Розробка кіберфізичних біосенсорних систем для медико-біологічних досліджень

РОЗРОБКА КІБЕРФІЗИЧНИХ БІОСЕНСОРНИХ СИСТЕМ ДЛЯ МЕДИКО-БІОЛОГІЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ

DEVELOPMENT OF CYBER-PHYSICAL BIOSENSOR SYSTEMS FOR MEDICAL-BIOLOGICAL RESEARCH

Сторінки: 252-257. Номер: №5, 2019 (277)
Автори:
А.С. СВЕРСТЮК, О.А. БАГРІЙ-ЗАЯЦЬ, А.Б. ГОРКУНЕНКО, З.В. МАЙХРУК
Тернопільський національний медичний університет імені І.Я. Горбачевського
О.В. МОЙСЕЄНКО
Івано-Франківський національний медичний університет
A.S. SVERSTIUK, O.A. BAGRIY-ZAYATS, A.B. HORKUNENKO, Z.V. MAYHRUK
Horbachevsky Ternopil National Medical University
O.V. MOISEIENKO
Ivano-Frankivsk National Medical University
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2019-277-5-252-257
Рецензія/Peer review : 17.06.2019 р.
Надрукована/Printed : 23.07.2019 р.

Анотація мовою оригіналу

У роботі розглянуто перспективні напрямки розвитку кіберфізичних систем, що застосовують у медичних цілях створення високо стабільних сенсорних пристроїв на основі штучних аналогів біологічних рецепторів, що поєднують високу селективність при розпізнаванні різноманітних аналітів з високою стабільністю, властивою синтетичним матеріалам за жорстких умов зберігання та використання. Представлено досліджувані системи, які можуть бути інтегровані у різноманітні аналітичні системи та в організм людини для безперервного моніторингу ряду речовин та метаболітів. Описано важливий метод неінвазивної діагностики як напрямок розвитку сучасних кіберфізичних систем, що не передбачає пошкодження шкіри та слизових оболонок при відборі проб для аналізу. Розглянуто кіберфізичні системи для медико-біологічних досліджень, зокрема портативні системи для забезпечення моніторингу фізіологічної інформації в режимі реального часу за допомогою динамічних, неінвазивних вимірювань біохімічних маркерів в біологічних рідинах, таких як піт, сльози, слина та інтерстиціальні рідини. Наведено кіберфізичні системи для медико-біологічних досліджень для комплексного моніторингу біохімічних показників. Представлено схематичну ілюстрацію біосенсорів глюкози, лактату, натрію, калію та температури для мультиплексованого аналізу зонного потоку, включаючи іон-селективні електроди, полівінілбутирал, глюкозооксидазу та лактат оксидазу. Розглянуто графенові біосенсори, які імплантовані в зуб для дистанційного моніторингу дихання і виявлення бактерій в слині. Представлена функціональна схема кіберфізичної системи для медико-біологічних досліджень та результат чисельного моделювання електричного сигналу з перетворювача, який характеризує кількість флуоресціюючих пікселів.
Ключові слова: кіберфізична система, біосенсор, імуносенсор, наносенсор.

Розширена анотація англійською мовою

In the work considered promising direction of cyber-physical systems used in medical applications to create highly stable sensor devices based on synthetic analogues of biological receptors, combining high selectivity in recognizing different analytes with high stability inherent in synthetic materials for the hard conditions of storage and use. The systems that can be integrated into various analytical systems and into the human body for continuous monitoring of a number of substances and metabolites are presented. An important method of non-invasive diagnostics and as a direction is described development of modern cyber-physical systems, which does not involve damage to the skin and mucous membranes when sampling for analysis. In the work considered cyber-physical systems and for biomedical research, including portable system for monitoring physiological data mode and real time with dynamic, non-invasive measurement of biochemical markers in biological fluids such as sweat, tears, saliva and interstitial fluid. A cyber physical systems and for biomedical research for complex monitoring of biochemical parameters. A schematic illustration of biosensors of glucose, lactate, sodium, potassium and temperature for multiplex analysis of band flux, including ion-selective electrodes, polyvinyl butyral, glucose oxidase and lactate oxidase. Graphene biosensors that are implanted in the tooth for remote monitoring of respiration and detection of bacteria in saliva are considered. Functional diagram of cyber-physical systems and for biomedical research is presented, as well as the result of numerical simulation of an electrical signal from a converter that characterizes the number of fluorescent pixels
Keywords: cyber-physical system, biosensor, immunosensor, nanosensor.

References

1. Melnyk A.O. Kiberfizychni systemy: problemy stvorennia ta napriamy rozvytku / A.O. Melnyk // Visnyk Nats. un-tu “Lvivska politekhnika”. – 2014. – № 806: Kompiuterni systemy ta merezhi. – S. 154–161.
2. Melnik A. Cyber-physical systems multilayer platform and research framework / Anatoliy Melnik // Advances in cyber-physical systems. – 2016. – Volume1. Number 1. – R. 1–6.
3. Zhang W. Nanomaterial-Based Biosensors for Environmental and Biological Monitoring of Organophosphorus Pesticides and Nerve Agents / W. Zhang, A. M. Asiri, D. Liu, et al. // TrAC Trends in Analytical Chemistry. – 2014. – Vol. 54. – P. 1–10.
4. Zeravik J. Various Instrumental Approaches for Determination of Organic Acids in Wines / J. Zeravik, Z. Fohlerova, M. Milovanovic, et al. // Food Chemistry. – 2016. – Vol. 194. – P. 432–440.
5. Arugula M. A. Biosensors for Detection of Genetically Modified Organisms in Food and Feed / M. A. Arugula, A. L. Simonian // Genetically Modified Organisms in Food. – 2016. – P. 97–110.
6. Yáñez-Sedeño P. Biosensors in Forensic Analysis. A Review / P. Yáñez-Sedeño, L. Agüí, R. Villalonga, et al. // Analytica Chimica Acta. – 2014. – Vol. 823. – P. 1–19.
7. Zhybak M. Creatinine and Urea Biosensors Based on a Novel Ammonium Ion-Selective CopperPolyaniline Nano-Composite / M. Zhybak, V. Beni, M.Y. Vagin, et al. // Biosensors and Bioelectronics. – 2016. – Vol. 77. – P. 505–511.
8. Ghosh T. A Novel Third Generation Uric Acid Biosensor Using Uricase Electro-Activated with Ferrocene on a Nafion Coated Glassy Carbon Electrode / T. Ghosh, P. Sarkar, A. P. Turner // Bioelectrochemistry. – 2015. – Vol. 102. – P. 1–9.
9. Rathee K. Biosensors Based on Electrochemical Lactate Detection: A Comprehensive Review / K. Rathee, V. Dhull, R. Dhull, et al. // Nauka ta naukoznavstvo. Biochemistry and Biophysics Reports. – 2016. – № 3. – 2016. – Vol. 5. – P. 35–54. – ISSN 0374-3896
10. Zinchenko O. A. Application of Creatinine-Sensitive Biosensor for Hemodyalisis Control / O. A. Zinchenko, S. V. Marchenko, T. A. Sergeyeva, et al. // Biosensors and Bioelectronics. – 2012. – Vol. 35. – P. 466–469.
11. Bahadır E. B. Electrochemical Biosensors for Hormone Analyses / E. B. Bahadır, M. K. Sezgintürk // Biosensors and Bioelectronics. – 2015. – Vol. 68. – P. 62–71.
12. Comparison of Biosensor Platforms in the Evaluation of High Affinity AntibodyAntigen Binding Kinetics / D. Yang, A. Singh, H. Wu, et al. // Analytical Biochemistry. – 2016. –Vol. 508. – P. 78–96.
13. Manu S. Mannoor. Graphene-based wireless bacteria detection on tooth enamel / Manu S. Mannoor // Nature Communications. – 2012. – Volume 3. – Article number: 763.
14. Berger C. Characterization of Cyber-Physical Sensor Systems / C. Berger, A. Hees, S. Braunreuther, G. Reinhart // Procedia CIRP. – 2016. – Vol. 41. – P. 638–643.
15. Martsenyuk V. Cyber-physical model of the immunosensor system at the hexagonal lattice with the use of differential equations of the population dynamics / A. Sverstiuk // Innovative Technologies and Scientific Solutions for Industries. – 2019. – № 1. – P. 75–83.
16. Sverstiuk A.S. Modeliuvannia kiber-fizychnoi imunosensornoi systemy na priamokutnii reshittsi z vykorystanniam reshitchastykh dyferentsialnykh rivnian iz zapiznenniam / A.S. Sverstiuk // Sensorna elektronika ta mikrosystemni tekhnolohii. – 2019. – № 2. – S. 53–65.
17. Sverstiuk A.S. Pro kiber-fizychnu model imunosensornoi systemy na priamokutnii reshittsi z vykorystanniam riznytsevykh rivnian populiatsiinoi dynamiky / A.S. Sverstiuk // Visnyk TNTU. – 2018. – № 4. – S. 147–161.
18. Martseniuk V.P. Pro model kiber-fizychnoi systemy z atakamy stanu ta vymiriuvan na osnovi stokhastychnykh riznytsevykh rivnian / A.S. Sverstiuk // Zakhyst informatsii. – 2019. – Tom 21, № 1. – C. 5–12.