Лаборатория на ладони: как микрофлюидика меняет науку от нефти до медицины

Представьте себе маленький чип размером в несколько сантиметров, оснащенный всевозможными микроканалами, сенсорами, насосами и другими компонентами. Такое устройство напоминает классическую электронную микросхему. Только вместо тока по каналам протекает жидкость, например, раствор реактива или клеточная суспензия. Так выглядит «лаборатория-на-чипе» — миниатюрная система, способная заменить целый комплекс научного оборудования. Для чего используют эти микролаборатории? Как с их помощью выращивают органы? Рассказываем в нашем материале.

В малых объемах

Хотя микрофлюидика считается относительно молодой сферой, первые разработки появились еще в 80-х годах XX века. Крошечные микроэлектромеханические системы — так называемые МЭМС — изначально задуманные для микроэлектроники, со временем нашли свое применение в химии и биологии. Идея «упаковать» в один миниатюрный прибор стандартные лабораторные процедуры привлекала ученых.

Что особенного в этих технологиях? Они позволяют работать с крайне малыми объемами жидкости и газа, повышая точность и эффективность анализа. При этом время на исследование и обработку информации значительно сокращается, объясняет технический директор компании LABADVANCE, резидента Сколково, Евгений Шилов.

«В этих системах можно проводить химические и биологические процессы: смешивать жидкости, проводить различные реакции, анализировать состав веществ. Контролировать процесс удается за счет высокой площади поверхности по отношению к объему и равномерного распределения потоков. Благодаря этому реакцию можно „держать под контролем“: поддерживать стабильную температуру, регулировать давление и задавать точное время прохождения смеси через канал», — говорит эксперт.

В «лаборатории-на-чипе» можно управлять практически любыми жидкостями: от водных растворов до вязких органических соединений. Для агрессивных или высоковязких сред используют стальные или химически стойкие чипы. Поскольку обычно все протекает в масштабах микролитров и миллилитров, расход реагентов небольшой. Это делает эксперименты безопасными, отмечает научный сотрудник LABADVANCE Максим Грибинча.

В основном такие устройства создают из полидиметилсилоксана (ПДМС). Этот прозрачный, эластичный и газопроницаемый полимер хорошо подходит для научных исследований в микромасштабе. Иногда используют поликарбонат, полиметилметакрилат и другие термопласты.

Ламинарные потоки и капли-реакторы

Посмотрим на микрофлюидные чипы поближе. Конструкция большинства этих устройств напоминает пирог из двух слоев, объясняет Максим Грибинча. В нижнем слое проделаны каналы небольшого размера: от нанометров до микрометров. Они позволяют сохранять ламинарность потоков*. Верхний слой нужен для герметичности.

Чтобы подвести капилляры с необходимым флюидом, в основании каналов делают отверстия. Микрофлюидный чип помещают в специальную ячейку, в которой контролируют температуру и удерживают давление внутри. Другой конец капилляра подключают к шприцевому или перистальтическому насосу с датчиком давления: он позволяет перекачивать жидкость с очень низкими расходами — буквально десять нанолитров в минуту.

«Результат зависит от цели конкретного микрофлюидного чипа. Если это нефтяное направление — мы получаем видео, где можем в режиме прямой трансляции наблюдать вытеснение нефти. Если это синтез — на выходе мы получаем само вещество. Используя специальные детекторы, можно провести первичный анализ качества продукта. Все результаты собираем и исследуем для улучшения технологии», — комментирует специалист.

Управляя жидкостями в этих устройствах, можно также наблюдать особые эффекты, которых практически невозможно добиться в обычной пробирке из-за турбулентности, инерции потоков и гравитации. В этой системе потоки становятся предсказуемыми, а перемешивание и разделение регулируются за счет сложной геометрии микроканалов. Если нужно перемешать жидкость, используют специальные каналы, либо встраивают в чип дополнительные внешние приборы.

Еще одно преимущество микрофлюидных технологий: в таких чипах можно «дробить» жидкость на капли нужного размера и вводить в них различные агенты. Получается своего рода микрореактор — капля, в которую заключена, например, живая клетка или молекула ДНК. Таким образом ученые могут отслеживать все стадии химических превращений и контролировать условия среды в режиме реального времени.

Универсальный инструмент

Для науки микрофлюидика является универсальным инструментом — в химии, биологии и материаловедении она позволяет ускорять исследования и экономить ресурсы. «Лаборатории-на-чипе» используют в медицине, экологии, сельском хозяйстве, нефтегазовой и химической промышленности, телекоммуникациях.

«Микрофлюидика — это по своей сути междисциплинарная область, возникшая на стыке микроэлектроники, материаловедения и современных производственных технологий. В нашей компании мы опираемся на научный фундамент, чтобы разрабатывать собственные решения: выпускаем специализированное оборудование и ведем исследовательские проекты для компаний в нефтегазовой, химической, биотехнологической и фармацевтической сферах», — рассказывает научный сотрудник компании LABADVANCE Максим Грибинча.

Например, в нефтегазовой промышленности эти устройства используют, чтобы повысить коэффициент извлечения нефти, разрабатывать новые полимеры, оптимизировать органический синтез.

Одна из разработок, которые производят в компании: микрофлюидный чип, имитирующий керн — фрагмент горной породы, извлеченный из скважины в процессе бурения. Структура внутри чипа (внешне он выглядит как пластина из стекла и кремния) детально повторяет характеристики настоящего керна. С его помощью специалисты могут исследовать строение горных пород в месторождениях. Это устройство ученым уже удалось протестировать на территории Ачимовских песчаников Восточно-Уренгойского месторождения в Западной Сибири. По сравнению с настоящими кернами из скважин, на таком приборе можно проводить неограниченное количество опытов. На анализ уходит гораздо меньше времени: несколько дней вместо месяца.

В сельском хозяйстве микрофлюидные технологии помогают масштабировать производство пестицидов и удобрений, обеспечивать медленное высвобождение удобрений в почву (проводить инкапсуляцию). В экологии с их помощью можно проводить экспресс-мониторинг качества воды, воздуха, почвы, обнаруживать загрязняющие вещества, в том числе тяжелые металлы и бактерии, оценивать токсичность образцов. Кстати, о такой разработке в НИТУ МИСИС мы недавно рассказывали здесь.

Микрофлюидика полезна и в космосе. На борту космических аппаратов, где критически важна минимизация веса и ресурсов, компактные системы хорошо подходят для медицинских и биологических экспериментов.

«Орган-на-чипе»

Наиболее активно микрофлюидные технологии проникают в медицину, помогая ученым находить решения в сфере репродуктивных технологий, онкологии, тканевой инженерии и персонализированной диагностики. «Лаборатории-на-чипе» используют для экспресс-анализа, тестирования лекарств, моделирования органов, изучения клеточных процессов и других задач. Подробнее об этом рассказывает доцент, заведующая лабораторией прикладной микрофлюидики Института регенеративной медицины Сеченовского Университета Анастасия Шпичка.

В зависимости от конструкции один чип может выполнять как всю цепочку задач (от подготовки образца до детекции сигнала), так и обеспечивать статистический набор данных. Это снижает риск человеческой ошибки, повышает точность исследований и дает возможность для массового скрининга, поясняет эксперт.

«В Сеченовском Университете мы работаем над микрофлюидным чипом для отбора сперматозоидов, который может в дальнейшем снизить трудозатраты при проведении процедур, связанных со вспомогательными репродуктивными технологиями, в частности, ЭКО. Еще один проект: „органы-на-чипе“. Сейчас мы занимаемся созданием систем, воспроизводящих кожу, включая ее микробиом, и печень. Такие устройства позволяют испытывать широкий спектр различных агентов, включая лекарственные препараты, так как эти органы участвуют в их метаболизме и выведении из организма», — говорит Анастасия Шпичка.

Как выглядит «кожа-на-чипе»? Это небольшая пластина с несколькими резервуарами, соединенными сетью микроканалов диаметром около ста микрометров. В центральный резервуар помещают эквивалент кожи, созданный методом трехмерной биопечати из нескольких типов клеток — кератиноцитов и фибробластов. Его жизнеспособность поддерживается благодаря боковым резервуарам. Специалист помещает тестируемое лекарство или косметическое средство в центральный резервуар и отмечает, как оно влияет на ткань.

«Мы уже успешно разработали прототип. Сейчас отрабатываем протоколы, как пользоваться такими устройствами, чтобы любой мог бы получить точный и стабильный результат. Уже в этом году планируем начать внедрять его в практику на базе Сеченовского Университета. Наибольший интерес он представляет, в первую очередь, для фармацевтических и косметических компаний», — делится эксперт.

Быстрее, точнее, эффективнее

Может показаться, что «лаборатории-на-чипе» — всего лишь инструмент в руках продвинутых специалистов, ускоряющий процесс исследований. Однако потенциал этого направления гораздо шире, подчеркивает научный сотрудник компании LABADVANCE Максим Грибинча.

По его словам, микрофлюидные технологии — это платформы для инноваций, позволяющие моделировать физиологические условия для медицинских и косметических направлений, проводить высокоточные анализы и синтез в тонкой химии. Их значимость заключается в снижении затрат, повышении чувствительности и этичности исследований.

Важную роль микрофлюидика может сыграть в малотоннажной химии — одном из приоритетных направлений развития науки в нашей стране. К этой области относятся реактивы, которые обычно нужны в небольших объемах, но без которых невозможно создать итоговый продукт: красители в текстильной промышленности, пестициды в агрохимии, пищевые добавки, антиоксиданты, катализаторы, растворители и многое другое. Микрофлюидные технологии могут ускорить их производство, сократив время и расходы на исследования.

«Микрофлюидная технология имеет высокий потенциал для роста, особенно в областях, где требуется быстрая и низкозатратная обработка малых объемов. Но их развитие сталкивается с техническими барьерами и финансовой нерентабельностью. Масштабировать такие технологии возможно, если увеличить объем самого чипа или их количество. Для всех этих методов нужна стандартизация, которую можно реализовать за счет инжекционного литья или 3D-печать металла или пластика», — добавляет Максим Грибинча.

Новые кадры

Как и любая новая перспективная научная область, сегодня эта сфера нуждается в молодых специалистах. «Мы решаем это, создавая доступное оборудование и обучая партнеров», — отмечает технический директор LABADVANCE Евгений Шилов.

В российских вузах, наравне с учебными программами по таким востребованным направлениям, как искусственный интеллект, уже появляются курсы по микрофлюидным технологиям. Получить навыки в этой области можно, например, в Тюменском государственном университете по магистерской программе «Инжиниринг микро- и наносистем», на физическом факультете Университета ИТМО, а также в Сеченовском Университете.

«Наша образовательная программа „Микрофлюидные системы: основы дизайна и фабрикации“ знакомит с такими методами, как 3D-печать (включая стереолитографию, DLP*), лазерная гравировка, микромолдинг* и другими технологиями. Она создана при поддержке программы „Приоритет 2030“. Основная аудитория — это врачи и биологи, которые хотят узнать про микрофлюидику с нуля», — комментирует заведующая лабораторией прикладной микрофлюидики Института регенеративной медицины Сеченовского Университета Анастасия Шпичка.

По ее словам, барьеры в этой отрасли действительно пока остаются — регуляторные и производственные. Важно понимать, что микрофлюидика как технология — это часть большинства современного оборудования.

«Если говорить о самих чипах, то в основном речь идет о лабораторной диагностике. Преимущества, которые они дают, помогают этой области развиваться дальше. И мне кажется, с каждым годом мы будем видеть с вами все больше и больше таких устройств», — заключает ученый.

Анна Шиховец