Фармацевтическим фабрикам разработки физиков СПбГУ помогут оптимизировать один из этапов изготовления медицинских препаратов — микрокапсулирование. В ходе него частицы лекарственных веществ заключаются в тонкие оболочки из пленкообразующих материалов, например желатина. На выходе получаются микрокапсулы размерами от одного до нескольких сотен микрометров (1 микрометр = 10^-6 м), из которых впоследствии производят лекарства в различных формах, в том числе таблетки, суспензии, эмульсии и подкожные имплантаты.

Чаще всего микрокапсулирование проводят в жидких средах, в частности в масле и воде. В них растворяют лекарственные и пленкообразующие вещества, а затем различными методами воздействуют на получившуюся жидкость — повышают или понижают температуру, изменяют уровень кислотности, вводят вспомогательные компоненты. В результате запускается реакция полимеризации, в ходе которой частицы пленкообразователя объединяются вокруг микрокапсулируемого вещества и формируют устойчивую оболочку.

Недостаток технологии заключается в том, что производителям приходится закладывать на нее некоторое стандартное время, заведомо превышающее реальные сроки образования пленок на поверхности лекарственных частиц. Это делается прежде всего потому, что существующие аналитические методы не позволяют быстро оценивать степень готовности микрокапсул. Созданный физиками СПбГУ способ определения скорости ультразвука в жидких средах поможет решить эту проблему.

Разработка ученых СПбГУ, в частности, позволяет отслеживать динамику образования полимеров, включая микрокапсулы лекарственных веществ. Причем, в отличие от схожих методов, дает возможность делать это в режиме реального времени и без погрешностей. Именно поэтому она будет полезна фармацевтическим предприятиям, которых, по данным Минпромторга РФ на июль 2025 года, в стране насчитывается 535. Внедрив способ, производители смогут мгновенно и точно узнавать о завершении микрокапсулирования и без задержек направлять сырье на следующие этапы подготовки. По оценкам ученых Университета, таким образом удастся повысить производительность оборудования и ускорить выпуск препаратов, что приведет к их удешевлению на 15–20 %.

Как отмечают исследователи Университета, созданный ими способ будет полезен производителям противопожарных систем и материалов. Он позволит ускорить и удешевить изготовление огнетушащих капсулированных средств, например хладона 114В2, который используют для ликвидации пожаров различных классов, включая возгорания электрооборудования под напряжением.

«Наш способ также может применяться в пищевой промышленности при производстве сгущенной молочной и молокосодержащей продукции», — отмечает Анастасия Сергеевна Хомутова, научный сотрудник СПбГУ (кафедра физики твердого тела), один из авторов разработки. По словам ученого, новый способ даст возможность в режиме реального времени следить за кристаллизацией лактозы — ее переходом из растворенной формы в твердую кристаллическую. От этого технологического процесса зависит консистенция и текстура конечных товаров. К примеру, при недостаточной или чрезмерной кристаллизации сгущенное молоко может стать мучнистым или песчанистым (будет вызвать ощущение хруста на зубах), что считается браком.

Чтобы снизить вероятность выпуска некачественной продукции, производителям требуется контролировать процесс образования кристаллов лактозы. Но существующие для этого методы недостаточно точны, так как позволяют судить о динамике кристаллизации лишь по косвенным признакам. К тому же они зачастую проводятся в несколько этапов, включая взятие и анализ проб, в связи с чем занимают много времени и требуют отдельных финансовых вложений. Способ ученых Университета лишен этих недостатков.

«Он дает возможность получать информацию о динамике изменения температуры жидкой среды, а это именно тот параметр, от которого напрямую зависит режим кристаллизации лактозы», — объясняет Анастасия Хомутова. По оценкам ее научного коллектива, применение нового способа может принести производителям сгущенных молочных и молокосодержащих продуктов до 20 % экономической выгоды.

Разработка также будет полезна при проведении научных исследований, в ходе которых требуется определять физические параметры жидких сред. Например, плотность морской воды на разной глубине.

Эффективность способа физики СПбГУ доказали на практике. «Для этого мы провели более 100 экспериментов. Первые работы выполняли в дистиллированной воде и глицерине — тех жидкостях, скорость ультразвука в которых уже была достоверно известна. Эти эксперименты подтвердили точность нашего способа, поэтому мы расширили исследования: с помощью разработки успешно определили скорость распространения ультразвуковых волн в других жидкостях, например хладоне и физиологическом растворе», — рассказывает Анастасия Хомутова.

Эксперименты проводились на установке, которую научный коллектив сконструировал специально для реализации нового способа. Она состоит из стандартных блоков, которые производятся в России и в широком ассортименте представлены на отечественном рынке. Как и способ определения скорости ультразвука, установка полностью готова к применению.

«Для успешного внедрения наших разработок на предприятиях потребуется лишь адаптировать их под задачи конкретного заказчика. Например, если фармацевтическая фабрика захочет применить способ и устройство, чтобы контролировать процесс микрокапсулирования, то понадобится учесть объемы лекарственных веществ и пленкообразующего материала, а также параметры оборудования, в котором формируются микрокапсулы, и, исходя из этих данных, доработать датчики для измерения скорости ультразвука», — заключает Анастасия Хомутова.