Forscher am College of Engineering der Purdue University haben nichtinvasive medizinische Geräte erfunden und entwickeln diese, um die Überwachung und Behandlung bestimmter physiologischer und psychologischer Erkrankungen zeitnaher und präziser zu gestalten.
Wenzhuo Wu, Ravi und Eleanor Talwar Rising Star Associate Professor für Wirtschaftsingenieurwesen, sagte, dass die nichtinvasive, wiederholte Überwachung des Harnsäurespiegels (UA) im menschlichen Schweiß über lange Zeiträume eine beispiellose Diagnose, Therapie und Prognose verschiedener Erkrankungen ermöglichen könnte. einschließlich Angstzuständen und Bluthochdruck.
„Mein Team und ich haben neue nichtinvasive, tragbare Sensoren entwickelt, die den Harnsäurespiegel im menschlichen Schweiß überwachen“, sagte Wu. „Diese zum Patent angemeldeten Sensoren namens EPICS haben eine höhere Empfindlichkeit und einen besseren Tragekomfort und können aus kostengünstigeren Materialien hergestellt werden als herkömmliche Sensoren, die den Harnsäurespiegel messen.“
Ein Artikel über die Forschung wurde veröffentlicht in Nanoenergie.
Die Wirkung von Harnsäure
Wu sagte, UA werde im menschlichen Körper als Endprodukt des Purinstoffwechsels hergestellt. Es fungiert auch als Alarm, der als Immunreaktion eine Entzündung auslöst.
„Variationen in der UA-Konzentration könnten auf physiologische Erkrankungen wie Gicht, Hyperurikämie und Bluthochdruck sowie auf psychische Erkrankungen wie Angstzustände und Depressionen hinweisen“, sagte Wu.
„Jüngste Studien berichten, dass die physiologischen Erkrankungen, die mit abnormalen UA-Werten einhergehen, etwa 1–4 % der Weltbevölkerung betreffen und mehr als 20 Milliarden US-Dollar an jährlichen medizinischen Ausgaben kosten. Die mit abnormalen UA-Werten verbundenen psychischen Erkrankungen betreffen 8,74 % der US-Bevölkerung und.“ kosten jährlich 33,7 Milliarden US-Dollar an damit verbundenen medizinischen Ausgaben.“
Nachteile der herkömmlichen Harnsäureüberwachung
Wu erklärte, dass es gut etablierte klinische Messungen des UA-Spiegels im Blut gibt, die für den Stoffwechsel und die Ernährungskontrolle verwendet werden. Er sagte auch, dass sie Nachteile hätten.
„Der aufdringliche Charakter der Blutentnahme und die Verzögerung zwischen Probenentnahme und Analyse stellen große Hindernisse dar, insbesondere für personalisierte Fernbehandlungen wie die Verhinderung von Krankheitsschüben und die Just-in-Time-Ernährungskontrolle“, sagte Wu. „Die Überwachung der UA-Werte in Schweißproben hat den Vorteil, dass sie nicht invasiv ist und Ergebnisse in Echtzeit liefert.“
Wu sagte, dass aktuelle tragbare Sensoren zur Messung des UA-Gehalts im Schweiß mehrere Einschränkungen aufweisen, darunter komplizierte Herstellungsprozesse, hochentwickelte Instrumente, teure Rohstoffe und unbefriedigende Leistung.
„Die UA-Werte im Schweiß eines gesunden Menschen sind deutlich niedriger als die UA-Werte im Blut. Das bedeutet, dass Sensoren über überlegene Nachweisgrenzen verfügen müssen“, sagte Wu. „Außerdem erfordert eine kontinuierliche Überwachung einen engen Kontakt zwischen dem UA-Sensor und der menschlichen Haut, was weitere Anforderungen an die Tragbarkeit der Sensoren stellt.“
EPICS-Sensoren
Wu und sein Team haben EPICS entwickelt, flexible und nichtinvasive Sensoren, die die Harnsäure im menschlichen Schweiß überwachen. Sie stellten die Sensoren aus Zinkoxid her, einem ungiftigen, biokompatiblen und elektrochemisch aktiven Material.
„Unser Design ermöglicht die nichtinvasive Überwachung von UA mit einer gesteigerten Leistung durch ansonsten verschwendete mechanische Energie, beispielsweise die des menschlichen Körpers“, sagte Wu. „Die grundlegenden piezoelektrokatalytischen Prinzipien können auch auf andere piezoelektrische Materialien mit katalytischen Eigenschaften für Hochleistungssensorik im biomedizinischen, pharmazeutischen und landwirtschaftlichen Bereich ausgeweitet werden.“
Wu und sein Team testen EPICS seit Sommer 2021 im Flex Lab der Purdue University. Er sagte, die Ergebnisse zeigten, dass EPICS bei den Tests herkömmliche UA-Sensoren übertraf.
„Wir haben gezeigt, dass die EPICS-Geräte eine vierfache Verbesserung der UA-Erfassungsleistung mit einer kleinen Druckspannung erreichen, die durch Piezoelektrokatalyse während der elektrochemischen Oxidation von UA auf den Oberflächen mechanisch verformter Zinkoxid-Nanostäbe verstärkt wird“, sagte Wu. „Die EPICS-Geräte zeigten eine überlegene Empfindlichkeit und Nachweisgrenze und übertrafen alle gemeldeten flexiblen elektrochemischen UA-Sensoren.“
Wu und das Forschungsteam werden zusätzliche Tests durchführen, um die On-Body-Sensorik von EPICS zu validieren und die Leistung des Sensors im Laufe der Zeit zu bewerten.
Mehr Informationen:
Jing Jiang et al., Flexibler piezoelektrokatalytischer Harnsäuresensor, Nanoenergie (2023). DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.108978