Công nghệ nano mở ra nhiều cơ hội phát triển vượt trội trong mọi lĩnh vực, đem lại giá trị to lớn cho sức khỏe và cuộc sống con người
Công nghệ nano trong y dược đã phát triển nhanh chóng và mang lại nhiều lợi ích to lớn. Mặc dù còn mới mẻ trong lịch sử y học, công nghệ này đã được ứng dụng đột phá. Sử dụng vật liệu kích cỡ nanomet, công nghệ này tạo ra hy vọng mới trong việc cải thiện chất lượng sống của bệnh nhân qua việc chế tạo thiết bị y tế, dụng cụ chẩn đoán, phẫu thuật và sản xuất thuốc.
Nội dung
1. Tổng quan về công nghệ nano
Công nghệ nano là ngành công nghệ xử lý, thao tác trên các phân tử siêu nhỏ. Kích thước chỉ từ 1 đến 100 nanomet. Hạt nano đã tồn tại hàng triệu năm trong tự nhiên. Tuy nhiên, ứng dụng khai thác công nghệ này mới phát triển và ứng dụng phổ biến từ sau cuộc cách mạng 4.0, những năm đầu của thế kỷ 21. Nó được ứng dụng trong đa dạng lĩnh vực như vật lý bề mặt, hóa học hữu cơ, sinh học phân tử, vật lý bán dẫn, lưu trữ năng lượng, vi chế tạo, kỹ thuật phân tử… Đặc biệt là tạo bước lớn trong nền y học.
Các tiểu phân nano dễ dàng đi qua tế bào, xâm nhập máu, hệ thống nội bào, gan, tủy xương,… Nhờ đó, giải quyết hiệu quả vấn đề dược chất có đặc tính sinh dược học kém. Bao gồm khả năng thẩm thấu qua biểu mô tế bào kém, tan kém trong nước…Điều này cũng làm giảm liều điều trị thuốc như thuốc chống ung thư, chống nấm, thuốc kháng viêm không streroid (NSAIDs)…
2. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano
2.1 Phương pháp ướt
Phương pháp ướt còn có tên gọi khác là phương pháp thủy, đồng kết tủa hay sol-gel. Các dung dịch ion khác nhau sẽ được trộn lẫn theo tỷ lệ nhất định. Chúng còn bị tác động bởi một số yếu tố. Chẳng hạn như độ pH, áp suất, nhiệt độ,… Sau khi kết tủa, sẽ thu được vật liệu nano. Chúng phải trải qua quá trình sàng lọc, sấy khô, tạo nên thành phẩm có kích thước nano.
2.2 Phương pháp cơ khí
Phương pháp này được thực hiện dưới dạng nghiền, tán hợp kim cơ học và vận dụng vật liệu dạng bột. Chúng được nghiền và tán thành kích thước nhỏ hơn bằng máy móc.
2.3 Phương pháp bay hơi nhiệt
Phương pháp bay hơi nhiệt là phương pháp lithography (quang khắc), vacuum deposition (lắng đọng trong chân không), vật lý, hóa học. Nó được sử dụng để chế tạo màng mỏng hoặc lớp bao phủ bề mặt. Thông qua tấm chắn, vật liệu nano được cao để tạo hạt nano kích thước nhỏ.
2.4 Phương pháp pha khí
Phương pháp pha khí bao gồm một số hoạt động: electron-explosion (nổ điện), nhiệt phân, bốc hơi, plasma và đốt laser. Các vật liệu nano được tạo ra trong quá trình pha khí.
2.5 Phương pháp hóa học
Bằng phương pháp phản ứng oxi hóa khử chuyển ion, dung dịch muối kim loại biến đổi thành kim loại có kích thước nano. Những hạt nano này có năng lượng lớn liên kết bền vững thành micro. Sau đó, hạt nano kim loại được bao bọc trong chất bảo vệ, gọi là colloidal silver (nano bạc) hoặc bạc keo.
3. Dược phẩm nano – Xu hướng tương lai
Thị trường dược phẩm phát triển rất nhiều sản phẩm từ nano. Nó được sử dụng trong điều trị các bệnh nghiêm trọng. Cụ thể là viêm nhiễm nặng, ung thư và bệnh liên quan đến liệu pháp gen. Kết quả nghiên cứu đã chứng minh được hiệu quả trị liệu. Theo hệ thống phân loại sinh dược học (Biopharmaceutical classification system) của Cơ quan Quản lý Thuốc và Thực phẩm Hoa Kỳ (FDA), trên 75% hoạt chất nghiên cứu tan kém trong môi trường dịch sinh lý. Và có đến 25% hoạt chất hấp thụ kém ở thành dạ dày ruột. Hạn chế khả năng đưa thuốc vào hệ tuần hoàn.
Với công nghệ nano, dược chất được đưa vào trong giá mang nano lõi thân dầu, giúp tăng khả năng hòa tan. Bề mặt tiểu phân nano thân nước giúp cải thiện vượt trội tính tan của dược phẩm.
Kích thước tiểu phẩm nhỏ hơn nhiều so với kích thước tế bào. Bởi vậy, nó được thiết kế phù hợp với đường dẫn thuốc bên trong cơ thể. Từ đó, gia tăng khả năng dẫn thuốc đến đúng vị trí cần giải phóng hoạt chất hoặc đích sinh học. Trên đường di chuyển, các hoạt chất kém bền được nano bao bọc bên ngoài. Điều này giúp bảo vệ chúng khỏi các tác nhân bên ngoài. Điển hình là nhiệt độ, độ ẩm, oxy, không khí và ánh sáng, pH, dịch sinh lý, enzyme. Đồng thời, tránh phân phối thuốc đến các tế bào, mô lành.
Xem thêm:
- Chế phẩm sinh học: Ứng dụng của nền nông nghiệp bền vững toàn cầu
- Ứng dụng enzyme trong công nghệ thực phẩm đầy triển vọng
4. Ưu điểm vượt trội của công nghệ nano
Chẩn đoán chính xác và điều trị hiệu quả rất quan trọng trong y học. Công nghệ nano giúp bác sĩ giải quyết dễ dàng hai vấn đề này. Họ có thể chẩn đoán chính xác vị trí, tình trạng và mức độ bệnh. Nhờ đó, bác sĩ sẽ đưa ra được liệu pháp điều trị kịp thời. Với phương pháp nano, thuốc đặc hiệu sẽ phát huy hiệu quả tại đúng chỗ bệnh mà không ảnh hưởng đến các mô, cơ quan xung quanh.
4.1 Tác động hướng đích hiệu quả
Dựa trên hiệu ứng vật lý, hóa học, sinh học,… các nhà khoa học có thể hướng các hạt nano chứa thuốc đến đúng vị trí cần điều trị. Nó chỉ phát huy hiệu quả đến tế bào bệnh dựa trên so sánh khác biệt với tế bào lành. Chẳng hạn như nhiệt độ, độ pH, khe hở tế bào…
4.2 Không ảnh hưởng đến các mô lành
Dược phẩm thông thường khi đi vào cơ thể khó hấp thụ và dễ bị đào thải. Chưa kể, nó còn gây ra một số tác dụng phụ và có thể tiêu diệt cả các tế bào lành. Với cơ chế hướng đến đích hiệu quả, thuốc và thực phẩm chức năng sử dụng công nghệ nano không tác động đến các tế bào lành. Hạt nano có thể phân biệt các tế bào dựa trên một số điều kiện nhất định.
4.3 Hạn chế tác dụng phụ
Dược phẩm ứng dụng công nghệ nano chỉ tác động duy nhất đến các tế bào gây bệnh. Bởi vậy, cớ thể có thể hạn chế được các tác dụng phụ không mong muốn. Ngoài ra, công nghệ này cũng giúp khắc phục khuyết điểm thuốc truyền thống. Bao gồm: độ hòa tan, khả năng thẩm thấu, tỉ lệ đào thải… Từ đó, tối ưu hiệu quả điều trị cho người bệnh.
5. Các ứng dụng của công nghệ nano trong y học
Công nghệ nano trong y học, y học nano, nanomedicine được ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán và điều trị bệnh. Đây là bước tiến lớn giúp đẩy nhanh hiệu quả và chất lượng trong ngành y học. Cùng BCC khám phá ngay.
5.1 Hỗ trợ chẩn đoán nhanh chính xác
Với công nghệ nano, chip sinh học nano có thể phát hiện các phân tử cần trong chẩn đoán. Điển hình là sử dụng kháng thể gắn chip ống nano carbon giúp phát hiện tế bào ung thư trong máu. Đầu dò ống nano carbon trong gel chích dưới da có thể theo dõi hàm lượng nitric oxide trong máu. Từ đó, phát hiện tình trạng nhiễm khuẩn. Kỹ thuật sử dụng que vàng nano (gold nanorods) giúp phát hiện các protein lạ khi thận bị tổn thương.
5.2 Định vị khối u
Việc phát hiện ổ di căn rất quan trọng trong chẩn đoán và điều trị ung thư. Phương pháp chụp ảnh hiện nay khó có thể phát hiện các tế bào lạ gây bệnh. Chích tĩnh mạch các albumin bọc nano đất hiếm có thể phát ra tia hồng ngoại sóng ngắn SWIR. Từ đó, xác định được ổ di căn ung thư. Giải pháp SWIR toàn thân có thể phát hiện những tổn thương rất nhỏ ở tuyến thượng thận và xương.
5.3 Phát triển kỹ thuật điều trị mới
- Tampon nano (nanosponges) có thể hấp thụ và loại bỏ các độc tố trong máu. Đây là các hạt nano polyme phủ màng hồng cầu. Thiết kế này giúp chúng di chuyển tự do và thu hút độc tố.
- Nano polyethylene glycol-hydrophilic carbon (PEG-HCC) hấp thu gốc tự do giúp hạn chế tối đa tổn thương não.
- Lăng kính phủ ống carbon nano biến tia laser thành sóng âm hội tụ để phá hủy các khối u mà không ảnh hưởng đến các tế bào khác.
- Hạt bismuth nano được sử dụng để tăng hiệu ứng phóng xạ vào khối u trong điều trị.
- Trong điều trị ung thư vú, các kháng thể kháng protein khối u được gắn vào ống nano. Chúng hấp thụ các tia hồng ngoại làm đốt cháy khối u.
- Sử dụng hạt nano polymer hoạt động như tiểu cầu tổng hợp. Điều này làm giảm đáng kể tình trạng mất máu do chấn thương và phẫu thuật.
5.4 Đưa thuốc đến đích chính xác hơn
Ứng dụng công nghệ nano hiện đại, hạt nano hỗ trợ phân phối thuốc, nhiệt, ánh sáng đến đúng vị trí nhiễm bệnh. Đồng thời, không làm ảnh hưởng đến các tế bào, mô và cơ quan bình thường khác. Cơ chế hoạt động là cho thuốc, hoạt chất xung quanh hạt nano từ tính. Hạt nano mang thuốc vượt qua các rào cản sinh học như mạch máu, mô… Sau đó, lợi dụng từ tính để hút chúng đến đúng tế bào cần điều trị.
Tại viện Nghiên cứu Kỹ thuật Houston, hạt nano silicon phân hủy được sử dụng trong u bướu giải phóng thuốc để tiêu diệt tế bào ung thư. Hay hạt nano gelatin mang thuốc giúp hồi phục các tổn thương não. Chưa kể, công nghệ nano còn nghiên cứu và phát triển nano insulin, hạt nano chứa enzymes ức chế virus sinh trưởng,…
5.5 Chống nhiễm khuẩn
Chuyên gia nghiên cứu tại Đại học Houston đã phát triển hạt nano vàng và ánh sáng hồng ngoại để tiêu diệt vi khuẩn. Nó còn được sử dụng để tiệt trùng các dụng cụ trong bệnh viện. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Colorado Boulder cũng sử dụng chấm lượng tử CdTe để điều trị nhiễm trùng kháng kháng sinh. Chúng làm suy yếu khả năng phòng vệ của vi khuẩn kháng kháng sinh. Hạt nano sắt oxit giúp điều trị nhiễm khuẩn mạn tính.
Bạc nano là ứng dụng kỹ thuật nano đầu tiên trong cuộc sống và y học. Hạt nano chứa khí oxit nitric hỗ trợ sát khuẩn và điều trị các vết thương nhiễm trùng. Nang nano kháng sinh được sử dụng trong các miếng băng gạc dùng cho vết bỏng. Kháng sinh tiêu diệt vi khuẩn gây hại được giải phóng. Nhờ đó, khả năng điều trị nhiễm khuẩn hiệu quả hơn và làm giảm số lần thay băng.
5.6 Chỉnh sửa, sửa chữa tế bào
Người máy nano (nanorobot) được lập trình giúp điều trị sửa chữa các bệnh lý tế bào. Nó hoạt động chuyên biệt như kháng thể giúp phát hiện và điều trị đúng tế bào nhiễm bệnh. Đồng thời, không làm ảnh hưởng đến các tế bào lành tính xung quanh.
5.7 Dẫn truyền thuốc
Hệ dẫn thuốc nano là lĩnh vực được ứng dụng mạnh mẽ nhất trong công nghệ bào chế. Nó hỗ trợ tạo ra các chế phẩm có khả năng hấp thụ tốt, tăng sinh khả dụng và hiệu quả điều trị. Ngoài ra, còn đảm bảo ổn định và tính an toàn. Đặc biệt là điều trị đúng bệnh và hạn chế tối đa các tác dụng phụ. Các hệ vận chuyển thuốc bao gồm dược chất kết hợp với nano polyme, micelle, dendrimer, ceramic, protein, virus, liposome,… Các dược chất, tác nhân chẩn đoán được đưa vào bên trong, liên kết và gắn trên bề mặt tiểu phân.
5.8 Chẩn đoán và chụp cộng hưởng từ hạt nhân MRI
Phân tử phát huỳnh quang fluorescein (phát màu xanh lục) hay rhodamine (phát màu đỏ) được đính kết với hệ dẫn thuốc giúp theo dõi mức độ thâm nhập của tế bào. Đồng thời, có khả năng định vị và quan sát sự phân bố trong thí nghiệm sinh học. Tuy nhiên, cường độ yếu và hiệu quả kém. Còn hạt nano tỏa sáng gấp 20 lần phân tử huỳnh quang với độ sáng không đổi. Nhờ đó, có thể phát hiện tế bào sâu bên trong. Điều này hỗ trợ phát hiện và chẩn đoán đa dạng loại ung thư.
Kỹ thuật MRI cộng hưởng từ hạt nhân (CHTHN) nghiên cứu việc sử dụng hạt nano siêu thuận từ kết hợp với hệ tải thuốc. Nó trở thành chất tăng tương phản hình ảnh MRI. Từ đó, làm rõ cấu trúc mô, đặc biệt ở vùng u ung thư, hỗ trợ chẩn đoán và phẫu thuật sớm.
5.9 Trong nhiệt – từ trị (hyperthermia)
Phương pháp nhiệt – từ trị ung thư bắt nguồn cách đây 50 năm. Nó tập trung nhiệt lượng vào vùng khối u bằng cách đốt nóng các hạt từ dưới tác động của từ trường xoay. Nó chỉ ảnh hưởng đến các vùng mô tế bào có hạt từ. Trong 20 năm gần đây, nhiều nghiên cứu trên thế giới đã sử dụng hạt oxit sắt kích thước nano (chủ yếu là magnetite) kết hợp với các chất sinh học khác nhau. Nó được ứng dụng trong thử nghiệm diệt tế bào ung thư và đã chứng minh được các kết quả tích cực.
6. Ứng dụng công nghệ nano trong một số lĩnh vực khác
6.1 Công nghệ nano trong mỹ phẩm
Công nghệ nano được ứng dụng rộng rãi trong mỹ phẩm. Cụ thể là sản xuất sản phẩm bổ sung độ ẩm, chăm sóc tóc, phấn trang điểm và chống nắng.
- Tạo chất ngăn tia cực tím: Titan oxid và kẽm oxid là hai hợp chất chính được sử dụng. Cơ chế này giúp lọc tia UV, hấp thụ UV-B và UV-A và phát ra lại tia UV-A àm giảm khả năng tổn thương. Chúng thường được bao bọc bởi oxid, silicon dioxid hay dâu silicon. Từ đó, ngăn chặn hình thành gốc tự do và kết tụ tiểu phân.
- Ứng dụng trong vận chuyển dưới dạng liposome và tương tự.
6.2 Công nghệ nano trong nông nghiệp
-
Xử lý môi trường trồng trọt
Công nghệ nano được ứng dụng giúp cải thiện hiệu suất cây trồng. Đồng thời, khắc phục vấn đề ô nhiễm đất và nước ngầm.
-
Tăng chất lượng nông sản
Rất nhiều sản phẩm nano tích hợp được tạo ra trong ngành nông nghiệp. Nó giúp cây trồng sinh trưởng và phát triển tốt. Nhờ vậy, chất lượng và sức đề kháng của cây trồng cũng được nâng cao. Lượng phân bón hóa học cũng được giảm đáng kể. Tình trạng ô nhiễm môi trường được cải thiện giúp ngành nông nghiệp phát triển bền vững.
-
Phòng trừ sâu bệnh hại ở cây trồng
Công nghệ nano giúp tạo ra giống cây trồng có đặc tính kháng bệnh tốt. Đồng, kẽm có khả năng kháng nấm và kháng khuẩn. Các hạt nano giúp gia tăng hiệu quả đề kháng. Ngoài ra, các thiết bị nano còn có thể theo dõi và phát hiện sâu bệnh hại chính xác. Từ đó, hạn chế rủi ro và có biện pháp xử lý cây trồng kịp thời.
Công nghệ nano được ứng dụng hiệu quả trong nông nghiệp. Tuy nhiên, không thể bỏ qua các tác dụng tiêu cực đến hệ sinh học và môi trường.
6.3 Trong ngành điện tử
Công nghệ nano giúp chế tạo ra các sản phẩm quan trọng trong lĩnh vực điện tử. Cụ thể:
- Màn hình điện thoại di động, máy tính xách tay
- Bộ vi xử lý, chuột, bàn phím
- Vật liệu nano siêu bền và nhẹ
- Thiết bị máy bay, ô tô, tàu vũ trụ,…
- Thiết bị ghi nhớ thông tin
6.4 May mặc, thời trang
Công nghệ nano đã tạo ra bước tiến lớn trong ngành may mặc. Những trang phục được phát triển từ công nghệ này có nhiều ưu điểm vượt trội. Hạt nano bạc được áp dụng giúp tiêu diệt tế bào vi khuẩn và khử mùi. Rất nhiều quần áo thể thao hoặc quần lót khử mùi sử dụng phổ biến công nghệ này.
Xem thêm:
- Ngành công nghệ sinh học – Xu hướng ngành hot hiện nay
- Công nghệ tế bào – Bước tiến nhảy vọt, ứng dụng mọi lĩnh vực
6.5 Ngành thực phẩm
Ngành công nghiệp thực phẩm đã có những bước tiến vượt bậc từ công nghệ này. Thức ăn, nước uống có hương vị và hàm lượng dinh dưỡng cao hơn. Ngoài ra, nó còn được sử dụng để tạo ra các vật liệu đựng thực phẩm tiệt trùng. Nhờ đó, đảm bảo an toàn và thời gian bảo quản lâu hơn. Nhiều loại tủ lạnh được phủ một lớp nano bạc giúp tiêu diệt vi khuẩn.
6.6 Công nghệ nano trong tự nhiên
Công nghệ nano có khả năng thay thế việc sử dụng các hóa chất và vật liệu độc hại trong quá trình sản xuất. Từ đó, góp phần giảm ô nhiễm môi trường. Một ứng dụng tiêu biểu là máy lọc nước nano. Các ứng dụng khác của công nghệ nano được lấy cảm hứng từ tự nhiên. Cụ thể là ứng dụng công nghệ này trên vải chống thấm nước và ngăn chặn bụi bẩn. Nhà khoa học đã áp dụng nguyên tắc chống thấm của lá sen. Qua đó, tạo ra một lớp ống nano siêu nhỏ trên bề mặt của vải.
6.7 Năng lượng
Trong lĩnh vực năng lượng, công nghệ nano được sử dụng để chế tạo pin năng lượng mặt trời. Ngoài ra, chúng còn dùng trong việc tăng khả năng dự trữ và nâng cao tính hiệu quả của pin và siêu tụ điện. Những dây dẫn điện trong quá trình vận chuyển điện đường dài cũng được tạo nên từ công nghệ nano.
Chế tạo pin năng lượng mặt trời tiên tiến ứng dụng công nghệ nano là bước tiến lớn. Nó đóng vai trò quan trọng trong tăng cường khả năng lưu trữ và hiệu quả hoạt động của pin. Hơn nữa, các dây dẫn điện dùng trong việc truyền tải điện năng trên các tuyến dài cũng được ứng dụng công nghệ này. Nó giúp cải thiện hiệu suất đáng kể.
7. Tạm kết
Công nghệ Nano là ngành công nghệ hàng đầu trong lĩnh vực Khoa học – kĩ thuật. Nó tạo điều kiện sản xuất các sản phẩm giá trị cao hơn và ngang tầm với trình độ khoa học công nghệ tiên tiến, hiện đại. Từ y tế, nông nghiệp đến năng lượng, điện tử,… Công nghệ nano đem lại những tiến bộ đáng kể. Sự phát triển này hứa hẹn mang lại lợi ích lớn cho con người và môi trường. Qua đó, mở ra một tương lai hứa hẹn với các ứng dụng đột phá. BCC chuyên cập nhật nhanh chóng và chính xác nhất các thông tin liên quan đến nghiên cứu và ứng dụng Công nghệ sinh học trong mọi lĩnh vực.
