Бионанотехнологии

Глобальным трендом в области медико-биологических исследований является расширение спектра биоаналитических методов, основанных на комплексном использовании биосенсорных и микрофлюидных систем. Перспективные разработки НОЦ ФМН сегодня нацелены на создание нового поколения биоаналитических приборов – лабораторий-на-чипе и устройств персонифицированной медицины, которые позволят существенно сократить объемы проб и дорогостоящих реагентов, увеличить скорость анализов, расширить спектр детектируемых биомаркеров, а также миниатюризировать устройства, сделав лабораторные методы диагностики доступными для самых отдаленных населенных пунктов, в долгосрочных экспедициях и для телемедицины.

Разработки в области микрофлюидики команда НОЦ Функциональные Микро/Наносистемы ведет с 2016 года. За 5 лет разработана технологическая платформа создания многослойных микрофлюидных чипов с интегрированными клапанами, интегральные устройства высокоточного управления потоками жидких реагентов на чипе, серия микрофлюидных устройств для прецизионного смешения реагентов на чипе, а также несколько прототипов универсального устройства управления лабораториями-на-чипе. В числе последних разработок команды – биоМЭМС на стеке кремний-стекло.

Безмембранный сенсор потока для лабораторий-на-чипе

В НОЦ ФМН разработан новый интегрированный в микрофлюидный чип безмембранный сенсор потока, основанный на модифицированном термоанемометрическом принципе с системой компенсации изменений температуры среды. Новый сенсор позволяет осуществлять высокоточный контроль потоков непосредственно на микрофлюидном чипе, что недостижимо для существующих внешних измерителей потока и поэтому является важнейшей проблемой, стоящей перед разработчиками интегральной лаборатории-на-чипе. Разработанный в НОЦ сенсор потока позволил снизить мёртвый объём измерительного узла почти в 1000 раз (с 148,5 мкл до 0,15 мкл) в сравнении с использованием внешнего измерительного устройства, что на сегодняшний день представляет собой лучший результат в мире. В результате экспериментальной апробации разработанных сенсоров достигнута чувствительность 12 мВ/(мкл/мин) и точность измерений более 4 мкл/мин в диапазоне 0-80 мкл/мин. Данные параметры не уступают лучшим мировым аналогам от компаний Dolomite (Англия) и Elveflow (Франция).

В 2019 году команда НОЦ ФМН успешно представила свою разработку на Международном форуме «Биотехнология: состояние и перспективы развития 2019» и заняла первое место в конкурсе для молодых ученых. Подробности здесь.

Микрофлюидный чип автоматической сепарации и преконцентрации вирусов и бактерий

Важнейшей задачей диагностики заболевания является быстрое определение вирусной или бактериальной природы инфекции, от чего зависит своевременность и правильность лечения.

Ученые и инженеры НОЦ Функциональные Микро/Наносистемы разработали и изготовили микрофлюидное устройство для автоматического разделения бактерий и вирусов, находящихся в анализируемой пробе, а также увеличения концентрации бактерий для последующего детектирования.

Новый метод позволяет выделять патогены из проб объемом не более 1 мл и является цикличным: в конце каждой операции микрофлюидная система приводится в исходное состояние и готова к сепарации следующей порции пробы. В каждом цикле работы на выходных каналах системы получают фильтрат (вирусы) и концентрат (бактерии), которые могут затем обрабатываться или анализироваться раздельно. Эффективность нового метода, не имеющего сегодня аналогов в мире, достигла 81,33% при скорости сепарации 120,45 мкл/мин. Для режима увеличения концентрации достигнут результат 536% при скорости обработки пробы 1,98 мкл/мин. Разработанный чип найдет применение в устройствах лабораторной диагностики и портативных микрофлюидных девайсах, исключив из алгоритма анализа патогенов. Подробности здесь.

Партнерами ученых и инженеров НОЦ «Функциональные Микро/Наносистемы» МГТУ им. Н.Э. Баумана в данной разработке выступили научные группы ИБХФ РАН им. Н.М. Эмануэля и МГУ им. М.В. Ломоносова.

Чип смешения

Разработанный чип смешения решает одну из наиболее распространенных задач в системах анализа – точного разведения реагентов в заданном соотношении с последующим смешением. Такие манипуляции проводятся миллионы раз в день, например, при смешении крови пациента и реагентов для выявления заболеваний или проверки совместимости пациента с лекарственными средствами.

Чип состоит из микрофлюидной части с каналами высотой 50 и шириной 200 микрометров и детектирующей системы из металлических электродов на стеклянной подложке. Процесс изготовления такого устройства включает десятки технологических операций: от литографии топологии слоев устройства до прецизионной многослойной сборки (бондинга).

БиоМЭМС на стеке стекло-кремний

БиоМЭМС – микрофлюидный чип, выполнен из стека стекло-кремний с оксидом – биосовместимых материалов, обеспечивающих возможность исследовать живые клетки. Жёсткие чипы (в отличие от эластомерных из PDMS) позволяют сохранять геометрию микрофлюидных каналов на протяжении длительного времени. Они долговечны, позволяют изготавливать чипы с меньшими размерами структур и подходят для коммерческого использования.

Разработанный НОЦ ФМН биоМЭМС имеет на борту ряд активных элементов – нагреватели и температурные сенсоры – и выполняет функцию высокоточного измерения потока внутри канала. Выполнен с использованием собственной технологии НОЦ ФМН, включающей плазмохимическое травление кремния на заданную глубину и травление сквозных отверстий в одном цикле с последующим анодным бондингом для формирования стека.