Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из Китая разработали новый материал для носимых медицинских сенсоров и устройство на его основе, определяющее уровень глюкозы через пот. Разработка обеспечивает быстрое и точное измерение содержания глюкозы, способна самостоятельно генерировать энергию для своей работы и сохраняет функциональность после 15 тысяч циклов зарядки-разрядки и при многократных изгибах.
Нужда в автономности
В сфере персонализированной медицины всё более востребованными становятся носимые сенсорные устройства. Они дают возможность контролировать ключевые показатели здоровья в режиме реального времени без необходимости забора крови и проведения сложных клинических процедур. Одно из перспективных направлений — анализ состава пота, поскольку в нём содержатся маркеры, отражающие физиологические процессы в организме, включая метаболизм глюкозы.
Существующие аналоги, как правило, состоят из двух обособленных блоков: непосредственно датчика и внешнего источника энергии. Это увеличивает габариты изделия, снижает удобство при повседневном ношении и усложняет эксплуатацию. Перед исследователями стояла задача создать материал, который совмещал бы функции чувствительного элемента и накопителя энергии.
Гибридная структура
Для решения этой задачи ученые научной группы TERS-Team Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ совместно с партнёрами из Университета электронных наук и технологий Китая синтезировали композитный материал. В его основе — углеродные нанотрубки с высокой чувствительностью и проводящая сетка из двумерного никелевого металлорганического каркаса. Такая комбинация обеспечивает избирательность: сенсор определяет уровень глюкозы и не реагирует на сопутствующие вещества в биологической жидкости — мочевину, соли, лактат, мочевую и аскорбиновую кислоты.
«Материал сенсора представляет собой гибридную структуру. Тонкие никелевые нанолисты в ней выступают в роли активных участков, где происходят все электрохимические реакции, а углеродные нанотрубки работают как “провода”, ускоряя эти реакции и взаимодействие всей системы с молекулами глюкозы», – отметил один из авторов работы, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Рауль Родригес.
В ходе экспериментальной работы применялись методы рамановской спектроскопии и рентгеновской дифракции. Результаты подтвердили высокую чувствительность материала и его устойчивость к помехам. Время отклика на изменение концентрации глюкозы в образцах пота в среднем составляет пять секунд.
Из полученного композита исследователи сконструировали гибкий суперконденсатор, выполняющий роль накопителя энергии и питающий систему мониторинга. В сравнении с материалами на основе никеля, железа и кобальта предложенная структура продемонстрировала более высокие показатели.
Разработанные компоненты объединили в единую электрохимическую систему. Она состоит из глюкозочувствительного пластыря с интегрированным накопителем, блока управления питанием и беспроводного модуля передачи данных по Bluetooth. Таким образом, инновации в области материаловедения интегрированы с современными ИТ-технологиями: сигнал с датчика преобразуется в цифровые показания, отображаемые на смартфоне.
Кстати
Финальный этап тестирования системы проводился с участием добровольца. Модуль закрепили на коже испытуемого, после чего в течение 40 минут человек выполнял физические упражнения. Содержание глюкозы в поте отслеживалось в реальном времени, данные передавались на смартфон по Bluetooth. Параллельно проводились замеры с помощью коммерческого диагностического набора для оценки достоверности результатов. Показания новой системы совпали с контрольными значениями. В перспективе подобные сенсоры могут найти применение в персонализированной медицине при мониторинге пациентов, а также в спортивной диагностике, где контроль уровня глюкозы важен для оценки выносливости.
Подписывайтесь на АиФ в  MAX
|
