Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu nano từ tính, đặc biệt là hạt nano oxit sắt Fe3O4, đã thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực y sinh nhờ tính chất siêu thuận từ và giá trị bão hòa từ cực đại cao, cùng khả năng tương thích sinh học tốt. Theo ước tính, kích thước hạt nano Fe3O4 dao động từ 8 đến 40 nm, phù hợp với nhiều ứng dụng như tách chiết tế bào, xét nghiệm miễn dịch, dẫn truyền thuốc và hình ảnh y học. Tuy nhiên, hạt nano Fe3O4 có xu hướng kết tụ do tương tác lưỡng cực từ và lực van der Waals, làm giảm hiệu quả ứng dụng. Do đó, việc phủ lớp tương thích sinh học và gắn protein lên bề mặt hạt nano là cần thiết để nâng cao tính ổn định và khả năng liên kết sinh học.

Mục tiêu nghiên cứu là chế tạo hạt nano Fe3O4 với kích thước 8-20 nm và 20-40 nm, có độ từ hóa bão hòa 50-70 emu/g, giữ tính siêu thuận từ, đồng thời phủ lớp tương thích sinh học chứa nhóm chức NH2, CHO để gắn kết protein A với hiệu suất trên 70%. Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Vật lý và Hóa sinh của Trường Đại học Trà Vinh và Đại học Y Dược TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2015-2017. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu nano ứng dụng chẩn đoán y sinh, giúp tăng độ nhạy và độ đặc hiệu trong phát hiện bệnh lý như ung thư, sốt xuất huyết và các bệnh truyền nhiễm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về vật liệu nano từ tính và lý thuyết về chức năng hóa bề mặt hạt nano. Lý thuyết vật liệu nano từ tính tập trung vào tính siêu thuận từ, trong đó hạt nano có từ dư và lực kháng từ gần bằng không, cho phép hạt phản ứng nhanh với từ trường ngoài nhưng không giữ từ tính khi từ trường ngừng tác động. Lý thuyết chức năng hóa bề mặt hạt nano sử dụng các chất silane như TEOS và APTES để phủ lớp tương thích sinh học, tạo nhóm chức NH2 và CHO trên bề mặt, giúp gắn kết protein thông qua các linker hữu cơ như glutaraldehyde.

Mô hình nghiên cứu bao gồm các khái niệm chính:

  • Siêu thuận từ (superparamagnetism)
  • Độ từ hóa bão hòa (saturation magnetization)
  • Chức năng hóa bề mặt (surface functionalization)
  • Linker và gắn kết protein (protein conjugation)
  • Kích thước hạt nano và ảnh hưởng đến tính chất vật lý

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. Phương pháp tổng hợp hạt nano Fe3O4 sử dụng phương pháp đồng kết tủa trong môi trường khí N2, với hai cách cho bazơ: cho nhanh và cho nhỏ giọt dung dịch NaOH 2M, nhằm điều chỉnh kích thước hạt nano (khoảng 10 nm và 30 nm). Lớp phủ tương thích sinh học được tạo bằng phương pháp sol-gel sử dụng TEOS và APTES để phủ SiO2 và tạo nhóm NH2 trên bề mặt hạt.

Phân tích tính chất vật liệu sử dụng các kỹ thuật: TEM (Transmission Electron Microscopy) để quan sát hình dạng và kích thước hạt; XRD (X-ray Diffraction) để xác định cấu trúc tinh thể; VSM (Vibrating Sample Magnetometer) để đo từ tính; FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) để xác định nhóm chức trên bề mặt; UV-Vis và hiển vi điện tử huỳnh quang để đánh giá khả năng gắn protein. Hiệu suất gắn kết protein A được xác định bằng phương pháp Bradford.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các hạt nano Fe3O4 với kích thước 10 nm và 30 nm, được phủ lớp tương thích sinh học và gắn protein A. Phương pháp chọn mẫu là chọn kích thước hạt nano đại diện cho hai nhóm kích thước phổ biến trong ứng dụng y sinh. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 24 tháng, từ tổng hợp đến phân tích và đánh giá hiệu suất gắn kết.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Kích thước hạt nano Fe3O4:

    • Phương pháp cho nhanh bazơ tạo hạt nano Fe3O4 kích thước trung bình khoảng 10 nm (theo công thức Scherrer).
    • Phương pháp cho nhỏ giọt bazơ tạo hạt nano Fe3O4 kích thước trung bình khoảng 30 nm.
      Sự khác biệt kích thước do tốc độ tạo mầm và phát triển tinh thể khác nhau, với tốc độ tạo mầm nhanh hơn tạo hạt nhỏ hơn.

  2. Tính chất từ tính:

    • Hạt nano Fe3O4 kích thước 10 nm có từ độ bão hòa khoảng 63 emu/g, trong khi hạt 30 nm đạt 85 emu/g, gần bằng giá trị bão hòa của Fe3O4 khối (92 emu/g).
    • Sau khi phủ lớp SiO2, từ độ bão hòa giảm còn 48 emu/g (10 nm) và 76 emu/g (30 nm) do lớp phủ không từ tính.
    • Cả hai kích thước hạt nano đều giữ được tính siêu thuận từ, với lực kháng từ và từ dư gần bằng không.

  3. Chức năng hóa bề mặt và gắn protein:

    • Phổ FTIR xác nhận sự hiện diện của các nhóm Si-O-Si, Si-OH và NH2 trên bề mặt hạt nano Fe3O4/SiO2/NH2, chứng tỏ lớp phủ tương thích sinh học thành công.
    • Lượng APTES phủ tối ưu là 0,5 mL cho hạt 10 nm và 0,375 mL cho hạt 30 nm, tương ứng với sự gia tăng nhóm NH2 tự do trên bề mặt.
    • Hiệu suất gắn kết protein A cao hơn ở hạt nano 10 nm so với 30 nm, do diện tích bề mặt lớn hơn và khả năng hấp phụ protein tốt hơn.

  4. Khả năng gắn kết với biotin-FITC:

    • Ảnh hiển vi điện tử huỳnh quang cho thấy các hạt nano Fe3O4/SiO2/NH2/CHO/protein A phát sáng rõ khi gắn biotin-FITC, chứng minh protein A đã được gắn thành công và giữ chức năng liên kết.
    • Hạt nano 10 nm có xu hướng kết tụ nhiều hơn so với hạt 30 nm, ảnh hưởng đến phân tán và ứng dụng thực tế.

Thảo luận kết quả

Kích thước hạt nano Fe3O4 ảnh hưởng rõ rệt đến tính chất từ tính và khả năng gắn protein. Hạt nhỏ 10 nm có diện tích bề mặt lớn hơn, dẫn đến hiệu suất gắn protein A cao hơn, phù hợp cho các ứng dụng cần độ nhạy cao như xét nghiệm miễn dịch. Ngược lại, hạt 30 nm có từ độ bão hòa cao hơn, thuận lợi cho việc tập trung hạt bằng từ trường ngoài trong các ứng dụng tách chiết và dẫn truyền thuốc.

Việc phủ lớp SiO2 và chức năng hóa bằng APTES tạo ra bề mặt ổn định, giảm kết tụ và tăng khả năng gắn kết sinh học. Kết quả phổ FTIR và hình ảnh TEM minh chứng cho sự thành công của quá trình phủ lớp tương thích sinh học. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả đạt được tương đương hoặc vượt trội về độ đồng đều kích thước, hiệu suất gắn protein và tính siêu thuận từ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ XRD thể hiện kích thước tinh thể, biểu đồ từ hóa VSM so sánh từ độ bão hòa giữa các mẫu, phổ FTIR minh họa nhóm chức năng và ảnh hiển vi điện tử huỳnh quang thể hiện khả năng gắn kết protein.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu quy trình tổng hợp hạt nano Fe3O4

    • Áp dụng phương pháp cho nhanh bazơ để tạo hạt nano kích thước nhỏ (~10 nm) với hiệu suất gắn protein cao.
    • Thời gian thực hiện: 6 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Phòng thí nghiệm Vật lý và Hóa sinh.

  2. Phát triển lớp phủ tương thích sinh học đa chức năng

    • Nghiên cứu bổ sung các chất phủ khác ngoài TEOS và APTES để tăng tính ổn định và khả năng gắn kết đa dạng protein.
    • Thời gian: 12 tháng.
    • Chủ thể: Nhóm nghiên cứu vật liệu nano.

  3. Ứng dụng hạt nano Fe3O4 gắn protein trong chẩn đoán y sinh

    • Thử nghiệm gắn kháng thể đặc hiệu và đánh giá hiệu quả tách chiết, phát hiện bệnh lý như ung thư, sốt xuất huyết.
    • Thời gian: 18 tháng.
    • Chủ thể: Phòng thí nghiệm Y sinh và Viện nghiên cứu y học.

  4. Nâng cao khả năng phân tán và giảm kết tụ hạt nano

    • Áp dụng kỹ thuật siêu âm và sử dụng chất ổn định bề mặt để cải thiện phân tán trong dung dịch sinh học.
    • Thời gian: 6 tháng.
    • Chủ thể: Phòng thí nghiệm Hóa học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano và y sinh

    • Lợi ích: Hiểu rõ quy trình tổng hợp, chức năng hóa và ứng dụng hạt nano Fe3O4 trong chẩn đoán y sinh.
    • Use case: Phát triển vật liệu nano mới cho xét nghiệm miễn dịch.

  2. Chuyên gia công nghệ sinh học và dược phẩm

    • Lợi ích: Áp dụng hạt nano gắn protein trong thiết kế thuốc dẫn truyền và chẩn đoán sớm bệnh.
    • Use case: Thiết kế hệ dẫn thuốc nhắm mục tiêu.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành Hóa học, Vật lý, Y sinh

    • Lợi ích: Tài liệu tham khảo chi tiết về kỹ thuật tổng hợp và phân tích hạt nano từ tính.
    • Use case: Học tập và nghiên cứu khoa học.

  4. Doanh nghiệp công nghệ sinh học và thiết bị y tế

    • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ chế tạo hạt nano từ tính để phát triển sản phẩm chẩn đoán và điều trị.
    • Use case: Ứng dụng trong sản xuất kit xét nghiệm và thiết bị y tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp đồng kết tủa có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
    Phương pháp đồng kết tủa đơn giản, chi phí thấp, cho sản lượng cao và kiểm soát được kích thước hạt nano trong khoảng 5-30 nm. Tuy nhiên, phân bố kích thước có thể không đồng đều bằng các phương pháp vật lý như laser ablation.

  2. Tại sao cần phủ lớp tương thích sinh học lên hạt nano Fe3O4?
    Lớp phủ giúp giảm kết tụ hạt nano, tăng độ ổn định trong dung dịch, hạn chế oxi hóa và tạo bề mặt có nhóm chức năng để gắn protein, từ đó nâng cao hiệu quả ứng dụng trong y sinh.

  3. Hiệu suất gắn protein A được xác định như thế nào?
    Hiệu suất gắn protein A được đo bằng phương pháp Bradford, so sánh nồng độ protein A trong dung dịch trước và sau khi gắn với hạt nano, cho thấy tỷ lệ gắn kết trên 70% đối với hạt nano kích thước nhỏ.

  4. Kích thước hạt nano ảnh hưởng thế nào đến tính chất từ tính?
    Kích thước hạt nano càng lớn thì từ độ bão hòa càng cao, nhưng nếu vượt quá khoảng 30 nm, hạt sẽ mất tính siêu thuận từ do chuyển sang trạng thái đa domain, ảnh hưởng đến khả năng tái phân tán.

  5. Các linker phổ biến dùng để gắn protein lên hạt nano là gì?
    Các linker như glutaraldehyde, NHS ester, NHS-PEGn-maleimide được sử dụng để tạo liên kết cộng hóa trị bền vững giữa nhóm chức trên hạt nano và protein, giúp duy trì chức năng sinh học của protein gắn kết.

Kết luận

  • Đã chế tạo thành công hạt nano Fe3O4 kích thước 10 nm và 30 nm bằng phương pháp đồng kết tủa với độ từ hóa bão hòa lần lượt 63 emu/g và 85 emu/g, giữ tính siêu thuận từ.
  • Lớp phủ tương thích sinh học SiO2/ NH2 được tạo thành hiệu quả, cung cấp nhóm chức năng để gắn protein A với hiệu suất trên 70%.
  • Hạt nano kích thước nhỏ (10 nm) có hiệu suất gắn protein A tốt hơn, trong khi hạt lớn (30 nm) có từ độ bão hòa cao hơn, phù hợp với các ứng dụng khác nhau trong y sinh.
  • Kết quả phân tích TEM, XRD, VSM, FTIR và UV-Vis xác nhận tính chất vật lý và hóa học của hạt nano cũng như khả năng gắn kết protein.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng hạt nano Fe3O4 gắn protein trong chẩn đoán và điều trị bệnh, đồng thời tối ưu hóa quy trình tổng hợp và phủ lớp tương thích sinh học.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm ứng dụng trong chẩn đoán y sinh và phát triển quy trình sản xuất quy mô lớn. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực y sinh được khuyến khích hợp tác để đưa công nghệ này vào thực tiễn.