Интерактивная мультимодальная гибридная конформная микросистема для оперативного трансдермального медико-биологического мониторинга и коррекции состояния организма

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 проекта 21-19-00719

НазваниеИнтерактивная мультимодальная гибридная конформная микросистема для оперативного трансдермального медико-биологического мониторинга и коррекции состояния организма

Руководитель Хмельницкий Иван Константинович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" , г Санкт-Петербург

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 слова гибридная 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

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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.26902/JSC_id83838

2. 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)
10.3390/polym13234137

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)
10.3390/coatings11121455

4. 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)
10.1109/EExPolytech53083.2021.9614697

5. 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)
10.17587/nmst.23.294-299

6. 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)

7. 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)
10.17587/nmst.23.306-312

8. 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)
10.17587/nmst.23.111-117

9. 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)
10.1109/ElConRus54750.2022.9755733

10. 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)
10.1109/ElConRus54750.2022.9755783

11. 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)
10.1109/ElConRus54750.2022.9755814

12. 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)
10.1109/ElConRus54750.2022.9755721

13. 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)
10.1109/EExPolytech56308.2022.9950884

14. 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)
10.1109/EExPolytech56308.2022.9950850

15. 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)

16. 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)
10.3390/magnetochemistry9010010

17. Гареев К.Г. Diversity of Iron Oxides: Mechanisms of Formation, Physical Properties and Applications Magnetochemistry, V. 9. I. 5. 119. (год публикации - 2023)
10.3390/magnetochemistry9050119

18. 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)
10.17587/nmst.25.124-141

19. 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)
10.1109/EExPolytech58658.2023.10318641

20. 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)
10.1109/EExPolytech58658.2023.10318661

21. 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)

Публикации