Исследование биоэлектродов на основе восстановленного оксида графена

В настоящее время сердечно-сосудистые заболевания являются одной из главных причин смертей, поэтому важно вовремя обнаружить отклонения в работе сердечно-сосудистой системе и вовремя предпринять необходимые меры. Существующие биоэлектроды Ag/AgCl требуют использование электролитического геля для проведения измерений и достаточно ограничены во времени использования. Часто же для обнаружения болезней сердца необходим длительный мониторинг. Углеродные материалы широко применяются в гибкой биоэлектронике, поэтому нами были разработаны и исследованы биоэлектроды на основе восстановленного оксида графена. Разработанные биоэлектроды химически и механически стабильны, способны проводить длительный мониторинг и давать отличный сигнал.

Введение 11

1 Обзор литературы 13

1.1 Биоэлектроды 13

1.2 Углеродные материалы и оксид графена 19

1.3 Гидрогели 22

2 Объект и методы исследования 31

2.1 Нанесение оксида графена и его восстановление 31

2.2 Подготовка поверхности ВОГ для носимых датчиков 31

2.3 Сборка носимых датчиков 32

2.4 Стабильность в буферных растворах 32

2.5 Электрические характеристики ОГ биоэлектродов 34

2.6 Характеристика электродов 35

2.6.1 Спектроскопия комбинационного рассеяния 35

2.6.2 ИК-спектроскопия 35

2.6.3 Сканирующая электронная микроскопия 35

2.6.4 Оптическая микроскопия 35

2.6.5 Атомно-силовая микроскопия 36

2.6.6 Испытание на добровольце 36

2.7 Формирование соединения ВОГ и гидрогеля 37

2.7.1 Нанесение ОГ на подложку и восстановление в печи 37

2.7.2 Соединение восстановленного оксида графена с гидрогелем при
помощи плазмы 37

2.7.3 Снятие соединения ВОГ + гидрогель с подложки, 38

2.7.4 Краевой угол смачивания 38
3 Результаты проведенного исследования 39

3.1 Восстановление ОГ 39

3.2 Стабильность биоэлектродов 40

3.3 Модификация структуры 44

3.4 Тестирование на коже 46

3.5 Восстановление оксида графена в печи 48

3.6 Влияние плазмы на восстановленный оксид графена и оксид графена 50

3.7 Качество соединения ВОГ + гидрогель и ОГ + гидрогель 52

4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 59

4.1 Предпроектный анализ 59

4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 59

4.1.2 SWOT-анализ 63

4.1.3 Оценка готовности проекта к коммерциализации 64

4.2 Инициация проекта 66

4.2.1 Цели и результаты проекта 66

4.2.2 Организационная структура проекта 67

4.3 Бюджет научного исследования 70

4.3.1 Сырье, материалы, специальное оборудование, покупные изделия 70

4.3.2 Основная заработная плата 71

4.3.3 Дополнительная заработная плата научно-производственного
персонала 72

4.3.4 Отчисления на социальные нужды 73

4.3.5 Накладные расходы 73

4.3.6 Оценка сравнительной эффективности исследования 74

Вывод по разделу 4 76
5 Социальная ответственность 78

5.1 Производственная безопасность 79

5.2 Анализ выявленных вредных и опасных факторов: 80

5.2.1 Вредные факторы: 80

5.2.2 Опасные факторы: 92

5.3 Пожарная безопасность 98

5.4 Экологическая безопасность 101

5.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях (ЧС) 102

5.6 Перечень нормативно-технической документации, использованной в
разделе «СО» 104

Заключение 105

Список публикаций студента 107

Список используемых источников 108

Приложение II 116

Обзор литературы показал, что данное исследование является актуальным
и позволит проводить длительные измерения ЭКГ без необходимости
использования геля. Восстановленный оксид графена является передовым 2Д
материалом, обладающим отличной проводимостью, химической
стабильностью и прочностью.
Как выяснилось, электроды из восстановленного оксида графена остаются
стабильными к агрессивным средам, в которых они могут быть использованы.
Это значит, что данные электроды могут использоваться для длительного
ношения на теле человека. Также электроды хорошо гнутся, что говорит о
возможности использования на теле человека при сгибании на небольшие
диаметры. Рамановская и ИК спектроскопия показали отсутствие важных
изменений в химическом составе поверхности после растворов с разными
водородными показателями. Механическая стабильность была доказана
помещением образов в УЗ ванну. Исходя из чего можно сделать вывод о том,
что под действием лазера и проплавления поверхности пластика образуется
композит пластика и восстановленного оксида графена. Данный факт объясняет
водную стабильность электродов.
После проведения тестов на человеке и сравнения результатов ЭКГ
биоэлектрода ВОГ и электрода Ag/AgCl стало ясно, что изготовленные нами
электроды обладают выгодно отличаются от обычных биоэлектродов. Также
это подтверждено рядом преимуществ по сравнению с действующей
технологией, включая длительную эксплуатацию и возможность использовать
биоэлектроды ВОГ без необходимости использования гелеобразного
электролита.
Внедрение в систему восстановленного оксида графена гидрогеля
позволит получить гибкие и эластичные электроды и антенны, которые можно
будет использовать как на теле, так и внутри. Исследование влияния плазмы,
необходимой для полимеризации гидрогеля и самого гидрогеля на ВОГ
показало, что плазма незначительно изменяет проводимость слоя ВОГ. Также
была проверена стабильность соединения ВОГ+гидрогель в воде и в
агрессивных средах. Сопротивление оказалось стабильным, что говорит о том,
что среды не влияют на проводимость, однако есть некоторые изменения в
спектрах ИК.
Такой материал как восстановленный оксид графена отлично подходит
для медицинских применений, он является дешевым, гибким, отлично
проводящим и не требует использования электролитического геля.
Технология лазерного восстановления ОГ обладает не только
превосходной стабильностью измерений, но и является недорогой, совместима с
гибкой электроникой и крупномасштабным обрабатываемым производством,
что стимулирует ее широкое применение в клинических условиях.
За помощь в некоторых экспериментах хочется поблагодарить Мурастова
Г., Липовку А., Догадину Е., Черепнева А., Ананьеву А., Бразовского К.
Список публикаций

Ma B. -. , Rodriguez Contreras R. -. , Bogatova E. G. , Ruban A. S. , Turanov
S. B. , Valiev D. T. , Sheremet E. S. Non-invasive monitoring of red beet
development // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular
Spectroscopy. – 2019 – Vol. 212. – p. 155-159.
G. Murastov, E. Bogatova, K. Brazovskiy, I. Amin, A. Lipovka, E. Dogadina, A.
Cherepnyov, A. Ananyeva, E. Plotnikov, V. Ryabov, E. Sheremet, and R. D.
Rodriguez. Flexible and water-stable graphene-based electrodes for long-term use in
bioelectronics. (статья подана в редакцию)