31 nguyên tử có đường kính lớn nhất khoảng 1nm. Tuy nhiên, khi hạt nano vàng có kích thước từ 10 đến vài trăm nanomet, sự phát huỳnh quang nhường chỗ cho sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng

Hiện tượng đặt biệt này là do hiên tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR), chỉ xảy ra trong kim loại quý như Vàng , bạc nhưng không thấy ở các kim loại thương như sắt, nhôm. Nó cũng tương tự như khi ánh sáng mặt trời xuyên qua bầu khí quyển quả đất, ánh sáng bị tán xạ bởi các phân tử nitrogen, oxygen trong không khí cho ta bầu trời xanh lơ. Vàng có màu vàng quen thuộc khi ở thể khối SPR gây ra sự hấp thụ sóng ở một bước sóng nhất định nào đó, Tán xạ và hiển thị sóng ở các bước sóng còn lại( thí dụ, khi ánh sáng màu xanh bị hấp thu thì ánh sáng đỏ sẽ hiển thị và ngược lại). Vì vậy, hạt nano vàng không hiển thị màu vàng nữa mà là màu xanh, xanh lục, đỏ tím, tùy vào kích cỡ của hạt

Đặt tính SPR đã gây ra sự chú ý đặc biệt đến các nhà khoa học về vật liệu và họ đã nhanh chống thiết kế hạt nano vàng với nhiều độ lớn khác nhau để sự hấp thụ sống có thể xảy ra trong một vùng rộng lớn dải rộng từ tia tử ngoại đến tia hồng ngoại. Trong các ứng dụng y học của hạt nano vàng , Sự phát quang gần như bị bỏ quên nhưng SPR được áp dụng rộng rải và cho nhiều kết quả bất ngờ. Giáo sư El-Sayed và cộng sự đã tận dụng sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng qua SPR của hạt nano vàng để quan sát và chẩn đoán các tế bào ung thư miệng . Bề mặt hạt nano vàng (đường kính 35 nm) được kết hợp kháng thể có chức năng bám vào tế bào ung thư. Nhờ vậy, hạt nano có “ái lực” với tế bào ung thư 6 lần nhiều hơn với tế bào mạnh khoẻ bình thường. Dưới ánh sáng trắng, các tế bào ung thư được thắp sáng và quan sát bằng kính hiển vi quang học thông thường. Phải nói là sự tiện lợi và sử dụng các dụng cụ thí nghiệm ít tốn kém là một ưu điểm của phương pháp này. Một ưu điểm nổi bật khác là dung dịch hạt nano có thể phun lên các mô tế bào và kết quả có thể nhìn thấy tức khắc. Hơn nữa, hạt nano vàng còn cho thấy sự khác biệt của bước sóng hấp thụ giữa tế bào ung thư và tế bào khoẻ mạnh. Kết quả quan trọng này giúp y sĩ phân biệt “đá vàng”, tế bào tốt xấu trong việc trị liệu và phẫu thuật.

Trong SPR, sự hấp thụ ánh sáng của hạt nano càng tiến về hướng ánh sáng đỏ (bước sóng dài) khi hạt càng to . Tận dụng sự liên hệ này, nhóm nghiên cứu tại Rice University (Mỹ) đã phủ vàng lên hạt nano silica (SiO2) tạo ra một loại hạt lai nano có thể hấp thụ tia hồng ngoại . Bước sóng hấp thụ được điều chỉnh với độ chính xác rất cao qua sự tương quan giữa độ lớn của hạt nano silica và độ dày của lớp phủ vàng để cho vật liệu lai này có thể hấp thụ một vùng rộng lớn của tia hồng ngoại có bước sóng từ 800 đến 2.200 nm.

Đây là môt phương pháp chế tạo vật liệu lai nano đơn giản nhưng đầy tính sáng tạo. Ta không cần phải dùng 100 % vàng tốn kém mà sử dụng silica không mang độc tính làm chất độn, vừa có thể uyển chuyển điều chỉnh bước sóng hấp thụ qua hai biến số là đường kính silica và độ dày của vàng. Silica là một vật liệu vô cơ vô cùng phong phú, giá rẻ và là thành phần chính của cát và thủy tinh. Từ thập niên 60 của thế kỷ trước, hạt silica đã được chế tạo dễ dàng với kích thước từ 50 nm đến 2 μm (2.000 nm). Silica cũng được cơ quan “Food and Drug Administration” (FDA, Mỹ) đánh giá là vật liệu an toàn cho cơ thể. Phủ vàng lên hạt nano silica là một thí dụ trong nhiều phương pháp cải biến bề mặt hạt silica cho các áp dụng y học nano.

Trên phương diện y học, hạt lai nano vàng/silica giải quyết được những khó khăn của các vật liệu cổ điển trong việc tạo ảnh hồng ngoại và trị liệu nhiệt. Trong các liệu pháp y khoa những vật liệu cảm ứng với tia hồng ngoại (tức là nhiệt) mang đến nhiều ưu điểm hơn tia tử ngoại hay laser mang năng lượng cao. Đặc biệt, vùng cận hồng ngoại (bước sóng 800 – 1.100 nm) có khả năng xuyên qua mô nhưng ít gây tổn hại hơn tia tử ngoại hay ánh sáng thấy được. Chẳng hạn, phương pháp trị liệu ung thư bằng quang nhiệt (photothermal therapy) đòi hỏi sự tập trung nhiệt nhắm vào mô tế bào bệnh là một khái niệm phổ quát đã được nghiên cứu và áp dụng rộng rải.

Tuy nhiên, khi khối u ung thư nằm trong vùng sâu trong cơ thể, việc áp đặt nguồn nhiệt gần mục tiêu là việc bất khả thi . Người ta đã đưa vào cơ thể các phân tử hấp thụ nguồn hồng ngoại để phát nhiệt “tại chỗ” ở tế bào, nhưng chúng không có hiệu năng hấp thụ cao và sự phát nhiệt tan biến nhanh chóng. Sự xuất hiện của hạt lai nano vàng/silica làm cục diện thay đổi. Kết quả nghiên cứu của nhóm nghiên cứu tại Rice University (Mỹ) đã đưa đến sự hình thành hạt nano lai vàng/silica với đường kính lõi silica là 119 nm và độ dày lớp phủ vàng 12 nm . Ở kích thước này, hạt hấp thụ rất mạnh tia cận hồng ngoại ở bước sóng 800 nm. Hạt lai nano này và được tiêm vào chuột vừa phát quang cho việc tạo ảnh mô tế bào, vừa phát nhiệt cho việc trị liệu ung thư.

Tiến xa hơn nữa, nhóm nghiên cứu của giáo sư Hyeon tại đại học Seoul (Seoul National University, Hàn Quốc) cải biến thêm bề mặt silica trong đó hạt nano siêu từ tính oxyd sắt được kết hợp, sau đó phủ vàng tạo ra một bề mặt phức hợp, đa năng . Hạt nano silica có đường kính 100 nm, hạt oxyd sắt 7 nm và bề dày lớp phủ vàng 15 nm. Bề mặt phức hợp này có hai tác dụng trên tế bào ung thư: lớp phủ vàng hấp thụ tia hồng ngoại cho việc trị liệu nhiệt và hạt nano oxyd sắt có công dụng gia tăng độ tương phản cho phương pháp tạo ảnh cộng hưởng từ hạch MRI.

 Câu chuyện về nano vàng sẽ thiếu sót nếu không nói đến que nano (nanorod). SPR rất hiệu quả trên bề mặt của que nano vàng còn hơn cả hạt nano. Bước sóng hấp thụ rất nhạy cảm với đường kính và chiều dài que khiến cho que nano vàng trở nên một vật liệu nano quan trọng trong nhiều ứng dụng . Đặc điểm quan trọng của vật liệu nano kim loại là có độ nóng chảy tùy thuộc vào kích thước. Độ nóng chảy của kim loại không phải là một hằng số mà là một lượng khả biến, càng thấp khi kích thước càng nhỏ . Vàng khối có độ nóng chảy ở khoảng 1.064 °C, nhưng sẽ giảm nhanh đến 200 °C hoặc thấp hơn khi là hạt nano chỉ chứa vài nguyên tử vàng. Vì vậy, khi hấp thụ tia laser que nano nóng chảy co lại thành dạng cầu . Một nhóm nghiên cứu tại Đài Loan lần đầu tiên đã áp dụng sự biến hình này để tải phân tử DNA vào các tế bào. DNA được kết hợp với que nano vàng và dưới sự kích hoạt của tia hồng ngoại, que biến hình thành hạt và trong quá trình này DNA được phóng thích vào tế bào chất

tải xuống

Khám phá này cho một tiềm năng ứng dụng cực kỳ thú vị; ta chỉ cần dùng tia hồng ngoại để phóng thích nhân tố di truyền vào trong các tế bào bằng một vật tải không mang độc tính. Tuy nhiên, theo sự suy luận của người viết để có một áp dụng thực tiễn que nano cần phải được thiết kế với đường kính cực nhỏ, nhỏ hơn 1 nm để giảm độ nóng chảy của que và gia tăng hiệu suất phóng thích. Khi độ nóng chảy quá cao (> 200 °C), khả năng phá hủy do sự phát nhiệt từ que sẽ làm biến chất tế bào; que nano trở thành một vật tác hại đối với tế bào khoẻ mạnh hơn là một vật tải hữu dụng trong trường hợp này.