Sơ lược về nano polyme
Vật liệu nano là loại vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano mét (nm). Một nm bằng 10-9 m. Một sợi tóc của con người xấp xỉ khoảng 80.000 nm và một tế bào hồng cầu xấp xỉ khoảng 7.000 nm.
Những khái niệm cơ bản về nano lần đầu tiên được nhà vật lý Richard Feynman đưa ra vào năm 1959 trong bài luận có nhan đề “Còn nhiều khoảng trống ở dưới đáy”. Tới năm 1974, thuật ngữ “công nghệ nano” mới được sử dụng để đề cập tới khả năng thao tác các vật liệu một cách chính xác ở mức nm bởi Norio Taniguchi, một nhà nghiên cứu, Trường Đại học Tokyo, Nhật Bản. Nhưng các nghiên cứu về công nghệ nano chỉ mới phát triển trong thập niên 90 nhờ những sáng chế về dụng cụ để nhìn và đo đạc các vật chất có kích thước nm như kính hiển vi điện tử quét, kính hiển vi lực nguyên tử…. Đặc biệt, những năm gần đây, các nghiên cứu về vật liệu nano phát triển mạnh và một trong những vật liệu phát triển ấn tượng đó là nano polyme.
Thuật ngữ polyme phản ánh một nhóm lớn và đa dạng các phân tử. Đặc điểm then chốt để nhận biết các polyme là sự lặp lại các đơn thể (monomers) trong chuỗi của chúng. Điều này diễn ra trong quá trình polyme hóa, trong đó nhiều đơn thể phân tử liên kết với nhau. Các polyme được phân biệt theo các monomer cấu thành của chúng, lực hút giữa các chuỗi polyme đóng vai trò lớn trong xác định các tính chất của polyme. Nano polyme là các polyme có cấu trúc nano. Cấu trúc nano xác định những biến đổi quan trọng trong những tính chất nội tại của polyme.
Cấu trúc của nano polyme cũng có nhiều hình dạng khác nhau như hình sao, hình thẳng, hình bàn chải, hình lược, hình tròn, hình lưới liên kết ngang, hình nhánh cây…tương tự polyme nhưng ở kích thước nano. Ngay cả khi ghép các nano polyme này lại với nhau thì kích thước của chúng cũng vẫn chỉ ở mức nano.
Hình dạng cấu trúc nano polyme: (a) hình thẳng, (b) hình ghép, (c) hình lược;
(d) hình vòng; (e) hình sao ít nhánh; (f) hình sao nhiều nhánh;
(g) hình cây; (h) hình cây cọ; (i) hình chuông; (j) hình chữ H.
Cách tạo ra nano polyme cũng dựa trên phương pháp dùng để tạo ra polyme, đó là sử dụng phản ứng trùng ngưng hoặc trùng hợp.
Trong phương pháp trùng ngưng, phản ứng sẽ được kiểm soát từ từ để không tạo ra một mạch polyme dài, liền liên tục hàng triệu đơn vị mà chỉ ở khoảng một số ít như từ mười đến hàng trăm đơn vị nhằm khống chế kích thước polyme ở mức nano.
Còn phương pháp trùng hợp, có nhiều phương pháp để khống chế phản ứng để tạo ra phân tử có kích thước nano như phương pháp ATRP (Atom transfer radical polymerization - trùng hợp tạo polymer gốc tự do bằng tác nhân chuyển tạo gốc tự do là nguyên tử), phương pháp RAFT (Reversible addition fragmentation chain transfer - hệ khơi mào do cơ chế chuyển mạch theo đứt - ráp thuận nghịch).
Hai phương pháp này hiện đang được sử dụng nhiều trên thế giới và tại Việt nam để tạo ra các nano polyme.
Nano polyme dưới góc nhìn sáng chế
Các nghiên cứu về sản xuất và ứng dụng nano polyme có từ đầu thập niên 1990, nhưng đến giữa thập niên này mới có sáng chế (SC) đăng ký về nano polyme.
Năm 1993, SC số JP 1994-305850 về ứng dụng nano polyme trong công nghiệp gốm sứ là SC đầu tiên về nano polyme được đăng ký ở Nhật. Trong những năm gần đây, số lượng SC về nano polyme phát triển mạnh, đến nay có 1.925 SC. Các SC được đăng ký phần lớn là về ứng dụng nano polyme trong sản xuất vật liệu mới như: vật liệu cách điện, vật liệu chống thấm, vật liệu điện cực,… Trong y dược, nano polyme được ứng dụng làm chất dẫn thuốc, chất vận chuyển cho dược liệu kỵ nước, sản xuất băng gạc y tế,… Các quốc gia có lượng đăng ký SC nhiều nhất về nano polyme trong vật liệu mới, y dược là Trung Quốc, Hàn Quốc và Mỹ. Trong đó, Trung Quốc là quốc gia dẫn đầu về lượng đăng ký SC với 693 SC.
Ứng dụng nano polyme trong vật liệu mới chiếm tỷ lệ khá lớn tại nhiều quốc gia như Trung Quốc: 29,9%, Hàn Quốc: 13,4%, Mỹ: 8,4% trong khi ứng dụng nano polyme trong y dược chiếm tỷ lệ ít hơn như Trung Quốc: 2,3%, Hàn Quốc: 1%, Mỹ: 0,7%.
Ứng dụng rất rộng của nano polyme
Nano polyme có ứng dụng rất rộng, hầu như có thể áp dụng cho tất cả các ngành như nhựa, xây dựng, in ấn, xăng dầu, y dược…. Ví dụ khi thêm nano polyme mang các phức kim loại như Mn (Mangan), Fe (sắt) vào xăng A83, các nano polyme này sẽ làm tăng chỉ số octan của xăng. Hoặc khi thêm các nano polyme vào dầu nhớt, các nano polyme này sẽ ngậm các phân tử dầu nhớt và nhả ra từ từ để động cơ có thể hoạt động nhiều hơn mà không phải thay dầu nhớt thường xuyên. Hay các bán dẫn, đi ốt ngày nay cũng ứng dụng các nano polyme dẫn điện.
Một trong những hướng phát triển mạnh mẽ của ứng dụng nano polyme trên thế giới cũng như Việt Nam đó là trong y học. Ví dụ như ứng dụng nano polyme đổi hình đưa vào các mạch máu để chống bị tắc nghẽn. Hoặc ứng dụng nano polyme để lấy các kim loại nặng ra khỏi cơ thể của người bị nhiễm độc nhờ vào khả năng tạo phức với kim loại của các polyme này. Ứng dụng nhiều nhất của nano polyme trong y dược là sử dụng làm chất mang thuốc. Ngoài ra, các nano polyme có thể còn được gắn thêm các nhóm chức để tăng độ tương hợp của cơ thể.
Tại Việt Nam, đã có một số nghiên cứu về ứng dụng nano polyme, chẳng hạn như:
Viện Công nghệ Hóa học giới thiệu về ứng dụng nano polyme nhánh cây làm chất mang thuốc chống ung thư 5-FlouroUracil, thuốc chống ung thư cis-Platin.
Công ty dược Danapha (Đà Nẵng) cho ra đời một loạt các dược phẩm được gói trong các hạt nano-liposome như liposomal estoposide điều trị ung thư, glipizome (điều trị tiểu đường), amlodisome (trị huyết áp cao), lovastasome (điều trị tim mạch, trình trạng cholesterol máu cao).
Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng đang có một số nghiên cứu có tính ứng dụng cao về nano polyme như phối trộn nano polyme vào nhựa PVC giúp làm tăng tính cơ lý của nhựa PVC; ứng dụng nano polyme hình sao làm tăng tính cơ lý của răng giả; ứng dụng nano polyme dẫn điện trong sơn nhằm tránh hiện tượng bị ăn mòn trên bề mặt. Ngoài ra Viện cũng định hướng nghiên cứu sử dụng nano polyme để làm chất mang thuốc nhả chậm, sử dụng nano polyme gắn với các hoạt chất để làm thuốc chống ung thư có hoạt lực cao và giảm được độ độc, sử dụng nano polyme để làm chất mang thuốc đến đích.
Phát triển thị trường nano polyme
Công nghệ nano như một mảnh đất màu mỡ, hấp dẫn, tuy có nhiều thách thức nhưng sẽ mang lại nhiều lợi nhuận và mức tăng trưởng đáng mơ ước cho các công ty đầu tư. Theo báo cáo của công ty BCC Research, dự kiến trong năm 2015, giá trị thị trường toàn cầu cho công nghệ nano sẽ đạt gần 27 tỷ USD. Trong đó vật liệu nano polyme chiếm phân khúc lớn nhất trên thị trường, sẽ đạt gần 19,6 tỷ USD; các dụng cụ hỗ trợ cho việc nghiên cứu vật liệu nano như kính hiển vi, máy đo cấu trúc nano… sẽ đạt giá trị hơn 6,8 tỷ USD; các thiết bị điện tử có cấu trúc nano chiếm phân khúc nhỏ nhất của thị trường, sẽ đạt gần 234 triệu USD.
Sức thu hút “mãnh liệt” của công nghệ nano đã khiến các quốc gia trên thế giới lao vào cuộc đua để trở thành cường quốc trong lĩnh vực này.
Chính phủ Mỹ có Chương trình sáng kiến công nghệ nano quốc gia (NNI), là chương trình nhằm tài trợ, giúp đỡ để hỗ trợ nghiên cứu và học tập về công nghệ nano. Các công ty như 3M và IBM, các nhà nghiên cứu, và các nhà đầu tư tư nhân góp phần bằng cách đầu tư hàng tỷ USD vào công nghệ nano và đã nộp hàng ngàn đăng ký SC về nano trong năm 2009.
Nhà nước Đức thông qua Chương trình EXIST nhằm trả thù lao cho các cán bộ nghiên cứu và sinh viên đại học tham gia nghiên cứu công nghệ nano.
Nhật Bản cũng có các chương trình hỗ trợ của Chính phủ để thúc đẩy khu vực tư nhân đầu tư cho công nghệ nano. Nhờ đó, các tập đoàn khổng lồ như Toray và Sumitomo rất tích cực trong việc nghiên cứu và thương mại hóa về các công nghệ nano.
Tại Hàn Quốc, Bộ Khoa học và Công nghệ thông qua chương trình “Khởi phát các thiết bị nano mức tera” tài trợ cho các trường đại học và ngành công nghiệp phát triển các thiết bị điện tử thế hệ tương lai tới đây.
Tại Trung Quốc, công nghệ nano là một chủ đề trong nhiều kế hoạch quốc gia, cả Nhà nước và tư nhân đã cùng nhau đầu tư trong lĩnh vực này.
…
Phát biểu tại Chương trình “Báo cáo phân tích xu hướng công nghệ” tháng 8/2012 tại Trung tâm Thông tin Khoa học và Công nghệ TP.HCM với chuyên đề “Xu hướng sản xuất và ứng dụng nano polyme trong y dược, vật liệu mới”, PGS. TS. Nguyễn Cửu Khoa - Viện trưởng Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng cho biết, năng lực sản xuất sản phẩm nano polyme tại Việt Nam là rất lớn, có thể đến hàng tấn. Ông Khoa cho biết ông thật sự rất mừng là Việt Nam cũng đầy đủ phương tiện để nghiên cứu về tổng hợp nano polyme; và trong vấn đề ứng dụng, có thể kết hợp với rất nhiều phòng thí nghiệm khác ở trong nước cũng như nước ngoài. Hướng nghiên cứu về nano polyme là một trong những hướng nghiên cứu rất hứa hẹn tại Việt Nam.
Hoàng Long, STINFO Số 10/2012
Bài viết có tham khảo tài liệu của chương trình “Báo cáo phân tích xu hướng công nghệ” tháng 8/2012 tại Trung tâm Thông tin KH&CN TP.HCM (CESTI) với chuyên đề “Xu hướng sản xuất và ứng dụng nano polyme trong y dược, vật liệu mới”.