Микрофлюидика
Микрофлюи́дика (микрогидродина́мика) (др.-греч. μικρός — малый и лат. fluidis — текучий) — известна как микрогидродинамика, это междисциплинарная наука (находится на стыке инженерных наук, химии и физики), изучающая поведение жидкостей и газов в микро- и нанообъёмах при движении по каналам размером от нескольких десятков микрон. Как самостоятельное научное направление микрофлюидика начала формироваться в 1980-х годах и получила активное развитие с распространением нанотехнологий в 1990-х годах и продолжает развиваться по настоящее время[1][2].
Микрофлюидные системы выстраиваются на сети микроканалов на микрофлюидных чипах — специальной кремниевой, полимерной или стеклянной подложке. Микрофлюидную технологию используют для синтеза наночастиц, в фармацевтической промышленности, материаловедении и персонализированной медицине[1], с помощью микрофлюидики появляется возможность наглядной демонстрации увеличения или снижения устойчивости нефтяных плёнок между каплями воды в присутствии поверхностно-активных веществ, измерения газового фактора, исследования битумов, асфальтенов, диффузионных процессов, а также растворимости газов в нефти[2].
История[править]
История развития микрофлюидики началась с производства струйных принтеров в 1950-х годах. В основе этих принтеров лежит микрофлюидная технология, предполагающая использование для печати очень маленьких трубок, заполненных чернилами[3]. Дальнейшее развитие микрофлюидики связано с усовершенствованием технологий, предназначенных для миниатюризации транзисторов и изготовления микропроцессоров, которые позволили изготавливать микроскопические каналы и интегрировать их в микросхемы. В 1950-е годы были изобретены первые транзисторы, изготовленные в блоках из полупроводников. Постепенно транзисторы вытеснили лампы, которые раньше применялись для изготовления электронных устройств[4].
В 1960-е годы в связи с развитием космических разработок появилась возможность финансировать исследовательские программы по миниатюризации компьютеров и использовать их в космосе. Развитие фотолитографии позволило миниатюризировать и интегрировать тысячи транзисторов на полупроводниковых, в основном на кремниевых, пластинах. Эти исследования стали первым шагом к созданию интегральных схем и первых микропроцессоров[4].
.jpg){kind=link}
В 1970 году Стивеном Терри из Стэнфордского университета на кремниевой пластине был создан миниатюрный газовый хроматограф (ГХ), интегрированный в кремниевый чип, состоящий из устройства подачи газа, системы отбора проб, капиллярной колонки и небольшого термокондуктометрического детектора. Это устройство считается одним из первых примеров концепции «лаборатория на чипе»[3].
В 1980-е годы использование методов травления кремния, разработанных для микроэлектронной промышленности, позволило сконструировать первое устройство, состоящее из механических микроэлементов, интегрированных на кремниевую пластину (МЭМС)[4]. В конце 1980 года появилась первая партия микроклапанов и микронасосов, изготовленных с помощью кремниевой микрообработки. В последующие несколько лет было предложено несколько систем анализа на основе кремния. Все вышеперечисленные примеры относятся к микрофлюидным системам, поскольку они позволяют, с одной стороны, точно контролировать постоянно уменьшающийся объём жидкости, а с другой — минимизировать размер системы подачи жидкости[3].
В 1990-е годы многие исследователи использовали МЭМС в биологии, химии и биомедицине, для управления движением жидкостей в микроканалах, и внесли значительный вклад в развитие микрофлюидики. Была разработана лаборатория на чипе, интегрирующая почти все процессы, необходимые для полных биологических, химических и биомедицинских протоколов, на одном микрофлюидном чипе. В то время большинство микрофлюидных устройств всё ещё делалось из кремния или стекла, что предполагало ускоренное развитие микроэлектронной промышленности[4].
Первые микрофлюидные устройства изготавливались из кремния и стекла. Однако эти материалы имеют недостатки: высокую стоимость, непрозрачны с низкой воздухопроницаемостью. Исходя из этого использование их в микрофлюидных биотехнологиях не подходило. В 1990 году Джордж Уайтсайдс из Гарвардского университета представил новую концепцию недорогой микрофлюидики, в которой полидиметилсилоксан (ПДМС) использовался в качестве нового материала для быстрого прототипирования микрочипов[3].
В начале 2000-х годов технологии, основанные на формовании микроканалов в полимерах, пережили сильный рост. Снижение себестоимости и сокращение сроков изготовления этих приборов позволило большому количеству лабораторий проводить исследования в области микрофлюидики. В настоящее время микрофлюидные технологии и устройства на их основе успешно развиваются и внедряются в биологию, химию, биомедицину, нефтегазоразведку[4].
Физические основы микрофлюидики[править]
Особенности технологии[править]
Ключевая особенность микрофлюидики заключается в том, что физические процессы в столь малых масштабах принципиально отличаются от привычных макроскопических течений. В микроканалах доминирующую роль начинают играть такие факторы, как поверхностное натяжение, вязкое трение и капиллярные силы, тогда как гравитация и инерция отходят на второй план. Течение жидкостей в этих условиях практически всегда является ламинарным (числа Рейнольдса очень малы), что исключает турбулентность и позволяет точно прогнозировать траектории частиц[4].
Основным инструментом микрофлюидики являются микрофлюидные чипы — системы микроканалов, нанесённые на подложку из кремния, стекла или полимерных материалов. Наиболее популярным материалом для исследовательских целей остается полидиметилсилоксан (ПДМС), который ценится за прозрачность, эластичность, биосовместимость и простоту изготовления методом мягкой литографии[4].
Микрофлюидные чипы[править]
Основной частью микрофлюидных устройств является микрофлюидный чип. Микрофлюидный чип — система, содержащая сеть микроканалов с различной геометрической модификацией. Микроканалы позволяют осуществлять различные операции с флюидами. При создании микрофлюидного чипа используют стеклянную подложку, покрытую тонким слоем металла. После этого на металлический слой наносят требуемую схему каналов, затем из областей каналов удаляют частицы металла до тех пор, пока не получится необходимый результат[2].
В зависимости от применения Для производства микрофлюидных чипов кроме стекла могут использоваться эластомеры: поликарбонат, полидиметилсилоксан (ПДМС), сополимеры циклических олефинов, полиметилметакрилат, полиимид, полиэтилентерефталатгликоль (ПЭТГ), термопластичная полиамидная смола, полиэфирэфиркетон. Для каждого отдельного случая существует возможность выбора наиболее подходящего сырья[2].
Для удаления слоя металла применяют следующие методы[2]:
- Ионное травление — метод, в основе которого лежит использование кинетической энергии ионов инертных газов (в основном аргона). Эмиссия ионов, атомов и кластеров происходит при бомбардировке поверхности ионами.
- Лазерная абляция — метод, при использовании которого микрофлюидные каналы формируются за счет электровзрывного разряда тонких проволок соответствующих сплавов и биметаллов;
- Метод мягкой литографии — метод, в котором сначала изготавливают шаблон, в него заливается эластомер, который при помощи теплового или ультрафиолетового излучения отвердевает и отделяется со слоем отвердевшего полимера.Файл:Modified Flow Focusing Device.pngМодифицированное устройство для технологии микрофлюидики, при которой две жидкости сливаются в одну каплю практически без перемешивания
- PARAFILM — технология создания микрофлюидных чипов на основе термопластичной плёнки Parafilm, которая начинает плавиться при 60°С. Поэтому при использовании данной технологии для создания сэндвич-структуры чипа важным фактором является выбор режима и температуры нагрева при спекании материалов.
- Метод трёхмерной печати или технология Embedded SCAffold RemovinG Open Technology (ESCARGOT) — метод создания микрофлюидного устройства из полидиметилсилоксана (PDMS), в основе которого положено изготовление микроканальной структуры посредством 3D-печати ABS-пластика, после этого эти каркасы суспендируют в жидком силиконовом компаунде (PDMS), оставляют отвердевать при 75 °C в течение 2 часов, затем погружают в ацетон на 12 часов для растворения каркасов, сделанных из ABS-пластика, промывают ацетоном до полного очищения внутреннего канала[2].
«Капельная» микрофлюидика[править]
Капельная микрофлюидика («droplet microfluidics») — технология, позволяющая формировать капли в жидкой среде, осуществлять разнообразные манипуляции с ними и перемещать их по закрытым каналам в различные области микрочипа. Такие капли выступают в роли микрореакторов для проведения биохимических реакций. Для образования капель используют две несмешивающиеся фазы: непрерывную (среда, в которой образуются капли) и дисперсную (фаза капель). Геометрия пересечения двух фаз, скорость потока и свойства жидкости (поверхностное натяжение, вязкость) определяют локальные напряжения, которые деформируют поверхность раздела и приводят к образованию капель[5].
К некоторым особенностям процесса относятся[5]:
- формирование капли начинается как только дисперсная фаза проникает в канал, где течёт непрерывная фаза;
- размер образующихся капель в основном определяется соотношением скоростей потока сплошной фазы и дисперсной фазы, межфазным натяжением между двумя фазами и геометрией каналов;
- вещества или микрочастицы из разных капель могут быть объединены путём коалесценции капель, что позволяет смешать их содержимое;
- после проведения необходимых действий и реакций капли могут быть отсортированы по определённым признакам, а их компоненты извлечены из масляной оболочки.
Распространёнными формами каналов для создания капель являются: Т-образное перекрестие (потоки текут перекрёстно), фокусировка потока, совместно текущие потоки. Капли могут формироваться как пассивно, так и активно[5]:
- пассивное образование — за счёт конструктивных особенностей устройства и выбора условий генерации капель под действием потоков жидкости, вызываемых, как правило, разностью давлений в каналах.
- активное формирование — с использованием внешних источников энергии (электрическое, электромагнитное излучение, тепловые поля, центробежные силы и прочее).
Устройства «капельной» микрофлюидики[править]
Для капельной микрофлюидики используют микрофлюидные чипы с каналами различной геометрии, глубины и свойствами поверхности. Например[5][6]:
- Чипы для одного реагента — для получения монодисперсных капель, например, масла в воде. Выпускаются чипы с Т- и Х-образным типом соединения каналов[7].
- Чипы с параллельной генерацией капель — для высокопроизводительных систем, в них сформировано шесть независимых каплеобразующих межканальных переходов, в конечном итоге сходящихся в один широкий канал, по которому монодисперсная эмульсия поступает из чипа во внешнюю систему.
- Чипы для непрерывного управляемого формирования одной капли из двух капель различного состава — в конструкции чипа предусмотрена камера объединения[6].
Микрофлюидные чипы «капельной» микрофлюидики[править]
Для капельной микрофлюидики используют чипы разной конструкции[6]:
- Чипы-микрореакторы предназначены для смешивания и реакций двух или трёх жидких реактивов в потоке с целью быстрого и эффективного химического анализа, используются для создания новых лекарств и синтеза соединений, обеспечивают работу при температурах до 150°С и давлении до 30 бар, благодаря хорошим оптическим свойствам можно контролировать ход реакции визуально или при помощи оптических методов, поверхность каналов возможно металлизировать платиной (такое покрытие химически стойкое и выполняет функцию катализатора различных химических реакций).
- Чипы-микромиксеры разработаны для смешивания до трёх потоков жидкостей за несколько миллисекунд в каждом из двух независимых смесительных каналов, в котором расположены 12 смесительных каскадов с внутренним объём каждого 0,37 мкл. При объединении этих каналов возможно смешивание до пяти потоков. Причём габариты чипа — всего 22,5×15 мм. Такие чипы необходимы для изучения кинетики реакции, разведения образца, повышения селективности реакции, для задач быстрой кристаллизации и синтеза наночастиц.
- Чипы с Т- и Y-образным соединением каналов отличаются геометрией, материалом покрытия стенок (например, металлизацией платиной), толщиной подложки (до 150 мкм, что важно для задач микроскопии). Чипы с Y-образной конфигурацией каналов могут применяться для исследований диффузии и наблюдения тока жидкости в двух прямых микроканалах. Чипы с Т-образным межканальным переходом обладает длинным змеевидным каналом (278 мм). Возможно исполнение со срезанным торцом, что позволяет непосредственно выводить поток капель в объём жидкости.
- Чип с пористой структурой предназначен для моделирования сложной пористой структуры горных пород. В таком чипе из стекла сформирована сетка каналов со 150 ячейками размером 2×2 мм. Каждая ячейка образована сеткой из пересекающихся восьми вертикальных и восьми горизонтальных каналов с почти круглым профилем сечения (100×110 мкм). В пересечениях каналов сформированы сужения (поры) диаметром 85 и 63 мкм, часть пересечений выполнена без сужений. Поры различных типов распределены по ячейке псевдослучайным образом, чтобы имитировать структуру горных пород. Общая длина каналов на таком чипе составляет 4,8 м. Такие микрочипы используют, например, в задачах нефтегазодобычи и геологических исследованиях в целом, в химической промышленности, при экологических испытаниях и анализе подземных вод.
- Чип со встроенной мембраной представляет собой микрофлюидный чип с одним змеевидным каналом, разделенным мембраной по горизонтали[6].
Применение «капельной» микрофлюидики[править]
Технология капельной микрофлюидики используется в различных областях, например[7]:
- Создание эмульсий, пен, гелей, золей и аэрозолей.
- Инкапсуляция частиц — клеток, ДНК или магнитных шариков.
- Синтез лекарственных форм, доставка лекарств с помощью полимерных частиц.
- Молекулярная диагностика методом полимеразной цепной реакции (ПЦР) — технология основана на проведении генетических анализов в «каплях-микрореакторах».
- Исследование отдельных клеток и изучение процессов их функционирования. Например, с помощью капельной микрофлюидики можно осуществлять секвенирование генома сотен тысяч отдельных клеток и определять уровень экспрессии различных генов.
- Синтез полимерных и гидрогелевых микрочастиц — в них можно упаковать различные клетки, лекарственные препараты, жидкие кристаллы и другие объекты. Такие микрочастицы могут использоваться в качестве микроконтейнеров для управляемой доставки лекарственных препаратов, 3D-печати тканей и органов, в качестве микролинз и подвижных элементов в устройствах нанофотоники.
Применение в биомедицине[править]
Наиболее впечатляющие успехи микрофлюидных технологий связаны с биомедициной. Одним из ключевых направлений стала разработка систем «лаборатория-на-чипе» («lab-on-a-chip»), позволяющих проводить сложные биохимические анализы на миниатюрном устройстве с использованием минимальных объёмов реагентов. В биомедицине микрофлюидная технология позволяет создавать устройства, которые решают задачи от сверхточной диагностики до моделирования работы человеческих органов[8].
Микрофлюидика в диагностике[править]
Главное преимущество микрофлюидных систем в диагностике основано на способности анализировать образцы крови с беспрецедентной точностью, выявляя единичные аномальные клетки среди миллиардов здоровых. Одним из самых перспективных направлений является обнаружение циркулирующих опухолевых клеток (ЦОК). Эти клетки, отделившиеся от первичной опухоли, путешествуют по кровотоку и являются предвестниками метастазов[9].
Для выявления этих клеток используют:
- Технология DLD — основана на разработке чипов методом детерминированного бокового смещения (DLD). Массив микроскопических столбиков заставляет частицы двигаться по разным траекториям в зависимости от их размера, позволяя отделить крупные опухолевые клетки от нормальных эритроцитов. Управляемые DLD-устройства используются для репродуктивной медицины. Они способны отбирать сперматозоиды в условиях, максимально приближенных к естественным[10].
- Аптамерные чипы — чипы, внутренняя поверхность камеры которых покрыта ДНК-аптамерами («синтетическими антителами»), проходя через которые, раковые клетки прикрепляются к стенкам, подобно липучке, что позволяет их обнаружить на самом раннем этапе[9][11].
Благодаря интеграции и преимуществам микрофлюидных технологий в область портативной клинической диагностики появилась возможность быстро выполнять весь процесс — от сбора и обработки образцов до их обнаружения и анализа — рядом с пациентом. При экспресс-диагностике инфекционных заболеваний микрофлюидное оборудование для количественного анализа проб крови может за короткое время определить наличие патогенов, таких как новый коронавирус, вирус гриппа, что является основой для принятия ключевых решений по профилактике и борьбе с эпидемиями, а также для своевременного лечения пациентов. Метод петлевой изотермической амплификации (LAMP) на чипе позволяет выявлять инфекционные заболевания, включая вирус оспы обезьян (Mpox), с визуальной детекцией результата и использованием портативных насосов, работающих от батареек. В период пандемии COVID-19 микрофлюидные технологии позволили существенно ускорить обработку биоматериалов при проведении ПЦР-тестов[12].
При диагностике сердечно-сосудистых заболеваний микрофлюидика позволяет быстро определить маркеры поражения миокарда, что помогает врачам с первого раза поставить точный диагноз и составить план лечения. При ранней диагностике рака микрофлюидная технология позволяет обнаруживать крайне малые количества опухолевых маркеров, таких как циркулирующая опухолевая ДНК, экзосомы. Это мощный инструмент для раннего выявления и лечения онкологических заболеваний, который значительно повышает выживаемость и качество жизни пациентов[12].
Репродуктивные технологии[править]
Микрофлюидная технология позволяет осуществлять отбор сперматозоидов с использованием специального микрофлюидного устройства — микрожидкостного чипа (также известен как «фертичип»). Этот метод позволяет отбирать наиболее жизнеспособные и морфологически нормальные сперматозоиды без дополнительной обработки или центрифугирования. Технология подходит для всех видов программ вспомогательных репродуктивных технологий (ВРТ), включая ЭКО, ИКСИ (интрацитоплазматическая инъекция сперматозоида) и ВМИ (внутриматочная инсеминация)[10].
Микрофлюидика позволяет имитировать естественные условия репродуктивного тракта для отбора сперматозоидов. Созданные чипы способны воспроизводить течение жидкости, градиент температуры и химических веществ (рео-, термо- и хемотаксис). Это позволяет отобрать наиболее здоровые сперматозоиды для ЭКО без механического повреждения, минимизируя влияние человеческого фактора[10].
Техническая база: микронасосы и микроклапаны[править]
Для миниатюризации и интеграции устройств в микрофлюидную систему требуются приводные и управляющие элементы крошечных размеров. Микронасосы и микроклапаны позволяют интегрировать сложные операции с жидкостями на крошечный чип, благодаря чему всю систему можно легко переносить и использовать без дополнительных крупных внешних устройств, что соответствует требованиям таких областей применения, как портативные устройства для однократного применения, для которых важна высокая мобильность. В биомедицине, химическом анализе и других областях требуется точный контроль потока жидкости, скорости и направления потока[12].
Точность диагностических микрофлюидных систем обеспечивается работой микронасосов и микроклапанов. Они выполняют роль «сердца» и «сосудов» чипа, обеспечивая дозированную подачу жидкостей, смешивание реагентов и разделение образцов. Эти компоненты важны при создании портативных устройств для экспресс-диагностики (POCT) и сенсорных устройств[12].
На основе двух ключевых технологий — микронасосов и микроклапанов — был создан ряд мощных и разнообразных функциональных компонентов. Микрофлюидные элементы благодаря продуманной конструкции и гидродинамическим принципам позволили эффективно концентрировать и обогащать целевое вещество в образце, эффективно накапливать даже очень низкие концентрации биомаркеров, что значительно повысило чувствительность обнаружения. Например[12]:
- при обнаружении редких циркулирующих опухолевых клеток в крови обогащающий элемент может отделить и сконцентрировать эти редкие клетки от множества других клеток крови, создавая условия для их последующего точного обнаружения; разделительный элемент использует физико-химические характеристики клеток или биомолекул (размер, плотность, заряд и т. д.) для их точного разделения;
- при разделении лейкоцитов разделительный элемент может быстро и точно отделить лейкоциты от цельной крови, предоставив чистые образцы для диагностики и исследования заболеваний крови;
- смесительный элемент обеспечивает полное и равномерное смешивание реагентов в ограниченном пространстве, что значительно повышает эффективность и точность реакции;
- экстракционный элемент позволяет целенаправленно извлекать целевые компоненты (определенные белки или нуклеиновые кислоты) из сложных биологических матриц образцов, обеспечивая чистоту целевых компонентов для последующего аналитического определения;
- очищающий элемент дополнительно гарантирует точность и надежность результатов определения за счёт удаления примесей и мешающих веществ.
Микрофлюидные функциональные компоненты играют важную роль в биомедицинских технологиях обнаружения и имеют широкий спектр применения. С помощью микрофлюидных датчиков, которые вживляются в кожу, можно в режиме реального времени отслеживать содержание таких метаболитов, как глюкоза и молочная кислота, в поте, что является удобным средством для ежедневного контроля состояния пациентов с диабетом. С помощью интеллектуальных коммуникационных технологий эти данные могут передаваться на мобильные устройства медицинских бригад или отдельных специалистов в режиме реального времени, что позволяет осуществлять дистанционный мониторинг состояния здоровья и раннее предупреждение[12].
Микрофлюидика и моделирование живых тканей[править]
Диагностические чипы анализируют пробы. Для моделирования живых тканей в микрофлюидных технологиях используют пластиковые или силиконовые пластины с полыми каналами, выстланные живыми человеческими клетками. Через каналы прокачивается питательная среда, имитирующая кровообращение человека. Такие чипы называют «органами-на-чипе» («Organ-on-a-Chip»), они имитируют физиологические процессы человеческого организма, позволяют изучать действие лекарств и патологические процессы без проведения экспериментов на животных или людях[13].
Такой подход позволяет:
- тестировать новые лекарства не на животных, а на точной копии человеческого органа, что этичнее и часто точнее, чем опыты на мышах[13];
- внедрить персонализированную медицину, взяв у пациента биопсию раковой опухоли, вырастив клетки на чипе и проверив на десятке препаратов с целью выбора единственного, который убьет рак, не повредив здоровые ткани[14].
Современные исследования охватывают практически все системы организма. В таблице 1 приведены примеры моделирования органов на чипе.
| Таблица 1 — Примеры моделирования органов на чипе | ||
|---|---|---|
| Тип системы | Примеры разработок | Потенциальное применение |
| Отдельные органы | Лёгкие, сердце, печень, почки, мозг, поджелудочная железа, кишечник, роговица[14][15] | Тестирование токсичности, изучение физиологии органа, скрининг лекарств |
| Онкологические модели | Рак молочной железы, глиобластома (опухоль мозга)[15] | Изучение метастазирования, тестирование химиотерапии |
| Мульти-органные системы | Системы «тело-на-чипе», «плаценты-на-чипе», культивируя клетки трофобласта и эндотелия в микрофлюидных каналах, связывающие 2-4 органа[16] | Изучение системного действия препаратов и взаимодействия органов |
.jpg){kind=link}
Микрофлюидика в материаловедении и синтезе наночастиц[править]
Микрофлюидные методы открывают уникальные возможности для контролируемого синтеза функциональных материалов, позволяют управлять реакционной средой с беспрецедентной точностью, что критически важно для создания наночастиц с заданными свойствами. Если в колбе или реакторе процессы смешения зачастую хаотичны, то в микроканалах они становятся предсказуемыми и точно контролируемыми[17].
В микроканалах возможен синтез полимерных, липидных и гидрогелевых частиц, а также неорганических наноматериалов. Точный контроль размера, морфологии и поверхностной химии частиц особенно важен для создания систем доставки лекарств, где даже незначительные отклонения в характеристиках могут влиять на эффективность терапии. Например, технология позволяет получать наночастицы с особым покрытием, обеспечивающим длительную циркуляцию препарата в кровотоке или его накопление в целевых органах[18].
Главная идея микрофлюидики в материаловедении — это переход от синтеза «в объёме» к синтезу «в потоке» с высочайшим уровнем контроля[17]. К преимуществам микрофлюидного синтеза относятся:
- Скорость и эффективность: из-за малых масштабов соотношение площади поверхности к объёму резко возрастает, что ускоряет химические реакции, например, появилась возможность сократить время синтеза металл-органических каркасов (MOFs) с 72 часов до одной минуты[19];
- Контроль размера и формы: в микрофлюидном чипе можно точно управлять условиями реакции (концентрация, температура, время смешения), что позволяет получать наночастицы с узким распределением по размерам (монодисперсные) и нужной морфологией;
- Воспроизводимость: в отличие от «ручного» синтеза в колбе, автоматизированный процесс на чипе даёт одинаковый результат от эксперимента к эксперименту, что критически важно как для науки, так и для промышленности[20];
- Безопасность и экономичность: работа с микролитровыми объёмами снижает расход дорогих или токсичных реагентов, а герметичность чипов защищает исследователя от контакта с опасными веществами[19].
Микрофлюидные платформы позволяют синтезировать широчайший спектр материалов. Основные классы материалов приведены в таблице 2.
| Тип материала | Примеры | Ключевое применение |
|---|---|---|
| Неорганические | Золото (15-35 нм), серебро (сферы, нанозвёзды). Синтез золотых наночастиц с управляемым размером: разработана акустофлюидная платформа с колеблющимися микростолбиками, которые создают вихри для эффективного перемешивания реагентов. Эта система позволяет получать золотые наночастицы (AuNPs) с точно заданным средним размером от 15 до 35 нм[21]. | Биосенсоры, катализ, оптика, усиление сигнала |
| Металл-органические каркасы (MOFs) | На основе меди и никеля. Синтез в микрофлюидном чипе позволил получать наночастицы металл-органических каркасов с большим количеством дефектов структуры. Такие «дефектные» частицы лучше подходят для адсорбции и последующего контролируемого высвобождения лекарств (например, под действием лазера)[19]. | Адресная доставка лекарств, очистка воды, хранение газов |
| Полимерные и липидные | Полимерные частицы, липидные наночастицы (LNPs), частицы типа «ядро-оболочка» | Доставка генетических материалов (м-РНК), адресная доставка лекарств |
| Гидрогелевые | Микрогели, микрочастицы для инкапсуляции клеток | Тканевая инженерия, 3D-клеточные культуры |
Нефтегазовая промышленность и микрофлюидика[править]
Для повышения коэффициента извлечения нефти применяются методы увеличения нефтеотдачи (МУН): химические, газовые, тепловые и комбинированные. Стандартные методы лабораторных исследований для подбора и оптимизации технологий МУН и интенсификации притока требуют больших затрат времени и ресурсов, а также кернового материала, который часто бывает в дефиците. Для оптимизации подбора реагентов и технологий разработки месторождений применяется микрофлюидная технология для проведение экспериментов в пластовых условиях с использованием микрофлюидных чипов с пористой структурой, воспроизводящих свойства керна целевого месторождения[22].
Микрофлюидные технологии в нефтегазовой промышленности применяются для исследования технологических процессов, например, поведения жидкостей и газов внутри нефтяных пластов. Разные типы чипов воссоздают разные элементы нефтяного пласта: один копирует по́ровое пространство — сеть микроканалов, имитирующих пути движения нефти и воды в реальной породе, другой — отражает пористый каркас породы, его матрицу, третий — воспроизводит трещины гидроразрыва пласта (они образуются, когда в горную породу закачивают жидкость под высоким давлением)[23].
Чипы, используемые в нефтеразведке — кремниевые двойники керна, которые по своим параметрам полностью повторяют образец и детально отражают его характеристики. Таких чипов можно изготовить тысячи — и проводить на них лабораторные эксперименты с очень небольшими объёмами жидкости. Для того чтобы получить микрофлюидный чип, необходимо создать цифровой двойник керна. С помощью рентгеновского компьютерного томографа образец породы просвечивают и создают его трехмерную виртуальную копию. Копию воспроизводят на стеклянном или кремниевом микрофлюидном чипе методом литографии: при помощи света или электронного пучка на материале формируют микроскопические каналы. Получается двухмерный физический двойник керна — миниатюрная модель пласта. Структура внутри чипа при этом детально повторяет характеристики настоящего керна[23].
Такие микрочипы можно делать сотнями и даже тысячами: в результате учёные получают идентичные образцы керна, на которых проводят эксперименты. При экспериментах на чипах можно увидеть, как жидкость или реагенты вытесняют нефть, а также оценить эффективность гидроразрыва. Кроме того, «лаборатория на микрочипе» дает возможность определить минимальное давление, при котором газ полностью смешается с нефтью и вытеснит её на поверхность максимально эффективно. Все эти данные нужны инженерам, чтобы подобрать нужные реагенты и оценить потенциал добычи на конкретном месторождении[23]. Основными преимуществами проведения тестов в микромоделях являются низкая продолжительность и возможность визуализации процессов фильтрации, которая позволяет оценить поведение флюидов в пластовых условиях[22].
Перспективные направления микрофлюидики[править]
Развитие современной микрофлюидики связано с автоматизированными системами, которые интегрируются с цифровыми технологиями и определяют будущее диагностики, фармацевтики, материаловедения и персонализированной медицины:
- Высокопроизводительный скрининг (High-Throughput Screening): Традиционный подбор условий синтеза (температура, концентрация реагентов) — это долгий процесс проб и ошибок. Микрофлюидные чипы позволяют проводить десятки и сотни реакций параллельно за считанные минуты. Например, разработанный корейскими учёными центробежный чип DC-UltraScreen-90 способен автоматически генерировать 90 различных условий реакции всего за 3 минуты для быстрого поиска оптимального синтеза наночастиц серебра[24].
- Синтез под управлением искусственного интеллекта: создание «интеллектуальной микрофлюидики», в которой чип работает в связке с алгоритмами машинного обучения и в реальном времени анализирует получаемые частицы (например, по оптическим сигналам) и корректирует параметры потока для достижения идеального результата. В ЮФУ уже разрабатывают такие системы, где компьютерный алгоритм помогает подбирать параметры реакции и предотвращать нежелательное осаждение металлов на стенках каналов чипа[25].
- 3D-печать микрофлюидных устройств: традиционное производство чипов в стерильных условиях («чистых комнатах») — дорого и продолжительно по времени; 3D-печать открывает возможность быстрого и дешёвого прототипирования устройств со сложной геометрией каналов, которую невозможно получить обычными методами, что позволяет сделать микрофлюидную технологию более доступной для небольших лабораторий[20][26].
Также перспективными направлениями развития микрофлюидики исследователи называют: интеграцию с искусственным интеллектом для оптимизации процессов синтеза, автоматизацию микрофлюидных систем и внедрение экологически устойчивых («зелёных») методов производства. Объединение микрофлюидики с бесклеточными системами открывает путь к созданию синтетических клеток, способных выполнять заданные биологические функции[27].
Литература[править]
- Дагирманов А. М., Дагирманова Д. М. Микрофлюидика и ее применение в нефтегазовой отрасли // Успехи современной науки : журнал. — 2016. — том 2. — № 7. — С. 161—162.
- Джураева Е. Н., Лазарева Е. О., Королев Д. В. Микрофлюидные технологии, синтез нанообъектов для тераностики. — Наука настоящего и будущего, 2021. — С. 53—55.
- Занавескин М. Л., Миронова А. А., Попов А. М. Микрофлюидика и ее перспективы в медицинерусский // Молекулярная медицина : журнал. — 2012. — № 5. — С. 9—16.
- Тепляшина Е. А., Моргун А. В., Салмин В. В., Салмина А. Б. Микрофлюидика в биологии и медицине. — Красноярск: Красноярский государственный медицинский университет имени профессора В. Ф. Войно-Ясенецкого, 2015. — 46 с.
Примечания[править]
- ↑ 1,0 1,1 Микрофлюидика приближает будущее. Naked Science. Проверено 16 февраля 2026.
- ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 «Микрофлюидные устройства, их изготовление и применение. Обзор.».
- ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 The History of Microfluidicsангл.. Alfa Chemistry. Проверено 18 февраля 2026.
- ↑ 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 «Микрофлюидные процессы как элемент природоподобных технологий».
- ↑ 5,0 5,1 5,2 5,3 «Принципы, технологии и устройства «капельной» микрофлюидики. Ч.1 (обзор)». ISSN 0868-5886.
- ↑ 6,0 6,1 6,2 6,3 «Микрофлюидные чипы – конструктор для разработчика».
- ↑ 7,0 7,1 Капельная микрофлюидика. Готовый набор для экспериментов. Азимут Фотоникс. Проверено 17 февраля 2026.
- ↑ «Микрофлюидные технологии в изучении и моделировании гематоэнцефалического барьера».
- ↑ 9,0 9,1 Разработана конструкция чипа для раннего обнаружения метастаз. Российская академия наук (2025-01-23). Проверено 18 февраля 2026.
- ↑ 10,0 10,1 10,2 Перспективы применения микрофлюидной системы в репродуктивной медицине. Российская академия наук (2025-10-09). Проверено 18 февраля 2026.
- ↑ Чип обнаружит метастазы. Академгородок (2025-01-23). Проверено 18 февраля 2026.
- ↑ 12,0 12,1 12,2 12,3 12,4 12,5 «Микронасосы и микроклапаны для биомедицинских применений».
- ↑ 13,0 13,1 Ученые РФ нашли способ проверять действие фармпрепаратов на любой орган человека. Московский Комсомолец (2025-12-02). Проверено 18 февраля 2026.
- ↑ 14,0 14,1 В БГМУ Минздрава России работает молодежная лаборатория Евразийского НОЦ «Биоинженерные тест-системы для персонализированной медицины» - первая в Башкортостане научная лаборатория по созданию органов-на-чипе. Научно-образовательные центры мирового уровня. Проверено 18 февраля 2026.
- ↑ 15,0 15,1 «Достижения в области микрофлюидных систем и численного моделирования в биомедицинских приложениях: обзор».
- ↑ Что такое органы и органоиды на чипе?. MED-OOC. Проверено 18 февраля 2026.
- ↑ 17,0 17,1 https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12566220/. Национальная медицинская библиотека США (2025-09-28). Проверено 18 февраля 2026.
- ↑ «Производство микрофлюидных устройств, напечатанных на 3D-принтере, для синтеза липосомальных препаратов с лекарственными веществами».
- ↑ 19,0 19,1 19,2 В ИТМО предложили синтезировать MOFs методом микрофлюидики. Это в несколько раз быстрее и эффективнее, чем традиционные способы. ИТМО.Новый физтех. Проверено 18 февраля 2026.
- ↑ 20,0 20,1 В МИИ ИМ ЮФУ разработали микрофлюидные чипы для ускоренного синтеза новых материалов. Международный исследовательский институт интеллектуальных материалов Южного федерального университета (2023-11-29). Проверено 18 февраля 2026.
- ↑ «Акустофлюидные полимерные микростолбики для эффективного микросмешивания и синтеза наночастиц».
- ↑ 22,0 22,1 ««Лаборатория-на-чипе»: микрофлюидика для исследования пластовых систем и оптимизации добычи нефти».
- ↑ 23,0 23,1 23,2 «Как уместить подземный мир в микрочипе».
- ↑ Один чип меняет представление о синтезе наноматериалов. Университет Кёнхи (2025-12-29). Проверено 18 февраля 2026.
- ↑ Саид М. М., Карти И., Данн Н., Кинахан Д. Достижения в области синтеза наночастиц с помощью микрофлюидики. Национальная медицинская библиотека США (2025-05-24). Проверено 18 февраля 2026.
- ↑ В В Южном федеральном университете создают 3D-печатные микрожидкостные чипы. 3D Today (2023-11-30). Проверено 18 февраля 2026.
- ↑ «Микрофлюидика и её перспективы в медицине».
См. также[править]
 | Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Знание.Вики» («znanierussia.ru») под названием «Микрофлюидика», расположенная по следующим адресам:
Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Знание.Вики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?». |
|---|