Фиалку использовали для создания сверхчувствительных сенсоров

Медицина остро нуждается в технологиях, способных улавливать малейшие биохимические изменения в отдельных клетках – это ключ к сверхранней диагностике тяжелых заболеваний. Один из самых эффективных методов – спектроскопия гигантского комбинационного рассеяния (SERS). Она позволяет получить уникальный «молекулярный отпечаток» клетки, не разрушая ее. Однако существующие на сегодняшний день сенсоры для этого метода либо слишком дороги в производстве, либо недостаточно эффективно удерживают клетки.

В МФТИ нашли решение, обратившись к нанотехнологиям, созданным природой. Ученые разработали метод, который позволяет не просто копировать природные поверхности, а целенаправленно выбирать среди них самые эффективные. Технология начинается с выбора идеального природного шаблона. С помощью метода мягкой литографии текстура, например, лепестка цветка, переносится на силиконовую основу, которая затем покрывается наночастицами золота, усиливающими аналитический сигнал.

Переход от случайного поиска к точному расчету стал достижением команды ученых. Они разработали уникальный алгоритм, который количественно оценивает сложность поверхности с помощью специального «коэффициента сложности» (α): поверхности с высокой субмикронной сложностью (α>20) обеспечивают наилучшие результаты. Это позволяет предсказать, насколько хорошо та или иная структура будет удерживать клетки определенного типа.

«Мы перешли от интуитивного подбора к точному математическому описанию природных структур. Наш алгоритм позволяет рационально выбирать идеальный шаблон для конкретной задачи, будь то анализ крови или биопсия ткани», – рассказала первый автор статьи, старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Мария Баршутина.

Проанализировав с помощью нового метода различные растения, ученые обнаружили, что лепестки растения Анютины глазки (Viola tricolor) обладают уникальной многоуровневой архитектурой: сочетают наноразмерную сложность, надёжно фиксирующую клетку, и полузамкнутые микроскопические полости размером 8–10 микрометров, соответствующим размеру эритроцита.

«Уникальная топография реплики Анютиных глазок создает идеальную ловушку для эритроцита. Клетка мягко фиксируется, а сигнал усиливается в 2–7 раз по сравнению с другими шаблонами. Мы достигли уровня чувствительности, необходимого для перехода к реальным клиническим применениям», – отметил доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией контролируемых оптических наноструктур Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Сергей Новиков.

Разработка предлагает экономически выгодный путь создания передовых диагностических материалов. Технология не требует дорогостоящего оборудования, что значительно снижает себестоимость сенсоров. В частности, подобные сенсоры могут быть использованы в портативных системах для экспресс-анализа крови, необходимых для клиник и для крупных промышленных компаний, заинтересованных в мониторинге здоровья сотрудников в удалённых регионах, включая нефтегазовый и добывающий секторы.

Технология готова к масштабированию. Универсальность метода позволяет адаптировать его для любых типов клеток. Ученые видят потенциал для внедрения технологии в российское здравоохранение и активно ищут индустриальных партнеров.

Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российского научного фонда. Работа опубликована в международном журнале Journal of Materials Chemistry B.

Центр фотоники и двумерных материалов МФТИ – исследовательский хаб мирового уровня, ориентированный на превращение передовой науки в решения для промышленности и общества. Основан в 2016 году, объединяет 10 лабораторий.