::BIONET VIET NAM COMPANY::

       Việt Nam đang trong quá trình phát triển và hội nhập với các nền khoa học kỹ thuật tiên tiến trên thế giới. Việc nghiên cứu và ứng dụng những thành tựu khoa học, kỹ thuật tiên tiến của nhân loại vào thực tế nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của đời sống xã hội đã trở thành vấn đề quan trọng và cần thiết đối với các Viện, trường đại học…. Song song với vấn đề này, các nhà khoa học luôn luôn phải cập nhật các thông tin khoa học – kỹ thuật thông qua các bài báo quốc tế, các quyển sách chuyên ngành.

           Hiện nay, Chúng tôi có một ngân hàng các ebook Sinh học, Công nghệ Sinh học, Y-Dược, Môi trường. Cty BioNet Việt Nam xin trân trọng giới thiệu dịch vụ “CUNG CẤP EBOOKS”. Trong thời gian tới, Chúng tôi sẽ cập nhật danh sách các ebook mà chúng tôi có. Các bạn có thể download.

TRIỂN VỌNG CỦA CÔNG NGHỆ SINH HỌC
Tạp chí Điện tử của Bộ Ngoại giao Hoa Kỳ
Triển vọng Kinh tế, tháng 10/2005

GIỚI THIỆU
John Marburger
Giám đốc Cơ quan Chính sách Khoa học và Công nghệ, Chánh Văn phòng Tổng thống

Công nghệ sinh học là một bước tiến mới nhất trong nỗ lực lâu dài chinh phục tự nhiên để nâng cao điều kiện sống của con người. Thế giới cùng chia sẻ những kiến thức khoa học, thực hành và công nghệ. Chúng ta đã sử dụng nó trong nông nghiệp hay dược học hay cả trong lĩnh vực điền kinh.Trong từng trường hợp, kiến thức tích lũy được từ tự nhiên đã mở ra các cách thức làm cho cuộc sống an toàn hơn, khỏe mạnh hơn và năng suất cao hơn. Là một từ mới gần gũi theo nghĩa hẹp, công nghệ sinh học có sự liên kết với quá khứ, đặc biệt khi ta nói về những lợi ích của nó đối với văn hóa được tách biệt từ tính truyền thống trong khoa học hiện đại. 
 

Công nghệ sinh học bắt đầu từ sự nghiên cứu các vật nuôi và cây trồng, phức tạp và đẹp đẽ ngay từ những nét nhỏ nhất của chúng. Các họa sĩ nổi tiếng đã phải vật lộn để nắm bắt từng chi tiết của những chú chim, từng nhành hoa và những con côn trùng; mà mỗi chi tiết ấy lại cho những vẻ đẹp khác nhau. Mỗi tiến bộ trong khả năng của chúng ta nhằm quan sát được những vật thể nhỏ nhất đã mang lại những ngạc nhiên mới, những quan niệm và cách xử sự mới, chúng giải thích cho những bí ẩn của những phần lớn hơn. Trong vòng một phần tư cuối của thế kỷ trước, những tiến bộ này đã đưa chúng ta tới một cột mốc lớn của tự nhiên: giờ đây chúng ta có thể “nhìn” được các nguyên tử của một nguyên tố được cấu trúc ở mọi vật chất thông thường. Dưới mức này là một khoảng trống về những hạt nhân nguyên tử, nhỏ hơn cả những nguyên tử nhỏ nhất hàng trăm ngàn lần, một thế giới mới cân bằng tuyệt vời nhưng không có sự sống mà đang được các nhà vật lý khai phá.
 

Ngày nay, lần đầu tiên trong hàng nghìn năm lịch sử, sự sống, nói một cách khác, có thể được khảo sát dưới dạng quang phổ từ tỷ lệ nhỏ nhất tới lớn nhất. Các công cụ cho phép tiến hành những công việc phức tạp trong những lĩnh vực khoa học khác và đòi hỏi đầu tư lớn mà thường chỉ có các chính phủ mới có thể làm được. Tuy nhiên, những gì công cụ này làm được có thể được phân tích và được khai thác bằng những nguồn hợp lý nhất. Điều đó là thỏa đáng vì bản chất bé nhỏ thường  phức tạp đầy ấn tượng. Giờ đây chúng ta gần như có thể hiểu biết mọi thứ đã nhìn thấy, và thậm chí với những công cụ mới đầy sức mạnh chúng ta có thể khảo sát sự sống nhờ khả năng của toàn bộ cộng đồng các nhà khoa học. Lãnh thổ thì rộng lớn, việc định dạng và phát triển nó là sự nghiệp quốc tế. 
 

Sự rộng lớn của thế giới những sinh vật sống không chỉ biểu hiện ở số lượng các loài, các loại tổ chức và những biến đổi hóa học theo các chức năng riêng; mà còn ở các tiến trình của cuộc sống. Qua một số hệ thống các phản ứng hóa học, sự vận chuyển vật liệu, dòng chảy thông tin và sự hỗ trợ về cơ chế ngay từ cấp nhỏ nhất đối với các chức năng của các tổ chức và  sự ứng xử của các tổ chức ở cấp độ lớn nhất, cho thấy lưu lượng thông tin đòi hỏi cần nhận biết cả những hình thức đơn giản của sự sống đang chuyển đổi. Chỉ nhìn vào những điều này thì chưa đủ. Để hiểu chúng một cách tổng hợp cần phải tập hợp một lượng thông tin lớn, sắp xếp chúng một cách ngăn nắp và xử lý chúng để thử nghiệm các ý tưởng. Giờ đây sinh học chỉ có thể tạo ra công nghệ của riêng nó vì công nghệ thông tin đã phát triển rất nhanh chóng trong kỷ nguyên của chúng ta. 
 

Xem xét một thực thể nhỏ bé bằng tia X quang, sự cộng hưởng từ tính, các kính hiển vi điện tử, các máy điện toán tốc độ lớn, các cơ sở dữ liệu kếch xù và sự chuyển đổi rộng lớn là hai trong ba hợp phần cho phép hình thành một công nghệ “sinh học”. Hợp phần thứ ba là khả năng làm xảy ra hiện tượng trong phạm vi nhỏ nhất. Ý nghĩa của những việc này khác nhau và chúng thường tạo thêm tiến trình riêng của sự sống để thực hiện định hướng của chúng ta. Đây là một ý niệm cũ, giống như việc dùng ong để thụ phấn. Ngày nay chúng ta dùng vi khuẩn và vi-rút tiến hành nghề nông trên kính hiển vi của chúng ta. Chúng ta cũng sử dụng tia la-de, máy thăm dò cực nhỏ và tác động lên các phân tử nhờ kế thừa kết quả từ những thí nghiệm thành công. Sự thao tác trong phạm vi này là một phần của công nghệ nanô và đó không phải là vấn đề khi công nghệ nanô, công nghệ tin học và công nghệ sinh học cùng phát triển với nhau. Chúng là các công nghệ tương đồng, hỗ trợ lẫn nhau trong một hệ sinh thái hỗn hợp về sự khám phá, tiến bộ và các mục tiêu đích thực của con người đã được cải thiện.

 
Công nghệ sinh học là sự áp dụng 3 hợp phần để đạt được những mục tiêu của con người. Chúng ta không chỉ đơn giản là đạt được sự hiểu biết về bệnh dịch, mà là chữa trị chúng; không chỉ sử dụng những gì chúng ta tìm được, mà phải làm cho chúng trở nên an toàn hơn và bổ dưỡng hơn; không chỉ thu hoạch những sản phẩm ngẫu nhiên của tự nhiên để sản xuất, mà cần làm cho chúng trở nên bền vững hơn, an toàn hơn và gần hơn với nhu cầu của chúng ta. Sự hỗn tạp của tự nhiên đã từng là rào cản đối với những mục tiêu này, nhưng giờ đây chúng đã lộ ra như một nguồn cơ hội giàu có trong việc chiếm lĩnh chúng. Bằng cách nào chúng ta có thể làm chủ được những cơ hội này vì sự tốt đẹp cho con người, đó chính là nhờ vào công nghệ sinh học.

 

Ứng dụng công nghệ sinh học trong điều trị bệnh
 

Lao Động Cuối tuần số 33 Ngày 16/08/2009 Cập nhật: 8:55 AM, 15/08/2009

Phân tích ADN.

(LĐCT) - Trên thế giới, hiện những kỹ thuật tiên tiến trong phân tích ADN cũng như công nghệ tế bào phục vụ cho sức khoẻ con người đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng từ nhiều năm nay. Tuy nhiên, ở nước ra, những công nghệ như: chẩn đoán sớm một số bệnh di truyền cho thai nhi 7 tuần tuổi, công nghệ sinh khối tế bào thực vật để khai thác, bảo tồn một số nguồn gien thuốc quý như sâm Ngọc Linh, thông đỏ Việt Nam... mới được nghiên cứu, ứng dụng.

Phát hiện sớm một trường hợp âm tính giả với máu đông

Qua kiểm tra, phân tích nồng độ ADN và phân tích ADN thu được của phôi thai cho thấy, các nhà khoa học phát hiện một trường hợp âm tính với xét nghiệm không phù hợp với sau sinh, đó là trường hợp máu bị đông cho kết quả âm tính giả. Kết quả này phù hợp với kết quả xác định giới tính sau sinh và cũng khẳng định sự có mặt của ADN phôi thai trong mẫu tách chiết ADN phôi thai được dùng cho sàng lọc và chẩn đoán trước sinh. Đây là công nghệ mới xét nghiệm di tật trước sinh cho thai nhi mà các bác sĩ Học viện Quân y đã tiến hành nghiên cứu và đưa vào áp dụng.

TS. Bác sĩ Trần Văn Khoa - Trưởng Phòng Công nghệ gen và Di truyền tế bào, Trung tâm Nghiên cứu sinh - y- dược học, Học viện Quân y - cho biết, các nhà khoa học thuộc Phòng Công nghệ gen và Di truyền tế bào đã tiến hành nghiên cứu trên 89 bà mẹ mang thai từ 6-36 tuần ở độ tuổi từ 19-43 từ năm 2006.

TS. BS Trần Văn Khoa cho biết ngoài việc phân tích ADN tự do trong máu ngoại vi của người mẹ phục vụ sàng lọc và chẩn đoán một số dị tật trước sinh, các nhà khoa học cũng sử dụng phương pháp này để chẩn đoán sớm các bệnh lý di truyền khác như tình trạng bất đồng nhóm máu Rh giữa mẹ và thai nhi trong trường hợp mẹ có nhóm máu Rh (-), con mang nhóm máu Rh(+) (nguyên nhân gây ra nhiều rối loạn về hệ miễn dịch), hội chứng tăng sản thượng thận bẩm sinh, thiếu máu vùng biển (thalassemia),...

 

Phân tích AND.

TS. BS Trần Văn Khoa cho biết: "Ưu điểm của phương pháp này là chẩn đoán sớm tính trạng và bệnh lý di truyền của thai nhi do đột biến gen không can thiệp vào tử cung, buồng ối, giúp các bà mẹ yên tâm trong quá trình mang thai. Đồng thời, đây cũng là biện pháp duy nhất có thể chẩn đoán tình trạng bất đồng nhóm máu Rh".

Từ tháng 9.2006 cho đến nay, Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng sinh-y-dược học đã xét nghiệm cho hơn 100 bà mẹ mang thai, phát hiện trên 10 trường hợp bất đồng nhóm máu Rh. Hiện, các nhà khoa học đang tiếp tục phát triển phương pháp này để sàng lọc, chẩn đoán sớm một số bệnh do di truyền khác.

Ngoài những thành tựu về công nghệ chẩn đoán dị tật thai nhi, Thiếu tướng, PGS.TS Nguyễn Tiến Bình - Phó giám đốc Học viện Quân y - còn cho biết, Học viện Quân y cũng công nghệ sinh khối tế bào để tiến hành nuôi cấy và biệt hóa tế bào gốc sinh tinh thành tinh trùng để điều trị vô sinh cho nam giới, hay nuôi cấy một số dòng tế bào ung thư để đánh giá hiệu quả của thuốc điều trị... Và đã có khoảng 30 sản phẩm được nghiên cứu thành công và đưa vào phục vụ chăm sóc sức khoẻ bộ đội và cộng đồng trong 3 năm trở lại đây. Trong đó có những sản phẩm hiện được bán rộng rãi trên thị trường như trà Tanaka, trà Emorning chống lão hoá, ngăn ngừa xơ vữa động mạch, cao ẹch trí kiện não CM8, Kem Herbavera trị vết thương, vết bỏng...

Thu hoạch sâm Ngọc Linh chỉ sau 14-20 ngày

Bên cạnh việc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ tế bào phục vụ khám, chữa bệnh, Học viện Quân y cũng nghiên cứu thành công công nghệ sinh khối tế bào thực vật để khai thác, phát triển và bảo tồn nguồn gen nhiều cây thuốc quý có nguy cơ tuyệt chủng như sâm Ngọc Linh, thông đỏ Việt Nam, nấm Hầu thủ...

 

Họat động nuôi cấy mô thực vật.

Thạc sĩ Vũ Bình Dương - Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu, sản xuất thuốc, Học viện Quân y - cho biết, nếu nuôi trồng ngoài tự nhiên, phải mất từ 5-7 năm sâm Ngọc Linh mới cho thu hoạch. Tuy nhiên, với công nghệ sinh khối tế bào từ rễ sâm mà các nhà khoa học đã nghiên cứu, thì chỉ sau từ 14-20 ngày, loại sâm quý hiếm này đã có thể cho thu hoạch tạo ra nguồn cung lớn hơn cho thị trường. Hiện, các nhà khoa học cho biết đã có thể nâng công suất sinh khối tế bào sâm Ngọc Linh từ 5 lít lên 100 lít/mẻ, tương đương 35kg sâm tươi. Từ tế bào sâm Ngọc Linh này, các nhà khoa học dùng để sản xuất viên nang mềm, nước tăng lực... Chính vì vậy, một số doanh nghiệp đã đề xuất chuyển giao, ứng dụng công nghệ này vào sản xuất kinh doanh thương mại.

Theo Thiếu tướng, PGS.TS Nguyễn Tiến Bình - Phó Giám đốc Học viện Quân y: Những công nghệ này đang được Học viện tiếp tục mở rộng nghiên cứu, ứng dụng. Ngoài ra, đơn vị này còn nghiên cứu, ứng dụng thành công công nghệ tế bào phục vụ điều trị vô sinh, nam giới, nghiên cứu biệt hoá tế bào gốc và màng ối và dây rốn phục vụ điều trị bệnh... 

 

Cao Sơn - Quách Minh

 

Công nghệ sinh học thế kỷ 21: Cơ hội hay thách thức

Công nghệ sinh học nano



Module by: Nguyen Hung



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).
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]
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)
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, Nhật, Anh cũng đã có những công ty tham gia vào thị trường đầy tiềm năng này.
Figure 4
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].
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.
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 http://dvworld.northwestern.edu/)
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].
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 (http://planet.tvi.edu/) 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 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 thanhỐng 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 http://dvworld.northwestern.edu/).(3) 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.
Figure 13
Hình 10. Cấu trúc sợi vàng trên lõi actin [Theo 54]. Dây nano quấn quanh sợi tóc (Theo http://planet.tvi.edu/).Mã 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.
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 nọi mọi cấu tử sinh học đều đã và đang là đối tượng nghiên cứu của CNSH nano. 2.3.1 ProteinTrong 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 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] 2.3.2 DNACó 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 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. 2.3.3 Các cấu trúc khácNgoài 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 hợpNgày 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]. 2.2.1 MicroarrayTrong 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].
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]. 2.2.2 MicrofluidicMột 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 tín m, các điện cực nano, mẫu dò nano và cáchiệu mới. Vì kích thước dưới hệ 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. 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
2.2.4 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].
3. PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO3.1 Phương pháp hóa họcTổng 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 ngượcMột 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].
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 KhửCác 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].
Figure 22
Hình 19. (a) Ổn định hóa tĩnh điện của các hạt keo kim loại cấu trúc nano (b) Ổn định hóa không gian của các hạt keo kim loại cấu túc nano [Theo 38]. 3.1.3 Tổng hợp điện hóaTừ năm 1994, sự chế tạo rất linh hoạt các keo lưỡng và đơn kim loại cấu trúc nano đã được Reetz và nhóm nghiên cứu của ông phát triển. Quá trình tổng hợp điện hóa tổng quát gồm 6 bước nhỏ (hình 20). 1. Sự phân rã do ôxy hóa của điện cực anode kim loại 2. Các kim loại hóa trị n dịch chuyển đến 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. Đình trệ quá trình phát triển và ổn định hóa các hạt bằng chất bảo vệ keo 6. Kết tủa các hạt keo kim loại cấu trúc nano
Figure 23
Hình 20. Tạo hạt nano kim loại NR4+Cl–- bằng phản ứng điện hóa [Theo 38] Bằng cách sử dụng quá trình tổng hợp điện hóa, có thể tạo ra hạt cầu Pd(0) với kích thước 1 - 6 nm. Phương pháp điện hóa đã được áp dụng thành công để 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 họcNghiền trục cao năngCó thể sử dụng phương pháp nghiền trục cao năng (high-energy ball milling), còn gọi là bào mòn cơ học (mechanical attrition) để giảm kích thước vật liệu hạt từ vài µm xuống còn 2-20nm. Quá trình này chậm và cần nhiều thời gian để đạt được các kích thước nhỏ nhất có thể. Ưu điểm của phương pháp này là tương đối rẻ và dễ tăng quy mô để sản xuất lượng lớn vật liệu. Thông thường, để tối đa 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 định (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 đặt graphite trong lò và dùng xung laser mạnh để cắt nó trong khí trơ. Đầu tiên, dùng điện cực carbon nguyên chất với nhiệt độ 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 được tạo ra sau đó, khi trộn một lượng nhỏ (<1 wt%) kim loại xúc tác (như bột Co-Ni). Dưới các điều 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 độ sản xuất cao (1,5 g/h), người ta sử dụng laser điện tự do cao năng (~200W) [38].
Mặc dù các nỗ lực thành công trong vài năm trước để tạo ra một lượng lớn các ống nano bằng các phương pháp nhiệt độ cao ở trên, vẫn chưa thể sử dụng phương pháp này quy mô công nghiệp.
Figure 24
Hình 21. Thiết bị thí nghiệm tạo ống nano carbon đầu tiên bằng phương pháp cắt bằng laser (a), và MWNT được tạo ra trong các thí nghiệm đầu tiên (b). [Theo 38] 3.2.2 Vi định vị không gianMột số kỹ thuật điện và quang hóa đã được phát triển để tổ chức không gian các phân tử sinh học trên bề mặt với các mục đích sàng lọc hiệu năng cao, kết hợp các mảng điện 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 điện và in vi lỏng. Một số kỹ thuật đang được nghiên cứu cũng như một số đã 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 đó các mẫu dò (DNA, protein, peptide, glycan…), mở ra các ứng dụng hết sức đa dạng với hiệu năng cao [62]. Định vị nhờ laser (LAD) là công cụ độc nhất vô nhị để tạo ra các vật liệu film mỏng và đã được sử dụng thành công để chế tạo các cấu trúc nano [95]. Kỹ thuật này cho phép thực hiện các lắp ráp có thứ tự theo sơ đồ đinh trước bằng cách nâng lên một cách vật lý và đặc các phân tử lắp ráp trên bề mặt rắn. Kỹ thuật LAD đã được sử dụng để đặt 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 Tổng hợp trong pha khíTổng hợp trong khí trơ là một trong các phương pháp được sử dụng đầu tiên để 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 đó xảy ra sự quá bão hòa trên nguồn hơi và các hạt nano được tạo thành. Bên trên nguồn hơi là bề mặt kết tụ được làm lạnh bằng Nitơ lỏng. Hình 22 là sơ đồ 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 điểm 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 đoạn khá xa từ nơi xuất phát. Ưu điểm của phương pháp này là có thể tạo ra một phổ lớn các hạt nano phân bố kích thước hẹp [94].
Figure 25
Hình 22. Sơ đồ thiết bị tạo ra, tập hợp và nén các hạt nano trong khí trơ. 3.2.4 Hồ quang điệnHồ quang điện là phương pháp tạo ống nano carbon đầu tiên được công bố và cũng là phương pháp sản xuất ở quy mô công nghiệp đầu tiên [38]. Để sản xuất MWNT, sử dụng hai điện cực graphite siêu tinh sạch. Khi phun hồ quang điện giữa hai điện 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 được tạo thành và lắng trên cathode; anode xảy ra quá trình ăn mòn liên tục [38]. Phương pháp này thường được sử dụng để tạo ra fullerene (C60) và ống nano carbon. Nhiệt độ cao trong hồ quang làm thăng hoa vật liệu [94].
Figure 26
Hình 23. (a) Thiết bị tạo ống nano carbon bằng phương pháp hồ quang điện. Mô hình này tạo ra các ống nano carbon nhiều thành khi các que nano tinh sạch được sử dụng tại các điện cực và tạo ra các ống nano đơn thành khi chất xúc tác kim loại được trộn với lõi của anode. (b) Ảnh định vị trên cathode; (c) Ảnh TEM của MWNT [Theo 38]. Phương pháp khác gắn các hạt kim loại xúc tác vào điện cực carbon tạo ra SWNT. Để thực hiện thí nghiệm này, sử dụng mô hình tương tự của MWNT nhưng lỗ đường kính nhỏ hơn được 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 điểm của phương pháp này là mẫu chứa một lượng đang kể tạp chất không phải ống nano và chất xúc tác; cần tiến hành tinh sạch sau tổng hợp để thu mẫu tinh sạch [38]. 3.3 Các phương pháp sinh học3.3.1 Tự lắp ráp phân tửTự lắp ráp (TLR) là quá trình tự tổ chức của 2 hay nhiều thành phần thành một khối lớn thông qua các liên kết đồng và/hoặc phi đồng hóa trị [97]. TLR phân tử (MSA) là một cách tiếp cận tuyệt vời để chế tạo các cấu trúc siêu phân tử. MSA được tạo thành bởi các liên kết phi đồng hóa trị yếu- đáng 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 đứng riêng, các liên kết này tương đối yếu nhưng trong tổng thể chung, chúng chi phối quá trình hình thành cấu trúc của tất cả các đại phân tử sinh học và ảnh hưởng đến 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 định, 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 đầu khai thác sự TLR để tạo ra những vật liệu tổng hợp hoàn toàn mới. DNA, peptide và protein là các khối cấu trúc đa tác dụng để lắp ráp các vật liệu. Tự nhiên luôn sử dụng chúng như các bộ khung để tạo ra rất nhiều loại vật liệu khác nhau (collagen, keratin… ) [98]. Chế tạo sợi nano Một loại sợi nano được tạo thành từ các peptide ion hóa tự lắp ráp bổ sung trong dung dịch lỏng với hai bề mặt: một[99], chúng tạo thành phiến ưa nước, một kỵ nước. Các gốc kỵ nước tự bảo vệ chúng khỏi nước và TLR trong nước theo cách tương tự trong gấp nếp protein in vivo. Đặc trưng cấu trúc độc nhất vô nhị của các peptide “Lego phân tử” này là chúng tạo thành các liên kết ion bổ sung với sự lặp lại đều đặn trên bề mặt ưa nước (hình 24a). Có thể định hướng điện tích theo chiều ngược lại, để tạo ra các phân tử hoàn toàn khác. Trình tự được thiết kế tốt cho phép các peptide TLR theo trật tự, trong một quá trình giống như sự lắp ráp polymer đã được nghiên cứu kỹ [98]. Chế tạo NTPhospholipid dễ dàng TLR trong dung dịch nước, tạo thành các cấu trúc khác nhau bao gồm micelle, túi và ống. Schnur và cộng sự đi tiên phong trong công nghệ tự lắp ghép ống lipid để tạo ra các vật liệu dùng trong lĩnh vực chế tạo vật liệu mới sử dụng các khối cấu trúc đơn giản [98] (hình 24b). Bao gói các bề mặt với độ dày nmZhang và cộng sự tập trung thiết kế các peptide TLR thành một lớp đơn trên các bề mặt, cho phép các phân tử dính với nhau để 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 đặc biệt, một thể liên kết để phân tách vật lý với bề mặt và neo để gắn cộng hóa trị với bề mặt [98]. Gần đây, Zang và đồng sự đã tiến một bước xa hơn: sử dụng các peptide và protein như một loại mực, họ in trực tiếp các ký hiệu đặc biệt trên bề mặt polyethylene glycol không bám dính để 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 proteinCó thể lắp ráp các bộ khung peptide ba chiều bằng cách nhúng peptide TLR vào dung dịch muối hoặc môi trường sinh lý để tạo ra các cấu trúc đại 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 điện tinh sạch trên bề mặt. Có rất nhiều phương pháp gắn tinh thể nano kim loại dẫn điện vào peptide [98]. Matsui và cộng sự đã chế tạo thành công NT peptide thành dây nano. Họ không chỉ bao gói NT peptide với đồng và niken mà còn bọc NT của họ trong avidin, làm chúng có thể gắn đặc hiệu với các bề mặt vàng [103].
Figure 27
Hình 25. Khám phá và chọn các vật liệu điện sử dụng hệ thống trình diện bacteriophage. Một thư viện phage tái tổ hợp được sử dụng để gắn chọn lọc với vật GaAs. Đường đỏ (đường kính 1 µm) tương ứng với GaAs và vùng đen (đường kính 4 µm) là SiO2. Sự gắn đặc hiệu peptide này cũng có thể được sử dụng để phân phối các tinh thể nano tới các vị trí đặc biệt [Theo 104]. Belcher và cộng sự tiến hành một cách tiếp cận rất khác để không chỉ khám phá mà còn chế tạo các vật liệu điện và từ rất khác so với các vật liệu truyền thống. Họ tạo ra bacteriophage TLR đã biến đổi di truyền sao cho có thể dùng chúng để chọn các vật liệu từ, bán dẫn hoặc dẫn điện (hình 25) [104].
Figure 28
Hình 24. Lắp ráp các vật liệu peptide. (a) Peptide tự bổ sung ion hóa có 16 axit amin, kích thước ~5 nm. Chúng TLR tạo thành sợi nano với các gốc không phân cực nằm trong (xanh lá cây), và các gốc tích điện – (đỏ) và + (xanh da trời) tạo thành các tương tác ion bổ sung giống như bàn cờ vua. Các sợi nano này tạo thành các chất nền đan xen sau đó tạo thành scaffold hydrogel với trên 99.5% là nước. (b) Một loại peptide giống chất hoạt động bề mặt, kích thước ~2nm, TLR thành NT hoặc túi nano (nanovesicle) với đường kính 30–50 nm. (c) Peptide bao gói nano bề mặt với ba phân đoạn riêng biệt, có thể sử dụng như mực để in trực tiếp trên bề mặt. (d) Peptide công tắc phân tử, với tính lưỡng cực mạnh, biến đổi hình dạng mạnh giữa α-helix và β-strand hoặc β-sheet dưới kích thích ngoại lai. Các tinh thể nano có thể được gắn với các peptide lưỡng cực này để chế tạo chúng thành các công tắc nhỏ [Theo 98]. Các hạt keo vàng có thể TLR thành một cấu trúc tập trung bằng cách gắn với các hạt 13nm không bổ sung với các oligonucleotide DNA có hai đầu gắn với nhóm thiol và sau đó kết tụ với một phức hệ oligonucleotide với các đầu dính và bổ sung với hai trình tự ghép [105]. Quá trình lắp ráp hoàn toàn thuận nghịch thông qua các chu kỳ lai và biến tính bởi nhiệt thông thường. 3.3.2 Vi chế tác dựa trên khuôn sinh họcVề mặt nguyên lý, các đặc trưng có tính lặp lại và các motif khả nhận diện của các đại phân tử sinh học có thể được khai thác để chế tạo các cấu trúc và thiết bị nano [106]. Một trong các ví dụ tiêu biểu là chế tạo tấm hoặc các dây nano dẫn điện. Dây nano bạc dẫn điện đã được chế tạo bằng cách lắp ráp trên khuôn DNA [107]. Nhiều motif DNA không thông dụng cũng có thể được sử dụng để tạo nên các khối cấu trúc phân tử bởi khả năng kết hợp của DNA thông qua đầu dính có tính đặc hiệu rất cao. Các phân tử DNA phân nhánh có các đầu dính đầy hứa hẹn cho các cấu trúc tuần hoàn. Các phân tử DNA TLR trong dung dịch để tạo 8 µm, với độ dày đồngthành các tinh thể một miền có kích thước 2 x nhất từ 1 đến 2 nm. Hơn nữa, sử dụng oligonucleotide tổng hợp mang các base biến đổi cho phép điều khiển cấu trúc của khối tuần hoàn bằng cách gắn thêm các nhóm chức năng như chất xúc tác, enzyme, và protein, các cụm kim loại hoặc các cấu trúc nano DNA khác như polyhedra [108] hoặc vòng Borromean [50]. Mao và cộng sự đã tạo ra các virus có khả năng kết tinh các hạt tinh thể nano ZnS hoặc CdS bằng kỹ thuật phage display. Các virus này được cho vào dung dịch chứa chất bán dẫn và các hạt tinh thể nano tạo thành dọc theo khuôn virus tạo thành dây nano (hình 26) [50].
Figure 29
Hình 26. (A) Sơ đồ chế tạo dây nano trên nền tảng kỹ thuật phage display và (B) dây nano ZnS-virus [Theo 50]. 3.3.3 Phỏng sinh họcTrong tương lai, các hệ thống vật liệu chức năng được phát triển cho công nghệ sinh học nano hoặc công nghệ nano có thể gồm protein (hình 27). Chúng tham gia vào quá trình lắp ráp, chế tác và chắc chắn, trong cấu trúc sản phẩm cuối cùng, mang lại các chức năng đặc biệt, có thể điều khiển tương tự các cấu trúc trong mô xốp và rắn sinh học. Trong lĩnh vực phỏng sinh học phân tử (molecular biomimetic, MB)- trong đó kết hợp hài hòa các lĩnh vực sinh học và vật lý truyền thống- có thể tạo ra các vật liệu lai được lắp ráp từ mức phân tử sử dụng các tính chất nhận biết và gắn đặc biệt của protein với các chất vô cơ. MB mang lại ba giải pháp giúp điều khiển và chế tác cấu trúc nano quy mô lớn cũng như lắp ráp các vật liệu hai, ba chiều một cách có trật tự (hình 27). Giải pháp thứ nhất là chọn lọc là thiết kế ở mức phân tử và di truyền các peptide, protein gắn chất vô cơ. Điều này cho phép đạt được khả năng điều khiển ở những mô thức nhỏ nhất. Thứ hai, có thể sử dụng các protein này làm chất kết nối hay các tập hợp lắp ráp phân tử để liên kết thực thể phân tử, bao gồm hạt nano, polymer chức năng hoặc các cấu trúc khác trên khuôn phân tử.
Figure 30
Hình 27. Khả năng sử dụng của các protein gắn chất vô cơ: (a) thể liên kết để cố định hạt nano. (b) các phân tử chức năng lắp ráp trên cơ chất đặc biệt. (c) thể kết nối đa năng gồm 2 protein tiếp giáp với các đơn vị vô cơ nano. NSL, thể kết nối không đặc hiệu [Theo 109]. Giải pháp thứ ba là tự lắp ráp và/hoặc đồng lắp ráp các phân tử sinh học thành cấu trúc nano có trật tự. Điều này đảm bảo một quá trình lắp ráp tinh vi để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp, và có thể là các cấu trúc có thứ bậc, tương tự trong tự nhiên.
Figure 31
Hình 28. Tiềm năng ứng dụng của MB trong công nghệ nano và công nghệ sinh học nano sử dụng các polypeptide biến đổi di truyền gắn chất vô cơ [Theo 38]. Chỉ một vài polypeptide đã được xác định là gắn đặc hiệu với các chất vô cơ. Chúng hầu hết là các protein khoáng hóa sinh học, tiết ra từ mô rắn (hard tissue) sau khi được phân tách, tinh chế và tách dòng. Mặc dù cách tiếp cận này khó, tốn thời gian và có nhiều giới hạn lớn, một số protein tách theo cách này đã được sử dụng như enzyme để tổng hợp các chất vô cơ nhất định. Cách tiếp cận phổ biến hơn là thu polypeptide gắn chất hữu cơ nhờ các kỹ thuật sinh học. Trong cách tiếp cận này, một lượng lớn, thư viện ngẫu nhiên được sàng lọc để xác định các trình tự đặc hiệu gắn tốt với vật liệu hữu dùng trong thực nghiệm. Đạt được điều này sẽ là một nhảy vọt phi thường, với khả năng tạo ra các khối cấu trúc nano trong đó protein và tính chất gắn của nó được tạo ra nhờ kỹ thuật DNA trong khi thành phần vô cơ mang các chức năng đặc biệt (như điện, quang, từ). Các polypeptide gắn này (hay các protein nhỏ) được gọi là các protein kỹ thuật di truyền cho chất vô cơ [38]. 3.3.4 Sinh học phân tửMột phần không thể thiếu trong CNSH nano là sinh học phân tử. Sinh học phân tử phát triển mang lại một nền tảng công nghệ cho CNSH nano. Các kỹ thuật lai, dung hợp protein, tạo đột biến… được dùng thường nhật trong CNSH nano để tạo ra các khối cấu trúc sinh học, các kỹ thuật nhạy mới. Các hệ thống sinh học có khả năng độc nhất vô nhị trong việc điều khiển cấu trúc, pha, chiều hướng và topo học cấu trúc nano của các tinh thể vô cơ. Các nghiên cứu gần đây đã lợi dụng các nguyên lý nhận biết sinh học để phát triển các kỹ thuật mới nhằm bố trí các vật liệu từ tính, bán dẫn và dẫn điện. Các kỹ thuật trình diện phage (phage display) tái tổ hợp đã được sử dụng để xác định các peptide gắn chất bán dẫn thuộc nhóm III–V và II–VI như ZnSe và GaAs, với các vật liệu từ tính và với calcium carbonate, phosphate. Các peptide có tính đặc hiệu bề mặt tinh thể, có thể phân biệt giữa các hợp kim bán dẫn tương tự như GaAs và AlGaAs, và được sử dụng để tạo ra các hạt nano và các dị cấu trúc. Các phương pháp tổ hợp tương tự đã được sử dụng để tạo ra các cụm nano CdS gói peptide và các protein gắn vàng [96]. Hơn nữa, một số chủng vi khuẩn có khả năng kháng kim loại đáng ngạc nhiên, như bạc và một số thậm chí tích lũy bạc tại thành tế bào với một lượng lên đến 25% trong lượng sinh khối khô. Chủng Pseudomonas stutzeri AG259, phân lập từ mỏ bạc tích lũy các tinh thể đơn bạc với hình dạng và thành phần xác định, như các hinhhf tam giác và lục giác đều, với kích thước dưới 200nm trong không gian ngoại biên [110]. Như vậy, có thể nói, sinh học phân tử là một công cụ không thể thiếu, là kỹ thuật nền của công nghệ sinh học nano.