Разработка технологии и создание имитационных модельных микрофлюидных чипов для экспериментального моделирования распределения микропотоков в микрофлюидных сетях заданной конфигурации Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

СМОЛЕНСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ АЛЬМАНАХ

2 0 1 8, № 4

| 68

РАЗДЕЛ 4. СИСТЕМА ПЕРИФЕРИЧЕСКОГО КРОВООБРАЩЕНИЯ КАК ОБЪЕКТ

ИССЛЕДОВАНИЯ: НОВЫЕ ПОДХОДЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

УДК 57.081.22-23

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И СОЗДАНИЕ ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЬНЫХ МИКРОФЛЮИДНЫХ ЧИПОВ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МИКРОПОТОКОВ В МИКРОФЛЮИДНЫХ СЕТЯХ ЗАДАННОЙ КОНФИГУРАЦИИ

Демидов А. Л., Жилкин В. В., Глотов В. А.

ФГБОУВО Смоленский государственный медицинский университет Минздрава России,

Смоленск, Россия forssma@yandex.ru

Резюме

Разработаны технологии (процедуры) создания имитационных модельных микрофлюидных чипов (ММЧ). Изготовленные имитационные ММЧ экспериментально опробованы и приняты к дальнейшей работе в составе экспериментальной исследовательской платформы для управления и автоматизации обработки данных моделирования микроциркуляции.

Ключевые слова: микроциркуляция, микрососудистые сети, модельный микрофлюидный чип, компьютерное зрение, микроконтроллер, исследовательская платформа, лазерные технологии.

DEVELOPMENT OF TECHNOLOGIES AND CREATION OF SIMULATION

MODEL MICROFLUIDIC CHIPS FOR EXPERIMENTAL MODELING OF MICROFLOW DISTRIBUTION IN MICROFLUIDIC NETWORKS OF A GIVEN

CONFIGURATION

Demidov L. A., Zhilkin V. V., Glotov V. A.

Smolensk State Medical University, Smolensk, Russia

forssma@yandex.ru

Abstract

Various technologies of creation of simulation model microfluidic chips (MMC) have been developed in the course of solving the problem. The manufactured simulation MMC were experimentally tested and accepted for further work as part of the experimental research platform for control and automation of data processing of microcirculation modeling.

Keywords: microcirculation, model microfluidic chip, microvascular networks, computer vision, microcontroller, research platform, laser technologies.

Введение. Моделирование, гемодинамических факторов микроциркуляции и микрососудистых сетей является одной из основных задач при проведении экспериментов на искусственных микрофлюидных (микрососудистых) сетях. Решение задачи создания модельных микрофлюидных чипов (ММЧ) и оценки их пригодности для дальнейшего использования в составе экспериментальной исследовательской платформы для управления, автоматизированного анализа, оценки и обработки данных микроциркуляции позволяет проводить исследовательские работы в направлении: «Экспериментальные и клинические аспекты микроциркуляции и функции эндотелия».

Целью работы было разработка линейки технологических процедур и создание имитационных модельных микрофлюидных чипов (ММЧ), пригодных для дальнейшей

СМОЛЕНСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ АЛЬМАНАХ

2 0 1 8, № 4

I 69

работы в составе экспериментальной исследовательской платформы для управления и автоматизации обработки данных моделирования микроциркуляции.

Методы исследования. Для достижения наилучших результатов, минимизации затрат и сокращения сроков выполнения работ было организовано тесное взаимодействие между биотехнологами, группой разработчиков модельных микрофлюидных чипов и инженерно-техническим составом современного производства. Это позволило непосредственно в ходе работы изготовить варианты экспериментальных и опытных образцов. Проводить их опробование в составе экспериментальной исследовательской платформы для управления, автоматизированного анализа, оценки и обработки данных микроциркуляции, их доработку до готового образца. По сформированным биотехническим требованиям на структуру ММЧ выполнялась разработка электронной модели в среде автоматизированного проектирования SolidWorks. В дальнейшем эта модель использовалась для загрузки в один из видов обрабатывающих комплексов с программным управлением.

Первая технология (процедура) - изготовление топологии методом фрезерования микрофрезой диаметром 0,1-0,5 мм на глубину 0,01-0,5 мм на подложке из пластифицированного органического стекла ГОСТ 17622-72. Работа выполнялась на прецизионных автоматизированных обрабатывающих центах «HAAS». В дальнейшем на подложку укладывается такое же сплошное органическое стекло и формируются порты ввода-вывода рабочей жидкости.

Вторая технология (процедура) - изготовление матрицы топологии ММЧ методом лазерной резки на оптоволоконной машине лазерной резки МЛ-35 из нержавеющей стали 12Х18Н10Т толщиной 0,01-0,5 мм. Затем матрица укладывается на плоскую поверхность кюветы и заливается нейтральным силиконовым компаундом. После застывания компаунда силиконовая подложка с отпечатавшейся топологией закрывается сплошным органическим стеклом и формируются порты ввода-вывода.

Третья технология (процедура) - нанесение топологии непосредственно на поверхность органического стекла на лазерном плоттере с органическим лазером. В дальнейшем, также, на подложку укладывается сплошное органическое стекло и формируются порты ввода-вывода рабочей жидкости.

Каждая из выбранных технологий (процедур) имеет свои особенности, которые позволяют производить наилучший выбор для конкретных задач.

Разработаны и изготовлены опытные блоки управления генератора микропотоков питательной среды (микронасоса) с применением микроконтроллера Arduino Due на базе процессора Atmel SAM3X8E ARM Cortex-M3 на основе 32-битного микропроцессора с ARM ядром, с применением демонстрационного микрокомпьютера STM32F469N1, с применением микрокомпьютера Raspberry Pi 3 Model B. Для каждого блока разработано необходимое программное обеспечение [1, 2].

Результаты и их обсуждение. Модельные микрофлюидные чипы, сформированные по любой из приведенных технологий (процедур) имеют унифицированный порты ввода-вывода рабочей жидкости, установочные размеры и прозрачную верхнюю часть. Это позволяет устанавливать их в экспериментальную исследовательскую платформу для управления и автоматизации обработки данных моделирования микроциркуляции. Ток рабочей жидкости создаётся микронасосами, работающими на гравитационном, электромагнитном и микроперистальтическом принципах, и регулируется клапанами платформы путем программного управления. Наблюдение, анализ и регистрация эксперимента осуществляется электронным USB микроскопом и компьютером с программным пакетом. Выполняются измерения и регистрация первичных параметров: скорости потока, объема и температуры различных рабочих жидкостей. Программный комплекс производит расчеты и анализ гемодинамических факторов микроциркуляции и структурных параметров искусственных микрофлюидных (микрососудистых) сетей, что в конечном итоге позволяет сформировать структуру ММЧ максимально соответствующую

С М О Л Е Н С К И Й М Е Д И Ц И Н С К И Й А Л Ь М А Н А Х

2 0 1 8, № 4

I 70

требуемым параметрам исходного биологического объекта и изучать его функционирование при различных режимах микроциркуляции.

Разработанная экспериментальная платформа может быть использована для экспериментальной проверки ряда теоретически полученных результатов, с применением аксиоматического подхода к структурному анализу микрососудистых сетей и квантовой (парциальной) модели гемодинамики [1].

ЛИТЕРАТУРА

1. Брюханов О. Н., Коробко В. И., Мелик-Аракелян А.Т. Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики. - М.: ИНФРА-М, 2007. - 254 с.

2. Глотов В. А. Структурный анализ микрососудистых бифуркаций (Микрососудистый узел и гемодинамический фактор). - Смоленск: Амипресс, 1995. - 255 с.

3. Демидов А. Л., Жилкин В. В. Экспериментальная исследовательская платформа для управления и автоматизации обработки данных моделирования микроциркуляций // Смоленский медицинский альманах.- 2018. - №1. - С. 85-87.

УДК 546.172.6-31:575.174.015.3

РОЛЬ НЕКОТОРЫХ ГЕНОВ КАНДИДАТОВ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ ПАТОЛОГИИ В ФОРМИРОВАНИИ КИСЛОРОДЗАВИСИМЫХ ПРОЦЕССОВ

КРОВИ

Зинчук В.В., Жадько Д.Д.

УО Гродненский государственный медицинский университет, Гродно, Беларусь

zinchuk@grsmu.by

Резюме

В работе проводилось установление ассоциаций между полиморфизмом G894T гена NOS3 и кислородтранспортной функцией крови, прооксидантно-антиоксидантным балансом. У здоровых лиц с генотипом ТТ был выявлен более низкий уровень рО2, CvO2 SO2, повышение сродства гемоглобина к кислороду, более низкое содержание NO37NO2_, более высокая концентрация H2S в сравнении с испытуемыми, имеющими в генотипе аллель G. Полиморфизм G894T вносит вклад в формирование кислородтранспортной функции крови, прооксидантно-антиоксидантного баланса и функционального состояния организма.

Ключевые слова: полиморфизмом G894T, транспорт кислорода, прооксидантно-антиоксидантный баланс, оксид азота, сероводород, функциональное состояние.

THE ROLE OF SOME GENES OF CANDIDATES OF CARDIOVASCULAR PATHOLOGY IN THE FORMATION OF OXYGEN-DEPENDENT BLOOD PROCESSES

Zinchuk V. V., Zhadko D.D.

Grodno State Medical University, Grodno, Belarus

zinchuk@grsmu.by

Abstract

In this work the associations between the G894T polymorphism of the NOS3 gene and the blood oxygen transport, the prooxidant-antioxidant balance were established. In healthy individuals with the TT genotype, a lower level of pO2, CvO2 SO2, an increase in the affinity of hemoglobin for oxygen, a lower content of NO3" / NO2", a higher concentration of H2S compared to subjects with the G-allele was detected. Polymorphism G894T contributes to the formation of the oxygen transport function of the blood, the prooxidant-antioxidant balance and the functional state of the body.

Keywords: polymorphism G894T, oxygen transport, prooxidant-antioxidant balance, nitric oxide, hydrogen sulfide, functional state.