Привет, Хабр!

Вот и увидел свет этот необычный материал: обзор современного состояния микрофлюидики. Эта наука пока малоизвестна за пределами биохимических лабораторий, но очень близка к практическому применению, в частности, для быстрых и точных анализов и тестов, когда мы располагаем минимальным объёмом исследуемого вещества. Микрофлюидикой занимается и искренне увлекается мой друг Андрей Лазукин, поэтому я не мог обойти эту тему. Но в итоге предлагаю вам ознакомиться с нею как с очередным Guest Post в исполнении уважаемой @anastasiamrrи в научной редактуре Андрея. Приятного чтения! (далее - от автора).

В прошлом году я рассказывала об одном из самых занимательных микроустройств - лаборатории на чипе. По сути своей это небольшой (буквально несколько сантиметров) чип с развитой сетью канальцев, которые заполняются различными жидкостями. Объём канальцев - несколько микролитров. Такой чип запросто заменяет целую лабораторию не только вместе с оборудованием, но и с обученным персоналом. Лаборатория-на-чипе - это всего одна из практических реализаций микрофлюидики – научной дисциплины, исследующей поведение жидкостей малого объема.

Микрофлюидика (в советских и некоторых российских источниках также называется «микрогидродинамика») сегодня набирает популярность. В статье попробуем не только рассмотреть варианты применения микрофлюидики и красивые гифки(и видео), но и поговорим о том, как пока сложно воспроизводить устройства, работающие на основе микрофлюидики, а также как в этой науке протекает цифровизация. Всем заинтересовавшимся добро пожаловать в мир микроскопических потоков и реакций!

По данным Data Bridge Market Research объем мирового рынка микрофлюидных технологий в 2022 году составил 23,17 млрд. долларов и к 2030 должен увеличиться до 70,93 млрд долларов. На данный момент самый быстрорастущий рынок флюидных технологий - азиатский (что ожидаемо), а самый крупный - североамериканский. Перспективы завораживают: прогнозируется среднегодовой рост на 15,01%. Почему же в этой отрасли наблюдается такой бум?

Если новая технология востребована, то она, как правило, получает поддержку. А такая востребованность обычно возникает по двум причинам - если удовлетворяет назревшие потребности сама по себе или создаёт предпосылки для распространения других технологий, позволяющих закрыть эти потребности. Рассмотрим, как в эту картину вписывается микрофлюидика.

1.  Молекулярная диагностика, как правило, требует серьёзной хорошо оснащенной лаборатории и обученного персонала. Микрофлюидика, в свою очередь, сильно удешевляет и упрощает молекулярную диагностику. Микрофлюидные устройства обходятся в разы дешевле традиционных и вполне могут использоваться вне лаборатории. Результаты лучше, брака меньше, стабильность от запуска к запуску – пожалуйста.  Можно с гордостью идти в буфет недалеко от лабы! Элементарный пример практической реализации в медицине - определитель сахара в крови. Это та самая футуристичная микрофлюидика, к которой примыкает индустрия биосенсоров.

2. Флюидика используется при анализе веществ в материаловедении. Эта технология позволяет провести экспресс диагностику вещества, моделируя процессы, проходящие при условиях, для создания которых нужно гораздо больше времени в макромире. Например, сейчас создаются технологии моделирования диффузных свойств почвы для оценки её нефтедренажных особенностей. Причём, непосредственно на месте разработки месторождения.

3. Она позволяет моделировать системы биологических органов. По сути, это новое направление, до развития флюидики аналогичные задачи решались мучениями лабораторных животных. Например, в флюидике проверяют свойства мембранных комплексов, сосудов и т.п. тогда как раньше для этих же целей использовались ткани животных. (к слову, и после будут использоваться лабораторные животные, но в гораздо меньших количествах, пока in vivo моделирование не переплюнуть)

4. Позволяет функционально воспроизводить процессы, которые требуют в 100-1000 раз меньшего объема реактивов. Это означает снижение стоимости услуг и возможность потратить накопления на что-то ещё.

5. Это просто здорово. Здесь хочется отдать дань уважения простым научным сотрудникам. Многие из них трудятся откровенно за идею, а не за деньги (не все, но речь о тех, которые не уходят в индустрию). Наконец, причудливо бегающие капли - это просто красиво.

В настоящий момент в лабораториях всего мира активно используются автоматизированные диагностические системы на основе робототехники. Роботизированные манипуляторы, наверное, никого не удивляют. Спектрометры, многопараметрические анализаторы крови и иных жидкостей и т.д. Но почему такие сложные, увесистые конструкции делать оказалось проще, чем стекло или пластик с кучей луночек и канальцев для тех же целей?

Всё дело в размерах. Сложность в новом мире, который преобладает в порах и канальцах микрофлюидного устройства. На жидкости таких малых объемов начинают ощутимо влиять силы, которые не заметны в больших объемах. И это не просто значимо. Это слишком значимо.

Приведу пример.

Вы бросаете кубик сахара в чашку кофе. Затем берете ложку и размешиваете. Кофе сладкий и горячий? Удобно? Да. Что будет если вы не размешаете сахар, а дождётесь, пока он растворится сам? Скорее всего, рафинадик превратится в горку сахара, осевшую на дне, а кофе остынет.

А теперь попробуем добавить молоко. Как долго нужно будет ждать аналогичного перехода смеси в гомогенное состояние?  Кстати, обратите внимание на соотношение диаметра цилиндра, который образует кружка, сравним с высотой цилиндра (спойлер: очень долго).  А если высота кружки больше ее диаметра в 100? или в 1000? такие соотношения норма для канальцев внутри микрофлюидного чипа. Как вы поняли, что-то перемешать там весьма затруднительно. Хотя и возможно. Это достигается созданием например большого количество углов и поворотов канальца, которые вынуждают жидкость перемешиваться.

Таким образом мы приходим к первому ограничению. Это сложная геометрия.

Второе ограничение - физика. Есть множество сил и различных величин, которые при малейших изменениях будут оказывать сильное влияние вплоть до смены результата. Разберём основные.

Поверхностное натяжение - молекулярное давление на жидкость. Молекулы поверхностного слоя жидкости притягиваются к молекулам внутри жидкости и друг между другом. И такое притяжение обуславливает дополнительную потенциальную энергию молекул на поверхности жидкости. Как итог - на поверхности образуется упругая пленка. Именно поверхностное натяжение заставляет жидкость принимать форму шара и принимает участие в создании капиллярных явлений.

Чем сильнее поверхностное натяжение, ниже плотность и уже капилляр, тем сильнее капиллярный эффект.

Необходимо внимательно следить за натяжением и обернуть его действие в свою пользу. Например, с помощью натяжения можно точно дозировать жидкости (ну еще при помощи вязкости, о ней ниже), контролировать поток жидкости в каналах (это достигается в том числе геометрией микрофлюидного устройства) и разделять жидкость на отдельные капли разного размера или же по плотности. Также с помощью контроля поверхностного натяжения (повышая его и понижая) мы можем контролировать распределение жидкости в канале.  Низкое поверхностное натяжение способствует хорошему смачиванию, а высокое - наоборот.  Регулировать величину поверхностного натяжения можно путем изменения температуры - чем она выше, тем ниже величина поверхностного натяжения. Но стоит обращать внимание и на то, при какой температуре должны проходить реакции в устройстве. В таком случае можно использовать ПАВ и ПИВ, которые снижают или увеличивают поверхностное натяжение.

Вы можете самостоятельно провести небольшой эксперимент, демонстрирующий различные капиллярные свойства жидкостей. Для этого возьмите два одинаковых кусочка бумаги и подвесьте их за веревочку. Так, чтобы листы бумаги висели перпендикулярно земле.

Затем подготовьте несколько миллилитров воды и спирта. Можете окрасить их в разные цвета пищевым красителем, зеленкой или другими спирто/водорастворимыми красками. После этого окуните оба листочка в подготовленные жидкости.

Очень быстро станет заметно, что на разных листах бумаги уровень поднятия жидкости будет отличаться. Это будет зависеть от плотности жидкости и силы поверхностного натяжения.

Кстати. Подобный метод широко используется в аналитической химии и биологии. Он позволяет определить разницу между различными соединениями и даже произвести их пространственное разделение из одного раствора. Данный метод называется «бумажная хроматография», он построен как раз на таких капиллярных эффектах.

Рассеивание жидкости

Возможно, с ходу не очень понятно, о какой энергии идёт речь и зачем ее рассеивать. Есть разные виды энергии, электрическая, кинетическая, потенциальная и т.п. В микрофлюидных системах очень важны три вида энергии. Это кинетическая энергия жидкости, кинетическая энергия молекул этой жидкости (тепло) и энергия химических связей.

При чём тут эти энергии? В сущности, дело только в изохорном процессе. Помните его? Я тоже нет. Запишу для нас всех тут его свойство “При изохорном процессе давление идеального газа прямо пропорционально его температуре “ И то это значит? А вот то, что если мы не будем контролировать температуру жидкости и газа, внутри этой самой микрофлюидики, то они в итоге будут приводить к увеличению давления внутри канальцев флюидики. Это в свою очередь может повлиять и на химические процессы, которые должны идти при постоянной температуре. А еще может привести к поломке картриджа или неверной интерпретации данных с него. Измерение температуры может происходить как вследствие трения жидкости о стенки картриджа, так и из-за экзотермических химических реакций. Ну, или эндотермических. Эти реакции, как вы понимаете могут нагреть или охладить жидкости, которые поменяют свою плотность, свойства, кинетику реакции (Правило Вант-Гоффа  где дельта скорости 2-4 раза зависит от увеличения дельты температуры на 10 градусов). По сути большинство реакций такие. Что с этим делать? правильно. Контролировать рассеивание этого самого тепла. чтобы жидкость успевала охлаждаться, ну или нагреваться быстрее, чем проходит реакция, успевающая значимо изменить свойства жидкости.

Для контроля теплового и механического рассеяния в микрофлюидике можно использовать следующее:

1)    материалы с низким коэффициентом трения:. Это позволяет уменьшить потери энергии при движении жидкости через микроканалы.

2)    Оптимизация геометрии каналов: Проектирование микрофлюидических устройств с оптимальной геометрией (опять упираемся в первое ограничение) каналов может помочь снизить механическое рассеивание. Плавные изгибы, уменьшение длины каналов и минимизация перепадов диаметров могут уменьшить трение и сопротивление при движении жидкости.

3)    Управление скоростью потока: позволяет оптимизировать теплообмен и минимизировать нагрев жидкости в микрофлюидических устройствах.

4)    Использование теплоизолирующих материалов

5)    Управление параметрами потока: Контроль параметров потока, таких как давление, температура и скорость потока, позволяет оптимизировать процессы теплообмена и механической диссипации в микрофлюидических устройствах.

Сопротивление жидкости

Сопротивляется жидкость течению. В процессе течения в жидкости могут возникать турбулентные потоки (а течение в микрофлюидных канальцах, как правило, ламинарное), упругие деформации стенок или газа. Как отмечено ранее, для равномерного смешивания необходимо создавать множество выпуклостей, углов и поворотов по ходу канальца. Однако, такие решения создают дополнительное гидродинамическое сопротивление. Это сопротивление может требовать дополнительных условий к эксплуатации, соединениям, насосам и клапанам, используемым во флюидной системе.

В микромире свойства самих жидкостей тоже меняются. Например, число Рейнольдса становится низким и жидкости уже не смешиваются. Точнее, не смешиваются в привычном понимании. Поток жидкостей в микрофлюидике становится ламинарным, а не турбулентным, и потому перенос молекул при “смешивании” происходит за счет диффузии и собственного движения молекул (не извне).

Именно по принципу ламинарного потока происходит и движение крови по кровеносным сосудам, потому и моделировать кровеносную систему микрофлюидикой легко и приятно.

Однако при низком числе Рейнольдса процесс смешивания может быть неэффективным, особенно в больших масштабах или при необходимости быстрого и равномерного перемешивания. В таких случаях могут применяться дополнительные методы и устройства (например, миксеры, агитаторы, и др.), чтобы ускорить процесс смешивания и обеспечить требуемую интенсивность и равномерность перемешивания.

Вязкость жидкостей

Однако если вязкость жидкости высока, то есть вероятность перейти к турбулентному потоку даже в микроканалах. И частицы в таком случае будут перемешиваться не диффузно, а хаотически. Как когда мешаем сахар или молоко в кофе. Хуже ли от этого результат? Если нет помощи в виде механического перемешивания или изменения температурных условий/давления, то да.  Однако не без нюанса. Высокая вязкость может препятствовать эффективному теплообмену, что может потребовать дополнительных усилий для контроля температуры и оптимизации процессов нагрева и охлаждения.

Более того, чем выше вязкость, тем больше сопротивление и энергия, требуемая для перемещения жидкости через каналы. Поэтому нужно внимательно изучать и учитывать аспекты жидкостей, с которыми будет работать прибор.

Образование газовых пробок

Канальцы маленькие. Поэтому и маленькие воздействия могут привести к большим ограничениям. Например, в канал попадает воздух. При этом прибор создан для проведения ПЦР. Этапы отжига, денатурации и элонгации проходят при повышенных  температурах. И тут снова этот самых изохорный процесс.  Будет бам. И все, что осталось от реагентов и реакции разнесется по лабе, халатам и грустным лицам запустивших прибор. Ну, в общем, картридж лопнет. Он же не резиновый…

Вроде бы с основами понятно, все сложно, но интересно. Однако есть нюанс. По сути своей микрофлюидика, которая будет лежать на прилавках, которая будет размещена во всяких дистрибьюторских компаниях - это посуда. Да это кусок стекла или пластика (до со сложной геометрией, но не более), в котором происходят реакции. В нем изначально нет капель, нет жидкостей. Однако для того, чтобы в посуде произошла реакция и проявился невероятный завораживающий микромир необходимо создать все условия. Для проверки соответствия условий необходимы будут навески различных датчиков: давления, температуры, тензорезисторы; электродов; спектрометров.

Потому в микрофлюидике свое место занимает еще и электроника. Она нужна для того, чтобы:

1)    создать условия протекания реакций

2)    считать сигналы и показать, что мы добились нужного результата.

В биологическом оборудовании электроника занимает почетное и важное место с тем же функционалом, что и в микрофлюидных устройствах. И опять нюанс. Дело в том, что у датчиков, у микроконтроллеров есть определенные размеры. И детектировать они могут тоже определенные объемы, концентрации и управлять определенными скоростями потоков. Посему получаем еще одно ограничение на развитие микрофлюидики. Однако энтузиазм и амбиции на первом месте и примеры преодоления таких ограничений уже есть. Для того, чтобы управлять жидкостями в микрофлюидике применяют пневматические, гидродинамические (поршневые) пъезоэлектрические, и электрогидродинамические системы. К слову, струйная печать и есть самое первое микрофлюидное устройство с применением пьезоэлектрических систем. Над соплом печатающей головки располагается пьезокристалл, который выгибается под воздействием электрического тока и выталкивает из сопла на бумагу чернильную каплю.

Что-то слишком сложно с капиллярами, лабиринтами этими всеми… Так вполне могли подумать исследователи и разработчики. Просто потому что конструирование такого девайса отнимает много сил, требует внимательности и усидчивости. Но не все готовы к такой разработке. Тем более для разных применений сидеть и чертить бороздки. Тогда на смену обычной микрофлюидике приходит цифровая. Её главное отличие - в механизме передвижения капель. Если в случае обычной микрофлюидики жидкость перетекает по канальцам под воздействием тяготения и механики, то в цифровой микрофлюидики главенствует электросмачиваемость. То есть под воздействием электрического поля и смене угла смачивания меняется траектория движения капель. Это явление завораживает учёных, пожалуй, еще больше. Наверное, она даже более эстетична.

Подробнее о цифровой микрофлюидике можно почитать здесь.

Что ж, микрофлюидика сложна, красива и невероятно притягательна своим «внутренним» микромиром. Думаю, ожидания аналитиков оправдаются и она займет свое почетное место в дистрибьюторских компаниях наряду с лабораторными центрифужками и анализаторами. Будем следить за развитием. И красивыми видео с перемещением капель. Наверное, такие видео и экскурсии к таким приборам станут настоящим фурором не только для ученых, но и для всех желающих.