Luận án tiến sĩ vật lý một số cơ sở vật lý của việc ứng dụng vật liệu nano trong y học hiện đại

Các tác nhân quang nhiệt bao gồm vật liệu nano carbon, GNP hoặc chất màu hữu cơ được nghiên cứu và ứng dụng nhiều trong y học như là làm chất đánh dấu sinh học, chẩn đoán và điều trị bện

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

Hà Nội – 2019

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

Hà Nội - 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu và kết 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 bố trong bất cứ luận án nào khác

Tác giả luận án

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới cố GS TSKH Nguyễn Ái Việt, là người thầy “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 đã nhiệt 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 Đại học Sư phạm 2, Phòng Đào tạo Sau Đại học, các thầy cô trong Khoa Vật lý đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi làm luận án Tôi cũng xin cảm ơn Đại học Huế, Ban Giám hiệu Trường Đại học Y Dược, các thầy cô đồng nghiệp tại Khoa Cơ bản đã động viên và tạo mọi 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 bè tại Viện Vật lý và nhóm nghiên cứu đã hết lòng giúp đỡ và chia sẻ với tôi trong thời gian làm luận án

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

1

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

2.2.2 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

3.2.3.1 Lý thuyết thống nhất về truyền năng lượng 83

3

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

: 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 : hiển vi điện tử truyền qua

5 UV-vis : vùng ánh sáng nhìn thấy

6

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 2.13 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

9

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 d x i( , , )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)

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

10

MỞ ĐẦU

Nhiều phương pháp chữa bệnh trong y học hiện đại có mối liên hệ mật thiết với các phương pháp vật lý như liệu pháp quang nhiệt, quang động lực hay xạ trị kết hợp với hạt nano vàng (GNP) Các phương pháp này đều dựa vào hiệu ứng nhiệt để tiêu diệt các tế bào bệnh [134, 162] Bản thân GNP nhờ có hiệu ứng plasmon bề mặt nên hấp thụ và chuyển hóa các tác nhân bên ngoài như ánh sáng và bức xạ thành nhiệt 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 cơ được 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 sự chứng minh tỷ lệ phần trăm tử vong của tế bào phụ thuộc tuyến tính vào sự thay đổi cường

độ huỳnh quang trong liệu pháp quang nhiệt [132] Bên cạnh đó, để hỗ trợ việc ứng dụng vật liệu nano trong cơ thể sống chúng ta cần sử dụng các phương pháp chế tạo

ra các vật liệu nano lành tính Từ những lý do trên trong luận án này chúng tôi muốn tập trung nghiên cứu lý thuyết về cơ chế truyền năng lượng huỳnh quang (Resonance energy transfer - RET) của GNP và giới thiệu một phương pháp thực nghiệm chế tạo chấm lượng tử carbon (carbon quantum dots - CQD) an toàn với 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, các hoạt động và sự tồn tại của cơ thể sống đều liên quan tới sự thay đổi và cân bằng năng lượng trong phức hệ “cơ thể sống - môi trường” Để hiểu và đánh giá được mối liên hệ chặt chẽ của phức hệ này, làm cơ sở cho việc ứng dụng vật lý trong y học thì những nền tảng về yếu tố sinh học là rất quan trọng [7] Chẳng hạn như tương tác của ánh sáng, tương tác của sóng siêu âm, tương tác bức xạ ion hóa, tương tác nhiệt độ trên các đối 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 đổi quang sinh học Tương tác của bức xạ ion hóa gây nên những thay đổi từ mức độ phân tử đến tế bào, tùy thuộc vào độ lớn năng lượng Có thể thấy rằng tương

163, 165] Đặc biệt nổi bật là vật liệu GNP nhờ các tính chất hấp thụ quang học rất tốt, hiệu ứng plasmon bề mặt, đỉnh phát xạ cộng hưởng nằm trong vùng 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 pháp chế tạo các vật liệu nano ứng dụng trong y sinh [1, 14, 22, 30, 41, 82, 98, 128] Mỗi phương pháp chế tạo đều có ưu điểm riêng nên tùy theo mục đích mà người ta lựa chọn phương pháp thích hợp Để đưa vào ứng dụng trên cơ thể sống thì vật liệu chế tạo phải đảm bảo an toàn, đồng thời phương pháp chế tạo phải “thân thiện” tức là không sử dụng 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 trình phức tạp, thường sử dụng các tiền chất và các dung môi tạo môi trường phản ứng có tính độc hại cho cơ thể sống (như H2SO4 hay NaOH đậm đặc), thời gian chế tạo kéo dài, nhiệt độ cao, tiêu hao nhiều năng lượng và cần xử lý làm sạch các sản phẩm phụ sau 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 mẫu lại mất nhiều thời gian Ở Việt Nam cũng có một số nhóm nghiên cứu mạnh về chế tạo vật liệu nano và ứng dụng trong y sinh [8, 142] Hiện nay các vật liệu nano dùng trong đánh dấu sinh học thường sử dụng Cadimi Vật liệu này bị hạn chế trong nghiên cứu y sinh 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

12

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 là việc lựa chọn phương pháp chế tạo CQD Ngoài việc lựa chọn phương pháp chế tạo CQD sao cho đảm bảo an toàn cho cơ thể sống thì việc lựa chọn phương pháp thân thiện 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

về plasma [59] Năm 2013, Akolkara và Sankarana ứng dụng quy trình tương tác giữa plasma và chất lỏng [9], dựa trên hiện tượng điện phân để chế tạo vật liệu nano Gần đây phương pháp vật lý dựa vào tương tác plasma - chất lỏng dùng chế tạo vật liệu nano đang khá được quan tâm nghiên cứu Phương pháp này có nhiều ưu điểm so với phương 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 phản ứng cũng như chất xúc tác Phương pháp này hoàn toàn không sử dụng hóa chất độc hại, không làm phát sinh độc tính trong tương tác tạo ra vật liệu nano So với các phương pháp chế tạo vật liệu nano thông thường, thì phương pháp chế tạo dựa trên tương tác plasma - chất lỏng có thể tạo ra vật liệu “sạch” hơn nên có thể dễ dàng dùng trong y tế Do vậy trong luận án này chúng tôi tập trung nghiên cứu áp dụng phương pháp chế tạo vật liệu dựa trên tương tác plasma - chất lỏng trong việc chế tạo CQD, làm tiền đề cho các nghiên cứu ứng dụng trong y sinh Bên cạnh đó, chúng tôi cũng nghiên cứu GNP - một cấu trúc đang được nghiên cứu và ứng dụng nhiều trong chẩn đoán và điều trị với các tính chất độc đáo như hiệu ứng plasmon, ít độc tính, ái lực mạnh với các phân tử sinh học

Một trong những vấn đề quan trọng cho các ứng dụng trong y sinh đó là cơ chế truyền năng lượng Perrin đã phát hiện hiện tượng tương tác giữa các phân tử trong không gian xa hơn bán kính của chúng trong dung dịch vào năm 1912 [120] Ông giả thiết tương tác giữa phân tử chất cho và phân tử chất nhận như là tương tác giữa các lưỡng cực điện nằm gần nhau Các phân tử này được xem là giống nhau, có cùng một tần số dao động cơ bản và sẽ cộng hưởng khi ở gần nhau và chúng không

13

chạm vào nhau Quá trình truyền năng lượng cộng hưởng này được quan sát có hiệu

quả trong khoảng cách tương đương với λ/2π (λ là bước sóng của ánh sáng) Cho đến

năm 1946, Forster đưa ra lời giải thích cho hiện tượng trên bằng lý thuyết lượng tử [38, 39] Hiện tượng này đặt tên là truyền năng lượng cộng hưởng Forster (Forster resonance energy transfer - FRET) hay truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh 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 hồi phục bức xạ

và không bức xạ, nhờ sự cân bằng nhiệt giữa phân tử D được kích thích với môi trường xung quanh nó Đến năm 1948, Forster đã chứng minh tốc độ truyền năng lượng tỉ lệ 6

1 / R , trong đó R là khoảng cách giữa donor - acceptor và cho rằng giới

hạn khoảng cách truyền năng lượng từ 10 - 100 Å [36, 38, 39] Sau đó, Stryer và Haugland [47, 135] đã chứng minh bằng thực nghiệm quy luật tốc độ truyền năng lượng tỉ lệ với 6

1 / R Tiếp theo đó các tính toán lý thuyết của Forster về mối liên hệ của hiệu suất truyền năng lượng và sự chồng chập phổ của D và A cũng được chứng minh bằng thực nghiệm [47] Năm 1982, Persson và Lang đưa ra lý thuyết truyền năng lượng giữa phân tử huỳnh quang và bề mặt kim loại, dự đoán năng lượng của quá trình này phụ thuộc tỉ lệ với 1 / R4 [121] Năm 2005, Yun và cộng sự đã kiểm chứng lý thuyết này bằng thực nghiệm truyền năng lượng giữa GNP và chất huỳnh 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 được Coulomb đề xuất năm 1785 [26] cho rằng năng lượng tương tác tỉ lệ với 2

1 / R Năm 2004, Wong và Bachi khi nghiên cứu thực nghiệm về truyền năng lượng kích thích điện tử từ một phân đoạn polyfluorene đến tetraphenylporphyrin thấy rằng năng lượng tuân theo quy luật 1 / R2 [155] Đến năm 1989, Andrews [10] dựa trên lý thuyết điện động học lượng

tử chứng minh rằng sự truyền năng lượng bức xạ và không bức xạ đều có nguồn gốc

là cộng hưởng của các dao động lưỡng cực Gần đây, năm 2004, Andrews và

14

Bradshaw [11] đưa ra giả thiết phát photon ảo để giải thích cơ chế truyền năng lượng 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 biệt trong việc chẩn đoán và điều trị ung thư, một trong những căn bệnh đang được quan tâm 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 u khi 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 liệu nano trong kỹ thuật chẩn đoán cho thấy tiềm năng trong chẩn đoán sớm bệnh ở những giai đoạn đầu, một ví dụ trong số đó là sự rò rỉ của GNP từ các mạch máu liên quan đến khối u, còn mạch máu bình thường không có rò rỉ này [14] Điều này chứng 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 ung thư là phẫu thuật, hóa trị và xạ trị Tuy nhiên, các liệu pháp này có hạn chế là điều trị không có tính chọn lọc, ngoài tiêu diệt các tế bào ung thư chúng cũng có thể tiêu diệt

cả những tế bào khỏe mạnh lân cận Do vậy các nhà khoa học luôn muốn tìm kiếm biện pháp chữa trị mới tối ưu hơn Một trong các phương pháp tiềm năng trong chữa bệnh ung 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 nhiệt cục bộ để tiêu diệt hay phá hủy cấu trúc tế bào, nhờ hiệu ứng plasmon của GNP kết hợp với 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 sáng NIR có bước sóng trên 650 nm; thứ hai, hình dạng và kích thước của GNP phải thỏa mãn điều kiện thứ nhất; thứ ba, mật độ của GNP tại khối ung thư phải

đủ cao để tạo ra lượng nhiệt cần thiết Như vậy vấn đề ảnh hưởng kích thước và nồng

độ GNP là cấp thiết đối với liệu pháp chữa bệnh này Hơn nữa, năm 2014, Guo và cộng sự đã cho thấy rằng FRET giữa oxit graphene và Cypate trong môi trường axit

có công trình ngay trong cùng một thí nghiệm vẫn không phân biệt được khi nào tính theo SET và khi nào tính theo FRET [16] Về lý thuyết thì chưa giải thích được 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 chẩn đoán và điều trị Cụ thể, nó có thể hỗ trợ giải quyết được định lượng về nhiệt tại khu vực định xứ

đủ để tiêu diệt các tế bào bệnh mà không ảnh hưởng tới tế bào khỏe mạnh lân cận, tăng cường tính năng hiện ảnh, dễ dàng phát hiện thay đổi ở mức độ phân 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 tác dụng phụ sau khi điều trị cũng như chẩn đoán bệnh chính xác trong những giai đoạn đầu, 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 kích thước 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 truyền năng 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 năng lượng [11, 26, 36, 38, 121] để đề xuất mô hình lý thuyết, sau đó đối

16

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 tôi tập trung giải quyết ba nội dung như sau Thứ nhất, chúng tôi đề xuất phương pháp chế tạo chấm lượng tử carbon, phần này được trình bày ở chương 2 Thứ hai, chúng tôi xây dựng mô hình truyền năng lượng phụ thuộc kích thước GNP Thứ ba, chúng tôi xây dựng mô hình biểu diễn sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang vào nồng độ GNP Hai nội dung sau được trình bày chi tiết trong chương 3 Từ đó chúng tôi đề xuất 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 tác plasma - 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 thực nghiệm 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 các phương 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 ý nghĩa khoa học

Luận án có sự hỗ trợ giữa thực nghiệm và lý thuyết để giải quyết vấn đề an toàn cho các ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị bệnh Đây là vấn đề đang được quan tâm nghiên cứu và kết quả của luận án sẽ cung cấp cơ sở vật lý cho một số phương pháp chữa bệnh tiềm năng cũng như phương pháp chẩn đoán hiện đại Vì vậy

đề tài mang tính khoa học cơ bản và có định hướng ứng dụng rõ ràng

Cấu trúc luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục các công trình liên quan đến luận án

đã công bố, tài liệu tham khảo và phụ lục, phần nội dung của luận án gồm ba chương

Chương 1 trình bày về tổng quan về các ứng dụng mới của vật lý trong y học hiện đại Cụ thể trong chương này chúng tôi sẽ trình bày về mối liên hệ giữa một số đại lượng vật lý và tác động sinh học cũng như một số ứng dụng công nghệ nano trong chẩn đoán và điều trị

Chương 2 trình bày về chấm lượng tử carbon và tiềm năng ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị Trong chương này chúng tôi sẽ trình bày về chấm lượng tử carbon, đề xuất phương pháp chế tạo chấm lượng tử carbon, đồng thời thảo luận các kết 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 dụng trong chẩn đoán và điều trị Chương này chúng tôi sẽ trình bày về GNP, các cơ chế truyền năng lượng, xây dựng các mô hình vật lý, biện luận cho những ứng dụng trong chẩn

đoán và điều trị

18

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 động sinh học, các ứng dụng mới của vật lý trong y học hiện đại, một số ứng dụng của công nghệ nano trong chẩn đoán và điều trị Trong phần thứ nhất chúng tôi tập trung trình bày 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 các tiềm năng ứng dụng của công nghệ nano trong chẩn đoán và điều trị Trong chẩn đoán chúng 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 tôi tập 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 sống luôn 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 trong các liệu pháp điều trị và phương pháp chẩn đoán hiện đại [6, 7] Trong mục này chúng 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

Hình 1.1 Sơ đồ minh họa mối liên hệ tác động sinh học giữa các tác nhân vật lý

Hệ thống sống

Biến đổi sinh học

19

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, phục hồi 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 có thân nhiệt vào khoảng 37oC Sự ổn định của giá trị này là do tổng của hai dòng nhiệt lượng sinh ra và thải đi luôn cân bằng nhau Quá trình này cũng đã được tác giả Đoàn Suy Nghĩ trình bày trong nội dung về nguyên lý I nhiệt động học áp dụng cho hệ thống sống khi tính toán lượng nhiệt tiêu thụ trong một ngày đêm [2] Người ta có thể cung cấp nhiệt cho cơ thể bằng các con đường trực tiếp hay gián tiếp Khi nhiệt đến từ một nguồn tiếp xúc trực tiếp, ban đầu làm nóng lớp ngoài của da, sau đó truyền đến lớp da sâu hơn bằng cách dẫn nhiệt, nhờ đó mà dẫn đến những tác động sinh học Nhiệt tạo ra nhiệt độ tại các mô cao hơn, dưới tác dụng của nhiệt các mạch máu sẽ giãn ra, gây nên hiện tượng giãn mạch làm tăng cung cấp oxy và chất dinh dưỡng và loại bỏ carbon dioxide và chất thải chuyển hóa, làm tăng hoạt động của tế bào và chống viêm Liệu pháp 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 ký sinh 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 trị ung 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 toàn khoảng 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 phương pháp tiêu diệt tế bào ung thư bằng nhiệt độ Tế bào ung thư có thể bị phá hủy ở nhiệt

độ khoảng 45oC do protein bị biến tính [76, 118] Do đó, chúng có thể tiêu diệt khối

u ung thư mà không ảnh hưởng các tế bào khỏe mạnh lân cận

20

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 các quá trình vật lý, hóa học và biến đổi sinh học [2, 6, 7] Sóng âm có thể phân thành

ba loại, sóng hạ âm (tần số nhỏ hơn 20 Hz), sóng siêu âm (tần số lớn hơn 20000 Hz)

và sóng âm nghe được (tần số từ 20 – 20000 Hz) Siêu âm là do sự dao động của tinh

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 hiệu ứng áp điện nghịch [3] Tương tác của siêu âm lên cơ thể sống về cơ bản gây nên tác dụng cơ học, tác dụng nhiệt và từ đó gây nên tác dụng sinh học được minh họa ở Hình 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 tổ chức sinh học là tác dụng cơ học như là “xoa bóp vi thể”, phụ thuộc vào cường độ của 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 năng thành 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 sâu tới 8 - 10 cm [6, 7] Tác dụng cơ học và tác dụng sinh nhiệt của siêu âm dẫn đến các tác dụng sinh học như: tăng tuần hoàn và dinh dưỡng, giãn cơ, giảm đau, chữa các bệnh 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 tùy thuộc vào bước sóng của nó [2-4, 6, 7] Tác nhân ánh sáng bao gồm ánh sáng nhìn thấy, ánh sáng tử ngoại, ánh sáng hồng ngoại Tiêu chí để phân biệt các nhóm ánh

21

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

8

3 10 m/s và mang năng lượng Độ thấm sâu lớn hay bé phụ thuộc ánh sáng chiếu,

mà bản chất của nó là do sự khác nhau về năng lượng, từ đó dẫn tới những quá trình biển đổi hóa học và sinh học không giống nhau Tất cả các quá trình sinh học đều liên quan đến biến đổi hóa học trước đó [2] Do vậy, phản ứng quang hóa luôn xảy ra trước phản ứng 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 đổi quang sinh học Sự tác động của ánh sáng lên cơ thể sống có thể gây nên các phản ứng sinh 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 phản ứng 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 pháp điều trị bằng hiệu ứng quang nhiệt [2, 7] Đây là một trong những

cơ sở vật lý đang được 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 qua môi trường vật chất, tùy thuộc vào bản chất của môi trường nó sẽ làm ion hóa môi trường đó thông qua cơ chế tác dụng trực tiếp hay cơ chế tác dụng gián tiếp do

đó làm thay đổi cấu trúc hóa học của các đối tượng vật chất trong môi trường đó [2] Bức xạ ion hoá làm biến tính về mặt hình thái cũng như sinh lý của acid nucleic, ví

dụ gây phá hủy cấu trúc không gian của phân tử DNA như đứt chuỗi polynucleotid, đứt liên kết phosphodieste và tạo ra các mối liên kết hóa học mới thông qua hiện tượng kết hợp chéo (cross linking) Bức xạ ion hoá ảnh hưởng tới hoạt động chức năng và đời sống tế bào, chẳng hạn sau khi chiếu xạ hoạt tính của các enzym trong nguyên sinh chất tăng lên một cách đáng kể, kết quả là các phản ứng nội bào tăng lên,

sự chuyển hóa bị rối loạn và tế bào bị chết sau một thời gian nào đó Sự ion hóa gián

22

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 tế bào 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 X quang, siêu âm, CT và MRI [7] Tất cả các phương thức này đều không chẩn đoán được 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 tại thời 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 Gần đây, công nghệ nano đang ngày càng quan tâm đến các lĩnh vực y học và sinh lý học, ví

dụ nó có thể hỗ trợ chẩn đoán bệnh ở giai đoạn đầu [12, 119, 129] Ứng dụng 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 các phương 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, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần phải được giải quyết trước khi nó được chấp nhận sử dụng trong lâm sàng

thường quy

1.2.1 Trong chẩn đoán

Trong mười năm trở lại đây, bác sỹ có thể phát hiện ung thư sớm hơn cho bệnh nhân, khi xem xét biểu hiện cấp độ phân tử trước khi có những thay đổi kiểu hình xảy

ra Chụp ảnh phân tử là một trong những hướng trọng tâm trong chẩn đoán y khoa,

có thể tạo điều kiện chẩn đoán sớm, xác định giai đoạn của bệnh, hỗ trợ thông tin cơ bản về các quá trình bệnh lý, cũng như có thể được dùng theo dõi kết quả điều trị [25] Chụp ảnh phân tử đặc trưng cho những thay đổi về mặt di truyền gắn liền với quá trình sinh ung thư, nhờ đó làm cơ sở dự đoán bệnh sớm hơn Nó cũng có thể sử dụng theo dõi lặp đi lặp lại sự đáp ứng, tiến triển và chuyển biến của bệnh sau khi điều trị hoặc tái phát [131, 139] Sử dụng hạt nano trong các đầu dò giúp cho chúng

có thể đi qua cơ thể con người trong máu và mạch bạch huyết, đây là tiềm năng cho

23

chụp ảnh phân tử Hạt nano có thể xác định mục tiêu mong muốn bằng các tương tác sinh học đặc hiệu, chẳng hạn như kháng nguyên kháng thể, lai axit nucleic và biểu 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 phản liên kết với các mô sống để theo dõi một quá trình sinh lý cụ thể Tác nhân tương phản này giống chất cản từ trong chụp MRI hoặc các chất phát huỳnh quang, GNP kết hợp với Gd, nâng cao hiệu quả chẩn đoán [161] Tuy nhiên, các tác nhân tương phản đang được sử dụng hiện nay như iốt có một số nhược điểm như thời gian lưu thông máu thấp Bên cạnh đó, hạt nano được cho là có nhiều ưu điểm hơn so với các chất tương phản thông thường như khả năng hấp thụ tia X cao, tăng khả năng tương tác 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 trò quan trọng trong tương lai của chẩn đoán y tế nhờ giúp việc chẩn đoán bệnh chính xác hơn Hạt nano giúp phát hiện khối u thông qua liên kết giữa các phối tử trên bề mặt hạt nano với chất đánh dấu sinh học Việc xác định các phối tử thích hợp liên kết với chất đánh dấu sinh học ung thư vẫn là một thách thức quan trọng nên hiện nay 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 truyền vào 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 lý hình ảnh của máy tính sẽ tạo nên hình ảnh siêu âm [3, 4] Hiện nay, hạt nano đã được

sử dụng trong các thiết bị siêu âm chẩn đoán Chẳng hạn như, khi dùng quan sát gan chuột mô hình và gan chuột sống trong nghiên cứu in vivo, nano rắn được dùng trong các đầu dò siêu âm để làm tăng cường hình ảnh siêu âm bậc xám [96]

24

1.2.1.3 Kỹ thuật MRI

Kỹ thuật MRI là một kỹ thuật không xâm lấn và không sử dụng bức xạ, điều này giúp nó trở thành một công cụ chẩn đoán có tính an toàn cao Kỹ thuật này hiện nay dựa vào trạng thái kích thích và hồi phục của các proton, tín hiệu được xác định dựa vào khoảng thời gian nghỉ của các proton hydro trong phân tử nước, sử dụng thêm các loại chất tương phản từ, rút ngắn thời gian nghỉ của các proton nhằm mục đích tăng cường tín hiệu [7] Tuy nhiên, các tín hiệu thu được thường yếu và điều này 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 và giúp dễ dàng xác định vị trí của các tế bào ung thư [43, 84] Đối với mục đích chẩn đoán, chúng được sử dụng trong MRI là tác nhân tăng cường độ tương phản cho mục đích chẩn đoán ung thư, chụp ảnh phân tử được nhắm mục tiêu (targeted), phát hiện 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 thay đổi 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 bào xung 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 chẩn đoán bệnh bằng tia X và cộng hưởng từ Kỹ thuật này dựa trên nguyên lý đánh dấu phóng xạ [7] Các hạt nano đồng vị phát xạ có thể giải mã các quá trình sinh học một cách không xâm lấn, chẳng hạn như mức độ hấp thụ của khối u và độ hoạt động của enzyme khối u đang phát triển [119]; ví dụ, các hạt nano oxit kim loại đã được sử dụng rộng rãi để xây dựng các đầu dò hình ảnh PET Carlos sử dụng chúng để kích hoạt các hạt nano oxit nhôm (Al2O3) làm giàu 18O bằng cách chiếu xạ với các proton

để tạo ra các hạt nano có 18F thông qua phản ứng hạt nhân 18O (p, n) 18F

25

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 hình ảnh phải sử dụng các tác nhân tương phản CT, nhưng nó lại thiếu khả năng khuếch đại cho nên phải cần một lượng rất lớn nồng độ chất này khi chụp Tuy nhiên, các tác nhân tương phản hạt nano có thể khuếch đại độ tương phản, điều này sẽ cho phép 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 năng tạo 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 tăng cường khả năng hiển thị của các khối u vú xen kẽ ở chuột, khả năng nhắm mục tiêu khối u hoạt động (với kháng thể kháng Her2) hiệu quả hơn 1,6 lần so với nhắm mục tiêu thụ động Hainfeld cũng chứng minh rằng sự hấp thu cụ thể của các GNP trong ngoại 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 hạt nano trong điều trị, dựa vào ưu thế của nó là khả năng tăng cường hoặc cải thiện việc cung cấp liệu pháp trúng đích [61, 125] Xu hướng được quan tâm nhất là sử dụng hạt nano trong điều trị ung thư Nhiều bệnh nhân điều trị ung thư sau một vài năm bị tái phát trở lại Việc tái phát và khối u lan rộng thường là do các tế bào gốc ung thư có thể kháng thuốc Các phương pháp điều trị ung thư kết hợp với hạt nano

đã có nhiều tiến triển 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 dùng các hạt nano được nhắm mục tiêu thụ động đến khối u ác tính sử dụng peptide RGD cyclic hoặc peptide từ virus myxoma để phát hiện ung thư [122] Lai và cộng sự đã sử dụng GNP làm tác nhân hình ảnh đa phương thức để quan sát u não [73] Kết quả không chỉ xác định glioma mà còn theo dõi sự phát triển của glioma theo thời gian và quan trọng nhất là tiết lộ đầy đủ chi tiết của khối u liên quan vi

26

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, phẫu thuật

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 hỏi việc 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 cho các

mô bình thường xung quanh Một bất lợi nữa là một số tế bào khối u cách xa vị trí 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 tế bào tại khối u cao hơn một chút so với mô khỏe mạnh xung quanh, do đó liều tối thiểu của bức xạ đủ để tiêu diệt khối u nhưng không giết mô bình thường Tuy nhiên, sự kháng thuốc của các tế bào tại các khối u ngày càng tăng nên nó càng đòi hỏi bức xạ liều lượng cao hơn bình thường, cuối cùng dẫn đến phá hủy các mô khỏe mạnh Mục đích của xạ trị là chọn lọc tối đa hóa để phá hủy khối u và làm giảm những 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, đồng thời nâng cao hiệu quả và độ an toàn của xạ trị [72] Chẳng hạn như sử dụng GNP gắn với kháng thể Her2 làm tăng khả năng nhắm mục tiêu tới khối u cao hơn 1,6 lần

so với nhắm mục tiêu thụ động [17], điều này đồng nghĩa với việc giảm liều tác dụng tổng thể cho 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 vừa hạn chế thuốc tràn lan khắp cơ thể không cần thiết Brivio và cộng sự đã chứng minh việc sử dụng tia X kết hợp với GNP trong điều trị sẽ làm giảm một nửa liều xạ trị theo quy định so với khi không có GNP [17] Kích thước các hạt đã được khảo sát trong khoảng 3 - 50 nm và họ kết luận rằng các hạt kích thước 13 nm là tối

ưu cho ứng dụng kép 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 thư đại trực tràng khi điều trị kết hợp với plasma lạnh [58] Trong điều

Liệu pháp quang nhiệt là một liệu pháp tiềm năng trong điều trị ung thư, sử dụng năng lượng photon được chuyển đổi thành nhiệt để tiêu diệt các tế bào hay phá hủy cấu trúc của nó, không ảnh hưởng những tế bào lành lân cận [54] Đây là một liệu pháp ít xâm lấn và có thể khắc phục một số tác dụng phụ của các liệu pháp truyền thống, do nhiệt tạo ra tập trung cục bộ tại mô tế bào bệnh, nên đang rất được quan tâm nghiên cứu Nguyên lý của phương pháp là tiêm hạt nano vàng vào đường tĩnh mạch để làm chất đánh dấu và tập trung năng lượng nhiệt, sau đó sử dụng ánh sáng laser hồng ngoại gần có bước sóng nằm trong khoảng 650 - 900 nm, vì ở khoảng cách này, cửa sổ minh bạch sinh học cung cấp độ sâu thâm nhập mô tối đa khoảng 10 cm Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt của GNP tạo ra một trường điện từ mạnh trên bề mặt hạt, do đó tăng cường tất cả các đặc tính bức xạ như hấp thụ và tán xạ [54] Điện trường mạnh làm cho các electron trên bề mặt GNP bị kích thích và sẽ cộng hưởng với nhau, nhờ có GNP sẽ kích thích tạo nhiệt lên khoảng 41 oC đến 47

oC trong vòng 1 ps (1 phần 1 tỷ của giây) Ở khoảng nhiệt độ này các tế bào ung thư

sẽ bị phá hủy Phương pháp này dùng quang năng chuyển hóa thành nhiệt năng tập trung cục bộ tại một vùng đã được định sẵn để tiêu diệt các tế bào bệnh, phá hủy cấu trúc các tế bào bệnh, làm cho bệnh không lây lan [76]

28

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 ứng plasmon 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 quang nhiệt làm giảm 10 - 25 lần liều lượng chất cảm quang indocyanine khi chiếu cùng hiệu suất laser để gây tổn thương lên các tế bào bệnh Jain và cộng sự đã tiến hành thực nghiệm

sử dụng NIR liên tục với bước sóng 800 nm kết hợp GNP dạng thanh hay các cấu trúc lõi vỏ vàng/silica, kết quả chỉ ra rằng liều quang nhiệt tiêu diệt tế bào ung thư khoảng 10 W/cm2 [60, 61] Nhóm Yasuro sử dụng liên hợp nano vàng dạng 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 với mong 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 việc truyền năng lượng tương tác giữa các hạt nano và tế bào; tăng cường được tín hiệu huỳnh 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

29

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

30

Kết luận chương 1

Trong chương này chúng tôi đã trình bày về mối liên quan của bốn đại lượng vật lý và tác động sinh học của chúng lên cơ thể sống, ứng dụng vật liệu nano trong chẩn 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 sáng hay bức xạ là hiệu ứng nhiệt, tức là tạo nhiệt lượng Đó là một trong những cơ sở vật

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 thấy những ưu điểm trong chẩn đoán Với đặc điểm về kích thước, hình dạng, diện tích bề mặt lớn và các đặc tính quang học độc đáo, ưu việt nhất của hạt nano là có thể hướng thuốc hoặc tác nhân chữa bệnh đến tế bào đích (khối u) và không giới hạn độ sâu thâm nhập mô, kéo dài thời gian lưu thông máu, cung cấp thời gian hiện ảnh lâu hơn; làm giảm nồng độ các chất tương phản trong tạo ảnh gấp 10 - 25 lần, đồng nghĩa với việc tiết 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 thấy nhiều ưu điểm trong điều trị, chẳng hạn không gây tác dụng phụ với liều lượng cho phép, giảm nồng độ thuốc hóa chất hay hàm lượng bức xạ ion cho cơ thể người bệnh

Ví dụ như liệu pháp quang nhiệt, là liệu pháp không xâm lấn, sử dụng bước sóng laser hồng ngoại gần mà không sử dụng bức xạ ion hóa, hạn chế tác dụng phụ cho người bệnh

31

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 chế tạo 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 chấm lượng

tử carbon Đồng thời chúng tôi khảo sát, phân tích các kết quả về tính chất quang huỳnh quang, hấp thụ của chúng và từ đó đề xuất hướng ứng dụng của vật liệu 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 lý độc đáo đã có nhiều nghiên cứu về mặt cơ bản và đặc biệt được ứng dụng trong các lĩnh

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] Tuy nhiên trong các loại vật liệu chấm lượng tử bán dẫn phổ biến hiện nay đều có mặt tiền 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 các cấu trúc nano lõi/vỏ

sử dụng các vật liệu vỏ từ các hợp chất chứa Zn2+ hay polime bọc bên ngoài, tuy nhiên đây cũng không phải là một sự lựa chọn tối ưu [32] Vì thế việc tìm kiếm và lựa chọn các loại vật liệu nano an toàn và có các tính chất hóa lý phù hợp cho các ứng dụng, đặc biệt trong các lĩnh vực y sinh vẫn đang là vấn đề cấp thiết cho các nhà nghiên cứu

32

Nhiều nhóm nghiên cứu đã tìm cách cải thiện về mặt công nghệ chế tạo và cũng đã thu được nhiều kết quả khá triển vọng về những đặc trưng, tính chất cũng như những tiềm năng ứng dụng của nó [13] CQD có những tính chất hóa lý nổi trội, khá thân thiện với môi trường và được hứa hẹn có thể thay thế cho các chấm lượng tử bán dẫn đang được nghiên cứu rất phổ biến [13, 19] CQD có những tính năng nổi bật nhờ vào thành phần và cấu trúc khá đa dạng: hầu như các gốc carboxyl ở bề mặt nên có thể phân tán tốt trong nước, khả năng tương thích sinh học cao, độ ổn định hoá 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 năng lượng, quang điện 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 tính chất độc đáo này cho thấy CQD có thể được lựa chọn để trở thành công cụ quang học hữu ích Tuy nhiên cho đến nay, cả về mặt thực nghiệm chế tạo CQD và các lý giải về cơ chế phát quang hay những ứng dụng của CQD trong lĩnh vực y sinh vẫn đang là vấn đề còn rất nhiều tranh luận giữa các nhà nghiên cứu trên thế giới [85, 100,

137, 175]

Năm 2004, chấm lượng tử Carbon

Năm 1983,

nano kim cương

Năm 2004 và 2006, Graphene

và chấm lượng tử graphine Năm 1991 và 1993, Ống nano Carbon đơn

tường và ống nano carbon đa tường

34

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 tính chất độc đáo này cho thấy CQD có thể được lựa chọn để trở thành công cụ quang học hữu ích Tuy nhiên cho đến nay, cả về mặt thực nghiệm chế tạo CQD và các lý giải

về cơ chế phát quang hay những ứng dụng của CQD trong lĩnh vực y sinh vẫn đang

là vấn đề còn rất nhiều tranh luận giữa các nhà nghiên cứu trên thế giới [85, 100, 137, 175]

Hình 2.2 Sơ đồ minh họa chế tạo CQD bằng phương pháp từ trên xuống và từ

dưới lên [152]

Cách tiếp cận “từ trên xuống” thường có sự tham gia của các vật liệu carbon khối thông qua quá trình phân hủy dưới các điều kiện khác nhau như cắt laser [137], tách hồ quang [161], tách điện hóa [179 - 180], và xử lý oxy hóa axit [80, 94] Trong cách tiếp cận “từ dưới lên”, CQD thường được tổng hợp từ các phân tử chứa carbon nhỏ trong quá trình "trùng hợp - carbon hóa", có thể được kết hợp các kỹ thuật vi sóng/siêu âm [151, 171, 185], thủy nhiệt/nhiệt phân [20, 158, 160, 166]

Tuy nhiên các CQD chế tạo bằng các kỹ thuật trên vẫn chưa được tối ưu cho các ứng 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 chức năng hóa hay thụ động hóa bề mặt bằng các phân tử hữu cơ, polyme hoặc pha tạp những nguyên tố không có thành phần carbon như B, N, P, S, nguyên tố kim loại

35

trong quá trình chế tạo [28,127,151,177,183] Các bước tiến hành thụ động hóa bề mặt hoặc pha tạp cho các CQD trong phương pháp chế tạo “từ trên xuống” thường được thực hiện riêng biệt, trong phương pháp “từ dưới lên" có thể được thực hiện liên 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 thiện bằng cách sử dụng các kỹ thuật tổng hợp điện hóa, nhiệt phân, thủy phân Thứ hai là điều khiển kích thước và tính đồng nhất rất quan trọng đối với các nghiên cứu tính chất và các đặc trưng cơ bản Thứ ba là đặc trưng bề mặt rất quan trọng cho khả năng hòa tan

và các ứng dụng được lựa chọn, có thể được tối ưu hóa sau xử lý bằng cách điện di keo, ly tâm, lọc hay chức năng hóa, thụ động hóa Nhìn chung hầu hết các phương pháp tổng hợp CQD cho đến nay vẫn có những ưu nhược điểm khác nhau có thể tóm tắt như Bảng 2.1

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

Cắt hóa học

Được tiếp cận nhiều nhất, dẫn xuất từ nhiều nguồn tiền chất đa dạng

Điều kiện chế tạo nghiêm ngặt, quy trình tác động mạnh và được thực hiện bằng nhiều bước, điều khiển kích thước khó khăn

Điện hóa

Kích thước và cấu trúc nano có thể điều khiển được, ổn định, quy trình thực hiện có thể thực hiện liên tiếp một bước

Ít các tiền chất phân tử nhỏ

Cắt laser

Thực hiện nhanh, hiệu quả, có thể điều chỉnh được các trạng thái bề mặt

Hiệu suất lượng tử huỳnh quang (PLQY) tương đối thấp, khó kiểm soát kích thước, cần phải thay đổi

Kiểm soát kích thước kém

Thủy nhiệt /

Nhiệt phân

Chi phí hiệu quả, thân thiện với môi trường, không độc hại

Kiểm soát kích thước kém

Tuy nhiên các kỹ thuật trên thường cần nhiệt độ cao, thời gian phản ứng dài

và cần nhiều thay đổi bổ sung (pha tạp, chức năng hóa và thụ động hóa bề mặt) để tối

ưu thêm các đặc trưng của mẫu thu được Mục tiêu mà các nhà nghiên cứu luôn hướng đến là chế tạo các CQD từ các hệ phản ứng đơn giản, giá thành thấp và thân thiện môi trường và tìm ra các phương pháp mới để loại bớt việc sử dụng các điều kiện phản ứng phức tạp

Gần đây, nghiên cứu về hệ tương tác plasma - chất lỏng và sử dụng micro plasma như điện cực khí đang rất được quan tâm cho cả nghiên cứu cơ bản và công nghệ ứng dụng Bằng cách sử dụng các phản ứng điện hóa tại bề mặt tiếp giáp plasma

- chất lỏng, phương pháp có mặt của micro plasma ở áp suất khí quyển đã cho thấy

ưu điểm trong chế tạo vật liệu nano như tổng hợp nhanh, điều kiện phản ứng đơn giản

và sự tiêu hao năng lượng thấp Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc chế tạo các hạt nano kim loại [52, 124, 160] Còn cách tiếp cận phương pháp này để chế tạo các loại vật liệu nano carbon đặc biệt là CQD vẫn còn tương đối ít

Nhóm nghiên cứu của Meyyappan và các cộng sự lần đầu tiên sử dụng phương pháp plasma tăng cường lắng đọng hơi hóa học để tổng hợp các ống nano carbon [107] Sau đó phương pháp này đã được áp dụng và phát triển khá nhanh nhưng vẫn dùng cho đối tượng ống nano carbon [106, 107, 114] Đến những năm 2012, Jing và cộng sự sử dụng phương pháp plasma - chất lỏng chế tạo CQD với tiền chất từ trứng

gà [146] cũng thu được các kết quả thú vị về tính chất quang và hướng ứng dụng của