Технология позволяет создавать дешёвые и химически стойкие реакторы на чипе на основе стекол.

Сегодня одной из наиболее перспективных альтернатив обычной фармакологической терапии опасных заболеваний, таких как рак или инфаркт миокарда, является адресная доставка лекарств и средств диагностики – тераностика. Данный подход обеспечивает транспортировку препаратов в заданную область организма, отдельного органа и даже клетки при помощи биотехнологических продуктов, например наноразмерных капсул и частиц.

При этом благодаря своей высокой точности тераностика позволяет количественно уменьшить дозу лекарств, необходимых для лечения, а в случае применения токсичных препаратов – снизить общую нагрузку на организм. Однако пока уровень развития технологий не позволяет внедрить этот метод в широкую медицинскую практику. Для этого, в том числе, необходимы эффективные методики синтеза биосовместимых наночастиц, а также подходы к их доклиническим и клиническим испытаниям.

«Мы создали специальные чипы для лабораторного синтеза различных наночастиц биомедицинского назначения, в частности для задач тераностики. Так, для синтеза липосом часто используют химически агрессивные среды, которые совместимы не со всеми материалами, используемыми в микрофлюидике. Так как чипы оптически прозрачны, можно с помощью стандартных методов оценить размер создаваемых структур и то, как они проходят различные участки микрофлюидного чипа. Благодаря тому, что в основе чипов лежит «сэндвич» из стекла, такие системы получаются достаточно химически стойкими и недорогими, а значит, отлично подходящими для массового производства. Основная техническая сложность заключается в обеспечении качественного соединения подобных стёкол». – Доцент кафедры микро- и наноэлектроники (МНЭ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Никита Олегович Ситков

Получившиеся микрофлюидные чипы представляют собой два небольших стекла, соединённых между собой. На их внутренней поверхности создаётся рельеф с микроканалами, геометрия которых строится таким образом, чтобы при смешении потоков различных веществ генерировались капли заданного размера. Существует большое количество методов того, как стекла можно соединять. Учёные ЛЭТИ предварительно проанализировали и систематизировали их в рамках обзорной статьи в научном журнале Mini-Reviews in Medicinal Chemistry.

«Новый подход, предложенный для получения микрофлюидных чипов, предназначенных для синтеза наночастиц, в целом схож с применённым в нашей группе ранее. Но, несмотря на использование по сути той же топологии, синтез магнитных наночастиц с одновременной их инкапсуляцией в биосовместимую оболочку при помощи чипов прежней конструкции оказался невозможен из-за проблем агрегации наночастиц в микрофлюидных каналах и низкой химической стойкости используемых ранее полимерных материалов. Мы рассчитываем, что новые микрофлюидные чипы позволят решить данную задачу». – Доцент кафедры МНЭ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Камиль Газинурович Гареев

Например, стекла можно спекать при высоких температурах (сотни градусов Цельсия), что требует высокоточной настройки параметров отжига (давление, температура, время контроля и т. д.), при этом процессе достаточно высока вероятность получения брака. Другой распространенный метод – использование специального клея. Однако эксперименты показали, что этот подход также отличается сложностями при формировании систем, пригодных к работе с агрессивными растворителями. Поэтому в качестве одного из вариантов соединения стеклянных чипов было предложено использовать сухой плёночный фоторезист, отличающийся повышенной химической стойкостью.

С целью создать более простую методику учёные ЛЭТИ переориентировались на соединение стекол при гораздо более низких температурах (менее 200 градусов Цельсия) с использованием дополнительных химических компонентов, в частности таких, которые не являются токсичными. В качестве такого компонента на поверхность стекла наносился достаточно дешевый и распространенный класс соединений – соли кальция.

Сначала исследователи с помощью технологии автоматизированного мокрого травления создали рельеф каналов заданной глубины и геометрии. Затем обработали поверхность солями кальция и в условиях высокой влажности соединили две половины чипа. Зафиксированные механическими зажимами образцы отправлялись на отжиг в промышленную печь и обрабатывались при температуре около 120–150 градусов Цельсия в течение нескольких часов. Образцы успешно прошли испытания на химическую и механическую устойчивость. Созданные в материалах каналы показали высокую проницаемость. При этом стёкла сохранили свою прозрачность, достаточную для визуализации процессов внутри чипа.

«Наши чипы найдут применение в медицинских и научных центрах, а также в фармацевтических компаниях, которые работают в сфере создания биосовместимых наночастиц для таргетной терапии. Ведь подобные дешёвые устройства можно делать крупными партиями в сравнительно короткие сроки». – Доцент кафедры МНЭ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Никита Олегович Ситков

В исследовании приняли участие учёные ЛЭТИ и НМИЦ им. В. А. Алмазова. Работа частично выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 24-25-00056).