Ученые разработали модель медицинского сенсора для анализа дыхания на основе цианобактерий Arthrospira platensis, известных как спирулина. Образцы биосенсоров проявляли разные свойства в зависимости от материала, на который наносили раствор из бактериальных клеток. Так, устройство на кремниевой подложке реагировало на содержание в выдохе паров воды, перекиси водорода, уксуса и спирта, а образец на основе углеродных волокон обладал чувствительностью к нажатию на него и к вибрации поверхности, на которой располагался. Это позволит создать из экологичного сырья простые и многофункциональные портативные датчики для спортсменов, а также для пациентов с астмой и сердечными заболеваниями с целью диагностики и мониторинга их состояния. Результаты исследования, поддержанного грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Microchemical Journal.
Выдыхаемый человеком воздух содержит смесь различных газов: азота, углекислого газа, паров воды, а также более 870 других химических соединений. Концентрация этих веществ меняется в зависимости от состояния здоровья. Например, при диабете в выдыхаемом воздухе появляются пары ацетона, а при некоторых заболеваниях сердца — перекиси водорода. Непрерывный мониторинг дыхания может помочь врачам вовремя заметить и предотвратить ухудшение состояния пациентов с подобными заболеваниями. Для этого необходимы небольшие и доступные устройства для использования как в больницах, так и в домашних условиях, чтобы немедленно получать данные об изменениях в дыхании.
Ученые из Института физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН (Новосибирск) совместно с коллегами предложили использовать для анализа дыхания цианобактерии Arthrospira platensis, известные в качестве пищевой добавки под названием спирулина. Эти и другие цианобактерии используются в медицине благодаря антимикробным, адсорбционным и другим полезным свойствам, а также способности вырабатывать при своем росте и развитии кислород, синтезировать некоторые углеводы, белки, алкалоиды и микроэлементы. Кроме того, эти микроорганизмы легко выращивать в лабораторных и промышленных условиях.
Из высушенной биомассы цианобактерий Arthrospira platensis ученые приготовили две суспензии, состоящие из разных компонентов цианобактерий. Одна содержала части мембран (клеточных оболочек) спирулины, а вторая — внутриклеточные структуры. Полученные суспензии наносили в виде тонких пленок на подложки из разных материалов. На кремниевые подложки растворы помещали каплями или наносили с помощью струйного принтера. Авторы также изготовили образцы с пленками спирулины на подложках из углеродных волокон с добавлением полимера Nafion. Полимер образовывал на поверхности слоя цианобактерий мембрану, которая сохраняла его химическую структуру неизменной при попадании паров воды или других веществ.
После этого авторы изучили, как образцы реагируют на дыхание участников исследования. Оказалось, что при выдохе электрическое сопротивление устройств снижалось в 10–100 тысяч раз, причем при выдохе разных людей наблюдалась существенная разница. На результат влияли возраст человека, его пол, физическая форма и состояние здоровья. Так, мужчина выдыхал больший объем воздуха, чем женщина, при равных усилиях, сильнее снижая сопротивление образца. Наиболее выраженной была реакция у пленок, которые печатали на подложке с помощью принтера, поскольку в этом случае они имели более однородную структуру и равномерную толщину. Ученые также отметили, что устройства, содержащие внутриклеточные структуры цианобактерий, реагировали на изменение состава воздуха в течение 22–28 секунд, тогда как время отклика слоя из клеточных мембран составило 50–55 секунд.
Образцы на кремниевой подложке были чувствительны к наличию в выдыхаемом воздухе воды, уксуса, спирта и перекиси водорода. Содержание последнего соединения в организме увеличивается при нарушении работы клеток сердца, которое может представлять опасность для жизни. Применение разработанных датчиков позволит своевременно выявлять подобные патологии.
Экземпляры на подложке из углеродных волокон с полимерным покрытием не реагировали на изменение состава выдыхаемого воздуха, однако их сопротивление возрастало от механического воздействия — например, вибрации от удара вблизи места, где лежал образец. Это свойство можно использовать для создания сенсорных систем управления устройством. Кроме того, оно позволит спроектировать медицинские датчики для пациентов с угрозой остановки дыхания. Также образцы на основе углеродных волокон были гибкими и сохраняли функции при изгибе пластины до двух миллиметров.
Полученные результаты позволят разработать многофункциональные устройства для мониторинга состояния людей с заболеваниями органов дыхания, сердца и диабетом. При этом цианобактерии — доступный, безопасный и экологичный материал. Их легко выращивать и поддерживать как в лаборатории, так и в промышленных установках открытого и закрытого типа.
«В этом исследовании мы получили перспективные экспериментальные результаты. В будущем планируем испытать реакцию образцов на подложках из других материалов, например, графена. Также собираемся проверить возможность применения цианобактерий, культивируемых в различных средах. Дальнейшие исследования позволят нам разработать готовый к массовому производству опытный образец для персонализированного мониторинга здоровья как спортсменов, так и людей с различными заболеваниями», — рассказала участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Марина Шавелкина, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории плазмы Объединенного института высоких температур РАН.
В исследовании принимали участие сотрудники Объединенного института высоких температур РАН (Москва), Новосибирского государственного технического университета (Новосибирск) и Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва).
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
