eng
Выпуск #1/2016
Д.Гудилин
Высокотехнологичная база для развития биомедицинских решений в ЗНТЦ
Высокотехнологичная база для развития биомедицинских решений в ЗНТЦ
Просмотры: 4245
DOI:10.22184/1993-8578.2016.63.1.68.74
В 2013 году в Зеленоградском нанотехнологическом центре (ЗНТЦ) была создана аналитическая лаборатория, на базе которой выполняются разработки инновационных материалов, технологий и оборудования для биомедицинских приложений. Это позволило ЗНТЦ эффективно развивать новое перспективное направление и успешно коммерциализировать прикладные исследования в области медицины и биотехнологий.
Аналитическая лаборатория ЗНТЦ оснащена комплексом современного оборудования, который позволяет изучать морфологию и внутреннее строение объектов на микро- и наноуровнях. Для исследований используются современные высокоразрешающие методы, позволяющие получать достоверную информацию об элементном и фазовом составе, морфологических и кристаллографических особенностях наноструктур. Помимо этого, имеется весь необходимый комплекс оборудования для опытного производства медицинских изделий.
Лаборатория входит в систему Центров коллективного пользования и используется не только проектными компаниями ЗНТЦ, но и предоставляет исследовательские услуги сторонним организациям.
Оборудование
Основными инструментами для изучения характеристик наноразмерных объектов в лаборатории являются сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) Certus Optic I производства российской компании "Нано Скан Технология" и Cypher ES компании Asylum Research (США). Сотрудники лаборатории имеют большой опыт по исследованию биологических клеток, молекул полимеров, наночастиц, тонкопленочных покрытий, полупроводников, диэлектриков и пьезоэлектриков, а также других объектов и материалов.
Certus Optic I – СЗМ, совмещенный с оптическим инвертированным микроскопом Olympus IX71. Такая интеграция, с одной стороны, облегчает поиск объекта исследования на поверхности образца, с другой – дает возможность изучать поверхность за пределами разрешающей способности оптических систем. Сканирующее основание позволяет позиционировать объект исследований с точностью до нескольких долей нанометра, а cканирующая головка обеспечивает точную установку зонда над выбранным участком. В ходе исследования образец может перемещаться как сканирующим основанием, так и сканирующей головкой, причем и головка, и основание построены по принципу плоскопараллельных сканеров, что исключает искажения, характерные для систем на пьезотрубках.
СЗМ Cypher в расширенной конфигурации ES (Environmental Scanner) позволяет реализовывать широкий спектр методик сканирующей зондовой микроскопии в жидкостях и газах при контролируемых условиях с разрешением вплоть до атомарного. СЗМ укомплектован герметичной ячейкой с держателями кантилевера и образца, в которую могут вводиться жидкости и газы, в том числе агрессивные – органические растворители, кислоты, щелочи – под давлением до 34,5 кПа. Предусмотрена возможность работы с микрокаплей. Для обмена газов и жидкостей предусмотрено несколько портов. Интегрированный контроль температуры способствует стабилизации условий измерения.
Certus Optic I и Cypher ES могут работать в режимах атомно-силовой микроскопии, нанолитографии, туннельной микроскопии, включая ряд специальных возможностей, например атомно-силового исследования кантилевером с повышенной жесткостью при частоте до 5 МГц для получения изображений высокой точности в Cypher ES.
Система трехмерного аэрозольного напыления
Одним из перспективных проектов, реализуемых в ЗНТЦ с использованием возможностей лаборатории, является разработка системы трехмерного аэрозольного напыления покрытий на различные материалы и объекты. Трехмерное аэрозольное напыление – универсальная технология, которая может применяться как для формирования тонких пленок, так и для получения покрытий большой толщины. По сравнению с вакуумным распылением обеспечиваются следующие преимущества:
•возможность напыления неметаллических материалов, например, биосовместимых полимеров и фоторезистов;
•возможность нанесения покрытия на объекты и области большой площади;
•возможность перемещения обрабатываемого объекта в процессе напыления по двум координатам;
•использование простых технологических режимов (не требуются вакуум и высокие температуры);
•низкая стоимость оборудования.
Технология может применяться в микроэлектронике, производстве медицинских изделий, других областях для нанесения функциональных, защитных и декоративных покрытий. В частности, в микроэлектронике трехмерное аэрозольное напыление перспективно для нанесения фоторезиста на кремниевые пластины, так как по сравнению с другими технологиями обеспечивает более равномерную структуру поверхности, отсутствие краевых дефектов, эффективное достижение необходимой толщины слоя, возможность формирования равномерных покрытий на объектах со сложным рельефом, например на МЭМС-структурах.
В настоящее время стартап-компания "НИОБИС" (Наноинженерия органических и биологических интегрируемых систем) разрабатывает в ЗНТЦ первую российскую опытно-промышленную установку для трехмерного аэрозольного напыления. Технология была успешно отработана на лабораторном прототипе Rainbow 2, созданном на базе 3D-принтера.
Новая установка позволит получать пленки, характеризующиеся высокой прочностью, равномерной толщиной и хорошей адгезией к подложке, на полупроводниковых пластинах, полимерных материалах, объектах сложной формы. Технология позволяет наносить как растворы, так и дисперсии. Предусмотрено два варианта распылительной головки: с обычной и игольчатой форсункой. Специалистами "НИОБИС" разработана система, которая позволяет уменьшить минимальный диаметр капель с 20 мкм до 1 мкм (в настоящее время она проходит патентование). Применение нагреваемого вакуумного прижимного столика в сочетании с верхним нагревом обеспечивает практически мгновенное высыхание пленки, что важно, например, при нанесении фоторезиста, так как исключается деформация подложки и сокращается время получения многослойных покрытий.
Установка будет управляться с персонального компьютера с возможностью регулировки около 30 параметров процесса, включая характеристики раствора, параметры перемещения головки и столика, параметры распыления, давления, нагрева и др. Это позволит подбирать оптимальные режимы обработки для разных материалов. Оборудование характеризуется простотой обслуживания и эксплуатации, единственное требование – размещение в химическом шкафе или ламинарном боксе для защиты оператора от используемого раствора.
"Разрабатываемая установка предназначена для лабораторных исследований, опытно-конструкторских разработок, мелкосерийного производства, – рассказывает исполнительный директор компании "НИОБИС" Роман Морозов. – Основные конкурентные преимущества по сравнению с зарубежными аналогами – значительно меньшая стоимость при как минимум не худших эксплуатационных характеристиках, а также короткие сроки поставки, что очень важно для организаций, выполняющих проекты в рамках грантов и различных государственных программ".
Адгезивный гомеостатический клеточный каркас для ускоренной регенерации ткани
Технология трехмерного аэрозольного напыления успешно прошла практическую проверку в нескольких проектах ЗНТЦ, в частности, при создании адгезивного гомеостатического клеточного каркаса для ускоренной регенерации ткани.
Клеточный каркас является абсорбирующим гемостатическим средством, которое применяется для герметизации раны при проведении хирургических операций легких, печени и других органов. Помимо гемостаза, он должен со временем резорбироваться (растворяться) в организме, а в идеале – также ускорять регенерацию тканей. Разработанный в ЗНТЦ гомеостатический клеточный каркас обладает всеми перечисленными свойствами.
В процессе реализации проекта разработан уникальный технологический процесс, основанный на взаимодействии наночастиц и послойном нанесении дисперсий. Для предотвращения разрушения наноструктуры биополимеров используются только водные дисперсии (специалистами ЗНТЦ оформлены заявки на российский и международный патенты на методы получения стабильных водных дисперсий биополимеров, в частности, коллагена и хитозана). Клеточный каркас имеет пятислойную структуру, и каждый слой материала выполняет особую функцию. На внешних слоях методом аэрозольного напыления формируются кровоостанавливающее и антиадгезионное покрытия: первое имеет хорошую адгезию к тканям организма, второе предотвращает их срастание друг с другом.
"В процессе разработки мы учитывали тот факт, что клетки эффективно взаимодействуют только с теми объектами, которые на порядки меньше их, то есть речь должна идти о наноразмерных структурах, – отметил Р.Морозов. – Функциональные слои гомеостатического клеточного каркаса содержат наноразмерные волокна коллагена и хитозана, поэтому, в отличие от зарубежного аналога, наше изделие не только останавливает кровотечение и резорбирует в организме, но и ускоряет регенерацию ткани".
Для гомеостатического клеточного каркаса изготовлена специальная внутренняя упаковка из биосовместимого пластика, которая предохраняет внешний наноструктурированный кровоостанавливающий слой от взаимодействия с упаковочной пленкой и механических повреждений. Все основные работы по исследованию биополимеров и выпуску опытных экземпляров изделия проведены в аналитической лаборатории ЗНТЦ.
Партнерами проекта, который поддержан Минпромторгом РФ, являются Самарский государственный медицинский университет, где проводились исследования на животных, а также НИИ вирусологии им. Д.И.Ивановского РАМН (Москва), выполнивший исследования на клетках.
В настоящее время адгезивный гомеостатический клеточный каркас для ускоренной регенерации ткани проходит процедуру регистрации, после чего будет налажено опытное производство.
***
Разработки для медицины и биологии стали одним из главных направлений работы ЗНТЦ, опровергая устоявшийся тезис, что Зеленоград – город исключительно микроэлектронной промышленности. Впрочем, в производстве современных медицинских изделий все более широко применяются технологии, родственные используемым в электронике, а новая медицинская техника немыслима без последних достижений полупроводниковой отрасли.
Аналитическая лаборатория ЗНТЦ оснащена комплексом современного оборудования, который позволяет изучать морфологию и внутреннее строение объектов на микро- и наноуровнях. Для исследований используются современные высокоразрешающие методы, позволяющие получать достоверную информацию об элементном и фазовом составе, морфологических и кристаллографических особенностях наноструктур. Помимо этого, имеется весь необходимый комплекс оборудования для опытного производства медицинских изделий.
Лаборатория входит в систему Центров коллективного пользования и используется не только проектными компаниями ЗНТЦ, но и предоставляет исследовательские услуги сторонним организациям.
Оборудование
Основными инструментами для изучения характеристик наноразмерных объектов в лаборатории являются сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) Certus Optic I производства российской компании "Нано Скан Технология" и Cypher ES компании Asylum Research (США). Сотрудники лаборатории имеют большой опыт по исследованию биологических клеток, молекул полимеров, наночастиц, тонкопленочных покрытий, полупроводников, диэлектриков и пьезоэлектриков, а также других объектов и материалов.
Certus Optic I – СЗМ, совмещенный с оптическим инвертированным микроскопом Olympus IX71. Такая интеграция, с одной стороны, облегчает поиск объекта исследования на поверхности образца, с другой – дает возможность изучать поверхность за пределами разрешающей способности оптических систем. Сканирующее основание позволяет позиционировать объект исследований с точностью до нескольких долей нанометра, а cканирующая головка обеспечивает точную установку зонда над выбранным участком. В ходе исследования образец может перемещаться как сканирующим основанием, так и сканирующей головкой, причем и головка, и основание построены по принципу плоскопараллельных сканеров, что исключает искажения, характерные для систем на пьезотрубках.
СЗМ Cypher в расширенной конфигурации ES (Environmental Scanner) позволяет реализовывать широкий спектр методик сканирующей зондовой микроскопии в жидкостях и газах при контролируемых условиях с разрешением вплоть до атомарного. СЗМ укомплектован герметичной ячейкой с держателями кантилевера и образца, в которую могут вводиться жидкости и газы, в том числе агрессивные – органические растворители, кислоты, щелочи – под давлением до 34,5 кПа. Предусмотрена возможность работы с микрокаплей. Для обмена газов и жидкостей предусмотрено несколько портов. Интегрированный контроль температуры способствует стабилизации условий измерения.
Certus Optic I и Cypher ES могут работать в режимах атомно-силовой микроскопии, нанолитографии, туннельной микроскопии, включая ряд специальных возможностей, например атомно-силового исследования кантилевером с повышенной жесткостью при частоте до 5 МГц для получения изображений высокой точности в Cypher ES.
Система трехмерного аэрозольного напыления
Одним из перспективных проектов, реализуемых в ЗНТЦ с использованием возможностей лаборатории, является разработка системы трехмерного аэрозольного напыления покрытий на различные материалы и объекты. Трехмерное аэрозольное напыление – универсальная технология, которая может применяться как для формирования тонких пленок, так и для получения покрытий большой толщины. По сравнению с вакуумным распылением обеспечиваются следующие преимущества:
•возможность напыления неметаллических материалов, например, биосовместимых полимеров и фоторезистов;
•возможность нанесения покрытия на объекты и области большой площади;
•возможность перемещения обрабатываемого объекта в процессе напыления по двум координатам;
•использование простых технологических режимов (не требуются вакуум и высокие температуры);
•низкая стоимость оборудования.
Технология может применяться в микроэлектронике, производстве медицинских изделий, других областях для нанесения функциональных, защитных и декоративных покрытий. В частности, в микроэлектронике трехмерное аэрозольное напыление перспективно для нанесения фоторезиста на кремниевые пластины, так как по сравнению с другими технологиями обеспечивает более равномерную структуру поверхности, отсутствие краевых дефектов, эффективное достижение необходимой толщины слоя, возможность формирования равномерных покрытий на объектах со сложным рельефом, например на МЭМС-структурах.
В настоящее время стартап-компания "НИОБИС" (Наноинженерия органических и биологических интегрируемых систем) разрабатывает в ЗНТЦ первую российскую опытно-промышленную установку для трехмерного аэрозольного напыления. Технология была успешно отработана на лабораторном прототипе Rainbow 2, созданном на базе 3D-принтера.
Новая установка позволит получать пленки, характеризующиеся высокой прочностью, равномерной толщиной и хорошей адгезией к подложке, на полупроводниковых пластинах, полимерных материалах, объектах сложной формы. Технология позволяет наносить как растворы, так и дисперсии. Предусмотрено два варианта распылительной головки: с обычной и игольчатой форсункой. Специалистами "НИОБИС" разработана система, которая позволяет уменьшить минимальный диаметр капель с 20 мкм до 1 мкм (в настоящее время она проходит патентование). Применение нагреваемого вакуумного прижимного столика в сочетании с верхним нагревом обеспечивает практически мгновенное высыхание пленки, что важно, например, при нанесении фоторезиста, так как исключается деформация подложки и сокращается время получения многослойных покрытий.
Установка будет управляться с персонального компьютера с возможностью регулировки около 30 параметров процесса, включая характеристики раствора, параметры перемещения головки и столика, параметры распыления, давления, нагрева и др. Это позволит подбирать оптимальные режимы обработки для разных материалов. Оборудование характеризуется простотой обслуживания и эксплуатации, единственное требование – размещение в химическом шкафе или ламинарном боксе для защиты оператора от используемого раствора.
"Разрабатываемая установка предназначена для лабораторных исследований, опытно-конструкторских разработок, мелкосерийного производства, – рассказывает исполнительный директор компании "НИОБИС" Роман Морозов. – Основные конкурентные преимущества по сравнению с зарубежными аналогами – значительно меньшая стоимость при как минимум не худших эксплуатационных характеристиках, а также короткие сроки поставки, что очень важно для организаций, выполняющих проекты в рамках грантов и различных государственных программ".
Адгезивный гомеостатический клеточный каркас для ускоренной регенерации ткани
Технология трехмерного аэрозольного напыления успешно прошла практическую проверку в нескольких проектах ЗНТЦ, в частности, при создании адгезивного гомеостатического клеточного каркаса для ускоренной регенерации ткани.
Клеточный каркас является абсорбирующим гемостатическим средством, которое применяется для герметизации раны при проведении хирургических операций легких, печени и других органов. Помимо гемостаза, он должен со временем резорбироваться (растворяться) в организме, а в идеале – также ускорять регенерацию тканей. Разработанный в ЗНТЦ гомеостатический клеточный каркас обладает всеми перечисленными свойствами.
В процессе реализации проекта разработан уникальный технологический процесс, основанный на взаимодействии наночастиц и послойном нанесении дисперсий. Для предотвращения разрушения наноструктуры биополимеров используются только водные дисперсии (специалистами ЗНТЦ оформлены заявки на российский и международный патенты на методы получения стабильных водных дисперсий биополимеров, в частности, коллагена и хитозана). Клеточный каркас имеет пятислойную структуру, и каждый слой материала выполняет особую функцию. На внешних слоях методом аэрозольного напыления формируются кровоостанавливающее и антиадгезионное покрытия: первое имеет хорошую адгезию к тканям организма, второе предотвращает их срастание друг с другом.
"В процессе разработки мы учитывали тот факт, что клетки эффективно взаимодействуют только с теми объектами, которые на порядки меньше их, то есть речь должна идти о наноразмерных структурах, – отметил Р.Морозов. – Функциональные слои гомеостатического клеточного каркаса содержат наноразмерные волокна коллагена и хитозана, поэтому, в отличие от зарубежного аналога, наше изделие не только останавливает кровотечение и резорбирует в организме, но и ускоряет регенерацию ткани".
Для гомеостатического клеточного каркаса изготовлена специальная внутренняя упаковка из биосовместимого пластика, которая предохраняет внешний наноструктурированный кровоостанавливающий слой от взаимодействия с упаковочной пленкой и механических повреждений. Все основные работы по исследованию биополимеров и выпуску опытных экземпляров изделия проведены в аналитической лаборатории ЗНТЦ.
Партнерами проекта, который поддержан Минпромторгом РФ, являются Самарский государственный медицинский университет, где проводились исследования на животных, а также НИИ вирусологии им. Д.И.Ивановского РАМН (Москва), выполнивший исследования на клетках.
В настоящее время адгезивный гомеостатический клеточный каркас для ускоренной регенерации ткани проходит процедуру регистрации, после чего будет налажено опытное производство.
***
Разработки для медицины и биологии стали одним из главных направлений работы ЗНТЦ, опровергая устоявшийся тезис, что Зеленоград – город исключительно микроэлектронной промышленности. Впрочем, в производстве современных медицинских изделий все более широко применяются технологии, родственные используемым в электронике, а новая медицинская техника немыслима без последних достижений полупроводниковой отрасли.
Отзывы читателей
