Luận văn thạc sĩ về hạt nano từ tính gắn kháng thể ứng dụng trong chẩn đoán bệnh

• Tác giả: Trần Ngọc Tạo
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Hoàng Hải
• Trường học: Đại học Quốc gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nano
• Đề tài: Hạt Nano Từ Tính Gắn Kháng Thể Trong Chẩn Đoán Bệnh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CÁM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2. Lý thuyết về từ học
• 1.2.1. Các khái niệm cơ bản
• 1.2.2. Phân loại các vật liệu từ
• 1.2.3. Chu trình từ trễ và đường cong từ trễ
• 2. CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Phương pháp tổng hợp
• 2.1.1. Phương pháp đồng kết tủa tổng hợp hạt nano từ tính Fe3O4
• 2.1.2. Phương pháp solvothermal tổng hợp hạt nano từ tính Fe3O4
• 2.1.3. Phương pháp tạo lớp bao phủ SiO2 lên hạt nano từ tính Fe3O4
• 2.1.4. Phương pháp chức năng hóa bề mặt hạt nano Fe3O4/SiO2 với APTES
• 2.1.5. Phương pháp xác định hàm lượng protein theo Bradford
• 2.1.6. Phương pháp gắn protein lên Fe3O4/SiO2
• 2.2. Phương pháp phân tích
• 2.2.1. Phân tích cấu trúc bằng phổ nhiễu xạ tia X
• 2.2.2. Máy đo phổ hấp thụ hồng ngoại FT-IR
• 2.2.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.2.4. Từ kế mẫu rung (VSM)
• 2.2.5. Phổ tử ngoại khả kiến
• 3. CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM
• 3.1. Hóa chất và dụng cụ
• 3.2. Quy trình tổng hợp hạt nano Fe3O4
• 3.2.1. Tổng hợp hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa
• 3.2.2. Tổng hợp hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp solvothermal
• 3.2.3. Quy trình bọc SiO2 lên hạt nano Fe3O4
• 3.2.4. Quy trình phủ APTES lên hạt nano Fe3O4/SiO2
• 3.2.5. Quy trình gắn Albumin lên hạt nano Fe3O4/SiO2
• 3.2.6. Quy trình gắn kháng thể khuẩn tả Vibrio cholerae-O1 lên hạt nano Fe3O4/SiO2
• 3.2.7. Quy trình chẩn đoán tiêu chảy cấp
• 4. CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 4.1. Điều khiển kích thước hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa
• 4.1.1. Khảo sát theo nhiệt độ
• 4.1.2. Khảo sát thay đổi lượng NH4OH
• 4.1.3. Khảo sát nồng độ Fe2+ và Fe3+ ban đầu
• 4.1.4. Khảo sát hạt nano ôxít sắt theo tỷ phần mol
• 4.1.5. Khảo sát lượng NH4OH nhỏ chậm
• 4.2. Điều khiển kích thước hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp solvothermal
• 4.3. Kiểm tra đặc tính của hạt Fe3O4
• 4.3.1. Kiểm tra đặc tính phổ FT-IR hạt nano Fe3O4 ở ba kích thước khác nhau
• 4.3.2. Kiểm tra đặc tính phổ XRD hạt nano Fe3O4 ở ba kích thước khác nhau
• 4.3.3. Kiểm tra đặc tính VSM hạt nano Fe3O4 ở ba kích thước khác nhau
• 4.3.4. Tạo lớp vỏ bảo vệ Silica (SiO2) lên hạt nano Fe3O4
• 4.3.5. Chức năng hóa APTES lên hạt nano Fe3O4/SiO2
• 4.3.6. Chức năng hóa Glutaraldehyde lên hạt nano Fe3O4/SiO2/APTES
• 4.3.7. Định lượng Albumin bám dính lên hạt nano ở ba kích thước khác nhau
• 4.3.8. Đính kháng thể Vibrio Cholerae-01 lên hạt nano Fe3O4/SiO2/APTES
• HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về hạt nano từ tính

Hạt nano từ tính đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong y sinh học. Hạt nano này có khả năng tương tác với các kháng thể, tạo ra những ứng dụng tiềm năng trong chẩn đoán bệnh. Việc sử dụng công nghệ nano trong y học không chỉ giúp phát hiện sớm các bệnh truyền nhiễm mà còn nâng cao hiệu quả điều trị. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc gắn kháng thể lên bề mặt hạt nano từ tính có thể tăng cường khả năng phát hiện các kháng nguyên đặc trưng của vi khuẩn hoặc virus gây bệnh. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc phát hiện sớm các bệnh như tiêu chảy cấp, nơi mà mật độ vi khuẩn trong giai đoạn đầu rất thấp.

1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trên thế giới, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc ứng dụng hạt nano trong y sinh học đang ngày càng gia tăng. Các nhà khoa học đã phát triển nhiều phương pháp tổng hợp hạt nano từ tính và chức năng hóa bề mặt của chúng để tăng cường khả năng tương tác với kháng thể. Tại Việt Nam, các nghiên cứu cũng đang được thực hiện để phát triển các ứng dụng tương tự, với mục tiêu nâng cao khả năng chẩn đoán và điều trị bệnh. Việc sử dụng hạt nano từ tính trong y sinh học không chỉ giúp phát hiện nhanh chóng các tác nhân gây bệnh mà còn mở ra hướng đi mới trong việc điều trị các bệnh truyền nhiễm.

II. Phương pháp tổng hợp hạt nano từ tính

Phương pháp tổng hợp hạt nano từ tính là một yếu tố quan trọng trong việc phát triển ứng dụng của chúng trong y sinh học. Các phương pháp như đồng kết tủa, solvothermal và tạo lớp bao phủ SiO2 đã được áp dụng để tạo ra hạt nano với kích thước và tính chất mong muốn. Việc bao bọc hạt nano từ tính bằng SiO2 không chỉ giúp tăng cường tính ổn định mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho việc gắn kết kháng thể. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc điều chỉnh các thông số trong quá trình tổng hợp có thể ảnh hưởng đến kích thước và tính chất từ của hạt nano, từ đó ảnh hưởng đến khả năng phát hiện các kháng nguyên trong chẩn đoán bệnh.

2.1. Các phương pháp tổng hợp

Các phương pháp tổng hợp hạt nano từ tính bao gồm đồng kết tủa và solvothermal. Phương pháp đồng kết tủa cho phép kiểm soát kích thước hạt thông qua việc điều chỉnh nhiệt độ và nồng độ các thành phần. Trong khi đó, phương pháp solvothermal giúp tạo ra hạt nano với kích thước đồng đều và tính chất từ tính tốt hơn. Việc bao bọc hạt nano bằng SiO2 cũng được thực hiện để tăng cường tính tương thích sinh học và khả năng gắn kết với kháng thể. Những nghiên cứu này đã mở ra hướng đi mới trong việc ứng dụng hạt nano từ tính trong y sinh học.

III. Ứng dụng trong chẩn đoán bệnh

Việc gắn kháng thể lên hạt nano từ tính đã mở ra nhiều cơ hội trong việc phát hiện sớm các bệnh truyền nhiễm. Các nghiên cứu cho thấy rằng, khi kháng thể được gắn lên bề mặt hạt nano, khả năng phát hiện các kháng nguyên trong mẫu bệnh phẩm được nâng cao đáng kể. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc chẩn đoán các bệnh như tiêu chảy cấp, nơi mà việc phát hiện sớm có thể cứu sống nhiều bệnh nhân. Hạt nano từ tính không chỉ giúp tăng cường độ nhạy của các phương pháp chẩn đoán mà còn có thể được sử dụng trong các phương pháp điều trị như dẫn thuốc.

3.1. Phương pháp chẩn đoán

Phương pháp chẩn đoán sử dụng hạt nano từ tính gắn kháng thể đã được chứng minh là hiệu quả trong việc phát hiện các tác nhân gây bệnh. Khi kháng thể gắn lên hạt nano, chúng có khả năng tương tác với các kháng nguyên trong mẫu bệnh phẩm, từ đó tạo ra tín hiệu có thể phát hiện được. Việc sử dụng công nghệ nano trong chẩn đoán không chỉ giúp phát hiện nhanh chóng mà còn nâng cao độ chính xác, từ đó giúp các bác sĩ đưa ra quyết định điều trị kịp thời.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh các bệnh truyền nhiễm như tiêu chảy cấp, sốt xuất huyết, ung thư và các dịch bệnh nguy hiểm khác đang gia tăng, việc phát hiện sớm và chính xác các tác nhân gây bệnh trở thành một thách thức lớn đối với y học hiện đại. Tại Việt Nam, tỷ lệ mắc bệnh tiêu chảy cấp ngày càng tăng, gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng về sức khỏe cộng đồng. Các phương pháp chẩn đoán truyền thống như ELISA thường khó phát hiện bệnh ở giai đoạn đầu do mật độ vi khuẩn, virus còn thấp. Do đó, việc phát triển các công nghệ mới nhằm tăng độ nhạy trong phát hiện bệnh là rất cần thiết.

Luận văn tập trung vào tổng hợp các hạt nano từ tính Fe3O4 có cấu trúc lõi/vỏ, được phủ lớp SiO2 và chức năng hóa bề mặt bằng APTES để gắn kháng thể đặc hiệu, nhằm ứng dụng trong chẩn đoán bệnh tiêu chảy cấp do vi khuẩn Vibrio cholerae-O1 gây ra. Mục tiêu nghiên cứu là phát triển phương pháp tổng hợp hạt nano từ tính có khả năng đính kháng thể, giúp tăng mật độ kháng nguyên lên hàng trăm lần, từ đó nâng cao độ nhạy của các phương pháp phân tích thông thường.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào tổng hợp và chức năng hóa hạt nano Fe3O4 tại phòng thí nghiệm Công nghệ Nano thuộc Đại học Quốc gia TP.HCM trong giai đoạn 2014-2015. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua khả năng ứng dụng trong y sinh học, đặc biệt là chẩn đoán sớm các bệnh truyền nhiễm, góp phần kiểm soát dịch bệnh hiệu quả hơn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình vật liệu từ tính, đặc biệt là tính chất siêu thuận từ của hạt nano Fe3O4. Các khái niệm chính bao gồm:

• Tính siêu thuận từ: Hạt nano Fe3O4 có kích thước nhỏ đủ để trở thành hạt đơn đômen, không có hiện tượng từ trễ, lực kháng từ gần bằng 0, giúp vật liệu nhạy với từ trường ngoài nhưng không giữ từ tính khi ngừng tác động.
• Cấu trúc lõi/vỏ của hạt nano: Lõi từ Fe3O4 có tính từ mạnh, được bao phủ bởi lớp vỏ SiO2 nhằm bảo vệ lõi, tăng tính ổn định hóa học và tương thích sinh học.
• Chức năng hóa bề mặt bằng APTES: Sử dụng 3-aminopropyl triethoxysilane để tạo nhóm amino trên bề mặt hạt nano, tăng khả năng gắn kết kháng thể và các đại phân tử sinh học khác.
• Kháng thể và kháng nguyên: Kháng thể IgG có cấu trúc đặc hiệu, gồm vùng Fab nhận diện kháng nguyên và vùng Fc liên kết với tế bào miễn dịch, đóng vai trò quan trọng trong phản ứng miễn dịch và chẩn đoán bệnh.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp và phân tích hạt nano Fe3O4 tại phòng thí nghiệm Công nghệ Nano, Đại học Quốc gia TP.HCM. Cỡ mẫu gồm các lô hạt nano Fe3O4 được tổng hợp bằng hai phương pháp chính: đồng kết tủa và solvothermal, với kích thước hạt điều chỉnh từ khoảng 20 nm đến 200 nm.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể.
• Phổ hấp thụ hồng ngoại FT-IR để khảo sát chức năng hóa bề mặt.
• Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quan sát hình thái và kích thước hạt.
• Từ kế mẫu rung (VSM) để đo đặc tính từ tính.
• Phương pháp Bradford để xác định hàm lượng protein gắn trên hạt nano.
• Phổ UV-Vis để đánh giá hiệu quả gắn kháng thể Vibrio cholerae-O1.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, bao gồm các giai đoạn tổng hợp hạt nano, phủ SiO2, chức năng hóa bề mặt, gắn protein thử nghiệm (albumin) và kháng thể đặc hiệu, cùng với các bước phân tích đặc tính vật liệu và thử nghiệm chẩn đoán bệnh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Điều khiển kích thước hạt nano Fe3O4: Phương pháp đồng kết tủa cho phép điều chỉnh kích thước hạt từ 20 nm đến 100 nm bằng cách thay đổi nhiệt độ, lượng NH4OH và tỷ lệ mol Fe2+/Fe3+. Ví dụ, tăng nhiệt độ từ 300°C lên 800°C làm tăng kích thước hạt trung bình từ 20 nm lên 100 nm. Tương tự, tăng lượng NH4OH từ 20 mL đến 70 mL cũng làm tăng kích thước hạt.

2. Đặc tính từ tính của hạt nano: Các mẫu hạt nano Fe3O4 có độ từ hóa bão hòa Ms đạt khoảng 92 A·kg⁻¹, phù hợp với tính siêu thuận từ. Sau khi phủ lớp SiO2, Ms giảm nhẹ nhưng vẫn duy trì tính siêu thuận từ cần thiết cho ứng dụng y sinh học.

3. Chức năng hóa bề mặt và gắn protein: Sử dụng APTES để chức năng hóa bề mặt hạt nano Fe3O4/SiO2 làm tăng đáng kể khả năng gắn kết protein albumin và kháng thể Vibrio cholerae-O1. Định lượng protein theo phương pháp Bradford cho thấy hiệu suất gắn kết albumin đạt khoảng 85% trên hạt nano kích thước 50 nm. Tỷ lệ bám dính kháng thể trên hạt nano Fe3O4/SiO2/APTES đạt trên 70%, cao hơn nhiều so với hạt chưa chức năng hóa.

4. Ứng dụng trong chẩn đoán bệnh tiêu chảy cấp: Hạt nano từ tính gắn kháng thể Vibrio cholerae-O1 có khả năng tập trung kháng nguyên nhờ từ trường ngoài, tăng mật độ kháng nguyên lên hàng trăm lần, giúp phát hiện sớm vi khuẩn gây bệnh bằng các phương pháp phân tích thông thường như ELISA.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp tổng hợp đồng kết tủa và solvothermal đều hiệu quả trong việc tạo ra hạt nano Fe3O4 có kích thước và đặc tính từ tính phù hợp. Việc phủ lớp SiO2 không chỉ bảo vệ lõi từ mà còn tạo bề mặt thuận lợi cho chức năng hóa bằng APTES, giúp tăng khả năng gắn kháng thể.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hiệu suất gắn kháng thể và protein của hạt nano trong nghiên cứu này tương đương hoặc vượt trội, nhờ kiểm soát tốt quy trình tổng hợp và chức năng hóa bề mặt. Việc ứng dụng hạt nano từ tính trong chẩn đoán bệnh truyền nhiễm như tiêu chảy cấp là bước tiến quan trọng, giúp phát hiện bệnh sớm hơn, từ đó nâng cao hiệu quả điều trị và kiểm soát dịch bệnh.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ kích thước hạt theo nhiệt độ tổng hợp, bảng so sánh độ từ hóa Ms trước và sau phủ SiO2, đồ thị hấp thụ UV-Vis thể hiện hiệu quả gắn kháng thể, và biểu đồ định lượng protein gắn trên các mẫu hạt nano khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp hạt nano Fe3O4: Điều chỉnh các thông số như nhiệt độ, pH, lượng NH4OH để kiểm soát kích thước hạt nano trong khoảng 20-50 nm nhằm tối ưu tính siêu thuận từ và khả năng gắn kháng thể. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng. Chủ thể: các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu nano.

2. Phát triển quy trình phủ SiO2 và chức năng hóa bề mặt bằng APTES: Nghiên cứu sâu hơn về độ dày lớp phủ và mật độ nhóm amino để tăng hiệu quả gắn kháng thể, giảm thiểu kết tụ hạt. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: nhóm nghiên cứu công nghệ nano và hóa học vật liệu.

3. Ứng dụng hạt nano từ tính trong chẩn đoán lâm sàng: Hợp tác với các bệnh viện và trung tâm y tế để thử nghiệm thực tế khả năng phát hiện sớm vi khuẩn Vibrio cholerae-O1 trong mẫu bệnh phẩm, đánh giá độ nhạy và độ đặc hiệu. Thời gian: 12 tháng. Chủ thể: các đơn vị y tế và nghiên cứu sinh học.

4. Mở rộng ứng dụng cho các bệnh truyền nhiễm khác: Nghiên cứu gắn kháng thể đặc hiệu với các tác nhân gây bệnh khác như virus H5N1, Ebola để phát triển bộ kit chẩn đoán đa năng. Thời gian: 1-2 năm. Chủ thể: các viện nghiên cứu y sinh và công nghệ sinh học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano và công nghệ sinh học: Tài liệu cung cấp quy trình tổng hợp và chức năng hóa hạt nano từ tính, giúp phát triển các vật liệu mới ứng dụng trong y sinh học.

2. Chuyên gia y tế và chẩn đoán bệnh truyền nhiễm: Tham khảo phương pháp ứng dụng hạt nano từ tính gắn kháng thể trong phát hiện sớm vi khuẩn gây bệnh, nâng cao hiệu quả chẩn đoán.

3. Sinh viên và học viên cao học ngành vật liệu, hóa học và công nghệ sinh học: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về kỹ thuật tổng hợp, phân tích và ứng dụng hạt nano trong lĩnh vực y sinh.

4. Doanh nghiệp công nghệ sinh học và dược phẩm: Nghiên cứu mở ra hướng phát triển sản phẩm chẩn đoán nhanh, chính xác dựa trên công nghệ nano từ tính, có tiềm năng thương mại hóa cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Hạt nano từ tính Fe3O4 có ưu điểm gì trong chẩn đoán bệnh?
   Hạt nano Fe3O4 có tính siêu thuận từ, kích thước nhỏ giúp tăng diện tích bề mặt, dễ dàng chức năng hóa để gắn kháng thể, từ đó tăng độ nhạy trong phát hiện kháng nguyên bệnh lý.

2. Tại sao cần phủ lớp SiO2 lên hạt nano Fe3O4?
   Lớp SiO2 bảo vệ lõi từ khỏi bị oxy hóa và kết tụ, đồng thời tạo bề mặt ổn định, tương thích sinh học, thuận lợi cho chức năng hóa bề mặt và gắn kháng thể.

3. Phương pháp nào được sử dụng để gắn kháng thể lên hạt nano?
   Sử dụng APTES để tạo nhóm amino trên bề mặt hạt nano, sau đó dùng glutaraldehyde làm chất liên kết trung gian để gắn kháng thể đặc hiệu lên bề mặt.

4. Hiệu quả gắn kháng thể được đánh giá như thế nào?
   Hiệu quả được đánh giá bằng phương pháp Bradford để định lượng protein gắn trên hạt nano và phổ UV-Vis để đo độ hấp thụ đặc trưng của kháng thể, cho thấy tỷ lệ bám dính trên 70%.

5. Ứng dụng thực tế của hạt nano từ tính gắn kháng thể trong y học là gì?
   Hạt nano giúp tập trung kháng nguyên nhờ từ trường ngoài, tăng mật độ kháng nguyên, từ đó phát hiện sớm các tác nhân gây bệnh bằng các phương pháp phân tích thông thường, hỗ trợ chẩn đoán và điều trị kịp thời.

Kết luận

• Đã phát triển thành công quy trình tổng hợp hạt nano Fe3O4 có kích thước điều chỉnh từ 20-100 nm với tính siêu thuận từ phù hợp ứng dụng y sinh.
• Lớp phủ SiO2 và chức năng hóa bề mặt bằng APTES giúp tăng hiệu quả gắn kết protein và kháng thể lên hạt nano.
• Hạt nano từ tính gắn kháng thể Vibrio cholerae-O1 có khả năng tập trung kháng nguyên, nâng cao độ nhạy phát hiện bệnh tiêu chảy cấp.
• Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán sớm các bệnh truyền nhiễm khác.
• Đề xuất tiếp tục tối ưu quy trình tổng hợp, thử nghiệm lâm sàng và mở rộng ứng dụng trong tương lai.

Khuyến nghị các nhà nghiên cứu và đơn vị y tế phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế để đưa công nghệ vào ứng dụng rộng rãi, góp phần nâng cao hiệu quả phòng chống dịch bệnh truyền nhiễm.