Công nghệ sinh học Nano

CÔNG NGHỆ SINH HỌC NANO
Module by: Nguyen Van Ru
Summary:
CNNN phát triển tất yếu dẫn tới nhu cầu tìm kiếm các mối liên kết giữa những vật
có kích thước nano. Điều đó tự phát dẫn tới sinh học (lĩnh vực khoa học “nóng”
nhất) (hình 2). Các nhà khoa học mong muốn sự giao thoa giữa CNSH và CNNN
bởi lẽ CNNN mang lại cho sinh học những công cụ mới trong khi sinh học cho
phép CNNN đạt được các hệ thống có chức năng mới [7]. Công nghệ này tạo ra sự
hợp tác chưa từng có giữa các nhà khoa học vật liệu, vật lý học và sinh học [8].
CNSH nano là tập con của CNNN, nó cũng gần với CNSH nhưng thêm khả năng
thiết kế và biến đổi các chi tiết sinh học ở mức độ nguyên tử [5].
CÔNG NGHỆ SINH HỌC NANO
1. GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Lịch sử phát triển
1.1.1 Công nghệ sinh học
Công nghệ sinh học (CNSH) thực sự trở thành một ngành công nghiệp vào cuối
những năm 1970 nhưng nó đã được đề cập và tiên đoán tiềm năng phát triển từ 60
năm trước đó [1]. CNSH là tập hợp các khám phá khoa học và kỹ thuật thí nghiệm
cho phép các nhà khoa học thao tác và sử dụng các hệ thống sinh học trong nghiên
cứu cơ bản và phát triển các sản phẩm thương mại [2]. Với nền tảng là công nghệ
tái tổ hợp, CNSH đã và đang có những bước tiến thần kỳ, với ngày càng nhiều ứng
dụng mới.
CNSH hiện đại tập trung nghiên cứu các quá trình, cơ chế ở mức phân tử. Sinh học
phân tử càng phát triển, càng cần các công cụ, vật liệu mới nhằm thâm nhập sâu
hơn vào thế giới hiển vi của những quá trình, cấu trúc sinh học.
1.1.2 Công nghệ nano
Nano theo tiếng Latinh (νανοσ) nghĩa là nhỏ xíu. Vào thế kỷ thứ VII trước Công
nguyên, Mimnermus, thi gia HyLạp, đã sáng tác bài thơ có tên “nữ hoàng Ναννο”.
Đến thế kỷ thứ II sau Công nguyên, ναννο là tên một loại bánh bơ có dầu ôliu,
sang thế kỷ thứ III sau Công nguyên thì nó lại mang nghĩa bồn rửa bát đĩa lớn.Tiền
tố nano xuất hiện trong tài liệu khoa học lần đầu tiên vào năm 1908, khi Lohmann

sử dụng nó để chỉ các sinh vật rất nhỏ với đường kính 200 nm [3]. Vào năm 1974,
Tanigushi lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ công nghệ nano (nanotechnology) hàm ý
sự liên kết các vật liệu cho kỹ thuật chính xác trong tương lai [3]. Hiện tại trong
khoa học, tiền tố nano biểu thị con số 10
-9
tức kích thước 1 phần tỷ m (hình 1).
1
Figure 1
Hình 1. Các phân tử DNA có kích thước khoảng 2,5 nm. 10 nguyên tử H xếp liền
nhau dài 1nm (Theo www.cecs.ucf.edu).
Tổ chức Nanotechnology Initiative (NNI) trực thuộc chính phủ Mỹ định nghĩa
công nghệ nano (CNNN) là “bất cứ thứ gì liên quan đến các cấu trúc có kích thước
nhỏ hơn 100nm”. Định nghĩa này đã loại bỏ một cách độc đoán chủ thể của các
nghiên cứu liên quan khác tập trung vào các thiết bị vi lỏng (microfluidic) và các
vật liệu đang được tiến hành ở quy mô µm [4].
Trong cuốn “Bionanotechnology: lessons from nature”, Goodsell định nghĩa
CNNN là “thao tác và chế tạo ở quy mô nano với độ chính xác nguyên tử” [5].
Cụ thể hơn, CNNN là khoa học, kỹ thuật và thao thác liên quan tới các hệ thống có
kích thước nano, ở đó các hệ thống này thực hiện nhiệm vụ điện, cơ, sinh, hóa
hoặc tính toán đặc biệt. Nền tảng của công nghệ này là hiện tượng “các cấu trúc,
thiết bị và hệ thống có tính chất và chức năng mới khi ở kích thước siêu nhỏ”. Cấu
trúc cơ bản của CNNN bao gồm các hạt hay tinh thể nano, lớp nano và ống nano.
Các cấu trúc nano này khác nhau ở chỗ chúng được tạo thành như thế nào và các
nguyên tử, phân tử của chúng được sắp xếp ra sao [6]
2
Figure 2
Hình 2. Mối tương quan giữa các thiết bị máy móc (đồng hồ) có kích thước µm
đến mm và cấu tử sinh học (ribosom, tiên mao) có kích thước nano [Theo 5].
1.1.3 Công nghệ sinh học nano
CNNN phát triển tất yếu dẫn tới nhu cầu tìm kiếm các mối liên kết giữa những vật

có kích thước nano. Điều đó tự phát dẫn tới sinh học (lĩnh vực khoa học “nóng”
nhất) (hình 2). Các nhà khoa học mong muốn sự giao thoa giữa CNSH và CNNN
bởi lẽ CNNN mang lại cho sinh học những công cụ mới trong khi sinh học cho
phép CNNN đạt được các hệ thống có chức năng mới [7]. Công nghệ này tạo ra sự
hợp tác chưa từng có giữa các nhà khoa học vật liệu, vật lý học và sinh học [8].
CNSH nano là tập con của CNNN, nó cũng gần với CNSH nhưng thêm khả năng
thiết kế và biến đổi các chi tiết sinh học ở mức độ nguyên tử [5]. Hiện có nhiều
cách định nghĩa CNSH nano.
CNSH nano là bất cứ ứng dụng nào của CNNN trong nghiên cứu sinh học bao
gồm: khám phá thuốc, thiết bị phân phối thuốc, công cụ chuẩn đoán, liệu pháp và
vật liệu sinh học mới [9].
Theo NIH, CNSH nano là: 1. Áp dụng công cụ ở kích thước nano vào hệ thống
sinh học và 2. Sử dụng hệ thống sinh học làm khuôn mẫu để phát triển các sản
phẩm mới cỡ nano.
Ở đây, cần phân biệt giữa ‘Nano2Bio’ (sử dụng CNNN để phân tích và tạo ra các
hệ thống sinh học), và ‘Bio2Nano’ (sử dụng vât liệu và cấu trúc sinh học để tạo các
hệ thống kỹ thuật) [10]. Hình 3 thể hiện khái quát các định nghĩa CNSH nano nêu
trên.
Figure 3
Hình 3. Bức tranh toàn cảnh CNSH nano. Trong đó, các hệ thống, thiết bị riêng lẻ
cũng như tích hợp được tạo ra từ nền tảng là sự giao thoa giữa CNSH và CNNN
nhằm ứng dụng trong y học, sinh học… (Theo www.nano2life.org)
3
1.2. Hướng nghiên cứu chính
Cùng với sự nở rộ của CNNN, CNSH nano cũng đang có những bước tiến thành
kỳ. Một số ví dụ của CNSH nano trong nghiên cứu và phát triển [11]:
• Chụp ảnh và nghiên cứu tương tác giữa các đơn phân tử sinh học.
• Màng chức năng tự lắp ráp với các tính chất như xúc tác, quang hoạt, dẫn điện,
điện hóa và lọc nước, lọc khí, vi sinh vật.
• Động cơ DNA (DNA motor) dựa trên lực tạo ra khi lai các trình tự bổ sung với

nhau.
• Chụp ảnh quá trình vận động của virus, protein, prion và thuốc trong tế bào sống.
• Chuyển gene và đột biến điểm chính xác.
• Các bộ phận phân tử mới hướng đích và tăng phản ứng miễn dịch
• Công nghệ phân phối thuốc hướng đích
• Khai thác các động cơ sinh học như cơ và các protein vận động khác, để tạo năng
lượng điện hoặc cơ.
Hiện tại trên thị trường đã có những sản phẩm thương mại của CNSH nano. Bảng
1 liệt kê một số công ty thành công trong lĩnh vực CNSH nano theo ba hướng
nghiên cứu chính là (i) phân tích sinh học; (ii) phân phối thuốc và liệu pháp; (iii)
thiết bị y học và cảm biến sinh học. Rõ ràng, có sự chồng lấp giữa các lĩnh vực
này, và một lĩnh vực phát triển sẽ xúc tác sự phát triển của lĩnh vực khác [12]. Như
một tất yếu trong các lĩnh vực công nghệ cao và mới, Mỹ luôn là nước dẫn đầu thể
hiện ở số công ty vượt trội. Tuy nhiên, một số nước khác như Úc, Nhật, Canada,
Anh cũng đã có những công ty tham gia vào thị trường đầy tiềm năng này.
4
Figure 4
5
Figure 5
1.3 Tiềm năng
Có thể nói, trong thời điểm hiện tại, có thể thấy tiềm năng phát triển của một công
nghệ hay kỹ thuật mới rõ nhất qua nguồn ngân sách nghiên cứu hàng năm và
doanh thu đem lại từ các sản phẩm thương mại của nó.
Được toàn thế giới nghiên cứu và đầu tư phát triển, ngân sách đầu tư cho CNNN
của các tổ chức thuộc chính phủ đã tăng khoảng 7 lần từ 430 triệu năm 1997 lên 3
tỉ USD năm 2003[13]. Tỷ lệ đầu tư cho nghiên cứu và đào tạo CNSH nano bằng
khoảng 6% của công nghệ nano. Trong lĩnh vực tư nhân, các công ty lớn hiện tập
trung ứng dụng CNNN cho vât liệu, hóa học, điện; đầu tư trong dược và các hệ
thống sinh học nano khác ước tính khoảng 10%. Tuy nhiên, các công ty nhỏ và quỹ
đầu tư mạo hiểm chi nhiều hơn trong lĩnh vực này (30-40%) [13]. Từ năm 1999,

52% trong số 900 triệu USD trong quỹ đầu tư mạo hiểm chi cho CNNN tập trung
vào thiết lập CNSH nano (hình 4a). Trên thực tế, trong khi trong khi vốn đầu tư
mạo hiểm suy giảm từ năm 2001 đến 2002, đầu tư vào CNSH nano lại tăng 313%
(hình 4b). Sự tăng trưởng này do hai yếu tố chủ chốt: các ưu đãi của chính phủ và
sự khan hiếm các sáng chế y dược học [9]. Trên 50% vốn đầu tư mạo hiểm trong 4
năm gần đây được chi cho các công ty hoạt động trong CNSH nano [8].
6
Figure 6
Hình 4. Sức cám dỗ ngày càng tăng của CNNN với các nhà đầu tư. (a) Vốn đầu tư
mạo hiểm chi cho CNSH nano so với các lĩnh vực CNNN khác. (b) Quỹ đầu tư
mạo hiểm hàng năm chi cho CNNN [Theo 9].Mặc dù Mỹ chiếm gần 1/3 tổng chi
cho CNNN toàn cầu [9]. Các quốc gia khác cũng không đứng ngoài cuộc, sau 3
năm kể từ khi cựu tổng thống Mỹ Bill Clinton thành lập NNI, 35 quốc gia khác đã
xây dựng các chương trình trong công nghệ này [8]. Năm 2004, chính phủ Mỹ chi
847 triệu USD cho CNNN trong khi đó Nhật và liên minh Châu Âu cũng chi
không kém. Thái Lan đang ở giai đoạn giữa của chương trình CNNN quốc gia 6
năm với tổng ngân sách 620 triệu USD [14]. Anh là quốc gia cuối cùng tăng chi
tiêu trong công nghệ nano, được giới thiệu vào tháng 6 một sự gần như gấp đôi
cam kết của nó với £90 ($141) triệu cho quỹ MicroNanoTechnology Network [8].
Ngân sách đầu tư cho CNNN của chính phủ một số nước được thể hiện trong bảng
2.Theo National Science Foundation, thị trường CNSH nano sẽ đạt xấp xỉ 36 tỷ
USD vào năm 2006 [15].Không nằm ngoài vòng xoáy chung, Việt Nam cũng đã và
đang chú trọng vào công nghệ nano. Năm 2004, vốn đầu tư vào môi trường và
CNNN đã tăng hơn 50% so với năm 2003 [16].Trong lĩnh vực đào tạo, ĐHQG -
TP.HCM [17], ĐHBK - TP.HCM [18], Trường ĐH-KHTN [19] và Đại học Công
nghệ trực thuộc ĐHQG-HN [20], ĐHBK-HN đã và đang nghiên cứu, đào tạo về
công nghệ nano.Khu công nghệ cao TPHCM cũng tập trung đẩy mạnh CNNN
[21]. Trong triển khai thực tiễn, thành công rực rỡ nhất của CNNN tại Việt Nam là
chế tạo thành công than nano "lỏng" [22] ứng dụng làm pin nguyên liệu, chế tạo vi
mạch [23]. Ngoài ra còn có các nghiên cứu về cấu trúc nano đa lớp, vật liệu từ có

cấu trúc nano [24] và đã chế tạo thành công cảm biến nano dùng để xác định nồng
độ khí gas hoá lỏng [25]. Khu công nghệ cao TP.HCM cũng đang hợp tác với
trung tâm nhiệt đới Việt Nga để chế tạo mặt nạ sinh học dùng than nano [26], giấy
và mực nano [27].Tuy nhiên, CNSH nano vẫn là một điều gì đó mới lạ ở Việt
Nam. Trong lĩnh vực đào tạo, trường ĐHBK-HN mới có dự thảo chương trình đào
tạo thạc sỹ về CNSH nano. Tại đây cũng bắt đầu triển khai ứng dụng CNNN trong
chế tạo thuốc hướng đích. GS. Phạm Thị Trân Châu (Trung tâm CNSH - ĐHQG
HN), PGS. Nông Văn Hải (Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam) và GS.
Nguyễn Hữu Đức (Trường Đại học Công nghệ - ĐHQG - HN) đang thảo luận để
khởi động kết hoạch nghiên cứu ứng dụng của các hạt nano trong y - sinh học để
chẩn đoán và chữa bệnh [24]. Nói chung, CNSH nano tại Việt Nam hiện chỉ mới
đang đặt những viên gạch móng đầu tiên.
7
2. KHỐI CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ CHẾ TẠO
2.1 Vật liệu nano
Vật liệu nano là vật liệu có ít nhất một chiều có kích thước nm. Hình 5 cho thấy
một số vật liệu nano tiêu biểu và kích thước của chúng.
Đặc trưng của vật liệu nano
Các tính chất vật lý, hóa học của vật liệu đều bị giới hạn bởi kích thước, gọi là kích
thước tới hạn. Các tính chất như điện, từ, quang và hóa học đều có độ dài tới hạn
cỡ nm. Nếu vật liệu nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay
đổi. Tính chất đặc biệt của vật liệu nano được đem lại do kích thước của nó nhỏ
hơn kích thước tới hạn của vật liệu.
Bảng 3. Kích thước của một số cấu tử nano
Figure 7
Figure 8
Hình 5. Kích thước vật liệu nano và tế bào (Theo
8
Phân loại vật liệu nano
Theo trạng thái, người ta phân chia vật liệu nano thành trạng thái rắn, lỏng và khí.

Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay là vật liệu rắn, sau đó mới đến
chất lỏng và khí.
Về hình dáng vật liệu, người ta chia vật liệu nano thành:
• Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano), ví dụ, đám nano,
hạt nano...
• Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, ví dụ,
dây nano, ống nano (NT),...
• Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, ví dụ,
màng mỏng,...
• Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một
phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một
chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
Trong khuôn khổ bài viết tập trung vào CNSH nano này, tôi chỉ đề cập đến những
vật liệu nano đã và đang được ứng dụng trong ngành khoa học mới mẻ này. Do
vậy, để tiện theo dõi tôi chia vật liệu nano dùng trong CNSH nano thành hai loại là
dạng cầu (điểm lượng tử, dendrimer, lỗ nano, vỏ nano và hạt nano) và dạng thanh
(ống nano, que nano, dây nano).
2.1.1 Dạng cầu
Điểm lượng tử
(QD)QD là một hạt vật chất được tạo nên từ các vật liệu nhóm II–VI (CdSe) hoặc
III-V (InP) trong bảng hệ thống tuần hoàn [28], có kích thuớc nhỏ (< 10 nm) [29]
tới mức khi thêm hay lấy đi một điện tử sẽ làm thay đổi tính chất của nó. Khi ta
kích thích một QD càng nhỏ thì năng luợng và cuờng độ phát sáng của nó càng
tăng, mang lại bước sóng phát xạ khả điều hướng và đa hình phổ phát xạ của QD
(hình 6). Vì vậy nó là cửa ngõ cho hàng loạt những áp dụng kỹ thuật mới
(wikipedia).
Figure 9
Hình 6. Vi hạt gắn với QD mang lại màu khác nhau các phân tử sinh học. Mười
màu khác nhau phát ra từ QD (CdSe gắn với ZnS) dưới tia UV [Theo 30].
Trong số các vật liệu nano, QD hiện được nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất. Có

thể nói, với những ưu điểm vượt trội của mình, QD sẽ dần thay thế các chất phát
huỳnh quang trong những ứng dụng trước đây như lai in situ, FRET, xác định khả
năng di động của tế bào….
Dendrimer
Dendrimer là các phân tử được chế tạo bằng cách thêm liên tiếp các đơn vị nhánh
tỏa ra ngoài từ điểm khởi đầu (hình 7) [31].
9
Figure 10
Hình 7. Cấu trúc hai và ba chiều của dendrimer. Ba thành phần cấu trúc: lõi (vàng),
vùng bên trong chứa các đơn vị nhánh lặp lại (xanh da trời) và bề mặt ngoài (đỏ)
[Theo 12].
Chất khơi mào (initiator): Có thể tạo dendrimer từ phân tử gốc là nguyên tố đa trị.
Có thể gắn thêm các nhóm chức để tạo dendrimer đa chức năng.
Đơn vị nhánh: đơn vị nhánh bên trong có thể toàn bộ là amin (DAB-Am = PPI =
Astromol), hỗn hợp amine/amide (PAMAM), toàn bộ amide (L-lysine
dendrimers), gallate hoặc resorcinolate. Nếu muốn dùng dendrimer làm thuốc, cần
dùng đơn vị nhánh phù hợp với các ứng dụng dược học (không độc, hiệu quả cao,
có khả năng giám sát….).
Thể liên kết và bề mặt: Tính đa dạng của các cấu trúc dendrimer được tạo nên chủ
yếu nhất bởi nhóm bề mặt và loại thể liên kết được dùng [31].
Lỗ nano (nanopore)
Lỗ nano được tạo nên từ các vật liệu rắn (như silicon nitride) bằng kỹ thuật khắc
bởi tia ion (ion-beam sculpting technique) [32, 33] theo hai cách: tạo lỗ bằng cách
khắc trên màng, hoặc lấp các lỗ lớn hơn dưới những điều kiện ở đó quá trình
chuyển khối biên là chủ đạo. Chiều sâu của lỗ nano trên màng là 5-10 nm và
đường kĩnh lỗ là 3nm. Chúng nhỏ đến mức chỉ cho một mạch đơn DNA đi qua
(hình 8a).
Figure 11
Hình 8. Một số cấu trúc nano dạng cầu (a) Lỗ nano [Theo 34], (b) vỏ nano
( và (c) hạt nano có từ tính [Theo 35]. Vỏ nano (Nanoshell)Vỏ

nano là khối cầu silica rỗng với các hạt vàng bao quanh (hình 8b). Có thể gắn
kháng thể lên bề mặt nhằm tạo ra khối cầu hướng đích [33, 36, 37]. Hạt nano
(Nanoparticle)Hạt kim loại nano thường được định nghĩa là các hạt tách biệt có
10
kích thước 1 - 50 nm được ngăn cản sự kết tụ bằng vỏ bảo vệ. Phụ thuộc vào vỏ
bảo vệ được sử dụng, chúng được tái phân tán trong nước (“hydrosols”) hoặc dung
môi hữu cơ (“organosols”) (hình 8c) [29, 38]. Lõi của hạt nano có thể là hạt C, hạt
kim loại [39, 40], hạt từ, hạt hữu cơ [41], hạt silica [42] …
2.1.2 Dạng thanh
Ống nano Được khám phá lần đầu tiên bởi Dr. Sumio Lijima tại NEC, Nhật
(1991), NT carbon là mạng lưới lục giác của các nguyên tử C thông qua liên kết C
sp2 trên graphite, có đường kính ~1nm và chiều dài 1-100 µm. NT carbon có các
tính chất hết sức ưu việt như kích thước và khối lượng nhỏ, độ dẫn điện, dẫn nhiệt,
độ bền cao… [38, 43]. Có hai loại NT là NT một vách và NT đa vách (hình 9.1,
9.1) [43]… Có thể gắn các cấu tử sinh học với NT carbon (hình 9.3), cho phép sử
dụng hệ thống lai như các thiết bị cảm biến sinh học hoặc transistor với phổ hoạt
động rất hiệu quả, tạo ra các cấu trúc nano phức hợp và mạch nano (nanocircuit)
với các tính chất và chức năng được điều khiển [44]. Ngoài NT carbon, cùng với
sự phát triển của công nghệ nano, ngày nay người ta còn tạo ra NT peptide [45].
Figure 12
Hình 9. NT carbon nguyên chất và gắn với các cấu tử sinh học. (1) NT carbon 1
vách, (2) nhiều vách (Theo Ống nano carbon
gắn với các cấu tử khác nhau: a) gắn nucleotide; b) gắn đường; c) gắn chất hoạt
động bề mặt; d) gắn peptide; e) gắn C60. [Theo 44] Dây nanoCác dây nano kim
loại khác nhau gồm bạc [46], vàng [47], platinum [48], palladium [49], ZnS [50],
đồng [51], silicon [52] được tạo ra nhờ khuôn DNA hoặc tổng hợp hóa học. Có thể
tạo sợi vàng nano bằng cách sử dụng protein dẫn hướng (RecA) [53]. Patolsky và
cộng sự polymer từng bước các đơn vị monomer G-actin gắn hạt vàng nano và các
đơn vị G-actin không đánh dấu để tạo ra các sợi protein gắn kim loại sau khi xúc
tác sự kim loại hóa các hạt nano (hình 10a) [54]. Hình 10b minh họa dây nano

silica quấn quanh một sợi tóc, nó nhỏ bằng một phần năm virus, nhưng bền gấp 5
lần tơ nhện.
11
Figure 13
Hình 10. Cấu trúc sợi vàng trên lõi actin [Theo 54]. Dây nano quấn quanh sợi tóc
(Theo vạch nano (Nanobarcode, NBC) Mã vạch nano
được hiểu là vật liệu nano có khả năng mã hóa khác nhau tương ứng với từng loại
phân tử đích. Chúng có thể là các hạt nano hình trụ có vạch phân bố tự do, rộng 12
- 15 µm và dài 1 - 50 µm. Các mô hình sọc làm chúng tách biệt (giống như mã
vạch truyền thống) dưới ánh sáng, kính hiển vi huỳnh quang hoặc khối phổ (hình
11) [29]. Nanobarcode tạo thành vừa có khả năng mã hóa vừa có khả năng dò. Gần
đây, que nano đa kim loại với sọc barcode đã được chế tạo thành công. Người ta có
thể nhận diện chúng bằng cách đo hệ số phản xạ [55].
Figure 14
Hình 11. Ảnh phát huỳnh quang của hai hạt barcode A và B (trong hình iii) sử
dụng thí nghiệm lai DNA đánh dấu Cy3. (i) Ảnh đen trắng; (ii) Ảnh kênh Cy3; (iii)
hảnh đất hiếm thu được sử dụng bộ lọc ánh sáng dài 420 nm. Ngoài ra người ta còn
tạo ra các NBC có bản chất là phân tử DNA lai có nhiều đầu, mỗi đầu gắn với một
loại mẫu dò và tín hiệu phát huỳnh quang màu khác nhau để tạo ra phân tử có khả
năng mã hóa [56]. Que nano (Nanorod)Trong CNNN, que nano được sử dụng khá
phổ biến. Chúng được tạo thành từ kim loại, phi kim hoặc muối như Co, CuO, Au,
CdSe, BaCrO4, BaWO4 [38], gắn với các nhóm chức nhằm mang lại khả năng tự
lắp ráp thành các cấu trúc hai hoặc ba chiều. Hiện tại, trong CNSH, các que nano
đa thành phần như que nano Au/Ni [57] (phần vàng gắn với yếu tố hướng đích,
phần Ni gắn với plasmid tạo ra một vector chuyển gene rất hiệu quả), Au-Ni-Au đã
cho thấy các ứng dụng to lớn trong chuyển gene và phân tách chọn lọc các cấu tử
sinh học.
12
Figure 15
Hình 12. Các loại que nano và cấu trúc nano được tạo nên từ chúng. (A) Que nano

3 thành phần Au-Ni-Au [Theo 57]. (B) Que nano 2 thành phần Au-Ni [Theo 58].
(C) Que nano 2 thành phần Au-Ppy và các cấu trúc nano được tạo nên từ chúng
[Theo 59]. Ngoài những vật liệu nano kể trên, với các phương pháp tổng hợp hóa
học, người ta còn tạo ra các cấu trúc đĩa nano (nanodisks), hạt nano đa vỏ, cách tử
nano tam giác và các cấu trúc nano nhánh [41], mang lại những ứng dụng hết sức
đa dạng trong CNSH nano. Bên cạnh vật liệu nano, các phần tử sinh học đóng vai
trò vô cùng quan trọng trong CHSH nano. Cho đến nay, người ta mới chỉ lợi dụng
được một phần rất nhỏ của các cấu tử, cấu trúc và nguyên lý sinh học trong CNSH
nano.
2.2 Các phần tử sinh học trong CNSH nano
Tế bào là tập hợp của hàng ngàn bộ máy nano (nanomachine, nanodevice), chúng
có thể được thu nhận và biến đổi để thực hiện các nhiệm vụ CNNN tùy theo chủ
định của chúng ta. Hiện tại, trên 10.000 bộ máy nano đang làm việc trong cơ thể
mỗi người. Đáng chú ý là sau khi tách và tinh chế, các bộ máy nano này vẫn giữ
chức năng ở kích thước phân tử. Chúng là những bộ máy phân tử độc lập, được lợi
dụng để phục vụ con người [5]. Các phân tử sinh học có thể đóng vai trò như các
thành phần thu nhận, vận chuyển ánh sáng, chuyển hóa tín hiệu, xúc tác, bơm hoặc
đông cơ trong các bộ máy nano để tạo ra năng lượng hoặc các sản phẩm đặc biệt,
thực hiện các nhiệm vụ kiểm soát hay lưu giữ dữ liệu [60]. Các cấu trúc thiết yếu
trong trao đổi chất tế bào (ty thể, túi vận chuyển, ribosome…) có thể trở thành các
“bộ phận” của bộ máy sinh học-nano. Và với các tiến bộ công nghệ, chúng ta có
thể mở rộng chức năng của các bộ máy này theo mục đích của mình, biến đổi các
bộ máy nano phân tử sinh học sẵn có hoặc thiết kế những cái hoàn toàn mới [5,
61]. Theo xu thế hiện nay, người ta không ngừng tìm hiểu, khám phá các cơ chế
sinh học, tận dụng tối đa mọi tiềm năng sẵn có trong các hệ thống sinh học để ứng
dụng vào CNSH nano. Bởi thế, có thể nói mọi cấu tử sinh học đều đã và đang là
đối tượng nghiên cứu của CNSH nano.
2.2.1 Protein
Trong CNSH nano, protein được sử dụng rất phổ biến. Chúng có thể đóng vai trò
mẫu dò trong kỹ thuật protein chip [62], trợ giúp quá trình tự lắp ráp theo cơ chế

kháng nguyên-kháng thể [38], được bao gói trong các vật liệu nano khác như một
phân tử liệu pháp (kháng thể) [38] và đặc biệt nhất là vai trò động cơ nano. Động
cơ sinh học nano là protein và phức hệ protein thực hiện các chức năng khác nhau
thiết yếu cho sự sống như tái bản và biệt hóa của tế bào. Chúng sử dụng năng
13
lượng hóa học, điện hóa hoặc điện thế và chuyển năng lượng này thành lực cơ học
[63]. Tự nhiên luôn cung cấp cho chúng ta một dải rộng các động cơ sinh học nano
(hình 13), chúng được tiến hóa để thực hiện các chức năng đặc biệt với hiệu quả
cao [64]. Các protein vận động như myosin và kinesin đóng vai trò vận chuyển và
truyền động, các động cơ có bản chất RNA làm virus dễ dàng bao gói axit nucleic
[65], RNA polymerase chuyển động dọc theo DNA khi phiên mã, [66] và động cơ
tiên mao đẩy vi khuẩn đi [67]. Một số enzyme như kinesin, RNA polymerase,
myosin, và adenosine triphosphate (ATP) synthase có chức năng như các động cơ
sinh học quay hoặc tịnh tiến ở kích thước nano.
Figure 16
Hình 13. Các protein vận động: kinesin chạy dọc theo microtubule, dynein chạy
dọc microtubule theo chiều ngược lại với kinesin, myosin chạy dọc theo sợi
filament, F1-ATPase là một động cơ quay, cuống trung tâm của nó quay khi các
dưới đơn vị bên ngoài thủy phân ATP. Kết hợp các động cơ phân tử sinh học với
các hệ thống được chế tạo ở kích thước nano cho phép phát triển các thiết bị lai
hữu cơ-vô cơ có khả năng sử dụng ATP như nguồn năng lượng. Cách tiếp cận này
có thể cho phép tạo ra các cảm biến, biến năng cơ học và cơ cấu truyền động mới
[68, 69]. Các cơ chế bởi đó các động cơ sinh học tạo ra lực là một lĩnh vực nghiên
cứu thú vị trong đó các quá trình đáng kể được tạo thành [70]
2.2.2 DNA
Có thể nói, chưa một cấu tử sinh học nào được nghiên cứu kỹ như DNA. Tuy
nhiên, có lẽ không ai có thể ngờ rằng DNA lại có thể có những ứng dụng bước
ngoặt, đột phá đến như vậy khi CNSH nano ra đời. Có thể sử dụng tính chất nhận
biết phân tử kết hợp với các tính chất cơ học khác nhau của DNA mạch đơn và kép
để tạo các thiết bị nano thực hiện nhiều nhiệm vụ hơn với các ứng dụng từ chế tạo

nano đến phân phối thuốc thông minh [71]. Có thể dùng DNA để tạo ra các bộ máy
với khả năng chuyển động quay, đẩy và giãn dài, hoặc thậm chí vận động đẳng
hướng [71-73]. Có thể phát minh các thiết bị nano tự sinh để bắt giữ và giải phóng
các phân tử, thực hiện các nhiệm vụ xử lý thông tin đơn giản [71]. Một mảng ứng
dụng rất lớn nữa của DNA là làm mẫu dò trong gene chip, một kỹ thuật chỉ mới
14
được phát minh vào đầu những năm 1990 và tiềm năng phát triển có thể so với
PCR [62]. Ngoài ra, với các tính chất tự lắp ráp (TLR), bắt cặp bổ sung…, với khả
năng tổng hợp nhân tạo chính xác phân tử DNA đến từng base (cả mạch đơn lẫn
mạch kép), khi gắn DNA với các cấu tử sinh học hoặc cấu trúc, phần tử nano khác
sẽ cho ta những ứng dụng hết sức phong phú và đa dạng. Có thể nói, CNSH nano
mới chỉ lợi dụng được một phần rất nhỏ bé so với tiềm năng vốn có của DNA.
2.2.3 Các cấu trúc khác
Ngoài protein và DNA, một số cấu trúc sinh học khác cũng cho thấy tiềm năng ứng
dụng to lớn trong CNSH nano. Các lớp bề mặt tế bào vi khuẩn gọi là S-layer, S-
layer neoglycoprotein tích hợp có thể sử dụng trong thiết kế vaccine, phân phối
thuốc sử dụng sự nhận biết carbohydrate. Ngoài ra, có thể sử dụng glycoprotein,
polysaccharide, mono hay oligosaccharide làm mẫu dò trong glycan array [74]
hoặc chính bản thân tế bào cũng được lợi dụng làm khuôn để chế tạo dây nano
[50]. Với sự phát triển như vũ bão của công nghệ hiện nay, có thể nói, mọi cấu tử
sinh học ở kích thước nano đều có tiềm năng ứng dụng trong CNSH nano.
2.3 Cấu trúc nano tích hợp
Ngày nay, người ta thiết kế và chế tạo các bộ máy sinh học nano để thực hiện các
nhiệm vụ đặc biệt ở quy mô nano, như hướng đích tới các tế bào ung thư hoặc giải
quyết một một nhiệm vụ máy tính đơn giản. Khi CNSH nano phát triển, chúng ta
sẽ tái thiết kế các bộ máy phân tử của tế bào để thực hiện những nhiệm công nghệ
và sức khỏe con người ở quy mô lớn hơn. Các cấu trúc lớn sẽ được xây dựng với
độ chính xác nguyên tử với các máy lắp ghép phân tử sinh học hoặc bằng cách sử
dụng các mô hình sinh học để lắp ghép. Nhìn vào tế bào, chúng ta có thể tìm thấy
các động cơ tự động chính xác, bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, cảm biến… tất cả

chúng đều ở quy mô phân tử, sẵn sàng để thu nhận bởi CNSH nano [5].
2.3.1 Microarray
Trong kỹ thuật DNA array, người ta cố định axit nucleic có trình tự xác định (mẫu
dò) trên giá thể (mảng) thích hợp theo thứ tự. Axit nucleic cần nghiên cứu (đích)
được đánh dấu sau đó lai với mẫu dò trên mảng. Ở những điều kiện lý tưởng, các
axit nucleic có trình tự bổ sung sẽ bắt cặp chính xác với nhau. Hơn nữa dưới các
điều kiện này, cường độ phát hiện tín hiệu tỷ lệ trực tiếp với lượng mẫu dò nên có
thể định lượng các loại axit nucleic trong mẫu ban đầu [75]. Trên cơ sở DNA
array, các mẫu dò các mẫu dò có bản chất khác nhau đã được phát triển để tạo ra
protein array [76, 77], PNA array [78], peptide array [79], glycan array [74],
nanowire array [52, 54], cantilever array [80] … mang lại những ứng dụng hiệu
năng cao hết sức đa dạng [62].
15
Figure 17
Hình 14. Một số loại microarray điển hình. (A) DNA array [Theo 62]. (B)
Nanowire array [Theo 54]. (C) Cantilever array [Theo 80]. (D) Protein array [Theo
77].
2.3.2 Microfluidic
Một số thiết bị điều khiển lợi dụng ưu thế của các thiết bị kích thước nhỏ (cỡ µm)
so với các thiết bị lớn: giảm lượng mẫu và hóa chất tiêu tốn, thời gian phân tích
ngắn hơn, độ nhạy cao hơn, mang lại các phân tích in situ thời gian thực và tiện lợi.
Có thể hình dung là tương tự với các vi mạch tích hợp sử dụng transitor thu nhỏ
trong tính toán tự động, microfluidic chip có thể được tự động hóa quy mô lớn
trong quá trình sinh học sử dụng các thể tích nl. Ngày nay, chúng ta đang thấy các
hệ thống microfluidic thật sự nổi lên để điều khiển các vật liệu ở mức nl, chúng
được gọi là các hệ thống nanofluidic [81].
Figure 18
Hình 15. Ảnh hệ thống nanofluidic thực hiện 3 quá trình song song đồng thời sử
dụng các thể tích mẫu 1,6 nl, 1,0 nl và 0,4 nl để tách DNA [Theo 81]. 2.2.3 Điện
cực nano (nanosensor)Điện cực sinh học là một thiết bị gồm thụ thể sinh học và

một yếu tố chuyển đổi có khả năng chuyển hóa những thông tin đặc biệt thành các
hiệu ứng có thể đo đạc (như tín hiệu điện). Vì tính đặc hiệu cao của các thụ thể
sinh học (DNA, kháng thể), so với điện cực hóa học, điện cực sinh học nhạy hơn
nhiều trong các đánh giá sinh học [82]. Dùng vật liệu nano trong điện cực sinh học
cho phép sử dụng một số kỹ thuật truyền hiệu mới. Vì kích thước dưới hệµtín m,
các điện cực nano, mẫu dò nano và các thống khác là những lĩnh vực cách mạng
hóa trong phân tích sinh học và hóa học, cho phép phân tích nhanh nhiều cơ chất
cùng lúc in vivo [83]. Một trong các điện cực nano đang được ưu tiên phát triển
hàng đầu là PEBBLE. Chúng có kích thước 20-100nm, được thiết kế đặc biệt để sử
dụng trong các môi trường sinh học [84]. Do có kích thước nhỏ nên điện cực này
tối thiểu hóa các tác hại vật lý đối với tế bào. Hơn nữa do thuốc nhuộm được nang
hóa trong chất nền trơ nên PEBBLE tạo ra pha cảm biến tách biệt với tế bào, do đó
tránh được khả năng gây nhiễu hóa học. Các peptide vòng chứa một số axit amin
thay thế dạng D- và L- được sử dụng trong một loại cảm biến hóa sinh và hóa học
mới do nhóm của Bayley tại Texas A&M University phát triển [85]. Trong đó, họ
đặt màng lipid kép chứa một kênh α-haemolysin (αHL, hình 16) giữa hai dung dịch
điện cực, cho điện thế chuyển màng không đổi chạy qua và đo dòng chuyển màng.
16
Dòng này đi đôi với sự vận chuyển của các ion chạy qua kên αHL vào lỗ trung tâm
[85].
Figure 19
Hình 16. Cấu trúc của αHL
2.3.4 Thiết bị nano (nanodevice)
Thiết bị nano được định nghĩa là tổ hợp lắp ráp của các phân tử đã được thiết kế từ
trước để thực hiện chuyển động [86]. Hiện có khá nhiều thiết bị nano được tạo ra
nhằm thực hiện các chuyển động tịnh tiến [87-89], quay [72], nâng lên hạ xuống
[90], co bóp (hình 17) [73, 87, 91-93]. Phổ biến nhất là thiết bị nano dựa trên
DNA, kế đó là các thiết bị được thiết kế đặc biệt lợi dụng các động cơ phân tử, có
bản chất là protein [68, 92]. “Nhiên liệu” của các thiết bị này có thể là ATP,
enzyme, các kích thích bên ngoài hoặc thậm chí là tự cấp nguyên liệu dựa trên các

thay đổi môi trường in vivo (như pH) hoặc TLR thông qua các nguyên lý bổ sung.
Figure 20
Hình 17. Một số thiết bị nano. (A) Thang máy nano, di động từng bước từ trên
xuống dưới thông qua quá trình khử proton của ba trung tâm –NH2+– [Theo 90].
(B) Chuyển động tịnh tiến nhờ enzyme [Theo 87]. (C) Chuyển động tịnh tiến nhờ
phản ứng lai [Theo 89].
17
3. PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO
3.1 Phương pháp hóa học
Tổng hợp hóa học giúp tạo ra lượng lớn vật liệu nano với giá thành hợp lý. Có thể
bắt đầu với dung dịch muối và cho thêm hóa chất (như hydroxide). Sau khi sản
phẩm ở trạng thái siêu bão hòa, quá trình kết tủa xảy ra do sự nhân hóa đồng hoặc
dị hợp (homogeneous or heterogeneous nucleation). Để tạo hạt với phân bố kích
thước hẹp, toàn bộ quá trình kết tủa phải xảy ra cùng lúc và phải không có sự nhân
hóa sau khi đã tạo thành hạt. Tính chất hạt phần lớn được xác định bởi tốc độ phản
ứng, tốc độ phản ứng lại bị ảnh hưởng bởi nồng độ của các chất tham gia phản
ứng, nhiệt độ, pH và thứ tự chất phản ứng cho vào dung dịch. Vật liệu nano đa pha
(multiphase nanomaterial) khó tạo ra hơn bằng phương pháp hóa học vì mỗi pha
cần các điều kiện kết tủa khác nhau. Có thể giới hạn kích thước hạt bằng cách tạo
ra rất nhiều vị trí hạt nhân hóa (nucleation site) sử dụng micelle ngược (reverse
micelle), hoặc bằng cách bao phủ bề mặt (capping the surface) [94].
3.1.1 Micelle ngược
Một số chất hoạt động bề mặt là các nguyên tử dạng que với đầu ưa nước và kỵ
nước. Khi trộn dầu, nước và chất hoạt động bề mặt với nhau theo tỷ lệ thích hợp,
các phân tử hoạt động bề mặt tự sắp xếp tạo thành vỏ cầu (spherical shells) với
nước choán đầy không gian trong vỏ. Kiểu sắp xếp hình học của chất hoạt động bề
mặt và nước như vậy gọi là micelle ngược (reverse micelle), xảy ra để tối thiểu hóa
năng lượng.[94] Có thể điều khiển được kích thước của micelle ngược vì kích
thước của nó phụ thuộc tuyến tính vào tỷ lệ của lượng nước trên lượng chất hoạt
động bề mặt. Có thể thực hiện hầu hết các phản ứng trong nước cũng như trong

nước chứa bên trong micelle. Do đó, có thể kết tủa các hạt nano bên trong micelle.
Kích thước hạt nano bị giới hạn bởi kích thước của micelle ngược [94].
18
Figure 21
Hình 18. Sự tạo thành của các hạt keo kim loại có cấu trúc nano theo phương pháp
khử muối (“salt reduction”) [Theo 38]. Có thể cho phân tử mũ (chất gắn cộng hóa
trị với bề mặt của vật liệu) vào dung dịch để ngăn cản quá trình kết tụ của các hạt
nano mới tạo thành (hình 18). Thiolate là các chất capping thường được sử dụng
nhất. Capping cũng hạn chế kết tụ [94].
3.1.2 Khử
Các hạt nano được kết tủa thường là oxit hoặc hydroxid. Nếu cần hạt nano kim
loại, có thể khử oxid hoặc hydroxid bằng hydro ở nhiệt độ cao. Cũng có thể khử
bằng rượu đa chức (như ethylene glycol) ở nhiệt độ cao [94]. Quá trình khử hóa
học muối kim loại (hình 18) khi có chất ổn định để tạo hạt keo kim loại hóa trị
không (zerovalent) trong dung dịch lỏng hoặc dung môi hữu cơ được công bố lần
đầu tiên vào năm 1857 bởi Faraday, và cách tiếp cận này đã trở thành một trong
các phương pháp tổng hợp mạnh và phổ biến nhất trong lĩnh vực này. Phương
pháp chuẩn đầu tiên để tạo ra hạt keo kim loại (như hạt vàng 20nm bằng cách khử
[AuCl4–] bằng sodium citrate) được thiết lập bởi Turkevich [38].
19