Умно устройство ни изследва чрез потта 24 часа

• Съдържанието е почти идентично с това на кръвта, а пластинката ще е залепена под часовника ни
• Целта на учените от Техническия университет в София е изобретението да служи като ранна превенция и да държи европейците по-далеч от болниците

Ако групата по биомедицинско инженерство в Техническия университет - София, беше стартъп, акциите отдавна щяха да са в небесата заради една изключителна иновация. А именно портативно устройство - около 1 квадратен сантиметър, което прилича на миниатюрна пластинка. Ако го видим някъде около нас, със сигурност ще го подминем, но в това мъниче има толкова много наука и знания, че определено е трудно да си го представим. И обяснението е, че много скоро това умно устройство ще е в състояние да ни прави изследвания, при това само чрез потта. Известно е, че нейното съдържание е подобно на това на кръвта като разликата е, че там е в по-малки концентрации. Да, пластинката прилича на тези за диабетици, при които чрез миниатюрна игличка (нанотехнология) се извлича междуклетъчна течност (интестициална) и по този начин постоянно се следи кръвната захар, но в случая това няма да е необходимо, защото потта съдържа необходимите данни - ориентир за здравословното ни състояние. С други думи, учените създават ново поколение сензорни устройства, а едно от тях проследява биохимичните показатели в организма.

Заварваме групата по биомедицинско инженерство в рамките на "Изследователски университет" в ТУ - София, ръководена от проф. Иво Илиев, на заседание в кабинета му. 

Всичките им идеи ни звучат в стил "това е невъзможно, но ще го направим до петък в 14 ч". След което внимателно правят анализ на известното в световната наука и какво още трябва да установят, за да усъвършенстват миниатюрното умно устройство.

"Разработваме и изследваме биосензори, което е една интердисциплинарна област - необходими са химици, специалисти по микроелектроника, електроника, охарактеризиране на тънки слоеве и приложението за регистриране на различни витални параметри в областта на медицинската апаратура", обясни проф. Илиев пред "24 часа".

"Например сега анализираме състава на човешката пот, за да направим заключения за здравословното състояние на човек", обясни доц. Мария Александрова. Тя добави, че ако тези анализи бъдат извършени прецизно, това ще позволи ранно диагностициране, което може да послужи и като превенция на потенциални бъдещи заболявания. Така човек ще може да предприеме необходимите мерки навреме и да се предотврати възможното възникване на здравословни проблеми."

Групата от амбициозни учени се е обединила около идеята, че "пластинката" трябва да е от типа устройства, популярни като wearable.

"Така са оформени, че да не предизвикват дискомфорт в нормални дейности", отбелязва проф. Илиев. Тоест те могат да са прикрепени към тялото, под часовник, гривна и др., без да ни пречат.

Задачата на химика в групата доц. Боряна Цанева е да проучи кои материали имат чувствителност към определени вещества, циркулиращи в човешката пот и как чрез тях могат да се "уловят" повече показатели. Специалистите от микроелектрониката пък са натоварени с развитието на една доста сложна технология, която да осигури получаването на покрития от всички тези материали, които ще идентифицират показателите в картината на потта. Тази сплав трябва да е така "конструирана", че да отразява точно реалните данни, без да се допуска изкривяване на информацията в една или друга посока.

"Става дума за фини покрития на атомно ниво", отбеляза доц. Мария Александрова, след което ни покани с целия екип в лабораторията по фотолитография в катедра "Микроелектроника", за да видим как става всичко това. Устройство впръсква върху пластината фин слой миниатюрни и едва забележими капчици.

Когато доц. Александрова ни показа мостра на пластинката, обикновеният ум наистина трудно може да си представи колко много фундаментална и приложна наука е концентрирана в това мъничко парченце.

И ако технологията е работа на специалистите по микроелектроника, химиците като Боряна Цанева трябва да тестват и доколко различните материали са устойчиви на човешка пот, за да проверят и тяхната дълготрайност. Но също така трябва да установят и чувствителността им към различни компоненти.

Разбира се, засипахме учените с всякакви въпроси - дали ще може да се тестват нивата на магнезий, на витамин D, чийто дефицит все по-често се свързва с много заболявания, калций и др. Оказа се, че може, но проф. Илиев побърза да уточни, че задачата на проекта не е да конкурира лабораториите и кръвните тестове, а по-скоро да засече навреме гранични стойности, които да служат като едно много ранно предупреждение да се направи по-сериозно клинично изследване.

От научна гледна точка иновацията ще е безспорен пробив в областта на превенцията, защото това ще е смартустройство, което ще е в състояние да ни следи и когато сме будни, и когато спим. Да, то няма да ни пречи, защото ще е гъвкаво, а дебелината на чувствителните към потта слоеве ще е само няколкостотин нанометра, или стотина пъти по-тънки от човешки косъм.

Но това съвсем не е всичко и пред учените все още има много предизвикателства. Проф. Валентин Матеев характеризира тези сензорни слоеве в микро- и наномащаб, за да се установят повърхностните им електромагнитни свойства. Така могат да се оптимизират новите сензорни структури.

Именно тези сензорни структури са контактната точка - там устройството влиза във взаимодействие с изследвания биологичен обект и започва най-сложната част - съгласуването, моделирането и разчитането на състава на различни среди. Истинско майсторство, като се има предвид, че в тях протичат различни процеси - електрически, химически, биохимически. Благодарение на това се осигурява много богат набор от лабораторни данни, които генерират непрекъснат поток, отчитайки пълния набор от промени в условията, времето, динамиката и др.

Как става магията? Когато се разработва материал, той се тества в серия от стандартни разтвори и един от тях е изкуствената пот. От реакциите му се съди дали заслужава да попадне в селекцията на учените, или не.

"Във финалния вариант на разработката устройството трябва да визуализира стойностите на измерените параметри - обяснява проф. Илиев. - Най-вероятно данните ще се предават, както при смартчасовниците, към телефона. Възможно е и тези сензори да се оцветяват по различен начин - ако се надхвърли даден праг, и така да се сигнализира, че има някакво превишение на обичайните показатели и да се обърне по-сериозно внимание."

Но по пътя към иновацията учените срещат и много препятствия.

"Редица биологично важни вещества в кръвната плазма излизат на повърхността през кожата чрез потта - обяснява доц. Цанева. - Проблемът е, че тези вещества са в много ниски концентрации и това налага да използваме по-чувствителни материали, за да ги регистрираме и измерим количествено, което се постига лесно с един кръвен тест." За учените това е едно от основните предизвикателства, защото дори повишение на стойностите на натриевия хлорид в потта може да е индикация за проблем с хидратацията и кистозна фиброза. Други вещества, които могат да се определят от подобен сензор, са лактатът и кортизолът като индикатори за нивото на умора, стрес и някои опасни заболявания, уреята - за проследяване на бъбречната функция, глюкозата за управление на диабета, и др.

Тоест необходима е прецизност при установяването на данните и за целта се прави серия от контролни тестове и проверки.

Към всички тези предизвикателства се добавя още едно.

"Необходим е сензор с технология, съвместима с тази за изработка на чиповете, защото системата, която ще обработва сигналите, и елементът, който ги предоставя, е най-добре да бъдат унифицирани", отбелязва доц. Мария Александрова.

Според проф. Илиев това ще е нещо подобно на микроконтролер с вграден безжичен интерфейс, за да приеме данните от сензора, да ги обработи и да ги предаде на разстояние към телефона.

Но освен че самото устройство е изключително сложно, талантливите учени сами са си поставили още едно предизвикателство и то е всичко, свързано с производството, да е биосъвместимо и екологично чисто.

"Важно е да няма вторични продукти на химични реакции, които се отделят по време на обработките", усмихва се доц. Александрова.

Екипът на проф. Илиев пък си е поставил за цел миниатюрната джаджа да е енергийно ефективна и подходяща за дълготрайна употреба. Въобще едно сложно уравнение с много и различни променливи, но амбициозният екип на ТУ - София, с усмивка се справя с непрекъснатите предизвикателствата, обединен от благородната идея да подпомогне превенцията на различни заболявания.

"Искаме всички да стоим колкото се може по-далеч от болниците - казва проф. Илиев. - Не е необходимо непрекъснато да правим скъпоструващи изследвания, ако устройството установи в потта нещо, което е извън норма, тогава може да се провери само то. Целта е да се направи навреме - при първите признаци, а не да се чака моментът, когато може да е прекалено късно." В научния колектив са привлечени и доц. Георги Николов - специалист в областта на измервания в електрониката, гл. ас. Божидар Стефанов - с отлични теоретични познания и практически умения за отлагане на тънки слоеве върху гъвкави подложки, както и младите учени - докторантите Раде Томов и Николай Томчев. Една чудесна и много полезна иновация не само за българските граждани, а и за всички в ЕС. Още повече че тя е с далечен прицел в бъдещето. Днес е трудно да изчислим как превенцията би намалила разходите за болнично лечение на здравните каси в Европа, но подобни пробиви в науката със сигурност са правилният път към едно по-здраво и проспериращо общество.