OOO “CHOTPA”

Сканирующий зондовый нанотомограф

Задача, на решение которой направлен проект:

Анализ трехмерной структуры биологических и полимерных наноматериалов, в силу их мягкости, требует применения криогенной ультрамикротомии.

Недопустима модификация структуры объекта в процессе измерения. Подготовка образца не должна длиться много дольше его измерения. Модификация образца процедурой его подготовки должна быть минимальной.

Необходим прибор для анализа исходной 3D структуры биологических, полимерных и прочих мягких материалов на наноразмерном уровне.

Цель проекта:Разработка и коммерциализация приборов сканирующей зондовой нанотомографии для неразрушающего трехмерного анализа объемных наноразмерных структур в различных биоматериалах и полимерах

Недостатки существующих методов (криоПЭМ): высокая цена, сложная и долгая процедура подготовки образцов и срезов, приводящая к разрушению структур, низкий контраст для углеводородных соединений, повреждение образца электронным пучком.

Решение = АСМ (дешевый неразрушающий прибор) + УльтраКриотом = = СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ НАНОТОМОГРАФИЯ

Сканирующая зондовая нанотомография

Cканирующая зондовая микроскопия (анализ поверхности на наноуровне)

Криогенная ультрамикротомия (сверхтонкие срезы до 10 нм)

2D (XY)

1D (Z)

+

=3D(XYZ)

Получает уникальную информацию о 3D структуре наноматериалов, недоступную другим методам измерения

Дешевле и проще других методов (криоТЭМ)

Вносит меньше повреждений и артефактов в исходные материалы

Применима к широкому классу материалов, включая, биоматериалы и биополимеры, искусственные полимеры и композиты, мягкие и/или гидратированные метаматериалы и наноэмульсии

ИС: (патент РФ, приоритет 2008г; заявка на патент EU, приоритет 2011г; заявка на патент РФ, приоритет 2011 г)

Произведена опытная партия, 2 системы продано

Сканирующая зондовая нанотомография

Компания SNOTRA LLC.

Создана разработчиками технологии, при участии ФНЦ трансплантологии и искусственных органов и Центра инновационного предпринимательства (МГУ)

Сотрудничает с лидирующим в мире научным центром криогенной микроскопии – Austrian Centre for Electron Microscopy (FELMI/ZFE Graz, Austria). Его директор, Dr. Ferdinand Hofer - член команды проекта

Является участником Фонда Сколково

AFM TEM

АСМ против ПЭМ

АФМ дает данные о молекулярной структуре на основе морфологии и механических свойств поверхности

Поверхность блока измеряется прямо в камере – в среде, где происходит срез

Сверхтонкие срезы по10..90 нм

переносятся в вакуумную камеру ТЕМ

Низкий контраст на биологических и полимерных образцах

Изображения от всех слоев по толщине среза усредняются

Электронный пучок

Зонд АСМ

Методы анализа наноструктур (биология и полимеры)

Продукты и технологии

РазрешениеЦена

Подготовка и сохранность структур образцаXY, нм Вглубь, нм

СЗМ + криоУМТ(СНОТРА)

5..10 10-20~200

k$

Сохранность структур мягких полимеров и биоматериалов

(криоультрамикротомия и непосредственное измеренеие)

Обычный СЗМ, Bruker, Asylum, ... 5..10 Нет !

измеряет поверхность

~200 k$

Нарушения структур (измерения при комнатной температуре)

КриоСЗМ, Omicron, JEOL, ... 5..10

>300 k$

Очень труден в эксплуатации(рассчитан на жидкий He или N2)

СЭМ Томография (нарезка электрон-ным пучком), FEI

10 ~10-20>600

k$

Нарушения структур (электронный, ионный пучок, вакуум,

напыление металла), крио 3D пока нет

КриоПЭМ (электронная томография), FEI, Hitachi

5

5Толщина образца <100нм

> 1M$

Нарушения структур (электронный пучок, вакуум), усредне-ние по глубине, слабый контраст на биологических и полимерных образцах

Нет !измеряет

поверхность

Tuning fork-based AFM probe

АСМ помещен в криокамеру ультрамикротома(Leica FC6)

Ультрамикротом Leica EM UC6 с криокамерой для среза слоев толщиной от 10 до 1000 нм с

биологических и полимерных образцов при 15..-190°C

Нитр

ил-б

утад

иен-

лате

ксна

я ре

зина

АСМ после нагрева до 25°C

ПЭМ тонкого криосреза образца.

КриоАСМ после среза при -120°C

400 нм

400 нм 400 нмП

рим

еры

рез

ульт

атов

:

3D-реконструкция антенных сенсилл паразитической осы, 12.5×13.0×0.7 µm, 11 срезов, толщина среза 70 nm.

3D реконструкция антенной сенсиллы насекомогоАСМ

ТЕМ

3D реконструкция полимерного композита PA6/SANe) АСМ- топография после криосреза при -80°C. f) АСМ- топография при комнатной температуре. g, h) 3D реконструкция при -80°С: 6 срезов по 125 nm 7.9×6.2×0.75 µm и 2.0×2.0×0.75 µm, соответственно..

Научные публикации по теме проекта• 1) A. E. Efimov, H. Gnaegi, R. Schaller, W. Grogger, F. Hofer and N. B. Matsko, Analysis of native structure of

soft materials by cryo scanning probe tomography, Soft Matter, 2012, Advance Article DOI:10.1039/c2sm26050f• 2) V.Mittal and N.B.Matsko, Tomography of the Hydrated Materials, in Analytical Imaging Techniques for Soft

Matter Characterization, Engineering Materials, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2012, DOI:10.1007/978-3-642-30400-2_7, Ch. 7, pp. 85-93

• 3) A. Efimov; H. Gnaegi; V. Sevastyanov; W. Grogger; F. Hofer; N. Matsko, Combination of a cryo-AFM with an ultramicrotome for serial section cryo-tomography of soft materials - Proceedings 10th Multinational Congress on Microscopy 2011 SEP 4-9, 2011; Urbino, ITALY. pp.707-708;

• 4) N. B. Matsko, J. Wagner, A. Efimov, I. Haynl, S. Mitsche, W. Czapek, B. Matsko, W. Grogger, F. Hofer, Self-Sensing and –Actuating Probes for Tapping Mode AFM Measurements of Soft Polymers at a Wide Range of Temperatures, Journal of Modern Physics, 2011, 2, pp. 72-78

• 5) 4) A. Alekseev, A. Efimov, K. Lu, J. Loos. Three-dimensional electrical property reconstruction of conductive nanocomposites with nanometer resolution, Advanced Materials, Vol. 21, 48 (2009), рр. 4915 – 4919

• 6) A. Efimov, V. Sevastyanov, W. Grogger, F. Hofer, and N. Matsko. Integration of a cryo ultramicrotome and a specially designed cryo AFM to study soft polymers and biological systems, MC2009, Vol. 2: Life Sciences, p. 25, Verlag der TU Graz 2009.

• 7) Nemets, E.A., Markovtseva M.G., Efimov A.E., Egorova V. A., Tonevitsky A.G., Sevastyanov V.I., Micro- and nanostructural characteristics of three-dimensional porous matrixes Elastopob-3D , - Bulletin of experimental biology and medicine, 145(3):371-3, 2008

• 8) A. E. Efimov, A. G: Tonevitsky, M. Dittrich & N. B. Matsko. Atomic force microscope (AFM) combined with the ultramicrotome: a novel device for the serial section tomography and AFM/TEM complementary structural analysis of biological and polymer samples. - Journal of Microscopy, Vol. 226, Pt 3, June 2007, pp. 207–217

Оценка мирового рынка

* По данным отчета Future Markets, Inc. 2011

AFM/SEM/TEM (total), M$ AFM/SEM/TEM,Biomed+Polymers+Nanomaterials, M$

2010 328,44 97,6

2015 (прогноз)* 588,69 217,39

Плановый объем продаж через 5 лет - 10 M$.

Рыночная ниша: исследовательские и промышленные лаборатории в области Биоматериалов, Полимеров, Нанокомпозитов и наноэмульсий, мягких и/или гидратированных материалов и полимерной электроники.

Разработан уникальный продукт, востребованный многими уже существующими пользователями АСМ/СЭМ/ТЭМ в таких быстро растущих сегментах рынка, как биомедицинские исследования, полимеры и наноматериалы.

Организации, выразившие заинтересованность в продуктах проекта: Название Страна Область деятельности

Dow Chemicals Нидерланды полимеры

FELMI/ZFE Graz Австрия криогенная микроскопия

Anton Paar Австрия аналитическое оборудование

Boston Scientific США медицинские препараты

Weizmann Institute Израиль биоматериалы

Carmel Olefins Израиль полимеры

Nike IHM США полимеры для обуви

Cornell University США нанофибриллы для текстиля

Shell International Нидерланды топливные мембраны

General Motors Rochester Lab США топливные мембраны

Xerox Inc. США 3-D струкутра частиц тонера

Nova Nordisk США полимеры

Южно-Уральский Университет Россия нанокомпозиты

ООО «Биопласт» Россия наноматериалы

ООО «СНОТРА», являясь участником Фонда Сколково планирует подавать заявку на грант со следующими условиями финансирования (стадия 1):

Бюджет проекта: 40 млн. руб. на 3 годаВклад Инвестора: 25% = 10 млн. руб.Грант фонда Сколково: 75% = 30 млн. руб.

Примеры получаемых данных

3D реконструкция: пористый биодеградируемый клеточный матрикс, применяемый для регенративной медицины . 20 срезов, 41.2×34.1×8.5 µm

V. N. Vasilets, I. V. Kazbanov, A. E. Efimov and V. I. Sevastianov, Vestnik transplantologii i iskusstvennyh organov, 2009, 9(2), 47 (in Russian).

. .

3D реконструкция проводящих нанокомпозитов

3D-реконструкция проводимости сети графеновых кластеров в нанокомпозите полистирен/графен, 2.5x2.5x0.34 мкмA. Alekseev et al, Adv. Func. Mater., 2012, 22, 1311.

3D-реконструкция проводимости сети нанотрубок в нанокомпозите полистирен/CNT, 1.8x1.6x0.26 мкм. A. Alekseev, A. Efimov, K. Lu, J. Loos, Adv. Mater., 2009, 21, 4915

Срез клеща Otodectes cynotis, 10x10 µm

A.E. Efimov, A. G. Tonevitsky, M. Dittrich and N.B. Matsko, Journal of Microscopy, Vol. 226, 3, pp. 207–217 (2007)

Фазовое АСМ изображение ПЭМ того же участка среза

3D Реконструкция композита ABS/PA6

25 срезов, шаг между срезами 40 nm, 8.75×5×1 мкм

A.E. Efimov et al. Journal of Microscopy, Vol. 226, 3, pp. 207–217 (2007)

3D реконструкция полимерного композита ABS: 15 срезов x 100 нм. 13.5x13x1.5 µm