Микрофлюидные устройства с интегрированными функциональными микро- и наноразмерными структурами для биологических и медицинских исследований

Основная цель проводимых работ – разработка теоретических основ, технических и технологический решений для создания современной приборной базы на основе микрофлюидных платформ для биомедицинских исследований. Полученные результаты исследований могут быть основой для создания приборов и устройств, востребованных в персонифицированной медицине. В ходе выполнения проекта были разработаны, изготовлены и апробированы следующие устройства: а) кремний-стеклянные микрофлюидные чипы с наноразмерными каналами; б) варианты электрохимических ячеек, содержащие встроенную SiN мембрану с нанопорой; в) микрофлюидные чипы с акриламидным гелем для метода молекулярных колоний; г) микрофлюидные чипы из эластомерных и твердофазных материалов (полимеров), в том числе для полимеразной цепной реакции; д) микрофлюидное устройство для выделения нуклеиновых кислот; е) макет автоматизированного устройства для целевой модификации поверхностей и синтеза функциональных слоев в микрофлюидных чипах для генетического анализа на основе методов «мокрой» химии; ж) проточная ячейка для исследования режимов двухфазных течений. Предложены и обоснованы: а) математическая модель конвективно-диффузионного массопереноса металлизированных наночастиц в полимерном слое при седиментационном анализе; б) модели движения микронных и субмикронных сферических частиц в транспортном потоке жидкости в капилляре при локальном воздействии постоянного электрического поля; в) аппроксимирующие зависимости информативного сигнала ПЦР-РВ для оценки порогового цикла. Проведены оценки случайных составляющих информативных сигналов и вероятностей недостоверного результата генетического анализа, связанного с различными причинами (наличие примесей в реакционной смеси, отказы технических устройств, человеческий фактор). Проведены работы по созданию и отработке технологий герметизации микрофлюидных устройств из полимерных и стеклянных материалов с помощью различных клеев, коммерческих адгезивных пленок. Разработаны новые способы оперативного прототипирования многослойных микрофлюидных устройств из полимерных материалов. Исследована возможность и выработаны рекомендации для применения эластомерных материалов различных производителей в качестве альтернативы полидиметилсилоксану Sylgard-184 для метода «мягкой» литографии. Исследована ионная проводимость нанопор и наноканалов для раствора электролита, обсуждены полученные результаты и экспериментально подтверждены гипотезы о физических механизмах, влияющих на ионный транспорт. Исследована возможность регистрации транслокации фрагментов ДНК разных длин (500, 5000 и 10000 пар оснований) с помощью электрохимической измерительной ячейки с нанопорой. Предложен и апробирован вариант обработки полученных информативных сигналов с целью выделения событий транслокации. Продемонстрирована возможность одномолекулярной регистрации фрагментов ДНК. Совместно со специалистами СПб клинического научно-практического центра специализированных видов медицинской помощи, онкологический имени Н. П. Напалкова проведены эксперименты по исследованию новых способов создания вакцин на основе опухолевых клеток и по изучению противоопухолевой активности наночастиц и соединений серебра. Исследования предполагается продолжить с использованием микрофлюидных систем, поскольку такой подход позволит значительно сократить расходы реагентов и время диагностики.