КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 21-19-00719
НазваниеИнтерактивная мультимодальная гибридная конформная микросистема для оперативного трансдермального медико-биологического мониторинга и коррекции состояния организма
РуководительХмельницкий Иван Константинович, Кандидат химических наук
Прежний руководитель Лучинин Виктор Викторович, дата замены: 07.07.2023
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)", г Санкт-Петербург
Период выполнения при поддержке РНФ | 2021 г. - 2023 г. |
Конкурс№55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-704 - Микро- и наноэлектромеханические устройства
Ключевые словагибридная микросистема; гибкая печатная электроника; трансдермальная медико-биологическая коррекция; мультимодальность; биосовместимость; эпидермальный мониторинг; информационная безопасность; кибербезопасность; электромагнитная безопасность; автономность; конформность; интерактивность; "Интернет людей"
Код ГРНТИ76.13.25
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Разработка и использование трансдермальных систем (ТС) в клинической практике в последние несколько лет относится к наиболее динамично развивающимся областям медицинской техники. Классические ТС, основанные на пассивной доставке лекарства через кожу, предложены более 50 лет назад и на сегодняшний день нашли свое применение при введении анальгетиков, эндокринологических, урологических, психотропных и иных лекарственных средств. Основными преимуществами пассивных ТС являются их технологичность и дешевизна, а также возможность реализации в виде пластыря, удобного при постоянном ношении. При этом высвобождение лекарства в таких ТС обеспечивается, чаще всего, посредством полимерной мембраны, проницаемость которой не может быть оперативно изменена в процессе эксплуатации ТС. Решение указанной проблемы может достигаться использованием активных ТС, принцип действия которых основан на управляемом изменении проницаемости кожных покровов за счет механической перфорации (с применением микроигл), подачи электрического потенциала (ионофорез) или разогрева (абляция). К настоящему моменту предложено большое количество конструктивно-технологических решений активных ТС, в том числе оснащенных датчиками состояния организма, которые способны варьировать скорость высвобождения лекарства в зависимости от сигнала с сенсоров. В то же время, такие активные ТС представляют собой достаточно габаритные устройства (размеры изготовленных устройств по трем измерениям имеют величины в несколько сантиметров), что не позволяет обеспечить удобство постоянного комфортного использования. Наряду с этим возникает комплекс вопросов по обеспечению возможности дистанционного интерактивного контроля процессов, в том числе в условиях воздействия внешних неблагоприятных факторов окружающей среды и обеспечения кибербезопасности системы в целом.
В рамках настоящего проекта впервые предлагается комплексный подход к решению обозначенной задачи в виде разработки носимой гибридной конформной мультимодальной сенсорно-корректирующей микросистемы (СКМ) нового поколения, в основу конструкторско-технологической разработки которой положены технологии гибкой печатной электроники, что обеспечивает наряду с интеллектуализацией и кибербезопасностью инфокоммуникационной среды минимизацию массогабаритных показателей и, как следствие, удобство и комфортность эксплуатации, а также, безусловно, возможность тиражирования наукоемкого изделия персонализированной медицины, экономически доступного для отрасли здравоохранения.
Интерактивность системы обеспечивается наличием собственной процессорной среды с элементами персонализации к пациенту и самообучения и удаленным доступом к мониторингу и коррекции посредством киберзащищенного инфокоммуникационного канала.
Мультимодальность обеспечивается системным использованием набора сенсоров в интеграции с модулями лекарственной и электромагнитной трансдермальной медико-биологической коррекции состояния организма посредством гибридного массива в виде полых микроигл, соединенных с микрофлюидной подсистемой СКМ, и печатных микроантенн.
В зависимости от решаемой задачи, СКМ может быть выполнена в виде конформного сверхтонкого браслета (см. рисунок 1 Приложения) или пластыря (см. рисунок 2 Приложения) с фиксацией на запястье или в области предплечья, а также реализована в виде распределенной на теле человека сетевой системы с интеграцией модулей через беспроводной инфокоммуникационный канал.
Применение технологий гибкой печатной электроники обеспечивает создание сверхтонкой конформной медико-биологической системы в рамках интегрально-группового производства, определяя снижение ее стоимости и, как следствие, обеспечение доступности.
СКМ будет состоять из следующих основных функциональных модулей (см. рисунки 1 и 2 Приложения):
- модуль мониторинга биометрических параметров на основе сенсоров температуры тела, пульса и электропроводности кожи;
- корректирующий модуль на основе массивов полых микроигл (фармакологическая коррекция) и проводящих микроантенн для электромагнитной стимуляции (нефармакологическая коррекция);
- микрофлюидный "лекарственный" модуль, интегрирующий помпу - микрофлюидный насос на основе микропьезопривода или актюатора нового поколения на основе электроактивных полимеров, а также систему резервуаров и каналов с препаратами и возможностью их смешивания;
- информационно-процессорный модуль - микросистема для обработки, хранения информации и принятия решения, включающая гибкую процессорную печатную плату, реализуемую в двух возможных вариантах: с использованием традиционного утоненного чипа-микроконтроллера или чипа нейроморфной логики на основе мемристорных структур, обладающего функцией адаптивного обучения и повышенной киберзащищенностью;
- инфокоммуникационный модуль стандартов Wi-Fi, Bluetooth, NFC на основе RFID-систем на гибких носителях для обеспечения интерактивности системы, включая функцию определения ее позиционирования;
- модуль энергообеспечения, включающий традиционный гибкий аккумулятор или биоинтегрируемые элементы рекуперации тепловой и механической энергии, а также гибкую систему беспроводного заряда аккумулятора от современных портативных инфокоммуникационных устройств.
Обеспечение электромагнитной совместимости основных модулей и информационной безопасности СКМ в целом реализуется с использованием технологий нанесения сверхтонкого конформного микронанослоевого композиционного экранирующего покрытия.
Реализация проекта после проведения доклинических и клинических исследований позволит использовать разработанную СКМ как носимую персонализированную систему медико-биологической коррекции в гражданской медицине, медицине катастроф и военной медицине для осуществления мониторинга, профилактики и антистрессовых процедур. Внедрение разработки в клиническую практику обеспечит переход к персонализированной медицине и высокотехнологичному здравоохранению (развитие технологии «Интернет людей») за счет мониторинга и оперативного рационального применения лекарственных препаратов. Благодаря интерактивности системы могут быть обеспечены удаленный доступ к пациенту с дистанционным мониторингом его основных биометрических показателей и оперативная доступность фармакологической и нефармакологической коррекции состояния организма. Отсутствие болезненных ощущений, конформность медико-биологической системы, возможность прецизионного изменения режимов введения лекарственных средств (скорость введения, последовательное введение нескольких препаратов и др.) отражают современные тенденции создания устройств наукоемкой персонализированной медицины для гражданского и специального применения.
Формирование облика разработки и его функциональных параметров осуществлялось совместно с институтами Федерального медико-биологического агентства: Институтом токсикологии и НИИ Гигиены, профпатологии и экологии человека.
Ожидаемые результаты
1. Лабораторные стенды для проведения испытаний корректирующего, микрофлюидного "лекарственного" модулей и модуля мониторинга биометрических параметров.
2. Макетные образцы гибридной конформной микросистемы для трансдермального медико-биологических мониторинга и коррекции.
3. Комплект конструкторской документации на разработанные макеты СКМ.
4. Физические модели и результаты моделирования функционирования отдельных модулей разработанной СКМ.
5. Экспериментальные данные по исследованию функциональных характеристик отдельных модулей разработанной СКМ.
6. Экспериментальные данные по испытаниям модуля мониторинга биометрических параметров, информационно-процессорного и инфокоммуникационного модулей, защищенных электромагнитным экраном на основе конформного покрытия, на стойкость к воздействию ЭМИ.
7. Экспериментальные данные испытаний макетных образцов разработанной СКМ на живых организмах.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
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.
Публикации
1. Лучинин В. В., Хмельницкий И. К., Гареев К. Г., Андреева Н. В., Бохов О. С., Тестов О. А., Айвазян В. М., Орехов Ю. Д., Мандрик И. В., Карелин А. М., Тестов Д. О., Парфенович С. Е. Облик и основные функциональные элементы интерактивной мультимодальной гибридной конформной микросистемы для оперативного трансдермального медико-биологического мониторинга и коррекции состояния организма Нано и микросистемная техника, Т. 23. №. 6. С. 294–299. (год публикации - 2021) https://doi.org/10.17587/nmst.23.294-299
2. Тестов О. А., Гареев К. Г., Лучинин В. В., Комлев А. Е., Тестов Д. О., Тестов И. О., Хмельницкий И. К. Конформная интегрируемая микро- и нанокомпозиционная пассивная электромагнитная защита объектов биотехносферы Нано- и микросистемная техника, - (год публикации - 2022)
3. Тестов О.А., Комлев А.Е., Гареев К.Г., Хмельницкий И.К., Лучинин В.В., Севостьянов Е.Н., Тестов И.О. Providing a Specified Level of Electromagnetic Shielding with Nickel Thin Films Formed by DC Magnetron Sputtering Coatings, Т. 11, 1455. (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/coatings11121455
4. Хмельницкий И.К., Айвазян В.М., Алексеев Н.И., Лучинин В.В., Тестов Д.О., Багрец В.С., Максимова А.А. Влияние природы электролита на характеристики ионных ЭАП-сенсоров с металлическими и полимерными электродами (Influence of the electrolyte nature on the characteristics of ionic EAP sensors with metal and polymer electrodes ) Журнал структурной химии (Journal of Structural Chemistry), Т. 62. №. 12. С. 1942–1952. (год публикации - 2021) https://doi.org/10.26902/JSC_id83838
5. Алексеев Н.И., Хмельницкий И.К., Айвазян В.М., Бройко А.П., Корляков А.В., Лучинин В.В. Ionic EAP Actuators with Electrodes Based on Carbon Nanomaterials Polymers, Т. 13. 4137. (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/polym13234137
6. Острецов К.И., Орехов Ю.Д., Хмельницкий И.К., Айвазян В.М., Тестов О.А., Гареев К.Г., Тестов Д.О., Карелин А.М., Багрец В.С. Heart rate monitor based on IPMC sensor IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics 2019 (EExPolytech), P. 139–142 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1109/EExPolytech53083.2021.9614697
7. - Что за «умный» пластырь разработали в Петербурге? Еженедельник "Аргументы и Факты", № 47 (1456). 24/11/2021. Полоса 17. (год публикации - )
8. - В ЛЭТИ разработали пластырь, который помогает врачам дистанционно следить за здоровьем пациента Телеканал «Санкт-Петербург», - (год публикации - )
9. - https://etu.ru/ru/nauchnaya-i-innovacionnaya-deyatelnost/novosti1/uchenye-leti-razrabotali-umnyj-plastyr-dlya-vvedeniya-lekarstvennyh-sredstv Сайт СПбГЭТУ "ЛЭТИ", - (год публикации - )
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.
Публикации
1. Бохов О. С., Лучинин В. В., Афанасьев П. В., Старцев В. А., Мандрик И. В. Формирование многослойных гибких коммутационных плат по аддитивной технологии каплеструйной печати Нано и микросистемная техника, Т. 24. № 3. С. 111–117. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.17587/nmst.23.111-117
2. Лучинин В.В., Тестов О.А., Гареев К.Г., Тестов Д.О., Тестов И.О., Хмельницкий И.К, Гибридные пассивно-активные миниатюрные системы электромагнитной защиты Электроника: Наука, Технология, Бизнес, № 10 (00221) С.100-110 (год публикации - 2022)
3. Мандрик И.В., Старцев В.А., Бохов О.С., Пудова А.В., Лучинин В.В. Каплеструйная печатная технология сверхтонких гибких серебряно-цинковых аккумуляторов Нано и микросистемная техника, Т. 23. № 6. С. 306–311. (год публикации - 2021) https://doi.org/10.17587/nmst.23.306-312
4. Адамович Д.С., Айвазян В.М., Хмельницкий И.К., Багрец В.С., Парфенович С.Е. Hybrid PEDOT/Pt electrodes for ionic EAP actuators Proceedings of the 2022 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (2022 ElConRus), P. 1002–1005 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1109/ElConRus54750.2022.9755721
5. Карелин А.М., Орехов Ю.Д., Лучинин В.В., Гареев К.Г., Хмельницкий И.К., Тестов Д.О. Development of a modular reconfigurable mold for prototyping hollow microneedles Proceedings of the 2022 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (2022 ElConRus), P. 1531–1533 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1109/ElConRus54750.2022.9755733
6. Парфенович С.Е., Хмельницкий И.К., Айвазян В.М., Гареев К.Г., Карелин А.М., Орехов Ю.Д., Тестов Д.О., Тестов О.А. Micropump Based on IPMC Actuator: Design, Simulation and Study 2022 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), P. 227–230 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1109/EExPolytech56308.2022.9950884
7. Тестов Д.О., Гареев К.Г., Хмельницкий И.К., Костеров А., Мараева Е.В., Климцова И.В. Synthesis of high-coercive epsilon-iron oxide nanoparticles for biomedical applications Proceedings of the 2022 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (2022 ElConRus), P. 1620–1623 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1109/ElConRus54750.2022.9755783
8. Тестов И.О., Максимова А.А., Гареев К.Г., Хмельницкий И.К., Тестов Д.О. Development of composites based on conductive polymers and MF-4SK and research of their electrodynamic properties Proceedings of the 2022 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (2022 ElConRus), P. 1090–1092 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1109/ElConRus54750.2022.9755814
9. Тестов И.О.,Тестов Д.О., Гареев К.Г., Карелин А.М., Хмельницкий И.К., Лучинин В.В, Electromagnetic Shielding of Radio Electronic Devices 2022 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), P. 218–220 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1109/EExPolytech56308.2022.9950850
10. Хмельницкий И.К., Лучинин В.В. Интерактивные мультимодальные конформные микросистемы для оперативного эпидермального и трансэпидермального медико-биологического мониторинга состояния должностных лиц таможенных органов и лиц, пересекающих таможенную границу Сборник докладов Всероссийской практической конференции «Интеллектуальный пункт пропуска в России и мире: компетентностный подход к созданию», С. 30–33 (год публикации - 2022)
11. - Замена антибиотикам и умный пластырь Телеканал "Россия 24", Телепрограмма "Наука" (год публикации - )
12. - "Умный" пластырь снимет показатели и проконтролирует подачу лекарств Телеканал "Россия", Утро России (год публикации - )
13. - Ученые ЛЭТИ разработали «умный пластырь» для малоинвазивного введения лекарственных средств Информационный портал «Научная Россия», - (год публикации - )
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.
Публикации
1. Тестов Д.О., Гареев К.Г., Хмельницкий И.К., Костеров А., Суровицкий Л., Лучинин В.В. Influence of the Preparation Technique on the Magnetic Characteristics of ε-Fe2O3-Based Composites Magnetochemistry, V. 9. I. 1. 10. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/magnetochemistry9010010
2. Гареев К.Г. Diversity of Iron Oxides: Mechanisms of Formation, Physical Properties and Applications Magnetochemistry, V. 9. I. 5. 119. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/magnetochemistry9050119
3. Тестов О. А., Айвазян В. М., Хмельницкий И. К., Лучинин В. В., Гареев К. Г., Карелин А. М., Парфенович С. Е., Тестов Д. О., Холодкова Е. Е. Микроиглы – гетерогенные интеллектуальные микросистемы для трансдермального мониторинга и коррекции состояния организма Нано- и микросистемная техника, Т. 25. № 3. С. 124–141. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.17587/nmst.25.124-141
4. Парфенович С.Е., Хмельницкий И.К., Ластун В.В., Гареев К.Г., Тестов Д.О., Тестов О.А. Hydrogel-Forming Microneedles for Extracting Analytes from Biological Fluids 2023 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), P. 275–278 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/EExPolytech58658.2023.10318661
5. Тестов И.О., Корляков А.В., Тестов О.А., Хмельницкий И.К., Чкалов В.А. Investigation of the strength of a multilayer electromagnetic shield to the effects of temperature 2023 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), P. 255–257 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/EExPolytech58658.2023.10318641
6. - Исследователи ЛЭТИ разработали «умный пластырь» для введения в организм лекарств от диабета Сайт СПбГЭТУ "ЛЭТИ", - (год публикации - )
7. - RT на русском Сетевое издание rt.com, - (год публикации - )
8. - В ЛЭТИ повысили эффективность синтеза магнитных наночастиц для адресной доставки лекарств в организм Сайт СПбГЭТУ "ЛЭТИ", - (год публикации - )
Возможность практического использования результатов
Результаты, полученные при проведении исследований, могут быть использованы: при производстве новой продукции, к которой можно отнести изделия персонализированной медицины, обеспечивающие периодический мониторинг и коррекцию состояния организма, или при получении данных о наличии показаний к применению (в том числе с учетом использования в составе аптечек, применяемых в медицине катастроф). Кроме того, результаты работы могут быть использованы в качестве научного задела при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в таких областях, как микрофлюидика, электромагнитная совместимость, экранирование, печатная электроника, а также в качестве технологического задела при производстве массивов микроигл, защитных покрытий, биомедицинских датчиков.