I. Tổng Quan Vật Liệu Silic Hữu Cơ Tiềm Năng Ứng Dụng 58
Vật liệu nano, đặc biệt là vật liệu Silic hữu cơ, đang mở ra kỷ nguyên mới trong nhiều lĩnh vực, từ y sinh đến môi trường. Sự kết hợp giữa công nghệ nano và vật liệu đã mang đến những giải pháp đột phá cho các vấn đề phức tạp, thể hiện qua việc tích hợp công nghệ nano vào các ngành, lĩnh vực đã cung cấp các giải pháp đột phá cho nhiều vấn đề như môi trường, y tế và công nghiệp hiện nay, bao gồm vật liệu micro/nano, điện tử, phân phối thuốc, năng lượng, công nghệ sinh học, công nghệ thông tin, an ninh quốc gia [1]. Kỉ nguyên công nghệ nano được xem là cuộc cách mạng công nghiệp, thúc đẩy sự phát triển trong mọi lĩnh vực đặc biệt là y sinh học, năng lượng, môi trường, công nghệ thông tin, quân sự… và tác động đến toàn xã hội [2] .Bài viết này đi sâu vào tiềm năng của vật liệu Silic hữu cơ trong ứng dụng làm giàu Angiotensin II (ANG II), một phân tử sinh học quan trọng. Nghiên cứu này đánh giá khả năng hấp phụ Angiotensin II của vật liệu và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này.
1.1. Định Nghĩa Khoa Học Nano và Vật Liệu Silic Hữu Cơ
Khoa học nano là nghiên cứu, thao tác và chế tạo vật chất ở quy mô nanomet. Tính chất của vật liệu nano khác biệt so với vật liệu vĩ mô do hiệu ứng cơ học lượng tử. Vật liệu Silic hữu cơ là vật liệu có cấu trúc từ các hạt, sợi, ống, hoặc tấm mỏng kích thước 1-100 nanomet. Vật liệu Silic hữu cơ siêu xốp cấu trúc tuần hoàn (PMO) được phát triển lần đầu năm 1999, có cấu trúc trật tự cao, kích thước lỗ đồng đều. Khả năng điều chỉnh tính chất bề mặt và vật lý khiến chúng trở nên ưu việt. Các vật liệu lai vô cơ hữu cơ được tổng hợp bằng các phản ứng thủy phân và ngưng tụ nhóm hữu cơ liên kết cộng hóa trị với nguyên tử silic của tiền chất là silic hữu cơ thông qua quá trình tự lắp ráp của tác nhân định hướng cấu trúc[11],[12].
1.2. Cấu Trúc và Tính Chất của Vật Liệu Silic Hữu Cơ PMO
Vật liệu Silic hữu cơ PMO có cấu trúc lỗ xốp tuần hoàn, kích thước hạt nanomet đến micromet và kích thước lỗ nanomet. Thành phần chính bao gồm lỗ rỗng và khung. Khung chứa các thành phần vô cơ (polysilsesquioxan) liên kết với nhau bằng các liên kết hữu cơ. Diện tích bề mặt riêng cao, thể tích lỗ và kích thước lỗ là các thông số đặc trưng. Kích thước lỗ xốp từ 2 đến 50 nm. Diện tích bề mặt riêng thường cao hơn các vật liệu silica khác, cho biết khả năng hấp phụ của vật liệu. Diện tích bề mặt này bị ảnh hưởng bởi mức độ trùng hợp của vật liệu, điều này phụ thuộc vào các yếu tố như pH của dung môi và tỷ lệ các chất phản ứng[15].
II. Phương Pháp Tổng Hợp Vật Liệu Silic Hữu Cơ Siêu Xốp 59
Để tạo ra các vật liệu silic hữu cơ có đặc tính mong muốn, nhiều phương pháp tổng hợp vật liệu đã được phát triển. Hai phương pháp chính là từ trên xuống (top-down) và từ dưới lên (bottom-up). Phương pháp sol-gel là kỹ thuật hóa ướt phổ biến, được sử dụng rộng rãi để phát triển vật liệu nano. Nghiên cứu này tập trung vào quá trình sol-gel để tổng hợp vật liệu có khả năng làm giàu Angiotensin II, đồng thời đánh giá tính hiệu quả của các phương pháp tổng hợp vật liệu khác nhau.
2.1. Phương Pháp Sol Gel Trong Tổng Hợp Vật Liệu
Phương pháp sol-gel là kỹ thuật hóa ướt được sử dụng rộng rãi để phát triển vật liệu nano. Quá trình sol-gel bao gồm chuyển sol (dung dịch keo) thành gel thông qua hình thành mạng lưới không gian trong môi trường pha lỏng. Ưu điểm của phương pháp này là tổng hợp vật liệu ở nhiệt độ thấp, tạo ra vật liệu lai hóa vô cơ-hữu cơ, dễ pha tạp và có thể kiểm soát độ xốp. Sol (dung dịch keo) là hệ phân tán các hạt rắn kỵ dung môi có kích thước từ 1-100 nanomet trong pha lỏng. Gel là hệ phân tán vi dị thể bao gồm một mạng lưới pha rắn liên kết chặt chẽ với nhau được bao quanh bởi một pha lỏng liên tục.
2.2. Quá Trình Thủy Phân và Ngưng Tụ Silica Hữu Cơ
Quá trình tổng hợp vật liệu PMO bao gồm thủy phân và ngưng tụ silica hữu cơ trong dung dịch nước dưới xúc tác base hoặc acid. Nguyên liệu bao gồm tiền chất silica hữu cơ và chất hoạt động bề mặt. Tiền chất silica hữu cơ có công thức chung là [(R1O)3Si]n –R. Chất hoạt động bề mặt đóng vai trò định hướng cấu trúc và tạo khuôn. Phản ứng silanolates xảy ra, nhóm (- Si - O-) ngưng tụ với tiền chất để tạo thành liên kết siloxan cộng hóa trị (Si - O - Si) và tiếp tục ngưng tụ làm oligome lớn dần. Tiếp theo, phản ứng sol-gel tạo ra khung silsesquioxane[22]. Sau đó, thêm chất hoạt đồng bề mặt để thu được vật liệu xốp rỗng PMO.
2.3. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hình Thái Vật Liệu PMO
Tùy thuộc vào chất hoạt động bề mặt được sử dụng và nồng dộ của chúng sẽ tạo hình thái mixen khác nhau, quyết định hình thái của vật liệu. Ví dụ như khi sử dụng CTAB thì hình thái mixen thay đổi theo chiều tăng nồng độ CTAB là dạng cầu, dạng trụ, dạng lục giác, dạng phiến tương ứng với hình thái của PMO được tạo thành là: hình cầu, hình trụ, hình lục giác, hình phiến. Việc thiết kế cấu trúc phân cấp và hình học của vật liệu nano ở cấp độ phân tử và vĩ mô là rất quan trọng để xác định tính chất và ứng dụng của chúng.
III. Nghiên Cứu Khả Năng Hấp Phụ Angiotensin II của Vật Liệu 59
Việc làm giàu Angiotensin II là rất quan trọng do nồng độ của nó trong máu rất thấp. Vật liệu nano siêu xốp có cấu trúc lỗ rỗng có tiềm năng lớn trong việc tinh sạch và làm giàu các phân tử sinh học. Khả năng hấp phụ Angiotensin II của vật liệu Silic hữu cơ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm kích thước lỗ rỗng, diện tích bề mặt và tính chất bề mặt. Nghiên cứu này đánh giá khả năng hấp phụ Angiotensin II của các vật liệu tổng hợp vật liệu và xác định các yếu tố tối ưu để đạt hiệu quả cao nhất.
3.1. Vai Trò Của Vật Liệu Nano Siêu Xốp Trong Y Sinh
Một trong những ứng dụng của vật liệu nano siêu xốp với cấu trúc lỗ rỗng trong y sinh là làm giàu các phân tử sinh học. Làm giàu protein là một kỹ thuật trong đó các protein quan tâm trong một mẫu sinh học được tập trung để thuận lợi hơn cho việc định lượng và phân tích bằng cách cho các peptid kích thước nhỏ hơn có thể đi vào trong lỗ và các protein lớn sẽ hấp phụ không đặc hiệu lên bề mặt vật liệu PMO. Từ đó, phân tách và làm giàu các protein kích thước nhỏ trong hỗn hợp nhiều loại protein trong dịch sinh học[7].
3.2. Angiotensin II Vai Trò và Tầm Quan Trọng
Angiotensin II là một peptid có trọng lượng phân tử khoảng 1,046 kDa xuất hiện trong máu người với nồng độ rất thấp, nên việc định lượng khá khó khăn[8] . Angiotensin II có vai trò quan trọng trong điều hòa huyết áp. Tăng nồng độ của các dấu chỉ sinh học trước khi phân tích là một bước rất quan trọng giúp tăng độ nhạy và độ chính xác của các kỹ thuật phân tích phát hiện tiếp sau đó. Để khắc phục những vấn đề này, việc sử dụng các công nghệ phân tách, làm giàu đã đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm độ phức tạp của mẫu.
IV. Ứng Dụng Vật Liệu Silic Hữu Cơ Phân Tách Protein 57
Ngoài việc làm giàu Angiotensin II, vật liệu Silic hữu cơ còn có tiềm năng trong việc phân tách các protein khác nhau trong hỗn hợp. Tính chọn lọc của vật liệu đối với Angiotensin II có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi kích thước lỗ rỗng và tính chất bề mặt. Nghiên cứu này khám phá khả năng phân tách Angiotensin II từ hỗn hợp protein BSA và đánh giá hiệu quả của vật liệu Silic hữu cơ trong ứng dụng này.
4.1. Điều Chỉnh Tính Chọn Lọc Của Vật Liệu Với Angiotensin II
Tính chọn lọc của vật liệu Silic hữu cơ đối với Angiotensin II có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi kích thước lỗ rỗng, diện tích bề mặt, và chức năng hóa bề mặt. Các nhóm chức như amin, carboxyl có thể được thêm vào bề mặt để tăng cường tương tác với Angiotensin II. Việc tối ưu hóa các yếu tố này cho phép tạo ra vật liệu có tính chọn lọc cao đối với Angiotensin II.
4.2. Phân Tách Angiotensin II Từ Hỗn Hợp Protein BSA
Nghiên cứu khảo sát khả năng phân tách Angiotensin II từ hỗn hợp protein BSA sử dụng vật liệu Silic hữu cơ. BSA là protein phổ biến trong huyết thanh bò, được sử dụng làm chất nền để mô phỏng môi trường sinh học. Đánh giá hiệu quả của vật liệu trong việc loại bỏ BSA và giữ lại Angiotensin II là một bước quan trọng trong việc phát triển các ứng dụng tinh sạch protein.
V. Kết Quả Nghiên Cứu Hấp Phụ và Làm Giàu Angiotensin II 60
Nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu Silic hữu cơ nano và micro. Các vật liệu này đã được khảo sát về khả năng hấp phụ và làm giàu Angiotensin II. Kết quả cho thấy vật liệu có khả năng hấp phụ Angiotensin II đáng kể. Bên cạnh đó, kết quả khảo sát khả năng hấp phụ Angiotensin II và BSA cho thấy sự có mặt của BSA đã gây ảnh hưởng đáng kể đến quá trình hấp phụ chọn lọc Angiotensin II của vật liệu. Tuy nhiên, vẫn có khả năng điều chỉnh bằng một số phương pháp để tăng tính chọn lọc của vật liệu với Angiotensin II trong mẫu hỗn hợp.
5.1. Tổng Hợp và Đặc Tính Hóa Vật Liệu Silic Hữu Cơ
Các vật liệu Silic hữu cơ nano và micro đã được tổng hợp thành công bằng phương pháp sol-gel. Các phương pháp phân tích như FTIR, SEM, TEM, và BET được sử dụng để xác định cấu trúc, hình thái và diện tích bề mặt của vật liệu. Kết quả cho thấy vật liệu có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn, và các nhóm chức phù hợp cho việc hấp phụ Angiotensin II.
5.2. Đánh Giá Khả Năng Hấp Phụ Angiotensin II của Vật Liệu
Khả năng hấp phụ Angiotensin II của các vật liệu đã được đánh giá bằng phương pháp quang phổ. Kết quả cho thấy vật liệu có khả năng hấp phụ Angiotensin II đáng kể, phụ thuộc vào kích thước lỗ rỗng, diện tích bề mặt và tính chất bề mặt. So sánh khả năng hấp phụ Angiotensin II và BSA cho thấy sự có mặt của BSA đã gây ảnh hưởng đáng kể đến quá trình hấp phụ chọn lọc Angiotensin II của vật liệu. Tuy nhiên, vẫn có khả năng điều chỉnh bằng một số phương pháp để tăng tính chọn lọc của vật liệu với Angiotensin II trong mẫu hỗn hợp.
VI. Tiềm Năng và Hướng Phát Triển Vật Liệu Silic Hữu Cơ 55
Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc ứng dụng vật liệu Silic hữu cơ trong lĩnh vực y sinh, đặc biệt là trong việc làm giàu và phân tách các phân tử sinh học. Trong tương lai, cần tập trung vào việc tối ưu hóa tính chọn lọc của vật liệu, đánh giá độc tính và tính tương thích sinh học, và phát triển các ứng dụng thực tế trong chẩn đoán và điều trị bệnh.
6.1. Tối Ưu Hóa Tính Chọn Lọc Của Vật Liệu
Tối ưu hóa tính chọn lọc của vật liệu Silic hữu cơ là một trong những hướng phát triển quan trọng nhất. Điều này có thể đạt được thông qua việc điều chỉnh kích thước lỗ rỗng, diện tích bề mặt, và chức năng hóa bề mặt. Các phương pháp như in ấn phân tử (molecular imprinting) có thể được sử dụng để tạo ra các vị trí liên kết đặc hiệu với Angiotensin II.
6.2. Đánh Giá Độc Tính và Tính Tương Thích Sinh Học
Trước khi ứng dụng vật liệu Silic hữu cơ trong y sinh, cần đánh giá kỹ lưỡng về độc tính và tính tương thích sinh học. Các thử nghiệm in vitro và in vivo cần được thực hiện để đảm bảo an toàn cho tế bào và cơ thể sống. Các phương pháp đánh giá bao gồm MTT assay, LDH assay, và nghiên cứu về phản ứng viêm.
