В последние годы новые технологии изготовления микро- и наноразмерных структур существенно повлияли на прогресс в различных областях науки. Так, микрофлюидные технологии заняли нишу как инструмент для разнообразных применений, особенно в биоинженерных и биомедицинских исследованиях. Например, технологии микрофлюидики успешно используются при подготовке биологических образцов, в тканевой инженерии, в молекулярной диагностике и при скрининге лекарств и т.д. Помимо таких применений, эти технологии являются важным вспомогательным средством при моделировании различных органов и их свойств. Сочетание микрофлюидики и методов формирования клеточных 3D-струткур повлекло за собой создание нового направления "орган-на-чипе". Основная идея "орган-на-чипе" заключается в том, чтобы предоставить искусственный объект тестирования, имитирующий живой человеческий орган. Развитие микрофлюидных технологий помогает преодолеть разрыв между in vitro и in vivo, предлагая новые современные подходы к медицинским, биологическим и фармакологическим исследованиям Устройства "орган-на-чипе" могут представлять собой не только целый орган, но и имитировать отдельные процессы, протекающие в организме. Клетки выращиваются внутри камер и каналов для создания тканей или органов, чтобы имитировать их работу. Достичь полной функциональности можно за счет поддержания конкретных условий, обеспечивающих функционирование органа или ткани, таких как давление, скорость потока, рН, осмотическое давление, содержание питательных веществ, присутствие токсинов и других свойств.

В обзоре приводятся данные по анализу публикационной активности исследователей в последнем десятилетии по тематике "орган-на-чипе" и родственной ей, индексируемых в библиометрической базе данных SCOPUS. Эти данные свидетельствуют не только о повышенном внимании, уделяемом данной тематике, но и о мультидисциплинарности этого направления. Помимо распределения публикаций по годам, представляет интерес сравнение публикационной активности представителей различных стран (лидеры – США, Китай и Южная Корея, почти по всем направлениям).

В статье освещаются общие вопросы, касающиеся основных и вспомогательных технологий систем "орган-на-чипе", материалов и методов изготовления устройств и элементов этих систем, а также рассматриваются примеры некоторых устройств. Для получения адекватных результатов исследования при использовании систем "орган-на-чипе" необходимо создать максимально близкие к естественным условия для функционирования модельных систем, в том числе обеспечить требуемые температурные режимы; условия формирования напряжения сдвига в потоке, омывающем клетки, механического сжатия, циклической деформации или воздействия других физических сил; создать нужную среду для изучаемых объектов. Все это приводит к усложнению систем, необходимости применения различных материалов (а следовательно, и методов изготовления), датчиков и микро-электромеханических устройств, созданию многоэтапных алгоритмов исследования. Системы "орган-на-чипе" динамично развиваются, а затрачиваемые исследователями усилия позволяют получать впечатляющие результаты в виде новых знаний об организме.

 
Кл. сл.: микрофлюидика, орган-на-чипе, печень-на-чипе, легкое-на-чипе, полимеры, технология изготовления

Институт аналитического приборостроения РАН, Санкт-Петербург
(Афоничева П.К., Буляница А.Л., Евстрапов А.А.)
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (Буляница А.Л.)
Контакты: Афоничева Полина Константиновна, polina.afonicheva@gmail.com

 
Материал поступил в редакцию 02.10.2019

Данная статья посвящена обзору аппаратов вспомогательного кровообращения третьего поколения, которые показаны при тяжелых формах сердечной недостаточности. Эти аппараты применяются при отсутствии донорского органа или при восстановлении ослабленного миокарда собственного сердца. Острый дефицит донорских органов требует незамедлительных решений по усовершенствованию существующих, проектированию и изготовлению новых аппаратов вспомогательного кровообращения, которые позволят продлить жизнь людям с сердечной недостаточностью. Несомненно, к таким аппаратам предъявляются высокие требования по надежности, безопасности и биосовместимости. Развитие подшипников и подшипниковых узлов для медицинских аппаратов вспомогательного кровообращения является актуальной задачей, анализ решений которой приводится здесь.

 
Кл. сл.: аппараты вспомогательного кровообращения, подшипники, магнитный подвес, ротор, статор

Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа
Контакты: Нургалиева Рушана Азатовна, Rushana39.45@mail.ru

 
Материал поступил в редакцию 09.09.2019

В представленном обзоре рассмотрены методы выделения и очистки ДНК из лизатов клеток, классифицированные по основным принципам и конкретным средствам, использованным с этой целью. Изложены известные на сегодняшний день преимущества, особенности использования и возможные ограничения для ПЦР-анализа. Использованные материалы включают как обзорные публикации, так и ряд "старых" работ, которые до сих пор не потеряли своей актуальности и являются основой для разработки современных нестандартных методов выделения и очистки ДНК.

 
Кл. сл.: нуклеиновые кислоты, выделение ДНК, очистка ДНК, двуокись кремния, магнитные частицы, спин колонки, жидкофазные методы

Институт аналитического приборостроения РАН, Санкт-Петербург
Контакты: Петров Дмитрий Григорьевич, dimoon88@mail.ru

 
Материал поступил в редакцию 14.10.2019

Прототипирование и разработка микрофлюидных систем для многих неспециализированных исследовательских биомедицинских лабораторий недоступны из-за дороговизны набора необходимого оборудования. Мы разработали способ переноса позитивного рисунка, сформированного методом фрезерования, с поверхности полиметилметакрилата на поверхность полидиметилсилоксана. Было обнаружено, что зуботехническая силиконовая масса для дублирования моделей Zhermack Elite double 22 имеет слабую адгезию на границе между давно застывшим слоем и застывающим. Это позволило дважды снять реплику с канализированной поверхности и получить копию фрезерованной канализированной поверхности на эластичном материале и показать, что полученный таким образом микрофлюидный чип пригоден для культивирования клеток.

 
Кл. сл.: микрофлюидный чип, полидиметилсилоксан, фрезерование, реплика, проточное культивирование

Красноярский государственный медицинский университет
им. проф. В.Ф. Войно-Ясенецкого, г. Красноярск
(Якимов А.С., Осипова Е.Д., Моргун А.В., Бойцова Е.Б., Салмин В.В., Салмина А.Б.)
Сибирский федеральный университет, г. Красноярск (Белобров П.И.)
Контакты: Якимов Антон Сергеевич, asyakimov@gmail.com

 
Материал поступил в редакцию 12.10.2019

На сегодняшний день микрофлюидные технологии представляют интерес как для фундаментальной науки, так и в связи с возможными практическими приложениями в области биомедицины и генной инженерии. Применение методов литографии, основанных на использовании заряженных электронных и ионных пучков, открывает широкие возможности по созданию микро- и наноканалов, наноразмерных пор, а также внедренных в них функциональных наноструктур более сложной формы. В рамках данного исследования была разработана и апробирована методика создания микрофлюидных чипов с двумя проточными ячейками (камерами) объемом не более 0.05 см³, соединенных между собой системой наноканалов шириной ~90 нм. Данная методика позволяет создавать массивы каналов с заданной шириной и глубиной. Системы с микро- и наноканалами и нанопорами могут найти применение в исследованиях транспортных свойств как ионов, так и различных молекул при их движении через наноканалы. Кроме того, подобные структуры могут быть успешно использованы при разработке высокочувствительных биосенсорных систем и в системах "lab-on-a-chip".

 
Кл. сл.: микро- и наноканалы, оптическая литография, ионная литография, кремниевая подложка, полидиметилсилоксан, микрофлюидный чип

Санкт-Петербургский государственный университет (СПбГУ),
Санкт-Петербург (Лебедев Д.В.)
Институт аналитического приборостроения РАН, Санкт-Петербург
(Лебедев Д.В., Голубок А.О., Букатин А.С., Евстрапов А.А.)
Санкт-Петербургский национальный исследовательский
Академический университет, Санкт-Петербург (Можаров А.М., Букатин А.С., Мухин И.С.)
Университет ИТМО, Санкт-Петербург (Комиссаренко Ф.Э ., Школдин В.А., Мухин И.С.)
Контакты: Лебедев Денис Владимирович, denis.v.lebedev@gmail.com

 
Материал поступил в редакцию 15.10.2019

Рассмотрены процессы взаимодействия потока электронов с энергией до 500 кэВ с веществом мишени (анода рентгеновской трубки) и последующего взаимодействия рентгеновского излучения с полупроводниковыми Si- и Ge-детекторами. Для случая регистрации с помощью Si-детектора показано, что в области низких энергий регистрируемого излучения нельзя пренебрегать процессами регистрации в комптоновском плато потерь излучения с достаточно большой энергией, возникающего в мишени. В случае Ge-детектора в области низкой энергии регистрируемого излучения также нельзя пренебрегать регистрацией тормозного излучения в пике фотопотерь.

 
Кл. сл.: тормозное излучение, функция отклика детектора, пик фотопотерь, плато комптоновских потерь

Иркутский государственный университет путей сообщения, г. Иркутск
Контакты: Портной Александр Юрьевич, portnoyalex@yandex.ru

 
Материал поступил в редакцию 10.10.2019

В работе проведен сравнительный анализ типов ионов, получаемых в источниках с ионизацией при атмосферном давлении – ESI, FIAD, APCI. Рассмотрены возможности предварительной сепарации ионного потока от неинформативных ионов и заряженных частиц (микрокапель), влияющих на качество ионного пучка, поступающего в анализатор. Предложен способ, устраняющий легкие ионы типа H⁺, (H₂O)H⁺, He⁺, N⁺ из потока тяжелых ионов целевых веществ. С помощью теоретической модели показана эффективность предлагаемого способа.

 
Кл. сл.: подвижность ионов, ионно-молекулярные реакции, разрешение ион-дрейфового спектрометра

Институт аналитического приборостроения РАН, Санкт-Петербург
Контакты: Курнин Игорь Васильевич, igor.kurnin@gmail.com

 
Материал поступил в редакцию 23.09.2019

В работе приведены экспериментальные данные, полученные на макетном портативном полупроводниковом анализаторе при детектировании смесей летучих углеводородов — паров сольвента и бензина. Полупроводниковые газочувствительные слои сенсоров изготовлены по золь-гель технологии, в качестве рабочего материала датчиков использован сульфид самария (SmS). Определены оптимальные температуры детекти-рования газов, получены калибровочные концентрационные зависимости.

 
Кл. сл.: сульфид самария, газовые датчики, бензин, сольвент, золь-гель метод

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург
Контакты: Казаков Сергей Алексеевич, Kazakov59@mail.ioffe.ru

 
Материал поступил в редакцию 04.10.2019

Данная публикация является продолжением цикла работ, посвященных исследованию свойств электронно- и ионно-оптических систем и устройств, в которых используются электрические и магнитные поля, однородные по Эйлеру. Для подобного типа электрических и магнитных полей выполняется принцип подобия траекторий Ю.К. Голикова, с помощью которого можно синтезировать электронно- и ионно-оптические системы с заранее желаемыми уникальными свойствами. Однако эффективному использованию и оптимизации таких систем препятствует то, что класс электрических и магнитных полей, однородных по Эйлеру, не слишком велик, а аналитические формулы для скалярных потенциалов полей, однородных по Эйлеру, достаточно немногочисленны. В работе рассматривается специальный класс полей, однородных по Эйлеру, для которых трехмерные скалярные потенциалы, являющиеся однородными и гармоническими, распадаются на сумму нескольких двумерных функций, которые по отдельности не обязаны быть ни гармоническими, ни однородными (так называемые "скрещенные потенциалы", называемые также в некоторых случаях потенциалами разностного типа). Подобного рода потенциалы являются полезным инструментом при синтезе электронно- и ионно-оптических систем, поскольку позволяют разделить движение заряженных частиц в меридиональной плоскости на два непересекающихся движения по двум независимым координатам. В результате проведенного исследования получены все возможные аналитические потенциалы для скрещенных однородных гармонических полей. В частности показано, что нетривиальные решения, отличные от суперпозиции планарных однородных гармонических функций, возможны только для степеней однородности, равных нулю и единице.

 
Кл. сл.: электрические поля; гармонические функции; функции, однородные по Эйлеру; принцип подобия траекторий в оптике заряженных частиц; аналитические решения уравнения Лапласа

Институт аналитического приборостроения РАН, г. Санкт-Петербург
(Бердников А.С., Соловьёв К.В., Кузьмин А.Г., Масюкевич С.В., Титов Ю.А., Голиков Ю.К.)
Санкт-Петербургский Политехнический Университет Петра Великого
(Краснова Н.К., Соловьёв К.В., Голиков Ю.К.)
Контакты: Бердников Александр Сергеевич, asberd@yandex.ru

 
Материал поступил в редакцию 10.09.2019

Электрические и магнитные поля, однородные по Эйлеру, являются удобным инструментом при синтезе электронно- и ионно-оптических систем со специальными свойствами. Известно, что скалярные потенциалы подобных полей представляют собой трехмерные скалярные гармонические функции, однородные по Эйлеру, с заданной степенью однородности. Вопрос о параметризации трехмерных однородных гармонических функций с целочисленными степенями однородности исчерпывающим образом решается с помощью формул Донкина для однородных гармонических функций со степенями однородности 0 и –1, теоремы о дифференцировании трехмерных однородных гармонических функций и формулы Томсона для однородных гармонических функций. Однако число аналитических формул, которые можно использовать для описания трехмерных скалярных гармонических функций при нецелочисленных степенях однородности, к сожалению, в настоящий момент не слишком велико, а вопрос об исчерпывающем описании таких функций весьма далек от своего окончательного решения. В то же время использование трехмерных однородных гармонических потенциалов с нецелочисленными степенями однородности значительно расширяет инструментарий разработчиков электронно- и ионно-оптических систем. Целью данной работы является построение гипергеометрического базиса, составленного из базовых однородных гармонических функций с нецелочисленными степенями однородности, с помощью которого любую трехмерную однородную гармоническую функцию, не имеющую сингулярных точек за исключением луча x = y = 0, z ≤ 0, можно представить в виде бесконечного ряда наподобие ряда Фурье. Полученный результат, по-видимому, отчасти решает проблему исчерпывающего описания трехмерных скалярных однородных гармонических функций при нецелочисленных степенях однородности.

 
Кл. сл.: электрические поля; гармонические функции; функции, однородные по Эйлеру; принцип подобия траекторий в оптике заряженных частиц; формула Донкина; аналитические решения уравнения Лапласа

Институт аналитического приборостроения РАН, Санкт-Петербург
(Бердников А.С., Соловьёв К.В., Кузьмин А.Г., Масюкевич С.В., Титов Ю.А., Голиков Ю.К.)
Санкт-Петербургский Политехнический Университет Петра Великого
(Краснова Н.К., Соловьёв К.В., Голиков Ю.К.)
Контакты: Бердников Александр Сергеевич, asberd@yandex.ru

 
Материал поступил в редакцию 23.09.2019

Электрические и магнитные поля, обеспечивающие движение заряженных частиц с априорно известными целевыми свойствами, являются полезным инструментом для разработки электронно-оптических и ионно-оптических систем специального вида. В данной работе исследуются элементарные пути обобщения изотраекторных электронно- и ионно-оптических систем А.А. Матышева, у которых при движении в меняющемся во времени электрическом и/или магнитном поле траектория заряженной частицы не зависит от модуля начальной скорости в начальный момент времени t = 0. Основной полученный результат состоит в расширенной трактовке принципа изотраекторности, который, по-видимому, должен теперь включать в себя не только траектории заряженных частиц, зависящие от массы частицы и не зависящие от ее начальной скорости, но и траектории заряженных частиц, которые зависят от начальной кинетической энергии (произведения массы на квадрат скорости) либо начального модуля импульса (произведения массы и скорости), но не от массы и начальной скорости по отдельности. Показано, что зависимость траектории от начальной кинетической энергии обеспечивается электростатическим полем, линейно растущим во времени магнитным полем или их наложением друг на друга. Показано, что зависимость траектории от начального импульса обеспечивается магнитостатическим магнитным полем, электрическим полем, меняющимся во времени по закону E ~ 1/t, или их комбинацией. Кроме того, показано, что изотраекторным движением является движение заряженных частиц в электрических полях, меняющихся во времени как E ~ 1/t², и/или магнитных полях, меняющихся во времени как B ~ 1/t (т.е. для классических изотраекторных систем) в присутствии нейтрального газа, обеспечивающего для движения ионов в газовой среде эффект эквивалентного вязкого трения по закону Стокса, когда рассеяние ионов при столкновении с нейтральными молекулами газа происходит в соответствии с сечением столкновения для модели твердых сфер.

 
Кл. сл.: электрические поля, магнитные поля, изотраекторные системы, принципы подобия в оптике заряженных частиц

Институт аналитического приборостроения РАН, г. Санкт-Петербург
(Бердников А.С., Соловьёв К.В., Кузьмин А.Г., Масюкевич С.В., Титов Ю.А.)
Санкт-Петербургский Политехнический Университет Петра Великого
(Краснова Н.К., Соловьёв К.В.)
Контакты: Бердников Александр Сергеевич, asberd@yandex.ru

 
Материал поступил в редакцию 30.09.2019

При оптоакустической визуализации объект освещается коротким лазерным импульсом, и энергия поглощенного фотона преобразуется в тепло, что приводит к кратковременному локальному повышению температуры. Повышение температуры вызывает термоупругое расширение, которое вызывает локальное повышение давления и излучает акустические волны. Существуют теории для описания процесса пространственной когерентности как функции расстояния между элементами на приемной акустической антенне, что позволяет оптимизировать изображение, полученное в результате оптоакустического эффекта. Однако в этих теориях отсутствует модель шума, который вносит значительные отклонения в измерениях. Оптоакустическая томография классифицируется как метод гибридной визуализации на основе оптоакустического эффекта. Опто­акустические сигналы по своей природе регистрируются в шумной среде, а также подвержены воздействию шума компонентов системы. Поэтому важно уменьшить шум в сигналах, чтобы восстановить изображения с меньшей ошибкой. В работе приведены алгоритмы обработки акустического сигнала для получения изображения, сформированного в результате оптоакустического эффекта.

 
Кл. сл.: оптоакустический эффект, акустический сигнал, цитомер, томография, лазер

Южный федеральный университет, Институт нанотехнологий,
электроники и приборостроения, г. Таганрог
Контакты: Кравчук Денис Александрович, kravchukda@sfedu.ru, denik545@ya.ru

 
Материал поступил в редакцию 30.09.2019

В работе проведено моделирование формирования акустического сигнала при оптоакустическом эффекте источниками в тонком слое жидкости и источником в виде жидкого цилиндра с диаметром, равным диаметру лазерного луча. Установлено, что при генерации акустического сигнала в результате воздействия лазерного луча на тонкий слой жидкости форма и длительность акустического импульса имеют форму и длительность лазерного импульса. При формировании акустического импульса от цилиндра в слое жидкости образуется биполярный сигнал с фронтом нарастания, равным длительности лазерного воздействия, и зоной релаксации, при этом длительность акустического импульса увеличивается.

 
Кл. сл.: оптоакустический эффект, акустический сигнал, лазер, поглощение, микрочастицы

Южный федеральный университет, Институт нанотехнологий,
электроники и приборостроения, г. Таганрог
Контакты: Кравчук Денис Александрович, kravchukda@sfedu.ru, denik545@ya.ru

 
Материал поступил в редакцию 10.10.2019

НОМЕР 1 (156 с.)
Тематический:
Работы участников 2-й Всероссийской научно-практической конференции
"НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ — СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ",
4–7 июня 2018 г., Казань
РАБОТЫ С КОНФЕРЕНЦИИ (с. 5–98)
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПРИБОРОВ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МЕТОДИК (с. 99–115)
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ (с. 116–148)
ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ (с. 149–156)

 
НОМЕР 2 (120 с.)
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ (с. 5–53)
ФИЗИКА ПРИБОРОСТРОЕНИЯ (с. 54–71)
РАЗРАБОТКА ПРИБОРОВ И СИСТЕМ (с. 72–82)
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ (с. 83–117)
ПЕРСОНАЛИИ Жорес Иванович Алфёров (c. 118)

 
НОМЕР 3 (92 с.)
ФИЗИКА ПРИБОРОСТРОЕНИЯ (с. 3–50)
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ (с. 51–68)
ПЕРСОНАЛИИ Юбилей Лидии Николаевны Галль, д-ра физ.-мат. наук, профессора (с. 69)
ОТ РЕДАКЦИИ (избранное: монографии ученых ИАП РАН) (с. 73–92)

 
НОМЕР 4 (136 с.)
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ (с. 3–27)
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ (с. 28–61)
ФИЗИКА ПРИБОРОСТРОЕНИЯ (с. 62–83)
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ (с. 84–128)