Микрофлюидное устройство для синтеза и спектрального контроля производных берберина Российский патент 2024 года по МПК G01N21/25 B81B1/00 B01J19/24 

Изобретение относится к области микрофлюидных систем и, в частности, к микрофлюидным ячейкам и применяется для синтеза и спектрального контроля новых соединений берберина.

Известно, что микрофлюидной ячейкой называется компактный химический реактор, адаптированный конструктивно для прохождения рентгеновских или иных лучей через реакционный объем.

Из уровня техники известно, что проведение химических реакций с целью получения новых веществ с биологической активностью обычно проводят в колбе, где смешивают реагенты при интенсивном перемешивании. В случае с берберином реакция идет быстро, однако из-за высокой скорости реакции и неэквивалентности в моменте добавления одного реагента к другому образуется множество побочных продуктов, что существенно осложняет дальнейшее разделение и анализ.

На фиг. 1 показана схема синтеза производных берберина. В процессе варьирования условий реакции замечено, что выход целевого продукта зависит от скорости и последовательности добавления реагентов в реакционную среду. Если к раствору замещенного дигидроберберина 2-10 добавлять раствор фуразана (NBF-Cl), то продукт образуется со средним выходом. Если же наоборот – к раствору фуразана (NBF-Cl) добавлять производные берберина 2-10, то первоначальный избыток фуразана (NBF-Cl) частично приводит к деструкции 8-замещенных дигидроберберинов 2-10 до исходного берберина (1). Оптимальные выходы наблюдаются при равномерном смешивании растворов соединений 2-10 и NBF-Cl, что является технологически не удобным при проведения реакции в колбе.

Задачей настоящего изобретения является создание микрофлюидного устройства для синтеза и спектрального контроля новых соединений берберина с помощью онлайн мониторинга реакционной среды.

Технический результат настоящего изобретения: повышение точности определения времени протекания реакции.

Технический результат достигается применением микрофлюидного устройства для синтеза и спектрального контроля новых соединений берберина согласно настоящему изобретению. Устройство содержит три входных отверстия для подачи трех реагентов для синтеза, выходное отверстие для извлечения потока продуктов и реагентов, прямоугольный канал для смешивания, который соединен упомянутыми входными и выходным отверстиями в одной точке, при этом указанный канал для смешивания выполнен с расположенными последовательно узлами для смешивания, каждый из которых имеет цилиндрический барьер для увеличения степени смешивания и для нарушения ламинарного потока, также указанный канал содержит по меньшей мере одно окно для спектрального контроля (высотой 850 мкм и длиной 200 мкм).

Дополнительной особенностью является то, что устройство выполнено по технологии 3d печати DLP (digital light processing) на основе фотополимерной смолы, что существенно упрощает массовое производство изделия.

Дополнительной особенностью является то, что устройство дополнительно содержит линию задержки, соединенную с выходным отверстием, длина которой определяется в зависимости от общего времени реакции, при этом на другом конце указанной линии задержки установлена дополнительная оптическая кювета для измерения спектров финального этапа реакции.

На Фиг. 1 показана общая схема синтеза производных берберина.

На Фиг. 2 показана схема реакционной камеры для синтеза производных берберина в микрофлюидном режиме.

На Фиг. 3-6 показано увеличенное изображение топологии каналов для потоков жидкости внутри микрофлюидного устройства и области оптической диагностики.

На Фиг. 7 показано детектирование процесса синтеза производного методом оптической спектроскопии (UV-vis): (а) Спектры реагентов и продукта, (b) изменение спектров оптического поглощения в ходе синтеза, измеренные в микрофлюидном чипе на различных временных задержках после момента смешивания реагентов.

Микрофлюидное устройство (ячейка, чип) согласно настоящему изобретению изготовлена методом 3D печати по технологии DLP на основе фотополимерной смолы. Шприцевые насосы 1а, 1б, 1в подают три реагента для синтеза со скоростью потока 1…10 мкл/с в соответствующие три входных отверстия. Три потока реагентов подаются на вход чипа и соединяются в точке А. Внутри чипа жидкости протекают по каналу специальной формы (прямоугольного сечения), содержащего несколько последовательных сегментов Б для эффективного перемешивания, где каждый указанный сегмент выполнен с расположенными последовательно узлами для смешивания, каждый из которых имеет цилиндрический барьер для увеличения степени смешивания и для нарушения ламинарного потока, что значительным образом способствует качеству смешивания.

Между сегментами для перемешивания интегрированы окна (В) 1-8 для осуществления контроля реакции методом оптического поглощения света (UV-vis) непосредственно через прозрачные стенки микрофлюидного чипа, где каждое окно выполнено с высотой 850 мкм и длиной 200 мкм.

Для осуществления измерений в углубления чипа вставляются волноводы по обе стороны от измерительного окна (дополнительно в полости заливается оптически прозрачное масло для уменьшения рассеяния света). Реакционная смесь не касается волноводов что обеспечивает длительную и стабильную работу микрофлюидного устройства.

Длина оптического пути может варьироваться в зависимости от исследуемой реакции посредством изменения толщины канала в этой области (Б), что для соединений берберина составляет 200 мкм. Общий объём области для оптического контроля составляет порядка 0.6 мкл.

При выходе из микрофлюидного устройства поток реагентов попадает в линию задержки Г, длина которой регулируется в зависимости от общего времени реакции. В конце линии задержки установлена дополнительная оптическая кювета Д для измерения спектров финальных продуктов реакции.

Изготовленный чип может применяться без замены в течение 48 часов и более непрерывной работы, далее в зависимости от используемых химических растворителей и реагентов легко может быть заменен на новый из-за использования стандартных для ВЖЭХ вкручивающихся коннекторов.

Для получения стехиометрического соотношения реагентов в любой момент реакции и уменьшения контакта с окружающей средой метод синтеза был интегрирован на микрофлюидную проточную систему. Растворы из шприцов 1а, 1б и 1в подаются под действием соответствующих насосов и поступают в канал для смешивания для полного смешивания. Скорость подачи каждого из реагентов составляла 1…10 мкЛ/сек. Далее смесь выдерживалась в лабораторном стакане 10 мин и проводилось выделение целевых продуктов реакции.

Для онлайн мониторинга реакционной среды окна для спектрофотометра интегрировали в структуру канала для смешивания, как показано на Фиг. 3-6. Начальные моменты реакции детектировались в соответствующих точках 1-8, а для более длительного временного выдерживания реакционной массы после чипа устанавливалась линия задержки длиной от 0.5 до 2 м, которая позволяла обеспечить время протекания реакции до 10 минут перед регистрацией спектра.

На Фиг. 7 показаны (а) спектры реагентов и продукта и (б) изменение спектров оптического поглощения в ходе синтеза, измеренные в микрофлюидном чипе на различных временных задержках после момента смешивания реагентов.

В результате исследования определено, что характерное время выхода реакции на насыщение составляет более 10 минут. При этом наибольшая скорость реакции наблюдается для соединения 3a, а для соединений 2a и 8a получены похожие значения временной константы.

Кроме того, благодаря применению микрофлюидного устройства согласно настоящему изобретению стало возможно отслеживать влияние каждого из реагентов на ход реакции даже на самых ранних стадиях взаимодействия. Использование позволило доказать, что наличие в реакционной массе триэтиламина (TEA) не является необходимым условием и влияет на выход продукта лишь на этапе его выделения из реакционной смеси. Следовательно, ТЕА не является катализатором этой реакции, как можно было ожидать априори. Синтезированные дизамещённые производные берберина проявляют высокую антиоксидантную активность, не влияя на митохондриальный потенциал и не оказывая собственного токсического действия на здоровые и опухолевые линии клетки.

Таким образом, успешно синтезированы новые дизамещенные производные берберина, используя методы микрофлюидики. Применение микрофлюидных систем позволило получить ранее недоступные продукты взаимодействия с большим выходом, а также провести мониторинг реакции в режиме онлайн.

Образовавшиеся цвиттерионные соединения обладают яркой окраской и сильной поглощающей способностью, однако микрофлюидное устройство согласно настоящему изобретению с длиной оптического пути 0.2 мм позволило успешно проследить за ходом протекания реакции, а также оценить выходы продуктов взаимодействия.

Получено, что реакция протекает в течение 10 минут, хотя ранее лишь предполагалось что реакция завершается не менее чем за 1 час. In vivo исследования, проведенные для трех полученных продуктов, подтвердили их перспективность в качестве антиоксидантов.

Указанные исследования показали потенциал этих структур в борьбе с окислительным стрессом и его отрицательными последствиями для организма. Результаты указывают на возможность использования данных соединений для разработки будущих антиоксидантных и лекарственных препаратов, направленных на борьбу с различными патологическими состояниями и заболеваниями, связанными с окислительным стрессом.

Изобретение относится к области микрофлюидных систем. Раскрыто микрофлюидное устройство для синтеза и спектрального контроля производных берберина, содержащее подложку, три входных отверстия для подачи трех реагентов для синтеза, выходное отверстие для извлечения потока реагентов, прямоугольный канал для смешивания, который соединен упомянутыми входными и выходным отверстиями, при этом указанный канал для смешивания выполнен с расположенными последовательно узлами для смешивания, каждый из которых имеет цилиндрический барьер, также указанный канал для смешивания содержит по меньшей мере одно окно для спектрального контроля, выполненное высотой 850 мкм и длиной 200 мкм. Изобретение обеспечивает повышение точности определения времени протекания реакции. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Микрофлюидное устройство для синтеза и спектрального контроля производных берберина, содержащее подложку, три входных отверстия для подачи трех реагентов для синтеза, выходное отверстие для извлечения потока реагентов, прямоугольный канал для смешивания, который соединен упомянутыми входными и выходным отверстиями,

при этом указанный канал для смешивания выполнен с расположенными последовательно узлами для смешивания, каждый из которых имеет цилиндрический барьер,

также указанный канал для смешивания содержит по меньшей мере одно окно для спектрального контроля, выполненное высотой 850 мкм и длиной 200 мкм.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подложка выполнена по технологии 3d печати DLP на основе фотополимерной смолы.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительно содержит линию задержки, соединенную с выходным отверстием, при этом на другом конце указанной линии задержки установлена дополнительная оптическая кювета для измерения спектров финальных продуктов реакции.