Žmogaus kvėpavimas šiandien – ne tik gyvybės ženklas, bet ir informacijos šaltinis. Kauno technologijos universiteto (KTU) mokslininkai kuria itin jautrius, voratinklį primenančius jutiklius, kurie gali aptikti net labai mažus dujų kiekius. Tokia technologija ateityje galėtų veikti mažuose, nešiojamuose prietaisuose ir greitai, paprastai bei neinvaziškai padėti stebėti organizmo būklę – nuo kasdienės savijautos iki galimų sveikatos pokyčių.
„Kvėpavimas – tarsi labai greita organizmo „ataskaita“: su oru iškvepiame šimtus lakiųjų molekulių, kurių dalis kinta, kai keičiasi metabolizmas ar vyksta uždegimas“, – teigia Kauno technologijos universiteto (KTU) Medžiagų mokslo instituto vyriausiasis mokslo darbuotojas, Technologinių ir fizinių mokslų ekscelencijos centro (TiFEC) mokslininkas dr. Simas Račkauskas.
Nanovielų (arba plačiau – 1D nanodarinių) tinklai KTU mokslininkų kuriamuose jutikliuose veikia tarsi laidus, „porėtas“ voratinklis: kadangi juos sudaro labai plonytės vielutės, tai suteikia milžinišką paviršiaus plotą, todėl net labai mažas dujų kiekis gali pastebimai pakeisti elektrinį laidumą, kurį jutiklis ir užfiksuoja.
Tokie jutikliai, pasak S. Račkausko, patrauklūs ten, kur reikia didelio jautrumo ir mažų energijos sąnaudų – ne tik sveikatos srityje, bet ir tiriant oro kokybę, užtikrinant pramoninę saugą, atliekant maisto kokybės ir šviežumo stebėseną, taip pat – išmaniųjų namų sistemose.
Iškvepiamas oras – skirtingos sudėties
KTU mokslininkai dirba su azoto oksidu, acetonu ir kitomis lakiomis dujomis, esančiomis iškvėptame ore.
„Ypač svarbi molekulė yra acetonas. Jis susidaro riebalų apykaitoje, todėl jo daugiau būna esant ketozės būsenai (pvz., nevalgant, laikantis mažai angliavandenių dietos), todėl jis plačiai tyrinėjamas kaip neinvazinis rodiklis, susijęs su diabeto kontrole ir diabetinės ketoacidozės rizika“, – sako S. Račkauskas.
Acetonas aktualus ir sporto moksle: tyrimų duomenys atskleidžia, kad iškvėpto acetono pokyčiai gali atspindėti tai, kiek organizmas remiasi riebalų oksidacija treniruotės metu ar po dietos pokyčių.
„Kitas lakus junginys – azoto oksidas. Klinikinėje praktikoje plačiausiai naudojamas iškvepiamas azoto monoksidas kaip neinvazinis kvėpavimo takų uždegimo (ypač tam tikro tipo astmos) žymuo, padedantis vertinti gydymo poreikį ir eigą. NO₂ (azoto dioksidas) svarbus sveikatos technologijose, nes prisideda prie didesnio tikslo: galime sukurti jutiklių tinklus ir paviršiaus chemiją, kad ateityje būtų galima patikimai „skaityti“ kvėpavimo sudėtį nešiojamuose prietaisuose“, – pasakoja KTU mokslininkas.
Padėtų nustatyti tam tikras ligas
S. Račkauskas pabrėžia, kad jutiklis dažniausiai nematuoja ligos tiesiogiai. Jis matuoja kvėpavimo ore esančių dujų ir lakiųjų junginių koncentracijas arba jų bendrą kvėpavimo parašą, o tada statistika ir dirbtinis intelektas ieško dėsningumų, kurie būdingi tam tikrai būklei.
Jau minėta, kad kvėpavimo jutikliai aktualūs kalbant apie diabetą ir diabetinę ketoacidozę, astmą ir kitas būkles, susijusias su kvėpavimo takų uždegimu.
„Klinikoje jau naudojamas iškvepiamas azoto monoksidas (FeNO) kaip neinvazinis uždegimo biomarkeris, ypač tam tikriems astmos tipams. Tai yra geras pavyzdys, kad kvėpavimo rodikliai gali turėti realią klinikinę vertę“, – pastebi KTU mokslininkas.
Yra mokslinių darbų, kuriuose iškvepiamas acetonas siejamas ir su širdies nepakankamumu, ir su sunkumu, taip pat prognostika.
„Elektroninės nosies metodai, matuojantys kvėpavimo parašą, yra aktyviai tiriami kaip atrankos arba greito nukreipimo priemonė ir nustatant vėžį, ypač – plaučių. Tačiau šioje srityje reikalinga didelė klinikinė validacija ir standartizacija, nes realiame pasaulyje sąlygos labai įvairios“, – sako S. Račkauskas.
Negalutinis ligos patvirtinimas
KTU mokslininkas tikina, kad kvėpavimo parašo analizė buvo intensyviai tiriama ir COVID-19 pandemijos metu, tad mokslininkų kuriami jutikliai galėtų būti aktualūs ir nustatant tam tikras infekcijas, pandemijos metu ir siekiant ją suvaldyti.
„Jie gali būti perspektyvūs kaip greitas atrankinis metodas, kai reikia patikrinti daug žmonių ir nieko nelaukiant atskirti tikėtinus atvejus nuo mažai tikėtinų. Kvėpavimo analizė čia patraukli, nes ji greita ir neinvazinė“, – teigia S. Račkauskas.
Tačiau svarbu suprasti, kad dažniausiai tai tik greitas atrankinis metodas, o ne galutinis ligos patvirtinimas. Dažnai matuojamas ne pats virusas, o organizmo metabolinis ir uždegiminis atsakas, todėl gali būti klaidingų teigiamų atsakymų dėl kitų infekcijų ar būklių.
„COVID-19 kontekste literatūros apžvalgos rodo gerą atrankos potencialą, bet pabrėžiama standartizacijos ir nuolatinės validacijos svarba“, – tikina S. Račkauskas.
Matuoklis, telefono priedas ar integracija į daiktus
Kalbant apie prietaisus, kuriuose būtų galima integruoti jutiklius, padedančius „skaityti“ kvėpavimo sudėtį, KTU mokslininkas išskiria keletą realistiškų variantų.
„Tai galėtų būti kompaktiškas rankinis prietaisas su kandikliu, panašiai kaip kai kurie jau egzistuojantys kvėpavimo matuokliai klinikoje ar vartotojų rinkoje. Taip pat telefono priedas arba mažas modulis su jutiklių masyvu, o visa analizė, kalibracija ir istorijos sekimas vyktų programėlėje. Galima ir integracija į daiktus, kurie yra arti kvėpavimo zonos, pavyzdžiui, kaukę, apykaklę, šaliką, sportinę aprangą prie veido zonos“, – sako S. Račkauskas.
Realistiška, kad tokia technologija būtų galima naudotis ir namų sąlygomis, tačiau svarbu atskirti dvi paskirtis – stebėseną ir tendencijų sekimą bei diagnozę namuose.
„Atliekant stebėseną, tarkim, ketozės būsenos ar uždegimo rodiklių pokyčių, svarbiausia yra pakartojamumas ir aiškus matavimo protokolas, kada ir kaip pūsti, kaip prižiūrėti prietaisą, kaip atsižvelgti į drėgmę, maistą, rūkymą ar vaistus.
Tačiau daug sudėtingesnis variantas, kai žmogus pats sau nustato ligą. Tam reikia patvirtinimo, sertifikavimo ir aiškių klaidų valdymo. Todėl artimesnė ir saugesnė vizija yra namų prietaisai, kurie būtų kaip ankstyvas įspėjimas ar rizikos indikatorius, o ne galutinė diagnozė“, – teigia KTU mokslininkas.
Siekis – efektyvesni jutikliai
Visgi mokslininkas savo darbo kontekste labiau akcentuoja ne konkrečius gaminius, o tai, kaip galima pagerinti metalo oksidų nanostruktūrų jutiklių selektyvumą ir užtikrinti efektyvų darbą kambario temperatūroje.
Neseniai žurnale „Applied Surface Science“ skelbtame straipsnyje S. Račkauskas su kolegomis iš KTU nagrinėjo cinko oksido (ZnO) nanotetrapodus. Pasak jo, tai tarsi keturšakės nanovielos, kurios natūraliai susipina į 3D tinklą.
„Klasikinė metalo oksidų jutiklių problema yra ta, kad jie dažnai reikalauja aukštos darbinės temperatūros (kaitinimo), o tai didina energijos sąnaudas ir apsunkina integravimą į nešiojamus prietaisus. Todėl naudojame įvairias dangas (vienos ar kelių molekulių storio), kuriomis dengiame tuos tinklus, kad gautume geresnį selektyvumą azoto dioksidui (NO₂)“, – pasakoja KTU mokslininkas.
Taip buvo padidintas atsakas, kuris leidžia vystyti efektyvesnius jutiklius, veikiančius kambario temperatūroje.
„Stengiamės padaryti jutiklius funkcionalesnius kasdieniniams prietaisams. Svarbu mažesnės energijos sąnaudos, darbas kambario temperatūroje, geresnis selektyvumas, didesnis integravimo potencialas“, – sako S. Račkauskas.
Nors panašių jutiklių rinkoje jau egzistuoja, tačiau, pasak KTU mokslininko, jei norima, kad jie būtų mažesni, pigesni ir tinkami integravimui į lanksčią elektroniką, labai svarbu, kad gamyba būtų paprasta.
„Būtent tokį tikslą ir turime. Ieškome būdų, kad vietoje sudėtingų vakuuminių ir litografinių procesų galima būtų pereiti link tirpalinės technologijos, kai medžiaga tiesiog nupurškiama arba kitaip padengiama (pvz., liejama) ant paviršiaus technologiškai plačiai taikomais metodais. Tai padėtų gaminti masiniu būdu ir atvertų kelią naujo tipo lanksčiai elektronikai, įskaitant integraciją į rūbus ar kitus kasdienius paviršius“, – tikina KTU mokslininkas S. Račkauskas.
Projektą „Technologinių ir fizinių mokslų ekscelencijos centras (TiFEC)“ Nr. S-A-UEI-23-1 finansuoja Lietuvos mokslo taryba ir Lietuvos Respublikos švietimo, mokslo ir sporto ministerija valstybės biudžeto lėšomis pagal programą „Universitetų ekscelencijos iniciatyva“.
