Исследователи использовали светопроводящие свойства шелка паука для разработки датчика, который может обнаруживать и измерять концентрацию сахара на основе показателя преломления. Датчик сделан из шелка гигантского древесного паука Nephila pilipes, который был окутан биосовместимой фотоотверждаемой смолой, а затем дополнен биосовместимым нанослоем золота. Авторы и права: Ченг-Ян Лю, Национальный университет Ян Мин Цзяодун.

«Датчики глюкозы имеют решающее значение для людей с диабетом, но эти устройства, как правило, инвазивны, неудобны и нерентабельны», — сказал руководитель исследовательской группы Ченг-Ян Лю из Национального университета Ян Мин Цзяо Тунг на Тайване. «Поскольку шелк паука привлекает внимание своими превосходными оптомеханическими свойствами, мы хотели изучить возможность использования этого биосовместимого материала для оптического обнаружения различных концентраций сахара в режиме реального времени».

Лю и его коллеги из Тайваньского научно-исследовательского института приборостроения и Тайбэйского медицинского университета описывают свой новый датчик в журнале Biomedical Optics Express. Они показывают, что его можно использовать для определения концентрации фруктозы, сахарозы и сахаров глюкозы на основе изменений показателя преломления раствора. Шелк паука идеально подходит для этого применения, потому что он не только может передавать свет, как оптическое волокно, но также очень прочен и эластичен.

«Наш новый волоконно-оптический датчик сахара на основе паутины практичный, компактный, биосовместимый, экономичный и высокочувствительный», — сказал Лю. «При дальнейшем развитии это может привести к созданию более качественных устройств медицинского мониторинга на дому, а также устройств для диагностики и тестирования в местах оказания медицинской помощи».

От шелка к датчику

Чтобы сделать датчик, исследователи собрали шелк паука драглайна от гигантского лесного паука Nephila pilipes, который является родным для Тайваня. Они покрыли шелк диаметром всего 10 микрон биосовместимой фотоотверждаемой смолой и затвердели, чтобы сформировать гладкую защитную поверхность. В результате была создана структура оптического волокна диаметром 100 микрон, в которой шелк паука выступал в качестве сердцевины, а смола — в качестве оболочки. Затем они добавили биосовместимый нанослой золота, чтобы улучшить чувствительные способности волокна.

Этот процесс сформировал нитевидную структуру с двумя концами. Чтобы использовать волокно для проведения измерений, исследователи погрузили один конец в образец жидкости, а другой конец подключили к источнику света и спектрометру. Это позволило исследователям определить показатель преломления раствора и использовать его для определения типа сахара и его концентрации.

« Датчик сахара на основе паучьего шелка многоразовый, экономичный, простой в использовании и обеспечивает обнаружение в режиме реального времени», — сказал Лю. «Более того, поскольку он компактен, он может обеспечить доступ к труднодоступным областям, таким как мозг и сердце. Также есть надежда, что при дальнейшем развитии этот волоконно-оптический датчик сахара на основе шелка можно будет использовать в имплантируемых медицинских устройствах и стратегии лечения в биомедицинских приложениях».

Стабильные, точные показания

Чтобы проверить воспроизводимость и стабильность датчика с течением времени, исследователи использовали его для измерения растворов с неизвестными концентрациями фруктозы, сахарозы или сахаров глюкозы при комнатной температуре. Каждое измерение повторяли 10 раз с 5-минутными интервалами.

Чтобы количественно определить характеристики волоконно-оптического датчика на основе шелка, исследователи сравнили спектры интенсивности света, создаваемые датчиком, с измерениями показателя преломления, полученными с помощью коммерческого рефрактометра. Датчик смог как определить тип сахара в растворе, так и дать показания концентрации.

«Точность измерений и чувствительность датчиков, которых мы достигли, позволяют предположить, что датчик может точно оценить концентрацию неизвестного раствора сахара», — сказал Лю. «Более того, чувствительность предлагаемого нами датчика полностью охватывает диапазон концентраций сахара в крови человека».

Прежде чем датчик можно будет использовать для измерений в режиме реального времени в клинике или в домашнем устройстве, необходимо повысить его точность и повысить его устойчивость к изменениям окружающей среды, чтобы его можно было использовать в течение более длительных периодов времени.

Исследователи также работают над программным обеспечением, которое позволит использовать датчик с мобильными устройствами для считывания показаний по месту оказания медицинской помощи. Они также хотят расширить функциональные возможности датчика, чтобы его можно было использовать для измерения различных биохимических компонентов в крови человека, таких как лактоза и жир.