span.fullpost {display:none;}

2005/02/26

Vật liệu từ nano trong sinh học

Dạ Trạch

Thuật ngữ từ học nano ứng dụng trong sinh học (nanobiomagnetism) càng ngày càng được sử dụng nhiều trong các ngành khoa học mũi nhọn và có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống. Nó là một ngành khoa học kết hợp của ba ngành: vật lí, hóa học, và sinh vật học. Trong tự nhiên đã có rất nhiều các sinh vật sử dụng các hạt nano từ như các vi khuẩn, ong và những sinh vật định hướng bằng từ trường của trái đất. Nguyên tố từ tính chủ yếu trong sinh học là sắt và các hợp chất từ sắt.

Việc áp dụng các nguyên tắc trong sinh vật lên cơ thể người là điều mà các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu. Từ hàng trăm năm trước, khi mà con người chưa hiểu rõ về nam châm nhưng họ vẫn dùng nó để lấy các vật thể lạ bằng sắt ra khỏi các vị trí trong cơ thể. Nhưng những ứng dụng đó không nhiều và không có tầm quan trọng đặc biệt. Chỉ đến khi vật liệu từ có kích thước nano ra đời thì các ứng dụng mới phát triển mạnh mẽ. Để hiểu tại sao vật liệu nano có tầm quan trọng chúng ta cần phải biết một số giá trị kích thước của tế bào từ 10-100 m, virus từ 20-500 nm, protein từ 5-50 nm, gen có 2 nm chiều rộng và 10-100 nm chiều dài. Vật liệu nano có kích thước đủ nhỏ để có thể đi sâu vào các cơ quan mà không làm ảnh hưởng đến chức năng của chúng.

Một số sinh vật định hướng dựa vào từ trường trái đất.

Vật liệu từ nano sinh học cần một số tính chất mà các ứng dụng thuần túy vật lí không quan tâm như độc tính, bao phủ bề mặt, thời gian tồn tại trong cơ thể sinh vật.

Độc tính (biotoxicity)
Các tế bào có thể bị chết bởi hai cách: tác nhân ngoại như tác động của các hợp chất hóa học hoặc bị một áp lực cơ học, tác nhân nội được lập trình để tế bào sẽ chết sau một loạt các chuỗi sự kiện nhất định (apoptosis). Các tác nhân ngoại gây đến cái chết của tế bào gọi là các tác nhân có độc tính, một số hợp chất độc đối với loại tế bào này lại không độc với loại tế bào khác. Thông thường để thử độc tính của một hợp chất nào đó người ta thường thử với tế bào vú, nếu nó không độc (biocompatible: tương hợp) với tế bào vú thì nó sẽ không độc với hầu hết các tế bào khác. Các vật liệu từ nano cần phải tương hợp với thực thể sống. Vật liệu thường dùng hiện nay là ô-xít sắt vì chúng rẻ, dễ dàng chế tạo và có tính chất từ khá đa dạng như tính siêu thuận từ hoặc ferri từ. Nhược điểm của loại vật liệu này là chúng có mô men từ bão hòa (khoảng 100 emu/g) và độ cảm từ không lớn. Một số các vật liệu khác cũng được nghiên cứu và sử dụng đó là sắt, cobalt, Ni, ferrite, FePt,...

Lớp bề mặt
Các hạt có kích thước nano có xu hướng kết tụ để giảm năng lượng bề mặt, và giảm lực van der Wal người ta bao phủ xung quanh các hạt một chất hoạt hóa bề mặt (surfactant) để giữ cho các hạt phân tán trong dung môi hoặc làm cho hạt có tính tương hợp sinh học. Sự kết hợp giữa các hạt nano từ được bao phủ bởi các phân tử chất hoạt hóa bề mặt trong một dung môi như nước hay dầu được gọi là chất lỏng từ (magnetic fluid). Đặc tính của các chất hoạt hóa về mặt là chúng là các phân tử dài (2-10 nm), có một đầu phân cực và đuôi không phân cực. Trong dung môi nước, các đầu phân cực sẽ hướng về các phân tử nước và các đuôi không phân cực sẽ hướng về bề mặt các hạt nano và tạo một lớp bao phủ bề mặt rất chắc chắn xung quanh hạt nano.

Thời gian tồn tại trong cơ thể sống
Cơ thể sống có một cơ chế gọi là opxonin (opsonize), nó cho phép nhận biết các vật thể lạ trong cơ thể và nếu phát hiện ra các vật thể này thì chúng sẽ tìm cách đưa các vật thể đó ra ngoài. Quá trình opxonin được thực hiện thông qua hệ miễn nhiễm (reticuloendothelial system). Nếu các hạt nano xâm nhập vào cơ thể thì sẽ bị loại ra ngoài sau khoảng 5 phút. Tất nhiên quá trình loại bỏ này phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của hạt nano như kích thước, điện tích bề mặt và tính ưa kị nước. Hạt càng nhỏ thì càng tồn tại lâu trong cơ thể nhưng nếu nhỏ quá thì từ tính bị yếu đi nên ta phải thỏa hiệp giữa hai thông số này. Bằng cách sử dụng các chất hoạt hóa bề mặt, tính ưa kị nước sẽ được cải thiện.

(còn nữa)