Что такое микрофлюидика?

Микрофлюидика, иногда называемая микрогидродинамикой, – междисциплинарная область науки на пересечении физики, химии и инженерии и включает в себя молекулярный анализ, молекулярную биологию и микроэлектронику. Она занимается изучением поведения микро- и нанообъемов жидкостей и газов в каналах, размеры которых составляют всего несколько десятков микрон. Возникла еще в 1980-х годах, однако активно начала развиваться только в последние 10–20 лет. Стоит отметить, что физические процессы в микромасштабах существенно отличаются от обычных, усиливая влияние таких факторов, как вязкость жидкости и поверхностное натяжение. Достижения в прикладной микрофлюидике привели к быстрому формированию крупного мирового рынка микрофлюидных технологий, участники которого производят широкий спектр продукции – от микрофлюидных чипов (компактных устройств с сетью мельчайших каналов, созданных путем травления или литья на стеклянной, кремниевой или полимерной основе) до биомаркеров и лекарственных средств, крайне востребованных в медицине. Специалисты российской ГК «Титан» считают, что основные преимущества микрофлюидного синтеза многочисленны и разнообразны:

  1. Он легок в использовании и масштабировании, что позволяет быстро переходить от лабораторных исследований к промышленному производству, значительно сокращая время и затраты. К тому же микрофлюидные системы обеспечивают высокий уровень безопасности как для операторов, так и для окружающей среды. Минимизация рисков связана с сокращением объемов реагентов и отходов, а также с возможностью проведения реакций в закрытых системах.
  2. Высокая степень автоматизации микрофлюидных систем позволяет точно контролировать все аспекты процесса, что ведет к повышению качества продукции и уменьшению человеческого фактора. Реакторы обеспечивают идеальное смешивание реагентов и эффективный теплообмен, что критически важно для многих химических процессов. Это обеспечивает равномерность реакций и предотвращает образование нежелательных побочных продуктов. Микрофлюидные системы могут функционировать при высоких давлениях и в сверхкритических условиях без необходимости специального сертифицирования, что расширяет возможности их применения для различных типов реакций.
  3. Технология позволяет проводить широкий спектр химических реакций, включая экзотермические, эндотермические, нитрование, гидрирование и хлорирование, что делает ее идеальной для сложных многоступенчатых синтезов.
  4. Микрофлюидные  системы позволяют сокращать размеры установок в десять раз и экономить электроэнергию до семи раз, что делает их экономически выгодными и удобными для использования в различных условиях.
  5. Непрерывный характер микрофлюидного синтеза обеспечивает постоянное производство продукции, увеличивая общую производительность процесса.

Области применения микрофлюидики – от фармацевтики к агрохимии

Активные фармацевтические ингредиенты обычно представляют собой сложные органические молекулы. Их создание из коммерчески доступных химических соединений крайне сложно, длительно и затратно. Человечеству необходимо множество различных лекарственных средств, но объем потребления каждого из них сравнительно мал. В то же время ассортимент фармацевтической продукции на рынке весьма обширен, хотя спрос на каждый конкретный продукт в абсолютных цифрах невелик. Поэтому производство активных фармацевтических ингредиентов часто относится к области малотоннажной химии, где использование микрофлюидных технологий экономически целесообразно. Непрерывный поиск новых биологически активных молекул требует разработки методов их синтеза и проведения множества экспериментов, что особенно удобно с использованием микрофлюидного оборудования.

– Научная группа из Ростокского университета доказала, что с помощью микрофлюидного синтеза можно производить холекальциферол (витамин D3) – важное биологически активное вещество, участвующее в обеспечении всасывания кальция и фосфора из пищи через стенки тонкого кишечника. При этом дефицит витамина D является очень распространенным явлением и затрагивает около 10–12% людей.

– Исследовательская группа из Миланского университета с помощью технологии микрофлюидики радикально ускорила синтез GABA-стимуляторов, используемых для лечения рассеянного склероза.

– Ученые Манчестерского университета, применив проточный электрохимический микрореактор, осуществили при комнатной температуре синтез производных L-пролина, которые используются для лечения широкого спектра заболеваний, в том числе сердечной недостаточности.

– Первостепенной задачей в производстве косметических изделий является обеспечение их безопасности для человека. Новые продукты проходят обязательное тестирование для минимизации рисков аллергических реакций, токсичности, канцерогенности и возникновения других нежелательных последствий как в процессе использования потребителями, так и во время испытаний.

– В Институте Кюри (Франция) предложили использовать микрофлюидное устройство, оснащенное множеством каналов, для создания различных концентраций компонентов потенциального косметического продукта, воздействующего на целевые клетки. Это значительно ускорит процесс тестирования, поскольку множество экспериментов будет проводиться одновременно в строго контролируемых условиях. Микрофлюидные технологии открывают новые горизонты в анализе и синтезе компонентов косметических средств. Примером этого может служить синтез наночастиц серебра, широко используемых в косметической промышленности российскими и зарубежными компаниями, благодаря их выдающимся антибактериальным, десенсибилизирующим, антисептическим и даже солнцезащитным свойствам.

– В Юго-восточном университете (Нанкин, Китай) был реализован перспективный проект по разработке методики микрофлюидного синтеза квантовых точек для изготовления биосенсоров, доставки лекарств и лечения рака. Применяемые на данный момент квантовые точки обладают высокой токсичностью, по этой причине их использование имеет серьезные ограничения. Междисциплинарная группа исследователей в области биомедицины, химии и инженерных наук разработала микрофлюидное устройство с сегментированным потоком жидкой фазы, разделенной инертным газом, для точного контроля времени удержания реакционной смеси и получения биосовместимых квантовых точек с целевыми параметрами. Китайским ученым удалось достичь миллисикундной точности контроля времени реакции на каждом этапе синтеза, что, очевидно, представляется совершенно невозможным при использовании классических методов химического синтеза. В будущем на основе синтезированных квантовых точек и применения микрофлюидных технологий планируется создать автоматизированные «лаборатории-на-чипе», которые позволят производить экспресс-анализ на онкомаркеры.

– В агрохимической индустрии используется широкий спектр химических соединений, в том числе токсичные пестициды, гербициды, инсектициды и фунгициды. К тому же эти соединения быстро разлагаются на открытом воздухе, теряют активность и могут серьезно загрязнить окружающую среду. Эффективным решением этих сложных задач может стать применение технологии микрокапсулирования активных веществ. Подобные формы агрохимикатов обладают увеличенным временем действия и меньшим воздействием на окружающую среду. Кроме того, они позволяют сократить количество используемого препарата, что экономически выгодно. Но основной проблемой микрокапсулированных форм является их высокая стоимость, обусловленная низкой монодисперсностью при использовании традиционных методов микрокапсулирования, где доля капсул нужного размера обычно не превышает 1–5%.

Новаторское решение этой проблемы было предложено исследователями из Санкт-Петербургского государственного технологического университета. Они разработали микрофлюидное устройство, способное генерировать монодисперсные микрокапсулы размером 250 микрометров. Устройство, созданное методом лазерной абляции металла, отличается высокой производительностью, подходящей для промышленного использования. Ключевым преимуществом является то, что размер микрокапсул контролируется конфигурацией каналов микрофлюидного устройства, а не случайными процессами, характерными для суспензионной или дисперсионной полимеризации. Это позволяет значительно увеличить долю капсул желаемого размера по сравнению с традиционными методами.

Конечно, приведена только малая часть направлений, в которых микрофлюидная технология уже крайне востребована и широко используется. Страны и компании, активно инвестирующие в развитие и внедрение микрофлюидных технологий, устанавливают стандарты в отрасли. Отставание России в этой области может привести к потере рыночных позиций и утрате значительных экономических возможностей.

Разработка и производство микрофлюидного оборудования становится стратегически важной задачей. Создание высокоточных, надежных и эффективных микрофлюидных устройств требует не только передовых знаний в области инженерии и материаловедения, но и значительных инвестиций в исследования и разработки, что способствует прогрессу в научных исследованиях и промышленном производстве, открывает путь для создания новых рабочих мест и стимулирования экономического роста. В конечном итоге вложения в микрофлюидные технологии и оборудование являются вложениями в будущее, где инновации и технологическое лидерство определяют успех на глобальной арене.