Это принципиально важно для мониторинга состояния больных сахарным диабетом малоинвазивными и неинвазивными носимыми устройствами, исключая необходимость их калибровки, связанной с отбором крови. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Biosensors and Bioelectronics.
По данным Международной федерации диабета, во всем мире сахарным диабетом страдает 590 млн человек. Это заболевание, выходящее на седьмое место по смертности, опасно своими осложнениями, такими как атеросклероз, слепота, почечная недостаточность и другие. Сахарный диабет до сих пор практически неизлечим, однако отсрочить осложнения возможно, поддерживая концентрацию глюкозы в крови в необходимом диапазоне.
Людям с заболеванием необходимо несколько раз в день контролировать концентрацию глюкозы. Чтобы избежать травматизма и инфицирования, связанных с отбором крови, все большее внимание привлекают малоинвазивные и неинвазивные носимые устройства. Имеющиеся на рынке устройства основаны на биосенсорах, имплантируемых в тело на глубину 5 мм, для непрерывного мониторинга глюкозы, как утверждается, в тканевой жидкости. Проблемой большинства таких устройств остается необходимость ежедневной их калибровки путем отбора крови.
Принцип работы большинства глюкозных биосенсоров, в том числе тех, что используются в клинических анализаторах, заключается в детектировании пероксида водорода (Н2О2) — продукта реакции окисления глюкозы, катализируемой ферментом глюкозооксидазой. Однако окисление пероксида водорода на платине, предложенное еще в 1970-х годах и применяемое до сих пор, осложнено ложноположительным сигналом на восстановители, например витамин С, мочевину, которые могут давать отклик, сравнимый с реакцией на глюкозу. Двукратное завышение ее концентрации опасно тем, что разница между нормой и содержаниями, при которых наблюдалась диабетическая кома,— менее полутора раз.
Еще в 1994 году ученые из Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова представили электрокатализатор, позволяющий детектировать пероксид водорода по его восстановлению, решая, таким образом, проблему ложноположительного сигнала. Кроме высокой селективности специально синтезированная берлинская лазурь (гексацианоферрат железа) характеризуется по сравнению с платиной в 1000 раз более высокой чувствительностью, позволяя анализировать не только кровь, где концентрация глюкозы достаточно высока, но и экскреторные жидкости, например пот, закладывая основы неинвазивного анализа — без прокалывания кровеносных сосудов и повреждения кожных покровов.
В новой работе ученые получили композитный материал путем совместного синтеза гексацианоферратов железа и никеля. Задачей была стабилизация электрокатализатора гексацианоферратом никеля на микроуровне. Синтез проводился на границе раздела фаз «электрод—раствор» — области, где происходит электрохимическое взаимодействие между твердым электродом и жидкой средой. Согласно данным электронной микроскопии, кристаллы композита, заполняющие всю поверхность электрода, в пять-шесть раз больше кристаллов берлинской лазури. Мало уступая чистой берлинской лазури по каталитической активности, композит в десятки раз превосходит ее по операционной стабильности. Глюкозный биосенсор, созданный путем нанесения глюкозооксидазы поверх композитного электрокатализатора, не терял чувствительности на протяжении более трех суток непрерывного мониторинга физиологической концентрации глюкозы.
«Применение разработанного ультрастабильного электрокатализатора позволит создать некалибруемые как малоинвазивные, так и неинвазивные мониторы сахарного диабета»,— рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Аркадий Карякин, доктор химических наук, профессор химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.
Подготовлено при поддержке Российского научного фонда