Впервые в нашей стране физики получили в лаборатории образец гибкого графенового сенсора глюкозы.

Инновационная разработка сибирских исследователей из Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН может стать в ближайшей перспективе основой для бытовых глюкометров, не требующих прокола кожи. Роспатент уже включил это изобретение в первую десятку запатентованных с 2023 года изобретений в медицине, а авторитетные зарубежные и российские научные журналы, такие как «Российские нанотехнологии», «Успехи физических наук» и Physical Chemistry Chemical Physics опубликовали статьи о данной разработке.

Образец пока работает на низкой скорости записи – время накопления сигнала составляет от 10 минут до получаса. Принцип работы сенсора, как и у обычного глюкометра: устройство измеряет уровень сахара в поте и помогает контролировать уровень глюкозы, как больным диабетом, так и, например, обычным людям, соблюдающим диету или спортсменам.

Сибирские физики научились распечатывать чувствительный элемент сенсора площадью несколько квадратных миллиметров на простой офисной бумаге. При этом они используют свою авторскую разработку – особые чернила, состоящие их графена и проводящего полимера PEDOT:PSS. Толщина слоя всего единицы нанометров. При нанесении композита на бумагу в слое формируются вертикально расположенные частицы графена, и они выступают как катализаторы окисления глюкозы, а уровень сигнала сенсора или его проводимость зависит от количества продуктов окисления.

Сенсор станет основой носимого гаджета, который можно будет разместить на человеческом теле практически в любом месте. Модуль неинвазивного глюкометра будет состоять из блоков скоростного считывания данных, их преобразования, усиления и передачу на смартфон по блютуз-каналу.

Руководитель научной группы, ведущий научный сотрудник лаборатории физики и технологии трехмерных наноструктур ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Ирина Антонова отметила, что она с коллегами выбрала альтернативный путь получения работающего графенового сенсора. В то время, когда во всем мире в качестве чувствительного элемента создается, как правило, многослойная структура, для обеспечения стабильно высокого уровня сигнала требуется обильное потоотделение и дополнительный подогрев кожи.

Мы 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, – прокомментировала Ирина Вениаминовна.

В качестве оптимальных материалов для печати гибкого сенсорного слоя, после тестирования множество видов тканей и бумаги, ученые выбрали офисную бумагу и нетканое полотно «спанлейс».

Сибирский графеновый сенсор – резистивный, он меняет свое электрическое сопротивление при попадании молекул глюкозы через пот на чувствительный элемент. В результате проводимость сенсора увеличивается пропорционально содержанию глюкозы в крови, что можно зафиксировать, подавая напряжение и измеряя электрический ток.

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), приведет 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 Артем Иванов.

 

В составе научной группы Артем занимался созданием чернил, поиском компонентов для них и определением их соотношений, подбирал режимы печати и выбирал подложки, на которых производилась печать.

Над разработкой устройства трудится коллектив из пяти человек, включая также студентов Новосибирского государственного технического университета (НГТУ НЭТИ). Так магистрантка факультета радиотехники и электроники Анна Бузмакова исследовала зависимость электрического сопротивления от состава композитного материала, меняя размер частиц графена и концентрацию полимера. А Руслан Кумарбаев, магистрант 2 курса того же факультета отвечает в проекте за разработку и сборку модуля для считывания, преобразования и передачи сигнала сенсора на смартфон. Он планирует сделать его максимально гибким и миниатюрным. Кроме того, молодой ученый написал и тестирует мобильное приложение для будущего инновационного глюкометра. Несмотря на серьезную научную основу, новое устройство – это не медицинский прибор, а девайс для бытового использования, как подчеркивают сами разработчики. Поэтому интерфейс гаджета необходимо сделать максимально понятным рядовому пользователю, для того, чтобы каждый смог сравнить полученные результаты с типовыми значениями или результатами медицинских анализов.

Как дополняет Ирина Антонова, преимущество их сенсоров заключается в высокой чувствительности, простоте эксплуатации, надежности и дешевизне. Их легко заменить и можно использовать многократно. План-максимум на ближайшие годы – создать рабочий прибор, выдающий понятные любому человеку результаты. Перспективность разработки очевидна, но тем не менее до стадии коммерческого продукта изобретение отделяют не только необходимые тесты, испытания и доработки, но и недостаточное финансирование и малое количество мер поддержки данного исследования.

Научные исследования требуют и времени, и затрат. А большинство программ, которые мы смогли найти, предлагают профинансировать доработку практически законченного продукта или прототипа, – заключила руководитель научной группы.

От редакции: Мы искренне надеемся, что такое инновационное, а главное полезное изобретение получит всестороннюю поддержку потенциальных инвесторов, поможет больным диабетом и, возможно, даже спасет жизни.

Подготовил Дмитрий ЧЕРНЫШЕВ по материалам пресс-службы ИФП СО РАН

Фото: Артем Иванов, Надежда Дмитриева, Владимир Трифутин, Руслан Кумарбаев.