В подмосковной Дубне 13 марта был заложен завод нанопродукции «Бета» - проект компании «Трекпор технолоджи», в финансировании которого участвует госкорпорация «Роснано». Это второй подобный завод в России; первый - «Альфа Трекпор технолоджи», - работает там же, в Дубне, он стал успешной «пробой пера» новой нанотехнологии. Через два года завод «Бета» начнёт выпуск полутора миллионов мембранных нанофильтров в год и полутора тысяч аппаратов для плазмафереза крови «Гемофеникс».

А 20 марта стало известно, что создателям технологии и оборудования для плазмафереза с помощью мембранных нанофильтров присуждены премии Правительства Российской Федерации 2008 г. в области науки и техники.

Трое из девяти лауреатов живут и работают в Дубне. Это Павел Апель, заместитель начальника Центра прикладной физики ЛЯР ОИЯИ (ЛЯР - Лаборатория ядерных реакций им. Г.Н.Флёрова; ОИЯИ - Объединённый институт ядерных исследований), доктор химических наук; профессор Юрий Денисов, советник дирекции ОИЯИ, доктор технических наук; Дмитрий Щёголев, заместитель генерального директора ЗАО «Трекпор технолоджи». Именно здесь с идеи получения трековых мембран на ускорителях начинался длинный путь к выпуску аппаратов для плазмафереза в промышленных масштабах. Саму же уникальную технологию трековых мембран - нанорешета, сквозь которое просеивают кровь при плазмаферезе - разработали в ЛЯР ОИЯИ ещё в 70-е гг. прошлого столетия.

Плазмаферез - удаление из организма части плазмы крови с содержащимися в ней вредными веществами. В основе метода мембранного плазмафереза лежит разделение крови на фракции с помощью плазмофильтра. Плазмофильтр - это одноразовое стерильное устройство, состоящее из множества пористых трековых мембран. Поры мембраны фильтруют кровь, отделяя плазму от остальных компонентов крови. Таким образом, во время прохождения крови через плазмофильтр плазма, содержащая вредные и балластные вещества, из крови удаляется, а другие элементы крови возвращаются в вену вместе со специальным плазмозамещающим раствором. Плазмаферез широко используется в клинической практике. Он рекомендован при лечении более 200 заболеваний. Как эффективный метод детоксикации, плазмаферез широко используется в кардиологии, токсикологии, дерматологии, косметологии, при лечении инфекционных болезней, болезней внутренних органов и органов дыхания.

Трек - это сквозная дыра?

Те, кто не забыл школьную физику, знают, что трек - это след элементарной частицы. Но не надо думать, что трековые мембраны получаются в тот самый момент, когда пучок тяжёлых ионов, производимых ускорителем, сталкивается с полимерной плёнкой. Да, частицы оставляют в ней треки или, как иначе говорят физики, каналы радиационного повреждения. Но эти каналы не сквозные. То есть треки - это ещё не поры.

- Дело в том, - рассказывает Павел Апель, - что ион, попадая в толщу полимера, на своём пути рвёт его молекулы на кусочки. Некоторые кусочки оказываются газообразными. Улетучиваясь, они образуют не связанные друг с другом нанопустоты в виде отдельных маленьких пещерок по ходу иона. Надо ещё учесть, что в любом полимере вследствие неидеальной укладки его макромолекул изначально есть нанопустоты; их количество как свойство каждого полимера характеризуется понятием «свободный объём». Треки ионов существенно увеличивают свободный объём полимера. Чтобы убрать кусочки разорванных молекул и объединить нанопустоты, формируя из них сквозные поры заданного размера, необходимо после облучения плёнки провести её химическое травление.

Помимо свободного объёма, есть ещё несколько факторов, обусловливающих избирательное химическое травление трека, и мы целенаправленно используем их в технологии. Однако фактор свободного объёма всё же определяющий». Обычно для трековой мембраны выбирают возможно более плотный полимер, чтобы получающиеся поры сильнее отличались от структуры основного вещества: чем сильнее трек отличается от состава материала, тем лучше качество мембраны.

Технологически всё выглядит так. Рулон плёнки, автоматически перематываясь с одного вала на другой, в специальной камере (рис. 1) облучается ионами, поступающими от ускорителя. Здесь задаётся плотность пор на квадратном сантиметре. Поры распределяются по площади полимера, как ионы в пучке - вероятностным образом.

Затем плёнка проходит стадию фотосенсибилизации - обрабатывается ультрафиолетовым излучением. Его воздействие на остатки разорванных молекул в треках ускоряет последующее химическое травление. Меняя в процессе травления режим химической обработки - температуру, концентрацию или время обработки химическим веществом, можно задавать необходимый размер пор в мембране. На одной и той же установке мы делаем мембраны с порами 30 или 50 нм, 4 или 7 мкм. То есть на стадии химической обработки можно варьировать диаметр пор в диапазоне нескольких порядков.

Производительность ускорителя, «пересчитанная» в количество конечного продукта, зависит от диаметра и плотности пор мембран. Одним из типичных значений для ускорителей ЛЯР является производство 100 кв. м плёнки в час. Для проектируемого ускорителя проекта «Бета» производительность будет в несколько раз выше, потому что он будет оптимизирован под заданное отношение A/Z (атомного веса химического элемента к заряду иона), и в нём не будет лишних для данного применения «опций»: возможности варьирования магнитного поля и других параметров. В год ускоритель должен быть способен произвести до миллиона квадратных метров трековых мембран.

Стрельба инертным газом

По плёнке бьют залпами ионов инертных газов. Почему именно ими? «Мы берём ионы инертных газов по многим причинам, - поясняет Павел Апель. - Эти частицы удобны тем, что в силу химической инертности ничего не портят в ионном источнике и мишени». Ионы какого элемента выбрать для бомбардировки полимера, зависит от многих факторов. Например, от ускорителя. Ионы одного и того же газа могут для какого-то ускорителя подойти, а для другого - нет. Скажем, для ускорителя типа тандем, где в первой части ускоряются отрицательно заряженные ионы, потом они перезаряжаются и ускоряются уже с положительным зарядом, не применяются те химические элементы, которые не могут давать отрицательных ионов. Ещё один критерий для выбора газа - его атомный вес. Чем тяжелее ионы, тем лучшей «травимостью» обладают получаемые треки, и тем проще получить поры нанометрового диапазона.

Чем определяется размер ускорителя

Для того чтобы производство было экономичным, необходимо оптимальное соотношение стоимости затрат на производство и качества продукта. Поэтому при создании «технологического» ускорителя нужно, с одной стороны, минимизировать его габариты и энергопотребление, а с другой стороны - энергия пучка ускорителя должна быть достаточной для того, чтобы пробить плёнку нужной толщины. И атомный вес ионов должен быть достаточно высок, чтобы пробить в плёнке трек с подходящим радиационным нарушением. Кроме того, интенсивность пучка должна быть экономически оправданной. Из этих соображений и выбирают ускорители.

Ускоритель У-400 в ЛЯР ОИЯИ, на котором проводится большая часть работ по облучению полимерных плёнок, имеет диаметр полюсов магнита 4 м, а энергии потребляет 1,5 МВт. Для промышленного производства это многовато. Поэтому несколько лет назад в ЛЯР был построен маленький циклотрон ИЦ-100 с диаметром полюсов всего в 1 м и с потреблением энергии около 150 кВт. Энергия пучка ионов ксенона или криптона у ИЦ-100 равна 1,2 МэВ/нуклон. Она, как и интенсивность пучка, меньше, чем у У-400, но для практических задач этого достаточно. Пучок ИЦ-100 пробивает полимерные плёнки толщиной 20 мкм. Значит, на этом ускорителе можно делать трековые мембраны толщиной 1-20 мкм. Такая машина для производства мембран уже экономически целесообразна - она окупается и достаточно производительна.

Правда, с утилитарной точки зрения ИЦ-100 «слишком хорош». Ускорительщики Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ, строя его, руководствовались идеей вместить в маленький размер установки максимальное количество возможностей. Как всегда в таких случаях, конструкция работает почти на предельных режимах. Поэтому для регулярной круглогодичной эксплуатации эта машина неоптимальна. Она скорее представляет собой универсальный стенд для отработки технологических задач.

Для нового комплекса «Бета» предприятие «Трекпор технолоджи» должно будет построить другой ускоритель,гораздо большей производительности и очень простой, рассчитанный на использование ионов только одного сорта. У этого ускорителя диаметр полюсов будет около двух метров. За два года его и спроектируют, и изготовят.

Наша технология - уникальна

Как оказалось, производство плазмаферезаторов на трековых мембранах есть только в России, хотя сама идея получения пористых плёнок при помощи облучения их заряженными частицами с последующим травлением - американская. Американцы начали производить эти мембраны с помощью осколков деления топлива атомных реакторов. Осколки деления ядер в большинстве своём - радиоактивные изотопы. Поэтому с плёнкой нельзя работать в течение нескольких месяцев после облучения: её нужно выдерживать, пока не спадёт до приемлемого уровень радиоактивности. Чем выше плотность пор, тем больше проблем с радиоактивностью мембран. Возникает и попутная проблема утилизации радиоактивных отходов травления плёнки.

Наше преимущество обеспечено предложением академика Георгия Николаевича Флёрова: использовать для получения трековых мембран ускорители пучков тяжёлых ионов. Никаких проблем с радиоактивностью здесь не возникает. Плёнка абсолютно безопасна сразу после изготовления. В Советском Союзе такой способ получения трековых мембран был осуществлен впервые в мире. Постепенно в 90-е гг. вслед за ЛЯР ОИЯИ и другие перешли на изготовление трековых мембран с помощью ускорителей. И сегодня все те несколько фирм в мире, что выпускают трековые мембраны, делают их, как мы - с помощью ускорителей. А технологией плазмафереза с помощью таких мембран владеет пока только Россия. Только Дубна.