Иван БОБРИНЕЦКИЙ, профессор из Национального исследовательского университета “МИЭТ”, занимается темой, у которой большое будущее. Речь идет о создании сенсоров, которые можно будет… печатать. Печатать, как картинки, в том числе на коже человека. Перспективные технологии откроют огромные возможности для прогресса в различных областях общественной жизни. Наш корреспондент вник в сложную, но увлекательную область исследований.
— В нашем организме масса природных датчиков, которые обеспечивают нормальное течение жизни, — рассказывает Иван Иванович. — Пока с ними все в порядке, и у нас все в порядке. Но если перестанут работать чувствительные клетки в глазах, нарушится зрение. Откажут окончания нервных клеток, разбросанных по всему телу, — не сможем ощущать себя частью пространства. А случись отказ регистраторов иммунной системы, распознающих объекты по принципу “свой — чужой”, не сможем прожить и нескольких часов.
Вот как много зависит от таких датчиков, относящихся к категории биологических сенсоров. Этим названием объединяют как системы живой природы, так и созданные для того, чтобы реагировать на наличие биологических веществ. Мы разрабатываем технологии получения элементов, которые “чувствуют” вещества природного происхождения (например, маркеры заболеваний) и в то же время имеют в своей конструкции биологические компоненты.
При создании химических сенсоров (биологические также относятся к этому типу) ставится цель, чтобы у них были как можно более высокими чувствительность, быстродействие, селективность. Можно “подсмотреть”, как решила такую задачу природа на примере нашего важного “химического датчика” — носа. Число обонятельных нейронов у человека — 10 миллионов на поверхности эпителия площадью всего 2-4 квадратных сантиметра. А ведь нервные клетки — это лишь проводники сигнала. Детектирование конкретного вещества обеспечивают 350 различных видов рецепторных белков. Принципиальная конструкция любого сенсора такова: канал, передающий сигнал (у человека это нерв), и непосредственно распознающий компонент. При создании искусственного (будем называть его так) биологического сенсора необходимо решить три глобальные задачи: обеспечить максимальную плотность трансдьюсеров (проводников сигнала) на минимальной площади, подобрать специфичный (селективный) чувствительный материал, а также понять, как организовать передачу информации от распознающего слоя в тот самый информационный канал. Этот канал должен соединяться с системой обработки информации (процессором). Очевидно, что оптимальное решение для создания электродов, обладающих большой удельной поверхностной площадью, — нанопроводники (мы используем углеродные нанотрубки).
— Для чего нужны такие сенсоры? Где они применяются?
— Мы разрабатываем технологии и изучаем принципы работы биологических сенсоров на гибких носителях. Все существующие сегодня датчики построены на твердотельной основе. Чувствительный слой наносится на поверхность кремния, кварца или другого полупроводникового либо диэлектрического материала. Конечно же, возникает проблема с надежностью. Если уроните измеритель влажности, которым комплектуют многие бытовые приборы, то из-за сильного механического давления может произойти расслоение компонентов. Когда идет речь о гибких носителях, то имеется в виду, что созданный на их основе датчик должен оставаться работоспособным в любых условиях. Его можно бросать, топтать, гнуть — и он будет выдавать те же значения, что показывал, как говорят специалисты, в ненагруженном состоянии.
Наши планы более широкие. Раз сенсор биологический, то, значит, он должен взаимодействовать с человеком. Если вести речь об отдаленной перспективе, то это, например, встраиваемый под кожу гибкий чип, который будет постоянно отслеживать состояние организма (температуру, пульс, уровень глюкозы). А в случае особой необходимости, скажем, когда надо получать данные о здоровье пациента в послеоперационный период, сенсор можно будет напечатать на поверхности его кожи. Через две-три недели он смоется, как временная татуировка. В общем, для нас гибкие носители — это любые эластичные поверхности. Кожа человека вполне подходит под это определение.
— Вы упоминали об использовании нанопроводников. Что это дает?
— Нанопроводники, нанопровода все чаще используются при создании различных видов сенсоров, в том числе биологических. Сегодня это — одно из важнейших направлений электроники. Из-за проблем в отечественной науке мы в последние 20 лет заметно отстаем от ученых других стран, работающих в области технологий гибкой электроники. Но что касается нанопроводных датчиков, то у нас по ним накопилось немало фундаментальных наработок. В частности, в Научно-исследовательском институте биомедицинской химии им. В.Н.Ореховича РАМН и Институте физики полупроводников им. А.В.Ржанова СО РАН развиваются методы конструирования подобных систем на основе кремния для детектирования гепатита и рака.
В целом же в мире создана большая экспериментальная база для того, чтобы мечты ученых стали реальностью. Например, на коже человека уже печатают электронные схемы. Правда, пока они выполняют простейшие функции, но в любом случае это серьезное достижение. В конце прошлого года в журнале “Российские нанотехнологии” появилась наша совместная с коллегами с факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ публикация о первом (по крайней мере, в России) гибком биологическом сенсоре на основе нанотрубок и аптамеров (искусственно синтезированных последовательностей нуклеотидов, обладающих высокой специфичностью, то есть селективностью к белкам). В это же время в авторитетном международном журнале ACSNano сотрудники Массачусетского технологического института опубликовали статью о первом гибком аптасенсоре на основе графена (углеродного материала в виде одиночной плоскости из листа атомов углерода). Мы собираемся приступить к подобным исследованиям в следующем году: будем формировать графеновые наноленты и сравнивать их чувствительность.
— В чем особенность вашего подхода к задаче? Какие проблемы предстоит решить?
— В МИЭТ мы занимаемся сенсорами на основе углеродных нанотрубок с 2005 года. Сначала их предназначением было обнаружение веществ в газообразной форме. Так как мы представляем университет электронной техники, то у нас есть возможность изготовления микроэлектронных компонентов благодаря “чистой комнате”. Это позволило нам быстро догнать по результатам остальные исследовательские группы (в науку я пришел студентом в 2001 году — когда весь мир уже 10 лет имел дело с нанотрубками), научиться работать и манипулировать именно одиночными нанотрубками. Также помогли фирмы соответствующей специализации. Например, первые эксперименты по газовым сенсорам мы проводили на внебюджетные средства в зеленоградской компании ООО “Практик-НЦ”. В дальнейшем там разработали для нас измерительный стенд, на котором сегодня мы исследуем чувствительность наших структур к биологическим веществам.
Тем не менее работа с одиночными нанотрубками, хотя и интересна с фундаментальной точки зрения, не очень “практична”, если говорить о применении. Поэтому мы хотим использовать в качестве сенсорного слоя сетки нанотрубок. Тогда чувствительную пленку можно будет формировать с использованием методов обыкновенной печати (или аэрографии), а благодаря большой площади покрытия обеспечивать высокую чувствительность. Но возникает другая проблема. Так как формируемая пленка — это не сплошная среда, а именно переплетенная сетка из волокон, то появляется большое паразитное сопротивление в области контактов волокон. Эту проблему мы пытаемся решить, используя, например, пришивки дополнительных электропроводящих полимерных молекул или функционализацию нанотрубок для создания более прочной ковалентной связи.
— В этом направлении уже есть достижения?
— Благодаря использованию пришивки дополнительных молекулярных каналов в зазоре между нанотрубками удалось почти на порядок понизить сопротивление проводящих пленок. Только увеличением толщины проблему не решить: в этом случае ухудшается проникновение в глубь детектируемого вещества (обычно это белок — достаточно большая молекула). Поэтому в идеале пленка должна быть монослоем, толщиной не более 10 нанометров. Сейчас готовим результат к публикации. По сути, мы говорим о создании прозрачной проводящей пленки на гибком носителе. Открываются новые перспективы уже вне тематики датчиков — речь идет о создании прозрачных проводящих электродов для решения задач фотовольтаики, оптоэлектроники. В этом случае слой, через который мы смотрим на экран, должен одновременно передавать электрический потенциал и пропускать свет.
Мы уже можем привести примеры использования структур для биологических сенсоров. Одна фармацевтическая компания, которая разрабатывает лекарственные препараты на основе аптамеров, заказала у нас партию нанотрубочных носителей. С их помощью будут проверять работоспособность компонентов лекарственного препарата по изменению электрического сигнала в присутствии и отсутствии маркера заболевания. Речь не идет о применении нашего биосенсора в медицинских целях. (На это, если честно, я пока не надеюсь, так как уже наслышан о том, сколько лет и какие огромные суммы уходят на то, чтобы сертифицировать даже на российском рынке медицинские средства). Мы хотим создать тест-систему для альтернативного метода проверки качества лекарственного препарата.
— Что еще в планах?
— Моя научная группа на кафедре квантовой физики и наноэлектроники занимается также созданием биоэлектронных интерфейсов. Предполагается достичь не только взаимодействия молекулы белка с нанотрубкой и обработки информации компьютером, но и в целом — взаимодействия и передачи информации от биологических систем к неорганическим и обратно. У нас есть наработки в области стимулирования роста живых клеток электрическим потенциалом, прикладываемым через углеродную нанотрубку. За счет уменьшения величины напряжения на несколько порядков мы можем добиться повышения эффективности воздействия полей на живые клетки, например, при тестировании лекарственных препаратов. Еще одно направление — создание интерфейсов с нервными клетками. Наш выпускник Дмитрий Киреев, ныне аспирант Университета Ахена (Германия), занимается созданием подобных интерфейсов между нервными клетками и графенами. Я считаю, что аналогичные системы могут быть созданы на основе пленок углеродных нанотрубок. В любом случае, в основе этого направления лежат те же вопросы организации передачи информации на молекулярном уровне между биологическими объектами и нанопроводниками, которые решаются в рамках нашего проекта.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Фотоснимки предоставлены И.Бобринецким
Нет комментариев