Nano từ lỏng trong y khoa và sinh học

NANO TỪ LỎNG TRONG Y KHOA VÀ SINH HỌC Nội dung I. 1-ứng dụng dẫn truyền thuốc 2-MRI 3-tăng thân nhiệt cục bộ II. 4- phân tách ADN 5-phân tách và chọn lọc tế bào 6- làm giàu AND của siêu vi HERPES 7- đếm tế bào bạch cầu CD4+ T III. ứng dụng trong môi trường và KHKT I.Giới thiệu Từ học nano Sinh học Từ học nano: hạt nano từ tính kích thước nano, có tính siêu thuận từ. (Fe3O4,Fe2O3,Ni,Co,Nd-Fe-B,Sm-Co) Sinh học: hệ (hoặc các quá trình) sinh học. Ứng dụng trong y-sinh học Nanobiomagnetism - Liệu pháp từ tính. - Từ trường không có hại đối với con người. chế tạo các hạt nano sắt từ ứng dụng trong y học I.Giới thiệu (tt) II. Ứng dụng các hạt nano từ tính trong y-sinh học  Ưu diểm của hạt nano từ tính: kích thước : 1-100nm +Bề mặt: có khả năng tương thích với các thực thể sinh học (ttsh) +Tính chất vật lý: có thể thao tác bằng từ trường. Các yêu cầu khi ứng dụng y-sinh học  Siêu thuận từ, từ độ lớn, sự hưởng ứng cộng hưởng với từ trường ngoài.  Ổn định với dd có độ pH trung tính và độ mặn sinh lý.  Invivo (bên trong): Không độc, không miễn dịch, có kích thước hợp lý, cần được bọc polyme tương thích sinh học... 1. Ứng dụng in-vivo (bên trong). a. Điều trị bệnh. b. Chẩn đoán bệnh 2. Ứng dụng in-vitro (bên ngoài). a. Phân tích và chọn lọc tế bào, kháng nguyên. b. Một số ứng dụng trong tương lai. II. Ứng dụng các hạt nano từ tính trong y-sinh học II.1. Ứng dụng in-vivo ứng dụng in-vivo Điều trị bệnh Chẩn đoán bệnh Pp tăng thân nhiệt Pp dẫn truyền thuốc và gen II.2.a. Điều trị bệnh 1. phương pháp tăng thân nhiệt cục bộ Sử dụng các hạt nano từ tính để tăng nhiệt độ của 1 vùng cơ thể có u ác tính hay các vùng khác nhiễm bệnh. Phương pháp điều trị ung thư Thường sử dụng phương pháp nung nhiệt toàn cơ thể hoặc 1 bộ phận cơ thể ( bơm các dòng chất lỏng nóng vào cơ thể) hoặc sử dụng siêu âm hay trường điện từ Làm chậm lại hoặc tiêu diệt tế bào ung thư Nguyên tắc : dùng các hạt nano từ (sắt từ hoặc siêu thuận từ) dưới tác dụng của 1 từ trường xoay chiều Làm các hạt nano hưởng ứng Tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nung nóng cục bộ : Lưu lượng máu Phân bố các mô Các yếu tố khác Ưu điểm của phương pháp : chỉ cho phép làm nóng trực tiếp khối u. Sử dụng các hạt nano từ đơn domain,tránh sử dụng các hạt nano hấp thụ nhiều năng lượng (các oxit sắt được sử dụng nhiều nhất,có thể sử dụng các vật liệu từ vô định hình) II.1.a.1. Phương pháp tăng thân nhiệt cục bộ III.1.a.2. Phương pháp dẫn truyền thuốc và gen Chữa bệnh bằng các phương pháp thông thường Không đặc hiệu Bệnh phân tán,tác dụng phụ Dẫn truyền thuốc bằng các hạt từ tính Giảm phạm vi hoạt động của thuốc,giảm tác dụng phụ Hạt nano + thuốc điều trị Đưa vào cơ thể Các yếu tố phụ thuộc của phương pháp : Cường độ từ trường Gradient từ trường Thể tích,tính chất hạt Thường sử dụng các hạt là oxit sắt + 1 hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học (PVA,PCL) III.1.b. Các ứng dụng chẩn đoán bệnh Phương pháp chụp cộng hưởng từ hạt nhân (NMRI) cho chẩn đoán lâm sàng Dược liệu từ II.2.b Một số ứng dụng trong tương lai II.2.b Một số ứng dụng trong tương lai(tt) II.2.b Một số ứng dụng trong tương lai(tt) II.2.b Một số ứng dụng trong tương lai(tt) II.2.b Một số ứng dụng trong tương lai(tt) 3. II.2.b Một số ứng dụng trong tương lai(tt) ứng dụng nano từ lỏng trong y khoa Bùi nhật nam 0619047 phân tách và chọn lọc tế bào:  Các ứng dụng của hạt nanô từ được chia làm hai loại: ứng dụng ngoài cơ thể và trong cơ thể  Các ứng dụng trong cơ thể gồm: dẫn thuốc, nung nóng cục bộ và tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ  ứng dụng ngoài cơ thể nhằm tách những tế bào cần nghiên cứu ra khỏi các tế bào khác phân tách và chọn lọc tế bào: • Các hạt từ nano trước khi được sử dụng cần phải dược xử lý. • Các hạt này được bao phủ có tính tương hợp sinh học như là dextran, polyvinyl alcohol (PVA),... • Không gây ảnh hưởng đến hệ miễn dịch hay bị cơ thể đào thải Hình:cấu trúc của một hạt nano từ có dạng bông hoa phân tách và chọn lọc tế bào: • Quá trình phân tách được chia làm hai giai đoạn: • đánh dấu thực thế sinh học cần nghiên cứu. • tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường. • Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài. Hình: tập hợp tế bào cừu liên kết lại với nhau  Từ trường ngoài tạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu.  Các tế bào không được đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài  Hỗn hợp tế bào(hạt từ tính bao phủ bởi một lớp CHHBM) được trộn với nhau để quá trình đánh dấu và tế bào xảy ra. Hình:Sơ đồ đơn giản về cơ phân tách tế bào LÀM GIÀU DNA CỦA SIÊU VI HERPES  Herpes là một siêu vi gây bệnh ngoài da và bệnh đường sinh dục  DNA và hạt nano được ổn định ở nhiệt độ 37 C trong 18 giờ  Sau phản ứng lai hóa, dùng một nam châm thương mại để cô đặc hạt nano từ tính có gắn cùng các DNA của siêu vi Hinh: Quá trình kết hợp AND với nano từ thành „AND dây‟ phủ trên đế silic LÀM GIÀU DNA CỦA SIÊU VI HERPES Hinh: Sự phụ thuộc của nồng độ DNA vào thể tích của dung dịch ban đầu trước khi và sau khi làm giàu DNA.  Đo nồng độ của DNA sau khi được làm giàu và tách khỏi hạt nano bằng vi cảm biến độ dẫn  .Kết hợp từ trường và vi cảm biến độ dẫn có thể xác định được DNA có nồng độ thấp  có thể sử dụng để xác định sự có mặt của nhiều loại siêu vi khác như siêu vi cúm gia cầm Hình: Quy trình tiếp hợp hạt nano được chức năng hóa với DNA của siêu vi Herpes. (A): hoạt hóa DNA bằng EDC.(B): hoạt hóa DNA bằmg MIA do EDC không ổn định trong nước.(C): tiếp hợp hạt nano từ tính phủ amino với DNA ĐẾM TẾ BÀO BẠCH CẦU CD4+ T • được hạt nano từ bọc bởi hai loại kháng thể đơn dòng antiCD4: một loại thường (antiCD4-NP) và một loại phát huỳnh quang (*antiCD4-NP) • Dưới chế độ huỳnh quang thì chỉ nhìn thấy tế bào bạch cầu CD4+ T mà không nhìn thấy các tế bào hồng cầu và bạch cầu dạng khác Hinh Quy trình tiếp hợp hạt nano được chức năng hóa với kháng thể antiCD4. Phản ứng (A) Hạt nano từ tính được chức năng hóa EDC. Phản ứng (B)Tiếp hợp kháng thể antiCD4 với hạt nano từ tính được bao phủ bởi EDC. • cường độ phát huỳnh quang của tế bào bạch cầu CD4+ T mạnh hơn cường độ huỳnh quang của tế bào được tiếp hợp với kháng thể huỳnh quang mà không có hạt nano • Ngoài ra việc đếm tế bào cũng dễ dàng hơn do không bị lẫn với các tế bào khác loại và có nhiều tế bào trên một đơn vị diện tích nên thống kê chính xác hơn Hinh Ảnh chụp các tế bào trong máu từ kính hiển vi dưới ánh sáng thường (A, C) và dưới chế độ phát huỳnh quang (B, D) của tế bào không được bao bọc bởi hạt nano từ tính (A, B) và được bao bọc bởi hạt nano từ tính (C, D). Ứng dụng của hạt từ nano trong bảo vệ môi trường •Nano từ lỏng được ứng dụng để xử lý nước bị nhiễm bẩn •Để làm sạch nước bẩn có nhiều phương pháp vật lý , hóa học. Các phương pháp này thường phức tạp , tốn kém , mất nhiều thời gian , nhưng đôi khi hiệu quả không cao , không tách lọc triệt để các tạp chất trong nước bẩn. •Gần đây với việc chế tạo ra chất lỏng từ ferit ứng dụng để lắng đọng nước bẩn bằng cơ chế tĩnh điện và hấp phụ, có thể làm sạch nước triệt để ,nhanh chóng ,hiệu quả . Ứng dụng của hạt từ nano trong bảo vệ môi trường  Nguyên tắc hoạt đông chung :( hấp phụ nhờ vào cơ chế tĩnh điện ) hạt nano khi ở trong môi trường dung dịch phù hợp sẽ có điện tích bề mặt. Với hạt từ , ở pH trung tính thì bề mặt của hạt sẽ mang điện tích âm. Điện tích âm sẽ hút các ion tạp chất ( mang điện tích dương lên bề mặt ) .  Ví dụ một chất lỏng nano từ cụ thể CoOFe2O3 : để để khử những kim loại nặng trong nước bị nhiễm bẩn Quá trinh xử lý nước bẩn bằng CoOFe2O3  Kim loại nặng: - Kim loại có nguyên tử lượng cao. - Thường có độc tính đối với sự sống như As, Cd, Pb, Hg, Cr, Ni, Zn ( kim loại nặng đều là những chất độc đối với cơ thể .Tác hại đến chức năng của nhiều cơ quan như thần kinh, tim mạch, tiêu hóa, sinh sản, nghiêm trọng hơn là ung thư bàng quang, gan , thận, ruột, làm rối loạn gen ... )  Cơ chế : - Hạt nano từ CoOFe2O3 được phủ bằng axit oleic để tăng hoạt tính bề mặt , tránh oxi hóa và kết tụ , sau đó hòa trộn vào cồn loãng ta thu được chất lỏng từ. - Ta lấy một lượng nhỏ chất lỏng từ pha vào nước bẩn , khuấy đều rồi dùng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện đặt dưới thùng nước để hút các hạt từ đã được tạp chất bám vào , rơi xuống Quá trinh xử lý nước bẩn bằng CoOFe2O3 Hình 1 : Cơ chế hấp phụ kim loại nặng của các hạt CoOFe2O3 Quá trinh xử lý nước bẩn bằng CoOFe2O3  Nếu kết hợp phèn chua với chất lỏng từ thì sẽ làm lắng đọng kim loại nặng và tạp chất trong nước triệt để hơn Hình 2 : Mô tả lắng đọng chất bẩn bằng hạt nano từ kết hợp với muối Al2(SO4)3 Hình 3 : So sánh khả năng lắng đọng chất bẩn khi không dùng chất lắng đọng (a), dùng phèn (b), phèn + hạt nano từ (c) Quá trinh xử lý nước bẩn bằng CoOFe2O3 Một ví dụ cụ thể khi xử lý nhiễm độc Asen Chỉ với một lượng nhỏ 0,25 g/l với hạt nano Fe3O4; 0,5g/l với hạt ferit Ni; 0,75 g/l với hạt ferrit Co có thể làm giảm nồng độ Asen trong nước từ 0,1 mg/l xuống dưới tiêu chuẩn cho phép của nước uống là 0,01 mg/l sau một thời gian khuấy vài phút . Hình 4 : Bảng kết quả của các mẫu nước được điều chế trong phòng thí nghiệm trước và sau khi xử lý ( KPF* : không phát hiện ). Ưu điểm của phương pháp  Các hạt CoFe2O4 hấp phụ tất cả các kim loại nặng đã khảo sát.  Khả năng hấp phụ các kim loại nặng của hạt CoFe2O4 rất tốt.  Hiệu suất hấp phụ cao: 99,3% ÷ 100 %.  Sử dụng các hạt CoFe2O4 để khử các kim loại nặng trong nước bị nhiễm bẩn sẽ có hiệu suất rất cao với chi phí xử lý thấp .  Có thể áp dụng vào thực tế.  Hạt nano từ sau khi xử lý nước bẩn có thể được thu hồi để tái sử dụng ( tách nước sạch ra khỏi hạt nano từ bị bám tạp chất , sau đó rửa sạch , phơi khô và tái sử dụng ) . Hình 5 : Mô hình xử lý nước bị nhiễm kim loại nặng. Nước cần xử lý Bồn chứa nước Bộ phận lọc 1 Nước sạch Bộ phận lọc 2 Hạt CoFe2O4 đã hấp phụ kim loại nặng Bộ phận hấp phụ kim loại nặng của các hạt CoFe2O4 Thiết bị khử trùng B ơ m n ư ớ c lê n Hạt CoFe2O4 Ứng dụng trong công nghệ - kĩ thuật : 1.Chế tạo transistor dùng vật liệu từ lỏng : Các nhà nghiên cứu của trường Đại học California , Berkeley , Mỹ, vừa phát minh ra một biến thể transitor điện tử tiêu chuẩn, một transitor “nano lỏng” đầu tiên, cho phép họ có thể điều khiển được chuyển động của các iôn xuyên qua các kênh chứa nước có kích cỡ hạ vi. Transistor dùng vật liệu từ lỏng Cơ chế :  Transitor giống như một cái van , sử dụng một điện áp để mở hoặc đóng một kênh ion . Các transistor nano lỏng cũng sẽ trở thành bộ phận quan trọng của các bộ xử lý phân tử, cho phép chất hóa học cực nhỏ gắn trên một con chíp hoạt động được mà không cần đến những bộ phận chuyển động.  Nếu các ion là các protein, chúng sẽ bị đưa qua lại xuyên qua các kênh được kẻ thành vạch bằng các kháng thể huỳnh quang để dò ra hoặc cảm nhận ra. Nếu các ion là các mảnh của ADN thì chúng sẽ được phân loại và được sắp xếp theo trình tự. Trên thực tế, bất cứ một cảm ứng phân tử sinh học cực nhạy nào thấp xuống mức độ của một phân tử đơn cũng có thể được thực hiện bằng các transitor nano lỏng Transistor dùng vật liệu từ lỏng  có thể kết hợp transistor với một con chip điện tử để điều khiển các dòng chất lỏng . Các kênh nano lỏng sẽ được tích hợp với linh kiện điện tử trên một con chíp silic đơn, với các linh kiện điện tử điều khiển hoạt động của các dòng nano lỏng 2.Một số ứng dụng khác của nano từ lỏng trong khoa học – kĩ thuật  Với những ưu điểm của nano từ lỏng như : kích thước hạt nhỏ , độ nhớt cao , vừa là chất lỏng vừa có từ tính Nano từ lỏng được ứng dụng : bịt kín các trục máy , bít các chỗ ống nối , làm chất bôi trơn ( chất lỏng từ bôi trơn các thiết bị ,bộ phận chuyển động tuần hoàn ) , phanh từ ( giảm tốc , giảm chấn ) , dùng trong bộ biến đổi cơ điện , dùng trong công tắc điện , dùng trong máy in ( thu hồi mực dư ) Một số ứng dụng khác của nano từ lỏng trong khoa học – kĩ thuật a) Nano từ lỏng dùng để bịt kín các trục máy : a) Hệ thống MFS: 1. Nam châm, 2.Các cực từ dẫn truyền đường sức từ, 3. Chất lỏng từ ở kẽ hở giữa cực cố dịnh và truc chuyển động (b) Giọt chất lỏng nút kẽ hở: 4.Phía áp suất cao, 1. Phía áp suất thấp Một số ứng dụng khác của nano từ lỏng trong khoa học – kĩ thuật b) Nano từ lỏng bít các chỗ ống nối : 1- 5. Các bộ phận ống nối , 2, 4. Các chỗ nối bằng mặt bic (các tấm đậy phẳng), 3. Nam châm, 6. Chất lỏng từ, 7,9. Mạch từ, 8. Chất lỏng bảo vệ Một số ứng dụng khác của nano từ lỏng trong khoa học – kĩ thuật c) Nano từ lỏng ứng dụng bôi trơn : 1. Các đĩa nối với trục chuyển động 2, 3. Nam châm vĩnh cửu, 4. Chất bôi trơn. Một số ứng dụng khác của nano từ lỏng trong khoa học – kĩ thuật d) Ứng dụng nano từ dùng làm “phanh từ ” : 1.Môtơ, 2. khuôn bao không từ, 3. Chất lỏng từ, 4. Ụ nổi di động bằng nam châm vĩnh cửu Một số ứng dụng khác của nano từ lỏng trong khoa học – kĩ thuật e) Nano từ lỏng trong bộ biến đổi cơ điện: (a). Trạng thái ban đầu, (b). Cung cấp năng lượng vào nam châm điện, 1. Vỏ dàn hồi được, 2. Nam châm điện, 3. Chất lỏng từ, 4. Chốt cố định, 5. Chốt di động. Một số ứng dụng khác của nano từ lỏng trong khoa học – kĩ thuật f) Ứng dụng trong công tắc điện : 1.Công tắc nguồn, 2. Chứa dầu, 3. Thủy ngân, 4. Chất lỏng từ, 5. Nam châm điện để từ hóa, 6. Bể chứa chất lỏng từ, 7. Nam châm kiểm tra điện. Một số ứng dụng khác của nano từ lỏng trong khoa học – kĩ thuật g) Ứng dụng nano từ lỏng trong máy in : 1. Bình mực, 2. Ống bao vòi phun mực, 3, 4. Nguồn từ trường biến đỗi,5.Giọt mực từ, 6. Bộ phận hướng dòng mực, 7. Dẫn mực trở về, 8. giấy, 9. Nguồn điện, 10. Điều khiển nguồn tín hiệu.