На кафедре аналитической химии Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского федерального университета создана проточная электрохимическая ячейка из полимолочной кислоты. С ее помощью можно проводить анализы веществ, применяемых в медицине для диагностики и лечения заболеваний.

«Нами освоен полный производственный процесс, включающий печать на 3D-принтере электрохимической ячейки и электродов к ней, модификацию биологическими компонентами ее реактора, а также анализ биологических жидкостей с использованием этой ячейки», – сообщил автор разработки, аспирант Химического института КФУ Дмитрий Стойков.    

Электрохимическая ячейка представляет собой устройство, состоящее из емкости с токопроводящим раствором и электродов, для осуществления электрохимических реакций.

Молодой ученый объяснил, почему в качестве основного материала для ячейки была выбрана полимолочная кислота, которая для создания таких устройств ранее не применялась.

«Полимолочная кислота (она же полилактид) – это экологически чистый, биоразлагаемый пластик. Он легко разлагается на безопасные компоненты в естественных условиях. Однако самое важное его качество для нашей работы – биосовместимость, то есть способность материала "встраиваться" в организм без побочных действий. Мы используем эту его особенность для совмещения материала с биологическими молекулами, в частности с ферментами, которые легко иммобилизуются на внутренней поверхности ячейки в специальном резервуаре», – рассказал Дмитрий.

Он также сообщил, что проточная электрохимическая ячейка отличается от обычной тем, что раствор не находится внутри неподвижно, а протекает через нее безостановочно за счет работы шприцевого насоса. Это позволяет конвейерно подавать большое количество анализируемых веществ, не останавливая работу системы.

«Когда какое-либо вещество протекает через ячейку, электрод, помещенный внутрь, дает определенный отклик (сигнал). Но этот сенсор способен распознать не все вещества. Чтобы решить проблему, нами был разработан особый внутренний резервуар для ячейки. На него наносятся различные ферменты, катализирующие разложение неопределяемых веществ на те, которые электрод способен "почувствовать"», – объяснил аспирант. 

Ячейка имеет небольшие размеры (4,5 см; 2,5 см; 2,5 см) и позволяет проводить до 15 измерений в час.

«Обычно емкость электрохимической ячейки – это лишь корпус. В нашем случае модифицированная ферментом поверхность ячейки принимает непосредственное участие в химическом процессе, – говорит молодой исследователь. – Внутренняя часть ячейки (резервуар, который подвергается модификации ферментами) называется реактор. Эта деталь изготавливается отдельно, ее легко заменить. Каждый реактор модифицируется под конкретные нужды. Выбирается анализируемое вещество, затем к нему подбирается подходящий реактор. Если собрать "батарею" из нескольких подобных ячеек с разными реакторами, то можно за одно измерение анализировать целый ряд соединений. С помощью такой проточной системы можно определять уровень метаболитов и биомаркеров заболеваний в биологических жидкостях».

Созданием печатной электрохимической ячейки со сменным реактором Дмитрий Стойков занимался в рамках своей диссертационной работы «Электрохимические ДНК-сенсоры на основе полимеризованных тиазиновых красителей», которую он пишет под руководством заведующего кафедрой аналитической химии, профессора Геннадия Евтюгина.

«Разработанная нами электрохимическая система продемонстрировала свою эффективность при анализе модельных растворов биологических жидкостей (искусственной урины и искусственной сыворотки крови). Мы определяли уровень мочевой кислоты и тирозина –- биомаркеров, высокие концентрации которых говорят о развитии мочекаменной болезни и патологии органов пищеварения. На наш взгляд, систему можно использовать для анализа реальных биологических объектов – естественных биологических жидкостей», – проинформировал аспирант.

Также он сообщил, что с помощью созданной в КФУ ячейки можно определять концентрацию в биологических жидкостях человека лекарств, применяемых при лечении нейродегенеративных заболеваний. Это поможет устанавливать индивидуальную дозу медицинского препарата, анализируя скорость его выведения из организма и концентрацию в крови.

Поскольку биосовместимые компоненты ячейки изготавливаются с помощью 3D-печати, они имеют низкую себестоимость. Кроме того, их легко можно адаптировать, создавая на их основе приборы, а также простые аналитические устройства для использования вне лечебного учреждения.