Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Целью проекта на 2021 год были создание общей концепции сенсорно-корректирующей микросистемы (СКМ), а также разработка и исследование функциональных характеристик прототипов основных модулей СКМ и их составных частей: мониторинга биометрических параметров, трансдермальной коррекции состояния организма, микрофлюидного и информационно-процессорного. Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие основные задачи: 1. Разработка технологии изготовления и создание прототипов корректирующего модуля на основе массивов микроигл (МИ). 2. Разработка конструкции, изготовление прототипов микрофлюидного модуля и его составных частей, а также исследование их функциональных характеристик. 3. Разработка конструкции, изготовление прототипов и испытание датчиков, входящих в модуль мониторинга биометрических параметров. 4. Разработка и изготовление лабораторных стендов для проведения испытаний корректирующего модуля, микрофлюидного модуля и модуля мониторинга биометрических параметров. 5. Разработка элементов конструкции информационно-процессорного и инфокоммуникационного модулей, включая технологию обеспечения электромагнитной защиты и концепцию обработки информации на основе мемристорных структур. Результаты, полученные по задаче 1 • В рамках работы были рассмотрены различные технологии получения МИ: струйная печать, 3D-печать (многоструйное моделирование) и литье под давлением. Методом струйной печати получены прототипы сплошных МИ высотой 300 мкм и диаметром 35 мкм. Также изготовлены прототипы полых МИ максимальной высотой 700 мкм, толщиной стенок ~65 мкм и диаметром 380 мкм. Прототипы МИ, изготовленные методом многоструйного моделирования (multi-jet modelling), имеют радиус кривизны при вершине ~50 мкм. • Лучшие геометрические характеристики прототипов МИ были получены при использовании метода литья под давлением. Технология включает в себя изготовление пресс-форм методом многоструйного моделирования. В качестве материала для изготовления МИ использовался оловянно-свинцовый сплав ПОС-61. При формировании канала МИ использован эмалированный медный провод диаметром 50 мкм. Длина МИ, получаемой при помощи разработанной технологической оснастки, составляет ~0,8 мм. Прецизионная обработка пресс-формы для изготовления МИ производилась при помощи микрорезца. Для изготовления МИ была разработана и собрана литьевая машина, обеспечивающая прецизионное программное управление скоростью перемещения поршня, температурой камеры прессования и пресс-формы, а также ее вакуумирование. • В ходе работы были применены различные способы изготовления массивов МИ. Выбор способа зависел от технологии получения отдельных МИ. Исследование проникающих свойств прототипов массивов сплошных МИ, полученных методом струйной печати, позволило установить усилие, при котором нарушалась целостность полимерной мембраны, равное 1,4 Н на одну МИ. Конструкция прототипа массива МИ, полученных методом литья под давлением, представляет собой круглую матрицу, содержащую МИ. Для крепления в матрице каждая МИ оснащена развитым основанием, обеспечивающим надежную фиксацию. МИ фиксируются в матрице при помощи УФ-отверждаемой смолы. Полученное значение усилия нарушения целостности полимерной пленки для изготовленного прототипа составило 0,8 Н на одну МИ. Результаты, полученные по задаче 2 • Разработана конструкция микрофлюидного насоса (МФН) основе ИПМК-актюатора. В качестве ИПМК-актюатора использована структура, состоящая из мембраны МФ-4СК и металлических электродов, нанесенных на поверхность мембраны химическим восстановлением из раствора соли. Для оптимизации конструкции МФН в инженерно-программном пакете COMSOL Multiphysics была разработана модель его функционирования. • С целью миниатюризации МФН была разработана конструкция бесклапанного насоса на основе пьезоэлектрического актюатора. Для решения задач смешивания двух жидкостей была разработана конструкция насоса, оснащенного двумя насосными камерами и, соответственно, двумя пьезоэлектрическими актюаторами. Такая конструкция позволяет, в том числе, проводить смешивание жидкостей в градиентном режиме. В основе пьезоэлектрического насоса использованы коммерческие пьезоэлектрические излучатели. • Разработаны и изготовлены микрофлюидные чипы четырех топологий: две топологии смесителей и две топологии разветвителей. Для создания системы микрофлюидных каналов на твердой подложке был использован метод их формирования в пленке полимерного фоторезиста методом фотолитографии. Были исследованы два материала: негативный фоторезист SU-8 и пленочный фоторезист Ordyl Alpha 350. Типоразмеры изготовленных микрофлюидных чипов (76×26 мм и 18×18 мм) позволяют устанавливать их в стенд для исследования характеристик микрофлюидных чипов или в пьезоэлектрический микрофлюидный модуль, соответственно. • Разработаны и изготовлены прототипы микрофлюидного модуля на основе ИПМК-актюатора и на основе пьезоэлектрического актюатора. Модули рассчитаны на установку изготовленного прототипа массива МИ и съемных емкостей для жидких веществ. Пьезоэлектрический микрофлюидный модуль также рассчитан на установку микрофлюидного чипа типоразмера 18×18 мм. Результаты, полученные по задаче 3 • Разработан и изготовлен прототип датчика пульса на основе ИПМК-сенсора. Корпус прототипа датчика пульса размерами 30×34×10 мм изготовлен из фотополимерной смолы методом 3D-печати. В основе работы датчика лежит метод пальпации, заключающийся в оказании давления на стенки артерии, которые при прохождении пульсовой волны расширяются. Подвергаясь механической деформации, ИПМК-сенсор, закрепленный при помощи ремешка на руке, генерирует разность потенциалов на электродах. Для усиления выходного сигнала был разработан и изготовлен усилитель сигнала с коэффициентом усиления, равным 500. Усиленный сигнал поступает на вход АЦП микроконтроллера, где происходит счет зафиксированных импульсов. Далее информация о частоте сердечных сокращений поступает на персональный компьютер через USB-коннектор и Wi-Fi канал связи на смартфон с установленным приложением для работы с датчиком пульса. Результаты, полученные по задаче 4 • Разработан и собран стенд для проведения испытаний корректирующего модуля. Стенд включает в себя массив МИ, зафиксированных в полимерной пленке, под которой расположен индикаторный слой, источник гидравлического давления, датчик давления, подсоединенный к испытательной системе, а также мерную емкость для контроля расхода раствора. • Для проведения испытаний микрофлюидных модулей разработан и собран стенд, который состоит из корпуса с пятью слотами, предназначенными для установки различных модулей. Стенд позволяет одновременно устанавливать три микрофлюидных чипа типоразмера 76×26 мм и два насоса (пьезоэлектрический и/или ИПМК) в специальных адаптерах. • Разработан и собран стенд для проведения испытаний модуля мониторинга биометрических параметров на основе датчика пульса. В состав стенда входят: датчик пульса на основе ИПМК-сенсора, усилитель, мультиметр, генератор сигналов, микроконтроллер и персональный компьютер. Результаты, полученные по задаче 5 • Разработана технология получения покрытия, защищающего модули микросистемы от воздействия электромагнитного излучения. Технология учитывает необходимость формирования на заданной поверхности структуры, состоящей из трех основных, последовательно нанесенных, конформных слоев: изолирующего, экранирующего и защитного. Изолирующий и защитный слой получали из поли-пара-ксилилена методов вакуум-пиролитической полимеризации, а экранирующий слой – из никеля методом магнетронного распыления на постоянном токе. Значение коэффициента экранирования электромагнитного излучения составило не менее 12 дБ в диапазоне частот 2…18 ГГц. • Исследована возможность использования экранирующих слоев на основе полимеров с собственной электрической проводимостью. Методом полимеризации in situ получены образцы пленок полианилина и композиции поли-3,4-этилендиокситиофена и полистиролсульфоната (ПЭДОТ:ПСС) на ионообменных мембранах МФ-4СК. Установлено, что образцы на основе ПЭДОТ:ПСС при толщине 140 мкм характеризуются значениями коэффициента поглощения от 25 до 95% в диапазоне частот 50…2000 МГц. • Разработана концепция обработки информации, поступающей с датчиков состояния организма. В качестве модели спайковой нейронной сети для аппаратной реализации на базе мемристивных синапсов была выбрана архитектура перцептрона со встроенными алгоритмами обучения без учителя. Определены основные параметры модели функционирования схемы обработки информации на основе мемристорных структур.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Целью проекта на 2022 год были разработка основных конструктивных элементов модулей сенсорно-корректирующей микросистемы (СКМ) для обеспечения их дальнейшей интеграции в составе прототипа единого устройства, исследование новых технологических подходов к созданию элементов СКМ, а также моделирование их характеристик. Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие основные задачи: 1. Оптимизация конструкции корректирующего и микрофлюидного модулей за счет использования новых подходов к получению массивов микроигл и микрофлюидных чипов, а также моделирование работы корректирующего модуля. 2. Разработка конструкции датчиков, входящих в состав модуля мониторинга биометрических параметров, а также конструкции модуля в целом; изготовление прототипа модуля мониторинга биометрических параметров. 3. Разработка конструкции и изготовление прототипов информационно-процессорного и инфокоммуникационного модулей, включая их испытание. 4. Исследование характеристик конформных покрытий, обеспечивающих электромагнитную защиту отдельных модулей СКМ, в том числе нанесенных непосредственно на изготовленные прототипы модулей СКМ. 5. Разработка конструкции прототипа модуля энергообеспечения, включая элементы рекуперации тепловой и механической энергии, а также гибкий печатный аккумулятор. Результаты, полученные по задаче 1 – Разработаны физические модели протекания жидкости различной вязкости через микрофлюидную систему СКМ, состоящую из микронасоса, подводящих каналов и каналов микроигл. Получены распределения полей различных параметров моделируемой микрофлюидной системы корректирующего модуля и его напорно-расходные характеристики. – Разработан и изготовлен прототип усовершенствованной установки для получения полых микроигл (МИ) методом литья под давлением. Конструкция установки обеспечивает возможность получения за один технологический цикл полимерных МИ с радиусом острия 20…30 мкм. В качестве материала для изготовления МИ может быть выбран, например, полилактид. – Исследована возможность использования металлических и магнитных наночастиц (НЧ) для локального изменения проницаемости кожных покровов за счет их инфракрасного разогрева. Введение золотых НЧ обеспечивает более интенсивный (по сравнению с другими использованными НЧ) разогрев при изменении температуры от начальной до близкой к температуре плавления среды, в которой они распределены. – Исследована возможность использования биодеградируемых и набухающих полимеров для изготовления массивов МИ методом микроформования (мягкой литографии). Для отливки мастер-формы из полидиметилсилоксана использовали мастер-модель, полученную по технологии многоструйного моделирования (MJM), и мастер-модель на основе коммерчески производимых изделий. – Методом мягкой литографии получены образцы микрофлюидных чипов на основе полидиметилсилоксана, включая гибкий микрофлюидный чип с интегрированным пьезоэлектрическим насосом. Результаты, полученные по задаче 2 – Разработана модель датчика пульса на основе ионных электроактивных полимерных сенсоров. С целью учета комплексного характера нестационарных процессов в рассматриваемом сенсоре, модель сенсора включает модифицированные уравнения Нернста-Планка, уравнение Пуассона и уравнения, связывающие механический изгиб консольной балки с градиентом гидравлического давления и градиентами концентраций молекул воды и ионов. – Разработаны конструкции и изготовлены прототипы фотоплетизмографического датчика пульса на основе чувствительного элемента с рабочей длиной волны 515 нм, датчика температуры на основе термистора из оксида никеля, датчика электропроводности кожи с многослойными электродами. – Разработана конструкция и изготовлен прототип модуля мониторинга биометрических параметров на основе гибкого сверхтонкого носителя с внешними датчиками температуры, пульса и электропроводности кожи, подключаемыми по проводным интерфейсам. Печатные проводники выполнены по технологии гибкой каплеструйной печати. Изоляция печатных проводников осуществляется нанесением пленки полиимида. Результаты, полученные по задаче 3 – Разработана конструкция, изготовлен и испытан прототип инфокоммуникационного модуля, включающая модуль беспроводного NFC-интерфейса и модуль беспроводного интерфейса, осуществляющего коммуникацию по стандартам Wi-Fi и Bluetooth, оснащенные кристаллами микросхемы, утоненными до 25 мкм и покрытыми планаризующей пленкой во избежание деформации кристалла от воздействия внутренних напряжений. – Разработана конструкция, изготовлен и испытан прототип информационно-процессорного модуля, включающего гибкую процессорную печатную плату и утоненный чип-микроконтроллер, четыре разъема для подключения внешних устройств программирования и питания, модуля памяти, модуля NFC-интерфейса, а также модуля расширения. – С использованием объектно-ориентированного языка Kotlin разработана физическая модель и проведено моделирование процессов обработки информации, поступающей с датчиков состояния организма, основанной на использовании мемристорных структур. Результаты, полученные по задаче 4 – Методом магнетронного распыления на постоянном токе и вакуум-пиролитической полимеризации получены образцы трехслойных конформных покрытий, состоящие из слоя никеля субмикронной толщины и двух слоев поли-пара-ксилилена толщиной 15 мкм. – Исследованы морфология поверхности и удельное поверхностное сопротивление тонких пленок никеля на кремниевых и стеклянных подложках. Построены корреляционные зависимости оптического пропускания, толщины и удельного поверхностного сопротивления. – Получены частотные зависимости экранирующих характеристик конформных покрытий (выраженные через коэффициент передачи S21). Установлено, что в диапазоне частот от 2 до 20 ГГц пленка никеля толщиной 130 нм обеспечивает экранирование на уровне не менее 20 дБ. – На основе NFC-меток и считывателя, работающих в диапазоне частот 860…960 МГц, разработана методика испытаний отдельных модулей СКМ на стойкость к воздействию электромагнитного излучения (ЭМИ). Получены диаграммы зависимости S21 и расстояния между меткой и считывателем, характеризующие взаимосвязь стойкости радиоэлектронного устройства к воздействию ЭМИ и возможность осуществления им своей рабочей функции. – Проведены испытания отдельных модулей СКМ на стойкость к воздействию ЭМИ. Имитация работы инфокоммуникационного модуля проводилась с использованием считывателя и радиочастотных меток одного и того же типа. Полученные результаты показывают, что применение тонких пленок Ni толщиной до 40 нм позволяет установить радиосвязь с инфокоммуникационным модулем СКМ, работающим при малой (≤ 100 мкВт) мощности, при этом снижая уровень помех, воздействующих на устройство. Результаты, полученные по задаче 5 – Разработана конструкция, изготовлен и испытан прототип гибкого печатного аккумулятора. Технологический подход основан на изготовлении сверхтонких гибких серебряно-цинковых аккумуляторов методом каплеструйного нанесения. Для реализации гибкого печатного аккумулятора была выбрана планарная конструкция. В качестве электролита использовался раствор гидроксида калия. В качестве подложки использовались пленки полиэтиленнафталата и полиимид. Экспериментально установлены факторы, влияющие на эффективность зарядо-разрядного цикла, включая скорость и режим разряда и выделение водорода в процессе растворения цинка. – Исследована технология создания биоинтегрируемых элементов рекуперации механической и тепловой энергии. Для рекуперации механической и тепловой энергии были применены генераторы на основе ионного электроактивного полимера (ионного полимер-металлического композита; полная амплитуда выходного напряжения трех последовательно соединенных образцов составила около 400 мВ) и термоэлектрогенератор (чернила на основе ПЭДОТ:ПСС и Ag; коэффициенты мощности составили 0,8…1,3 мкВт∙м^−1∙К^−2) соответственно.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Целью проекта на 2023 год были разработка и оптимизация модулей сенсорно-корректирующей микросистемы (СКМ), исследование новых технологических подходов к созданию элементов СКМ, моделирование их характеристик, а также интеграция основных модулей в составе прототипа единого устройства. Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие основные задачи: 1. Моделирование работы корректирующего модуля на основе полых микроигл (МИ) с учетом механического взаимодействия с кожным покровом и тканями организма, а также модификация технологии микроформования для изготовления массивов полых МИ. 2. Исследование массивов набухающих и биорастворимых МИ, изготовленных из различных полимерных материалов для извлечения аналитов из тканей и введения модельных веществ или наночастиц в ткани. 3. Разработка технологии получения, изготовление и исследование характеристик прототипа корректирующего модуля на основе массивов печатных микроантен. 4. Разработка, оптимизация, моделирование и изготовление модулей энергообеспечения и информационно-процессорного модуля. 5. Изготовление, сборка и испытание макетных образцов СКМ, включающих в себя основные разработанные модули, а также разработка рекомендаций по ее применению. Результаты, полученные по задаче 1 – Разработана модифицированная модель функционирования корректирующего модуля, состоящего из микронасоса, подводящих каналов и массива полых каналов МИ, с учетом гидродинамического сопротивления тканей организма. Получены распределения полей различных параметров моделируемой микрофлюидной системы корректирующего модуля и его напорно-расходные характеристики. – Проведено моделирование механических напряжений МИ (с различными параметрами геометрии, материала и воздействия) при контакте с кожным покровом, что позволило оценить величину деформации кожного покрова. – Для получения массивов полых МИ из фотополимерной смолы по технологии микроформования использовалась мастер-форма из полидиметилсилоксана, полученная на основе мастер-модели, изготовленной по технологии фотополимерной 3D-печати. Результаты, полученные по задаче 2 – Проведено исследование различных полимерных биорастворимых и набухающих материалов (желатина, гиалуроновой кислоты, поливинилпирролидона, изомальта) для создания массивов МИ методом микроформования (мягкой литографии). – Исследована кинетика растворения в биологических средах массивов МИ, полученных по технологии микроформования из смеси желатина, гиалуроновой кислоты и поливинилпирролидона при различных их соотношениях. – Показана возможность извлечения аналитов из тканей с помощью массивов набухающих МИ на основе смеси желатина и поливинилпирролидона с последующим количественным спектрофотометрическим анализом. – Получены образцы массивов полимерных МИ на основе смеси желатина и поливинилпирролидона с импрегнированными наночастицами золота и красителем. – На основе массивов МИ из смеси с импрегнированными наночастицами золота или красителем была исследована кинетика высвобождения препаратов из МИ в физиологических средах. Результаты, полученные по задаче 3 – Разработаны различные технологические подходы к изготовлению корректирующего модуля на основе массивов микроантен на основе МИ с металлическим покрытием и металлических стержней. – Изготовлены прототипы корректирующего модуля на основе массивов металлических стержней и массивов печатных микроантен, проведено сравнительное исследование их характеристик. Результаты, полученные по задаче 4 – Предложена одномерная модель гибкого серебряно-цинкового аккумулятора и проведено численное моделирование его основных параметров методом конечных элементов в программном пакете COMSOL Multiphysics. – Разработана копланарная конструкция модуля энергообеспечения, основным компонентом которого является гибкий серебряно-цинковый печатный аккумулятор, предусмотрено подключение модулей рекуперации механической и тепловой энергии на основе ионного полимер-металлического композита и термоэлектрогенератора, а также модуля беспроводной зарядки. – Изготовлен прототип модуля энергообеспечения на основе гибкого серебряно-цинкового аккумулятора, полученного по технологии каплеструйного нанесения на гибкой подложке. Проведена оценка его электрических параметров. – Исследовано влияние температуры на экранирующие характеристики конформных покрытий на основе тонких пленок никеля. – Изготовлен прототип информационно-процессорного модуля на основе микроконтроллера в бескорпусном исполнении с SMD-конденсаторами обвязки с использованием гибридной технологии с конформным покрытием, обеспечивающим электромагнитную защиту и полученным путем последовательного нанесения изолирующего, экранирующего и защитного слоев. Результаты, полученные по задаче 5 – Разработан и собран макетный образец СКМ, включающий в себя: информационно-процессорный модуль с конформным покрытием; модуль энергообеспечения на основе аккумулятора; массив с биорастворимыми МИ для введения лекарственных средств; датчик импеданса на основе массивов микроантен; датчик пульса с чувствительным элементом на основе ионного полимер-металлического композита. – Разработана конструкторская документация на макетный образец СКМ. – Проведены исследования макетного образца СКМ, в частности работоспособности датчиков пульса и импеданса, на моделях тканей и высвобождения модельного препарата из массива биорастворимых МИ. – Проанализирован процесс оптимизации модулей СКМ с целью улучшения их характеристик и/или снижения массогабаритных показателей: массивов полых МИ, массивов микроантен, конструкции датчиков пульса и электропроводности, микрофлюидного насоса и толщины конформного защитного покрытия. – Выработаны общие рекомендации по компоновке разработанной модульной СКМ в зависимости от конкретных решаемых задач при использовании ее в условиях стационара, амбулаторном и «профилактическом» режиме.