Гибкие биоэлектроды на основе оксида графена позволят вести длительный непрерывный мониторинг работы сердца

Дата публикации: 27 июля 2020

Ученые Томского политехнического университета предложили новые нательные биоэлектроды для считывания электрических сигналов при мониторинге работы сердца. Эксперименты показали, что такие электроды могут работать в два раза дольше традиционных аналогов на основе хлорида серебра. При этом они гибкие и влагоустойчивые, что позволяет надежнее фиксировать их на коже. Результаты исследования опубликованы в журнале Biosensors and Bioelectronics (IF: 9,518; Q1).

По данным Всемирной организации здравоохранения, cердечно-сосудистые заболевания остаются одной из основных причин смерти во всем мире. Самым простым и неинвазивным методом диагностики дисфункций сердца является электрокардиограмма (ЭКГ), при этом для считывания электрического поля сердца используются биоэлектроды. Их основная задача — преобразование ионных токов человеческого тела (биотоков) в электрический ток для внешних устройств (кардиографов). Анализ данных, полученных в результате длительного мониторирования ЭКГ, сегодня используется крайне широко, практически у 100 % кардиологических больных. Традиционно в процедурах электрокардиографии и энцефалографии (анализа электрической активности головного мозга) используются электроды на основе серебра с покрытием из хлорида серебра. Дополнительно металлическая часть покрывается слоем геля для конверсии биотока в электронный ток.

Разработанные в Томском политехе электроды на основе восстановленного оксида графена выполнены на полимерной подложке, что позволяет создавать гибкие структуры. Углеродное проводящее покрытие — рабочее тело электрода — формируется при облучении лазером пленки оксида графена, нанесенной на подложку.

«Электроды из серебра с хлоридом серебра работают эффективно, однако у них есть несколько минусов. Во-первых, маленький срок службы — как правило, мониторирование ограничено 24 часами. Затем высыхает гель, происходит деградация поверхности электрода, и его необходимо менять. Во-вторых, твердая структура электрода приводит к неплотному прилеганию, раздражению кожных покровов. Сейчас существуют гибкие электроды с серебряным покрытием, однако проблема высыхания геля и деградации поверхности остается. Мы же использовали совсем другой материал — восстановленный оксид графена», — говорит профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Евгения Шеремет.

В ходе экспериментов конструкция не деградировала, электроды не теряли свои свойства в течение 108 часов, то есть четырех с половиной дней. При этом на оксид графена не нужно дополнительно наносить гель.

«Оксид графена — доступный недорогой материал, технология его модификации легко масштабируется. А это значит, что ее нетрудно будет перенести из условий лаборатории на производство», — отмечает ученый.

По словам заместителя директора по научной и лечебной работе НИИ кардиологии Томского НИМЦ Вячеслава Рябова, увеличение срока службы электрода открывает дополнительные возможности для длительного мониторинга работы сердца — например, телемониторинга, который позволяет контролировать ЭКГ больного дистанционно в режиме онлайн, или для мониторирования с помощью холтера.

«Для этого получают непрерывную запись электрокардиограммы в нескольких отведениях ЭКГ в условиях свободной активности пациента с последующей дешифровкой в режиме офлайн. При этом в некоторых случаях ключевым моментом является продолжительность регистрации, когда точность, чувствительность и специфичность диагностики прямо связаны с длительностью мониторирования», — говорит Вячеслав Рябов.

Как отмечают исследователи, рыночная стоимость электродов для длительного мониторинга может доходить до 200 евро. Электроды, предложенные томскими учеными, могут оказаться гораздо дешевле за счет доступности исходных материалов.

«Задачу увеличить длительность мониторинга и повысить комфорт ношения холтера сформулировали специалисты НИИ кардиологии Томского НИМЦ, с которыми мы сотрудничаем, — поясняет Евгения Шеремет. — Это первый этап в разработке комфортных для пациентов устройств для длительного мониторирования. Как правило, холтер работает в течение суток в том числе и из-за ограниченного срока службы электродов. Но сердечные дисфункции достаточно коварные, нет гарантии, что какой-то сбой удастся зафиксировать именно в эти сутки, когда пациент носит холтер.  Если увеличить срок ношения прибора, это может помочь в выявлении нарушений». 

В дальнейшем ученые намерены дополнить электроды другими гибкими элементами таким образом, чтобы они могли передавать сигнал беспроводным путем.

В исследовании принимают участие ученые из Университета Амстердама (Нидерланды), НИИ кардиологии Томского НИМЦ и Сибирского государственного медицинского университета. Работа поддержана грантом по Программе повышения конкурентоспособности ТПУ.

Пресс-служба Томского политехнического университета.

Поделиться: