Учёные ЛЭТИ разработали микрофлюидные чипы для синтеза медицинских наночастиц

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».

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».

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».

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

Работа ведётся в русле научно-исследовательской политики программы развития СПбГЭТУ «ЛЭТИ» «Приоритет-2030», национального проекта «Молодёжь и дети» и инициативы Десятилетия науки и технологий.