Наномеханотроніка та клітинні мікротехнології

Наномеханотроніка та клітинні мікротехнології

С. Ф. Петренко, д.т.н., проф. кафедри НАЕПС
 

“Київський політехнік” № 40 від 16 грудня 2004 року

За світовими прогнозами XXI століття визначено як епоху великих відкриттів в галузі клітинних механізмів фізіологічних процесів i подальшого розвитку клітинних мікротехнологій (біотехнології, генна інженерія, репродуктивна біологія i медицина, нейробіологія, мікрофізіологія, i таке інше). При цьому під клітинними мікротехнологіями розуміють технології з ОДНІЄЮ або декількома живими відокремленими клітинами при активному впливі на них. Це методики, які передбачають перш за все мікрооперації у внутрішньоклітинному просторі, наприклад IVF-методики (In Vivo Fertilization). Як гідний приклад широкого використання таких мікротехнологій можна навести програму із штучного запліднення ІCSІ – ін’єкція одного сперматозоїда в цитоплазму незаплідненої яйцеклітини, програму “STEMM CELLS” (стовбурові клітини), програму “Клонування …” тощо.

Але використання BCIX цих програм неможливе без наномеханотроніки.

Наномеханотроніка – спеціальний розділ нанотехнологій. Це механіка, котра оперує перш за все нанометрами i кутовими секундами. Один із напрямів наномеханотроніки – це прилади формування та керування рухом у нанопросторі. Це клас дуже складних та коштовних приладів, які традиційно називаються наноманіпуляторами (далі просто маніпулятори). Маніпулятор несе на собі інструмент для роботи у нанопросторі. Для клітинних мікротехнологій це кварцова мікропіпетка з кінчиком від десятка нанометрів до десятка мікрометрів. Не треба плутати наноманіпулятори з нанороботами (MEMS технології) та молекулярними роботами, які самі завбільшки з декілька десятків мікрометрів (все це поки що в майбутньому). А ось виготовлятися найближчим часом такі нанороботи будуть якраз за допомогою наноманіпулятopiв, це реальні проекти. А сьогодні в клітинних мікротехнологіях за допомогою маніпуляторів виконується така унікальна послідовність мікрооперацій:

По-перше, виконується автоматичний пошук необхідної клітини в полі зору мікроскопа (~ 200х300 мкм), яке в сучасних засобах виводиться на монітор керуючого комп’ютера (як i все керування комплексом), виконується наведення маніпулятора на клітину (це може бути як статичний, так i динамічний процес). Далі здійснюється пуск маніпулятора і, наздогнавши клітину, маніпулятор повинен різко загальмувати перед неї на близькій (~2…5 мкм) фіксованій відстані. 3 точки зору динаміки це дуже складна задача.

По друге, виконується операція дуже делікатної “стиковки” з клітиною та утримання її протягом необхідного часу. Ця операція виконується здебільшого у ручному режимі через керуючий монітор, який нагадує пульт керування космічним апаратом. Цю операцію можна порівняти зі стиковкою двох космічних кораблів у космічному просторі, але при цьому один корабель намагається це зробити, а другий йому протидіє та заважає це зробити. Маніпулятор, який виконує ці мікрооперації, зветься Clamp (зажим) маніпулятор, а робоча піпетка зветься Holder. Коли виконується технологія Клонування, то як мінімум використовується два Clamp маніпулятора, один з яких утримує клітину – донор, а другий клітину – реципієнт. При штучному заплідненні використовується один Clamp маніпулятор.

Далі вступає в дію так званий внутрішньоклітинний мікроманіпулятор. Традиційно його звуть IVF маніпулятор. На цьому мікроманіпуляторі встановлюється мікропіпетка – ін’єктор, або мікропіпетка – скальпель, які виконують внутрішньоклітинні операції за заданою програмою. При виконанні мікрооперацій зі штучного запліднення цей мікроманіпулятор підходить до клітини (яка утримується Clamp маніпулятором), кінцем мікроін’єктора натягує еластичну мембрану клітини i за допомогою мікроударів, які традиційно формуються спеціальним п’єзотранслятором (в наших системах таку функцію бере на себе сам маніпулятор) проколює мембрану i проникає в цитоплазму з метою виконання подальшої ін’єкції сперматозоїдів або того чи іншого розчину. При виконанні операції з клонування, маніпулятор за допомогою спеціального режиму “ультразвуковий скальпель” (що є присутнім тільки на нашому маніпуляторі), робить розтин мембрани за заданою програмою, виконує “чистку” ядра клітини – реципієнта, i здійснює переніс ядерної маси з клітини донора в клітину – реципієнта.

Це лише деякі фрагмента маніпуляційної наномеханотроніки в клітинних технологіях, які вже використовуються в учбовому процесі на кафедрі приладів систем орієнтації та навігації приладобудівного факультету нашого університету.

Створення наноманіпуляторів є дуже перспективним напрямом у світі. І тут є дуже багато проблем, які виникають при проектуванні таких комплексів.

Перш за все, рух в нанодіапазоні повинен бути вільним від вібрацій, маніпулятор повинен бути ідеальним позиціонером, рівень роздільної здатності (або рівень мінімального кроку) повинен бути ~1 нм, маніпулятор повинен перекривати діапазон швидкостей як мінімум в шість порядків, система повинна відповідати ідеальним динамічним характеристикам (наприклад, час зміни знака руху (реверс) на максимальній швидкості повинен бути не більше однієї мілісекунди), система повинна бути легко програмована, маневрена i все це має розміщуватися на столику мікроскопа поряд з двома, або й трьома такими ж маніпуляторами. Рішення поставлених задач класичними методами на основі класичного електроприводу дуже проблематичне. Це пояснюється перш за все тим, що межа прецизійності таких систем знаходиться на рівні мікрометрів, не кажучи вже про динамічні властивості. До того ж, рух в нанопросторі супроводжується “Stick/Slip” ефектом, який дуже обмежує роздільну здатність та мінімальний крок. Через що до недавнього часу вважалося, що тільки системи, вільні від тертя, можуть працювати в нанодіапазоні. Це так звані п’єзотранслятори (PZT), які діють на малих відстанях (~10…100мкм). Тому в основу створення першого Українського наноманіпулятора PSF-3 було покладено спеціально розроблений на основі зворотного п’єзоелектричного ефекту нанопривод PM-20R з підвищеною роздільною здатністю та новими принципами комп’ютеризованого контролю. За основу проектування такого нанопривода були взяті роботи видатних Українських вчених співробітників НТУУ “КПІ” В.В.Лавриненка та Ю.І.Якименка.

Наноманіпулятор PSF-3 являє собою трьохосьову комп’ютеризовану платформу, на яку встановлюється робочий інструмент. За оцінками спеціалістів американської компанії “World Precision Instruments Inc.” (світовий лідер з розробки та виготовлення обладнання для клітинних технологій) цей маніпулятор є “… першим у світі повністю моторизованим п’єзоелектричним маніпулятором з рівнем роздільної здатності 1 нм, який є ідеальним для дослідження електрофізіології клітин”. Треба відмітити, що найближчий світовий аналог має рівень роздільної здатності лише 20 нм та космічну ціну.

Такий маніпулятор може застосовуватися не тільки в клітинних технологіях, а й в інших областях науки та техніки, оскільки на його платформу можна встановлювати робочий інструмент вагою до 3 кілограмів. Його можна використовувати для стиковки оптичних модулів волоконно-оптичних ліній зв’язку, для виготовлення деталей з унікальною точністю, для виготовлення інтегральних мікросхем. Дійсно, сучасний рівень фотолітографії при виготовленні мікроелектронних компонентів дозволяє використовувати глибоке ультрафіолетове випромінювання з метою отримання канавок “орнаменту” завширшки всього 50…70 нм. Встановивши на такий маніпулятор джерело рентгенівського або гамма-випромінювання, можна значно підвищити рівень такої роздільної здатності. А це вже класичні нанотехнології.

Наприкінці хотілося б відмітити, що на запитання, чи є у нас в Україні нанотехнології, можна дати однозначну відповідь – вони існують у формі приладів наномеханотроніки – нанопуляторів, які в найближчому майбутньому будуть визначати головні напрями розвитку науки та техніки. I тут ми займаємо не останнє, а може одне з перших місць у світі (поки що).

S.F. Petrenko, prof. Department NAEPS

“Kyiv Polytechnic” № 40 dated December 16, 2004

For global forecasts of the XXI century is defined as an era of great discoveries in cellular mechanisms of physiological processes further development of celli microfabrication ( biotechnology , genetic engineering , reproductive biology i medicine, neurobiology , mikrofisicks , i , etc.) . However, under microtechnology understand cellular technology with one or more separate living cells with active influence on them . This technique, involving primarily micro in the intracellular space, eg IVF- methods (In Vivo Fertilization). As a good example the widespread use of microfabrication can cause a program to IVF ICSI – injection of a sperm into the cytoplasm of the unfertilized egg program “STEMM CELLS” ( stem cells), the program ” Clone …” ect.

But the use of these programs BCIX impossible withoutn anomechanotronices .

Nanomechanotronices – special section on nanotechnology. This manual, which operates primarily nanometer i arcsec. One of the ways  – devices that control the formation and movement in nanoprostori . This class is very complex and expensive instruments that are traditionally called nanomanipulators
 (hereinafter simply mounted ). The manipulator carries a tool for working in nanoprostors . For celli microfabrication of a quartz micropipette tip from tens of nanometers to tens of micrometers . Not to be confused with nanomanipulators
nanorobots (MEMS technology ) and the molecular robots who do the size of a few tens of micrometers (all still in the future). But soon produced such nanorobots are just using nanomanipulyatopiv , these are real projects. And today in cell microfabrication using manipulators done such a unique sequence of micro-operations :

First , it automatically find relevant cells in the microscope field of view (~ 200h300 mm) , which in modern vehicles displayed on the monitor control computer (as i is a set of control ) is performed aiming arm on the cell (which may be either static, so i dynamic process ). Then a start arm and caught up with cell manipulator has dramatically slow down before her short (~ 2 … 5 mm) fixed distance . 3 in terms of the dynamics is a very complex task.

Second, the operation is performed very delicate ” connections ” with the cage and keeping it within the required time. This is done mostly in manual mode via control monitor that resembles a remote control spacecraft . This operation can be compared with the docking of two spacecraft in outer space , but one ship trying to do it and the other opposes it and prevents it done. Manipulator that performs these micro is called Clamp ( clamp ) mounted and working dropper called Holder. When running a cloning technology , then at least use two Clamp arm , one of which holds a cell – the donor , and the second cell – the recipient . With artificial insemination using one Clamp mounted .

Next comes into effect so-called intracellular micromanipulator . Traditionally IVF mounted his name . This micromanipulator set micropipette – injector or micropipette – scalpel, intracellular performing operations for a given program . When the micro artificial insemination this micromanipulator is coming to the cells (which contained Clamp manipulator ) end micropipette – injector, pulling elastic membrane cell i with mikroudariv that have traditionally formed a special p’yezotranslyatorom ( in our systems this function assumes he mounted ) pierce the membrane i enters the cytoplasm to perform further injections of sperm or of a solution. When the cloning operation , mounted by a special regime “ultrasonic scalpel ” ( which is present only on our manipulator ) is doing an autopsy of the membrane for a given program , performs ” clean ” cell nucleus – Recipient , i has suffered a nuclear mass of the donor cells cell – the recipient.

These are only some fragment manipulation nanomehanotroniky in cellular technology that is used in the educational process at the department of targeting devices and navigation instrument faculty of our university.

Create nanomanipulyatoriv is a very promising way in the world. And there are so many problems that arise in the design of such systems.

First of all , the movement in nanodiapazoni must be free of vibration , the manipulator has to be perfect pozitsionerom level of resolution (or minimum step) should be ~ 1 nm , the manipulator has to cover the range of speeds at least six orders of magnitude , the system must meet the perfect dynamic characteristics (for example, changing the sign of motion ( reverse) at the maximum speed must be less than one millisecond ) , the system must be easily programmable , flexible all i have placed the microscope on the table along with two or three , and the same manipulators. Solution of the problem classical methods based on the classic electric very problematical . This is due primarily to the fact that the limit of precision of such systems at the level of micrometers, not to mention the dynamic properties. In addition , the movement of nanoprostori followed by “Stick / Slip” effect which is very limiting resolution and minimum step . After that, until recently it was believed that only the system free from friction, can work in nanodiapazoni . This so-called p’yezotranslyatory (PZT), which operate at short distances (~ 10 … 100mkm ). Therefore, the basis for the creation of the first Ukrainian nanomanipulator’s PSF- 3 was launched from a specially designed reverse piezoelectric effect nanoprive PM-20R with high resolution and new principles of computerized control. The basis of this design nanoprived were taken of the outstanding Ukrainian scientists employee “KPI” V.V.Lavrynenka and Yu.I.Yakymenka .

Nanomanipulyator PSF- 3 is a three-axis computerized platform , which established a working tool . Experts American company “World Precision Instruments Inc.” (world leader in the development and production of equipment for cellular technology ), this crane is “… the world’s first fully motorized piezoelectric manipulator with level 1 nm resolution , which is ideal for the study of cell electrophysiology .” It should be noted that the nearest analogy is the global standard resolution to 20 nm and space costs.

This manipulator can be applied not only in cellular technology, but also in other fields of science and technology as its platform can be installed work tool weighing up to 3 pounds. It can be used for docking optic modules Fiber -optic communication lines for the manufacture of parts with unique precision, for the manufacture of integrated circuits. Indeed, the current level of photolithography in the manufacture of microelectronic components allows the use of deep ultraviolet light to obtain grooves ” ornament ” wide total of 50 … 70 nm. By setting such a source mounted X-ray or gamma radiation, can significantly increase the level of such resolution. And this is a classic nanotechnology.

At the end I would like to note that the question is whether we in Ukraine nanotechnology , we can give a definite answer – they are in the form of devices nanomechanotronices – nanopulator that in the near future will determine the main directions of development of science and technology. I here we is not the last , and perhaps one of the highest in the world ( yet).

Читати далі“Nanomechanotronices and microfabrication cellular”