Nieuwe draadloze luiersensoren aangedreven door biobrandstofcellen kunnen diabetes helpen voorkomen en langdurige zorg vereenvoudigen
Het controleren van urinesuikerspiegels is belangrijk tijdens vroege stadia van diabetes, en luiersensoren vormen een aantrekkelijke oplossing. In een recente studie ontwikkelden wetenschappers van de Tokyo University of Science, Japan, een nieuwe zelfaangedreven luiersensor die de benodigde elektriciteit rechtstreeks uit urine genereert met behulp van een biobrandstofcel. Het voorgestelde apparaat kan de gemeten glucoseconcentratie draadloos verzenden en de aanwezigheid van urine melden, waardoor diabetes wordt voorkomen en de patiëntenzorg aanzienlijk wordt vereenvoudigd.
Dankzij de wetenschap en de moderne geneeskunde weten we nu veel meer over de vroege tekenen van bepaalde ziekten en welke biomarkers we moeten controleren. Het belangrijkste is dat we over de nodige apparaten en technieken beschikken om deze biomarkers gemakkelijk in klinische omgevingen te bemonsteren en te analyseren, zodat artsen, patiënten en zorgverleners dienovereenkomstig kunnen handelen. In het steeds evoluerende veld van de gezondheidszorgtechnologie worden draagbare elektronica en biosensoren gezien als potentiële game changers, omdat ze zowel medisch personeel als niet-medische mensen in staat stellen om relevante lichaamsvariabelen op afstand te monitoren.
In het specifieke geval van diabetes – een relatief veel voorkomende ziekte – is het controleren van de bloedsuikerspiegel cruciaal. Gelukkig geven de urinesuikerspiegels indirecte informatie over de bloedsuikerspiegel en kunnen ze worden gebruikt als een alternatieve biomarker om te voorkomen dat er constant bloed wordt afgenomen. Bovendien kunnen sensoren direct in hun luiers worden ingebed om de urinesuikerspiegels bij oudere of langdurige zorgpatiënten te meten. Door de verkregen gegevens draadloos te verzenden, kunnen luiersensoren zorgtaken en gezondheidsbewakingstaken aanzienlijk vereenvoudigen. Zowel sensoren als draadloze zenders hebben echter een energiebron nodig om te functioneren en het plaatsen van batterijen in luiers kan een twijfelachtige oplossing zijn, zowel vanuit milieuoogpunt als vanuit praktisch oogpunt.
Gelukkig hebben wetenschappers uit Japan een oplossing voor dit probleem bedacht. In een recente studie gepubliceerd in ACS Sensors, presenteren universitair hoofddocent Isao Shitanda, professor Masayuki Itagaki en de heer Yuki Fujimura van de Tokyo University of Science (TUS), Japan, een veelbelovende benadering voor het realiseren van zelfaangedreven luiersensoren die direct energie kunnen genereren uit urine. Dit werk is gedaan in samenwerking met universitair hoofddocent Seiya Tsujimura van de Universiteit van Tsukuba, Japan. Het is vermeldenswaard dat dit werk in overeenstemming is met andere onderzoeksinspanningen van Dr. Shitanda en zijn collega’s om zelfaangedreven biosensoren te ontwikkelen, zoals een lactaatsensor die volledig wordt geactiveerd door zweet.
Maar hoe wek je uit urine genoeg elektriciteit op om een sensor van stroom te voorzien? Het antwoord ligt in de elektrochemie. De wetenschappers ontwikkelden een op papier gebaseerde biobrandstofcel die, door een paar reductie-oxidatiereacties, elektrisch vermogen afgeeft dat evenredig is aan de hoeveelheid glucose in de urine. Belangrijke overwegingen bij het ontwerp van dergelijke biobrandstofcellen zijn de hoeveelheid urine die nodig is om voldoende stroom te genereren en de algehele stabiliteit en duurzaamheid van het apparaat. Met dit in gedachten ontwikkelden de wetenschappers een speciale anode, het negatieve uiteinde van een elektrochemische cel, met behulp van een proces dat bekend staat als “graftpolymerisatie” en waarmee ze glucose-reactieve enzymen en mediatormoleculen stevig konden verankeren aan een poreuze koolstoflaag, die diende als het geleidende basismateriaal.
De wetenschappers testten hun zelfaangedreven biosensor in luiers met behulp van kunstmatige urine bij verschillende glucoseconcentraties. Ze gebruikten de opgewekte energie om een Bluetooth Low Energy-zender van stroom te voorzien en bewaakten op afstand de gemeten concentratie met een smartphone. Ze ontdekten dat de biobrandstofcel urinesuiker in zeer korte tijd (binnen 1 seconde) kon detecteren.
“Naast het monitoren van glucose in het kader van diabetes, kunnen luiersensoren worden gebruikt om op afstand te controleren op de aanwezigheid van urine als je vooraf suiker inslaat als brandstof. In ziekenhuizen of verpleegafdelingen, waar mogelijk honderden luiers moeten worden gecontroleerd periodiek zou het voorgestelde apparaat een grote last van de schouders van zorgverleners kunnen nemen”, zegt Dr. Shitanda.
Kortom, de sensor die het team van Dr. Shitanda heeft ontwikkeld, kan niet alleen diabetes voorkomen, maar ook het luierbeheer efficiënter en responsiever maken zonder het milieu in gevaar te brengen. “Wij geloven dat het concept dat in deze studie is ontwikkeld een veelbelovend hulpmiddel kan worden voor de algemene ontwikkeling van zelfaangedreven draagbare biosensoren”, zegt Dr. Shitanda.
Laten we hopen dat toekomstige studies de draagbare biosensoren die worden aangedreven door onze eigen lichaamsvloeistoffen, verder zullen verbeteren.
