Анализ на сахар возможен без прокалывания кожи

Сибирские физики создали первый в России лабораторный образец гибкого графенового сенсора глюкозы, не требующего прокола кожи — измерению подвергается пот. В перспективе устройство может стать бытовой альтернативой глюкометру.

Такие методы активно разрабатываются во всем мире, говорит Ирина Антонова, ведущий научный сотрудник Института физики полупроводников СО РАН, доктор физико-математических наук: «Количество людей, больных диабетом, год от года растет сверх всяких прогнозов, поэтому существует острая потребность в новых, доступных методах тестирования».

Метод сибирских физиков, говорит Ирина Антонова, отличается простотой и дешевизной. Обычно сенсоры включают в себя слой глюкозооксидазы — катализатора для окисления глюкозы, процесса, приводящего к резкому увеличению проводимости. Это одноразовый сенсор. Чтобы сделать его многоразовым, придумывали тонкое пористое покрытие из полимера, но тогда чувствительность сенсора падает. Ученые всего мира ищут способ ее повысить. Добавляют графен, частицы металлов — возникает проблема нехватки пота, поскольку чем толще чувствительный элемент сенсора, тем больше требуется пота, чтобы полноценно его пропитать и получить полезный сигнал. А если добавить защитное покрытие, то оно еще ограничивает поступление пота в сенсор. Затем делают специальные электроды, чтобы подогреть кожу и усилить потоотделение,— сенсор получается дорогой, сложный и тяжелый, похожий на толстый «пирожок».

«В европейском исполнении одно считывающее устройство и один сенсор, который проработает несколько дней, стоят 30 тыс. руб., одно считывающее устройство и десять сенсоров — 150 тыс. Нельзя купить еще сенсоров, если они закончились — считывающее устройство настраивается на конкретные сенсоры, поэтому все надо покупать заново»,— сетует Ирина Антонова.

Специалисты из ИФП СО РАН пошли другим путем. На обычной бумаге они напечатали нанометровый слой, содержащий графен. Очень маленькая толщина и специальная структура обеспечили изменение величины тока, текущего через сенсор, при взаимодействии с потом. «Наш сенсор представляет собой слой композита на обычной бумаге или нетканом полотне,— говорит Артем Иванов, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории нанотехнологий и наноматериалов ИФП СО РАН.— В первую очередь мы хотели показать возможности покрытия на природных и синтетических материалах и ограничили свой выбор офисной бумагой, в основе которой целлюлозные волокна, и полимерной малопылящей лабораторной тканью "спанлейс", чтобы минимизировать влияние подложки на свойства покрытия. На ткань или бумагу с помощью двумерной печати наносится сверхтонкий слой наших композитных чернил, состоящих из тонких частиц графена. Они связаны друг с другом через проводящий полимер, которого очень мало, и основную роль играют именно эти частицы. Там формируется не только сплошной слой, который покрывает бумажный каркас, но еще и вертикально стоящие частицы, собранные вместе и похожие на розочки».

Эти «розочки» имеют большое количество реакционно-активных краев, которые выступают катализатором для разложения глюкозы, благодаря чему увеличивается проводимость, когда жидкость, содержащая глюкозу, попадает на сенсор. По словам Артема Иванова, себестоимость такого сенсора копеечная: «Если наш прибор будет считывать сигналы сенсора и передавать их на смартфон, то получается себестоимость в районе 2 тыс. руб.».

Сенсор приклеиваться с помощью пластыря на кожу, например, запястья или плеча. Главное, чтобы это был не сильно гнущийся элемент — не сустав, не пальцы: сенсор хоть и гибкий, но не должен подвергаться большим деформациям. Затем начинается считывание сигнала. Микроскопические капельки пота выделяются на коже постоянно, даже если она кажется сухой, и структуры сенсора достаточно, чтобы их уловить. Для экстремальных же случаев, например когда кожа сильно сухая в силу возраста, ученые испытывают конструкцию с дополнительным прижимом сенсора эластичной тканью. Итак контакт с кожей, небольшое количество пота — и по тому, как будет разлагаться глюкоза, содержащаяся в поте, будет виден сигнал, передаваемый на смартфон. В приложении будет заметно, как поднимается уровень глюкозы в тот или иной момент.

Но насколько коррелируют показатели глюкозы в поте и в крови? Ученые уже доказали пропорциональность между сигналом сенсора и уровнем глюкозы. Так значит, больше нет смысла брать на анализ кровь? «Не все так просто,— отвечает Ирина Антонова.— Человек довольно сложен, начиная с состава пота и заканчивая его количеством, дополнительными его особенностями, поэтому реакции могут быть у каждого свои. Если это разовое измерение, достаточно 15–30 минут, чтобы узнать уровень глюкозы. Но многие носят сенсоры длительно, чтобы посмотреть, как падает уровень сахара после еды или в ответ на лекарства. Люди с диабетом первого типа вообще должны все время контролировать свой сахар». Поэтому ученые рекомендуют один раз, в самом начале применения, откалибровать прибор, а дальше по калибровочному графику отслеживать свой уровень глюкозы.

Настройка сенсора под свои параметры — совсем несложная процедура, которую вполне может освоить обычный человек. Помощь специалиста для измерения калибровочной кривой и корректного определение глюкозы не требуется.

Следующий шаг — разработка считывающего устройства, которое пока не доведено до конца. Очень важно собрать статистику на большем количестве людей, чтобы выявить дополнительные особенности, ограничения, и тогда можно будет говорить об универсальном сенсоре. Изобретатели подчеркивают, что изначально делают не медицинское изделие, испытание и регистрация которого заняли бы десятки лет, а бытовой прибор для домашнего применения.

«Запрос от людей, узнавших о разработке, очень большой,— говорит Ирина Антонова.— Особенно тех, кто страдает сахарным диабетом первого типа: там глюкоза может стремительно падать, и это опасное для жизни состояние. Некоторым приходится измерять сахар даже ночью, и это очень отражается на качестве жизни и больного, и тех, кто его окружает. Поэтому у нас есть желание довести все до реального использования как можно быстрее».

В разработке активное участие принимают студенты факультета радиотехники и электроники Новосибирского государственного технического университета Анна Бузмакова и Руслан Кумарбаев. Руслан разрабатывает считывающее устройство, уже написал программу для смартфона. Анна принимает участие в изготовлении и тестировании сенсоров.

«Мы не собираемся останавливаться на достигнутом,— говорит Ирина Антонова.— После того как закончим работу над новым прибором, планируем заняться созданием комплексных сенсорных чипов для анализа здоровья человека. Уже показано, что наши сенсоры с использованием того же композитного материала позволяют тестировать влажность, дыхание человека, выявлять реакцию нервной системы на ряд внешних воздействий. Одновременный анализ ряда параметров человека в условиях длительного мониторинга может стать основой для разработки персонализированных систем для контроля здоровья человека». По словам Ирины Антоновой, это будут простые инструменты мониторинга самочувствия человека и его активности, которые смогут отправлять данные на телефон или компьютер, где будут проанализированы и станут основой для новых услуг по обучению людей вести здоровый образ жизни.

Наталия Лескова