Сухие электроды из углеродных нанотрубок и графена помогут точнее считывать сигналы ЭКГ

Ученые создали электроды — гибкие композиты, проводящие электричество, — для электрокардиографии (ЭКГ) на основе углеродных нанотрубок и графена. В отличие от использующихся сейчас электродов, для регистрации биопотенциалов организма человека с их помощью не нужен гелевый слой, а потому они точнее и стабильнее непрерывно считывают сердечный ритм в течение многодневного исследования. Разработка поможет эффективнее определять у пациентов наличие или отсутствие ишемической болезни и сердечной недостаточности, а также контролировать работу кардиостимуляторов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Diamond & Related Materials.

Если у человека есть подозрение на сердечную недостаточность или на ишемическую болезнь, врач назначает ему в течение нескольких месяцев носить электрокардиограф (холтер, аппарат ЭКГ), который измеряет электрические импульсы сердечной мышцы — миокарда — при биении сердца. Длительное ношение электрокардиографа показано и в том случае, если у пациента есть кардиостимулятор, чтобы контролировать работу устройства и оценивать эффективность лечения. Современные аппараты ЭКГ работают на основе электродов — проводящих электричество тонких интерфейсов, прилегающих к телу человека, — в основном из чистого серебра и хлорида серебра.

Для обеспечения электропроводящего контакта с эластичной поверхностью кожи такие электроды покрывают слоем электролитного геля. Однако по мере ношения устройства сигнал ЭКГ считывается все хуже и хуже, потому что гелевый слой со временем разрушается из-за контакта с потом человека и механических деформаций. Помимо этого, хлорид серебра при длительном контакте с кожей вызывает аллергические реакции, а чтобы прикрепить такие электроды, нужно удалять волосы с участков кожи и отшелушивать ее верхний слой, что иногда приводит к воспалению. Это также ухудшает сигнал ЭКГ и доставляет дискомфорт пациенту.

Ученые из Национального исследовательского университета МИЭТ (Москва) создали гибкие электроды на основе углеродных наноматериалов, которые не требуют использования геля для регистрации электрокардиограммы.

Сначала исследователи создали жидкую смесь на основе одностенных углеродных нанотрубок, чешуек восстановленного оксида графена и полимера в растворителе. Чтобы равномерно распределить нанотрубки и графен в объеме растворителя, ученые разработали методику многостадийной механической и ультразвуковой обработки. Затем растворитель испаряли, а полученную смесь равномерно распределенных углеродных наноматериалов в матрице полимера наносили в подготовленные круглые формы и обрабатывали лазерным излучением, чтобы сформировать в полимере электропроводящую прочную углеродную сеть.

Ученые проверили, насколько хорошо полученные электроды проводят электрический ток и, соответственно, сигнал ЭКГ и какую механическую нагрузку выдерживают. Все измеренные показатели оказались не ниже, чем у электродов из серебра и хлорида серебра. Также авторы оценили, как на образцы влияет долговременный контакт с человеческим потом. Для этого исследователи приготовили химический состав, имитирующий пот человека, и поместили в него электроды на неделю.

Эксперимент показал, что в таких условиях качество регистрируемого сигнала ЭКГ не ухудшилось. Это означает, что электроды из углеродных нанотрубок и графена в долгосрочной перспективе будут считывать сигнал точнее, чем применяемые сейчас серебряные электроды, ведь для использования изготовленных учеными образцов не нужен электролитный гель, который со временем разрушается. Вдобавок, таким образом уменьшается риск воспалений, а носить прибор будет удобнее. Кроме того, авторы доказали биосовместимость электродов: клетки кожи не теряли жизнеспособность на их поверхности.

«Мы планируем расширить диапазон возможных применений разработанной технологии формирования электродов, например, для регистрации электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Такие электроды позволят избавиться от необходимости нанесения на волосы электролитного геля при измерении ЭЭГ и обеспечат возможность непрерывного мониторинга ЭЭГ в течение длительного времени для выявления серьезных заболеваний нервной системы. Также мы планируем исследования в области создания имплантируемых электродов на различные органы, в том числе из биоразлагаемых материалов. Наша цель — сделать эту технологию доступной для использования пациентами, ведь она позволит усилить точность считывания электрического сигнала при длительном ношении медицинских аппаратов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Герасименко, доктор технических наук, заместитель директора по научной работе Института биомедицинских систем Национального исследовательского университета МИЭТ, заведующий лабораторией биомедицинских нанотехнологий Института бионических технологий и инжиниринга Первого МГМУ имени И.М. Сеченова Минздрава России.