Ведущие специалисты Института физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН и Объединенного института высоких температур РАН добились значительного прогресса в создании компактного датчика нового поколения. Этот сенсор, построенный на базе графена и инновационных полимеров, демонстрирует способность анализировать воздух, который выдыхает человек, с максимально высокой точностью и скоростью. Разработка способна обнаруживать даже очень малые концентрации важных биомаркеров — например, ацетона, аммиака и ряда других веществ, которые могут сигнализировать о риске развития хронических недугов, включая сахарный диабет и заболевания сердца.
Современные вызовы и запросы в медицине
Сегодня медицинская наука стремится к созданию средств, готовых не только фиксировать частоту дыхания или пульс, но и выявлять важные химические изменения, происходящие в организме. Многие опасные патологии начинаются незаметно, проявляя себя только ростом определенных молекул в выдыхаемом воздухе. Например, при диабете увеличивается количество ацетона, а нарушения в работе почек нередко провоцируют рост аммиака. Большинство существующих датчиков выявляют преимущественно физические характеристики, тогда как химический анализ доступен лишь в лабораториях и требует сложных лабораторных приборов.
Это создает острую необходимость в новых устройствах, способных быстро, точно и прямо у постели пациента анализировать биомаркеры выдыхаемого воздуха, тем самым предупреждая развитие хронических заболеваний на самых ранних этапах.
Достижения российских ученых: принцип работы графенового сенсора
Разработанный специалистами Института физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН совместно с Объединенным институтом высоких температур РАН сенсор выполнен на базе тонкослойной полиимидной пленки, нанесённой на офисную бумагу. Ключ к его высокой эффективности — уникальная структура графенового слоя, обладающая рекордно развитой поверхностью и прекрасной электропроводностью. В сочетании с инновационными полимерами это даёт возможность прибору улавливать и дифференцировать даже мельчайшие молекулы целевых газов.
Работа сенсора основана на изменении электрического сопротивления в ответ на попадание компонентов выдыхаемого воздуха — воды, ацетона, аммиака и других соединений. Эти молекулы захватываются на поверхности датчика и облегчают прохождение электрического тока, благодаря чему формируется уникальный спектр, соответствующий индивидуальному дыханию человека.
Возможности применения: от домашнего мониторинга до операционных
Графеновый датчик, будучи дешевым в производстве и невероятно компактным, прекрасно интегрируется в повседневные медицинские изделия — например, обычные медицинские маски. Возможность использовать прибор для непрерывного наблюдения за состоянием дыхания пациентов, находящихся под анестезией или проходящих сложные операции, значительно расширяет его сферу применения.
Особо важно, что устройство способно работать не только в условиях клинических лабораторий, но и в домашних условиях. Потенциально каждый человек с риском развития диабета или других хронических болезней сможет регулярно проверять свой выдыхаемый воздух, своевременно замечая малейшие отклонения и получая сигнал о необходимости обратиться к врачу.
Научные исследования и результаты
В ходе ряда испытаний устройство опробовали 32 добровольца. В эту выборку вошли как полностью здоровые люди, так и те, у кого был диагностирован диабет или перенесён инфаркт. Новый датчик смог с высокой точностью идентифицировать пики ацетона у пациентов с сахарным диабетом, показав возможности для ранней диагностики и оценки степени риска развития серьёзных заболеваний.
Важно и то, что прибор реагирует даже на минимальные концентрации биомаркеров, улавливая повышение уровня сахара в крови уже после приёма пищи. Это открывает широкие перспективы для наблюдения за динамикой обмена веществ — без необходимости брать кровь или прибегать к сложному лабораторному анализу.
Инновации в технологическом подходе
Существенный шаг вперёд был сделан за счет разработки уникального наноструктурированного материала. Модификации конструкции позволяют точно выбирать, какие именно молекулы будут "узнаваться" датчиком — так достигается высокая избирательность и отсутствие ложных срабатываний. Это значит, что в будущем можно будет создавать сенсоры, заточенные строго под определённые болезни.
Кроме технологических преимуществ, сенсор обладает преимуществом невысокой себестоимости и простоты эксплуатации. Не требуется особая подготовка пользователя — необходимые измерения проводятся быстро и понятно даже для людей без высшего образования.
Перспективы клинического внедрения и дальнейшие планы
На данный момент созданы лишь лабораторные прототипы, однако разработка уже привлекла внимание медицинского сообщества. Впереди предстоит провести дополнительные исследования, включая расширенные клинические испытания на большем количестве пациентов, а также адаптацию устройства для серийного производства.
Ученые подчеркивают, что данный проект поддержан Российским научным фондом и Правительством Новосибирской области, что позволяет рассчитывать на последовательную реализацию всех этапов научных исследований и быструю интеграцию инновационного продукта в медицину будущего.
Таким образом, интеграция подобных портативных графеновых сенсоров в систему здравоохранения сулит значительное повышение доступности точной диагностики и раннего выявления целого спектра метаболических и хронических заболеваний. Это открывает новые горизонты для заботы о здоровье миллионов людей, делая мониторинг состояния организма легче и удобнее.
Информация и фото предоставлены пресс-службой ИФП СО РАН
Источник: scientificrussia.ru
