Учебное пособие 2125

Исследования показали, что такой глюкометр показывает точные результаты. На рис. 2 A показаны хронометрические графики, полученные для гранул в соответствии с физиологическим диапазоном концентрации глюкозы, а на рис. 2 B показан график калибровки для этого исследования. После этого вся система была протестирована на воспроизводимость, а именно были протестированы: легкость размещения гранулы на сенсорную полосу, встроенную в чехол телефона; беспроводная передача данных от датчика в телефон; точность результатов, показанных прикладным программным обеспечением. В данном исследовании смартфон на базе операционной системы Android был помещен в специальный чехол. Новую гранулу выдавливали из стилуса на сенсорный датчик, размещенный в чехле телефона, далее запускалось специальное приложение. После этого на датчик капали раствор известной концентрации глюкозы (60, 100, 140 или 180 мг / дл). Далее концентрация глюкозы регистрировалась прикладным программным обеспечением. «Использованная» гранула была удалена после того, как концентрация глюкозы была отображена на экране телефона. Процедуру повторяли несколько раз с различными концентрациями глюкозы в растворе. На рис. 2 C-F показаны результаты данного исследования. Данные, показанные на рис. 2, доказывают воспроизводимость системы.

Рис. 1. (A) Составляющие части глюкометра: чехол для смартфона, датчик, гранулы, стилус, электронная схема. (B) Гранулы, содержащие глюкозооксидазу (GOx), помещенные на датчик для электрохимического

анализа. (C) Электронная блок-схема

Процесс измерения концентрации глюкозы происходит следующим образом. Датчик окисляет глюкозу для получения глюконовой кислоты и перекиси водорода. Родий-углерод действует как катализатор и окисляет H2O2 для генерации электронов и кислорода. Реакция показана на рис. 1B.

160

Типичная гранула состоит из: глюкозооксидазы (для селективности), родия на углероде (для каталитического окисления перекиси водорода), трегалозы (для стабильности фермента), графита (для проводимости), никеля (для магнитного крепления) и силиконового масла (связующее вещество).

Было проведено три различных эксперимента, с целью определения наиболее подходящего состава гранулы: в первом – трегалозу механически перемешивали (гранула P1); во втором – фермент, растворенный в фосфатном буфере, лиофилизировали (гранула P2); в третьем – фермент, растворенный в суспензии полиэтиленгликоля, лиофилизировали (гранула P3). По результатам экспериментов было определено, что состав гранулы P2 является наиболее устойчивым, а также при использовании гранулы P2 концентрация глюкозы измеряется точнее.

Кроме того, данный глюкометр очень прост в использовании, а это является важным требованием, поскольку такие устройства будут использоваться разными людьми, с разным уровнем технологического знания.

Рис. 2. Исследование воспроизводимости датчика:

(A) Хроноамперограммы для различных концентраций глюкозы, измеренные настольным электрохимическим анализатором. (B) Калибровочный график исследования (Погрешность <= 2,5%). (C-F) Скриншоты приложения

при различных концентрациях глюкозы (60, 100, 140 или 180 мг/дл), с использованием новой гранулы каждый раз

Непрерывная система мониторинга концентрации глюкозы, не требующая взятия крови из пальца. Компания Abbott в январе 2018 года получила официальную регистрацию в Российской Федерации системы непрерывного мониторинга глюкозы FreeStyle Libre Flash Glucose – первую непрерывную систему мониторинга глюкозы, которая может использоваться

161

пациентами для принятия решений по лечению диабета без использования образца крови из пальца [2].

Система не нуждается в образце крови из пальца благодаря маленькой иголке сенсора (датчика), вставленной под кожу. Пользователи могут узнать уровень глюкозы, поднеся специальный ридер к датчику, чтобы определить уровень сахара. Система предназначена для людей старше 18 лет; она активируется в течение 12 часов после установки и работает до 10 дней [3].

Цена данного устройства варьируется в пределах 12500 – 14000 рублей за стартовый комплект. В стартовый набор входит: ридер (считывающее устройство), два сенсора, аппликатор (устройство для установки сенсора) и зарядное устройство. Причем провод от зарядки можно использовать для подключения ридера к компьютеру. По истечению срока действия датчика, можно купить новый, средняя его стоимость около 4900 – 5000 рублей.

Ниже, на рис. 3, показано расположение сенсора в коже.

Рис. 3. Расположение сенсора в коже

Татуировки, показывающие концентрацию глюкозы. Dermal Abyss (d- abyss) представляет собой подход к биоинтерфейсам, в которых поверхность тела используется как интерактивный дисплей, биосенсоры наносятся на кожу, чтобы изменить свой цвет в случае изменения биомаркера в интерстициальной жидкости. Эта технология сочетает достижения в области биотехнологии и умение тату-мастеров. Обычные чернила заменяются колориметрическими и флуоресцентными биосенсорами, которые могут сообщать о концентрации натрия, глюкозы и рН в интерстициальной жидкости. Ученые сообщают о предварительной оценке этих биосенсоров на кожной модели ex vivo, оценивая их видимость в дерме, а также описывают различные применения d-abyss в медицине. Эта работа является доказательством концепции платформы, на которой кожа показывает состояние организма, татуировки образуют экран на коже, а метаболизм организма работает как передатчик данных для биосенсоров d-abyss [4].

В клинической химии метаболиты в организме обычно контролируются с использованием электрохимии. Этот метод включает измерение тока или напряжения, или зонда для обнаружения метаболита. Хотя электрохимические датчики широко используются в больничных лабораториях, их применение на переносных устройствах ограничено, поскольку эти датчики требуют электричества и постоянной калибровки.

162

С другой стороны, оптические датчики более практичны, поскольку они обладают возможностью обнаружения биомаркеров без необходимости использования электронных схем и сложных механизмов передачи сигналов. Например, хромогенные (колориметрические) датчики широко используются при анализе мочи в диагностических пунктах. Подобным образом, флуоресцентные биосенсоры являются надежным методом. Следовательно, практичность, простые механизмы обнаружения и низкая стоимость оптических биосенсоров могут быть использованы для быстрой диагностики в медицине. На рис. 4 показаны различные изменения цветов биодатчиков, используемых в данной работе.

Биосенсоры глюкозы были получены из тест-полосок (Rapid Response Urinalysis), которые состоят из: 1,5% оксидазы глюкозы; 0,5% пероксидазы; 10% йодида калия; 75% буфера; 13% нереактивных ингредиентов. Этот биосенсор представляет собой реакцию из двух частей: первая часть – глюкоза внутри интерстициальной жидкости подвергается реакции окисления с глюкозооксидазой для получения глюконовой кислоты, вторая – восстановление кислорода до перекиси водорода (рис. 5). В присутствии иодида калия пероксид водорода реагирует с пероксидазой с образованием йода, в результате чего появляется коричневый цвет.

Рис. 4. Колориметрические анализы: (а) флуоресцентная диаза-15-краун-5

в присутствии ионов Na+, (b) индикатор pH (seminaphtorhodafluor) в

присутствии ионов Н+ в трис-буфере при 25°С, (с) биосенсор глюкозы от отрицательного значения до 5, 15, 30, 60 и 110 моль/л [5] (d) изменения хромогенного фотоматериала рН-биосенсора в видимом спектре.

Рис. 5. Химическая схема реакции биосенсора глюкозы

163

Боковые инъекции биосенсоров становятся видимыми после осаждения в дерме, имитируя татуировку после заживления. На рис. 6 а показана боковая инъекция хромогенного биосенсора рН. Она изменила цвет кожи с розового на голубой из-за изменения концентрации pH от 7,0 до 7,4. На рис. 6 b показан репрезентативный результат вертикальной инъекции флуоресцентного датчика pH.

С помощью вертикальных инъекций был продемонстрирован механизм проникновения биосенсора. На рис. 7 показаны колориметрические и флуоресцентные показания биосенсоров согласно изменению концентрации аналитов в коже ex vivo. На рис. 7 а показан хромогенный биосенсор глюкозы в коже свиньи без раствора глюкозы. Рис. 7 b иллюстрирует тот же биосенсор в присутствии 10 ммоль/л раствора глюкозы. Датчики рН также использовались в исследованиях ex vivo. На рис. 7 c показан хромогенный биосенсор при рН 8,0, имеющий пурпурный цвет; однако, когда рН снижался до 7,0, цвет становился розовым (рис. 7 d). Также тестировали флуоресцентные зонды ex vivo. На рисунке 3.4е-f показан флуоресцентный датчик в коже – диаза-15-краун-5, в присутствии ионов Na+ 100 ммоль/л при видимом свете и УФ-свете соответственно. На рисунке 7 g-h показан флуоресцентный датчик в коже - seminaphtorhodafluor (SNARF), при значении pH 8,0 под видимым светом и ультрафиолетовым светом соответственно. Следуя всему вышеупомянутому, тату-мастер создал проект, в котором объединил чернила для татуировки и биосенсоры (рис. 8).

Рис. 6. Инъекции биосенсоров. (а) Боковая инъекция рН, глюкозы и натрия, масштабная линейка = 1 см (b) вертикальная инъекция флуоресцентного натрия, масштабная линейка = 500 микрон

164

Рис. 7. Биосенсоры, нанесенные на кожу свиньи путем татуирования, и взаимодействие в растворах. (a) биосенсор глюкозы, (b) биосенсор глюкозы с глюкозой, (c) хромогенный биосенсор при рН 8,0, (d) хромогенный биосенсор при рН 7,0, (e) биосенсор зеленый натрий под видимым светом, (f) биосенсор

зеленый натрий под воздействием ультрафиолетового излучения; (g) флуоресцентный датчик SNARF под видимым светом; (h) флуоресцентный датчик SNARF под воздействием ультрафиолетового излучения при рН 8,0. Масштабная линейка = 1 см

Рис. 8. Тату, выполненное тату-мастером на коже свиньи ex vivo. (а) тату из татуировочных чернил и хромогенного pH-датчика. (b) Из хромогенного pH-

датчика и биосенсора глюкозы. (c) Из флуоресцентного индикатора pH (seminaphtorhodafluor) и биосенсора диаза-15-краун-5

Заключение. Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что биомедицинские технологии не стоят на месте, и более того, прогресс в этой сфере налицо. К слову сказать, ученые и исследователи не собираются останавливаться на достигнутом и буду продолжать оптимизировать, модернизировать и всячески улучшать вышеупомянутые технологии. Например, разработчики глюкометра, встроенного в смартфон, утверждают, что будут оптимизировать его характеристики, а именно: показания датчика при различных температурах окружающей среды; изучение влияния различных объемов проб крови на сенсор; тестирование электроактивных частиц, которые могут повлиять на чувствительность сенсорной полоски; а также оптимизация магнитных свойств гранул при удалении их с поверхности датчика. Также ученые, разработавшие Dermal Abyss, сообщают, что дальнейшая их работа будет включать исследования новых биосенсоров, методов модификации тела и методов взаимодействия техники и тела. Ожидается, что новые биосенсоры

165

будут более долговечными, обратимыми и с увеличенным диапазоном цветов. Будет исследовано воздействие различных обработок кожи, такие как хна, загар и макияж, на татуировки-биосенсоры.

Литература

1.Re-usable electrochemical glucose sensors integrated into a smartphone platform. Amay J. Bandodkar, Somayeh Imani, Rogelio Nuñez-Flores, Rajan Kumar, Chiyi Wang, A.M. Vinu Mohan, Joseph Wang, Patrick P. Mercier. Biosensors and Bioelectronics; Volume 101, 15 March 2018, Pages 181-187.

2.https://www.medmag.ru/index.php?productID=1559 [Электронный

ресурс].

3.https:// www.fda.gov/ NewsEvents/ Newsroom/ PressAnnouncements/ ucm577890.htm [Электронный ресурс].

4.The dermal abyss: interfacing with the skin by tattooing biosensors. Katia Vega, Nan Jiang, Xin Liu, Viirj Kan, Nick Barry, Pattie Maes, Ali Yetisen, Joe Paradiso. Proceedings of the 2017 ACM International Symposium on Wearable Computers, Maui, Hawaii — September 11 - 15, 2017, Pages 138-145.

5.Diastix. Urine test strips, 2015. Accessed: 2017-01-02.

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», Россия

166

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Материалы сборника отражают результаты научных исследований,

проводимых авторами в различных регионах Российской Федерации, а также зарубежных ученых.

В публикациях содержится анализ современного состояния методологии проектирования математического и программного обеспечения информационных систем, рассмотрены актуальные проблемы применения методов и средств искусственного интеллекта к вопросам автоматизации процесса обработки информации, представлен опыт применения информационных технологий в технике.

Статьи объединены общей идеологией научных решений, большинство из них имеет практическую направленность.

167