Разработка гибких сухих электродных интерфейсов на основе лазерно-индуцированных гибридов углеродных наноматериалов для носимой биоэлектроники

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 25-29-00938

НазваниеРазработка гибких сухих электродных интерфейсов на основе лазерно-индуцированных гибридов углеродных наноматериалов для носимой биоэлектроники

Руководитель Герасименко Александр Юрьевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" , г Москва

Конкурс №102 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов

Ключевые слова гибкая электроника, углеродные нанотрубки, графен, гибриды углеродных наноматериалов, электродные интерфейсы, каркасные наноматериалы, лазерные технологии, ЭКГ, ЭЭГ, ЭМГ, биоэлектроника, регистрация биопотенциалов, лазерная сварка

Код ГРНТИ47.09.48

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут разработаны технологические основы лазерного формирования новых гибких сухих электродных интерфейсов на основе композитов из углеродных наноматериалов с управляемыми электрофизическими и механическими свойствами из одностенных и многостенных углеродных нанотрубок, оксида графена, восстановленного оксида графена и их гибридов в полимерной матрице и на полимерной подложке. Будут определены нелинейно-оптические параметры взаимодействия лазерного излучения с углеродными наноматериалами для выявления параметров лазерного воздействия с целью эффективного формирования композитов с управляемыми электрофизическими параметрами. Будет определено пороговое значение плотности энергии лазерного излучения, обеспечивающее переход от линейно-оптического к нелинейно-оптическому взаимодействию, что обеспечивает влияние на структурные свойства углеродных нанотрубок и их гибридов с чешуйками графена (изменение аспектного соотношения, изгиба, сваривания соседних нанотрубок и др.) в матрице полимера, которые в свою очередь приводят к управлению удельной поверхностью, пористостью материала и его электропроводностью. Будут установлены закономерности изменения электропроводящих, механических характеристик, а также чувствительности к деформациям новых углеродных наноматериалов в зависимости от массовой доли и морфологии нанотрубных и графеновых наночастиц, типа полимера и параметров лазерного воздействия. Разработанные экспериментальные образцы гибких сухих электродных интерфейсов на основе композитов будут апробированы на современных используемых в медицинских учреждениях электрокардиагрофических/электроэнцифалографических/электромиографических комплексах для кратковременной и долговременной регистрации сигнала. Результаты работы будут опубликованы в высокорейтинговых журналах и зарегистрированы как результаты интеллектуальной деятельности (патент на изобретение). Ожидаемые результаты, полученные в ходе реализации проекта, имеют высокую научно-техническую и общественную значимость, поскольку, появление эффективных, стабильных и недорогих в производстве элементов гибкой электроники позволит их применять в компактных системах мониторинга электрокардиограммы (ЭКГ), электроэнцифалограммы (ЭЭГ), электромиограммы (ЭМГ), выявляя заранее симптомы социально значимых заболеваний сердечной недостаточности, заболеваний головного мозга и периферических нервов. Полученные в ходе выполнения Проекта результаты направлены на развитие технологий носимой электроники и персонализированного здравоохранения, поскольку в настоящее время существует проблема деградации сигнала, регистрируемого носимыми электродными интерфейсами при длительном ношении.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проект направлен на решение научной проблемы повышения эффективности и надежности элементной базы гибких биоинтерфейсов для носимых и стационарных измерительных биомедицинских приборов (электрокардиограф, электроэнцефалограф, электромиограф и др.). Ограничения традиционных материалов микро- и наноэлектроники, такие как недостаточная растяжимость, хрупкость, геометрическая и функциональная ограниченность снижают точность нательных измерений, особенно при долгосрочном мониторинге, из-за чего отсутствует возможность разработки высокофункциональных биомедицинских устройств. Наиболее распространенные решения в области носимых электродных интерфейсов в виде классических Ag/AgCl электродов имеют ряд существенных недостатков, ограничивающих их эффективность при долговременном ношении. Для обеспечения совместимости электродов с биотканями различных органов и сохранения эффективности диагностической электроники при долговременном мониторинге необходима разработка новых композитов и электродных интерфейсов на их основе. Актуальность обусловлена комплексностью требований, которым должны удовлетворять электродные интерфейсы. Они должны обеспечивать высокую электропроводность, обладать высокой степенью растяжимости и прочности, чтобы выдерживать как малые, так и большие динамические деформации, вызванные деятельностью человека, должны быть механически податливыми, чтобы точно соответствовать изогнутым и мягким поверхностям человеческого тела, химически устойчивыми к потоотделению за счет пористости и устойчивыми к атмосферным условиям, таким как колебания температуры и влажности, а также обладать длительным сроком эксплуатации. Компенсацию недостатков существующих материалов для электронных систем здравоохранения могут обеспечить наноматериалы на основе углерода. К таким наноматериалам относятся углеродные нанотрубки и графен, имеющие высокую подвижность носителей заряда, исключительные электрические, оптические, тепловые и механические свойства. Между тем, электрофизическими свойствами углеродных наноматериалов можно управлять с помощью методов сепарации по типам проводимости, создания дефектов и формирования связей между наноматериалами. Целью проекта является разработка новых лазерно-индуцированных гибридных углеродных каркасных наноматериалов, впервые внедренных в матрицу полимера или на поверхности полимерной подложки для создания гибких сухих электродных интерфейсов, способных регистрировать биопотенциалы организма. Научная новизна обусловлена созданием новых технологических решений формирования таких композитов с управляемыми структурными, электрофизическими и механическими свойствами и изготовления на их основе гибких сухих электродных интерфейсов. Получение композитов осуществлено путем формирования гибридов углеродных наноматериалов из углеродных нанотрубок и графена в матрице биосовместимого полимера и на поверхности полимерной подложки лазерным воздействием. Разработан способ формирования жидкой дисперсии для равномерной гомогенизации углеродных наноматериалов в объеме композита. Определение нелинейно-оптических параметров взаимодействия лазерного излучения с углеродными наноматериалами позволило выявить параметры воздействия с целью формирования полимер-углеродных композитов с заданными электрофизическими свойствами. Установлено, что воздействие на композит лазерного излучения с длиной волны в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра и заданной интенсивностью приводит к значительному снижению сопротивления за счет формирования гибридных наноструктур. Получено, что образование проводящих сеток в полимерной матрице приводит к увеличению плотности дефектов за счет образования связей между углеродными наноматериалами. Установлено, что величина модуля упругости композитных электродов хорошо коррелирует с модулем упругости кожи. Полученные материалы обладают повышенной гибкостью и растяжимостью для конформной интеграции с мягкими криволинейными поверхностями биотканей или органов человека, обеспечивая уникальными электрофизическими свойствами углеродные гибридные каркасные наноматериалы, которые присущи единичным нанотрубкам или чешуйкам графена.

Публикации

1. Герасименко А.Ю. Биоэлектронные интерфейсы на основе лазерно-индуцированных гибридов углеродных наноматериалов Книга тезисов "IV Всероссийская школа-конференция с международным участием по биосовместимой электронике и робототехнике", Т. 1, С. 41. (год публикации - 2025)

2. Герасименко А. Biointerfaces based on laser-induced carbon composite materials Книга тезисов "VI International Baltic Conference on Magnetism: focus on magneto-optics, smart materials and biomedicine (IBCM-2025)", Т.1, С. 34. (год публикации - 2025)

3. Морозова А.С. , · Куксин А.В., · Герасименко А.Ю. Prospects for the development of dry electrodes based on carbon nanomaterials in biomedical electronics Biomedical Engineering, Springer Nature, Vol. 59, No. 2, P. 131–136. (год публикации - 2025)
10.1007/s10527-025-10479-3

4. Куксин А.В., Морозова А.С., Герасименко А.Ю Сухие электроды на основе углеродных нанотрубок и графена для долговременного ЭКГ мониторинга СБОРНИК СТАТЕЙ. Международная научно-техническая конференция «Микроэлектронные имплантируемые нейроинтерфейсы 2025» (МИН-2025), 21–22 октября 2025 г., Москва. — М.: ООО «Наш стиль». — 2025. — с. 264., Т. 2, С. 88 - 91. (год публикации - 2025)

5. Герасименко А.Ю. Механизмы формирования и перспективы применения лазерно-индуцированных углеродных наноструктур и композиционных материалов для создания электродных интерфейсов СБОРНИК ТЕЗИСОВ "V МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛЫ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ»" (год публикации - 2025)

6. Куксин А.В., Морозова А.С., Василевская Ю.О., Еганова Е.М., Попович К.Д., Герасименко А.Ю. Dry electrodes based on carbon nanotubes-graphene hybrid nanostructures for long-term ECG monitoring Diamond & Related Materials, Vol. 59, 112895 (год публикации - 2025)
10.1016/j.diamond.2025.112895