Исследование биоэлектродов на основе восстановленного оксида графена

Богатова, Елена Геннадьевна Отделение электронной инженерии (ОЭИ)
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

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

В последнее время биоэлектроды широко применяются в медицине. Они
используются в диагностике, терапии, определении процента жировой ткани. В
большинстве из этих случаев необходимо только кратковременное
использование электрода. Наиболее распространенными электродами являются
биоэлектроды Ag/AgCl, однако они имеют ограниченный срок службы, так как
их обезвоживание генерирует шум и другие артефакты. Поэтому Ag/AgCl плохо
подходит для дальнейшего развития биосовместимой электроники. Также
недостатком данных электродов является необходимость использования геля,
который уменьшает влияние кожи на импеданс, делая её сухой слой
ионопроводящим. Носимые электронные датчики и устройства требуют
длительного использования в условиях, когда гели не подходят.
Альтернативой являются сухие электроды, которые позволяют
проводить измерения без подготовки кожи и использования геля. Они имеет
следующие преимущества: меньшее сопротивление и лучшая стабильность.
Углеродные материалы широко используются в качестве биоэлектродов
благодаря их отличным химическим и физическим свойствам, а также простой
обработке и относительной дешевизне.
Электроды на углеродной основе способны выдерживать суровые
химические условия, обладают высокой прочностью, имеют хорошее
сопротивление, электропроводность, теплопроводность. Эти уникальные
свойства делают углеродные электроды пригодными для химических и
биологических применений.
Мы впервые предлагаем использовать восстановленный оксид графена в
качестве нового углеродного биоэлектродного материала. Он имеет низкую
стоимость и позволяет создавать гибкие электроды, обеспечивая их лучшее
прилегание к коже. Оксид графена обеспечивает повышенную плотность
функциональных групп, что облегчает иммобилизацию ферментов и высокий
контроль над свойствами поверхности. Главное внимание направлено на
долгосрочную механическую и химическую стабильность. В связи с этим
предлагается одноэтапное изготовление поверхности композитного электрода,
проявляющего долговременную стабильность при различных рН и на коже
пациента.
Создание соединения восстановленного оксида графена с гидрогелем
позволит получить гибкий носимый биоэлектрод, который позволит проводить
измерения как на коже, так и внутри человека. Гидрогель будет выполнять роль
подложки для электрода, что увеличит его механическую стабильность.
Исследование проводилось научной группой ТПУ TERS-Team при
консультативной поддержке НИИ Кардиологии в Томске, исследование
влияния плазмы и гидрогелей проводилось в Институте плазмы и технологии
им. Лейбница в г. Грайфсвальд, Германия.
Предмет исследования: разработка и исследование биоэлектродов на
основе восстановленного оксида графена и создание соединения ВОГ с
гидрогелем.
Объектом исследования являются биоэлектроды на основе
восстановленного оксида графена.
Проведенное исследование позволит внедрить новые биоэлектроды на
основе ВОГ, которые позволят снимать ЭКГ в течение длительного времени. В
дальнейшем планируется продолжение исследования и введение электродов в
эксплуатацию.
1 Обзор литературы
1.1 Биоэлектроды

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)

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Последние выполненные заказы

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Шагали Е. УрГЭУ 2007, Экономика, преподаватель
    4.4 (59 отзывов)
    Серьезно отношусь к тренировке собственного интеллекта, поэтому постоянно учусь сама и с удовольствием пишу для других. За 15 лет работы выполнила более 600 дипломов и... Читать все
    Серьезно отношусь к тренировке собственного интеллекта, поэтому постоянно учусь сама и с удовольствием пишу для других. За 15 лет работы выполнила более 600 дипломов и диссертаций, Есть любимые темы - они дешевле обойдутся, ибо в радость)
    #Кандидатские #Магистерские
    76 Выполненных работ
    Дмитрий М. БГАТУ 2001, электрификации, выпускник
    4.8 (17 отзывов)
    Помогаю с выполнением курсовых проектов и контрольных работ по электроснабжению, электроосвещению, электрическим машинам, электротехнике. Занимался наукой, писал стать... Читать все
    Помогаю с выполнением курсовых проектов и контрольных работ по электроснабжению, электроосвещению, электрическим машинам, электротехнике. Занимался наукой, писал статьи, патенты, кандидатскую диссертацию, преподавал. Занимаюсь этим с 2003.
    #Кандидатские #Магистерские
    19 Выполненных работ
    Елена С. Таганрогский институт управления и экономики Таганрогский...
    4.4 (93 отзыва)
    Высшее юридическое образование, красный диплом. Более 5 лет стажа работы в суде общей юрисдикции, большой стаж в написании студенческих работ. Специализируюсь на напис... Читать все
    Высшее юридическое образование, красный диплом. Более 5 лет стажа работы в суде общей юрисдикции, большой стаж в написании студенческих работ. Специализируюсь на написании курсовых и дипломных работ, а также диссертационных исследований.
    #Кандидатские #Магистерские
    158 Выполненных работ
    Анна Александровна Б. Воронежский государственный университет инженерных технол...
    4.8 (30 отзывов)
    Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственно... Читать все
    Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственном университете инженерных технологий.
    #Кандидатские #Магистерские
    66 Выполненных работ
    Екатерина С. кандидат наук, доцент
    4.6 (522 отзыва)
    Практически всегда онлайн, доработки делаю бесплатно. Дипломные работы и Магистерские диссертации сопровождаю до защиты.
    Практически всегда онлайн, доработки делаю бесплатно. Дипломные работы и Магистерские диссертации сопровождаю до защиты.
    #Кандидатские #Магистерские
    1077 Выполненных работ
    Анна С. СФ ПГУ им. М.В. Ломоносова 2004, филологический, преподав...
    4.8 (9 отзывов)
    Преподаю англ язык более 10 лет, есть опыт работы в университете, школе и студии англ языка. Защитила кандидатскую диссертацию в 2009 году. Имею большой опыт написания... Читать все
    Преподаю англ язык более 10 лет, есть опыт работы в университете, школе и студии англ языка. Защитила кандидатскую диссертацию в 2009 году. Имею большой опыт написания и проверки (в качестве преподавателя) контрольных и курсовых работ.
    #Кандидатские #Магистерские
    16 Выполненных работ
    Анна Н. Государственный университет управления 2021, Экономика и ...
    0 (13 отзывов)
    Закончила ГУУ с отличием "Бухгалтерский учет, анализ и аудит". Выполнить разные работы: от рефератов до диссертаций. Также пишу доклады, делаю презентации, повышаю уни... Читать все
    Закончила ГУУ с отличием "Бухгалтерский учет, анализ и аудит". Выполнить разные работы: от рефератов до диссертаций. Также пишу доклады, делаю презентации, повышаю уникальности с нуля. Все работы оформляю в соответствии с ГОСТ.
    #Кандидатские #Магистерские
    0 Выполненных работ
    Елена Л. РЭУ им. Г. В. Плеханова 2009, Управления и коммерции, пре...
    4.8 (211 отзывов)
    Работа пишется на основе учебников и научных статей, диссертаций, данных официальной статистики. Все источники актуальные за последние 3-5 лет.Активно и уместно исполь... Читать все
    Работа пишется на основе учебников и научных статей, диссертаций, данных официальной статистики. Все источники актуальные за последние 3-5 лет.Активно и уместно использую в работе графический материал (графики рисунки, диаграммы) и таблицы.
    #Кандидатские #Магистерские
    362 Выполненных работы
    Сергей Н.
    4.8 (40 отзывов)
    Практический стаж работы в финансово - банковской сфере составил более 30 лет. За последние 13 лет, мной написано 7 диссертаций и более 450 дипломных работ и научных с... Читать все
    Практический стаж работы в финансово - банковской сфере составил более 30 лет. За последние 13 лет, мной написано 7 диссертаций и более 450 дипломных работ и научных статей в области экономики.
    #Кандидатские #Магистерские
    56 Выполненных работ

    Другие учебные работы по предмету