КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 21-73-10123

НазваниеРецепторные и каталитические биомиметики на основе электроактивных полимеров для носимых биосенсорных устройств

РуководительКомкова Мария Андреевна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2021 - 06.2024 

КонкурсКонкурс 2021 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 03 - Химия и науки о материалах, 03-205 - Аналитическая химия

Ключевые словаНосимые устройства, электрохимические (био)сенсоры, биомиметики, проводящие и электроактивные полимеры, полианилин, гексацианоферраты переходных металлов, ферменты, абзимы, неинвазивная медицинская диагностика, персонализированная медицина

Код ГРНТИ31.19.00, 31.15.33


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на разработку универсальных миниатюрных носимых электроанализаторов для задач персонализированной медицины. Вектор развития медицинских технологий сегодня задан, с одной стороны, стремлением к построению диагностического процесса с учетом объективных показателей состояния организма, с другой стороны, цифровизацией. При этом особый акцент делается на разработку и внедрение неинвазивных диагностических протоколов. Таким образом, электронные устройства непрерывного химического анализа экскреторных жидкостей человека (например, пота, конденсата выдыхаемого воздуха, слезы) сегодня особенно востребованы. Такие устройства могут применяться на всех этапах медицинской помощи – от выявления трендов изменения биохимических показателей до совершенствования диагностики, лечения и реабилитации пациента. В Проекте будет реализовано носимое устройство-анализатор пота, обеспечивающее непрерывную регистрацию уровня метаболитов. В качестве аналитов будут рассматриваться лактат (содержание в поте 5-80 ммоль/л) и глюкоза (содержания в поте 20-200 мкмоль/л). Сочетание высокой чувствительности с широким диапазоном определяемых концентраций, охватывающим физиологические содержания, и высокой операционной стабильностью будет обеспечено использованием сенсорных систем на основе биомиметиков и прогрессивных схем обработки сигнала, специально разрабатываемых для использования в биологических жидкостях. В рамках Проекта будут заложены научные основы применения миметиков пероксидазы на основе гексацианоферратов переходных металлов как более надежного и эффективного трансдьюсера в биосенсорах на основе оксидаз. Снижение диффузионных ограничений за счет использования наноструктурированного материала позволит увеличить чувствительность биосенсоров и расширить динамический диапазон определяемых концентраций. Помимо каталитических миметиков, в Проекте будут разработаны синтетические аналоги абзимов на основе самодопированного полианилина. Включение в проводящую цепь рецепторного остатка борной кислоты позволит пролонгировать диапазон рН-стабильности полимера в область нейтральных или слабощелочных сред. Для контроля зарядовых состояний и атомной координации поверхности биомиметиков наряду с электрохимическими методами в Проекте будут широко применяться физические методы исследования, такие как методы рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, ультрафиолетовой спектроскопии, ядерного магнитного резонанса, спектроскопии комбинационного рассеяния, подходов спектроэлектрохимии. Исследование поверхности биомиметиков в зависимости от потенциала, химического состава и рН среды позволит установить механизмы отклика биосенсорных покрытий на их основе. Рецепторные биомиметики будут использованы в качестве трансдьюсеров, сочетающих в себе селективность аффинных взаимодействий с операционной стабильностью. Кроме того, синтез материала путем электрополимеризации каталитически активных фенилборных кислот обеспечит принципиальную возможность катализа биохимических реакций на поверхности разработанных рецепторных миметиков. На основе каталитических и рецепторных миметиков будут реализованы ферментные и бесферментные биосенсоры, интегрируемые в электронные устройства непрерывного мониторинга метаболитов. Для реализации носимого устройства будет спроектирована микрокапиллярная система сбора и отвода пробы, обеспечивающая непрерывный анализ биологической жидкости и мгновенный (в момент экскреции) отклик системы на изменение концентрации метаболита. Детектирование электрохимического отклика биосенсоров будет осуществляться с точностью до 0.1 нА с использованием специально спроектированного контроллера, сочетающего применение многослойных схем, чип-компонентов минимального форм-фактора и существующей компонентной базы с возможностями программирования сигналов и процессорной предобработки данных. В результате будет создано миниатюрное носимое устройство (габариты до 50х25х15 мм), обеспечивающее функции потенциостата, сбор и передачу данных о содержании аналита на мобильные устройства с энергонезавизимостью до 24 ч. Для «настройки» рабочего диапазона биосенсоров под состав пота будут использованы подходы иммобилизации ферментов в полимерные матрицы различного состава, мембранной делиминации, инженерии ферментов, а также их совместной иммобилизации с разрабатываемыми биомиметиками. Управление рабочим диапазоном биосенсора и повышение точности определяемых концентраций будет также осуществляться с использованием прогрессивных схем подачи и считывания сигнала: использования режимов генерации мощности, импульсных и потенциостатических режимов, а также постобработки сигналов как непосредственно на микроконтроллере, так и на мобильном устройстве. Выполнение Проекта позволит не только реализовать принципиально новое устройство мониторинга уровня метаболитов в поте человека, оптимизировав соотношение сигнал/шум и динамический диапазон устройства для задач кратковременного и длительного мониторинга, но и получить новые фундаментальные знания для создания электроактивных биомиметиков, содавая предпосылки для формирования нового научного направления - создания электротализаторов биохимических реакций. Междисциплинарность предлагаемых в проекте подходов позволит сочетать передовые исследования в сферах материаловедения, химической энзимологии, полимерной химии и схемотехники для создания высокоэффективных (био)сенсоров и носимых устройств на их основе. Разработка неинвазивных биохимических мониторов нового поколения и расширение функционала существующих электроанализаторов станет серьезным шагом к внедрению высоких технологий в сфере здравоохранения и переходу к персонализированной медицине.

Ожидаемые результаты
1. В рамках настоящего Проекта будут синтезированы каталитические и рецепторные биомиметики-трансдьюсеры для электрохимических биосенсоров. Применение таких миметиков позволит отказаться от биокатализаторов и рецепторов биологической природы в ферментных и аффинных биосенсорах, соответственно, и, как результат, увеличит операционную стабильность и стабильность при хранении (био)сенсорных устройств на их основе. 2. В качестве рецепторных биомиметиков для биосенсорных приложений (в том числе детекции метаболитов углеводного обмена) будут синтезированы проводящие материалы (покрытия и наночастицы) на основе самодопированного полианилина с пролонгированным диапазоном рН-стабильности. Ожидается, что включение рецепторного остатка борной кислоты в полимерную цепь позволит сохранить электроактивность полимера вплоть до рН 10-11. Применение подходов темплатного синтеза (электрополимеризации в присутствии целевых биомолекул с последующим удалением темплата) позволит повысить селективность рецепторного материала и уменьшить предел обнаружения. В результате всестороннего физико-химического исследования материалов на основе боронат-замещенного полианилина методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, ядерного магнитного резонанса и спектроскопии электрохимического импеданса будет установлен механизм «замораживания» заряда в цепи полианилина при включении в нее ионогенной рецепторной группы (в свободной форме или в комплексе с полиолами и гидроксикислотами). Установление природы и закономерностей электрохимических откликов разработанных рецепторных биомиметиков позволит сделать вывод о принципиальной возможности протекания каталитических реакций на поверхности разработанных материалов – иными словами, заложить основу создания миметиков абзимов. 3. Применение миметиков пероксидазы на основе электроактивных комплексов гексацианоферратов переходных металлов позволит увеличить чувствительность биосенсоров и расширить динамический диапазон определяемых концентраций биосенсоров на их основе. Отказ от биомолекул фермента пероксидазы в пользу более надежного и эффективного неорганического аналога в сочетании с подходами иммобилизации оксидаз в полимерные матрицы и негенной инженерии ферментов позволит разработать биосенсоры для длительной непрерывной детекции метаболитов в неразбавленных экскреторных жидкостях (например, поте). 4. В результате выполнения Проекта будет разработано миниатюрное универсальное носимое устройство-электроанализатор для неинвазивной медицинской диагностики. С одной стороны, система микрокапилляров для подачи пробы и возможность проточного анализа обеспечат регистрацию сигнала в момент экскреции биологической жидкости. С другой стороны, возможность модуляции регистрируемого сигнала и задания режима замыкания/размыкания электрической цепи позволят регистрировать стационарный и квазистационарный сигналы, тем самым управляя соотношением диффузионной и кинетической компонент регистрируемого тока и регулируя динамический диапазон определяемых концентраций. 5. С опорой на корреляции содержания метаболитов в неинвазивно отбираемых экскреторных жидкостях и крови, будет продемонстрирована применимость разрабатываемого электроанализатора для in situ мониторинга состояний гипоксии или гипо-/гипергликемии. Ввиду универсальности носимого устройства и возможности интеграции в него различных электрохимических биосенсоров, возможно адаптировать электроанализатор для детекции широкого спектра диагностически значимых метаболитов. Разрабатываемое устройство востребовано в клинической практике для флэш-мониторинга биохимических показателей и контроля динамики состояния в ходе лечения. Помимо этого, электроанализатор представляет интерес для задач спортивной медицины, продиктованный не только необходимостью создания алгоритмов тренировки профессиональных спортсменов, но и спросом на разного рода «фитнес-устройства». Разработка программного обеспечения для смартфона, простота отслеживания уровня метаболита в ходе непрерывного анализа, а также возможность передачи результатов анализа по беспроводному протоколу открывают широкие перспективы применения разрабатываемого устройства для телемедицинской диагностики. Проводимое исследование, таким образом, лежит в русле развития отечественной технологической базы и не ограничивается исключительно задачами данного Проекта.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В результате выполнения первого этапа Проекта синтезированы и комплексно исследованы (состав, структура, свойства) рецепторные и каталитические биомиметики на основе полианилинов и гексацианоферратов переходных металлов. В качестве «синтетических рецепторов» для электрохимических сенсоров, сочетающих в себе селективность аффинных взаимодействий с операционной стабильностью, предложено использовать боронат-замещенный полианилин. Оптимизированы условия электрополимеризации проводящих рецепторных покрытий, включая электрохимический режим и состав реакционной смеси. С целью упрощения производства миметиков и дальнейшей модификации ими электродов предложен проточный электросинтез наночастиц полианалина. Установлены зависимости сопротивления замещенного и незамещенного полианилинов на поверхности гребенчатых электродных структур в зависимости от потенциала и рН. Сопротивление боронат-замещенного полианилина не превышает 1000 Ω·м до рН 9, что на 2 порядка величины ниже, чем для незамещенного полимера. Широкий диапазон рН-стабильности полимера обусловлен изменением механизма редокс-превращения эмеральдин/лейкоэмеральдин. Тогда как потенциал этого перехода не зависит от рН для незамещенного полианилина, редокс-реакция для функционализированного полимера протекает с потерей одного протона на 2 электрона, что позволяет расширить область проводимости примерно на 0.3 В при рН 7. Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) исследованы химические состояния атомов азота замещенного и незамещенного полианилинов в зависимости от рН среды. По мере увеличения рН содержание аминогрупп для обоих полимеров уменьшается, а иминогрупп возрастает. Однако содержание иминовых форм в самодопированном материале существенно ниже, а высокий уровень допирования (до 15% заряженных форм) сохраняется вплоть до рН 9 за счет высокого содержания протонированного амина. Сопряженность протонного допирования с редокс-процессами подтверждена спектроэлектрохимическими исследованиями. Методом РФЭС установлено, что положение линии B1s в спектре замещенного полианилина практически не меняется в зависимости от рН, что указывает на постоянство химического потенциала и окружения атома бора во всем диапазоне рН. В противовес традиционной точке зрения о том, что в замещенном полианилине отрицательно заряженный заместитель –B(OH)3‒ способствует локализации протонов в основной цепи, такая форма отсутствует до рН 11, а основная компонента соответствует –B(OH)2(OH2), что было подтверждено методом твердотельной 11B ЯМР спектроскопии (MQMAS и MAS). Исследование полимера при различных рН также показало координацию данной формы к аминогруппе с образованием –B(OH)2(H2O)..NH< и присутствие формы, координированной анионом–B(OH)2..A―..N+H2<, в кислых средах. В соответствии с данными спектроскопии ЯМР, РФЭС, вольтамперометрии и спектроскопии импеданса, предложена универсальная схема допирования рецепторного материала. Схема включает прямую атаку протоном остатка борной кислоты в кислой среде или присоединение молекулы воды в нейтральной/щелочной среде с последующим трансфером протона на атом азота и образованием цвиттер-иона. Остаток борной кислоты выступает при этом в качестве центра диссоциации воды, обеспечивая постоянное протонирование иминных/аминных мостиков полианилина, тем самым расширяя область рН-стабильности рецепторного материала и обеспечивая его применимость для анализа в физиологических средах. Предложенный механизм справедлив для описания процессов допирования полимера в присутствии полиолов и гидроксикислот. В присутствии глюкозы и лактата (основных метаболитов углеводного обмена), зарегистрировано увеличение содержания в полимере восстановленных и протонированных фрагментов. Даже при рН 11 степень допирования в присутствии глюкозы возрастает от 5 до 10 %. Показано, что диссоциация полиолов сопровождается дополнительным протонированием цепи и обратимым редокс-превращением полимера с уменьшением его сопротивления. Исследованы зависимости хроноамперометрических откликов на глюкозу и лактат в зависимости от рН и потенциала. Предложен механизм редокс-превращений метаболитов на рецепторном миметике, объясняющий природу электрохимических откликов и указывающий на потенциальную возможность протекания (электро)каталитических реакций. С целью увеличения селективности рецепторных миметиков к отдельным метаболитам углеводного обмена синтезированы покрытия на основе боронат-замещенного полианилина с молекулярными отпечатками лактата. Метод адаптирован для проточного синтеза полимерных наноструктур с молекулярными отпечатками лактата. Проведено сопоставительное исследование аналитических характеристик сенсоров на основе синтетических рецепторов в различных режимах (спектроскопия импеданса, хроноамперометрия, потенциометрия). Показано, что использование подходов темплатирования позволяет увеличить селективность сенсора к лактату в присутствии глюкозы практически в 5 раз (a=45 для потенциометрического детектирования и a=25 для режима хроноамперометрии). С целью замены ферментов и создания более стабильных/функциональных (био)сенсорных систем осуществлен химический синтез каталитических миметиков пероксидазы на основе гексацианоферрата железа. Миметики различного размера (согласно данным динамического светорассеяния и электронной микроскопии, от 35 до 250 нм) и пористости (согласно данным метода капиллярной конденсации азота) синтезированы путем восстановления комплекса феррицианида железа (III) пероксидом водорода/органическими гидропероксидами/мономерами проводящих полимеров. Изменение структуры миметика в ходе редокс-превращения берлинская лазурь/берлинский белый исследовали in situ с использованием синхротронного излучения. Установлено, что редокс-переходы с внедрением катионов щелочных элементов сопровождаются обратимым изменением параметра ячейки в пределах 1.012-1.020 нм (независимо от типа катиона), тогда как внедрение протона приводит к существенному падению емкости, сопровождающейся снижением максимального параметра ячейки до 1.014 нм. Потеря электроактивности миметика может быть приписана формированию мостиковых групп Fe-O-Fe в восстановительных условиях. С использованием подходов стационарной ферментативной кинетики проведено сопоставительное исследование каталитической активности фермента и его миметика в присутствии различных гидропероксидов и восстанавливающих субстратов. Установлено, что каталитические миметики на основе берлинской лазури не только активнее пероксидазы из корней хрена, но и более селективны по Н2О2. Для наночастиц среднего размера (d = 70 нм) коэффициенты селективности в присутствии органических гидропероксидов превышают таковые для фермента до 4 раз. В рамках создания миниатюрного электрохимического нательного монитора разработана микрокапиллярная система, сочетающая функции сбора пота с поверхности кожи около 6 см2, доставки пота к поверхности сенсора и его отвода за счет капиллярных сил. Показано, что для изготовления микрокапилляров предпочтительна технология фотополимерной 3D печати. Разработанная система обеспечивает непрерывный поток в условиях физиологических скоростей экскреции (в среднем 25 мкл∙см-2∙ч-1) и постоянное обновление анализируемого раствора у поверхности сенсора для флэш-мониторинга метаболитов. Изготовлен миниатюрный носимый контроллер, обеспечивающий сбор токового сигнала (АЦП 12 бит), обработку и передачу информации на устройство пользователя (смартфон) по протоколу Bluetooth Low Energy. Контроллер позволяет регистрировать ток короткого замыкания в широком диапазоне значений: от 0.01 до 12000 нА, обеспечивая высокое разрешение (до 3 пА) при регистрации малых токов. Изготовленный микроконтроллер обладает высокой производительностью (до 1000 измерений/c) и низким энергопотреблением (до 1мАч в режиме работы). При этом по точности контроллер лишь незначительно уступает по характеристикам приборам аналитического класса (пикоамперметр Keithley 6487).

 

Публикации

1. - Новый нательный электроанализатор помог выяснить, что вспотеть и устать — не одно и то же Indicator, 10.05.2022 (год публикации - ).

2. М.А. Комкова, А.А. Елисеев, А.А. Поярков, Е.В. Дабосс, П.В. Евдокимов, А.А. Елисеев, А.А. Карякин Simultaneous monitoring of sweat lactate content and sweat secretion rate by wearable remote biosensors Biosensors and Bioelectronics, V. 202, 113970 (год публикации - 2022).