Микрофлюидные чипы, в которых по узким каналам перемещаются мельчайшие капли жидкости, находят применение в медицине, фармацевтике и химической промышленности. Рынок микрофлюидных технологий в США и Китае быстро растет, что во многом связано с активной государственной поддержкой. Эксперты утверждают, что России также необходимо развитие программ государственного финансирования для усиления позиций в этой области.
Микрофлюидные технологии, подобно нанотехнологиям, являются проникновением науки в микромир и работают с микроскопическими объемами жидкостей. Термин «микрофлюидика» изначально обозначал междисциплинарную науку, которая изучает поведение жидкостей и газов в узких каналах миниатюрных устройствах — микрочипах. Эта область науки начала активно развиваться с 1980-х годов, но значительный рывок произошел только в 2010-х.
Совсем недавно возникшие крупные мировые компании в сфере микрофлюидики специализируются на производстве чипов с сетью микроканалов, созданных в стеклянных, кремниевых или полимерных подложках. Эти каналы используются для смешивания, перекачки и сортировки жидкостей, а также для мониторинга биохимических реакций. Движение жидкостей в микроканалах подчиняется специфическим законам, а для взаимодействия с внешней средой на чипах предусмотрены входы и выходы, через которые поступают и выводятся жидкости или газы.
Для дозирования химических веществ в микроканалы чипа используются высокоточные насосы, которые обеспечивают правильное соотношение и точное регулирование времени реакции.
Благодаря непрерывной работе насосов и чипов, система демонстрирует высокую производительность: например, насос с производительностью 200 мл/мин может заменить реактор объемом 300 л.
Микрофлюидные технологии позволяют работать с крошечными каплями и отдельно взятыми клетками, а также с наночастицами, такими как квантовые точки, за синтез которых Алексею Екимову и его команде была вручена Нобелевская премия по химии в 2023 году.
Эти технологии позволяют наблюдать и контролировать реакционные процессы в закрытых системах, исключая смешивание и минимизируя объемы реагентов.
Это открывает новые возможности для исследований в миниатюрном формате, ранее недоступные, например, изолирование и изучение клеток или молекул в каплях малых объемов.
Микрофлюидные системы находят применение в медицине, включая устройства для нацеленной доставки лекарств, такие как инсулиновая помпа. Также они используются для диагностики различных биомаркеров, включая опухолевые клетки и белки в крови.
Пандемия COVID-19accelerated спрос на диагностические инструменты на основе микрофлюидных технологий, особенно метод ПЦР, что значительно сократило время получения результатов анализов.
На сегодняшний день крупным сегментом рынка микрофлюидных систем являются медицинские устройства, используемые в больницах и диагностических центрах, а также в исследовательских и академических учреждениях, индустрии химии и косметики, а также в биофармацевтике.
Эти системы применяются для охлаждения высокопроизводительных микросхем, где через микроканалы проходит охлаждающая жидкость, и представляют собой микрореакторы, обеспечивающие эффективность смешивания реагентов, устройства для кристаллизации белков и биочипы для одновременной диагностики нескольких веществ.
Принципы капельной микрофлюидики находят применение в производстве косметики на основе эмульсий, синтезе наночастиц и мониторинге окружающей среды. Данная технология создает близкие к физиологическим условиям для культивирования различных клеток и позволяет вести непрерывный контроль параметров с использованием встроенных датчиков.
Такие устройства, известные как «органы-на-чипе», позволяют моделировать органы и болезни, тестировать медикаменты и разрабатывать новые методы лечения. Например, система «легкие-на-чипе» дает возможность оценивать влияние атмосферных загрязнителей.
Методика «лаборатория-на-чипе» предлагает создание миниатюрных и высокоточных аналитических систем.
Согласно исследованиям Data Bridge Market Research, общий объем мирового рынка микрофлюидики, который в 2022 году составлял $23,17 млрд, прогнозируется на уровне $70,93 млрд к 2030 году, с ожидаемым среднегодовым темпом роста 15,01% в период с 2023 по 2030 год.
В настоящее время эксперты отмечают рост Азиатско-Тихоокеанского региона как самого быстроразвивающегося рынка, в то время как Северная Америка остается крупнейшим.
В России, после длительного периода зависимости от импорта, началась разработка собственного микрофлюидного оборудования, включая насосы и реакторы. Это позволит отечественным предприятиям производить разнообразные химические продукты — от фармацевтических субстанций до косметики и пестицидов, что соответствует современным потребностям рынка.
В сентябре текущего года президент России дал распоряжение о поддержке производства малотоннажной химии. В мировой химической индустрии наблюдается тренд смещения фокуса от крупнотоннажной продукции к более тонким, высокотехнологичным веществам, которые зачастую являются уникальными и производятся в небольших объемах.
В этой связи в России была разработана «дорожная карта» для стимулирования сектора малотоннажной химии, целью которой является достижение производительности на уровне 240 миллиардов рублей в течение следующих десяти лет.
Ключевую роль в этом процессе должна сыграть микрофлюидика, которая сейчас составляет лишь 1,5% от общего объема мирового химического производства. Однако эксперты уверены, что микрофлюидные технологии могут значительно укрепить свои позиции в сфере малотоннажной химии.
Михаил Сутягинский, председатель совета директоров ГК «Титан», подчеркнул, что его компания исследует возможности внедрения этих технологий в области химии и нефтехимии, что может стать значительным шагом вперед для российской отрасли.
Планируется использовать микрореакторные установки в производстве малотоннажной химии в рамках импортозамещения для создания средств защиты растений, лекарств и других необходимых соединений. По словам топ-менеджера, основными преимуществами этих установок являются их простота масштабирования, безопасность при проведении химических процессов в различных температурных и давленческих режимах, а также синтез без побочных продуктов.
Компактные модули требуют меньших капиталовложений и занимают меньше площади по сравнению с полномасштабными производственными мощностями. Применение микрофлюидных технологий способствует повышению безопасности, экологичности и энергоэффективности процессов, что в свою очередь позволяет улучшить себестоимость и качество продукции.
Тем не менее, эксперты акцентируют внимание на ограничениях, связанных с микрофлюидными технологиями. Как отметил президент Российского союза химиков Виктор Иванов, основным ограничением является низкое количество высокочистого конечного продукта, что делает такие технологии более подходящими для фармацевтики, но не универсальными для других областей.
Кроме того, развитие микрофлюидики в России сдерживается недостаточной научной и технологической базой, и по мнению Иванова, успешное развитие в этой области возможно лишь при поддержке государства. Внедрение микрофлюидных технологий также значительно повлияло на фармацевтическую отрасль.
Микрофлюидные технологии активно применяются в доклинических исследованиях лекарств с целью снижения затрат и временных рамок разработки, как отмечает Кирилл Песков, директор консалтинговой компании M&S Decisions.
Процесс создания оригинальных инновационных препаратов традиционно занимает около 12 лет и включает многоэтапные исследования: от доклинических (в том числе in vitro) до клинических фаз, где лекарства тестируются на людях. Использование микрофлюидики позволяет заменить некоторые из этих этапов, экономя время и ресурсы, а также способствуя сокращению использования лабораторных животных.
Главная цель микрофлюидных технологий - сделать доклинические исследования более информативными. Это открывает возможность на ранних этапах получения данных, необходимых для принятия решений о перспективах нового препарата.
Микрофлюидные системы способны имитировать сложные физиологические процессы. Например, в разработке лекарств для лечения нейродегенеративных заболеваний важно выяснить, как препарат преодолеет гематоэнцефалический барьер, который защищает мозг от крупных молекул.
Применяя микрофлюидные методики, исследователи могут на начальных этапах оценить, будет ли молекула эффективно достигать целевой области, что уменьшает риск провала на более поздних стадиях разработки. Таким образом, микрофлюидика не только ускоряет процесс, но и повышает его эффективность, помогая отсеивать менее перспективные кандидаты.
