Гибридные 2D материалы на основе углеродных наноструктур и ДНК для разработки неинвазивных биоинтегрируемых электронных систем

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 26-19-00062

НазваниеГибридные 2D материалы на основе углеродных наноструктур и ДНК для разработки неинвазивных биоинтегрируемых электронных систем

Руководитель Бобринецкий Иван Иванович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №124 - Конкурс 2026 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-206 - Нано- и мембранные технологии

Ключевые слова биоинтеграция, электронные интерфейсы, двумерные (2D) материалы, электронные татуировки, неинвазивный мониторинг, графен, аптамеры, ван-дер-Ваальсовы гетероструктуры, полевой транзистор, чрескожный затвор, фемтосекундный лазер

Код ГРНТИ47.13.07

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Современная биоэлектроника сталкивается с фундаментальными ограничениями, обусловленными несоответствием физико-химических и механических свойств традиционных неорганических материалов и динамичной природы биологических тканей. Это приводит к низкой эффективности переноса заряда на границе раздела, механическому отторжению и деградации устройств. Несмотря на значительный прогресс в области гибкой электроники, создание бесшовного интерфейса, способного осуществлять непрерывный мониторинг низкоконцентрированных биомаркеров в сложных биожидкостях (таких как пот), остается нерешенной задачей. Фундаментальная научная проблема, на решение которой направлен проект, заключается в преодолении критического барьера на пути создания полностью биоинтегрируемых, долговременно стабильных и ультрачувствительных электронных интерфейсов для неинвазивного мониторинга молекулярных процессов в живых системах в реальном времени. Настоящий проект направлен на решение этой проблемы путем разработки новой технологии биоинтеграции, основанной на гибридных двумерных (2D) материалах. Проблема включает три взаимосвязанных аспекта: 1. Фундаментальное понимание механизмов переноса заряда на границе раздела между многослойными наноструктурами и биологическими молекулами. 2. Разработка новых биосовместимых материалов с настраиваемыми электронными и механическими свойствами. 3. Формирование интерфейса между 2D-материалами и биологическими тканями без нарушения физиологических процессов. Актуальность проекта определяется глобальной потребностью в переходе от реактивной к проактивной модели здравоохранения, что невозможно без разработки технологий непрерывного мониторинга физиологических параметров и биохимического состава организма. Научная значимость проекта заключается в разработке фундаментальных принципов и технологических основ управления свойствами многослойных графеновых структур, модифицированных ДНК-аптамерами. Полученные результаты позволят сформулировать основополагающие принципы создания биоинтегрируемой электроники, физические и химические свойства которой могут динамически адаптироваться к биологическому окружению. Научная новизна заключаются в следующих результатах: - Будет предложен новый класс гибридных материалов для биоэлектроники. Впервые будет разработан и исследован метод повышения стабильности и проводимости многослойных (2-3 слоя) графеновых татуировок путем создания гибридных Ван-дер-Ваальсовых гетероструктур, армированных углеродными нанотрубками. Будет применена фемтосекундная лазерная обработка для прецизионного управления межслоевым взаимодействием и выравнивания энергетических зон, что позволит оптимизировать транспортные свойства графеновой электронной татуировки (ГЭТ), не ухудшая их механической гибкости. - Впервые будет предложена концепция графеновой «биолипучки». Будет предложен и реализован принципиально новый механизм биоинтеграции электронных устройств. В отличие от традиционной адгезии, «биолипучка» обеспечит надежный механический и электрический контакт с тканью за счет специфического молекулярного распознавания (аптамер-мембранный белок). Это решение не имеет аналогов в мире и позволит достичь долговременной стабильности интерфейса в условиях движения и потоотделения. - Фотохимическая ковалентная иммобилизация для носимых сенсоров. Впервые будет применена технология одностадийной фотохимической ковалентной пришивки аптамеров для создания носимых ГЭТ. Этот подход обеспечивает высокую стабильность биорецепторного слоя, что критически важно для долговременного мониторинга. - Архитектура полевого транзистора с чрескожным затвором для биохимического распознавания. Впервые будет исследована и оптимизирована конфигурация графенового полевого транзистора с чрескожным затвором для детектирования биохимических маркеров (а не только электрофизиологических сигналов). Это позволит использовать кожу как интегральную часть сенсорной системы.

Ожидаемые результаты
- Методики изготовления стабильных многослойных электронных графеновых татуировок (ГЭТ) функциональный образец носимого биосенсора на технологии ГЭТ, которые могут обеспечивать стабильный электронный интерфейс с эпидермисом человека. Данная технология в проекте адаптируется для применения в носимых сенсорах для мониторинга цифровых (пульс, артериальное давление) и химических (белки, гормоны, ионная сила) маркеров сердечных заболеваний человека. Более глобально, технология может быть адаптирована для инвазивных интерфейсов при разработке нейроимплантов, органов на чипе и кардиостимуляторов нового поколения. -Оптимизированный протокол фотохимической ковалентной пришивки аптамеров, обеспечивающий повышение долговечности и возможности многократного использования биосенсоров, тем самым повышая экономическую эффективность электронных биосенсоров, способствуя их выходу на рынок. - Теоретическая модель графенового полевого транзистора с чрескожным затвором, позволяющая более эффективное преобразования детектируемых сигналов носимых биосенсоров в показатели здоровья человека. - Лабораторный образец воздухопроницаемой ГЭТ, демонстрирующий высокую прочность, проводимость и воздухопроницаемость, таким образом, обеспечивающий более долгий срок службы при непрерывном мониторинге показателей здоровья. - Впервые будет приведено экспериментальное подтверждение эффективности графеновой «биолипучки», использующей свойства связывания модифицированного биорецепторами двумерного материал с белками клеток. Данное решение, помимо повышения качества биоэлектронного интерфейса будет способствовать новому направлению бимолекулярной интеграции электронных систем на клеточном уровне, и может создать новые направления в технологии и медицине, такие как клеточные (бактериальные) микророботы, долговечные нейроинтерфейсы.