1. OOO “CHOTPA”
Сканирующий зондовый
нанотомограф

2. Задача, на решение которой направлен проект:
Необходим прибор для анализа исходной 3D структуры биологических,
полимерных и прочих мягких материалов на наноразмерном уровне.
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.
 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 .
Решение = АСМ (дешевый неразрушающий прибор) + УльтраКриотом =
= СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ НАНОТОМОГРАФИЯ
Цель проекта:
Разработка и коммерциализация приборов сканирующей зондовой
нанотомографии для неразрушающего трехмерного анализа объемных
наноразмерных структур в различных биоматериалах и полимерах

3. Cканирующая
зондовая
микроскопия
(анализ поверхности
2D (XY)
+
на наноуровне)
Криогенная
ультрамикротомия
(сверхтонкие срезы до 10 нм)
1D (Z)
Сканирующая
=
зондовая
нанотомография
3D(XYZ)

4. Сканирующая зондовая нанотомография
 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

5. 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

6. АСМ против ПЭМ
Электронный
пучок
Поверхность
Зонд АСМ
блока Сверхтонкие
измеряется срезы по
прямо в 10..90 нм
камере – в переносятся
среде, где в вакуумную
происходит камеру ТЕМ
срез
АФМ дает AFM TEM Низкий
данные о контраст на
молекулярной биологических
структуре на и полимерных
основе образцах
морфологии и
механических Изображения
свойств от всех слоев
поверхности по толщине
среза
усредняются

7. Методы анализа наноструктур (биология и полимеры)
Разрешение
Продукты и Подготовка и сохранность
Цена
технологии XY, нм Вглубь, нм структур образца
Сохранность структур мягких
СЗМ + ~200 полимеров и биоматериалов
криоУМТ 5..10 10-20 (криоультрамикротомия и
(СНОТРА) k$
непосредственное измеренеие)
Обычный СЗМ, Нет ! ~200 Нарушения структур (измерения
5..10
Bruker, Asylum, ... Нет !
измеряет k$ при комнатной температуре)
поверхность
измеряет
КриоСЗМ, поверхность >300 Очень труден в эксплуатации
5..10 (рассчитан на жидкий He или N2)
Omicron, JEOL, ... k$
СЭМ Томография Нарушения структур
>600
(нарезка электрон- 10 ~10-20 (электронный, ионный пучок, вакуум,
ным пучком), FEI k$ напыление металла), крио 3D пока нет
КриоПЭМ 5 Нарушения структур
(электронная Толщина > (электронный пучок, вакуум), усредне-
5 ние по глубине, слабый контраст на
томография),
FEI, Hitachi
образца 1M$

8. Ультрамикротом Leica EM UC6
с криокамерой для среза слоев
толщиной от 10 до 1000 нм с
биологических и полимерных
образцов при 15..-190°C
АСМ помещен в криокамеру
ультрамикротома(Leica FC6)
Tuning fork-based AFM probe

9. 400 нм 400 нм
Нитрил-бутадиен-латексная резина
Примеры результатов:
КриоАСМ после среза при -120°C АСМ после нагрева до 25°C
400 нм
ПЭМ тонкого криосреза образца.

10. 3D реконструкция антенной сенсиллы насекомого
АСМ
ТЕМ
3D-реконструкция антенных сенсилл паразитической осы,
12.5×13.0×0.7 µm, 11 срезов, толщина среза 70 nm.

11. 3D реконструкция полимерного композита PA6/SAN
e) 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..

12. 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

13. Оценка мирового рынка
AFM/SEM/TEM (total), M$ AFM/SEM/TEM,
Biomed+Polymers+Nanomaterials, M$
2010 328,44 97,6
2015 (прогноз)* 588,69 217,39
* По данным отчета Future Markets, Inc. 2011
Разработан уникальный продукт, востребованный многими уже
существующими пользователями АСМ/СЭМ/ТЭМ в таких быстро растущих
сегментах рынка, как биомедицинские исследования, полимеры и
наноматериалы.
Рыночная ниша: исследовательские и промышленные лаборатории в области
Биоматериалов, Полимеров, Нанокомпозитов и наноэмульсий, мягких и/или
гидратированных материалов и полимерной электроники.
Плановый объем продаж через 5 лет - 10 M$.

14. 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

15. ООО «СНОТРА», являясь участником Фонда Сколково
планирует подавать заявку на грант со следующими
условиями финансирования (стадия 1):
Бюджет проекта: 40 млн. руб. на 3 года
Вклад Инвестора: 25% = 10 млн. руб.
Грант фонда Сколково: 75% = 30 млн. руб.

16. Примеры получаемых данных

17. 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).

18. 3D реконструкция проводящих нанокомпозитов
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
3D-реконструкция проводимости сети графеновых
кластеров в нанокомпозите полистирен/графен,
. .
2.5x2.5x0.34 мкм
A. Alekseev et al, Adv. Func. Mater., 2012, 22, 1311.

19. Срез клеща Otodectes cynotis, 10x10 µm
Фазовое АСМ изображение ПЭМ того же участка среза
A.E. Efimov, A. G. Tonevitsky, M. Dittrich and N.B. Matsko, Journal of Microscopy, Vol. 226, 3, pp. 207–217 (2007)

20. 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)

21. 3D реконструкция полимерного композита
ABS: 15 срезов x 100 нм. 13.5x13x1.5 µm