В Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» разработали устройство, позволяющее бесконтактно управлять микро- и нанообъектами в лаборатории-на-чипе.

Лаборатория-на-чипе — это один из самых ожидаемых гаджетов в медицине. Устройство размером не больше мобильного телефона позволит анализировать пробы и получать результаты гораздо быстрее и без необходимости посещения лабораторий. Такие системы смогут сделать более доступными технологии исследований, проводимых в настоящее время в специализированных клинических лабораториях на дорогостоящем оборудовании, включая экспресс-анализ и диагностику заболеваний. Однако при разработке таких устройств возникает ряд проблем, связанных с особенностями миниатюризации каналов для жидкостей и их интеграции в сложные многофункциональные гибридные устройства. Разработанное учеными ЛЭТИ устройство помогает решить эти проблемы. О своей разработке они рассказали на международной конференции молодых ученых в области электротехники и электроники 2019 EIConRus.

Аспирант кафедры микро- и наноэлектроники (МНЭ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Владислав Лемозерский создал акустофлюидный актюатор — элемент, который необходим для транспорта бактерий и их кластеров, клеток, вирусов и других частиц в лаборатории-на-чипе. Разработка нацелена на повышение производительности и разрешающей способности элемента, а также поиск путей его интегрирования в лабораторию-на-чипе.

«Устройство работает на основе явления поверхностных акустических волн, возникающих на поверхности пьезоэлектрического кристалла. Если к такому кристаллу особенным образом приложить напряжение, то на его поверхности возникают волны, которые и будут перемещать частицы от одного модуля лаборатории-на-чипе к другому». — Аспирант кафедры МНЭ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Владислав Лемозерский

Акустофлюидный актюатор представляет собой гибридное устройство: оно состоит из пьезоэлектрика и электродов, изготовленных из металла, интегрированных с использованием метода толстопленочной технологии с системой каналов для жидкости. Актюатор выполнен на подложке ниобата лития с нанесенными на нее плоскими встречно-штыревыми преобразователями (ВШП), которые представляют собой двухфазные электродные решетки. Актюатор интегрирован в микрофлюидную систему, содержащую каналы определенного размера для согласования фаз волн акустической плотности в жидкости, генерируемых пьезоэлектрической подложкой. Современные технологии позволяют достичь достаточной точности формирования ВШП, для обеспечения необходимой точности образования сигнала и снижения потерь, а также возможности интеграции такого актюатора в сложные гибридные аналитические системы, в том числе одноразовые.

«Эта разработка достаточно перспективна, поскольку она позволяет проводить бесконтактные манипуляции над микро- и нанообъектами, то есть может функционировать в качестве акустического пинцета, а также проводить сепарацию фракций частиц в жидкой фазе, например, выделение эритроцитов из крови, выделение клеток с заданными свойствами. Эти функции очень полезны для проведения биоинженерных разработок и найдут применение в современной биомедицине, включая клинический анализ, трансплантологию, клеточную инженерию и другие применения». — Аспирант кафедры МНЭ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Владислав Лемозерский

На данном этапе разработки проводится моделирование акустических полей, оптимизация топологии ВШП и микрофлюидных каналов, экспериментальные исследования макетов в различных режимах, поиск путей интегрирования в лабораторию-на-чипе. В дальнейшем планируется рассмотреть перспективы разработки автономных сепарационных модулей для выделения фракций крови в препаративном масштабе. Владислав предполагает, что в ближайшем будущем такими устройствами будут снабжены поликлиники, больницы и станции скорой помощи.

Разработка молодого ученого из ЛЭТИ находится в русле нацпроекта «Здравоохранение», одной из задач которого является внедрение инновационных медицинских технологий, включая систему ранней диагностики.