ИФП СО РАН: Электронные гибкие сенсоры глюкозы

Основная статья: Системы мониторинга глюкозы в крови

2024: Представление лабораторного образца сенсора, работающего на низкой скорости записи

Исследователи из Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) создают электронные гибкие сенсоры глюкозы, не требующие прокола кожи. 10 июля 2024 года ИФП СО РАН представил лабораторный образец, работающий на низкой скорости записи (время накопления сигнала 10-30 мин). Как рассказали представители института медтех-порталу Zdrav.Expert, устройство определяет уровень глюкозы в поту и будет полезно для больных сахарным диабетом, а также для тех, кому важно контролировать уровень глюкозы в организме — например, спортсменам или людям, соблюдающим специализированную диету.

ИФП СО РАН

Чувствительный элемент сенсора (площадью несколько квадратных миллиметров) печатается на обычной офисной бумаге. Но чернила необычные – авторская разработка ученых ИФП СО РАН. В результате на бумагу ложатся слои толщиной в единицы нанометров, из графена и проводящего полимера PEDOT:PSS. При нанесении такого композита на бумагу в слое формируются вертикально расположенные частицы графена, которые выступают как катализаторы окисления глюкозы, а уровень сигнала сенсора (его проводимость) зависит от количества продуктов окисления. По заявлению исследователей ИФП СО РАН, это первый в России образец сенсора такого типа.

ИФП СО РАН

Сенсор можно разместить на запястье или практически в любом месте, где удобно пользователю. К сенсору также разрабатывается небольшой модуль для быстрого считывания (за доли секунды), преобразования, усиления сигнала и передачу данных на телефон через Bluetooth-канал.Геннадий Попов, PathVision.ai: Как искусственный интеллект помогает медицине и бизнесу

Подробные результаты работы ученых опубликованы в журналах Physical Chemistry Chemical Physics, Российские нанотехнологии (принято в печать), Успехи физических наук. Кроме того, на изобретение получен патент РФ №2811305.

«Неинвазивные (не требующие прокола кожи) сенсоры глюкозы разрабатываются во всем мире. В качестве чувствительного элемента создается, как правило, многослойная структура, довольно толстый `пирожок`. В таком случае, чтобы обеспечить высокий уровень сигнала, требуется обильное потоотделение и нужен дополнительный подогрев кожи. Мы выбрали другой путь — сделали очень тонкий слой с определенной структурой, которая обеспечивает селективность, и получили высокую чувствительность сенсора. Но нужно было решить многопараметрические задачи, начиная от разработки состава чернил, соотношения компонентов, их вязкости, концентрации и заканчивая подбором режима печати и основы для нанесения чернил», — рассказал руководитель научной группы, ведущий научный сотрудник лаборатории физики и технологии трехмерных наноструктур ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Ирина Вениаминовна Антонова.

ИФП СО РАН

В качестве оптимальных материалов для печати гибкого сенсорного слоя ученые выбрали офисную бумагу и нетканое полотно (спанлейс). Но тестировалось множество тканей — от шелка до хлопка, полимерные материалы, разные виды бумаги.

По информации ИФП СО РАН, созданный учеными сенсор — резистивного типа: его электрическое сопротивление меняется при попадании молекул глюкозы на чувствительный элемент. В результате взаимодействия с потом проводимость сенсора увеличивается, что можно зафиксировать, подавая напряжение и измеряя электрический ток. Показано, что проводимость сенсора пропорциональна содержанию глюкозы в крови. В этом случае важна чувствительность, от нее зависит абсолютная величина сигнала и скорость его появления после начала тестирования и, самое важное, — диапазон изменений сигнала: чем он больше, тем меньшие колебания глюкозы можно измерить.

«Отличие нашего сенсора от разрабатываемых другими группами в России и за рубежом — в том, что мы нашли простой и дешевый способ получить высокий отклик с использованием графена, как основной чувствительной матрицы. Другие авторы выбирали в качестве чувствительного элемента иные компоненты, графен же только усиливал сигнал. В самом начале нам казалось, что увеличение толщины печатного слоя (в разумных пределах – до 10 нанометров), приведёт к увеличению сигнала, и получатся более воспроизводимые результаты. Мы пробовали делать более толстые слои, но добиться значительного изменения их проводимости, даже при намокании сенсора, было очень сложно. Толстые слои позволяли получить хороший сигнал и быстрый отклик, но при этом, изменение сигнала при изменении сахара было относительно низкое, примерно 30%. В мире у многих сенсоров именно такой отклик. Но нам хотелось большего, и мы пришли к оптимальному соотношению состава слоя, его толщины и структуры. Выяснилось, что наилучшие характеристики дают два - три печатных слоя. При этом графеновое покрытие должно быть сплошным. Чтобы его таким сделать, пришлось подобрать около десяти разных параметров», — пояснил научный сотрудник молодежной лаборатории нанотехнологий и наноматериалов, кандидат физико-математических наук Артём Ильич Иванов.

В задачи Артёма входило создание чернил, поиск компонентов для них, определение соотношений последних, подбор режимов печати, выбор подложек, на которых производилась печать. Все перечисленные процессы играют решающую роль при создании сенсора.

В разработке устройства участвует научная группа из пяти человек, включая студентов Новосибирского государственного технического университета (НГТУ НЭТИ), для которых результаты исследований ложатся в основу квалификационных работ.

ИФП СО РАН

Например, Анна Андреевна Бузмакова, магистрантка факультета радиотехники и электроники (РЭФ) НГТУ, в рамках бакалаврского диплома исследовала зависимость электрического сопротивления от состава композитного материала, меняя размер частиц графена, концентрацию полимера.

Руслан Саятович Кумарбаев, магистрант 2 курса РЭФ НГТУ, отвечает за проектирование и сборку модуля для считывания, преобразования и передачи сигнала сенсора на смартфон. Кроме того, Руслан создал и отрабатывает мобильное приложение, которое отвечает за обработку полученных от сенсора данных. Студент демонстрирует креативный подход к выбору параметров схем и считывающего устройства. Он ищет способы сделать модуль считывания гибким и миниатюрным.

ИФП СО РАН

Исследователи подчеркивают, что представленное устройство не является медицинским прибором, это датчик для бытового использования. Специалистам предстоит отработать параметры считывания, чтобы каждый пользователь мог соотнести значения сигнала датчика с уже известными ему — например, показателями глюкометра или результатами медицинских анализов.

«Наш план максимум на ближайшие несколько лет — сделать так, чтобы прибор работал легко и надежно, а получаемые результаты были понятны любому человеку, без специального погружения в тему. Преимущество наших сенсоров, кроме чувствительности — дешевизна, сохранение работоспособности при хранении сенсора более двух лет, возможность многократного использования — на одном сенсоре мы делали порядка 30 измерений. А когда понадобилось уточнить результаты, провели еще десяток измерений на той же структуре и увидели хорошую воспроизводимость результатов. Сенсоры являются сменными и в случае нарушения одного, используется следующий», — добавила Ирина Антонова.

Она подчеркивает, что несмотря на очевидную перспективность разработки (постоянный мониторинг уровня глюкозы требуется все большему количеству людей), существует не так много мер поддержки, которые позволяют финансировать исследования. По состоянию на июль 2024 года работа ведется в рамках проекта Российского научного фонда № 22-19-00191, но не является главной задачей проекта.

«Пока мы еще далеки от стадии создания коммерческого продукта. Научные, поисковые исследования требуют и времени, и затрат. А большинство программ поддержки, которые мы смогли найти, предлагают профинансировать доработку практически законченного продукта или прототипа», — поясняет руководитель научной группы.

Ученые пока набирают статистику изменения сигнала сенсора в зависимости от индивидуальных особенностей человека. Например, при быстром считывании сигнала (миллисекунды) можно определить время между приемом пищи, повышением уровня глюкозы в крови (определяется при помощи глюкометра) и изменением содержания глюкозы в поту. Также исследуется отклик сенсора на небольшие физические нагрузки. Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России.