Một số cơ sở vật lý của việc ứng dụng vật liệu nano trong y học hiện đại

Bản thân GNP nhờ có hiệu ứng plasmon bề mặtnên hấp thụ và chuyển hóa các tác nhân bên ngoài như ánh sáng và bức xạ thànhnhiệt rất nhanh và hiệu quả, từ đó góp phần nâng cao hiệu suất điề

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

NGUYỄN MINH HOA

MỘT SỐ CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA VIỆC

ỨNG DỤNG VẬT LIỆU NANO TRONG Y HỌC HIỆN ĐẠI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ TOÁN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

NGUYỄN MINH HOA

MỘT SỐ CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA VIỆC

ỨNG DỤNG VẬT LIỆU NANO TRONG Y HỌC HIỆN ĐẠI

Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và Vật lý toán

Mã số: 9 44 01 03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ TOÁN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS TS Đinh Như Thảo

2 TS Đỗ Hoàng Tùng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu vàkết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực, được các đồng tác giả cho phép

sử dụng Các kết quả trình bày trong luận án là mới và chưa từng được công bốtrong bất cứ luận án nào khác

Tác giả luận án

Nguyễn Minh Hoa

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới cố GS TSKH Nguyễn Ái Việt, là ngườithầy “truyền lửa” và rất nhiệt tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu.Tôi cũng xin chân thành cảm ơn PGS TS Đinh Như Thảo, TS Đỗ Hoàng Tùng đãnhiệt tình hướng dẫn tôi trong thời gian hoàn thành luận án này

Tôi xin trân trọng cảm ơn Bộ Giáo dục và Đào tạo, Ban Giám hiệu Trường Đạihọc Sư phạm 2, Phòng Đào tạo Sau Đại học, các thầy cô trong Khoa Vật lý đã tạo điềukiện thuận lợi cho tôi làm luận án Tôi cũng xin cảm ơn Đại học Huế, Ban Giám hiệuTrường Đại học Y Dược, các thầy cô đồng nghiệp tại Khoa Cơ bản đã động viên và tạomọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này

Tôi xin chân thành cảm ơn GS TS Hoàng Ngọc Long, NCS Lê Anh Thi,PGS TS Trần Hồng Nhung, TS Đỗ Thị Nga, TS Tô Thị Thảo, các anh chị, bạn bètại Viện Vật lý và nhóm nghiên cứu đã hết lòng giúp đỡ và chia sẻ với tôi trong thờigian làm luận án

Cuối cùng tôi xin dành lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình đã luôn độngviên, khuyến khích và hỗ trợ tôi trong quá trình hoàn thành luận án này

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT 4

MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC ỨNG DỤNG MỚI CỦA VẬT LÝ TRONG Y HỌC HIỆN ĐẠI 18

1.1 Mối liên hệ giữa một số đại lượng vật lý và tác động sinh học 18

1.1.1 Ảnh hưởng nhiệt độ lên cơ thể sống 19

1.1.2 Ảnh hưởng sóng âm lên cơ thể sống 20

1.1.3 Tương tác ánh sáng với cơ thể sống 20

1.1.4 Ảnh hưởng bức xạ ion hóa lên cơ thể sống 21

1.2 Tiềm năng ứng dụng công nghệ nano trong chẩn đoán và điều trị 22

1.2.1 Trong chẩn đoán 22

1.2.1.1 Kỹ thuật X - quang 23

1.2.1.2 Kỹ thuật siêu âm 23

1.2.1.3 Kỹ thuật MRI 24

1.2.1.4 Kỹ thuật PET/SPECT 24

1.2.1.5 Kỹ thuật CT 25

1.2.2 Trong điều trị 25

CHƯƠNG 2 CHẤM LƯỢNG TỬ CARBON VÀ TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG TRONG CHẨN ĐOÁN VÀ ĐIỀU TRỊ 31

2.1 Chấm lượng tử carbon 31

2.1.1 Công nghệ chế tạo 33

2.1.2 Tính chất quang của chấm lượng tử carbon 37

2.1.2.1 Tính chất hấp thụ 37

2.1.2.2 Tính chất quang huỳnh quang 38

2.1.3 Tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực chẩn đoán và điều trị 41

2.2 Thực nghiệm chế tạo chấm lượng tử carbon 44

2.2.1 Công nghệ chế tạo 44

2.2.2 Phương pháp khảo sát 46

2.2.2.1 Hiển vi điện tử truyền qua 46

2.2.2.2 Hấp thụ quang 46

2.2.2.3 Quang huỳnh quang 47

2.2.2.4 Phương pháp đo tán xạ ánh sáng động học 47

2.3 Kết quả và thảo luận 48

2.3.1 Các đặc trưng về hình dạng và kích thước của CQD 48

2.3.2 Tính chất hấp thụ và quang huỳnh quang của CQD 51

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA CƠ CHẾ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG CỦA HẠT NANO VÀNG VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG CHẨN ĐOÁN VÀ ĐIỀU TRỊ 57

3.1 Hạt nano vàng 57

3.1.1 Giới thiệu về hạt nano vàng 57

3.1.2 Một số tính chất đặc trưng 60

3.1.2.1 Cộng hưởng plasmon bề mặt 60

3.1.2.2 Hấp thụ và tán xạ plasmon bề mặt 62

3.1.2.3 Thuộc tính không bức xạ 64

3.1.3 Truyền năng lượng huỳnh quang 65

3.1.3.1 Truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang 66

3.1.3.2 Truyền năng cộng hưởng lượng bề mặt - SET 70

3.1.3.3 Truyền năng lượng Coulomb - CET 72

3.1.4 Tiềm năng ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị của GNP 73

3.1.4.1 Liệu pháp quang động lực 73

3.1.4.3 Kỹ thuật hình ảnh 74

3.2.2 Mô hình hóa cơ chế truyền năng lượng phụ thuộc kích thước GNP 77

3.2.3 Mô hình sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang vào nồng độ GNP 82

3.2.3.2 Mô hình phụ thuộc cường độ huỳnh quang vào nồng độ GNP

(GFRET) 84

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 94

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮ

: donnor, phân tử truyền huỳnh quang: axit deoxyribonucleic

: tán xạ ánh sáng động học: Cục Dược phẩm Hoa kỳ: độ bán rộng phổ

: quá trình truyền năng lượng cộng hưởng Foster: quá trình truyền năng lượng cộng hưởng khổng lồ: hạt nano vàng

: quá trình truyền năng lượng cộng hưởng chung: mô tả một hiện tượng sinh học xảy ra trong cơ thể sống: chụp cộng hưởng từ hạt nhân

: ánh sáng hồng ngoại gần: chỉ số đa phân tán

: polyethylene glycol: propionylethylenimine - co - ethylenimine: chụp xạ hình cắt lớp positron

: Quang huỳnh quang: chấm lượng tử: quá trình truyền năng lượng cộng hưởng: quá trình truyền năng lượng cộng hưởng bề mặt: chụp cắt lớp bằng bức xạ đơn photon

: hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt

UV-vis : vùng ánh sáng nhìn thấy

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2 1 Tóm tắt ưu nhược điểm của các phương pháp chế tạo CQD 35

Bảng 3 1 Bảng giá trị bán kính Forster theo kích thước GNP 80

Bảng 3 2 Các thông số so sánh mô hình lý thuyết với các dữ liệu thực nghiệm 89

GNP tới các tế bào ung thư 28

Hình 2.1 Các cấu trúc khác nhau của nano carbon theo thời gian nghiên cứu 33 Hình 2.2 Sơ đồ minh họa chế tạo CQD bằng phương pháp từ trên xuống và từ

dưới lên 34

Hình 2.3 Phổ Abs và phổ PL của các CQD-PPEI-EI phân tán trong nước được

kích thích với các bước sóng khác nhau 20 nm bắt đầu từ 400 nm Hình nhỏ bên trong là phổ PL chuẩn hóa cường độ 38

Hình 2.4 (a) Hình ảnh quang học của dung dịch hạt nano carbon được chiếu

bởi ánh sáng trắng (trên), 312 nm (giữa) và phổ PL (dưới); (b) Sự không phụ thuộc vào bước sóng kích thích của vị trí đỉnh PL 39

Hình 2.5 (a) Phổ kích thích và phổ PL của các hạt CQD phân tán trong nước

được kích thích với các bước sóng từ 290-500 nm; (b) tính chất huỳnh quang chuyển đổi ngược của CQD Phổ PL của CQD phân tán trong nước được kích thích với các bước sóng từ 805 nm đến 1035 nm 41

Hình 2.6 Hình ảnh kỹ thuật số của ảnh huỳnh quang in vivo của CQD được

tiêm vào chuột được chụp ở các bước sóng kích thích khác nhau 42

Hình 2.7 Sơ đồ thiết kế hệ Micro - plasma để chế tạo CQD 45 Hình 2.8 (a) Ảnh TEM của CQD, (b) Sự phân bố kích thước trung bình của

CQD được xác định từ ảnh TEM 49

Hình 2.9 Sự phân bố kích thước theo số hạt (đường màu đen nối các điểm hình

sao) và theo cường độ (đường màu xanh nối các điểm hình vuông) của CQD

thu được từ phổ DLS 50

Hình 2.10 Phổ Abs (đường nét liền) và đạo hàm bậc hai phổ hấp thụ (đường

nét đứt) của CQD 51

Hình 2.11 Dung dịch CQD sau khi được kích thích bằng ánh sáng trắng (trái)

và ánh sáng có bước sóng 405 nm (phải) 52

Hình 2.12 Phổ hấp thụ (đường nét liền) và phổ huỳnh quang chuẩn hóa cường

độ (đường nét đứt) của CQD 53

Hình 2.13 Phổ hấp thụ và phổ PL của CQD được kích thích ở các bước sóng

khác nhau từ 340 nm đến 460nm với khoảng tăng 20 nm (Hình nhỏ bên trong

là phổ PL chuẩn hóa cường độ) 54

Hình 2.14 Bước sóng phát xạ của CQD phụ thuộc vào bước sóng kích thích

khác nhau từ 340 nm đến 460 nm với khoảng tăng 20 nm 55

Hình 3.1 Sơ đồ minh họa kích thước của một số thể thực ở thang đo nm 58

Hình 3.2 Minh họa cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu khối và vật liệu nano.

Khi kích thước hạt nano giảm thì năng lượng vùng cấm tăng lên 59

Hình 3.3 (a) Sơ đồ minh họa về sự cộng hưởng plasmon bề mặt trong các hạt

nano kim loại; (b) Phổ Abs của các GNP có kích thước khác nhau 60

Hình 3.4 Sự phụ thuộc hiệu suất theo bước sóng đối với kích thước (a) 20 nm;

(b) 40 nm; (c) 80 nm Đường màu xanh lá cây là quá trình hấp thụ, đường màu

đỏ nét đứt là quá trình tán xạ, đường màu đen nét đứt là hệ số dập tắt (d) Sự phụ thuộc của tỷ lệ tiết diện tán xạ và tiết diện dập tắt vào kích thước 63

Hình 3.5 Sự tương tác của hạt phát quang bị kích thích với một bề mặt kim loại

dày thông qua trường gần hoặc trường xa Hình trên chỉ ra tương tác trường gần với một bề mặt kim loại mỏng 65

Hình 3.6 Giản đồ Jablonski về truyền năng lượng cộng hưởng từ trạng thái

kích thích D đến trạng thái A Đường màu xanh da trời (D truyền năng lượng cho A) Đường màu xanh lá cây (quá trình hấp thụ của D), đường màu đỏ nét liền (quá trình phát huỳnh quang của D), màu đỏ nét đứt (quá trình truyền năng lượng không bức xạ của D), màu xanh lá cây nét đứt (quá trình kích thích sự hấp thụ năng lượng không bức xạ của A), đường màu vàng (quá trình hồi phục của photon) 67

Hình 3.7 Phổ Abs (màu đỏ) và phổ PL (màu xanh) của D và A Vùng màu nâu

được chỉ mũi tên là phần phủ giữa phổ PL của D và phổ Abs của A 68

Hình 3.8 (a) Đồ thị biểu diễn E i ( d x, i ) và (b) đạo hàm bậc nhất của nó theo

kích thước Đường nét đứt (FRET), đường nét liền (SET) 76

Hình 3.9 Sơ đồ cấu trúc hệ phân tử huỳnh quang - DNA – GNP 78

Hình 3.10 Đồ thị mô tả kết quả so sánh hai cơ chế FRET và SET với dữ liệu

thực nghiệm với các GNP có bán kính khác nhau: (a) 0,945 nm, (b) 1,5 nm, (c)

4 nm 79

Hình 3.11 Giá trị trung bình của năng lượng đảo ngược chung y tại các bán

kính của GNP hình cầu 81

Hình 3.12 Giản đồ Feynman cho quá trình truyền năng lượng từ D sang A 83

Hình 3.13 Sự phụ thuộc vào nồng độ và tần số phát xạ của cường độ phát

quang 86

Hình 3.14 (a) Đồ thị mô tả tỷ lệ đóng góp của CET với FRET; (b) tỷ lệ đóng

góp của SET với FRET trong RET theo khoảng cách và tần số phát xạ 87

Hình 3.15 Mô hình lý thuyết áp dụng cho hệ RET giữa các cặp A - D khác

nhau: (a) OBs – GNP, (b) QD CdTe – GNP, (c) RBDSNPs – GNP 89

MỞ ĐẦU

Nhiều phương pháp chữa bệnh trong y học hiện đại có mối liên hệ mật thiếtvới các phương pháp vật lý như liệu pháp quang nhiệt, quang động lực hay xạ trị kếthợp với hạt nano vàng (GNP) Các phương pháp này đều dựa vào hiệu ứng nhiệt đểtiêu diệt các tế bào bệnh [134, 162] Bản thân GNP nhờ có hiệu ứng plasmon bề mặtnên hấp thụ và chuyển hóa các tác nhân bên ngoài như ánh sáng và bức xạ thànhnhiệt rất nhanh và hiệu quả, từ đó góp phần nâng cao hiệu suất điều trị lên rất nhiều.Các tác nhân quang nhiệt bao gồm vật liệu nano carbon, GNP hoặc chất màu hữu cơđược nghiên cứu và ứng dụng nhiều trong y học như là làm chất đánh dấu sinh học,chẩn đoán và điều trị bệnh [179] Trong ung thư tiền liệt tuyến, Singh và cộng sựchứng minh tỷ lệ phần trăm tử vong của tế bào phụ thuộc tuyến tính vào sự thay đổicường độ huỳnh quang trong liệu pháp quang nhiệt [132] Bên cạnh đó, để hỗ trợviệc ứng dụng vật liệu nano trong cơ thể sống chúng ta cần sử dụng các phươngpháp chế tạo ra các vật liệu nano lành tính Từ những lý do trên trong luận án nàychúng tôi muốn tập trung nghiên cứu lý thuyết về cơ chế truyền năng lượng huỳnhquang (Resonance energy transfer - RET) của GNP và giới thiệu một phương phápthực nghiệm chế tạo chấm lượng tử carbon (carbon quantum dots - CQD) an toànvới cơ thể sống và thân thiện với môi trường, đó là phương pháp plasma - chất lỏng

Cơ thể sống về phương diện vật lý có thể xem như là một hệ nhiệt động mở, cáchoạt động và sự tồn tại của cơ thể sống đều liên quan tới sự thay đổi và cân bằng nănglượng trong phức hệ “cơ thể sống - môi trường” Để hiểu và đánh giá được mối liên hệchặt chẽ của phức hệ này, làm cơ sở cho việc ứng dụng vật lý trong y học thì nhữngnền tảng về yếu tố sinh học là rất quan trọng [7] Chẳng hạn như tương tác của ánhsáng, tương tác của sóng siêu âm, tương tác bức xạ ion hóa, tương tác nhiệt độ trên cácđối tượng hệ thống sống Tương tác cơ bản của siêu âm gây nên các tác dụng cơ, nhiệt

và sinh học Tương tác của ánh sáng được thực hiện thông qua các quá trình hấp thụ,tán xạ, khúc xạ, nhưng chỉ có những ánh sáng nào được hấp thụ thì mới gây biến đổiquang sinh học Tương tác của bức xạ ion hóa gây nên những thay đổi từ mức độ phân

tác nhiệt hay hiệu ứng nhiệt luôn có mặt trong các loại tương tác trên, đóng vai tròquan trọng trong điều trị và chẩn đoán bệnh Trong y học, liệu pháp nhiệt được xem

là liệu pháp an toàn, ứng dụng để giảm đau, phục hồi chức năng và điều trị bệnh.Bên cạnh đó, người ta nghiên cứu các phương pháp tiềm năng để tiêu diệt tế bàoung thư bằng nhiệt độ, vì tế bào ung thư có thể bị phá hủy ở nhiệt độ khoảng 45oC

do sự biến tính protein [76, 118] Hơn nữa, trong một vài thập kỷ trở lại đây vật liệunano đã được nghiên cứu rất nhiều trong y sinh [9, 24, 57, 83, 102, 116, 119, 125,

143, 158, 163, 165] Đặc biệt nổi bật là vật liệu GNP nhờ các tính chất hấp thụquang học rất tốt, hiệu ứng plasmon bề mặt, đỉnh phát xạ cộng hưởng nằm trongvùng ánh sáng nhìn thấy, khả năng tương thích sinh học cao [34, 102, 134]

Trong những năm gần đây đã có rất nhiều công trình nghiên cứu phương phápchế tạo các vật liệu nano ứng dụng trong y sinh [1, 14, 22, 30, 41, 82, 98, 128] Mỗiphương pháp chế tạo đều có ưu điểm riêng nên tùy theo mục đích mà người ta lựa chọnphương pháp thích hợp Để đưa vào ứng dụng trên cơ thể sống thì vật liệu chế tạo phảiđảm bảo an toàn, đồng thời phương pháp chế tạo phải “thân thiện” tức là không sửdụng hóa chất độc hại, không có các tạp chất dư và sau khi xử lý các tạp chất này phải

an toàn, quy trình chế tạo nhanh để đáp ứng cả nhu cầu nghiên cứu cơ bản và ứng dụng.Các phương pháp chế tạo vật liệu nano phổ biến hiện nay là các phương pháp nuôi cấy

“từ dưới lên” hoặc “từ trên xuống”, tuy nhiên hai cách tiếp cận này đều có quy trìnhphức tạp, thường sử dụng các tiền chất và các dung môi tạo môi trường phản ứng cótính độc hại cho cơ thể sống (như H2SO4 hay NaOH đậm đặc), thời gian chế tạo kéodài, nhiệt độ cao, tiêu hao nhiều năng lượng và cần xử lý làm sạch các sản phẩm phụsau phản ứng [113] So với hai lớp phương pháp truyền thống trên, kỹ thuật thủy nhiệt

có ưu điểm hơn là hạn chế việc sử dụng dung môi độc hại, nhưng quy trình xử lý mẫulại mất nhiều thời gian Ở Việt Nam cũng có một số nhóm nghiên cứu mạnh về chế tạovật liệu nano và ứng dụng trong y sinh [8, 142] Hiện nay các vật liệu nano dùng trongđánh dấu sinh học thường sử dụng Cadimi Vật liệu này bị hạn chế trong nghiên cứu ysinh do độc tính của nó gây tổn thương cho tế bào, ví dụ Cd2+ gây tổn thương gan [32].Gần đây, các chấm lượng tử, đặc biệt là CQD đã

bắt đầu được sử dụng cho những ứng dụng trong y sinh [40, 136] CQD có những

ưu điểm như dễ tan trong môi trường nước, tính tương thích sinh học cao, đỉnh phát

xạ nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy [40] Vấn đề được nhiều người quan tâm làviệc lựa chọn phương pháp chế tạo CQD Ngoài việc lựa chọn phương pháp chế tạoCQD sao cho đảm bảo an toàn cho cơ thể sống thì việc lựa chọn phương pháp thânthiện với môi trường cũng là một yếu tố quan trọng

Vào năm 1928, Irving Langmuir và các cộng sự lần đầu tiên đưa ra khái niệm vềplasma [59] Năm 2013, Akolkara và Sankarana ứng dụng quy trình tương tác giữaplasma và chất lỏng [9], dựa trên hiện tượng điện phân để chế tạo vật liệu nano Gầnđây phương pháp vật lý dựa vào tương tác plasma - chất lỏng dùng chế tạo vật liệunano đang khá được quan tâm nghiên cứu Phương pháp này có nhiều ưu điểm so vớiphương pháp điện hóa hay được sử dụng trước đó Tương tác của dung dịch với plasma

có thể kích hoạt nhiều phản ứng hoá học trong pha lỏng mà không cần nhiều chất phảnứng cũng như chất xúc tác Phương pháp này hoàn toàn không sử dụng hóa chất độchại, không làm phát sinh độc tính trong tương tác tạo ra vật liệu nano So với cácphương pháp chế tạo vật liệu nano thông thường, thì phương pháp chế tạo dựa trêntương tác plasma - chất lỏng có thể tạo ra vật liệu “sạch” hơn nên có thể dễ dàng dùngtrong y tế Do vậy trong luận án này chúng tôi tập trung nghiên cứu áp dụng phươngpháp chế tạo vật liệu dựa trên tương tác plasma - chất lỏng trong việc chế tạo CQD, làmtiền đề cho các nghiên cứu ứng dụng trong y sinh Bên cạnh đó, chúng tôi cũng nghiêncứu GNP - một cấu trúc đang được nghiên cứu và ứng dụng nhiều trong chẩn đoán vàđiều trị với các tính chất độc đáo như hiệu ứng plasmon, ít độc tính, ái lực mạnh vớicác phân tử sinh học

Một trong những vấn đề quan trọng cho các ứng dụng trong y sinh đó là cơ chếtruyền năng lượng Perrin đã phát hiện hiện tượng tương tác giữa các phân tử trongkhông gian xa hơn bán kính của chúng trong dung dịch vào năm 1912 [120] Ông giảthiết tương tác giữa phân tử chất cho và phân tử chất nhận như là tương tác giữa cáclưỡng cực điện nằm gần nhau Các phân tử này được xem là giống nhau, có cùng một

chạm vào nhau Quá trình truyền năng lượng cộng hưởng này được quan sát có hiệuquả trong khoảng cách tương đương với λ/2π (λ là bước sóng của ánh sáng) Chođến năm 1946, Forster đưa ra lời giải thích cho hiện tượng trên bằng lý thuyếtlượng tử [38, 39] Hiện tượng này đặt tên là truyền năng lượng cộng hưởngForster (Forster resonance energy transfer - FRET) hay truyền năng lượng cộng hưởnghuỳnh quang.

Trong quá trình FRET thì ban đầu các phân tử donor (D) hấp thụ một lượng

tử năng lượng, sau đó truyền năng lượng sang phân tử acceptor (A) gần đó.Tiếp theo các phân tử D sẽ quay về trạng thái cơ bản thông qua các quá trình hồiphục bức xạ và không bức xạ, nhờ sự cân bằng nhiệt giữa phân tử D được kíchthích với môi trường xung quanh nó Đến năm 1948, Forster đã chứng minh tốc

quá trình này phụ thuộc tỉ lệ với 1 /

R

4 [121] Năm 2005, Yun và cộng sự đã kiểm

chứng lý thuyết này bằng thực nghiệm truyền năng lượng giữa GNP và chấthuỳnh quang gắn vào hai đầu của một sợi DNA tại vị trí 5’ bằng liên kết -SH[164] Lý thuyết về năng lượng tương tác giữa hai điện tích điểm đã đượcCoulomb đề xuất

năm 1785 [26] cho rằng năng lượng tương tác tỉ 1 / 2 Năm 2004, Wong

Bachi khi nghiên cứu thực nghiệm về truyền năng lượng kích thích điện tử từ mộtphân đoạn polyfluorene đến tetraphenylporphyrin thấy rằng năng lượng tuân theoquy

luật 1 / R2 [155] Đến năm 1989, Andrews [10] dựa trên lý thuyết điện động họclượng tử chứng minh rằng sự truyền năng lượng bức xạ và không bức xạ đều cónguồn gốc là cộng hưởng của các dao động lưỡng cực Gần đây, năm 2004,Andrews và

13

Bradshaw [11] đưa ra giả thiết phát photon ảo để giải thích cơ chế truyền nănglượng không bức xạ của FRET.

Việc xây dựng cơ sở cho những ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị đòi hỏi

sự hiểu biết rộng từ nhiều lĩnh vực và không thể thiếu những cơ sở vật lý, đặc biệttrong việc chẩn đoán và điều trị ung thư, một trong những căn bệnh đang được quantâm nhất hiện nay Ngày nay kỹ thuật chẩn đoán ung thư bao gồm siêu âm, CT(Computed Tomography), MRI (Magnetic Resonance Imaging), chụp ảnh hạt nhân[34, 102, 162] Nhưng hạn chế của các kỹ thuật này là chỉ phát hiện được các khối ukhi chúng đã hình thành như một thực thể vật lý chứa một lượng lớn tế bào ung thư

mà không thể chẩn đoán sớm bệnh ở giai đoạn đầu Việc sử dụng kết hợp vật liệunano trong kỹ thuật chẩn đoán cho thấy tiềm năng trong chẩn đoán sớm bệnh ởnhững giai đoạn đầu, một ví dụ trong số đó là sự rò rỉ của GNP từ các mạch máuliên quan đến khối u, còn mạch máu bình thường không có rò rỉ này [14] Điều nàychứng tỏ khả năng phát hiện bệnh sớm từ tín hiệu huỳnh quang phát xạ của GNP

Bên cạnh đó, các liệu pháp truyền thống thường dùng trong chữa trị bệnh ungthư là phẫu thuật, hóa trị và xạ trị Tuy nhiên, các liệu pháp này có hạn chế là điều trịkhông có tính chọn lọc, ngoài tiêu diệt các tế bào ung thư chúng cũng có thể tiêu diệt cảnhững tế bào khỏe mạnh lân cận Do vậy các nhà khoa học luôn muốn tìm kiếm biệnpháp chữa trị mới tối ưu hơn Một trong các phương pháp tiềm năng trong chữa bệnhung thư là liệu pháp quang nhiệt Đây là một liệu pháp chữa trị không xâm lấn, không

sử dụng bức xạ ion, sử dụng năng lượng photon của ánh sáng chuyển đổi thành nhiệtcục bộ để tiêu diệt hay phá hủy cấu trúc tế bào, nhờ hiệu ứng plasmon của GNP kết hợpvới ánh sáng laser nằm trong vùng hồng ngoại gần (Near -Infrared Region – NIR) [136,

145, 162, 169, 179] Điều kiện của phương pháp này là, thứ nhất, cần dùng ánh sángNIR có bước sóng trên 650 nm; thứ hai, hình dạng và kích thước của GNP phải thỏamãn điều kiện thứ nhất; thứ ba, mật độ của GNP tại khối ung thư phải đủ cao để tạo ralượng nhiệt cần thiết Như vậy vấn đề ảnh hưởng kích thước và nồng độ GNP là cấpthiết đối với liệu pháp chữa bệnh này Hơn nữa, năm 2014, Guo và cộng sự đã cho thấyrằng FRET giữa oxit graphene và Cypate trong môi trường axit

làm tăng khả năng nhắm mục tiêu và tăng cường hiệu suất cho liệu pháp quangnhiệt [23].

Như đã trình bày ở trên, lý thuyết truyền năng lượng của Forster được quansát trong giới hạn phạm vi khoảng cách D - A từ 10 - 100 Å, cho thấy sự phụ thuộcnăng lượng theo quy luật tỉ lệ nghịch bậc sáu với khoảng cách giữa chúng Sự tươngtác của một phân tử huỳnh quang với một GNP khá phức tạp và có thể dẫn đến sựtăng cường hoặc dập tắt trạng thái kích thích nhanh chóng Các quá trình truyềnnăng lượng vẫn đang được tính theo cơ chế FRET [56] hoặc theo cơ chế SET [164],nhưng có công trình ngay trong cùng một thí nghiệm vẫn không phân biệt được khinào tính theo SET và khi nào tính theo FRET [16] Về lý thuyết thì chưa giải thíchđược một cách rõ ràng trong các tính toán về truyền năng lượng FRET hay SET khi

có GNP tham gia Việc giải quyết vấn đề truyền năng lượng phụ thuộc kích thước

và nồng độ của GNP sẽ cung cấp thêm cơ sở vật lý cho những ứng dụng trong chẩnđoán và điều trị Cụ thể, nó có thể hỗ trợ giải quyết được định lượng về nhiệt tại khuvực định xứ đủ để tiêu diệt các tế bào bệnh mà không ảnh hưởng tới tế bào khỏemạnh lân cận, tăng cường tính năng hiện ảnh, dễ dàng phát hiện thay đổi ở mức độphân tử trong những trường hợp tiền ung thư Nếu làm được như vậy, liệu pháp này

có thể thay thế cho liệu pháp thông thường chữa ung thư hiện nay, hạn chế các tácdụng phụ sau khi điều trị cũng như chẩn đoán bệnh chính xác trong những giai đoạnđầu, nâng cao tỉ lệ sống cho bệnh nhân

Trong luận án này, chúng tôi làm rõ hai vấn đề liên quan đến truyền năng lượng

có ý nghĩa trong y sinh Vấn đề thứ nhất là sự truyền năng lượng phụ thuộc vào kíchthước GNP Vấn đề thứ hai là xây dựng mô hình lý thuyết về mối liên hệ huỳnh quang

và nồng độ GNP Giải quyết vấn đề thứ nhất, chúng tôi sử dụng các lý thuyết về truyềnnăng lượng [36, 121] kết hợp việc phân tích các dữ liệu thực nghiệm trong tài liệu[164] Từ đó chúng tôi đề xuất mô hình và biện luận cho những ứng dụng trong điều trị.Giải quyết vấn đề thứ hai, chúng tôi sử dụng các lý thuyết và tính toán về truyền nănglượng [11, 26, 36, 38, 121] để đề xuất mô hình lý thuyết, sau đó đối

chiếu với các dữ liệu thực nghiệm trong tài liệu [143] để đánh giá sự phù hợp của

mô hình, biện luận cho định hướng ứng dụng trong y sinh

Qua việc phân tích và đánh giá ở trên chúng tôi chọn đề tài “Một số cơ sở vật

lý của việc ứng dụng vật liệu nano trong y học hiện đại” để nghiên cứu Chúng tôitập trung giải quyết ba nội dung như sau Thứ nhất, chúng tôi đề xuất phương phápchế tạo chấm lượng tử carbon, phần này được trình bày ở chương 2 Thứ hai, chúngtôi xây dựng mô hình truyền năng lượng phụ thuộc kích thước GNP Thứ ba, chúngtôi xây dựng mô hình biểu diễn sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang vào nồng độGNP Hai nội dung sau được trình bày chi tiết trong chương 3 Từ đó chúng tôi đềxuất thêm một số cơ sở vật lý cho những ứng dụng trong lĩnh vực y sinh

- Xây dựng mô hình vật lý cho sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang vào nồng

độ GNP trong quá trình truyền năng lượng;

- Đề xuất một phương pháp chế tạo chấm lượng tử carbon dựa trên tương tácplasma - chất lỏng

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Luận án này tập trung nghiên cứu lý thuyết liên quan đến truyền năng lượng,

đề xuất các mô hình vật lý áp dụng cho GNP hình cầu kích thước 20 nm Về thựcnghiệm chúng tôi đề xuất phương pháp chế tạo CQD dựa trên tương tác plasma -chất lỏng

Phương pháp nghiên cứu

Về lý thuyết: nghiên cứu lý thuyết liên quan truyền năng lượng, kết hợp cácphương pháp giải tích và mô phỏng sử dụng phần mềm Mathematica, Origin So sánh

dữ liệu thu được từ mô hình đề xuất với các dữ liệu thực nghiệm của các tác giả khác

Về thực nghiệm: dựa trên tương tác plasma - chất lỏng xây dựng quy trình chế tạo CQD thân thiện với môi trường.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Về phương pháp

Kết quả luận án góp phần cung cấp cơ sở chế tạo vật liệu CQD ít độc tính, antoàn cho cơ thể sống; đồng thời cung cấp thông tin hiệu quả và chính xác hơn trongtính toán về truyền năng lượng

Về ý nghĩa khoa học

Luận án có sự hỗ trợ giữa thực nghiệm và lý thuyết để giải quyết vấn đề antoàn cho các ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị bệnh Đây là vấn đề đang đượcquan tâm nghiên cứu và kết quả của luận án sẽ cung cấp cơ sở vật lý cho một sốphương pháp chữa bệnh tiềm năng cũng như phương pháp chẩn đoán hiện đại Vìvậy đề tài mang tính khoa học cơ bản và có định hướng ứng dụng rõ ràng

Chương 2 trình bày về chấm lượng tử carbon và tiềm năng ứng dụng trongchẩn đoán và điều trị Trong chương này chúng tôi sẽ trình bày về chấm lượng tửcarbon, đề xuất phương pháp chế tạo chấm lượng tử carbon, đồng thời thảo luận cáckết quả khảo sát về hình dạng, kích thước và tính chất quang

Chương 3 trình bày về mô hình hóa cơ chế truyền năng lượng ứng dụngtrong chẩn đoán và điều trị Chương này chúng tôi sẽ trình bày về GNP, các cơ chếtruyền năng lượng, xây dựng các mô hình vật lý, biện luận cho những ứng dụngtrong chẩn đoán và điều trị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC ỨNG DỤNG MỚI CỦA VẬT LÝ

TRONG Y HỌC HIỆN ĐẠI

Chương này trình bày về mối liên hệ giữa một số đại lượng vật lý và tác độngsinh học, các ứng dụng mới của vật lý trong y học hiện đại, một số ứng dụng của côngnghệ nano trong chẩn đoán và điều trị Trong phần thứ nhất chúng tôi tập trung trìnhbày tác động sinh học của bốn đại lượng vật lý lên cơ thể sống, đó là nhiệt độ, sóng âm,ánh sáng và bức xạ ion hóa Trong phần thứ hai của chương chúng tôi giới thiệu cáctiềm năng ứng dụng của công nghệ nano trong chẩn đoán và điều trị Trong chẩn đoánchúng tôi tập trung vào các kỹ thuật X quang, siêu âm, MRI (Magnetic resonance

imaging), PET/SPECT (Positron Emission Tomography/Single Photon Emission

Computerized Tomography) và CT (Computed Tomography) Trong điều trị chúng tôitập trung giới thiệu về việc ứng dụng hạt nano kết hợp các phương pháp truyền thống

và liệu pháp quang nhiệt trong chữa bệnh ung thư

1.1 Mối liên hệ giữa một số đại lượng vật lý và tác động sinh học

Sự tác động của các đại lượng vật lý khác nhau đều gây nên những quá trình

lý sinh và hóa sinh [2, 7] Tất cả các quá trình này xảy ra bên trong hệ thống sốngluôn kèm theo sinh nhiệt, hay sản phẩm cuối cùng là cung cấp nhiệt năng cho vùng

bị kích thích Hiệu ứng nhiệt cung cấp cơ sở vật lý cho ứng dụng trong y học trongcác liệu pháp điều trị và phương pháp chẩn đoán hiện đại [6, 7] Trong mục nàychúng tôi trình bày tác động sinh học của một số tác nhân vật lý như nhiệt độ, sóng

âm, ánh sáng, bức xạ lên cơ thể sống như được minh họa theo sơ đồ ở Hình 1.1

1.1.1 Ảnh hưởng nhiệt độ lên cơ thể sống

Liệu pháp nhiệt trong y học, tức là sử dụng yếu tố nhiệt độ để giảm đau, phụchồi chức năng và điều trị bệnh Đa số tốc độ của các quá trình lý sinh và hóa sinh trong

cơ thể đều phụ thuộc vào nhiệt độ [7] Nhiệt độ cơ thể là một đại lượng vật lý giúp bác

sỹ chẩn đoán được tình trạng tổng thể của bệnh nhân Trạng thái cơ bản của người cóthân nhiệt vào khoảng 37oC Sự ổn định của giá trị này là do tổng của hai dòng nhiệtlượng sinh ra và thải đi luôn cân bằng nhau Quá trình này cũng đã được tác giả ĐoànSuy Nghĩ trình bày trong nội dung về nguyên lý I nhiệt động học áp dụng cho hệ thốngsống khi tính toán lượng nhiệt tiêu thụ trong một ngày đêm [2] Người ta có thể cungcấp nhiệt cho cơ thể bằng các con đường trực tiếp hay gián tiếp Khi nhiệt đến từ mộtnguồn tiếp xúc trực tiếp, ban đầu làm nóng lớp ngoài của da, sau đó truyền đến lớp dasâu hơn bằng cách dẫn nhiệt, nhờ đó mà dẫn đến những tác động sinh học Nhiệt tạo ranhiệt độ tại các mô cao hơn, dưới tác dụng của nhiệt các mạch máu sẽ giãn ra, gây nênhiện tượng giãn mạch làm tăng cung cấp oxy và chất dinh dưỡng và loại bỏ carbondioxide và chất thải chuyển hóa, làm tăng hoạt động của tế bào và chống viêm Liệupháp nhiệt rất hữu ích trong điều trị co thắt cơ, đau cơ, đau xơ cơ, viêm bao hoạt dịch,còn nhiệt ẩm có thể được sử dụng điều trị áp - xe; điều trị leishmaniasis và nhiễm kýsinh trùng trên da [4]; tăng hiệu quả của hóa trị liệu hoặc xạ trị, nhưng nó không đủ để

tự diệt các tế bào ung thư [139] Liệu pháp tăng thân nhiệt đã được sử dụng để điều trịung thư kết hợp với bức xạ ion hóa

[45] Nguồn nhiệt có thể đến từ các nguồn gián tiếp như sóng siêu âm, ánh sáng, bức xạ năng lượng cao, sẽ được chúng tôi trình bày ở các phần sau

Việc sử dụng nhiệt trong điều trị rất hữu ích, tuy nhiên nhiệt độ tối đa an toànkhoảng 45°C Bởi vì nhiệt độ cao có thể làm biến tính protein, qua đó làm cho tổ chức

tế bào bị phá hủy, đông kết và tiêu diệt tế bào Đặc điểm này là cơ sở của phươngpháp tiêu diệt tế bào ung thư bằng nhiệt độ Tế bào ung thư có thể bị phá hủy ởnhiệt độ khoảng 45oC do protein bị biến tính [76, 118] Do đó, chúng có thể tiêudiệt khối u ung thư mà không ảnh hưởng các tế bào khỏe mạnh lân cận

1.1.2 Ảnh hưởng sóng âm lên cơ thể sống

Sự tác động của sóng âm lên cơ thể sống cũng gây nên những ảnh hưởng tới cácquá trình vật lý, hóa học và biến đổi sinh học [2, 6, 7] Sóng âm có thể phân thành baloại, sóng hạ âm (tần số nhỏ hơn 20 Hz), sóng siêu âm (tần số lớn hơn 20000 Hz) vàsóng âm nghe được (tần số từ 20 – 20000 Hz) Siêu âm là do sự dao động của tinh

Tác dụng cơ học

Tác dụng nhiệt

Hình 1.2 Sơ đồ minh họa sự tác động của sóng âm lên cơ thể sống.

thể nằm trong đầu phát siêu âm lan truyền trong môi trường giãn nở thông qua hiệuứng áp điện nghịch [3] Tương tác của siêu âm lên cơ thể sống về cơ bản gây nêntác dụng cơ học, tác dụng nhiệt và từ đó gây nên tác dụng sinh học được minh họa ởHình 1.2 Khi sóng siêu âm truyền qua các mô, chúng làm cho các tế bào dao động.Tần số càng lớn thì các tế bào càng dao động mạnh Tác dụng đầu tiên đối với tổchức sinh học là tác dụng cơ học như là “xoa bóp vi thể”, phụ thuộc vào cường độcủa sóng siêu âm [2, 3] Sóng siêu âm truyền qua các tổ chức sinh học năng lượng

sẽ giảm dần do hiện tượng khúc xạ và tán xạ, đặc biệt là quá trình biến đổi cơ năngthành nhiệt năng Cụ thể hiện tượng “xoa bóp vi thể” tại các tổ chức sinh ra nhiệt do

ma sát [3, 6, 7] Sự sinh nhiệt trong tổ chức sinh học của siêu âm có thể có độ sâutới 8 - 10 cm [6, 7] Tác dụng cơ học và tác dụng sinh nhiệt của siêu âm dẫn đến cáctác dụng sinh học như: tăng tuần hoàn và dinh dưỡng, giãn cơ, giảm đau, chữa cácbệnh thần kinh, khớp [3, 4]

1.1.3 Tương tác ánh sáng với cơ thể sống

Ánh sáng mặt trời là nguồn năng lượng chủ yếu của cơ thể sống, nhờ đó sự sống

đã phát sinh, duy trì và phát triển Ảnh hưởng của ánh sáng lên các tổ chức sinh học tùythuộc vào bước sóng của nó [2-4, 6, 7] Tác nhân ánh sáng bao gồm ánh sáng nhìn thấy,

sáng này là dựa vào bước sóng Theo Plank, ánh sáng là những hạt chuyển động gọi

là photon Ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt, được truyền đi với vận tốc rất lớn cỡ 3

108m/s và mang năng lượng Độ thấm sâu lớn hay bé phụthuộc ánh sáng chiếu, màbản chất của nó là do sự khác nhau về năng lượng, từ đó dẫn tới những quá trình biểnđổi hóa học và sinh học không giống nhau Tất cả các quá trình sinh học đều liên quanđến biến đổi hóa học trước đó [2] Do vậy, phản ứng quang hóa luôn xảy ra trước phảnứng quang sinh học Ánh sáng khi chiếu vào cơ thể sống qua da có thể được hấp thụ,tán xạ hay khúc xạ Nhưng chỉ có ánh sáng nào được hấp thụ thì mới gây biến đổiquang sinh học Sự tác động của ánh sáng lên cơ thể sống có thể gây nên các phản ứngsinh lý chức năng, tức là các phản ứng tạo ra những sản phẩm cần thiết cho tế bào hay

cơ thể để thực hiện những chức năng sinh lý bình thường của chúng, ví dụ như phảnứng sinh tổng hợp sắc tố và vitamin [2, 3]; hay cũng có thể là các phản ứng phá hủy,biến tính gây nên các tác hại ảnh hưởng đến hoạt động của tế bào, ví dụ như liệu phápđiều trị bằng hiệu ứng quang nhiệt [2, 7] Đây là một trong những cơ sở vật lý đangđược nghiên cứu chữa bệnh trong y học hiện đại

1.1.4 Ảnh hưởng bức xạ ion hóa lên cơ thể sống

Tác dụng của bức xạ ion hóa lên cơ thể sống xảy ra từ cấp độ phân tử đến tế bào[2, 3] Những bức xạ có năng lượng đủ lớn phá hủy các liên kết hóa học, các điện tử bật

ra khỏi các nguyên tử, tạo ra các ion có hoạt tính cao gọi là bức xạ ion hóa Khi đi quamôi trường vật chất, tùy thuộc vào bản chất của môi trường nó sẽ làm ion hóa môitrường đó thông qua cơ chế tác dụng trực tiếp hay cơ chế tác dụng gián tiếp do đó làmthay đổi cấu trúc hóa học của các đối tượng vật chất trong môi trường đó [2] Bức xạion hoá làm biến tính về mặt hình thái cũng như sinh lý của acid nucleic, ví dụ gây pháhủy cấu trúc không gian của phân tử DNA như đứt chuỗi polynucleotid, đứt liên kếtphosphodieste và tạo ra các mối liên kết hóa học mới thông qua hiện tượng kết hợpchéo (cross linking) Bức xạ ion hoá ảnh hưởng tới hoạt động chức năng và đời sống tếbào, chẳng hạn sau khi chiếu xạ hoạt tính của các enzym trong nguyên sinh chất tănglên một cách đáng kể, kết quả là các phản ứng nội bào tăng lên, sự chuyển hóa bị rối

tiếp xảy ra như là kết quả của quá trình ion hóa nước, hình thành các gốc tự do đặc biệt

là các gốc hydroxyl, sau đó gây tổn thương DNA Các tổn thương gây cho DNA của tếbào ung thư sẽ tích tụ lại và khiến chúng chết hoặc sinh sản chậm hơn [2, 7]

1.2 Tiềm năng ứng dụng công nghệ nano trong chẩn đoán và điều trị

Các kỹ thuật chẩn đoán ung thư bằng hình ảnh phổ biến hiện nay là chụp Xquang, siêu âm, CT và MRI [7] Tất cả các phương thức này đều không chẩn đoánđược bệnh ở giai đoạn sớm Thông thường, các kỹ thuật này phát hiện ung thư khi

nó đã trở thành một thực thể vật lý có thể nhìn thấy, kích thước khoảng 1 cm3 và tạithời điểm đó khối u đã chứa khoảng 1 tỷ tế bào ung thư Lúc này bệnh đã phát triển

ở những giai đoạn cuối, rất khó điều trị, cơ hội sống cho người bệnh rất thấp Gầnđây, công nghệ nano đang ngày càng quan tâm đến các lĩnh vực y học và sinh lýhọc, ví dụ nó có thể hỗ trợ chẩn đoán bệnh ở giai đoạn đầu [12, 119, 129] Ứngdụng của nó có thể cải thiện về chẩn đoán và điều trị bệnh Kỹ thuật chụp ảnh phân

tử (Molecular imaging) hỗ trợ công nghệ nano đã được thực hiện trong tất cả cácphương thức hiện ảnh bao gồm X quang, siêu âm, CT, MRI và hình ảnh hạt nhân[12, 116, 125] Mặc dù tiềm năng ứng dụng của công nghệ nano là đáng kể, nhưngvẫn còn nhiều thách thức cần phải được giải quyết trước khi nó được chấp nhận sửdụng trong lâm sàng thường quy

chụp ảnh phân tử Hạt nano có thể xác định mục tiêu mong muốn bằng các tươngtác sinh học đặc hiệu, chẳng hạn như kháng nguyên kháng thể, lai axit nucleic vàbiểu hiện gen [66].

1.2.1.1 Kỹ thuật X - quang

Trong kỹ thuật X - quang người ta thường sử dụng một tác nhân tương phảnliên kết với các mô sống để theo dõi một quá trình sinh lý cụ thể Tác nhân tươngphản này giống chất cản từ trong chụp MRI hoặc các chất phát huỳnh quang, GNPkết hợp với Gd, nâng cao hiệu quả chẩn đoán [161] Tuy nhiên, các tác nhân tươngphản đang được sử dụng hiện nay như iốt có một số nhược điểm như thời gian lưuthông máu thấp Bên cạnh đó, hạt nano được cho là có nhiều ưu điểm hơn so với cácchất tương phản thông thường như khả năng hấp thụ tia X cao, tăng khả năng tươngtác với các thụ thể của tế bào ung thư [129] và kéo dài thời gian lưu thông máu,cung cấp thời gian chụp ảnh lâu hơn Do đó có thể nói hạt nano sẽ đóng một vai tròquan trọng trong tương lai của chẩn đoán y tế nhờ giúp việc chẩn đoán bệnh chínhxác hơn Hạt nano giúp phát hiện khối u thông qua liên kết giữa các phối tử trên bềmặt hạt nano với chất đánh dấu sinh học Việc xác định các phối tử thích hợp liênkết với chất đánh dấu sinh học ung thư vẫn là một thách thức quan trọng nên hiệnnay đang thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu

1.2.1.2 Kỹ thuật siêu âm

Kỹ thuật siêu âm dựa trên nguyên lý tiếp nhận tín hiệu của sóng phản hồi.Trong quá trình siêu âm, các tinh thể trong đầu dò phát ra các sóng siêu âm truyềnvào trong cơ thể Khi xuyên qua các môi trường có mật độ khác nhau như các mô,xương, chất lỏng hay không khí thì một phần sóng âm có thể bị hấp thụ và bị phản

xạ Các đầu dò thu nhận tín hiệu phản hồi của sóng âm, kết hợp với kỹ thuật xử lýhình ảnh của máy tính sẽ tạo nên hình ảnh siêu âm [3, 4] Hiện nay, hạt nano đãđược sử dụng trong các thiết bị siêu âm chẩn đoán Chẳng hạn như, khi dùng quansát gan chuột mô hình và gan chuột sống trong nghiên cứu in vivo, nano rắn đượcdùng trong các đầu dò siêu âm để làm tăng cường hình ảnh siêu âm bậc xám [96]

1.2.1.3 Kỹ thuật MRI

Kỹ thuật MRI là một kỹ thuật không xâm lấn và không sử dụng bức xạ, điềunày giúp nó trở thành một công cụ chẩn đoán có tính an toàn cao Kỹ thuật này hiệnnay dựa vào trạng thái kích thích và hồi phục của các proton, tín hiệu được xác địnhdựa vào khoảng thời gian nghỉ của các proton hydro trong phân tử nước, sử dụngthêm các loại chất tương phản từ, rút ngắn thời gian nghỉ của các proton nhằm mụcđích tăng cường tín hiệu [7] Tuy nhiên, các tín hiệu thu được thường yếu và điềunày làm cho việc phát hiện khối u trở nên khó khăn Gần đây, các hạt nano từ tính

đã được sử dụng để thu nhận tín hiệu phát hiện các phân tử sinh học khác nhau vàgiúp dễ dàng xác định vị trí của các tế bào ung thư [43, 84] Đối với mục đích chẩnđoán, chúng được sử dụng trong MRI là tác nhân tăng cường độ tương phản chomục đích chẩn đoán ung thư, chụp ảnh phân tử được nhắm mục tiêu (targeted), pháthiện sự hình thành mạch máu, quá trình apoptosis và biểu hiện gen [15, 49, 70, 127,166] Các tác nhân tương phản MRI đòi hỏi sự hồi phục của proton phải được thayđổi và phải có khả năng làm nhiễu loạn từ trường xung quanh proton Năm 2012,Shilo và cộng sự đã cho thấy trường nhiễu trong MRI của một hạt siêu thuận từ gấp

50 lần đường kính của nó, gây ảnh hưởng đến proton trong nước ở một số lớp tế bàoxung quanh vị trí của nó [129]

1.2.1.4 Kỹ thuật PET/SPECT

Đây là một kỹ thuật chẩn đoán y học hạt nhân, nó bổ sung rất tốt cho việc chẩnđoán bệnh bằng tia X và cộng hưởng từ Kỹ thuật này dựa trên nguyên lý đánh dấuphóng xạ [7] Các hạt nano đồng vị phát xạ có thể giải mã các quá trình sinh học mộtcách không xâm lấn, chẳng hạn như mức độ hấp thụ của khối u và độ hoạt động củaenzyme khối u đang phát triển [119]; ví dụ, các hạt nano oxit kim loại đã được sử dụngrộng rãi để xây dựng các đầu dò hình ảnh PET Carlos sử dụng chúng để kích hoạt cáchạt nano oxit nhôm (Al2O3) làm giàu 18O bằng cách chiếu xạ với các proton để tạo racác hạt nano có 18F thông qua phản ứng hạt nhân 18O (p, n) 18F

1.2.1.5 Kỹ thuật CT

Kỹ thuật chẩn đoán CT dựa vào lượng hóa suy giảm của tia X sau khi đi qua

cơ thể để tạo hình ảnh nhờ vào hệ thống máy tính [7] Để nâng cao chất lượng hìnhảnh phải sử dụng các tác nhân tương phản CT, nhưng nó lại thiếu khả năng khuếchđại cho nên phải cần một lượng rất lớn nồng độ chất này khi chụp Tuy nhiên, cáctác nhân tương phản hạt nano có thể khuếch đại độ tương phản, điều này sẽ chophép giảm tiếp xúc bức xạ tương đối cao của CT Do đó, các tác nhân tương phản

CT thế hệ mới, ví dụ như vàng và bitmut, có tiềm năng lớn không chỉ vì khả năngtạo ra độ tương phản cao hơn các chất tương phản như là iốt thông thường, mà còn

có khả năng làm giảm tiếp xúc bức xạ tổng thể cho bệnh nhân GNP có thể tăngcường khả năng hiển thị của các khối u vú xen kẽ ở chuột, khả năng nhắm mục tiêukhối u hoạt động (với kháng thể kháng Her2) hiệu quả hơn 1,6 lần so với nhắm mụctiêu thụ động Hainfeld cũng chứng minh rằng sự hấp thu cụ thể của các GNP trongngoại vi khối u là cao hơn 22 lần so với trong cơ xung quanh [45]

1.2.2 Trong điều trị

Một trong những ứng dụng công nghệ nano quan trọng nhất là việc sử dụng hạtnano trong điều trị, dựa vào ưu thế của nó là khả năng tăng cường hoặc cải thiện việccung cấp liệu pháp trúng đích [61, 125] Xu hướng được quan tâm nhất là sử dụng hạtnano trong điều trị ung thư Nhiều bệnh nhân điều trị ung thư sau một vài năm bị táiphát trở lại Việc tái phát và khối u lan rộng thường là do các tế bào gốc ung thư có thểkháng thuốc Các phương pháp điều trị ung thư kết hợp với hạt nano đã có nhiều tiếntriển đầy hứa hẹn Hiện nay các nhà nghiên cứu đã thiết kế các hạt nano nhắm mục tiêu

cụ thể các tế bào này để cung cấp một loại thuốc đặc hiệu Wilson và cộng sự đã dùngcác hạt nano được nhắm mục tiêu thụ động đến khối u ác tính sử dụng peptide RGDcyclic hoặc peptide từ virus myxoma để phát hiện ung thư [122] Lai và cộng sự đã sửdụng GNP làm tác nhân hình ảnh đa phương thức để quan sát u não [73] Kết quảkhông chỉ xác định glioma mà còn theo dõi sự phát triển của glioma theo thời gian vàquan trọng nhất là tiết lộ đầy đủ chi tiết của khối u liên quan vi

mạch Lai đã quan sát thấy sự rò rỉ của GNP từ các mạch máu có liên quan đến khối

u, còn mạch máu bình thường không thấy có rò rỉ

Liệu pháp chính trong chiến lược điều trị ung thư hiện nay là xạ trị, phẫuthuật và hóa trị liệu [61, 125] Các liệu pháp này thường điều trị không triệt để, khối

u có thể phát triển tiếp và dẫn tới di căn do sự kháng thuốc của tế bào Xạ trị đòi hỏiviệc cung cấp các bức xạ ion hóa cường độ cao với độ chính xác cao đến các khối u

để tiêu diệt tế bào khối u Xạ trị có nhược điểm là có khả năng gây tổn thương chocác mô bình thường xung quanh Một bất lợi nữa là một số tế bào khối u cách xa vịtrí bức xạ xa hơn và do đó có thể nhận được cường độ tia xạ thấp hơn Hơn nữa, các

tế bào có thể phát triển sức đề kháng với bức xạ Thông thường độ nhạy của các tếbào tại khối u cao hơn một chút so với mô khỏe mạnh xung quanh, do đó liều tốithiểu của bức xạ đủ để tiêu diệt khối u nhưng không giết mô bình thường Tuynhiên, sự kháng thuốc của các tế bào tại các khối u ngày càng tăng nên nó càng đòihỏi bức xạ liều lượng cao hơn bình thường, cuối cùng dẫn đến phá hủy các mô khỏemạnh Mục đích của xạ trị là chọn lọc tối đa hóa để phá hủy khối u và làm giảmnhững tác động ảnh hưởng trực tiếp đến các mô khỏe mạnh [12, 61, 73, 125]

Việc sử dụng hạt nano hạn chế tác dụng bức xạ tổng thể cho bệnh nhân, đồngthời nâng cao hiệu quả và độ an toàn của xạ trị [72] Chẳng hạn như sử dụng GNP gắnvới kháng thể Her2 làm tăng khả năng nhắm mục tiêu tới khối u cao hơn 1,6 lần so vớinhắm mục tiêu thụ động [17], điều này đồng nghĩa với việc giảm liều tác dụng tổng thểcho bệnh nhân Khả năng nhắm mục tiêu cao giúp tăng cường cung cấp thuốc đến đích

và hiệu suất vận chuyển thuốc cao hơn, vừa tăng cường hiệu quả sử dụng thuốc vừahạn chế thuốc tràn lan khắp cơ thể không cần thiết Brivio và cộng sự đã chứng minhviệc sử dụng tia X kết hợp với GNP trong điều trị sẽ làm giảm một nửa liều xạ trị theoquy định so với khi không có GNP [17] Kích thước các hạt đã được khảo sát trongkhoảng 3 - 50 nm và họ kết luận rằng các hạt kích thước 13 nm là tối ưu cho ứng dụngkép Một số nhà khoa học đã nghiên cứu sử dụng GNP cho các loại ung thư cụ thể.Năm 2015, Irani và cộng sự cho thấy rằng có sự tăng cường bắt giữ các tế bào ung thưđại trực tràng khi điều trị kết hợp với plasma lạnh [58] Trong điều

trị ung thư ở đầu và cổ, Popovtzer và cộng sự đã chứng minh tăng cường hiệu suấtphá hủy tế bào bệnh khi dùng sóng vô tuyến kết hợp liên hợp GNP gắn kết với một

số loại thuốc [123] Ngoài ra, ứng dụng của GNP trong điều trị trúng đích thông quaviệc gắn với các ligan và liệu pháp quang nhiệt đang được quan tâm nghiên cứu rấtnhiều [12, 24, 116, 125, 145]

Liệu pháp quang nhiệt là một liệu pháp tiềm năng trong điều trị ung thư, sửdụng năng lượng photon được chuyển đổi thành nhiệt để tiêu diệt các tế bào hay pháhủy cấu trúc của nó, không ảnh hưởng những tế bào lành lân cận [54] Đây là mộtliệu pháp ít xâm lấn và có thể khắc phục một số tác dụng phụ của các liệu pháptruyền thống, do nhiệt tạo ra tập trung cục bộ tại mô tế bào bệnh, nên đang rất đượcquan tâm nghiên cứu Nguyên lý của phương pháp là tiêm hạt nano vàng vào đườngtĩnh mạch để làm chất đánh dấu và tập trung năng lượng nhiệt, sau đó sử dụng ánhsáng laser hồng ngoại gần có bước sóng nằm trong khoảng 650 - 900 nm, vì ởkhoảng cách này, cửa sổ minh bạch sinh học cung cấp độ sâu thâm nhập mô tối đakhoảng 10 cm Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt của GNP tạo ra một trườngđiện từ mạnh trên bề mặt hạt, do đó tăng cường tất cả các đặc tính bức xạ như hấpthụ và tán xạ [54] Điện trường mạnh làm cho các electron trên bề mặt GNP bị kíchthích và sẽ cộng hưởng với nhau, nhờ có GNP sẽ kích thích tạo nhiệt lên khoảng 41o

C đến 47 oC trong vòng 1 ps (1 phần 1 tỷ của giây) Ở khoảng nhiệt độ này các tếbào ung thư sẽ bị phá hủy Phương pháp này dùng quang năng chuyển hóa thànhnhiệt năng tập trung cục bộ tại một vùng đã được định sẵn để tiêu diệt các tế bàobệnh, phá hủy cấu trúc các tế bào bệnh, làm cho bệnh không lây lan [76]

Hình 1.3 Sơ đồ điều trị ung thư liệu pháp quang nhiệt plasmon phân phối GNP tới

các tế bào ung thư [54].

Trong điều trị ung thư bằng liệu pháp quang nhiệt, GNP nhờ có hiệu ứngplasmon hấp thụ mạnh ánh sáng, năng lượng photon chuyển đổi thành nhiệt nhanh

và hiệu quả [54] So với liệu pháp trị liệu ung thư thông thường, liệu pháp quangnhiệt làm giảm 10 - 25 lần liều lượng chất cảm quang indocyanine khi chiếu cùnghiệu suất laser để gây tổn thương lên các tế bào bệnh Jain và cộng sự đã tiến hànhthực nghiệm sử dụng NIR liên tục với bước sóng 800 nm kết hợp GNP dạng thanhhay các cấu trúc lõi vỏ vàng/silica, kết quả chỉ ra rằng liều quang nhiệt tiêu diệt tếbào ung thư khoảng 10 W/cm2 [60, 61] Nhóm Yasuro sử dụng liên hợp nano vàngdạng thanh gắn phân tử thuốc kết hợp chiếu xạ laser công suất 30 J/cm2, kết quả các

tế bào ung thư đã bị phá hủy và màng tế bào ung thư bị phồng rộp [112]

Hiện nay liệu pháp quang nhiệt vẫn đang được nghiên cứu rất phổ biến vớimong muốn thử nghiệm lâm sàng và hiệu quả tốt trên cơ thể người Một số vấn đề đặt

ra cần giải quyết và làm rõ đó là năng lượng mà tế bào nhận được thông qua việctruyền năng lượng tương tác giữa các hạt nano và tế bào; tăng cường được tín hiệuhuỳnh quang để chẩn đoán bệnh ở giai đoạn sớm Luận án này chúng tôi sẽ làm rõ các

cơ chế truyền năng lượng vào kích thước GNP và sự phụ thuộc cường độ huỳnh

quang vào nồng độ GNP, nhằm cung cấp thêm cơ sở vật lý trong điều trị và chẩnđoán bệnh Hơn nữa, vật liệu nano dùng trong y học cần phải hạn chế tối đa độc tínhlên tế bào Đồng thời, phương pháp chế tạo vật liệu nano phải sạch, hạn chế lẫn tạpchất có độc tính, tức là một phương pháp chế tạo thân thiện Phần này sẽ đượcchúng tôi trình bày cụ thể ở chương tiếp theo.

Kết luận chương 1

Trong chương này chúng tôi đã trình bày về mối liên quan của bốn đại lượngvật lý và tác động sinh học của chúng lên cơ thể sống, ứng dụng vật liệu nano trongchẩn đoán và điều trị Luận án chỉ ra rằng

- Một hiệu ứng chung của tất cả các yếu tố vật lý nhiệt độ, sóng âm, ánh sánghay bức xạ là hiệu ứng nhiệt, tức là tạo nhiệt lượng Đó là một trong những cơ sởvật lý cho các phương pháp chữa bệnh hiện đại và các phương pháp tiềm năng;

- Sự kết hợp các phương pháp chẩn đoán hiện đại với hạt nano đã cho thấynhững ưu điểm trong chẩn đoán Với đặc điểm về kích thước, hình dạng, diện tích bềmặt lớn và các đặc tính quang học độc đáo, ưu việt nhất của hạt nano là có thể hướngthuốc hoặc tác nhân chữa bệnh đến tế bào đích (khối u) và không giới hạn độ sâu thâmnhập mô, kéo dài thời gian lưu thông máu, cung cấp thời gian hiện ảnh lâu hơn; làmgiảm nồng độ các chất tương phản trong tạo ảnh gấp 10 - 25 lần, đồng nghĩa với việctiết kiệm kinh phí và giảm mức độ ảnh hưởng của hóa chất lên bệnh nhân;

- Việc kết hợp một số phương pháp điều trị hiện đại với hạt nano cho thấynhiều ưu điểm trong điều trị, chẳng hạn không gây tác dụng phụ với liều lượng chophép, giảm nồng độ thuốc hóa chất hay hàm lượng bức xạ ion cho cơ thể ngườibệnh Ví dụ như liệu pháp quang nhiệt, là liệu pháp không xâm lấn, sử dụng bướcsóng laser hồng ngoại gần mà không sử dụng bức xạ ion hóa, hạn chế tác dụng phụcho người bệnh

CHƯƠNG 2 CHẤM LƯỢNG TỬ CARBON VÀ TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG

TRONG CHẨN ĐOÁN VÀ ĐIỀU TRỊ

Chương này sẽ trình bày về công nghệ chế tạo, đề xuất một phương pháp chếtạo chấm lượng tử carbon thân thiện với môi trường dựa trên tương tác plasma -chất lỏng, tiếp theo đề cập đến các tính chất vật lý và tiềm năng ứng dụng của chấmlượng tử carbon Đồng thời chúng tôi khảo sát, phân tích các kết quả về tính chấtquang huỳnh quang, hấp thụ của chúng và từ đó đề xuất hướng ứng dụng của vậtliệu này trong lĩnh vực y sinh

2.1 Chấm lượng tử carbon

Hơn ba thập kỷ qua, chấm lượng tử (QD) bán dẫn với các tính chất hóa lýđộc đáo đã có nhiều nghiên cứu về mặt cơ bản và đặc biệt được ứng dụng trong cáclĩnh vực khoa học kỹ thuật Chẳng hạn chế tạo cảm biến hóa học trong nghiên cứu

in vivo [50, 158, 172], cảm biến sinh học [103, 173], đánh dấu sinh học [97, 105], y

học nano trong điều trị [19, 67], quang xúc tác [138, 147], điện hóa [65, 159] Tuynhiên trong các loại vật liệu chấm lượng tử bán dẫn phổ biến hiện nay đều có mặttiền chất kim loại Cd Đây là loại vật liệu khá độc hại, có thể gây ra những tổn hại

đến sức khỏe con người và môi trường xung quanh [65, 78] Hơn nữa, trong in vitro

ở mức tế bào người ta thấy các ion Cd2+ gây ra tổn thương nặng hoặc gây chết của

tế bào gan Nhiều nghiên cứu đã tìm cách khắc phục điều này bằng cách chế tạo cáccấu trúc nano lõi/vỏ sử dụng các vật liệu vỏ từ các hợp chất chứa Zn2+ hay polimebọc bên ngoài, tuy nhiên đây cũng không phải là một sự lựa chọn tối ưu [32] Vì thếviệc tìm kiếm và lựa chọn các loại vật liệu nano an toàn và có các tính chất hóa lýphù hợp cho các ứng dụng, đặc biệt trong các lĩnh vực y sinh vẫn đang là vấn đề cấpthiết cho các nhà nghiên cứu trên thế giới

Năm 2004, CQD lần đầu được phát hiện một cách ngẫu nhiên bởi Xu và cáccộng sự trong quá trình làm sạch thành ống nano carbon [157] Những phát hiện này

đã tạo tiền đề cho việc nghiên cứu rộng rãi để khai thác các đặc trưng huỳnh quangcủa CQD như được thể hiện ở Hình 2.1 [110] Các kết quả bước đầu đã thúc đẩy vật

Nhiều nhóm nghiên cứu đã tìm cách cải thiện về mặt công nghệ chế tạo và cũng đãthu được nhiều kết quả khá triển vọng về những đặc trưng, tính chất cũng nhưnhững tiềm năng ứng dụng của nó [13] CQD có những tính chất hóa lý nổi trội, kháthân thiện với môi trường và được hứa hẹn có thể thay thế cho các chấm lượng tửbán dẫn đang được nghiên cứu rất phổ biến [13, 19] CQD có những tính năng nổibật nhờ vào thành phần và cấu trúc khá đa dạng: hầu như các gốc carboxyl ở bề mặtnên có thể phân tán tốt trong nước, khả năng tương thích sinh học cao, độ ổn địnhhoá học cao, không độc hại và dễ dàng chế tạo với giá thành khá thấp Do đó CQD

có tiềm năng ứng dụng trong việc đánh dấu sinh học, quang xúc tác, truyền nănglượng, quang điện tử và cảm biến [83] CQD có dải hấp thụ quang rộng, thường hấpthụ mạnh ở vùng tử ngoại, yếu hơn ở vùng nhìn thấy và phát xạ ở vùng nhìn thấy[137] Chính tính chất độc đáo này cho thấy CQD có thể được lựa chọn để trở thànhcông cụ quang học hữu ích Tuy nhiên cho đến nay, cả về mặt thực nghiệm chế tạoCQD và các lý giải về cơ chế phát quang hay những ứng dụng của CQD trong lĩnhvực y sinh vẫn đang là vấn đề còn rất nhiều tranh luận giữa các nhà nghiên cứu trênthế giới [85, 100, 137, 175]

Năm 1991 và 1993, Ống nano Carbon đơn

tường và ống nano carbon đa tường.

Năm 1983,

nano kim cương

Năm 2004, chấm lượng tử

Năm 2004 và 2006, Graphene

tử và cảm biến [83] CQD có dải hấp thụ quang rộng, thường hấp thụ mạnh ở vùng

tử ngoại, yếu hơn ở vùng nhìn thấy và phát xạ ở vùng nhìn thấy [137] Chính tínhchất độc đáo này cho thấy CQD có thể được lựa chọn để trở thành công cụ quanghọc hữu ích Tuy nhiên cho đến nay, cả về mặt thực nghiệm chế tạo CQD và các lýgiải về cơ chế phát quang hay những ứng dụng của CQD trong lĩnh vực y sinh vẫnđang là vấn đề còn rất nhiều tranh luận giữa các nhà nghiên cứu trên thế giới [85,

Tuy nhiên các CQD chế tạo bằng các kỹ thuật trên vẫn chưa được tối ưu cho cácứng dụng y sinh Để cải thiện một cách tối ưu hơn về tính chất huỳnh quang (PL), tăng

độ phân tán trong nước, điều khiển cấu trúc tinh tế của CQD người ta thường chứcnăng hóa hay thụ động hóa bề mặt bằng các phân tử hữu cơ, polyme hoặc pha tạpnhững nguyên tố không có thành phần carbon như B, N, P, S, nguyên tố kim loại

trong quá trình chế tạo [28,127,151,177,183] Các bước tiến hành thụ động hóa bềmặt hoặc pha tạp cho các CQD trong phương pháp chế tạo “từ trên xuống” thườngđược thực hiện riêng biệt, trong phương pháp “từ dưới lên" có thể được thực hiệnliên tiếp trong một bước duy nhất [26,97,159].

Trong công nghệ chế tạo CQD có ba vấn đề chính cần được lưu ý Thứ nhất

là sự kết đám carbon trong quá trình carbon hóa, điều này có thể được cải thiệnbằng cách sử dụng các kỹ thuật tổng hợp điện hóa, nhiệt phân, thủy phân Thứ hai làđiều khiển kích thước và tính đồng nhất rất quan trọng đối với các nghiên cứu tínhchất và các đặc trưng cơ bản Thứ ba là đặc trưng bề mặt rất quan trọng cho khảnăng hòa tan và các ứng dụng được lựa chọn, có thể được tối ưu hóa sau xử lý bằngcách điện di keo, ly tâm, lọc hay chức năng hóa, thụ động hóa Nhìn chung hầu hếtcác phương pháp tổng hợp CQD cho đến nay vẫn có những ưu nhược điểm khácnhau có thể tóm tắt như Bảng 2.1

Bảng 2 1 Tóm tắt ưu nhược điểm của các phương pháp chế tạo CQD [110]

Được tiếp cận nhiều nhất, dẫn Điều kiện chế tạo nghiêmxuất từ nhiều nguồn tiền chất đa ngặt, quy trình tác động

bằng nhiều bước, điều khiểnkích thước khó khăn

Kích thước và cấu trúc nano có Ít các tiền chất phân tử nhỏ

Điện hóa thể điều khiển được, ổn định,

quy trình thực hiện có thể thựchiện liên tiếp một bước

Thực hiện nhanh, hiệu quả, có Hiệu suất lượng tử huỳnh

Cắt laser thể điều chỉnh được các trạng quang (PLQY) tương đối

thái bề mặt thấp, khó kiểm soát kích