Несмотря на развитие Lab-on-a-Chip, механически взять живую клетку, удержать и переместить, не повредив мембрану, практически невозможно. Отсутствие такого инструмента серьезно ограничивает прикладные сценарии современных биоэлектронных и микрофлюидных систем.

При выращивании органоидов кластеры стволовых клеток необходимо подводить друг к другу в точной конфигурации, потому что от расположения клеток на старте зависит структура будущей модели органа. Нейронные органоиды нужно фиксировать на часы и дни, пока формируются аксональные связи, и параллельно отслеживать химический отклик, не перемещая образец.

В персонализированной медицине задача другая: тестировать препараты на клетках конкретного пациента, причем массово и параллельно. Каждый перенос между приборами — риск потерять материал, которого и так немного.

Группа из ETH Zurich предложила решение — CMOS-чип с интегрированными микрозахватами, который устраняет ограничения бесконтактных методов манипуляции клетками. Систему представили на конференции ISSCC в феврале 2026 года. В этом материале разберем принцип работы актуаторов и аналитические возможности платформы.

Lab-on-a-Chip: от управления жидкостями к управлению клетками

Концепция Lab-on-a-Chip развивается с начала 1990-х. Первое десятилетие было посвящено управлению жидкостями в микроканалах. Затем масштаб каналов совпал с размерами самих клеток, и лаборатории-на-чипе сместились в сторону биологии.

Современные Lab-on-a-Chip выполняют на одном кристалле то, для чего раньше требовался лабораторный стол: сортировку клеток, ПЦР в микрокаплях, воспроизведение тканевых сред.

Направление organ-on-a-chip пошло еще дальше — органоиды из стволовых клеток уже применяют для доклинического тестирования лекарств и моделирования заболеваний. О том, как органоиды встраиваются в исследовательские контуры, мы писали в статье про нейроморфные системы и биокомпьютеры.

В ETH Zurich развивают несколько направлений Lab-on-a-Chip: микрофлюидные модели сосудов для изучения тромбозов, organ-on-a-chip для скрининга лекарств, CMOS-биомикросистемы с высокоплотными массивами электродов, а также архитектуры автономных микролабораторий. Часть разработок уже применяется в фарминдустрии.

При всем разнообразии систем ни одна из них не умеет механически манипулировать отдельными клетками внутри чипа. Для этого используют бесконтактные методы, но и они имеют ограничения.

Оптический пинцет нагревает среду и может повредить ДНК. Диэлектрофорез теряет эффективность в ионных растворах, без которых клетки не выживают. Акустические ловушки требуют непрерывной подачи энергии и калибровки под размер объекта. И ни один из методов не позволяет точно контролировать положение клетки.

Новый чип с микрозахватами обеспечивает высокоточное позиционирование и фиксацию клеточных кластеров и органоидов без постоянного потребления энергии — и при этом вписывается в стандартный CMOS-процесс.

Устройство чипа: CMOS, девять позиций и три размера захватов

На поверхности чипа находятся девять точек для захвата. В каждой из них — три контура актуаторов разного размера, вложенные друг в друга:

• 100 мкм — для одиночных клеток;

• 150 мкм — для небольших групп клеток;

• 280 мкм — для органоидов.

Чип построен на базе CMOS-технологии. Что это дает: 

Масштабируемость. CMOS — стандартная технология производства микросхем. Когда управляющая логика уже автоматизирована, инженерам остается только нанести поверх кремния функциональные слои полимера и металла. Это исключает ручную сборку под микроскопом и позволяет запустить массовое производство.

Гибкость конфигурации. У текущего прототипа — девять позиций с тремя размерами захватов, но архитектура чипа не привязана к этому числу. Каждый захват требует собственного управляющего электрода, а адресная логика для них уже встроена в кремний.

Увеличение числа актуаторов на чипе — задача проектирования, а не смены технологического процесса. Кроме того, несколько чипов можно объединять в составе одной системы, наращивая общее количество рабочих позиций.

Интеграция. На одном кристалле размещаются механические захваты, химические сенсоры и электроника для стимуляции клеток. Система может зафиксировать крупный органоид внешними захватами и одновременно удерживать отдельную клетку внутренними, не сдвигая и не тревожа остальную конструкцию.

Все этапы — от подачи импульса на захваты до считывания сигналов с электродов — контролируются внутри единой системы, без внешних проводов и промежуточных регистраторов. Устройство получается компактным, а сигналы передаются с минимальными потерями.

Захваты не потребляют энергию при удержании клеток

Захваты состоят из слоев платины и титана — такая комбинация превращает их в электрохимический актуатор с эффектом памяти формы. Материал может переключаться между двумя положениями и оставаться в каждом из них без дополнительной энергии.

Механика процесса выглядит так:

• Импульс. Чип посылает короткий электрический сигнал.

• Реакция. На поверхности платины происходит быстрая адсорбция ионов из окружающего физраствора.

• Захват. Возникает механическое напряжение, захваты сжимают объект.

• Фиксация. Импульс прошел. Захваты остаются в том же положении; их удерживает изменившаяся структура материала, а не внешний источник энергии.

• Сброс. Обратный импульс снимает заряд, ионы уходят с поверхности. Напряжение исчезает, и захваты раскрываются.

Между командами устройство не потребляет энергии — в нем нет постоянного тока, нагрева и лишних электрических полей. Образец может оставаться зафиксированным часами, пока идет наблюдение под микроскопом или протекает химическая реакция.

Для микроэлектромеханических систем это важно. Подвижные микроструктуры работают в солевом растворе, необходимом для выживания клеток, и потребляют энергию только в момент переключения.

Электрохимические сенсоры — на том же чипе

Прямо под захватами расположены химические сенсоры — электроды из золота, платины и палладия. Когда молекула вещества касается поверхности электрода, она вступает в реакцию с металлом и порождает слабый электрический сигнал. По его силе можно определить концентрацию вещества.

На чипе три типа электродов (разные металлы чувствительны к разным молекулам). В перспективе такая конфигурация позволит регистрировать нейромедиаторы — сигнальные молекулы, которыми обмениваются нервные клетки. Например, дофамин или серотонин, которые в обычных условиях зафиксировать сложно.

Сенсоры размещены рядом с захватами, потому что сигнальные молекулы быстро диффундируют в окружающем растворе. Чем дальше сенсор от клетки, тем слабее сигнал. Электроды, встроенные прямо под захватами, регистрируют вещества в максимальной концентрации — до того как они рассеются в среде или смешаются с выделениями соседних клеток.

Сейчас работа с клеточным образцом — это цепочка из нескольких этапов:

• зафиксировать образец в одном инструменте;

• перенести в анализатор;

• замерить химический отклик;

• надеяться, что за время переноса состояние клетки не изменилось.

Чип от ETH Zurich позволяет проводить все манипуляции в одной точке. Это исключает ситуацию, когда ученые изучают не нормальную жизнь клетки, а ее реакцию на стресс от перемещения из прибора в прибор.

Микрозахватам нужно время, чтобы получить широкое распространение

Технология находится на ранней стадии. Пока устройство тестировали на стеклянных шариках: проверяли точность работы захватов и чувствительность сенсоров в тестовых растворах. Следующий этап — работа с живыми клетками.

Ученым предстоит доказать биосовместимость материалов и стабильность электродов в условиях многочасового эксперимента. В следующих версиях чипа планируют увеличить количество электродов и добавить возможность электрической стимуляции нервных клеток.

С инженерной точки зрения чип из ETH Zurich показывает новый уровень миниатюризации в биоэлектронике. При этом сама архитектура изначально адаптирована под массовое полупроводниковое производство. Такой подход расширяет технологический базис для проектирования микроэлектромеханических систем и микроробототехники в целом.

Если исследователям удастся подтвердить стабильность платформы на живых культурах, концепция Lab-on-a-Сhip наконец получит то, чего ей не хватало с 1990-х — точный и серийно выпускаемый механический инструмент для прямой работы на клеточном уровне.