Технологии в медицине
Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из Китая разработали новый материал для носимых медицинских сенсоров и устройство на его основе для определения уровня глюкозы через пот. Разработка быстро и точно показывает содержание глюкозы и может самостоятельно обеспечивать себя энергией. Результаты тестов показали, что система сохраняет свои функции даже после 15 тысяч циклов зарядки-разрядки и изгибах.
Результаты исследования опубликованы в журнале Chemical Engineering Journal (Q1, IF: 12,5).
В современной персонализированной медицине все большую востребованность приобретают носимые сенсорные датчики. Они в режиме реального времени помогают отслеживать состояние здоровья без забора крови и сложных процедур. Одним из перспективных подходов к сбору данных выступает анализ пота. В нем содержатся элементы, по которым можно отслеживать физиологические изменения организма, в том числе метаболизм глюкозы. Однако такие устройства обычно состоят из двух отдельных модулей (самого сенсора и источника питания). Это делает устройство громоздким и неудобным для ношения, а также усложняет его использование.
Ученые Томского политеха совместно с коллегами из Китая разработали материал для сенсора на основе высокочувствительных углеродных нанотрубок и проводящей сетки двумерного никелевого металлорганического каркаса. Он способен быстро и точно отслеживать уровень глюкозы в поте и при этом не «сбиваться» на другие вещества в составе биологической жидкости — мочевину, соль, 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," — отмечает один из авторов исследования, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Рауль Родригес.
Ученые провели исследования разработанного материала с помощью методов рамановской спектроскопии и рентгеновской дифракции. Результаты анализа показали, что материал обладает высокой чувствительностью — на уровне 1896.7 мкА/(мМ·см²) — и помехоустройчивостью. Среднее время отклика материала на глюкозу в образцах пота — пять секунд.
На основе разработанного материала ученые создали компактный гибкий суперконденсатор, который может выступать в качестве накопителя энергии и питать систему мониторинга. По словам разработчиков, по сравнению с аналогичными материалами на основе никеля, железа и кобальта предложенная структура показала более высокие показатели. Новый накопитель обладает энергоемкостью в 61,1 Вт·ч/кг при плотности мощности 746,7 Вт/кг.
Предложенные решения ученые объединили в единую электрохимическую сенсорную систему. Она состоит из глюкозочувствительного пластыря с накопителем энергии, модуля управления питанием и беспроводной передачей данных.
"Устройство сохранило около 80 % начальной емкости после 15 тысяч циклов зарядки-разрядки и при многократных изгибах, что особенно важно для гибких носимых устройств," — добавляет профессор.
Тесты системы проходили на добровольце, на коже которого был закреплен модуль. В течение 40 минут человек выполнял физические упражнения. Данные о содержании глюкозы в поте отслеживались в режиме реального времени и передавались с модуля на смартфон по Bluetooth. Параллельно измерения проводились также с помощью коммерческого набора — для оценки надежности системы. Результаты хорошо согласовались с данными, полученными с помощью коммерческого датчика.
В будущем такие сенсоры можно будет использовать в персонализированной медицине и спортивной диагностике.
В исследовании приняли участие ученые научной группы TERS-Team Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха и Университета электронных наук и технологий Китая.
