Петербургские ученые создали реактор-на-чипе, позволивший повысить качество синтеза частиц для таргетной доставки лекарств

Проведенное специалистами из НМИЦ им. В. А. Алмазова и СПбГЭТУ «ЛЭТИ» исследование показало, что с использованием разработанного микрофлюидного чипа и специальной установки для подачи реагентов можно автоматизировать процесс получения, а также массово и при этом эффективно производить наночастицы магнетита.

Несмотря на прогресс в области медицины, который касается лечения онкологических заболеваний, многие современные препараты вызывают значительные побочные эффекты, затрагивая здоровые клетки организма. Для повышения эффективности и безопасности терапии разрабатываются методы таргетной (адресной) доставки лекарств непосредственно в пораженные органы и ткани. Одним из таких решений являются специализированные носители на основе наночастиц магнетита. Они обеспечивают точную транспортировку препаратов к опухолям.

Для получения магнитных частиц в основном используют так называемые объемные реакторы периодического действия. Однако их применение имеет некоторые недостатки: отсутствие возможности массового производства, закупоривание устройства химикатами (например, оксидом железа) при синтезе, отчего снижается качество получаемого продукта. Кроме того, во время синтеза важную роль играют ручные операции – необходимо контролировать скорость подачи реагентов, скорость перемешивания, а также температуру. При этом, полученный продукт характеризуется неоднородностью состава.

Решением данных проблем стала технология непрерывного (проточного) синтеза с использованием микрореакторов на основе микрофлюидных чипов. 

«Нам удалось синтезировать наночастицы магнетита в разработанном микрофлюидном реакторе. Мы исследовали физико-химические свойства полученных продуктов, а затем сравнили их со свойствами наноматериалов, полученных традиционным способом, т.е. в объемном реакторе. Экспериментально установлено, что с помощью данного микрофлюидного чипа можно получать наноматериалы с лучшими магнитными характеристиками, а также с заданными формой и размерами». – Доцент кафедры микро- и наноэлектроники (МНЭ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ», докторант Камиль Газинурович Гареев

Исследовательская группа из НМИЦ им. В.А. Алмазова и ЛЭТИ создала компьютерную модель топологии чипа, а затем на ее основе разработала физический прототип посредством технологии мягкой литографии. Это позволило создавать одноразовые компактные чипы из полимера со стеклянной основой и силиконовыми разветвленными каналами, предназначенных для смешения и осаждения оксида железа. 

С помощью данного чипа студенты и аспирант кафедры МНЭ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Алексей Игоревич Никифоров, а также сотрудники научно-исследовательской лаборатории нанотехнологий НМИЦ им. В. А. Алмазова синтезировали наночастицы магнетита. Реагенты в чип подавались из пробирок под действием давления с помощью специальной установки, разработанной в Институте аналитического приборостроения Российской академии наук. Это обеспечило непрерывный синтез оксида железа в микрореакторе. Наблюдение за правильностью хода реакции проводилось с помощью микроскопа со встроенной видеокамерой, которая управлялась через персональный компьютер.

После этого полученные суспензии передали в ЛЭТИ для сравнения их физико-химических свойств с характеристиками синтезированных в одинаковых условиях, но в объемном реакторе, наночастиц магнетита в НМИЦ им. В. А. Алмазова. Для оценки возможности использования данных материалов в медицинских и биологических целях исследована их гемолитическая активность (с целью узнать, будут ли они токсичны по отношению к эритроцитам). Затем специалисты из Санкт-Петербургского государственного университета подтвердили, что на выходе получился правильный продукт.

«Данный метод позволил нам полностью автоматизировать процесс синтеза магнитных наночастиц. Так, с помощью компьютера можно контролировать водородный показатель, скорость подачи реагентов, температуру и т.д. В случае, если что-то в процессе реакции пойдет не так, устройство об этом оповестит. В частности, можно изготовить сразу несколько чипов и запустить синтез в них одновременно, что способно обеспечить массовое производство данных материалов». – Заведующий научно-исследовательской лабораторией нанотехнологий НМИЦ им. В. А. Алмазова Дмитрий Владимирович Королёв

Синтезированные наночастицы магнетита перспективны для интеграции в липосомы (искусственно созданные везикулы), необходимые для таргетной доставки лекарств при лечении онкологических и иных заболеваний.

Результаты исследований по микрофлюидному синтезу наночастиц магнетита и его сравнения с синтезом в реакторе периодического действия представлены в научном журнале Colloid Journal. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 24-25-00056).