CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.2. Kỹ thuật điều khiển các đối tượng kích thước micro và nano
1.2.2. Điều khiển các vi đối tượng bằng lực từ: bắt giữ
Các nguồn từ trường được đề cập tới trong phần trước đều có thể bắt giữ các vi đối tượng. Việc tác dụng lực đẩy hoặc hút lên các vi đối tượng đều có thể được thực hiện bởi tất cả các loại nam châm, nhưng việc bảo vệ bề mặt nam châm cũng như có cơ chế tẩy rửa các đối tượng sau khi bắt giữ là cần thiết trong trường hợp sử dụng các nam châm vĩnh cửu.
Một trong những nghiên cứu đầu tiên sử dụng các nam châm khối để thực hiện việc bắt giữ, phân tách các tế bào được báo cáo bởi Miltenyi [70]. Một bộ phân loại tế bào (magnetic cell sorter – MACS) được sử dụng để phân tách các tế bào đã được gắn hạt từ với các tế bào không được gắn hạt từ. Sơ đồ minh họa trong hình 1.11a cho thấy ba bước cơ bản của kỹ thuật MACS: đầu tiên các đối tượng được gắn hạt từ;
sau đó dung dịch chứa các tế bào đã được đánh dấu từ và tế bào đơn thuần được đưa vào các cột MACS ở đó các tế bào đã được gắn hạt từ sẽ được giữ lại bởi các nam
28
châm và các tế bào không được gắn hạt từ sẽ được thu lại ở lối ra của cột; cuối cùng các tế bào đã được gắn hạt từ sẽ được lấy ra khỏi vùng hoạt động của từ trường.
Hình 1. 11. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật MACS: gắn hạt từ, phân tách và thu thập (a) [70], hệ thống vi kênh tích hợp với nam châm vĩnh cửu (b) [44].
Hoshino và các cộng sự đã phát triển các hệ thống vi kênh kết hợp với các nam châm khối có cảm ứng từ vuông góc với các kênh dẫn để tạo ra gradient từ trường lớn [44]. Hệ thống này gồm ba nam châm NdFeB có (BH)max cỡ 42 MGOe sắp xếp ngược chiều nhau như biểu diễn trong hình 1.11b, được sử dụng để tách các tế bào ung thư biểu bì đã được đánh dấu từ ra khỏi máu.
Hình 1.12a là sơ đồ của một hệ thống bao gồm các thành phần từ mềm để hút các tế bào ung thư vú MFC7 đã được đánh dấu từ của nhóm nghiên cứu Tseng [114].
Một nguồn từ trường lớn (0,6 T) được sử dụng để phân cực các thành phần từ mềm (Ni80Fe20) cho phép tạo ra đồng thời cả cường độ từ trường lớn và sự biến thiên từ trường lớn để hút các đối tượng đã được đánh dấu từ. Các thành phần từ mềm này được sử dụng rộng rãi để bắt giữ các hạt từ, tập trung chúng tới những vị trí xác định và phân tách chúng khỏi các dung dịch hỗn hợp.
Guo và các cộng sự đã bắt giữ và giải phóng các hạt từ sử dụng hệ thống gồm các vi nam châm hình vuông cách nhau 100 µm bằng vật liệu từ mềm (Ni), kích thước bề mặt 20 µm 20 µm, dày 1 µm được phân cực bởi từ trường ngoài 20 mT với một hệ thống vi kênh phía trên [37]. Hình 1.12c cho thấy quá trình làm việc của hệ thống trước và sau khi được phân cực. Hình đầu tiên bên trái cho thấy các hạt từ lơ lửng trên bề mặt hệ thống khi hệ thống chưa được phân cực từ, trong khi hình thứ hai cho thấy các hạt từ bị bắt giữ bởi các vi nam châm khi chúng được phân cực. Sau đó từ
29
trường phân cực được loại bỏ, các hạt từ bị bắt giữ bắt đầu phân tán ra khỏi các vi nam châm sau 20 giây (hình thứ 3) và sau 40 giây (hình thứ 4).
Hình 1. 12. Bắt giữ các hạt từ bằng các nam châm từ mềm được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu Tseng (a) [114], Ino (b) [49], Guo (c) [37].
Ino và các cộng sự đã phát triển một phương pháp để sắp xếp các tế bào được đánh dấu từ thành từng tế bào đơn lẻ trên một vi cấu trúc dạng cột để quan sát, đánh giá sự thay đổi hình thái học của tế bào [49]. Cấu trúc gồm 6000 cột sắt từ mềm (mỗi cột có kích thước bề mặt 100 µm 100 µm và cao 300 µm, các cột cách nhau 150 µm) đặt trên một nam châm Nd hình trụ (đường kính 50 mm, chiều cao 10 mm và độ từ dư 0,38 T) và một mặt phẳng nuôi cấy tế bào bằng thủy tinh có độ dày từ 50 µm tới 150 µm. Tại những điều kiện nhất định, một tế bào đơn lẻ có thể được bắt giữ trên mỗi cột và được nghiên cứu độc lập hoặc thu thập lại. Hình 1.12b cho thấy các tế bào 3T3 đơn lẻ đã được dánh dấu từ định vị trên các cột nam châm trong cấu trúc từ của nhóm tác giả Ino.
Các nam châm điện kích thước lớn cũng có thể được sử dụng để tác động tới các vi khuẩn. Nhóm nghiên cứu của Kim [55] đã phát triển các vi khuẩn hình quả lê (T-pyrifomis) chứa hạt từ Fe3O4 50 nm bên trong. Sau khi được từ hóa bằng một nam châm NdFeB có độ từ dư tại bề mặt cỡ 196 mT, các vi khuẩn trở thành các lưỡng cực từ và có thể duy trì trạng thái bão hòa từ của chúng trong khoảng 1 giờ. Khi chịu tác
30
động của từ trường ngoài đều 2 mT được tạo ra bởi các cuộn Helmholtz các vi khuẩn sẽ quay theo hướng của từ trường ngoài và di chuyển dọc theo hướng của từ trường ngoài với vận tốc cỡ 786,7 m/s. Bằng cách điều khiển hướng của từ trường, nhóm nghiên cứu đã điều khiển được các vi khuẩn T-pyrifomis tới vị trí mục tiêu.
Ramadan và các cộng sự đã sắp xếp các cuộn dây kích thước micro theo các cách khác nhau để chúng có thể tích hợp với các vi thiết bị, đặc biệt là các thiết bị điều khiển sinh học [87]. Hình 1.13a là một vài cấu hình vi nam châm điện được chế tạo bằng kỹ thuật quang khắc gồm một lớp dây nhôm dày 2 µm lắng đọng trên đế Si/SiO2. Chiều rộng và khoảng cách giữa các sợi dây đều là 10 µm. Diện tích vùng làm việc của từng cấu hình từ trái qua phải là 0,45, 0,44 và 0,36 mm2 với điện trở tương ứng lần lượt là 64, 22 và 39 . Các vi nam châm điện này có thể chịu được dòng chạy qua lên tới 400 mA, và cho giá trị của ∇(𝐵⃗ 2) cỡ 200 T2/m tại tâm cấu hình ở khoảng cách 1 µm so với bề mặt vi nam châm. Tuy nhiên các vi nam châm điện này vẫn cần được làm mát khi được cấp dòng trên 100 mA.
Hình 1. 13. Các cấu hình vi nam châm điện được sử dụng để bắt giữ các vi đối tượng (a) [87], mặt cắt ngang của một vi kênh biểu diễn các vị trí bắt giữ của hạt dọc theo chiều cao của vi kênh (b) [104].
Smistrup và các cộng sự đã sử dụng phương pháp tương tự để phát triển các hệ thống, ở đó các hạt từ bị bắt giữ và giải phóng trên các nam châm điện đặt dưới các
31
kênh dẫn [104]. Trong trường hợp này, hệ thống gồm ba vi nam châm điện, mỗi vi nam châm là một cuộn dây bằng đồng gồm 12 vòng, khoảng các giữa các vòng dây là 20 µm và có thể cho dòng chạy qua lên tới 360 mA. Việc mô phỏng động lực học đã được sử dụng để xác định mối liên hệ giữa vị trí ban đầu của hạt trong kênh dẫn với vị trí bị bắt giữ của nó. Hình 1.13b mô phỏng các vị trí hạt từ bị bắt giữ dọc theo chiều cao z của vi kênh (h là độ cao tối đa từ bề mặt cấu trúc từ mà hạt bị bắt giữ), cho thấy các hạt từ ở gần đáy và các cạnh của cấu trúc từ dễ dàng bị bắt giữ hơn.
Yellen và các đồng sự đã báo cáo về khả năng định vị các hạt phi từ trên ma trận các nam châm với độ chính xác cao [125]. Cấu trúc từ bao gồm các vi nam châm tròn Co dày 70 nm, đường kính 5 µm và được từ hóa theo cùng một hướng với từ độ bão hòa đạt 1 T. Các vi nam châm được sắp xếp với nhau theo hình lục giác hoặc hình chữ nhật với khoảng cách giữa các vi nam châm là 8 µm. Bằng cách thay đổi hướng của từ trường ngoài so với phương từ độ ban đầu của các vi nam châm, các vùng cực tiểu năng lượng (vùng có từ trường nhỏ nhất) sẽ dịch chuyển xung quanh các vi nam châm. Trong khi các hạt từ tính di chuyển và tập trung tới các vị trí có từ trường lớn nhất thì các hạt phi từ lại có xu hướng tập hợp tại các vị trí có từ trường nhỏ nhất phù hợp với sự tác động ngược chiều của lực từ lên hai loại hạt này. Hình 1.14a cho thấy các hạt huỳnh quang phi từ (Latex beads 3 µm) sắp xếp trật tự theo đúng cấu hình của cấu trúc từ phù hợp với tác động của từ trường được tạo ra bởi chính các vi nam châm và nguồn từ trường ngoài.
Hình 1. 14. Các hạt huỳnh quang phi từ Latex beads 3 µm định vị trên bề mặt một dãy các vi nam châm vĩnh cửu Co (a) - thước đo trong hình có giá trị 25 µm [125], các hạt từ NdFeB tự sắp xếp thành các vi nam châm ở dưới vi kênh (b) [50].
32
Issadore và các cộng sự đã sử dụng các hạt NdFeB kích thước micro (125 µm và 8 µm) để tạo ra cấu trúc từ gồm các đám hạt NdFeB có phương từ độ ngược chiều xen kẽ nhau [50]. Sơ đồ của hệ thống vi kênh và các vi nam châm được trình bày trong hình 1.14b. Các hạt NdFeB trong nền polydimethylsiloxane (PDMS) chưa xử lý được từ hóa trong từ trường ngoài (> 1 T) và sau đó tự sắp xếp thành các đám hạt (vi nam châm) trong nền PDMS khi được ủ nhiệt chậm. Cuối cùng, vi kênh, lớp bảo vệ, lối vào, lối ra được xây dựng trên các vi nam châm. Hệ thống này đã được nhóm nghiên cứu sử dụng để lọc các hạt từ Dynabead 1 µm ra khỏi các hạt phi từ polystyrene 2 µm và lọc các tế bào WBC được đánh dấu từ ra khỏi các tế bào ung thư vú SK-Br-3 với độ chính xác cao, ~ 90%.
Ngoài ra, điều khiển và bắt giữ các hạt từ cũng có thể thực hiện được bằng các nam châm sắt từ đơn lẻ mà không cần tích hợp với các kênh dẫn hay các nam châm khác. Một vài nhóm nghiên cứu đã sử dụng các đường dẫn từ micro để điều khiển các hạt từ đơn lẻ. Các đường dẫn từ này là các vách Bloch của vật liệu hoặc các vùng có biến thiên địa phương của từ trường, có thể điều khiển theo thời gian và có thể dịch chuyển khiến cho các hạt từ dịch chuyển theo [46, 58, 97, 117, 121].