Неинвазивный сенсор с отличным откликом сигнала – разработка ученых Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН). Подобные устройства пытаются создать во многих лабораториях уже три десятилетия. Но до рынка в виде приборов, способных замерять показатели сахара в крови без прокола кожи, косвенными методами, например, оптическими, или по давлению крови и по сопротивлению кожи импульсам тока, дошли лишь несколько моделей (все зарубежного производства).
У них относительно низкая точность и высокая цена, поэтому большого признания у потребителей они не получили.
Несмотря на это, аналитики называют рынок неинвазивных глюкометров «золотой жилой» и неизменно прогнозируют его рост – не менее, чем на 10 процентов ежегодно. Подобные авансы обусловлены тем, что в мире неуклонно растет количество больных сахарным диабетом: по данным ВОЗ, в 2021 году 529 млн человек в мире имели такой диагноз, а к 2050 году число таких пациентов возрастет до почти полутора миллиардов.
В России, по данным Минздрава РФ на начало 2024 года, это заболевание диагностировано почти у 5 млн человек, и примерно столько же не знают о том, что страдают этим недугом.
На «бескровные» приборы возлагают большие надежды: считается, что они обеспечат непрерывное отслеживание изменений в показателях, что позволит более эффективно контролировать течение сахарного диабета, а также будут более комфортны для пациентов.
В ИФП СО РАН выбрали один из мейнстримовых путей при создании такого устройства – определение уровня глюкозы в поту, который, как доказано, коррелирует с её уровнем в крови. Но впервые в качестве основной чувствительной матрицы использован графен.
Это позволило добиться большого преимущества в качестве измерений. Ранее в похожих разработках в России и за рубежом использовались иные компоненты, графен в них лишь усиливал сигнал.
Тонко чувствующий слой
«Во многих сенсорах, которые сейчас находятся в разработке, чувствительный элемент создается, как правило, из многослойной структуры, довольно толстого “пирожка”. В таком случае, чтобы обеспечить высокий уровень сигнала, требуется обильное потоотделение и нужен дополнительный подогрев кожи. Мы выбрали другой путь — сделали очень тонкий слой с определенной структурой, которая обеспечивает селективность, и получили высокую чувствительность сенсора», — комментирует руководитель научной группы, ведущий научный сотрудник лаборатории физики и технологии трехмерных наноструктур ИФП СО РАН Ирина Антонова.
В самом начале авторы также полагали, что увеличение толщины печатного слоя приведёт к увеличению сигнала, что обеспечит более воспроизводимые результаты. Они пробовали делать более толстые слои, но добиться значительного изменения их проводимости даже при намокании сенсора было очень сложно — изменение сигнала при изменении сахара было относительно низкое, около 30 процентов. Хотя у аналогичных продуктов в мире отклик примерно такой.
«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», — рассказывает один из создателей устройства, сотрудник лаборатории нанотехнологий и наноматериалов ИФП СО РАН Артём Иванов.
В итоге чувствительный элемент сенсора состоит из нескольких нанометровых слоев графена и проводящего полимера. Он печатается на обычной офисной бумаге, его площадь — несколько квадратных миллиметров. При нанесении такого композита на основу в ее слое формируются вертикально расположенные частицы графена, которые выступают как катализаторы окисления глюкозы, а уровень сигнала сенсора показывает количество продуктов окисления.
Отклик в таком сенсоре составляет 3-5 порядков. То есть сигнал при изменении сахара может быть в 1000-100 000 раз больше, в сравнении с колебаниями концентрации глюкозы. Измерения отклика проводились на пикоамперметре после длительного ношения устройства.
Сам сенсор резистивного типа: его электрическое сопротивление меняется при попадании молекул глюкозы на чувствительный элемент. Степень чувствительности в данном случае является очень важным параметром: от нее зависит абсолютная величина и скорость появления сигнала, а также диапазон изменений сигнала — чем он больше, тем меньшие колебания глюкозы можно измерить.
По словам Артема Иванова, благодаря недорогой технологии изготовления и дешевым подложкам стоимость одного сенсора получилась «копеечной, в пределах одного рубля». Передающее устройство — модуль считывания, судя по стоимости компонентов прототипа, обойдется не дороже 1500-2000 рублей. Конечная цена прибора, которое, можно будет носить на запястье как браслет, будет зависеть от производственной линейки предприятий-изготовителей, стоимости работ по сборке, а также других расходов при выведении любого продукта на рынок. Тем не менее разработчики не сомневаются, что преимуществом первого графенового глюкометра, помимо чувствительности, будет дешевизна устройства, а также сохранение его работоспособности более двух лет и возможность его многократного использования.
Нужны деньги на дорогу от института до завода
Сейчас ученые заняты поисками инвестиций для доведения образца до коммерческого продукта, который, по их оценкам, пока еще весьма далек от рынка. Требуется разработать небольшой модуль для быстрого считывания (за доли секунды) преобразования, усиления сигнала и передачи данных на телефон через Bluetooth-канал. Кроме того, будет собираться статистика изменения сигнала в зависимости от индивидуальных особенностей человека. Например, при быстром считывании сигнала можно определить время между приемом пищи, повышением уровня глюкозы в крови и изменением содержания глюкозы в поту. Также изучается отклик сенсора на небольшие физические нагрузки.
Ирина Антонова подчеркивает, что на этой промежуточной стадии перехода разработки в коммерческий продукт в России практически нет программ поддержки исследований.
Напомним, ранее у нас в стране было анонсировано несколько разработок неинвазивных глюкометров: от Центра компетенций Национальной технологической инициативы «Сенсорика» на базе НИУ «МИЭТ»; от Института общественного здоровья им. Ф.Ф. Эрисмана совместно с Первым МГМУ им. И. М. Сеченова, Физтехом и Институтом физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна РАН; и от «Росэлектроники» и 3-го Центрального военного клинического госпиталя им. Вишневского. Эти разработки пока тоже не конвертировались в рыночные продукты.
Самым первым, еще в 2008 году, на этом поле «выстрелил» Институт сильноточной электроники СО РАН, представивший опытный образец устройства, выпуск которого в 2011 году должна была наладить компания «Медицинская электроника», но по неизвестным причинам продукт до сих пор не сертифицирован и не запущен в производство. Наиболее близок к рынку оптический глюкометр компании из Санкт-Петербурга «Брэйн-бит», на него уже принимаются предзаказы, однако на сайте разработчика сказано, что в открытой продаже прибора пока нет; нет информации и о сроках его появления, и предполагаемой стоимости.
