I. Tổng Quan Ứng Dụng Vật Liệu Nano Trong Y Học Hiện Đại
Y học hiện đại ngày càng tích hợp các phương pháp vật lý, như liệu pháp quang nhiệt, quang động lực và xạ trị kết hợp với hạt nano vàng (GNP). Các phương pháp này dựa trên hiệu ứng nhiệt để tiêu diệt tế bào bệnh. GNP, nhờ hiệu ứng plasmon bề mặt, hấp thụ và chuyển hóa ánh sáng và bức xạ thành nhiệt hiệu quả, nâng cao hiệu suất điều trị. Các tác nhân quang nhiệt như vật liệu nano carbon, GNP hoặc chất màu hữu cơ được nghiên cứu rộng rãi trong y học, ứng dụng làm chất đánh dấu sinh học, chẩn đoán và điều trị bệnh. Singh và cộng sự chứng minh tỷ lệ tế bào chết phụ thuộc tuyến tính vào sự thay đổi cường độ huỳnh quang trong liệu pháp quang nhiệt ung thư tiền liệt tuyến. Việc sử dụng vật liệu nano lành tính là rất quan trọng để đảm bảo an toàn khi ứng dụng trong cơ thể sống.
1.1. Mối Liên Hệ Giữa Vật Lý và Tác Động Sinh Học
Cơ thể sống có thể được xem như một hệ nhiệt động mở, với các hoạt động và sự tồn tại liên quan đến sự thay đổi và cân bằng năng lượng. Để hiểu mối liên hệ này, nền tảng về yếu tố sinh học là rất quan trọng. Các tương tác như ánh sáng, sóng siêu âm, bức xạ ion hóa và nhiệt độ đều có tác động lên hệ thống sống. Tương tác nhiệt đóng vai trò quan trọng trong điều trị và chẩn đoán bệnh. Liệu pháp nhiệt được xem là an toàn, ứng dụng để giảm đau, phục hồi chức năng và điều trị bệnh. Tế bào ung thư có thể bị phá hủy ở nhiệt độ khoảng 45°C do sự biến tính protein.
1.2. Tiềm Năng Ứng Dụng Công Nghệ Nano Trong Chẩn Đoán và Điều Trị
Trong những thập kỷ gần đây, vật liệu nano đã được nghiên cứu rộng rãi trong y sinh. Vật liệu nano vàng (GNP) nổi bật nhờ tính chất hấp thụ quang học tốt, hiệu ứng plasmon bề mặt, đỉnh phát xạ cộng hưởng trong vùng ánh sáng nhìn thấy và khả năng tương thích sinh học cao. Nhiều công trình nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu nano ứng dụng trong y sinh đã được thực hiện. Mỗi phương pháp có ưu điểm riêng, tùy theo mục đích mà lựa chọn phương pháp thích hợp. Để ứng dụng trên cơ thể sống, vật liệu phải an toàn và phương pháp chế tạo phải thân thiện, không sử dụng hóa chất độc hại.
II. Cách Chế Tạo Chấm Lượng Tử Carbon An Toàn CQD
Để hỗ trợ việc ứng dụng vật liệu nano trong cơ thể sống, cần sử dụng các phương pháp chế tạo vật liệu nano lành tính. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano phổ biến hiện nay là các phương pháp nuôi cấy “từ dưới lên” hoặc “từ trên xuống”, tuy nhiên hai cách tiếp cận này đều có quy trình phức tạp, thường sử dụng các tiền chất và các dung môi tạo môi trường phản ứng có tính độc hại cho cơ thể sống. So với hai lớp phương pháp truyền thống trên, kỹ thuật thủy nhiệt có ưu điểm hơn là hạn chế việc sử dụng dung môi độc hại, nhưng quy trình xử lý mẫu lại mất nhiều thời gian.
2.1. Phương Pháp Plasma Chất Lỏng Chế Tạo CQD
Phương pháp vật lý dựa vào tương tác plasma - chất lỏng dùng chế tạo vật liệu nano đang khá được quan tâm nghiên cứu. Phương pháp này có nhiều ưu điểm so với phương pháp điện hóa hay được sử dụng trước đó. Tương tác của dung dịch với plasma có thể kích hoạt nhiều phản ứng hoá học trong pha lỏng mà không cần nhiều chất phản ứng cũng như chất xúc tác. Phương pháp này hoàn toàn không sử dụng hóa chất độc hại, không làm phát sinh độc tính trong tương tác tạo ra vật liệu nano. So với các phương pháp chế tạo vật liệu nano thông thường, thì phương pháp chế tạo dựa trên tương tác plasma - chất lỏng có thể tạo ra vật liệu “sạch” hơn nên có thể dễ dàng dùng trong y tế.
2.2. Ưu Điểm Của Chấm Lượng Tử Carbon CQD
Các chấm lượng tử, đặc biệt là CQD đã bắt đầu được sử dụng cho những ứng dụng trong y sinh. CQD có những ưu điểm như dễ tan trong môi trường nước, tính tương thích sinh học cao, đỉnh phát xạ nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Việc lựa chọn phương pháp chế tạo CQD sao cho đảm bảo an toàn cho cơ thể sống và thân thiện với môi trường là rất quan trọng.
III. Cơ Sở Vật Lý Truyền Năng Lượng Hạt Nano Vàng GNP
Một trong những vấn đề quan trọng cho các ứng dụng trong y sinh đó là cơ chế truyền năng lượng. Perrin đã phát hiện hiện tượng tương tác giữa các phân tử trong không gian xa hơn bán kính của chúng trong dung dịch vào năm 1912. Ông giả thiết tương tác giữa phân tử chất cho và phân tử chất nhận như là tương tác giữa các lưỡng cực điện nằm gần nhau. Các phân tử này được xem là giống nhau, có cùng một tần số dao động cơ bản và sẽ cộng hưởng khi ở gần nhau và chúng không chạm vào nhau. Quá trình truyền năng lượng cộng hưởng này được quan sát có hiệu quả trong khoảng cách tương đương với λ/2π (λ là bước sóng của ánh sáng).
3.1. Truyền Năng Lượng Cộng Hưởng Forster FRET
Cho đến năm 1946, Forster đưa ra lời giải thích cho hiện tượng trên bằng lý thuyết lượng tử. Hiện tượng này đặt tên là truyền năng lượng cộng hưởng Forster (Forster resonance energy transfer - FRET) hay truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang. Trong quá trình FRET thì ban đầu các phân tử donor (D) hấp thụ một lượng tử năng lượng, sau đó truyền năng lượng sang phân tử acceptor (A) gần đó. Tiếp theo các phân tử D sẽ quay về trạng thái cơ bản thông qua các quá trình hồi phục bức xạ và không bức xạ, nhờ sự cân bằng nhiệt giữa phân tử D được kích thích với môi trường xung quanh nó.
3.2. Các Cơ Chế Truyền Năng Lượng Khác
Năm 1982, Persson và Lang đưa ra lý thuyết truyền năng lượng giữa phân tử huỳnh quang và bề mặt kim loại, dự đoán năng lượng của quá trình này phụ thuộc tỉ lệ với 1/R^4. Năm 2005, Yun và cộng sự đã kiểm chứng lý thuyết này bằng thực nghiệm truyền năng lượng giữa GNP và chất huỳnh quang gắn vào hai đầu của một sợi DNA tại vị trí 5’ bằng liên kết -SH. Lý thuyết về năng lượng tương tác giữa hai điện tích điểm đã được Coulomb đề xuất năm 1785 cho rằng năng lượng tương tác tỉ lệ với 1/R^2.
IV. Ứng Dụng Vật Liệu Nano Trong Chẩn Đoán Ung Thư Sớm
Việc xây dựng cơ sở cho những ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị đòi hỏi sự hiểu biết rộng từ nhiều lĩnh vực và không thể thiếu những cơ sở vật lý, đặc biệt trong việc chẩn đoán và điều trị ung thư, một trong những căn bệnh đang được quan tâm nhất hiện nay. Ngày nay kỹ thuật chẩn đoán ung thư bao gồm siêu âm, CT (Computed Tomography), MRI (Magnetic Resonance Imaging), chụp ảnh hạt nhân. Nhưng hạn chế của các kỹ thuật này là chỉ phát hiện được các khối u khi chúng đã hình thành như một thực thể vật lý chứa một lượng lớn tế bào ung thư mà không thể chẩn đoán sớm bệnh ở giai đoạn đầu.
4.1. Tiềm Năng Chẩn Đoán Sớm Bằng Vật Liệu Nano
Việc sử dụng kết hợp vật liệu nano trong kỹ thuật chẩn đoán cho thấy tiềm năng trong chẩn đoán sớm bệnh ở những giai đoạn đầu, một ví dụ trong số đó là sự rò rỉ của GNP từ các mạch máu liên quan đến khối u, còn mạch máu bình thường không có rò rỉ này. Điều này chứng tỏ khả năng phát hiện bệnh sớm từ tín hiệu huỳnh quang phát xạ của GNP.
4.2. Liệu Pháp Quang Nhiệt Tiềm Năng Trong Điều Trị Ung Thư
Các liệu pháp truyền thống thường dùng trong chữa trị bệnh ung thư là phẫu thuật, hóa trị và xạ trị. Tuy nhiên, các liệu pháp này có hạn chế là điều trị không có tính chọn lọc, ngoài tiêu diệt các tế bào ung thư chúng cũng có thể tiêu diệt cả những tế bào khỏe mạnh lân cận. Do vậy các nhà khoa học luôn muốn tìm kiếm biện pháp chữa trị mới tối ưu hơn. Một trong các phương pháp tiềm năng trong chữa bệnh ung thư là liệu pháp quang nhiệt. Đây là một liệ...
