Chương 1: Tổng quan - Chương 2: Thực nghiệm - Chương 3: Kết quả và thảo luận - Kết luận Luận văn được thực hiện tại phòng thí nghiệm Vật liệu Từ và Siêu dẫn, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 4 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN 1. Tổng quan về ứng dụng hạt từ kích thƣớc nanomet trong y - sinh học và xử lý môi trƣờng Ý tưởng sử dụng các hạt nhỏ trong chẩn đoán và chữa bệnh đã được bắt đầu từ cách đây gần 60 năm, sau phát hiện về các hạt polymer có kích thước rất đồng đều của các nhà hoá học công ty Dow (Dow Chemical Company). Cho đến nay, việc nghiên cứu và phát triển ý tưởng này đã mang lại những ứng dụng đột phá trong lĩnh vực y – sinh học.
Nguyên lý chung của các ứng dụng là lợi dụng một số tính chất ưu việt của các hạt nhỏ để điều khiển chúng thâm nhập vào cơ thể hoặc tương tác với các thực thể sinh học như tế bào (10 ÷ 100 μm), vi-rút (20 ÷ 450 nm), protein (5 ÷ 50 nm), gen (rộng 2 nm và dài 10 ÷ 100 nm) mà không bị phát hiện. Thông thường để làm việc này, người ta phải lựa chọn hạt có kích thước phù hợp và biến đổi bề mặt của chúng bằng cách gắn thêm các phân tử sinh học như kháng thể đơn tính, lectin, peptide hoặc hoocmôn. Với lớp vỏ bọc như vậy, không những các hạt đã có khả năng tương hợp sinh học tốt và tồn tại lâu trong cơ thể mà chúng còn có thể được gắn một cách có điều khiển vào các vùng mô mong muốn. Đặc biệt trong trường hợp của các hạt nanô từ, khả năng tương tác của chúng đối với từ trường là lợi thế lớn nhất và quan trọng nhất trong một loạt các ứng dụng y – sinh học như sau: - Tách chiết các tế bào và các thực thể sinh học.
- Dẫn truyền thuốc, gen và các nuclide phóng xạ tới những vùng bệnh nằm sâu trong cơ thể. - Nhiệt trị điều trị ung thư. - Tăng cường độ tương phản trong chẩn đoán cộng hưởng từ. Ngoài ra, hạt nanô từ còn được sử dụng trong một số ứng dụng cải thiện môi trường như xử lý nước bị nhiễm Asen hay tái hoạt hoá vật liệu hấp phụ các chất hữu cơ độc hại.
Chi tiết về các ứng dụng kể trên được trình bày dưới đây: 1. Đánh dấu và tách chiết tế bào Trong y – sinh học, việc tách riêng các thực thể sinh học ra khỏi môi trường tồn tại tự nhiên của chúng là rất cần thiết để thu được các mẫu tinh khiết dùng trong phân tích hoặc một số mục đích khác. Quá trình sử dụng các hạt từ tương hợp sinh học để tách chiết thông thường bao gồm hai bước: (i) gắn hoặc đánh dấu các thực thể sinh học bằng vật liệu từ và (ii) tách các thực thể này bằng TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 5 một thiết bị tuyển từ. Khi đó các thực thể sinh học đã được gắn hạt từ sẽ được từ trường giữ lại hoặc lôi ra khỏi môi trường chứa chúng.
Bước đầu tiên được thực hiện bằng cách biến đổi bề mặt của các hạt từ bằng phương pháp hoá học, thông thường là bọc hạt từ bằng các phân tử tương hợp sinh học như dextran, polyvinyl alcohol (PVA) và phospholipid. Bên cạnh vai trò như một cầu nối giữa hạt từ với tế bào hoặc phân tử, lớp bọc còn nâng cao độ ổn định của chất lỏng từ. Sau quá trình bọc hạt, các chất kháng thể hoặc các phân tử như hoócmôn và axít folic sẽ được sử dụng để tạo liên kết với bề mặt tế bào. Vì các kháng nguyên chỉ liên kết với kháng thể của chúng nên đây là một cách đánh dấu tế bào bằng các hạt từ rất chính xác.
Hiện nay, các hạt từ được bọc tác nhân miễn dịch đã được gắn thành công với nhiều loại tế bào như tế bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi, tế bào ung thư cơ quan sinh dục hoặc với cả các vi khuẩn [46]. Hầu hết các thí nghiệm nghiên cứu cho đến nay đều sử dụng hạt sắt ôxít (Fe3O4 hoặc Fe2O3) vì chúng có độ tương hợp sinh học tốt và có bề mặt dễ biến đổi. Bước thứ hai, tách các thực thể sinh học ra khỏi hạt, được thực hiện nhờ sự hỗ trợ của từ trường ngoài. Về lý thuyết, lực tác dụng của từ trường B lên một hạt có mômen lưỡng cực m là: B B B Fm (m ) B (m )i (m ) j (m )k (1.1) x y z Để có hình dung trực quan hơn về công thức (1.1), ta giả sử có một mômen lưỡng cực m nằm dọc theo trục Ox, do vậy mx ≠ 0 và my = mz = 0.
Lực từ tác dụng lên mômen là Fx mx (Bx / x). Có thể thấy lực tác dụng khác 0 chỉ trong trường hợp mx ≠ 0, Bx ≠ 0 và có một từ trường bất đồng nhất dọc theo trục Ox ( (Bx / x) 0 ). Do vậy cần phải tạo được một gradient từ trường để di chuyển một mômen vì từ trường đồng nhất chỉ có thể làm quay chứ không gây ra sự thay đổi vị trí của mômen đó. Đối với trường hợp các hạt nanô từ ở trong một dung dịch có từ tính yếu (thuận từ hoặc nghịch từ), mômen từ tổng cộng của hạt là m = VmM, trong đó Vm là thể tích hạt và M là mômen từ trên một đơn vị thể tích.
Ta có M = H, với = m - w là độ tự cảm hiệu dụng của hạt từ so với môi trường (m là độ tự cảm của hạt từ và w là độ tự cảm của môi trường). Trong môi trường nước tinh khiết, có thể giả sử B = μ0H, do đó phương trình (1.1) trở thành: Vm 1 Fm ( B ) B Vm ( B H ) (1.2) 0 2 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 6 Từ phương trình (1.2) này có thể thấy Dòng chảy lực từ tác dụng tỉ lệ thuận với mật độ năng 1 lượng tĩnh từ, B H. Khi 0 , lực từ sẽ 2 Nam tác dụng theo hướng mật độ năng lượng thay châm đổi mạnh nhất, và đây cũng là nguyên lý được áp dụng trong các thiết bị tách chiết tế bào cũng như dẫn truyền thuốc. Minh hoạ đơn giản Hình 1.1 là minh hoạ đơn giản về về nguyên lý tách chiết sử dụng nguyên lý tách chiết sử dụng từ trường.
Các từ trường. Các hạt màu đen là các thực thể cần được tách, các thực thể sinh học “có gắn từ tính” (các hạt hạt màu trắng là các thực thể đen) được tách ra khỏi dung dịch mang khi không từ. chúng chảy qua vùng tác dụng của một gradient từ trường. Để giữ được các hạt mong muốn, lực từ phải thắng được lực ma sát của môi trường lỏng tác dụng lên các hạt, Fd = 6Rmv, trong đó là độ nhớt của môi trường, Rm là bán kính hạt và v = vm – vw là hiệu số vận tốc của tế bào và dung dịch.
Ngoài ra còn có ảnh hưởng của lực đẩy Acsimet lên chuyển động của hạt. Lực này phụ thuộc vào khối lượng riêng của hạt từ và dung dịch. Tuy nhiên trong đa số ứng dụng y - sinh, tác dụng của lực này có thể được bỏ qua. Khi lực ma sát cân bằng với lực từ, vận tốc tương đối của hạt so với môi trường là: Rm2 v ( B 2 ) hoặc v ( B 2 ) (1.3) 90 0 Rm2 Với là hằng số thể hiện khả năng điều khiển được của hạt từ.
Có 9 thể thấy các hạt kích thước càng lớn thì càng tăng và khả năng tương tác với từ trường cũng càng mạnh. Trên thực tế, để tăng cường khả năng “bắt” các hạt từ, người ta thường có những thiết kế đặc biệt để tạo ra những vùng từ trường bất đồng nhất mạnh trong thiết bị tuyển từ [18]. Cho đến nay tách chiết bằng từ trường đã được sử dụng thành công trong các lĩnh vực nghiên cứu y học và sinh học. Phương pháp này có độ chính xác cao khi dùng để tách các tế bào của một số loại khối u hiếm ra khỏi máu.
Ngoài ra người ta đã tăng cường khả năng phát hiện vi rút sốt rét kí sinh trong các mẫu máu bằng việc tối ưu hoá tính chất từ của các vi rút kí sinh hoặc bằng cách đánh dấu các tế bào hồng cầu với chất lỏng từ gắn miễn dịch. Bên cạnh đó còn có các ứng dụng khác như khuếch đại và phát hiện DNA, đếm tế bào (đo mômen từ của TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 7 các hạt từ) và một số cảm biến xác định vị trí cũng như định vị các tế bào chức năng trong cơ thể [46]. Dẫn truyền các tác nhân chữa trị ung thư Khoảng 20 năm trở lại đây, đã có nhiều phương pháp vận chuyển và dẫn truyền thuốc được phát triển với mục đích làm tăng nồng độ thuốc (các tác nhân chống ung thư) trong khối u mà không bị phân tán ở những vùng mô tế bào khoẻ mạnh. Bằng cách này không những người ta có thể hạn chế các tác dụng phụ nguy hiểm nảy sinh trong quá trình điều trị mà còn có thể giảm thiểu tối đa liều lượng thuốc đưa vào cơ thể.
Hầu hết các nghiên cứu đều tập trung vào kỹ thuật sử dụng từ trường để giữ các hạt từ “mang thuốc” ở vị trí các mô tế bào xác định, tránh không cho chúng trôi theo dòng máu. Điều này là rất khó khăn vì hiệu suất của phương pháp phụ thuộc vào nhiều tham số vật lý như cường độ từ trường, độ bất đồng nhất (gradient từ), thể tích và tính chất từ của các hạt. Thông thường các chất lỏng từ được đưa trực tiếp vào cơ thể theo đường tĩnh mạch hoặc động mạch, do vậy các tham số động học như tốc độ máu chảy, nồng độ chất lỏng từ, khả năng hấp thụ thuốc của vùng mô tế bào và thời gian lưu thông của hạt cũng rất quan trọng. Bên cạnh đó cũng cần phải xét đến độ sâu của vùng cần thuốc (khoảng cách tới nguồn phát từ trường), độ mạnh yếu của liên kết giữa thuốc và hạt từ cùng với thể tích của khối u [41].
Nam châm Khối u Hỗn hợp thuốc/hạt mang Mạch máu nuôi khối u Hình 1. Hình minh hoạ về nguyên lý vận chuyển và gắn thuốc [2].