Исследователи из Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН создают электронные гибкие сенсоры глюкозы, не требующие прокола кожи. Сегодня готов лабораторный образец, работающий на низкой скорости записи (время накопления сигнала 10—30 мин). 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. В перспективе прибор может стать бытовой альтернативой глюкометру. Подробные результаты работы ученых опубликованы в журналах Physical Chemistry Chemical Physics и Успехи физических наук.
Чувствительный элемент сенсора (площадью несколько квадратных миллиметров) печатается на обычной офисной бумаге необычными чернилами — авторской разработкой ученых ИФП СО РАН. В результате на бумагу ложатся слои толщиной в единицы нанометров, состоящие из графена и проводящего полимера PEDOT:PSS. При нанесении такого композита на бумагу в слое формируются вертикально расположенные частицы графена, и они выступают как катализаторы окисления глюкозы, а уровень сигнала сенсора (его проводимость) зависит от количества продуктов окисления. Это первый в России образец сенсора такого типа.
Сенсор можно разместить на запястье или практически в любом месте, где удобно пользователю. Сейчас к устройству разрабатывается небольшой модуль для быстрого считывания (за доли секунды), преобразования, усиления сигнала и передачу данных на телефон через Bluetooth канал.
«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», — комментирует руководитель научной группы, ведущий научный сотрудник лаборатории физики и технологии трехмерных наноструктур ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Ирина Вениаминовна Антонова.
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», — поясняет научный сотрудник молодежной лаборатории нанотехнологий и наноматериалов кандидат физико-математических наук Артем Ильич Иванов.
Исследователи подчеркивают, что новое 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.
«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», — добавляет Ирина Антонова.
Исследователи отмечают, что на сегодняшний день разработка еще далека от стадии создания коммерческого продукта. В данный момент ученые 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.
На изобретение получен патент РФ №2811305. Недавно Роспатент включил разработку в рейтинг ТОП-10 изобретений в медицине, которые были запатентованы с 2023 года. Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ. Кроме того, работа ведется в рамках проекта Российского научного фонда № 22-19-00191, но не является главной задачей проекта.
Пресс-служба ИФП СО РАН
Фото Артема Иванова и Надежды Дмитриевой
