Các vật liệu nano ứng dụng trong y sinh

ĐỀ KIỂM TRA CUỐI KÌ
Học phần: Vật lý vật liệu nano
CHUYÊN ĐỀ 43: Các vật liệu nano được biết đến với khả năng ứng
dụng trong y-sinh học, hãy nêu một ví dụ cụ thể về ứng dụng của vật liệu
nano trong y-sinh học (mô tả chi tiết về cấu trúc, tính chất, thiết kế và
cách đưa vật liệu nano đó vào ứng dụng)?
I. Mở đầu
Công nghệ nano đang phát triển với tốc độ chóng mặt và làm thay đổi diện mạo
của các ngành khoa học. Vật liệu nano trong 20 năm gần đây tưởng chừng như chỉ
quanh quẩn xung quanh những ứng dụng trong quang học, điện học, quang điện tử,
nhưng sự phát triển của nó đã âm thầm vươn tầm tay đến y - sinh học, mở ra một cơ
hội cho những ứng dụng mới hay cải thiện những ứng dụng hiện có trong việc phục
vụ sức khoẻ và hạnh phúc con người. Đặc biệt, ngành công nghệ mới này đang tạo
ra một cuộc cách mạng trong những ứng dụng y sinh học nhờ vào những khả năng
giúp con người can thiệp tại kích thước nanomet (1nanomet bằng 1/triệu mm) bằng
những vật liệu nano được sử dụng trong chẩn đoán và điều trị bệnh.
Một số ứng dụng của vật liệu nano trong y sinh học như:
- Phân tách chọn lọc tế bào.
- Dẫn truyền thuốc.
- Phương pháp tăng nhiệt cục bộ.
- Tạo ảnh sinh học.
- Ứng dụng trong phẩu thuật thẩm mỹ.
...
Hạt tải thuốc nano: Y học nano (nanomedicine) là một áp dụng của công nghệ
nano vào y học cho việc phòng bệnh, chẩn đoán và trị liệu bằng cách dùng vật liệu
nano để thao tác các hệ thống sinh học ở mức tế bào hay xuống thấp hơn nữa ở cấp
phân tử. Những nghiên cứu trong y học nano phần lớn liên quan đến việc tải
thuốc đến các tế bào bệnh và chẩn bệnh ở mức phân tử. Việc tận dụng hạt nano làm
"vật tải" (carrier) trong việc tải thuốc và nhả thuốc đúng "địa chỉ" trở nên một đề tài
1

nghiên cứu nóng vì nó liên quan đến việc phát triển dược liệu chống ung thư và khả
năng doanh thu lớn cho các công ty y dược. Điều này có thể nhìn thấy qua số lượng
các bài báo cáo liên quan gia tăng 15 lần trong 8 năm, từ 100 bài (năm 1999) đến
1500 bài (năm 2007).
II. Ứng dụng của vật liệu nano trong việc Dẫn truyền thuốc
1. Khái niệm:
Dẫn truyền thuốc bằng các hạt từ tính đã phát triển từ những năm 1970. Đó là
việc sử dụng hạt từ tính như các hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trong cơ thể,
giúp thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể làm giảm tác dụng phụ của
thuốc và giảm lượng thuốc điều trị.
2. Cơ chế chung:
Hạt nanô từ tính có tính tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị. Lúc
này hạt nanô có tác dụng như một hạt mang. Thông thường hệ thuốc/hạt tạo ra một
chất lỏng từ và đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn. Khi các hạt đi vào mạch máu,
người ta dùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào một vị
trí nào đó trên cơ thể. Một khi hệ thuốc/hạt được tập trung tại vị trí cần thiết thì quá
trình nhả thuốc có thể diễn ra thông qua cơ chế hoạt động của các enzym hoặc các
tính chất sinh lý học do các tế bào ung thư gây ra như độ pH, quá trình khuyếch tán
hoặc sự thay đổi của nhiệt độ. Quá trình vật lý diễn ra trong việc dẫn truyền thuốc
cũng tương tự như trong phân tách tế bào. Gradient từ trường có tác dụng tập trung
hệ thuốc/hạt. Hiệu quả của việc dẫn truyền thuốc phụ thuộc vào cường độ từ trường,
gradient từ trường, thể tích và tính chất từ của hạt nanô. Các chất mang (chất lỏng
từ) thường đi vào các tĩnh mạnh hoặc động mạch nên các thông số thủy lực như
thông lượng máu, nồng độ chất lỏng từ, thời gian tuần hoàn đóng vai trò quan trọng
như các thống số sinh lý học như khoảng cách từ vị trí của thuốc đến nguồn từ
trường, mức độ liên kết thuốc/hạt, và thể tích của khối u. Các hạt có kích thước
micrô mét (tạo thành từ những hạt siêu thuận từ có kích thước nhỏ hơn) hoạt động
hiệu quả hơn trong hệ thống tuần hoàn đặc biệt là ở các mạch máu lớn và các động
mạch. Nguồn từ trường thường là nam châm NdFeB có thể tạo ra một từ trường

khoảng 0,2 T và gradient từ trường khoảng 8 T/m với động mạch đùi và khoảng 100
T/m với động mạch cổ. Điều này cho thấy quá trình dẫn thuốc bằng hạt nanô từ tính
có hiệu quả ở những vùng máu chảy chậm và gần nguồn từ trường. Tuy nhiên, khi
2


các hạt nanô chuyển động ở gần thành mạch máu thì chuyển động của chúng không
tuân theo định luật Stoke nên với một gradient từ trường nhỏ hơn quá trình dẫn
thuốc vẫn có tác dụng.
Các hạt nanô từ tính thường dùng là ô-xít sắt (magnetite Fe3O4, maghemite aFe2O3) bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh
học như PVA, detran hoặc silica. Chất bao phủ có tác dụng chức năng hóa bề mặt để
có thể liên kết với các phân tử khác như nhóm chức carboxyl, biotin,... Nghiên cứu
dẫn truyền thuốc đã được thử nghiệm rất thành công trên động vật, đặc biệt nhất là
dùng để điều trị u não. Việc dẫn truyền thuốc đến các u não rất khó khăn vì thuốc
cần phải vượt qua hàng rào băng cách giữa não và máu, nhờ có trợ giúp của hạt
nanô từ có kích thước 10-20 nm, việc dẫn truyền thuốc có hiệu quả hơn rất nhiều.
Việc áp dụng phương pháp này đối với người tuy đã có một số thành công, nhưng
còn rất khiêm tốn.
Hiệu lực của các loại dược liệu thường bị giới hạn bởi tính không phân biệt giữa
tế bào bình thường và tế bào bệnh, ít hoà tan, dễ bị thải ra khỏi cơ thể và gây tác
dụng phụ. Tải thuốc đến các tế bào ung thư trong hóa trị liệu (chemotherapy) là một
đề tài được nghiên cứu nhiều nhất. Thuốc đề kháng ung thư hiện nay không những
diệt tế bào ung thư mà còn tiêu hủy cả tế bào tốt. Sự hủy diệt bừa bãi theo cơ chế
"bom rải thảm" không những phải trị liệu với liều thuốc rất cao mà còn đem đến
những tác dụng phụ rất tai hại đến cơ thể bệnh nhân. Để khắc phục khuyết điểm này
và lợi dụng sự khác biệt về lý tính, hoá tính giữa tế bào bình thường và tế bào ung
thư, hạt tải thuốc nano được thiết kế ở một kích cỡ tối ưu vừa có "bộ cảm ứng"
biết cảm nhận, phân biệt tế bào, vừa có "bộ phận đóng mở" biết giữ và nhả
thuốc khi ở trong môi trường có pH hay nhiệt độ thích hợp. Hai yếu tố nổi bật của tế
bào ung thư là có nhiệt độ cao hơn và pH biểu thị nhiều tính acid hơn tế bào bình

thường.
3. Phân loại hạt nano dẫn truyền thuốc vào tế bào:
3.1 Hạt nano từ tính sử dụng Gradient: hạt oxit sắt (Hạt nano từ tính sử dụng
gardient điều khiển đến vùng cần điều trị)

3


3.2 Hạt nano sử dụng liên kết hóa học: liposome, polymer. (Hạt nano sử dụng liên
Hạt nano có
Chất lỏng từ
tính tương hợp
Sinh học

Thuốc điều trị

Hệ tuần hoàn

Tế bào
cần điều trị

cơ thể
Gardient từ trường
ngoài rất mạnh

kết hóa học để đưa thuốc tới vùng điều trị)

Phân tử thuốc kết
hợp ở vỏ hạt
Hạt

nano

Phân tử thuốc được
chứa bên trong hạt
phân tử thuốc
4. Liposome
Liposome là một loại hạt có vỏ kép được thiết kế có tính thân nước
(hydrophilic) ở bề mặt trong và ngoài để có thể di chuyển trong môi trường sinh học
và chứa phân tử thuốc trong trạng thái dung dịch nước (Hình 2). Giữa hai bề mặt
4


này là vùng chứa chất béo như phospholipid và cholesterol ghét nước
(hydrophobic), có khả năng hòa tan dược liệu thích béo (lipophilic). Ngoài ra, bề
mặt vỏ liposome được thiết kế với thành phần hóa học thích hợp sao cho hạt biết
tránh các tế bào khoẻ mạnh không phải là mục tiêu tấn công, mà chỉ có thể tác dụng
với tế bào ung thư và nhả thuốc khi gặp một môi trường có một nhiệt độ hay pH
nhất định. Các nhà nghiên cứu sinh hóa học đã thiết kế lớp phospholipid có độ nhạy
cảm với pH của môi trường. Nhờ vậy, khi liposome đi vào môi trường vi mô mang
tính acid của khối u ung thư vỏ liposome tan vỡ và nhả thuốc vào tế bào bệnh.
Thành quả nghiên cứu trong vài thập niên vừa qua đã tối ưu hóa cấu trúc liposome,
gia tăng hiệu năng cho việc hóa trị liệu ung thư trong cơ thể con người.

Hình 1: Cấu trúc liposome và phân tử thuốc (●)
5. Polymer
Polymer cũng là vật tải thuốc có chức năng tương tự nhưng với một cấu trúc
đơn giản hơn (Hình 2).

Hình 2: Vật tải polymer và phân tử thuốc(●)

5


Vật liệu polymer thường được dùng là polymer sinh học chitosan (chế biến từ
vỏ tôm) hay polymer tổng hợp, poly (butylcyano acrylate). Các polymer kết tập
thành các mixen (micelle) có tính tương thích sinh học (bio-compatible) và phân
hủy sinh học (bio-degradable). Gần đây, tương tự như hạt liposome, mixen
polymer được thiết kế có độ nhạy đối với pH của môi trường xung quanh. Độ nhạy
pH của polymer được thiết kế để khi gặp môi trường của khối u ung thư polymer bị
phân giải và nhả thuốc chống ung thư ở một tốc độ tối ưu định sẵn.

Kết tụ
Polymer

Mixen
Polymer

Kết hợp
phân tử
thuốc

Hạt
tải
thuốc

Hệ thống
tuần hoàn
qua mạch
máu

Tế
bào

4 (nm) < Kích thước hạt nano <400 (nm)
Khi được đưa vào cơ thể, hạt nano tải thuốc sẽ theo hệ thống tuần hoàn qua
mạch máu để đi đến mục tiêu. Kích cỡ của hạt nano hay mixen polymer là một yếu
tố quan trọng cho việc tải thuốc. Kích cỡ này phải trong phạm vi từ 4 đến 400 nm.
Nếu nhỏ hơn 4 nm, hạt sẽ nhanh chóng bị thải ra theo đường bài tiết. Nếu lớn hơn
400 nm, hạt sẽ bị hệ thống miễn nhiễm phát hiện và loại trừ ra khỏi cơ thể. Như thế,
dược liệu được bao lại trong từng "gói" nhỏ và di chuyển đến mục tiêu để "bắn phá"
các tế bào ung thư. Nhưng làm thế nào những "gói" này có thể di chuyển đến đúng
địa chỉ? Ở đây, người ta cũng lợi dụng sự khác biệt giữa vùng mô bình thường khoẻ
mạnh và khối u ung thư. Tế bào của vách huyết quản trong vùng mô khoẻ mạnh có
sự liên kết rất khít khao, trong khi đó những khoảng hở nanomét xuất hiện ở vách
huyết quản của khối u ung thư (Hình 3). Phân tử thuốc tự do có thể đi xuyên vách
qua sự thẩm thấu và khuếch tán tự nhiên, tác dụng và hủy diệt các tế bào tốt lẫn tế
6


bào ung thư không phân biệt (Hình 3). Ngược lại, khi thuốc bị gói trong hạt tải
nano, độ lớn của hạt không cho nó đi qua vách huyết quản nhưng có thể chui lọt qua
những khoảng hở đi vào khối u ung thư. Các nhà toán học còn có thể tính toán hình
dạng tối ưu làm sao để hạt tải có thể chui qua kẽ hở huyết quản với số lượng tối đa.

(1) Huyết quản mô tế bào bình thường và (2) huyết quản mô tế bào ung thư
Hình 3: Sự di động của phân tử thuốc và hạt tải thuốc trong huyết quản.

7