Nanosilica – Keo Dán Da, Keo Dán Cho Sự Sống (Phần 1)

Phần 1: Vật liệu tương lai trong y học

Năm 2015 trên báo Nature có công bố một nghiên cứu về khả năng kết dính mô sinh học, của vật liệu vô cơ silica khi ở kích thước nano. Đây là một phát hiện rất mới và cực kỳ thú vị. Vì các tế bào thường liên kết với nhau theo cơ chế sinh học của riêng chúng, việc sử dụng chất vô cơ kết dính rất khó khăn vì các mô thường nhiều nước, khó gắn kết và dễ bị “ngộp” dẫn đến chết cục bộ. Nghiên cứu này chỉ ra rằng có thể “ dán” hai mô gan lại với nhau và có khả năng chịu lực lên đến 300 mN. (Séverine Rose & cs, 2014)

Hình 1. Nghiên cứu đi đầu về khả năng kết dính mô của nanosilica. (Séverine Rose & cs, 2014)

Khi mô bị tổn thương do vật sắc nhọn thì cần phải khép kín vết thương ngay, tránh việc khoảng hở sẽ bị vi sinh vật tấn công và việc mất máu quá nhiều có thể dẫn đến chết mô. Hiện tại ngành y tế chỉ dùng các phương pháp thông thường như chỉ khâu, băng gạc…tác động cơ học lên các vết thương. Và gần đây keo dán da sinh học được sử để ngăn mất máu và hạn chế nhiễm trùng. Việc phát hiện tính năng mới của nanosilica mở ra một hướng nghiên cứu mới về việc hàn gắn vết thương bằng vật liệu vô cơ. Đặc biệt là ở các vết thương phẫu thuật, ở các mô mềm, dễ vỡ và nhiều nước. Đặc tính tuyệt vời của nanosilica là nó tạo ra một lực liên kết với các gốc R ( Gốc R là thành phần của chuỗi acid amin, nó quyết định tính chất của acid amin) của mô, tế bào… kéo chúng lại gần nhau giúp giảm kích thước miệng vết thương. Với mạng lưới những hạt nano siêu nhỏ bao phủ vết thương ngăn các tác nhân xâm nhiễm từ bên ngoài, nhưng tế bào vẫn thở được. Trước đây, đã có nhiều nghiên cứu về ứng dụng của silica trong y và sinh học như : làm lớp vỏ bọc cho Oxit sắt từ trong chuyển thuốc, điều trị ung thư. Trong dẫn truyền thuốc, nanosilica tương đối trơ và có tính tương thích sinh học cao nên chúng ngăn oxit sắt từ tiếp xúc trực tiếp với các tế bào, ngăn cản oxit sắt từ gây độc. Trong một review ngắn của Ahmad Bitar & cộng sự (cs) đã đề cập đến một loạt các ứng dụng của hạt nanosilica như cảm biến sinh học, hấp thụ tế bào, phát hiện DNA… (Ahmad Bitar, 2012). Hạt nano silica được sử dụng để phát hiện, phân tách và tinh khiết DNA. Sự hấp thụ của DNA lên bề mặt của các hạt nanosilica thường được điều khiển bởi ba tác động: lực tĩnh điện được che chắn, mất nước trên bề mặt và hình thành liên kết hydro. Nanosilica cũng được sử dụng để nghiên cứu tương tác với Plasmid DNA chuẩn bị để tạo thành một phức hợp bảo vệ tránh sự phân giải do DNase I. (Melzak, K., 1996). Khi nanosilica được sử dụng trong chẩn đoán hình ảnh. Chúng được sử dụng để đóng gói các hạt chất tương phản, chẳng hạn như vàng, bạc, sắt oxit, thuốc nhuộm hữu cơ và chấm lượng tử. Nanosilica thường được sử dụng vì các đặc điểm như: độ tương thích sinh học cao, kiểm soát được kích thước và sự phân bố kích thước, bảo vệ chất tương phản và khả năng chức năng hóa bề mặt rất lớn. Khi bọc bằng Nanosilica thì chúng sáng hơn rất nhiều lần. Các vỏ silica ngoài cung cấp một sự lựa chọn khác để nhắm mục tiêu các tế bào cụ thể hoặc mô thông qua silica chức năng hóa bề mặt. Các ứng dụng vừa đề cập ở trên cho thấy tiềm năng ứng dụng nanosilica làm keo dán là rất lớn.

Trong cùng bài nghiên cứu, tác giả có đề cập đến oxit sắt từ cũng có khả năng gắn kết vật liệu sinh học. Tuy nhiên, lực kết dính thấp hơn và oxi sắt từ có thể gây độc ở tế bào sống. Từ đó có thể thấy, nanosilica sẽ là một vật liệu đầy hứa hẹn trong y tế vì tổng hợp đơn giản và dễ sử dụng. Các phát hiện để dẫn đến việc ứng dụng gắn kết mô là từ khả dán các hydrogel như: gelatin, polyacrymide… (Séverine Rose , 2014) các gel này thường ngậm nhiều nước có phần tính chất giống như mô.

Nanosilica ban đầu có màu trắng hoặc trong suốt tùy theo dạng tồn tại. Ở dạng bột sillica có màu trắng, tinh thể thì trong suốt hoặc không màu.

Các hạt silica sol vô định hình, có xu hướng đưa về dạng hình cầu để đạt mức tối thiểu diện tích bề mặt bề. Silica sol với các hạt sơ cấp lớn hơn có thể được điều chế từ TEOS (Tetraethyl orthosilicate) bởi phương pháp Stober ( trình bày ở phần tổng hợp). Những kỹ thuật mài và quá trình xay xát thường được áp dụng cho thạch anh, silica gel silica và thủy tinh thể để làm giảm kích thước hạt.

 

Hình 2. Ảnh chụp TEM của nanosilica không chức năng     hóa bề mặt. (sản phẩm của công ty nanocomposix)
 Hình 3. Một dạng hình thái của silica. (Napierska, D., 2010)

Nói về điểm đặc biệt của keo dán nanosilica là khả năng dán vật liệu ướt nhờ vào đặc tính ưa nước kỵ nước của chúng (Napierska, D., 2010). Đặc tính ưa nước của vật liệu silica tăng lên cùng với số lượng silanols (Si-O-H) , hoặc các nhóm hydroxyl silicon ngoại quan, có khả năng tạo liên kết hydro với các phân tử nước. Công thức hóa học của silica được đại diện như SiO2.xH 2O, trong đó nước đại diện cho chất trong các nhóm silanol hiện trên bề mặt của vật liệu silica. Hóa học bề mặt silica được mô tả trong hình 4. Nhóm hydroxyl Vicinal (một nhóm hydroxyl mỗi tứ diện) nằm ở cách nhau không xa (nhỏ hơn 3 nm) nên tham gia vào các liên kết hydro. Hydroxyl Geminal (2 nhóm hydroxyl mỗi tứ diện) thì có tạo nhưng ít liên kết hydro. Silanols Isolated được đặt quá xa nhau nên khó tham gia vào các liên kết hydro. Do tính chất hóa học khác nhau của 3 loại nhóm silanols, nên chúng không hoàn toàn tương đương trong các tính chất vật lý và hóa học.

Hình 4. Nhóm hydroxyl trên bề mặt silica Liên kết hóa trị và liên kết     hydro được trình bày như trên bề mặt. (Napierska, D., 2010)

Silica keo, silica mao và silica gel là ưa nước. Porosils (hạt silica xốp) thường kỵ nước bởi vì chúng thiếu silanols trong các lỗ xốp. Silica được sản xuất ở nhiệt độ cao, như silica thủy tinh thể, hoặc nung ở nhiệt độ quá 800° C, là gần như hoàn toàn kỵ nước.

Việc hòa tan và tủa của silica trong nước liên quan đến phản ứng thủy phân và ngưng tụ, xúc tác bởi OH. Đối với silica vô định hình, không xốp với kích thước micromet , nồng độ cân bằng của Si(OH) 4 ở 25 °C trong nước tương ứng với 70 ppm ở pH 7. Nanosilica và nanoporous silica tăng cường cân bằng độ tan, trong 100-130 ppm (Napierska, D., 2010) . Theo Vogelsberger Nanosilica vô định hình hòa tan trong bộ đệm sinh lý ở 25 °C nhanh chóng bởi vì diện tích bề mặt lớn tiếp xúc (Vogelsberger W, Schmidt J, Roelofs F, 2008) . Cân bằng độ tan chỉ đạt được sau 24 – 48h. Silica tinh như thạch anh có tính hòa tan cân bằng thấp hơn nhiều, khoảng 6 ppm.

           Video về sử dụng Nano Silica trong việc keo dán vết thương, vết mổ.

Tính chất hóa học ( Đỗ Quang Thẫm, 2014)

Trơ, không tác dụng với oxi, Clo, brom và đa số các acid khi ở nhiệt độ cao. Nó có thể tác dụng với acid HF khi ở nhiệt độ thường, Sillica chỉ tác dụng được với nguyên tố phi kim mạnh nhất là F2

SiO2 + 6HF→ H2SiF6 + 2H2O

SiO2 + 2F2 → SiF4 + O2

Sillica tan trong kiềm hay cacbonat kim loại kiềm nóng chảy:

SiO2 + 2NaOH→ Na2SiO3 + H2O

SiO2 + Na2SiO3 → Na2SiO3 + CO2

  • Tính hòa tan tạo thành dung dịch.

TEOS thủy phân trong quá trình sol-gel

Si(OC2H5)4 + 2 H2O → SiO2 + 4 HOCH2CH3

  • Sự hòa tan của SiO2

Silicon oxide hòa tan một cách tương đối trong nước khi so sánh với các khoáng chất khác. Sự hòa tan của nó được thể hiện dưới phương trình cân bằng bên dưới:

SiO2(r) + 2 H2O(l) → H4SiO4 (r)

Cân bằng này chứa silicit axit – một axit yếu được hình thành suốt quá trình thủy phân SiO2:

H4SiO4(r) + H2O(l)→ H3O+(dd) + H3SiO4(dd)

Độ hòa tan của SiO2 trong nước là 0.12 g/L, trong khi đó silicon carbide lại không tan trong nước.

Trên đây là giới thiệu chung cũng như các tính chất của Nano Silica. Trong phần 2, chúng tôi sẽ tiếp tục đề cập về phương pháp tổng hợp và ứng dụng của Nano Silica.

Đặng Huỳnh Thanh Tâm – Nhóm Bioengineering

Tài liệu tham khảo

  1. Ahmad Bitar, Nasir M. Ahmad, Hatem Fessi, Abdelhamid Elaissari, Silica-based nanoparticles for biomedical applications (2012).”Drug Discovery Today, Volume 17, Issues19–20, p 1147-1154.
  2. Đỗ Quang Thẫm (2014), Chế tạo, nghiên cứu tính chất & hình thái cấu trúc của vật liệu compozit trên cơ sở copolyme Etylenvinyl acetat (EVA) và nanosilic, Bộ giáo dục và đào tạo, Hà Nội.

  3. Griffiths, P. de Hasseth, J.A. (2007),”Fourier Transform Infrared Spectrometry (2nd ed.), Wiley-Blackwell. ISBN 0-471-19404-2
  4. Kota Sreenivasa Rao, Khalil El-Hami, Tsutomu Kodaki, Kazumi Matsushige, Keisuke Makino (2005),” A novel method for synthesis of silica nanoparticles”,Journal of Colloid and Interface Science, Volume 289, Issue 1, Pages 125-131,

  5. P.K. Jal, M. Sudarshan, A. Saha, Sabita Patel, B.K. Mishra (2004),” Synthesis and characterization of nanosilica prepared by precipitation method”, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Volume 240, p.173-178.

  6. Jerzy Chruściel, Ludomir Ślusarski (2003),”Synthesis of nanosilica by the sol-gelmethod and its activity toward polymers”.Materials Science, Vol. 21, No. 4,p461-469

  7. Hajime Tamon, Taketo Kitamura, Morio Okazaki,(1998), Preparation of Silica Aerogel from TEOS”, Journal of Colloid and Interface Science, Volume 197, Issue 2, P.353-359, ISSN 0021-9797

  8. Hikaru Nishimori, Masuo Kondoh, Katsuhiro Isoda, Shin-ichi Tsunoda, Yasuo Tsutsumi, Kiyohito Yagi (2009), “ Silica nanoparticles as hepatotoxicants”, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, Volume 72, Issue 3, August 2009, Pages 496-501, ISSN 0939-6411.