Группа учёных из университета Джона Хопкинса создала микроустройство, реализовав новую стратегию построения микросистем. Изобретённый ими автономный микрозахват реагирует на биологически совместимые сигналы — изменение биохимической среды или на изменение температуры — и может перемещаться с помощью внешнего магнитного поля. Подобные устройства, как показали учёные в ходе эксперимента, можно использовать для получения проб тканей внутренних органов in vitro (в пробирке) и манипулирования микрообъектами.

В живой природе механизм активирования функций биологических систем с помощью химических веществ и небольших колебаний температуры встречается довольно часто. К примеру, он лежит в основе иммунного ответа организма человека на вторжение чужеродных микробов, вирусов или белков. Однако в инженерных науках, в частности при создании микросистем, этот принцип до сих пор практически не применялся. Доминируют другие направления — микросистемы, которые активируются электрическими, оптическими или механическими сигналами. Но устройства, активируемые, например, электрическим сигналом, содержат проводные соединения, а это ограничивает и возможности их миниатюризации, и их манёвренность. Представленное же американскими учёными устройство управляется дистанционно и отличается высокой мобильностью.

Сообщение о создании микросистемы, реагирующей на изменение биохимической среды и температуры было опубликовано в журнале Академии наук США Proceedings of National Academу of Sciences и вызвало интерес у российских специалистов: «Это интересное и новое развитие технологий микросистемной техники, — отмечает доктор технических наук, заведующий кафедрой микроэлектроники Московского института электронной техники (МИЭТ) Сергей Тимошенков. — Хотя устройство еще не готово для решения реальных медицинских проблем, подход к его реализации весьма перспективен. Он позволяет выстроить на предложенных принципах новое направление развития микросистем».

Микрозахват, описанный в статье американских учёных, представляет собой шестиконечную звезду, «лучи» которой образованы жесткими частями из никеля, тонкими пленками хрома и полимером (рис. 1). Пленка хрома обеспечивает механическое напряжение, необходимое для изгиба «лучей». Пока слой полимера сдерживает это напряжение — устройство находится в открытом состоянии. При повышении температуры до 40°С и выше или под воздействием биохимических веществ жёсткость полимера снижается, и микросистема закрывается, захватывая образец биологической ткани или другой объект.

В качестве химических активаторов могут применяться многие вещества, в том числе органические растворители (ацетон, спирты) и каустики (едкий калий, едкий натр), а для биомедицинских приложений активаторами могут быть L-глютамин, глюкоза, биологическое вещество L929. Микрозахват может управляться магнитом с расстояния около 10 см благодаря ферромагнитным свойствам никеля.

б)

 На рисунке: а) — внешний вид микрозахвата; б) — многослойная структура

Описанная в статье микросистема формируется с помощью стандартных технологий микроэлектроники, так что изделие получается относительно дешёвым.

Авторы научной статьи провели эксперимент, показав возможность применения устройства для биопсии in vitro (в пробирке), а также для манипулирования микрообъектами. Взятые в ходе эксперимента пробы биологических тканей были пригодны для дальнейших исследований.

Планируется применение микрозахвата in vivo (в живом организме) — для исследования свойств биологических объектов, биопсии, в микрохирургии, а также для извлечения микрообъектов из труднодоступных мест, например из капилляров микроканальных чипов. В этом случае для манипулирования микроустройством можно использовать магниторезонансную томографию, металлический предмет свободно обнаруживается этим методом, а дистанционный нагрев устройства, как считают ученые, можно осуществлять с помощью электромагнитного поля.

Авторы разработки сообщают, что добиваются возможности многократного использования микрозахвата, а также обратимости операций. Для таких приложений, как биопсия, отсутствие многократного использования не критично и компенсируется дешевизной технологии изготовления устройства. Но другие области применения требуют расширения его функциональности, в том числе отклика на другие биохимические активаторы.

Диаметр устройства в раскрытом виде —  0,7, в закрытом — 0,19 миллиметров. Иными словами, даже в закрытом виде система примерно в 5—20 раз больше живой клетки млекопитающих, так что для захвата отдельных клеток её пока невозможно использовать. Для решения этой задачи потребуется разработать новую конструкцию, применять новые материалы и технологические процессы, например, электронную литографию. И всё же, несмотря на многие нерешенные пока вопросы, разработанный микрозахват серьезный шаг вперёд — к созданию биологически совместимых, минимально инвазивных хирургических инструментов будущего.

Источник: Агентство Информнаука