При разработке лекарств нового поколения ученые синтезируют и анализируют большие библиотеки биологически активных веществ. Существующие на сегодня подходы заключаются в синтезе каждого вещества «в колбе», то есть в макрообъеме. Такой способ позволяет получать граммы вещества, которые на этапе анализа биологической активности оказываются избыточными. Кроме того, этот метод занимает большое количество времени, так как реакции «в колбе» могут протекать до нескольких суток, а из библиотеки с сотней наименований синтезируемых веществ подходящим окажется одно.
Упростить процесс синтеза можно с помощью миниатюризации и ускорения химических реакций. Сегодня для этого применяют микрофлюидные устройства и катализаторы соответственно. Перспективный метод, который мог бы решить две эти задачи одновременно, — микрокапельный синтез. Эта идея появилась относительно недавно, но пока метод не реализован на практике.
Чтобы исследовать протекание химических реакций в нанолитровой капле, ученые ИТМО создали микрокапельный ускоритель химических реакций. Это лабораторная установка, которая генерирует микрокапли путем электрораспыления. С помощью нее можно синтезировать малое количество вещества — это уменьшает расход реагентов. Кроме того, синтез в нанолитровых каплях позволяет ускорить реакции в миллионы раз, чего не удается достичь с помощью катализаторов.
Чтобы провести реакцию, достаточно пропитать бумажный картридж реакционной массой, а затем подать на него высокое напряжение, под действием которого и начинается распыление. Химический синтез проходит в пролетающих каплях, которые собирают в специальную посуду для дальнейшего анализа.
Исследователи уже протестировали предложенную установку на примере реакции получения оснований Шиффа. По сравнению с традиционными методами синтеза в макрообъеме, при которых эта реакция занимает около 30 часов, в микрокаплях реакция прошла за считанные секунды.
«Особенность нашей разработки в том, что это простое и доступное решение. Установка не требует решения сложных инженерных задач, а также недорогая: для нее нужны лишь провода, блок питания постоянного тока и бумага. Мы уже привлекли в проект средства от Фонда содействия инновациям и выиграли внутривузовский грант ITMO.Collab, а также я победил с разработкой в стипендиальном конкурсе благотворительного фонда “Система”. Наша конечная цель — разработать универсальную и простую платформу для ускорения и миниатюризации органического синтеза с помощью электрораспыления», — рассказал один из разработчиков установки, инженер международного научно-образовательного центра физики наноструктур ИТМО Максим Семынин.
Процесс электрораспыления. Автор: Максим Семынин
В планах у исследователей — научиться лучше контролировать степень ускорения реакции и выход продукта. Для этого они намерены изучить факторы, которые влияют на ускорение химических реакций в микрокапле: заряд и размер капли, концентрацию химических веществ. Авторы планируют создать образец, позволяющий быстро проводить химические реакции на промышленном уровне. Это поможет быстрее находить биологически активные вещества для создания лекарств.
Разработка создана при поддержке внутривузовского гранта ITMO Collab. Над ним работает команда исследователей международного научно-образовательного центра физики наноструктур и химико-биологического кластера ИТМО и под руководством магистранта программы «Физика и технология наноструктур / Physics and Technology of Nanostructures» Максима Семынина.
