Российские нанотехнологии, 2024, T. 19, № 3, стр. 386-389

Микрофлюидика – перспективная область научных исследований, которая изучает поведение жидкостей в микро- и наномасштабах. Эта технология нашла широкое применение в различных областях, включая медицину, аналитику, фармакологию, экологию, исследования биологических систем и нанотехнологии. Рассмотрим значение микрофлюидных процессов в рамках природоподобных технологий и их потенциал для развития новых методов и приложений.

Микрофлюидика – область знания, находящаяся на стыке физики, химии, биологии и инженерных наук, изучающая поведение жидкостей и газов в микро- и наномасштабах. В микрофлюидике применяются миниатюрные каналы, структуры и устройства, с помощью которых можно контролировать и управлять сверхмалыми потоками жидкостей и газов.

Микрофлюидика возникла в конце 1980-х гг. и с тех пор стала одной из наиболее активно развивающихся исследовательских областей. Она нашла применение в таких отраслях, как нано- и биотехнологии, фармацевтика, медицина, анализ и контроль качества, энергетика и других.

Одна из важных особенностей микрофлюидики заключается в том, что она позволяет работать с очень малыми объемами жидкости или газа, что снижает расход реагентов и повышает чувствительность и точность анализа, а также сокращает время анализа, обработки и получения образцов: к примеру, при использовании традиционных методов новый материал появляется в течение нескольких лет, в то время как микрофлюидные технологии сокращают этот срок до месяцев.

Применение микрофлюидики в медицине, например, позволяет разработать новые методы диагностики и лечения заболеваний, создать портативные медицинские устройства для быстрой диагностики, улучшить процессы биопроизводства и т.д. Также микрофлюидика находит применение в разработке микросистем для обнаружения вредных веществ, анализа состава пищевых продуктов, качественного контроля воды и других областях.

Последние несколько десятилетий микрофлюидика тесно переплетается с дисциплинами химии, биологии и материаловедения и играет значительную роль в разработке природоподобных технологий, которые воссоздают, копируют, имитируют природные феномены и структуры.

Эффективное управление и анализ микрофлюидных процессов можно воспроизвести и оптимизировать в соответствии с естественными принципами и законами природы. Отметим перспективные применения микрофлюидных процессов в различных областях.

Медицина. Микрофлюидные технологии позволяют разрабатывать приборы для диагностики и мониторинга заболеваний, а также для доставки лекарственных препаратов. Это открывает возможности для более точной и персонализированной медицины [1].

Биотехнология. Микрофлюидика используется для создания биомиметических устройств, которые могут анализировать биологические пробы, такие как кровь или ткани, и проводить исследования в области биомедицины и генной терапии [2].

Аналитика. В области аналитики микрофлюидные технологии используются для проведения точных анализов биологических и химических образцов, что позволяет улучшить процессы диагностики и мониторинга [3].

Фармакология. Микрофлюидные устройства могут использоваться для исследования воздействия лекарственных препаратов на клеточном уровне, а также для создания новых способов доставки лекарств [4].

Экология. Микрофлюидные технологии могут помогать в мониторинге качества воды, анализе загрязнений и изучении поведения микроорганизмов в окружающей среде [5].

Водоочистка. Природоподобные технологии в микрофлюидике могут использоваться для создания более эффективных методов очистки воды от загрязнителей и микроорганизмов [6].

Агрономия. Микрофлюидные технологии могут применяться для анализа почвы, растений и улучшения методов их обработки и ухода [7].

Нанотехнологии. В области нанотехнологий микрофлюидика может применяться для создания наночастиц, нанореакторов и других наноматериалов [8].

Производство энергии. Микрофлюидные технологии могут использоваться в разработке новых методов для преобразования энергии, включая солнечные батареи и топливные элементы [9].

Телекоммуникации. Микрофлюидные процессы могут быть применены в создании микрофлюидных устройств для передачи и обработки сигналов, что открывает возможности для создания более компактных и эффективных технологий связи [10].

Энергетика. Микрофлюидные системы могут быть использованы для разработки микротурбин или микрогенераторов. Они могут помочь улучшить энергетическую эффективность и уменьшить излишнее потребление ресурсов [11].

Кроме того, микрофлюидные процессы имеют перспективы применения в космической исследовательской отрасли [12]. Благодаря своей способности работать с малыми объемами жидкости они могут помочь в создании микрореакторов и микробиолабораторий для анализа образцов в космической среде.

Животные и растения используют микроканалы для транспортировки питательных веществ, жидкостей, клеток и молекул на большие расстояния (рис. 1). Например, у взрослого человека для транспортировки жидкости используется сердечно-сосудистая система с более крупными артериями, венами и меньшими капиллярами, а также лимфатическая система [13]. Размеры каналов в сердечно-сосудистой системе составляют в диаметре от 5 мкм до 4 мм и у взрослого человека могут быть протяженностью около 100  000 км. Вся сосудистая система подвергается механическим воздействиям. Долгое время исследователи стремились понять не только природу и свойства сосудов, но и сложное поведение крови и ее компонентов, протекающих по организму человека. В настоящее время использование микрофлюидных устройств для имитации природных систем позволяет со все большей точностью получать информацию о клеточных и молекулярных процессах в таких сложных системах.

Рис. 1.

Микрофлюидные природные системы.

В обзоре [14] дано подробное описание истории и современных версий “лабораторий-на-чипе”, которые позволяют с высокой точностью воспроизводить размеры, механические свойства и биологическую сложность сосудистых систем. Области применения включают в себя обнаружение патологических изменений в эритроцитах, лейкоцитах и тромбоцитах с высокой чувствительностью и возможность проведения оценки эффективности медикаментозного лечения. Недавние усилия были направлены на разработку микрофлюидных устройств, пригодных для воспроизведения таких сложных заболеваний, как тромбоз. Растущая сложность микрофлюидных моделей в дальнейшем придаст им большую клиническую значимость и может в итоге привести к использованию микрофлюидных сосудистых моделей в клиническом применении.

В обзоре [15] рассматриваются прогресс и вызовы, с которыми сталкиваются в настоящее время исследователи при создании нового класса портативных терапевтических искусственных легких на основе микрофлюидных устройств. Точная воспроизводимость функций может быть реализована благодаря размерам элементов и конструкции кровеносных каналов, которые точно имитируют те, что встречаются в их естественных аналогах. Они могут иметь площадь поверхности и объем в разы меньше, чем у современных клинических технологий, тем самым уменьшая размер устройства и уменьшая реакцию на инородное тело; содержать разветвленные сети каналов, копируя по основным характеристикам таковые в легких человека, улучшая биосовместимость; эффективно работать с комнатным воздухом, исключая необходимость использования газовых баллонов; обладать биомиметическим гидравлическим сопротивлением, позволяющим работать при естественном давлении и устраняющим необходимость в кровяных насосах; обеспечивать повышенную газообменную способность. Если все указанные преимущества будут реализованы в микрофлюидных устройствах и оставшиеся проблемы решены, то искусственные легкие могут совершить революцию в области легочной реабилитации.

Растения также имеют сложную сосудистую систему капилляров, которая транспортирует воду и питательные вещества [16]. Например, каналы в листьях, представляющие собой основной орган растений для фотосинтеза, могут доставлять питательные вещества к остальной части растения. Эту особенность использовали в [17] для создания искусственных систем со встроенными микрофлюидными каналами и усовершенствованной способностью реагировать на изменения окружающей среды. Растения реагируют на сигналы окружающей среды посредством движений, что вдохновило исследователей внедрить чувствительные к температуре, влажности и освещенности материалы в устройство со складной геометрией. Принцип, лежащий в основе такой трансформируемой микросистемы, потенциально может быть распространен на приложения, требующие взаимодействия между окружающей средой и устройствами, такие как динамические искусственные сосудистые сети и гибкая электроника, адаптирующаяся к форме.

Это лишь несколько примеров перспектив применения микрофлюидных процессов. Чтобы полностью реализовать данный потенциал и достичь перспектив, необходимо преодолеть некоторые технические и технологические вызовы. Некоторые из них включают в себя контроль и управление микромасштабными потоками, распределение жидкости на малых поверхностях и интеграцию микрофлюидных систем с другими технологиями, а также применение искусственного интеллекта и машинного обучения для более прецизионного управления разрабатываемыми устройствами. С развитием технологий улучшаются возможности создания более сложных микрофлюидных систем, что открывает новые горизонты для их использования в природоподобных технологиях.

Микрофлюидные процессы играют важную роль в развитии природоподобных технологий. Их способность копировать природные физико-химические процессы открывает широкие перспективы для разработки инновационных методов и технологий, которые могут стать незаменимыми в медицине, аналитике, фармакологии, биотехнологии, экологии и других значимых областях. Изучение и применение микрофлюидных процессов в природоподобных технологиях играет ключевую роль для научного сообщества, стремительного развития науки в условиях новых вызовов и угроз, с которыми столкнулось наше государство. Преодоление данных вызовов обеспечит технологический суверенитет России.