Микрофлюидика приближает будущее

В сентябре Владимир Путин поручил правительству оказать дополнительную господдержку производства малотоннажной химии. До недавнего времени потребности этого сектора экономики обеспечивали в основном за счет зарубежных поставок, однако санкционная политика закрыла большинство каналов.

Развитие отечественного производства оборудования и реактивов —  чрезвычайно наукоемкая и технологически сложная задача. Заметную роль в ее решении могут сыграть микрофлюидные технологии.

Что такое микрофлюидика?

Микрофлюидика — одна из самых молодых наук, она зародилась в 80-е годы прошлого века, а развиваться в заметных масштабах начала лишь в последние 10-20 лет. Микрофлюидика описывает поведение микро- и нанообъемов жидкостей и газов в каналах размером несколько десятков микрон. Эта дисциплина находится на стыке физики, химии и инженерных наук; ее также называют микрогидродинамикой.

Выведение этого направления в самостоятельное обусловлено тем, что физические процессы в жидкостях в микромасштабах отличаются от привычных — в такой системе усиливается роль таких показателей, как сопротивление жидкости или поверхностное натяжение.

Микрофлюидные системы строятся на сети микроканалов на кремниевой, полимерной или стеклянной подложке — микрофлюидных чипах. Эту технологию удобно использовать для синтеза наночастиц.

Области применения

В промышленности химический синтез в тонком канале на основе микрофлюидных технологий  позволяет повысить безопасность и энергоэффективность процесса. Эти методики уже успешно применяются в США и Европе, выходят на азиатские рынки, начинают внедряться в России.

БИОМЕДИЦИНА

— микрофлюидные технологии позволяют получать особые наночастицы, содержащие АФС и обладающие специальным покрытием. Благодаря применению таких наночастиц удается добиться повышения концентрации лекарственного препарата в целевых областях или увеличения времени циркуляции;

— разработаны технологии диагностики биомаркеров, в частности, опухолевых клеток;

— микрофлюидные принципы дали возможность широко использовать метод ПЦР во время пандемии коронавируса и существенно сократить время обработки биоматериалов;

— с помощью микрофлюидики создаются так называемые «органы-на-чипе», что дает возможность непрерывно контролировать  разные параметры, имитировать те или иные физиологические процессы. Построенные на основании этих данных модели  используются для изучения патологий тех или иных органов, тестирования препаратов, исследования различных терапий.

«Допустим, вы разрабатываете вещество для лечения нейродегенеративных заболеваний, — рассуждает директор консалтинговой компании M & S Decisions Кирилл Песков. —  Чтобы препарат попал в мозг, ему нужно пройти через гематоэнцефалический барьер, который, в принципе, не пропускает крупные молекулы из крови в мозг. И чтобы понять, сможет ли лекарство этот барьер преодолеть, надо провести доклинические испытания. Иначе проект может провалиться на заключительной стадии из-за того, что в самом начале вы не учли всех  фармакологических свойств препарата. Микрофлюидные методики выявляют подобные проблемы на очень ранних этапах, позволяя сразу отсеять неперспективные варианты».

ЭКОЛОГИЯ

Система «легкие-на-чипе» может использоваться не только в медицине — она, например, позволяет вырабатывать стратегии оценки атмосферных загрязнителей.

ХИМИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Синтез и производство веществ — одна из ключевых областей применения микрофлюидики. Одно из инновационных направлений, над которым в последнее время активно ведется работа — выпуск оборудования для микрофлюидики.

«С помощью такого оборудования можно выпускать фармацевтические субстанции, действующие вещества для химических средств защиты растений, различные химреактивы в том числе для радиоэлектроники. Такой компактный модуль занимает небольшую площадь, его строительство требует меньших вложений, чем организация полномасштабного производства. Микрофлюидика обеспечивает дополнительную безопасность, экологичность, энергоэффективность процесса. Совокупность этих факторов позволяет снизить себестоимость и улучшить качество выпускаемой продукции», — отметил председатель совета директоров компании ГК «Титан» Михаил Сутягинский.  

НЕФТЕГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Микрофлюидные методы и оборудование значительно упростят исследования распространения газа и жидкостей в пористых средах.

ЖИВОТНОВОДСТВО

В скотоводстве и птицеводстве в качестве добавки к кормам животных используется аминокислота метионин. Производство метионина в промышленных масштабах сопровождается серьезными требованиями к мерам безопасности. Проблема решается путем применения методов микрофлюидного синтеза — вместо огромного реактора в дело вступает устройство объемом несколько миллилитров, что ощутимо облегчает задачу обеспечения безопасности.

Что мешает развитию микрофлюидики в России?

Главная проблема, которая сейчас стоит перед российскими учеными, — отсутствие собственного производства специализированного оборудования, а зарубежные рынки для этого сектора сейчас практически недоступны ввиду экономической ситуации. Поэтому у отечественных компаний зачастую нет технологической базы для развития микрофлюидных технологий.

Президент Российского союза химиков (РСХ) Виктор Иванов обратил внимание на недостаточную научную и технологическую базу и подчеркнул, что отрасли необходимы меры господдержки, без которых перспективы развития подобных сложных направлений представляются крайне сомнительными.

Тем не менее процесс уже пошел, и его не остановить. Мировая практика показала, что в таком сегменте, как малотоннажная химия, около трети процессов требуют применения микрофлюидных технологий. В России разворачивается собственное производство оборудования — в частности, уже в следующем году на базе Передовой школы химического инжиниринга и машиностроения Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева планируют наладить выпуск микрофлюидных устройств для быстрого и эффективного смешивания реагентов. Отечественные разработки позволят наладить производство ряда фармацевтических субстанций, а также полиизобутилена (используется в создании моторных масел), триазола для химических средств защиты растений и других веществ.