Носимые сенсорные устройства на основе гибких подложек для детекции метаболитов и маркеров социально значимых заболеваний в биологических жидкостях

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 22-79-10270

НазваниеНосимые сенсорные устройства на основе гибких подложек для детекции метаболитов и маркеров социально значимых заболеваний в биологических жидкостях

Руководитель Прихожденко Екатерина Сергеевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" , Саратовская обл

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-609 - Автоматизированные комплексы для биологии и медицины

Ключевые слова биосенсор, нетканые материалы, гибкие материалы для электроники, комбинационное рассеяние, гигантское комбинационное рассеяние, электроимпедансная спектроскопия, электрохимические сенсоры, биологические жидкости

Код ГРНТИ29.31.26, 29.31.47, 34.57.25

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение проблемы неинвазивного мониторинга уровня таких маркеров и метаболитов, как, например, глюкоза и/или лактат. Разработка компактного носимого устройства, позволяющего мониторить уровень глюкозы неинвазивно, является важной задачей на пути к высокотехнологическому здравоохранению и персонализованной медицине. Мониторинг биомаркеров и метаболитов в настоящее время не является полностью решённой инженерной задачей. Существующие инженерные решения либо основаны на непосредственном контакте сенсора с кровью (электрохимические датчики), либо страдают от того, что либо подложка слишком жесткая и твердая, что препятствует комфортному размещению датчика на коже, либо подложка обладает малым сроком службы при естественных условиях эксплуатации (постоянной деформации). Системы, основанные на оптических технологиях, также пока не достигли уровня компактности считывающего показания сенсора устройства. В данном проекте предлагается разработка чувствительного сенсора для детектирования уровня глюкозы и/или лактата на поверхности кожи в биологических жидкостях, таких как пот и/или слёзы, а также прототипа носимого устройства для регистрации сигнала. В качестве основы сенсора предлагается использовать нетканые материалы хитозана и/или поликапролактона, поскольку такие материалы обладают биосовместимостью, а также позволяют проводить функционализацию.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Рябов Е.А., Браташов Д.Н., Прихожденко Е.С. Моделирование спектров экстинкции наночастиц серебра в коллоидных растворах и гибких подложках Оптика и спектроскопия, Volume 132, Issue 3, Pages 230–237 (год публикации - 2024)
10.61011/OS.2024.03.58142.28-24

2. Майорова О.А., Савельева М.С., Браташов Д.Н., Прихожденко Е.С. Combination of Machine Learning and Raman Spectroscopy for Determination of the Complex of Whey Protein Isolate with Hyaluronic Acid Polymers, Том 16, номер 5, номер статьи 666 (год публикации - 2024)
10.3390/polym16050666

3. Бакал В.А., Гуслякова О.И., Прихожденко Е.С. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ГЛЮКОЗЫ С ПОМОЩЬЮ ГКР-ПОДЛОЖЕК И МАШИННОГО ОБУЧЕНИЯ Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика (год публикации - 2024)

4. Майорова О.А., Савельева М.С., Свенская Ю.И., Браташов Д.Н., Прихожденко Е.С. Machine learning techniques in the analysis of Raman data Abstracts of the 31st International Conference on Advanced Laser Technologies, Abstracts of the 31th International Conference on Advanced Laser Technologies – 2024, С. 172 (год публикации - 2024)
10.24412/cl-35039-2024-24-172-172

5. Махортов М.А., Карташова А.М., Демина П.А., Кожевников И.О., Прихожденко Е.С., Браташов Д.Н. Development of Optical Modules to Existing Laboratory Devices for Biomarker Detection In Vivo 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), Saint Petersburg, 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), Saint Petersburg, Russian Federation, 2024, pp. 525-525, doi: 10.1109/ICLO59702.2024.10624346. (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624346

6. Бакал В. А., Карташова А.М., Демина П.А., Кожевников И.О., Прихожденко Е.С. Surface-Enhanced Raman Scattering of Electrospun Nonwoven Fibers: Synthesis of Silver Nanoparticles and Their Effect on the Properties of SERS Materials 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), Saint Petersburg, 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), Saint Petersburg, Russian Federation, 2024, pp. 572-572, doi: 10.1109/ICLO59702.2024.10624401 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624401

7. КОЖЕВНИКОВ И.О., СЕРДОБИНЦЕВ А.А., ПРИХОЖДЕНКО Е.С. IMPROVING THE QUALITY OF LASER ABLATION OF COPPER THIN-FILM COATING OF FLEXIBLE POLYIMIDE SUBSTRATES XI Международная конференция «Лазерные, плазменные исследования и технологии – ЛаПлаз-2025»: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, XI Международная конференция «Лазерные, плазменные исследования и технологии – ЛаПлаз-2025»: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2025. - С. 81 (год публикации - 2025)

8. Шевцова С. А., Савельева М. С., Майорова О. А., Прихожденко Е. С. ИССЛЕДОВАНИЕ МАЛЫХ ПРИМЕСЕЙ В СМЕСЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПЕКТРОСКОПИИ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ И АДАПТИВНОГО БУСТИНГА Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика (год публикации - 2025)

9. Прихожденко Е.С. РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ НЕТКАНЫХ ПОДЛОЖЕК ПОЛИАМИДА-6 ДЛЯ ГИГАНТСКОГО КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика (год публикации - 2025)

10. Сердобинцев А. А., Кожевников И. О., Рябов Е. А., Гуслякова О. И., Прихожденко Е. С. РАЗРАБОТКА ПРОТОТИПА ГИБКОЙ АНТЕННЫ С ПАССИВИРУЮЩИМ СЛОЕМ ДЛЯ ЭЛЕКТРОИМПЕДАНСНЫХ СЕНСОРОВ Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика (год публикации - 2025)

11. Гуслякова О., Бакал В., Цветинович Ю., Прихожденко Е. SERS substrates for glucose determination: a study on the use of polymer substrate functionalized with metal nanoparticles Abstracts of the 31st International Conference on Advanced Laser Technologies, Abstracts of the 31th International Conference on Advanced Laser Technologies – 2024, С. 160 (год публикации - 2024)
10.24412/cl-35039-2024-24-160-160

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе проведенных исследований была выполнена комплексная оптимизация технологии изготовления гибких антенных структур для неинвазивного мониторинга глюкозы. Экспериментально доказано, что использование никелевого пассивирующего слоя (Cr/Cu/Ni) обеспечивает наилучшее качество лазерной деметаллизации медного покрытия на полиимидных подложках, что подтверждено измерениями СЭМ и EDX-анализом. Это связано с более низким коэффициентом отражения Ni (86%) по сравнению с чистой медью (99%) на рабочей длине волны 1064 нм. Разработаны антенные конструкции различных геометрических параметров (a=10-30 мм, d=1-3 мм) с использованием разъемов SMA и U.FL, где последний позволил уменьшить габариты на 15%. Также изучено влияние геометрии антенн на резонансные характеристики, где достигнут максимальный частотный сдвиг 0.145 ГГц. Созданы высокоэффективные подложки для гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) на основе полиакрилонитрила (ПАН) с наночастицами серебра, полученными методами "серебряного зеркала" и боргидридным восстановлением. Оптимальная конфигурация 2m1M продемонстрировала коэффициент усиления до 1.8x10^5. Применение алгоритмов машинного обучения (градиентный бустинг, случайный лес) позволило достичь точности предсказания концентрации глюкозы с R2=0.906. Разработан протокол регенерации сенсоров с использованием 4% H2O2, обеспечивающий возможность многократного использования созданных подложек без потери чувствительности. Исследованы альтернативные платформы для детекции, включая сорбенты: диатомовые панцири, микрочастицы ватерита; сорбаты: золотыми наностержнями, покрытые 4-МРВА; и PDMS-подложки с упорядоченными массивами конических лунок (диаметр 40 мкм). Было проведено подтверждение концепта на образцах пота исполнителей проекта (при концентрации глюкозы в крови 5-7 мМ) при использовании подложек "серебряного зеркала" и портативного спектрометра КР. Полученные результаты открывают новые возможности для создания компактных носимых систем мониторинга биомаркеров.

Публикации

Возможность практического использования результатов
В ходе выполнения проекта были разработаны гибкие сенсорные подложки для неинвазивного детектирования глюкозы (являющейся маркером сахарного диабета, социально-значимого заболевания). Полученные подложки продемонстрировали чувствительность к низким концентрациям глюкозы, что открывает возможность мониторинга уровня глюкозы в поту или секрете слезных желез (без забора образцов крови или проколов при введении датчика в интерстиций). Разработанные сенсоры могут быть интегрированы в системы самоконтроля уровня глюкозы в крови и составить конкуренцию глюкометрам, тест-полоскам и системам непрерывного мониторинга. Согласно оценкам и прогнозу от компании Mordor Intelligence™ объем рынка систем мониторинга уровня глюкозы в крови в России составил 528,51 млн долларов США в 2024 году и достигнет 809,46 млн долларов США к 2029 году. Рост данного сегмента за период с 2024-2029 гг. составит 8,90%. Таким образом, системы, чьи датчики будут отличаться способностью к изменению формы (во время движения пациента) при сохранении эффективности измерения уровня глюкозы и возможностью проводить измерения в биологических жидкостях, секретируемых на поверхности тела, будут обладать конкурентным преимуществом в сегменте рынка с большим потенциалом роста.