Альтернатива глюкометру. Создан первый в России лабораторный образец гибкого графенового сенсора глюкозы

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.

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, 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 сенсору разрабатывается небольшой модуль для быстрого считывания (за доли секунды), преобразования, усиления сигнала и передачу данных на телефон через Bluetooth канал.

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. Недавно Роспатент включил разработку в рейтинг ТОП-10 изобретений в медицине, которые были запатентованы с 2023 года.

Ирина Антонова. Автор фото Владимир Трифутин

«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.

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.

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.

Измерение содержания глюкозы в поту неинвазивным сенсором разработки ученых ИФП СО РАН. Автор фото Артём Иванов

«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», — поясняет научный сотрудник молодежной лаборатории нанотехнологий и наноматериалов ИФП СО РАН 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.

Артём Иванов и Анна Бузмакова. Автор фото Надежда Дмитриева

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.

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. Представив результаты работ на конференции «Дни студенческой науки НГТУ–2024», Анна победила в конкурсе студенческих грантов и получила грант НГТУ–2024. Также Анна занимала призовые места по итогам других студенческих научных конференций.

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. Сейчас он ищет способы сделать модуль считывания гибким и миниатюрным.

Руслан Кумарбаев. Фото предоставлено исследователем

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.

«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», — добавляет 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. Сейчас 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.

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.

Роспатент включил разработку в ТОП-10 изобретений в медицине, запатентованных с 2023 года. Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России.

Фото на обложке: напечатанные на бумаге сенсорные элементы (15 штук). Скрепка положена для масштаба Автор фото Надежда Дмитриева

Фото: пресс-служба ИФП СО РАН