Основные преимущества стекла в микрофлюидике
Стекло широко применяется в биологических и медицинских технологиях, особенно в таких областях, как мультиомиксные исследования и системы доставки лекарственных препаратов.
Популярность стекла как материала для микрофлюидных чипов обусловлена следующими характеристиками:
- превосходная оптическая прозрачность;
- высокая плоскостность поверхности;
- высокая устойчивость к термическому удару и температурная стабильность;
- высокая механическая стабильность;
- химическая инертность — стекло не взаимодействует с активными компонентами и не выделяет вещества в исследуемую среду;
- непроницаемость — содержимое чипа защищено от внешних воздействий;
- возможность формирования высокоточных и гладких микро- и наноструктур;
- высокая прочность герметичного соединения;
- низкая автофлуоресценция.
Благодаря этим свойствам стекло позволяет создавать современные, надежные и стабильные микрофлюидные устройства. Наиболее распространенными методами обработки стекла являются жидкостное травление, сухое травление, порошкоструйная и лазерная обработка.
Применение стеклянных микрофлюидных устройств в биологических исследованиях
Рассмотрим несколько наиболее распространенных областей применения микрофлюидики в биологических и медицинских исследованиях.
Мультиомика
В мультиомиксных исследованиях, например при секвенировании ДНК, важную роль играют флуоресцентные маркеры. Благодаря своим превосходным оптическим свойствам стекло хорошо подходит для таких задач. Стекло обладает высокой светопропускающей способностью. Тонкие слои стекла позволяют работать с объективами с малым рабочим расстоянием, которые обычно используются при большом увеличении.
Низкая фоновая флуоресценция стекла обеспечивает хорошую видимость сигнала флуоресцентных маркеров. Кроме того, для стеклянных поверхностей существует большое количество протоколов биохимической функционализации. Стеклянные проточные ячейки сыграли значительную роль в развитии технологий секвенирования нового поколения (Next Generation Sequencing, NGS). Такие проточные ячейки используются в диагностических NGS-системах, сертифицированных FDA.
При синтезе ДНК обычно применяются достаточно агрессивные химические реагенты. Для многих альтернативных материалов это представляет серьезную проблему, тогда как химическая стойкость стекла делает стеклянные микрофлюидные устройства хорошо подходящими для подобных процессов.
Анализ клеток и клеточная терапия
Для анализа клеток существует целый ряд микрофлюидных методов сортировки, позволяющих разделять клетки, например, по форме, размеру или электрическому заряду.
К таким методам относятся:
- фракционирование в суженном потоке (Pinched Flow Fractionation);
- диэлектрофорез;
- акустофорез.
Требования к размерам микроэлементов и допустимым отклонениям при их изготовлении часто становятся одной из причин выбора стекла для таких систем. Еще одним преимуществом является устойчивость стекла к интенсивной химической очистке. Благодаря этому стеклянные устройства потенциально можно использовать многократно, что позволяет снизить стоимость одного исследования.
Доставка лекарственных препаратов
Микрофлюидные устройства для доставки лекарственных средств позволяют обеспечить поступление препарата в необходимую область организма в заданном объеме и в определенное время. К таким устройствам относятся, например, распределители потоков, распылительные сопла и микроиглы. Для их изготовления часто выбирают стекло или комбинацию стекла и кремния благодаря химической инертности этих материалов, отсутствию вымывания компонентов материала в рабочую среду и высокой геометрической стабильности.
Другие материалы для изготовления микрофлюидных чипов
Какие еще материалы применяются при производстве микрофлюидных устройств? Классическим материалом для изготовления MEMS (микроэлектромеханических систем) является кремний. Кроме того, в качестве подложек для микрофлюидных чипов часто используются полимеры, например циклоолефиновые сополимеры (COC).
Распространены также гибридные конструкции кремний–стекло и стекло–полимер. Несмотря на разнообразие доступных материалов, стекло сохраняет важное место среди материалов для производства микрофлюидных устройств в области биологических наук. Краткое сравнение помогает понять причины.
Преимущества стекла по сравнению с кремнием
Стекло обладает высокой оптической прозрачностью, тогда как кремний прозрачен только в инфракрасном диапазоне. Кроме того, кремний является более дорогим базовым материалом по сравнению со стеклом. Из-за особенностей его кристаллической структуры для обработки кремния преимущественно используются более дорогостоящие методы сухого травления.
Преимущества стекла по сравнению с полимерами
С точки зрения химической совместимости стекло является менее требовательным материалом, чем полимеры. Оно выдерживает воздействие агрессивных средств очистки, что позволяет использовать устройства многократно, тогда как полимерные микрофлюидные устройства обычно предназначены для одноразового применения. При этом одноразовые решения не всегда являются наиболее экологичным или экономически выгодным вариантом.
Стекло также обладает значительно большей стабильностью по сравнению с полимерами. Оно способно выдерживать более высокие температуры и давление, а также устойчиво к воздействию органических растворителей.
Технические характеристики стекла
Ниже приведены общие характеристики наиболее часто используемых типов стекла — боросиликатного стекла и плавленого кварца (fused silica):
|
Параметр |
Характеристика |
|
Толщина |
0,1–2 мм на слой |
|
Термостойкость |
до 450 °C |
|
Химическая инертность |
высокая устойчивость к воде, кислотам, щелочам и органическим веществам |
|
Шероховатость поверхности |
оптическое качество, ≤ 1 нм RMS |
|
Автофлуоресценция |
очень низкая |
|
Показатель преломления |
n = 1,5–1,9 |
