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

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 21-73-10123

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

Руководитель Комкова Мария Андреевна, Кандидат химических наук

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

Конкурс №61 - Конкурс 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 слова Носимые 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.1016/j.bios.2022.113970

2. Комкова М.А, Валеев Р.Г., Колягин Ю.Г., Андреев Е.А., Бельтюков А.Н., Никитина В.Н., Яцимирский А.К., Карякин А.А., Елисеев А.А. Solid-state survey of boronate-substituted polyaniline: on the mechanism of conductivity, electroactivity, and interactions with polyols Materials Today Chemistry, vol. 26, 101070 (год публикации - 2022)
10.1016/j.mtchem.2022.101070

3. Комкова М.А., Поярков А.А., Елисеев Ар.А., Елисеев Ан.А. Mass transport limitations for electrochemical sensing in low-flux excretory fluids Biosensors and Bioelectronics, 115148, 227 (год публикации - 2023)
10.1016/j.bios.2023.115148

4. Комкова М.А., Елисеев Ар.А., Касимовская В.С., Поярков А.А., Елисеев Ан.А., Карякин А.А. Pulse Power Generation Chronoamperometry as an Advanced Readout for (Bio)sensors: Application for Noninvasive Diabetes Monitoring Analytical Chemistry, 2023, 95(19), pp. 7528–7535 (год публикации - 2023)
10.1021/acs.analchem.2c05746

5. Комкова М.А., Александрович А.С., Карякин А.А. Polyazine nanoparticles as anchors of PQQ glucose dehydrogenase for its most efficient bioelectrocatalysis Talanta, 2024, 267, 125219 (год публикации - 2024)
10.1016/j.talanta.2023.125219

Публикации