Капсульная революция

Капсульная революция

Открытие новых химических процессов ускорилось в 60 раз

Исследователи из Санкт-Петербургского государственного университета и Института органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН представили новаторскую технологию, позволяющую существенно увеличить безопасность и эффективность лабораторных исследований. Разработанная методика предполагает использование 3D-печатных полимерных капсул для безопасного хранения и использования химических реактивов, что облегчает их применение и сокращает время подготовки экспериментов.

Фото: Дмитрий Лебедев, Коммерсантъ

Традиционные методы работы с химическими веществами часто связаны с рисками для здоровья исследователей и окружающей среды. Новая технология 3D-печатных капсул минимизирует контакт с опасными веществами, повышая безопасность лабораторных работ и способствуя переходу к более устойчивым и экологичным научным практикам.

Использование 3D-печатных капсул показало впечатляющие результаты, сократив время подготовки химических реакций в 60 раз без ущерба для качества и выхода продуктов реакции. Капсулы легко растворяются в органических растворителях, обеспечивая контролируемое высвобождение реактивов.

«Наш подход к использованию 3D-печатных капсул может радикально изменить стандарты безопасности и эффективности в лабораториях по всему миру. Интеграция аддитивных технологий в исследовательскую практику сокращает время подготовки химических реакций в десятки раз и повышает безопасность работы с опасными веществами. Предложенный нами подход адаптирован для одного из самых перспективных направлений — цифровой оптимизации и роботизации химических процессов»,— говорит ведущий автор исследования академик Валентин Анаников.

Исследование включало разработку полимерных капсул с использованием метода FDM 3D-печати, их последующую загрузку различными химическими реактивами и оценку эффективности и безопасности этого подхода в различных типах химических реакций.

Команда планирует дальнейшее изучение и оптимизацию этой технологии, включая тестирование различных материалов для капсул и расширение спектра химических реакций, с которыми можно использовать этот подход.

Интеграция аддитивных технологий в исследовательскую практику сокращает время подготовки химических реакций в десятки раз и повышает безопасность работы с опасными веществами. Предложенный подход адаптирован для цифровой оптимизации химических процессов.

Академик Валентин Анаников, ведущий автор исследования, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:

— Что такое метод FDM 3D-печати?

— Среди большого разнообразия аддитивных технологий метод FDM отличается своей универсальностью и доступностью. FDM — это послойная печать изделия путем наплавления полимера по заданному оператором алгоритму. Данный метод позволяет использовать широкий круг термопластичных полимеров и изготавливать изделия совершенно разных форм и размеров. Именно благодаря универсальности и адаптивности FDM технология была взята за основу при производстве пластиковых капсул.

— Что представляют собой 3D-печатные капсулы?

— Представленные в настоящей работе 3D-печатные капсулы являются пластиковыми цилиндрами, изготовленными с помощью FDM 3D-принтера. После печати капсулы заполнялись химическими реагентами и герметично запечатывались для дальнейшего хранения и использования. Несмотря на относительную простоту капсул, на этапе их проектировки необходимо было учесть множество параметров, таких как толщина стенок, полезный внутренний объем и параметры печати. Материалы для изготовления капсул были подобраны экспериментально, путем испытания их в условиях химических реакций.

— Почему их свойства позволяют безопасно хранить и использовать химические реактивы?

— Благодаря своей герметичности 3D-печатные капсулы позволяют существенно снизить риск работы в химической лаборатории при обращении с токсичными, летучими, нестабильными на воздухе веществами. Вместо рутинных и зачастую опасных процедур взвешивания и дозировки токсичных реагентов оператору необходимо лишь отсчитать необходимое количество капсул с заранее дозированными на производстве веществами и поместить капсулы в реакционную колбу. Далее капсулы быстро растворяются, высвобождая при этом свое содержимое. Таким образом, при использовании 3D-печатных капсул проведение химических реакций становится быстрее и безопаснее ввиду упрощения всех подготовительных этапов, связанных с дозировкой и транспортировкой веществ.

— Как предложенный подход адаптирован для цифровой оптимизации химических процессов?

— 3D-печатные капсулы обладают высоким потенциалом к цифровизации химических процессов. Использование капсул в лаборатории может быть осуществлено с участием роботов, отсчитывающих капсулы. При использовании капсул с реактивами роботические установки не требуют сложной аппаратуры, весов и точных калибровок, поскольку необходимо лишь отсчитать нужное количество капсул.

— Как сейчас проходит подготовка химических реакций? Почему и как эту подготовку ускоряет использование 3D-капсул?

— При классическом подходе к проведению большинства химических реакций подготовительная фаза включает в себя множество стадий: подготовку весов и дозаторов к работе, их калибровку, взвешивание, их транспортировку в реактор, очистку шпателей, весов и дозаторов. В случае работы с нестабильными на воздухе веществами подготовка осложняется работой в специальном герметичном боксе с инертным газом внутри. Использование 3D-печатных капсул позволяет пропустить эти этапы, так как вещества хранятся в пластиковых оболочках, надежно защищающих их во время хранения от внешней среды. Для капсульного подхода подготовка к реакции включает лишь отсчитывание необходимого количества капсул с реагентами и помещение их в колбу с растворителем. Благодаря этому данный подход ускоряет подготовку к химическим реакциям в среднем в 60 раз.

— Как, на ваш взгляд, эта технология будет развиваться в дальнейшем?

— Технология инкапсулирования реагентов предлагает совершенно новый подход к работе с токсичными и нестабильными веществами в лаборатории. Наравне с таблетированием медицинских препаратов и использованием фиксаналов 3D-печатные капсулы могут вытеснить более трудоемкие и опасные привычные процедуры. Через некоторое время во многих химических лабораториях будут стоять роботизированные дозаторы химических капсул, существенно ускоряющие оптимизацию химических реакций, требующих многократных повторений однотипных процедур. В содействии с искусственным интеллектом и возможностью обработки большого количество химических данных цифровизация химических процессов с использованием капсульного подхода позволит ускорить как поиск полезных человечеству веществ, так и оптимизацию реакций их получения.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки
Работа опубликована в журнале Green Chemistry (импакт-фактор = 9.8).