Công nghệ sinh học nano

MỤC LỤC

1. GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Lịch sử phát triển
1.1.1 Công nghệ sinh học
1.1.2 Công nghệ nano
1.1.3 Công nghệ sinh học nano

1.2. Hướng nghiên cứu chính
1.3 Tiềm năng

2. KHỐI CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ CHẾ TẠO

2.1 Vật liệu nano
2.1.1 Dạng cầu
2.1.2 Dạng thanh

2.2 Các phần tử sinh học trong CNSH nano
2.2.1 Protein
2.2.2 DNA
2.2.3 Các cấu trúc khác

2.3 Cấu trúc nano tích hợp
2.3.1 Microarray
2.3.2 Microfluidic
2.3.3 ðiện cực nano (nanosensor)
2.3.4 Thiết bị nano (nanodevice)

3. PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO

3.1 Phương pháp hóa học
3.1.1 Micelle ngược
3.1.2 Khử
3.1.3 Tổng hợp ñiện hóa

3.2 Phương pháp vật lý
3.2.1 Các phương pháp cơ học
3.2.2 Vi ñịnh vị không gian
3.2.3 Tổng hợp trong pha khí
3.2.4 Hồ quang ñiện

3.3 Các phương pháp sinh học
3.3.1 Tự lắp ráp phân tử
3.3.2 Vi chế tác dựa trên khuôn sinh học
3.3.3 Phỏng sinh học
2.3.4 Sinh học phân tử

4. ỨNG DỤNG

4.1 Khám phá, phân phối thuốc và các phân tử liệu pháp
4.2 Chẩn ñoán và ñiều trị
4.3 Kháng vi sinh vật
4.4 Phát hiện-xác ñịnh cấu tử sinh học
4.5 Phân tách các cấu tử sinh học
4.6 Máy tính nano sinh học

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Lịch sử phát triển

1.1.1 Công ngh sinh hc

Công nghệ sinh học (CNSH) thực sự trở thành một ngành công nghiệp vào cuối những
năm 1970 nhưng nó ñã ñược ñề cập và tiên ñoán tiềm năng phát triển từ 60 năm trước
ñó [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
ñã và ñang có những bước tiến thần kỳ, với ngày càng nhiều ứng dụng mới.

CNSH hiện ñại 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 ngh nano

Nano theo tiếng Latinh (νανοσ) nghĩa là nhỏ xíu. Vào thế kỷ thứ VII trước Công nguyên,
Mimnermus, thi gia HyLạp, ñã sáng tác bài thơ có tên “nữ hoàng Ναννο”. ðến 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 ñĩa lớn.
Tiền tố nano xuất hiện trong tài liệu khoa học lần ñầu tiên vào năm 1908, khi Lohmann
sử dụng nó ñể chỉ các sinh vật rất nhỏ với ñường kính 200 nm [3]. Vào năm 1974,
Tanigushi lần ñầu 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).




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 ñịnh nghĩa công nghệ
nano (CNNN) là “bất cứ thứ gì liên quan ñến các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn
100nm”. ðịnh nghĩa này ñã loại bỏ một cách ñộc ñoán chủ thể của các nghiên cứu liên
quan khác tập trung vào các thiết bị vi lỏng (microfluidic) và các vật liệu ñang ñược tiến
hành ở quy mô µm [4].

Trong cuốn “Bionanotechnology: lessons from nature”, Goodsell ñịnh nghĩa CNNN là
“thao tác và chế tạo ở quy mô nano với ñộ 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 ñó các hệ thống này thực hiện nhiệm vụ ñiện, cơ, sinh, hóa hoặc tính
toán ñặc 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 ñược tạo thành như thế nào và các nguyên tử, phân tử của
chúng ñược sắp xếp ra sao [6]


Hình 2. Mối tương quan giữa các thiết bị máy móc (ñồng hồ) có kích thước µm ñến 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. ðiều ñó 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 ñạt ñược
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 ñổi các chi tiết
sinh học ở mức ñộ nguyên tử [5]. Hiện có nhiều cách ñịnh 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 ñoán, 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 ñể phát triển các sản phẩm mới cỡ
nano.

Ở ñây, cần phân biệt giữa ‘Nano2Bio’ (sử dụng CNNN ñể phân tích và tạo ra các hệ
thống sinh học), và ‘Bio2Nano’ (sử dụng vât liệu và cấu trúc sinh học ñể tạo các hệ
thống kỹ thuật) [10]. Hình 3 thể hiện khái quát các ñịnh nghĩa CNSH nano nêu trên.

Hình 3. Bức tranh toàn cảnh CNSH nano. Trong ñó, các hệ thống, thiết bị riêng lẻ cũng
như tích hợp ñược 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)

1.2. Hướng nghiên cứu chính
Cùng với sự nở rộ của CNNN, CNSH nano cũng ñang 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 ñơn phân tử sinh học.
• Màng chức năng tự lắp ráp với các tính chất như xúc tác, quang hoạt, dẫn ñiện, ñiện
hóa và lọc nước, lọc khí, vi sinh vật.
• ðộng cơ DNA (DNA motor) dựa trên lực tạo ra khi lai các trình tự bổ sung với nhau.
• Chụp ảnh quá trình vận ñộng của virus, protein, prion và thuốc trong tế bào sống.
• Chuyển gene và ñột biến ñiểm chính xác.
• Các bộ phận phân tử mới hướng ñích và tăng phản ứng miễn dịch

• Công nghệ phân phối thuốc hướng ñích
• Khai thác các ñộng cơ sinh học như cơ và các protein vận ñộng khác, ñể tạo năng
lượng ñiện hoặc cơ.

Hiện tại trên thị trường ñã 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 ñầu thể hiện ở số công ty vượt trội.
Tuy nhiên, một số nước khác như Úc Nhật, Canada, Nhật, Anh cũng ñã có những công
ty tham gia vào thị trường ñầy tiềm năng này.



1.3 Tiềm năng

Có thể nói, trong thời ñiểm 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 ñem
lại từ các sản phẩm thương mại của nó.

ðược toàn thế giới nghiên cứu và ñầu tư phát triển, ngân sách ñầu tư cho CNNN của
các tổ chức thuộc chính phủ ñã tăng khoảng 7 lần từ 430 triệu năm 1997 lên 3 tỉ USD
năm 2003[13]. Tỷ lệ ñầu tư cho nghiên cứu và ñào 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, ñiện; ñầu tư trong dược và các hệ thống sinh học nano
khác ước tính khoảng 10%. Tuy nhiên, các công ty nhỏ và quỹ ñầu tư mạo hiểm chi
nhiều hơn trong lĩnh vực này (30-40%) [13]. Từ năm 1999, 52% trong số 900 triệu USD
trong quỹ ñầu tư mạo hiểm chi cho CNNN tập trung vào thiết lập CNSH nano (hình 4a).
Trên thực tế, trong khi trong khi vốn ñầu tư mạo hiểm suy giảm từ năm 2001 ñến 2002,

ñầu tư vào CNSH nano lại tăng 313% (hình 4b). Sự tăng trưởng này do hai yếu tố chủ
chốt: các ưu ñãi của chính phủ và sự khan hiếm các sáng chế y dược học [9]. Trên
50% vốn ñầu tư mạo hiểm trong 4 năm gần ñây ñược chi cho các công ty hoạt ñộng
trong CNSH nano [8].

Hình 4. Sức cám dỗ ngày càng tăng của CNNN với các nhà ñầu tư. (a) Vốn ñầu tư mạo
hiểm chi cho CNSH nano so với các lĩnh vực CNNN khác. (b) Quỹ ñầu 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 ñứng ngoài cuộc, sau 3 năm kể từ khi cựu tổng thống Mỹ Bill Clinton thành lập
NNI, 35 quốc gia khác ñã xây dựng các chương trình trong công nghệ này [8]. Năm
2004, chính phủ Mỹ chi 847 triệu USD cho CNNN trong khi ñó Nhật và liên minh Châu
Âu cũng chi không kém. Thái Lan ñang ở giai ñoạn 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, ñược giới thiệu vào tháng 6 một sự gần như gấp ñôi cam
kết của nó với £90 ($141) triệu cho quỹ MicroNanoTechnology Network [8]. Ngân sách
ñầu tư cho CNNN của chính phủ một số nước ñược thể hiện trong bảng 2.

Theo National Science Foundation, thị trường CNSH nano sẽ ñạt xấp xỉ 36 tỷ USD vào
năm 2006 [15].

Không nằm ngoài vòng xoáy chung, Việt Nam cũng ñã và ñang chú trọng vào công
nghệ nano. Năm 2004, vốn ñầu tư vào môi trường và CNNN ñã tăng hơn 50% so với
năm 2003 [16].

Trong lĩnh vực ñào tạo, ðHQG - TP.HCM [17], ðHBK - TP.HCM [18], Trường ðH-
KHTN [19] và ðại học Công nghệ trực thuộc ðHQG-HN [20], ðHBK-HN ñã và ñang
nghiên cứu, ñào tạo về công nghệ nano.

Khu công nghệ cao TPHCM cũng tập trung ñẩy 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 ña lớp, vật liệu từ có cấu trúc nano [24] và ñã chế tạo
thành công cảm biến nano dùng ñể xác ñịnh nồng ñộ khí gas hoá lỏng [25]. Khu công
nghệ cao TP.HCM cũng ñang hợp tác với trung tâm nhiệt ñới Việt Nga ñể chế tạo mặt
nạ sinh học dùng than nano [26], giấy và mực nano [27].

Tuy nhiên, CNSH nano vẫn là một ñiều gì ñó mới lạ ở Việt Nam. Trong lĩnh vực ñào
tạo, trường ðHBK-HN mới có dự thảo chương trình ñào tạo thạc sỹ về CNSH nano. Tại
ñây cũng bắt ñầu triển khai ứng dụng CNNN trong chế tạo thuốc hướng ñích. GS.
Phạm Thị Trân Châu (Trung tâm CNSH - ðHQG HN), PGS. Nông Văn Hải (Viện Khoa
học và công nghệ Việt Nam) và GS. Nguyễn Hữu ðức (Trường ðại học Công nghệ -
ðHQG - HN) ñang thảo luận ñể khởi ñộng kết hoạch nghiên cứu ứng dụng của các hạt
nano trong y - sinh học ñể chẩn ñoán và chữa bệnh [24].

Nói chung, CNSH nano tại Việt Nam hiện chỉ mới ñang ñặt những viên gạch móng ñầu
tiên.
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.

ðặc trưng của vật liệu nano

Các tính chất vật lý, hóa học của vật liệu ñều bị giới hạn bởi kích thước, gọi là kích
thước tới hạn. Các tính chất như ñiện, từ, quang và hóa học ñều có ñộ dài tới hạn cỡ
nm. Nếu vật liệu nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay ñổi.

Tính chất ñặc biệt của vật liệu nano ñược ñem 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




Hình 5. Kích thước vật liệu nano và tế bào (Theo

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 ñược tập trung nghiên cứu hiện nay là vật liệu rắn, sau ñó mới ñến chất lỏng
và khí.
Về hình dáng vật liệu, người ta chia vật liệu nano thành:
• Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều ñều có kích thước nano), ví dụ, ñám nano,
hạt nano
• Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong ñó hai chiều có kích thước nano, ví dụ, dây
nano, ống nano (NT),
• Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong ñó một chiều có kích thước nano, ví dụ,
màng mỏng,
• Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong ñó chỉ có một
phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một
chiều, hai chiều ñan xen lẫn nhau.

Trong khuôn khổ bài viết tập trung vào CNSH nano này, tôi chỉ ñề cập ñến những vật
liệu nano ñã và ñang ñược ứng dụng trong ngành khoa học mới mẻ này. Do vậy, ñể
tiện theo dõi tôi chia vật liệu nano dùng trong CNSH nano thành hai loại là dạng cầu
(ñiểm lượng tử, dendrimer, lỗ nano, vỏ nano và hạt nano) và dạng thanh (ống nano,
que nano, dây nano).

2.1.1 Dng cu

ðiểm lượng tử (QD)

QD là một hạt vật chất ñược 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 ñi một ñiện tử sẽ làm thay ñổi tính chất của nó. Khi ta kích thích một QD càng
nhỏ thì năng luợng và cuờng ñộ phát sáng của nó càng tăng, mang lại bước sóng phát
xạ khả ñiều hướng và ña hình phổ phát xạ của QD (hình 6). Vì vậy nó là cửa ngõ cho
hàng loạt những áp dụng kỹ thuật mới (wikipedia).

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 ñược nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất. Có thể
nói, với những ưu ñiểm vượt trội của mình, QD sẽ dần thay thế các chất phát huỳnh
quang trong những ứng dụng trước ñây như lai in situ, FRET, xác ñịnh khả năng di
ñộng của tế bào….

Dendrimer

Dendrimer là các phân tử ñược chế tạo bằng cách thêm liên tiếp các ñơn vị nhánh tỏa
ra ngoài từ ñiểm khởi ñầu (hình 7) [31].

Hình 7. Cấu trúc hai và ba chiều của dendrimer. Ba thành phần cấu trúc: lõi (vàng),
vùng bên trong chứa các ñơn vị nhánh lặp lại (xanh da trời) và bề mặt ngoài (ñỏ) [Theo
12].

Chất khơi mào (initiator): Có thể tạo dendrimer từ phân tử gốc là nguyên tố ña trị. Có

thể gắn thêm các nhóm chức ñể tạo dendrimer ña chức năng.

ðơn vị nhánh: ñơn 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 ñơn vị
nhánh phù hợp với các ứng dụng dược học (không ñộc, hiệu quả cao, có khả năng
giám sát….).

Thể liên kết và bề mặt: Tính ña dạng của các cấu trúc dendrimer ñược tạo nên chủ yếu
nhất bởi nhóm bề mặt và loại thể liên kết ñược dùng [31].

Lỗ nano (nanopore)

Lỗ nano ñược 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 ñiều kiện ở ñó quá trình chuyển khối biên là
chủ ñạo. Chiều sâu của lỗ nano trên màng là 5-10 nm và ñường kĩnh lỗ là 3nm. Chúng
nhỏ ñến mức chỉ cho một mạch ñơn DNA ñi qua (hình 8a).

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 ñích [33, 36, 37].

Hạt nano (Nanoparticle)

Hạt kim loại nano thường ñược ñịnh nghĩa là các hạt tách biệt có kích thước 1 - 50 nm

ñược ngăn cản sự kết tụ bằng vỏ bảo vệ. Phụ thuộc vào vỏ bảo vệ ñược sử dụng,
chúng ñược 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 Dng thanh

Ống nano

ðược khám phá lần ñầu 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
ñường 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, ñộ dẫn ñiện, dẫn nhiệt, ñộ bền cao… [38, 43]. Có
hai loại NT là NT một vách và NT ña 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 ñộng rất hiệu quả,
tạo ra các cấu trúc nano phức hợp và mạch nano (nanocircuit) với các tính chất và
chức năng ñược ñiều khiển [44].

Ngoài NT carbon, cùng với sự phát triển của công nghệ nano, ngày nay người ta còn
tạo ra NT peptide [45].

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 ñường; c) gắn chất hoạt ñộng bề mặt;
d) gắn peptide; e) gắn C60. [Theo 44]

Dây nano

Các dây nano kim loại khác nhau gồm bạc [46], vàng [47], platinum [48], palladium [49],
ZnS [50], ñồng [51], silicon [52] ñược 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 ñơn vị monomer G-actin gắn hạt vàng nano và các
ñơn vị G-actin không ñánh dấu ñể 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.

Hình 10. Cấu trúc sợi vàng trên lõi actin [Theo 54]. Dây nano quấn quanh sợi tóc (Theo


Mã vạch nano (Nanobarcode, NBC)

Mã vạch nano ñược hiểu là vật liệu nano có khả năng mã hóa khác nhau tương ứng
với từng loại phân tử ñích. 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 ñây, que nano ña kim loại với sọc barcode ñã ñược chế tạo thành công. Người ta
có thể nhận diện chúng bằng cách ño hệ số phản xạ [55].

Hình 11. Ảnh phát huỳnh quang của hai hạt barcode A và B (trong hình iii) sử dụng thí
nghiệm lai DNA ñánh dấu Cy3. (i) Ảnh ñen trắng; (ii) Ảnh kênh Cy3; (iii) hảnh ñất hiếm
thu ñược 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 ñầu, mỗi
ñầu gắn với một loại mẫu dò và tín hiệu phát huỳnh quang màu khác nhau ñể tạo ra
phân tử có khả năng mã hóa [56].

Que nano (Nanorod)

Trong CNNN, que nano ñược sử dụng khá phổ biến. Chúng ñược 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 ña thành phần như que nano Au/Ni [57] (phần vàng gắn với
yếu tố hướng ñích, phần Ni gắn với plasmid tạo ra một vector chuyển gene rất hiệu
quả), Au-Ni-Au ñã cho thấy các ứng dụng to lớn trong chuyển gene và phân tách chọn
lọc các cấu tử sinh học.

Hình 12. Các loại que nano và cấu trúc nano ñược 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 ñược 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 ñĩa nano (nanodisks), hạt nano ña vỏ, cách tử nano tam giác và
các cấu trúc nano nhánh [41], mang lại những ứng dụng hết sức ña dạng trong CNSH
nano.
Bên cạnh vật liệu nano, các phần tử sinh học ñóng vai trò vô cùng quan trọng trong
CHSH nano. Cho ñến nay, người ta mới chỉ lợi dụng ñược một phần rất nhỏ của các
cấu tử, cấu trúc và nguyên lý sinh học trong CNSH nano.

2.2 Các phn t sinh hc trong CNSH nano

Tế bào là tập hợp của hàng ngàn bộ máy nano (nanomachine, nanodevice), chúng có
thể ñược thu nhận và biến ñổi ñể thực hiện các nhiệm vụ CNNN tùy theo chủ ñịnh của
chúng ta. Hiện tại, trên 10.000 bộ máy nano ñang làm việc trong cơ thể mỗi người.
ðáng 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 ñộc lập, ñược lợi dụng ñể phục vụ con
người [5]. Các phân tử sinh học có thể ñóng vai trò như các thành phần thu nhận, vận

chuyển ánh sáng, chuyển hóa tín hiệu, xúc tác, bơm hoặc ñông cơ trong các bộ máy
nano ñể tạo ra năng lượng hoặc các sản phẩm ñặc biệt, thực hiện các nhiệm vụ kiểm
soát hay lưu giữ dữ liệu [60]. Các cấu trúc thiết yếu trong trao ñổi 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 ñích của mình, biến ñổi 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 ña mọi tiềm năng sẵn có trong các hệ thống sinh học ñể ứng dụng vào
CNSH nano. Bởi thế, có thể nọi mọi cấu tử sinh học ñều ñã và ñang là ñối tượng
nghiên cứu của CNSH nano.

2.3.1 Protein

Trong CNSH nano, protein ñược sử dụng rất phổ biến. Chúng có thể ñóng 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], ñược bao gói trong các vật liệu nano khác như một phân tử liệu
pháp (kháng thể) [38] và ñặc biệt nhất là vai trò ñộng cơ nano.

ðộng 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
lượng hóa học, ñiện hóa hoặc ñiện thế và chuyển năng lượng này thành lực cơ học
[63]. Tự nhiên luôn cung cấp cho chúng ta một dải rộng các ñộng cơ sinh học nano
(hình 13), chúng ñược tiến hóa ñể thực hiện các chức năng ñặc biệt với hiệu quả cao
[64]. Các protein vận ñộng như myosin và kinesin ñóng vai trò vận chuyển và truyền
ñộng, các ñộng cơ có bản chất RNA làm virus dễ dàng bao gói axit nucleic [65], RNA
polymerase chuyển ñộng dọc theo DNA khi phiên mã, [66] và ñộng cơ tiên mao ñẩy vi
khuẩn ñi [67]. Một số enzyme như kinesin, RNA polymerase, myosin, và adenosine
triphosphate (ATP) synthase có chức năng như các ñộng cơ sinh học quay hoặc tịnh

tiến ở kích thước nano.

Hình 13. Các protein vận ñộng: 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 ñộng cơ quay, cuống trung tâm của nó quay khi các dưới ñơn vị bên
ngoài thủy phân ATP.

Kết hợp các ñộng cơ phân tử sinh học với các hệ thống ñược 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 ñộng mới [68, 69]. Các cơ chế bởi ñó các ñộng cơ sinh học
tạo ra lực là một lĩnh vực nghiên cứu thú vị trong ñó các quá trình ñáng kể ñược tạo
thành [70]

2.3.2 DNA
Có thể nói, chưa một cấu tử sinh học nào ñược 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, ñột phá
ñến như vậy khi CNSH nano ra ñời.

Có thể sử dụng tính chất nhận biết phân tử kết hợp với các tính chất cơ học khác nhau
của DNA mạch ñơn và kép ñể tạo các thiết bị nano thực hiện nhiều nhiệm vụ hơn với
các ứng dụng từ chế tạo nano ñến phân phối thuốc thông minh [71]. Có thể dùng DNA
ñể tạo ra các bộ máy với khả năng chuyển ñộng quay, ñẩy và giãn dài, hoặc thậm chí
vận ñộng ñẳng hướng [71-73]. Có thể phát minh các thiết bị nano tự sinh ñể bắt giữ và
giải phóng các phân tử, thực hiện các nhiệm vụ xử lý thông tin ñơn giản [71].

Một mảng ứng dụng rất lớn nữa của DNA là làm mẫu dò trong gene chip, một kỹ thuật
chỉ mới ñược phát minh vào ñầu 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 ñến từng base (cả mạch ñơn 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 ña dạng. Có thể nói, CNSH nano mới chỉ lợi dụng
ñược một phần rất nhỏ bé so với tiềm năng vốn có của DNA.

2.3.3 Các cu 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 ñược lợi dụng làm khuôn ñể 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 ñều 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 ñể thực hiện các
nhiệm vụ ñặc biệt ở quy mô nano, như hướng ñích tới các tế bào ung thư hoặc giải
quyết một một nhiệm vụ máy tính ñơn giản. Khi CNSH nano phát triển, chúng ta sẽ tái
thiết kế các bộ máy phân tử của tế bào ñể thực hiện những nhiệm công nghệ và sức
khỏe con người ở quy mô lớn hơn. Các cấu trúc lớn sẽ ñược xây dựng với ñộ chính
xác nguyên tử với các máy lắp ghép phân tử sinh học hoặc bằng cách sử dụng các mô
hình sinh học ñể lắp ghép. Nhìn vào tế bào, chúng ta có thể tìm thấy các ñộng cơ tự
ñộng chính xác, bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, cảm biến… tất cả chúng ñều ở quy mô
phân tử, sẵn sàng ñể thu nhận bởi CNSH nano [5].

2.2.1 Microarray

Trong kỹ thuật DNA array, người ta cố ñịnh axit nucleic có trình tự xác ñịnh (mẫu dò)

trên giá thể (mảng) thích hợp theo thứ tự. Axit nucleic cần nghiên cứu (ñích) ñược ñánh
dấu sau ñó lai với mẫu dò trên mảng. Ở những ñiều kiện lý tưởng, các axit nucleic có
trình tự bổ sung sẽ bắt cặp chính xác với nhau. Hơn nữa dưới các ñiều kiện này,
cường ñộ phát hiện tín hiệu tỷ lệ trực tiếp với lượng mẫu dò nên có thể ñịnh lượng các
loại axit nucleic trong mẫu ban ñầu [75]. Trên cơ sở DNA array, các mẫu dò các mẫu
dò có bản chất khác nhau ñã ñược phát triển ñể 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 ña dạng [62].

Hình 14. Một số loại microarray ñiển hình. (A) DNA array [Theo 62]. (B) Nanowire array
[Theo 54]. (C) Cantilever array [Theo 80]. (D) Protein array [Theo 77].

2.2.2 Microfluidic

Một số thiết bị ñiều 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, ñộ
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 ñộng,
microfluidic chip có thể ñược tự ñộng hóa quy mô lớn trong quá trình sinh học sử dụng
các thể tích nl. Ngày nay, chúng ta ñang thấy các hệ thống microfluidic thật sự nổi lên
ñể ñiều khiển các vật liệu ở mức nl, chúng ñược gọi là các hệ thống nanofluidic [81].

Hình 15. Ảnh hệ thống nanofluidic thực hiện 3 quá trình song song ñồng thời sử dụng
các thể tích mẫu 1,6 nl, 1,0 nl và 0,4 nl ñể tách DNA [Theo 81].


2.2.3 ðin cc nano (nanosensor)

ðiện cực sinh học là một thiết bị gồm thụ thể sinh học và một yếu tố chuyển ñổi có khả
năng chuyển hóa những thông tin ñặc biệt thành các hiệu ứng có thể ño ñạc (như tín

hiệu ñiện). Vì tính ñặc hiệu cao của các thụ thể sinh học (DNA, kháng thể), so với ñiện
cực hóa học, ñiện cực sinh học nhạy hơn nhiều trong các ñánh giá sinh học [82]. Dùng
vật liệu nano trong ñiện cực sinh học cho phép sử dụng một số kỹ thuật truyền tín hiệu
mới. Vì m, các ñiện cực nano, mẫu dò nano và các hệ thống khác là nhữngµkích thước
dưới 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 ñiện cực nano ñang ñược ưu tiên phát triển hàng ñầu là PEBBLE. Chúng
có kích thước 20-100nm, ñược thiết kế ñặc biệt ñể sử dụng trong các môi trường sinh
học [84]. Do có kích thước nhỏ nên ñiện cực này tối thiểu hóa các tác hại vật lý ñối với
tế bào. Hơn nữa do thuốc nhuộm ñược nang hóa trong chất nền trơ nên PEBBLE tạo
ra pha cảm biến tách biệt với tế bào, do ñó tránh ñược khả năng gây nhiễu hóa học.

Các peptide vòng chứa một số axit amin thay thế dạng D- và L- ñược 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 ñó, họ ñặt màng lipid kép chứa một kênh α-haemolysin
(αHL, hình 16) giữa hai dung dịch ñiện cực, cho ñiện thế chuyển màng không ñổi chạy
qua và ño dòng chuyển màng. Dòng này ñi ñôi với sự vận chuyển của các ion chạy qua
kên αHL vào lỗ trung tâm [85].

Hình 16. Cấu trúc của αHL

2.2.4 Thit b nano (nanodevice)

Thiết bị nano ñược ñịnh nghĩa là tổ hợp lắp ráp của các phân tử ñã ñược thiết kế từ
trước ñể thực hiện chuyển ñộng [86]. Hiện có khá nhiều thiết bị nano ñược tạo ra nhằm
thực hiện các chuyển ñộng 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 ñó là các thiết
bị ñược thiết kế ñặc biệt lợi dụng các ñộng 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 ñổi môi trường in vivo (như pH) hoặc
TLR thông qua các nguyên lý bổ sung.

Hình 17. Một số thiết bị nano. (A) Thang máy nano, di ñộng từng bước từ trên xuống
dưới thông qua quá trình khử proton của ba trung tâm –NH2+– [Theo 90]. (B) Chuyển
ñộng tịnh tiến nhờ enzyme [Theo 87]. (C) Chuyển ñộng tịnh tiến nhờ phản ứng lai
[Theo 89].
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
ñầu 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 ñồng hoặc dị hợp
(homogeneous or heterogeneous nucleation). ðể 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 ñã
tạo thành hạt. Tính chất hạt phần lớn ñược xác ñịnh bởi tốc ñộ phản ứng, tốc ñộ phản
ứng lại bị ảnh hưởng bởi nồng ñộ của các chất tham gia phản ứng, nhiệt ñộ, pH và thứ
tự chất phản ứng cho vào dung dịch. Vật liệu nano ña pha (multiphase nanomaterial)
khó tạo ra hơn bằng phương pháp hóa học vì mỗi pha cần các ñiều 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 ngưc

Một số chất hoạt ñộng bề mặt là các nguyên tử dạng que với ñầu ưa nước và kỵ nước.
Khi trộn dầu, nước và chất hoạt ñộng bề mặt với nhau theo tỷ lệ thích hợp, các phân tử
hoạt ñộng bề mặt tự sắp xếp tạo thành vỏ cầu (spherical shells) với nước choán ñầy
không gian trong vỏ. Kiểu sắp xếp hình học của chất hoạt ñộng bề mặt và nước như

vậy gọi là micelle ngược (reverse micelle), xảy ra ñể tối thiểu hóa năng lượng.[94]

Có thể ñiều khiển ñược kích thước của micelle ngược vì kích thước của nó phụ thuộc
tuyến tính vào tỷ lệ của lượng nước trên lượng chất hoạt ñộng bề mặt. Có thể thực
hiện hầu hết các phản ứng trong nước cũng như trong nước chứa bên trong micelle.
Do ñó, có thể kết tủa các hạt nano bên trong micelle. Kích thước hạt nano bị giới hạn
bởi kích thước của micelle ngược [94].

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 ñể
ngăn cản quá trình kết tụ của các hạt nano mới tạo thành (hình 18). Thiolate là các chất
capping thường ñược sử dụng nhất. Capping cũng hạn chế kết tụ [94].

3.1.2 Kh

Các hạt nano ñược kết tủa thường là oxit hoặc hydroxid. Nếu cần hạt nano kim loại, có
thể khử oxid hoặc hydroxid bằng hydro ở nhiệt ñộ cao. Cũng có thể khử bằng rượu ña
chức (như ethylene glycol) ở nhiệt ñộ cao [94]. Quá trình khử hóa học muối kim loại
(hình 18) khi có chất ổn ñịnh ñể tạo hạt keo kim loại hóa trị không (zerovalent) trong
dung dịch lỏng hoặc dung môi hữu cơ ñược công bố lần ñầu tiên vào năm 1857 bởi
Faraday, và cách tiếp cận này ñã trở thành một trong các phương pháp tổng hợp mạnh
và phổ biến nhất trong lĩnh vực này. Phương pháp chuẩn ñầu tiên ñể tạo ra hạt keo kim
loại (như hạt vàng 20nm bằng cách khử [AuCl4–] bằng sodium citrate) ñược thiết lập
bởi Turkevich [38].

Hình 19. (a) Ổn ñịnh hóa tĩnh ñiện của các hạt keo kim loại cấu trúc nano (b) Ổn ñịnh
hóa không gian của các hạt keo kim loại cấu túc nano [Theo 38].

3.1.3 Tng hp ñin hóa

Từ năm 1994, sự chế tạo rất linh hoạt các keo lưỡng và ñơn kim loại cấu trúc nano ñã
ñược Reetz và nhóm nghiên cứu của ông phát triển. Quá trình tổng hợp ñiện hóa tổng
quát gồm 6 bước nhỏ (hình 20).

1. Sự phân rã do ôxy hóa của ñiện cực anode kim loại
2. Các kim loại hóa trị n dịch chuyển ñến cathode
3. Tạo thành nguyên tử kim loại hóa trị 0 tại cathode
4. Tạo thành các hạt kim loại bởi quá trình hạt nhân hóa và phát triển (nucleation and
growth)
5. ðình trệ quá trình phát triển và ổn ñịnh hóa các hạt bằng chất bảo vệ keo
6. Kết tủa các hạt keo kim loại cấu trúc nano

Hình 20. Tạo hạt nano kim loại NR4+Cl–- bằng phản ứng ñiện hóa [Theo 38]


Bằng cách sử dụng quá trình tổng hợp ñiện hóa, có thể tạo ra hạt cầu Pd(0) với kích
thước 1 - 6 nm. Phương pháp ñiện hóa ñã ñược áp dụng thành công ñể chuẩn bị một
số organosol và hydrosol kim loại như Pd, Ni, Co, Fe, Ti, Ag, và Au ở quy mô hàng trăm
mg (hiệu suất >95%) [38].


3.2 Phương pháp vật lý

3.2.1 Các phương pháp cơ hc

Nghiền trục cao năng

Có thể sử dụng phương pháp nghiền trục cao năng (high-energy ball milling), còn gọi là
bào mòn cơ học (mechanical attrition) ñể giảm kích thước vật liệu hạt từ vài µm xuống
còn 2-20nm. Quá trình này chậm và cần nhiều thời gian ñể ñạt ñược các kích thước
nhỏ nhất có thể. Ưu ñiểm của phương pháp này là tương ñối rẻ và dễ tăng quy mô ñể
sản xuất lượng lớn vật liệu. Thông thường, ñể tối ña hóa năng lượng bào mòn, người
ta sử dụng thép cứng cao phân tử (high-mass hard-steel). Ăn mòn có học cũng tạo ra
các vật liệu siêu ổn ñịnh (metastable). Nếu nghiền khi có O2 hoặc N2, có thể tạo thành
oxit hoặc nitrit [94].

Cắt bằng laze
Trong kỹ thuật cắt bằng laser (Hình 21(a)) ngưới ta ñặt graphite trong lò và dùng xung
laser mạnh ñể cắt nó trong khí trơ. ðầu tiên, dùng ñiện cực carbon nguyên chất với
nhiệt ñộ khí argon xung quanh 1200oC. Khí mang argon tập hợp các sản phẩm và lắng
chúng (deposit) khi phủ cơ chất làm lạnh. Lớp phủ gồm các ống nano 4-24 lớp (Hình
21(b)), chiều dài < 300 nm, cùng với một lượng nhỏ cơ chất như onion. SWNT chỉ
ñược tạo ra sau ñó, khi trộn một lượng nhỏ (<1 wt%) kim loại xúc tác (như bột Co-Ni).
Dưới các ñiều kiện tối ưu, kỹ thuật này tạo ra các dây tinh thể SWNT tự lắp ráp lớn, với
lưới tam giác xấp xỉ 17 Ao. Ở quy mô lớn, việc tạo ra SWNT với tốc ñộ sản xuất cao
(1,5 g/h), người ta sử dụng laser ñiện tự do cao năng (~200W) [38].
Mặc dù các nỗ lực thành công trong vài năm trước ñể tạo ra một lượng lớn các ống
nano bằng các phương pháp nhiệt ñộ cao ở trên, vẫn chưa thể sử dụng phương pháp
này quy mô công nghiệp.


Hình 21. Thiết bị thí nghiệm tạo ống nano carbon ñầu tiên bằng phương pháp cắt bằng
laser (a), và MWNT ñược tạo ra trong các thí nghiệm ñầu tiên (b). [Theo 38]

3.2.2 Vi ñnh v không gian

Một số kỹ thuật ñiện và quang hóa ñã ñược phát triển ñể tổ chức không gian các phân

tử sinh học trên bề mặt với các mục ñích sàng lọc hiệu năng cao, kết hợp các mảng
ñiện cực và hóa học. Các kỹ thuật này bao gồm in kim, in vi tiếp xúc, in vi kênh, in mạ,
in quang hoạt, in áp ñiện và in vi lỏng. Một số kỹ thuật ñang ñược nghiên cứu cũng như
một số ñã có giá trị thương mại [62]. Dựa trên những nền tảng kỹ thuật này, người ta
có thể chế tạo ra các vi mảng, trên ñó các mẫu dò (DNA, protein, peptide, glycan…),
mở ra các ứng dụng hết sức ña dạng với hiệu năng cao [62].

ðịnh vị nhờ laser (LAD) là công cụ ñộc nhất vô nhị ñể tạo ra các vật liệu film mỏng và
ñã ñược sử dụng thành công ñể chế tạo các cấu trúc nano [95]. Kỹ thuật này cho phép
thực hiện các lắp ráp có thứ tự theo sơ ñồ ñinh trước bằng cách nâng lên một cách vật
lý và ñặc các phân tử lắp ráp trên bề mặt rắn. Kỹ thuật LAD ñã ñược sử dụng ñể ñặt
glucose oxidase trên SDS, riboflavin trên phospholipid và bacteriorhodopsin nhạy sáng
(bR) trên chất nền của lipid L-α-distearoyl phosphatidylcholine [96].

3.2.3 Tng hp trong pha khí

Tổng hợp trong khí trơ là một trong các phương pháp ñược sử dụng ñầu tiên ñể tạo vật
liệu nano. Khí trơ hạn chế nguyên tử khuếch tán ra khỏi vùng quanh cơ chất [94]. Có
nhiều cách tạo vật liệu nano trong khí trơ. Có thể tập hợp hạt nano từ một vị trí trong
buồng gần nơi tạo ra chúng. Thiết bị sử dụng trong phương pháp này này gồm nguồn
hơi trong buồng chứa khí trơ (argon hoặc heli). Trong ñó xảy ra sự quá bão hòa trên
nguồn hơi và các hạt nano ñược tạo thành. Bên trên nguồn hơi là bề mặt kết tụ ñược
làm lạnh bằng Nitơ lỏng. Hình 22 là sơ ñồ thiết bị dạng này [94], cho phép tạo ra vài
gram vật liệu nano trong một lần chạy tùy thuộc năng suất. Có thể tạo hạt nano của rất
nhiều loại vật liệu khác nhau (bao gồm các oxit) với kích thước 1-100 nm bằng cách
này, nhưng nhược ñiểm là biến thiên kích thước hạt lớn [38, 94].

Một cách khác là tạo ra chùm hạt nano nhờ dòng khí áp lực. Nếu có một dòng khí áp
lực, có thể tập hợp các hạt theo phương ngang một ñoạn khá xa từ nơi xuất phát. Ưu
ñiểm của phương pháp này là có thể tạo ra một phổ lớn các hạt nano phân bố kích

thước hẹp [94].

Hình 22. Sơ ñồ thiết bị tạo ra, tập hợp và nén các hạt nano trong khí trơ.

3.2.4 H quang ñin

Hồ quang ñiện là phương pháp tạo ống nano carbon ñầu tiên ñược công bố và cũng là
phương pháp sản xuất ở quy mô công nghiệp ñầu tiên [38]. ðể sản xuất MWNT, sử
dụng hai ñiện cực graphite siêu tinh sạch. Khi phun hồ quang ñiện giữa hai ñiện cực
chứa vật liệu trong khí trơ sẽ làm vật liệu chuyển sang trạng thái siêu bão hòa [94].
Trong quá trình phát triển, các ống nano ñược tạo thành và lắng trên cathode; anode
xảy ra quá trình ăn mòn liên tục [38]. Phương pháp này thường ñược sử dụng ñể tạo ra
fullerene (C60) và ống nano carbon. Nhiệt ñộ cao trong hồ quang làm thăng hoa vật liệu
[94].

Hình 23. (a) Thiết bị tạo ống nano carbon bằng phương pháp hồ quang ñiện. Mô hình
này tạo ra các ống nano carbon nhiều thành khi các que nano tinh sạch ñược sử dụng
tại các ñiện cực và tạo ra các ống nano ñơn thành khi chất xúc tác kim loại ñược trộn
với lõi của anode. (b) Ảnh ñịnh vị trên cathode; (c) Ảnh TEM của MWNT [Theo 38].


Phương pháp khác gắn các hạt kim loại xúc tác vào ñiện cực carbon tạo ra SWNT. ðể
thực hiện thí nghiệm này, sử dụng mô hình tương tự của MWNT nhưng lỗ ñường kính
nhỏ hơn ñược khoan trong anode và bao gói với một hỗn hợp của chất xúc tác kim loại
và bột graphide (Hình 23). Sau thời gian tổng hợp ngắn (thường vài phút) có thể tập
hợp một mạng lưới vật liệu giống như mạng chứa SWNT từ bề phản ứng [38].

Nhược ñiểm của phương pháp này là mẫu chứa một lượng ñang kể tạp chất không
phải ống nano và chất xúc tác; cần tiến hành tinh sạch sau tổng hợp ñể thu mẫu tinh
sạch [38].

3.3 Các phương pháp sinh học

3.3.1 T lp ráp phân t

Tự lắp ráp (TLR) là quá trình tự tổ chức của 2 hay nhiều thành phần thành một khối lớn
thông qua các liên kết ñồng và/hoặc phi ñồng hóa trị [97]. TLR phân tử (MSA) là một
cách tiếp cận tuyệt vời ñể chế tạo các cấu trúc siêu phân tử. MSA ñược tạo thành bởi
các liên kết phi ñồng hóa trị yếu- ñáng chú ý là liên kết H, liên kết ion, tương tác kỵ
nước, van der Waals và liên kết H qua nước. Mặc dù khi ñứng riêng, các liên kết này
tương ñối yếu nhưng trong tổng thể chung, chúng chi phối quá trình hình thành cấu trúc
của tất cả các ñại phân tử sinh học và ảnh hưởng ñến tương tác của chúng với các
phân tử khác. Tất cả các phân tử sinh học, bao gồm peptide và protein, tương tác và tự
tổ chức thành các cấu trúc xác ñịnh, có chức năng. Bằng cách quan sát quá trình các
cấu trúc siêu phân tử lắp ráp trong tự nhiên, chúng ta có thể bắt ñầu khai thác sự TLR
ñể tạo ra những vật liệu tổng hợp hoàn toàn mới. DNA, peptide và protein là các khối
cấu trúc ña tác dụng ñể lắp ráp các vật liệu. Tự nhiên luôn sử dụng chúng như các bộ
khung ñể tạo ra rất nhiều loại vật liệu khác nhau (collagen, keratin… ) [98].

Chế tạo sợi nano

Một loại sợi nano ñược tạo thành từ các peptide ion hóa tự lắp ráp bổ sung [99], chúng
tạo thành trong dung dịch lỏng với hai bề mặt: một ưa nước, một kỵ nước. Các
gốcβphiến kỵ nước tự bảo vệ chúng khỏi nước và TLR trong nước theo cách tương tự
trong gấp nếp protein in vivo. ðặc trưng cấu trúc ñộc nhất vô nhị của các peptide “Lego
phân tử” này là chúng tạo thành các liên kết ion bổ sung với sự lặp lại ñều ñặn trên bề
mặt ưa nước (hình 24a). Có thể ñịnh hướng ñiện tích theo chiều ngược lại, ñể tạo ra
các phân tử hoàn toàn khác. Trình tự ñược thiết kế tốt cho phép các peptide TLR theo
trật tự, trong một quá trình giống như sự lắp ráp polymer ñã ñược nghiên cứu kỹ [98].

Chế tạo NT

Phospholipid dễ dàng TLR trong dung dịch nước, tạo thành các cấu trúc khác nhau bao
gồm micelle, túi và ống. Schnur và cộng sự ñi tiên phong trong công nghệ tự lắp ghép
ống lipid ñể tạo ra các vật liệu dùng trong lĩnh vực chế tạo vật liệu mới sử dụng các
khối cấu trúc ñơn giản [98] (hình 24b).

Bao gói các bề mặt với ñộ dày nm

Zhang và cộng sự tập trung thiết kế các peptide TLR thành một lớp ñơn trên các bề
mặt, cho phép các phân tử dính với nhau ñể tương tác với tế bào và dính trên bề mặt
[100]. Các peptide này có ba vùng chung dọc theo chiều dài của nó: một phối tử nhận
biết và gắn tế bào ñặc biệt, một thể liên kết ñể phân tách vật lý với bề mặt và neo ñể
gắn cộng hóa trị với bề mặt [98].

Gần ñây, Zang và ñồng sự ñã tiến một bước xa hơn: sử dụng các peptide và protein
như một loại mực, họ in trực tiếp các ký hiệu ñặc biệt trên bề mặt polyethylene glycol
không bám dính ñể nhanh chóng lắp ráp các mô hình tùy thích mà không cần mặt nạ
hay con dấu (hình 24c).

Bộ khung sợi nano peptide và protein

Có thể lắp ráp các bộ khung peptide ba chiều bằng cách nhúng peptide TLR vào dung
dịch muối hoặc môi trường sinh lý ñể tạo ra các cấu trúc ñại phân tử [101]. Nếu thay
alanine bằng các gốc kỵ nước hơn như valine, leucine, isoleucine, phenylalanine hay
tyrosine, các phân tử có khuynh hướng TLR lớn hơn và tạo thành các chất nền peptide
[102].

Chế tạo các dây nano sử dụng bộ khung sinh học

Có thể dùng NT peptide TLR làm khuôn cho quá trình kim loại hóa. Khi bộ khung hữu
cơ bị loại bỏ, lưu lại dây dẫn ñiện tinh sạch trên bề mặt. Có rất nhiều phương pháp gắn
tinh thể nano kim loại dẫn ñiện vào peptide [98]. Matsui và cộng sự ñã chế tạo thành
công NT peptide thành dây nano. Họ không chỉ bao gói NT peptide với ñồng và niken
mà còn bọc NT của họ trong avidin, làm chúng có thể gắn ñặc hiệu với các bề mặt vàng
[103].