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

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 Nguyễn Minh Hoa 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. 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 1 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 2 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 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT A : acceptor, phân tử nhận huỳnh quang Abs : hấp thụ CQD : chấm lượng tử carbon CET : quá trình truyền năng lượng Coulomb CT : chụp cắt lớp vi tính D : donnor, phân tử truyền huỳnh quang DNA : axit deoxyribonucleic DLS : tán xạ ánh sáng động học FDA : Cục Dược phẩm Hoa kỳ FWHM : độ bán rộng phổ FRET : quá trình truyền năng lượng cộng hưởng Foster GFRET : quá trình truyền năng lượng cộng hưởng khổng lồ GNP : hạt nano vàng GRET : quá trình truyền năng lượng cộng hưởng chung Invivo : mô tả một hiện tượng sinh học xảy ra trong cơ thể sống MRI : chụp cộng hưởng từ hạt nhân NIR : ánh sáng hồng ngoại gần PdI : chỉ số đa phân tán PEG : polyethylene glycol PPEI – EI : propionylethylenimine - co - ethylenimine PET : chụp xạ hình cắt lớp positron PL : Quang huỳnh quang QD : chấm lượng tử RET : quá trình truyền năng lượng cộng hưởng SET : quá trình truyền năng lượng cộng hưởng bề mặt SPECT : chụp cắt lớp bằng bức xạ đơn photon SPR : hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt TEM : hiển vi điện tử truyền qua 4 UV-vis : vùng ánh sáng nhìn thấy 5 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 6 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ minh họa mối liên hệ tác động sinh học giữa các tác nhân vật lý lên hệ thống sống.................................................................................................18 Hình 1.2. Sơ đồ minh họa sự tác động của sóng âm lên cơ thể sống. ....................20 Hình 1.3. Sơ đồ điều trị ung thư liệu pháp quang nhiệt plasmon phân phối 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 7 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 8 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 Ei (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 9 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 10 tác nhiệt hay hiệu ứng nhiệt luôn có mặt trong các loại tương tác trên, đóng vai trò quan 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 bào ung 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 liệu nano 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 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 11 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 12 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 1/ R 6 , 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 1/ R 6 . 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/ R 4 [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 1/ R 2 . 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/ R 2 [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 13 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 14 làm tăng khả năng nhắm mục tiêu và tăng cường hiệu suất cho liệu pháp quang nhiệt [23]. Như đã trình bày ở trên, lý thuyết truyền năng lượng của Forster được quan sát trong giới hạn phạm vi khoảng cách D - A từ 10 - 100 Å, cho thấy sự phụ thuộc năng lượng theo quy luật tỉ lệ nghịch bậc sáu với khoảng cách giữa chúng. Sự tương tác của một phân tử huỳnh quang với một GNP khá phức tạp và có thể dẫn đến sự tăng cường hoặc dập tắt trạng thái kích thích nhanh chóng. Các quá trình truyền năng 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 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 15 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. Mục tiêu luận án Cung cấp thêm một số cơ sở vật lý cho việc ứng dụng vật liệu nano trong y học hiện đại, cụ thể: - Xây dựng mô hình vật lý cho hai cơ chế truyền năng lượng FRET và SET phụ thuộc kích thước GNP; - 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. 16