Микрофлюидика: и наука, и технологии, и рынок
Зачем нужны микрочипы, в которых вместо тока — жидкость
Микрофлюидные чипы, в которых по узким каналам движутся крошечные капли жидкости, уже применяют в медицине, фармацевтике, химической промышленности и других областях. Рынок микрофлюидной техники в США и Китае быстро растет, во многом благодаря значительной государственной поддержке компаний и организаций. Эксперты считают, что России тоже нужны программы государственного финансирования для развития микрофлюидных технологий.
Фото: dinesh jatav / unsplash.com
Фото: dinesh jatav / unsplash.com
Микрофлюидные технологии сродни нано-и квантовым технологиям — речь о проникновении техники в микромир. Но особенность микрофлюидных систем в том, что они работают с микроскопическими объемами жидкостей.
Сначала словом «микрофлюидика» или «микрогидродинамика» называли междисциплинарную науку, изучающую закономерности поведения жидкостей и газов, движущихся по узким каналам внутри герметичных миниатюрных устройств — микрочипов. Микрофлюидика как наука начала формироваться в 1980-х годах, но серьезное развитие получила только в 2010-х годах. А вслед за наукой появилось целое направление развития технологий и новый складывающийся рынок.
Практически все крупные мировые микрофлюидные компании появились недавно, в 2010-х. Они производят микрофлюидные чипы — компактные устройства с сетью микроканалов, вытравленных или отлитых в материале подложки стеклянной, кремниевой или полимерной. Микроканалы соединяются для смешивания, перекачки, сортировки или для контроля биохимической среды. Жидкости в таких каналах подчиняются особым законам. Для связи с миром на чипе есть входы и выходы, через которые в чип вводятся и удаляются жидкости или газы.
Для дозирования химических субстанций в микроканалы чипа применяются специальные высокоточные насосы. Они обеспечивают правильное соотношение химических веществ и точное регулирование времени реакции. Благодаря тому что насосы и чипы работают непрерывно, производительность системы может быть достаточно высока. Например, небольшой насос производительностью 200 мл/мин может заменить периодический реактор объемом 300 л.
Микрофлюидные технологии позволяют работать с крошечными пузырьками и каплями, с отдельными живыми клетками, с наночастицами, такими как квантовые точки, за синтез которых Алексею Екимову с коллегами недавно присудили Нобелевскую премию по химии 2023 года. В процессе исследований можно наблюдать за изучаемыми объектами, контролировать их и управлять ими. Реакции на чипе проходят в закрытых системах, где исключено смешивание, а объемы реагентов минимальны. В результате можно выполнять в миниатюрном формате исследования, невозможные ранее,— например, в каплях малых объемов обеспечиваются условия для изоляции и изучения клеток или молекул.
Технологии на основе микрофлюидных систем очень многообразны. В медицине применяются устройства для целевой доставки лекарственных средств, основанные на эффектах микрофлюидики,— например, инсулиновая помпа. Есть микрофлюидные технологии и для диагностики множества различных биомаркеров, таких как опухолевые клетки, или белки из крови пациентов. Спрос на диагностические инструменты на основе микрофлюидики подстегнула пандемия COVID-19, в частности, стал широко использоваться метод ПЦР, а время получения результатов анализа сократилось на порядок.
Поэтому сейчас самый обширный сегмент рынка микрофлюидных систем — устройства для больниц и диагностических центров. А еще это академические и исследовательские учреждения, химическая и косметическая индустрия, био- и фармкомпании.
Это может быть охлаждающая система в высокопроизводительных микросхемах, в которых по микроканалам прокачивается охлаждающая жидкость. Или, например, микрореакторы для лучшего смешивания реагентов, или устройства для роста кристаллов белков, или диагностические биочипы с возможностью определять одновременно несколько веществ в составе исследуемого вещества. Принципы «капельной микрофлюидики» используются для производства косметических средств на основе эмульсий, синтеза наночастиц, мониторинга окружающей среды.
Микрофлюидика позволяет создавать близкие к физиологическим условия для культивирования клеток разных типов. В микрофлюидных устройствах можно организовать непрерывный мониторинг различных параметров с помощью встраиваемых датчиков. Такие устройства стали известны как «органы-на-чипе» — они позволяют разрабатывать релевантные модели для изучения развития органов, болезней, тестировать лекарства, разрабатывать стратегии лечения. Это важно не только для медицины, например, система «легкие-на-чипе» позволяет разрабатывать новые стратегии оценки атмосферных загрязнителей. Методика «лаборатория-на-чипе» позволяет создавать самые разные миниатюрные высокоточные аналитические системы.
По данным Data Bridge Market Research, мировой рынок микрофлюидики, объем которого в 2022 году составлял $23,17 млрд, достигнет $70,93 млрд к 2030 году при среднегодовом темпе роста 15,01% с 2023 по 2030 год. Аналитики сходятся во мнении, что сейчас самый быстрорастущий рынок — Азиатско-Тихоокеанский регион, а крупнейший — Северная Америка.
До недавних пор все оборудование для микрофлюидики в России было импортным. Однако теперь в стране начинается производство собственного микрофлюидного оборудования: насосов и реакторов. С их помощью российские компании смогут выпускать фармацевтические субстанции, косметику, пестициды, нефтехимию, химреактивы — одним словом, различную мало- и среднетоннажную химическую продукцию, которая так сейчас востребована в России.
В сентябре президент России поручил правительству организовать господдержку производства малотоннажной химии. В мировой химической промышленности происходит сдвиг от крупнотоннажной химии к более тонким наукоемким продуктам и миниатюризации химических процессов, дающих на выходе небольшое количество зачастую уникальных веществ. И в России уже принята «дорожная карта» по развитию производства малотоннажной химии, призванная обеспечить через десять лет производство продукции на 240 млрд руб. Важную роль в этом производстве, как и во многих других, должна сыграть микрофлюидика.
Сейчас на долю микрофлюидики приходится только 1,5% общего объема химического производства в мире, но, по мнению экспертов, микрофлюидика может занять заметное место в секторе малотоннажной химии. По словам председателя совета директоров ГК «Титан» Михаила Сутягинского, компания прорабатывает вопрос использования микрофлюидных технологий в химической и нефтехимической промышленности. Их планируется применять при производстве востребованной продукции малотоннажной химии в рамках импортозамещения — для получения средств защиты растений, лекарств и их компонентов и других востребованных соединений. По словам топ-менеджера, преимущества микрореакторных установок в том, что они легко масштабируются, в них можно безопасно проводить химические процессы при практически любых температурах и давлении, а синтез идет без образования побочных продуктов.
«Такой компактный модуль занимает небольшую площадь, его строительство требует меньших вложений, чем организация полномасштабного производства. Микрофлюидика обеспечивает дополнительную безопасность, экологичность, энергоэффективность производственного процесса. Совокупность этих факторов позволяет получить другую себестоимость, улучшить качество выпускаемой продукции»,— говорит Сутягинский.
Но эксперты указывают и на ограничения в использовании микрофлюидных технологий. Как отмечает президент Российского союза химиков Виктор Иванов, это в первую очередь связано с незначительным количеством получаемого конечного высокочистого продукта, что отлично подходит, например, для фармацевтики, но в целом далеко не для всех отраслей экономики. К тому же в России развитие микрофлюидики тормозит недостаточная научная и технологическая база, говорит глава РСХ. По его мнению, такие сложные направления будут иметь перспективы только при поддержке государства.
Перемены, связанные с внедрением микрофлюидных технологий, затронули и фармацевтику. «Сейчас микрофлюидные технологии используются в первую очередь в доклинических исследованиях лекарств, чтобы удешевить и сократить их»,— подтверждает Кирилл Песков, директор M&S Decisions, консалтинговой компании, помогающей фармкомпаниям разрабатывать новые лекарства.
Разработка оригинальных инновационных препаратов — это очень консервативная область, которая складывалась десятки лет. Она включает большой и четко определенный набор исследований — сначала доклинических, на первых этапах даже in vitro, «в пробирке», потом на животных. А дальше идут несколько фаз, клинических исследований, которые проводятся уже на людях. До пациентов лекарство доходит в среднем через 12 лет. Микрофлюидика помогает заменить ряд доклинических исследований, сэкономив время, деньги и жизни животных. А другая задача — сделать доклинические исследования более информативными, чтобы на самых ранних этапах разработки, еще «в пробирке», получать информацию, необходимую для принятия разработчиками решений о том, будет ли потенциальное лекарство помогать больным или нет. Микрофлюидика позволяет как бы имитировать «в пробирке», на чипе, те или иные физиологические процессы, например, показать, будет ли ваш препарат поступать в нужный орган. Допустим, вы разрабатываете препарат для лечения нейродегенеративных заболеваний. Чтобы он попал в мозг, ему нужно пройти через гематоэнцефалический барьер, который в принципе не пропускает крупные молекулы из крови в мозг. И чтобы понять, пройдет ли через него ваше лекарство, надо провести доклинику. Иначе получится, что вроде бы вы все придумали, сделали молекулу, которая классно связывается с перспективной мишенью, но в итоге ваш проект проваливается, потому что вы не учли всех ее фармакологических свойств. А микрофлюидные методики помогут узнать такие свойства на очень ранних этапах, сразу отсеять неперспективных кандидатов.