Diabetes kann in verschiedenen Formen auftreten und Herz, Blutgefäße, Augen, Nieren und Nerven schädigen. Daher ist eine frühzeitige Diagnose entscheidend. So genannte Point-of-Care-Tests (POCT) ermöglichen eine Früherkennung ohne Techniker oder Laborinfrastrukturen. Die derzeit kommerziell erhältlichen POCT-Geräte werden jedoch in der Regel mit Batterien betrieben oder erfordern externe Receiver, um das Ergebnis auszulesen. Es handelt sich im Allgemeinen um Einweggeräte, die nur einen kleinen Teil der in den Batterien gespeicherten Energie benötigen.
Das am Institut für Mikroelektronik in Barcelona entwickelte, energieautarke, voll druckbare Blutzuckermessgerät (IMB-CNM, CSIC) bietet hingegen die Möglichkeit, die Diabetes-Früherkennung umweltfreundlich und patientennah durchzuführen, auch an entlegenen und isolierten Orten sowie ohne externe Stromversorgung: Das papierbasierte Einweg-Gerät gewinnt die für die Stromversorgung erforderliche Energie aus der Blutprobe selbst.
Enzymatisch oxidierte Glukose verursacht Elektronenfluss
Die in der Blutprobe enthaltene Glukose versorgt eine enzymatische Brennstoffzelle, die gleichzeitig als Glukosesensor dient. Sie arbeitet mit einer enzymatischen Anode und einer Kathode auf Silberoxidbasis. Die Glukose wird oxidiert, wodurch ein Elektronenfluss proportional zur Glukosekonzentration entsteht. So kann durch das Messen des Stroms, den die Brennstoffzelle erzeugt, die Glukosekonzentration in der Probe abgeleitet werden. Der Strom lädt einen Kondensator, der die Energie speichert und die Elektronik des Gerätes versorgt.
Der Messansatz basiert auf der Spannungsüberwachung und der Verwendung winziger druckbarer elektronischer Komponenten wie Transistoren, Dioden, Kondensatoren und Widerstände. Diese sind über einen elektrofluidischen Timer mit der Brennstoffzelle verbunden.
Der Timer wurde für dieses Gerät entwickelt. Durch die Kapillarwirkung fließt die Flüssigkeit durch ein medizinisches Papier und stellt zu einem vorhergesagten Zeitpunkt einen elektrischen Kontakt her. Die elektronischen Komponenten werden so zu den gewünschten Zeiten an die enzymatische Brennstoffzelle angeschlossen: zuerst der Kondensator, dann die gedruckte Elektronik, mit der die Glukosekonzentration erfasst wird, und schließlich die elektrochromen Anzeigen.
Sparsame Elektronik für energieautarke Versorgung
Eine der Hauptherausforderungen war die von der Brennstoffzelle erzeugte niedrige Spannung. Sie reicht nicht aus, um die damit verbundene Elektronik zu betreiben. Doch eine hohe Leerlaufspannung von etwa 0,85 V, die von der enzymatischen Brennstoffzelle erzeugt wird, kombiniert mit einer sparsamen Elektronik, ermöglichten schließlich die energieautarke Versorgung des Messgeräts.
Das Bedienen ist einfach: Der Benutzer gibt eine kleine Blutmenge in das Gerät und fügt aus einem Blister phosphatgepufferte Salzlösung hinzu. Nach 75 s zeigen die Displays dann das Ergebnis an:
- normal, wenn nur die Kontrollanzeige eingeschaltet ist, was einer Menge von weniger als 7,8 mM Glukose entspricht,
- Vordiabetes, wenn die Kontroll- und die erste Anzeige eingeschaltet sind – dann liegt die Konzentration über 7,8 mM Glukose,
- Diabetes mit mehr als 11,1 mM Glukose wird angezeigt, wenn alle drei Anzeigen aktiv sind.
Entwickelt wurde das Gerät, um Gestationsdiabetes zu diagnostizieren, also eines Diabetes-Typs, der vorübergehend während der Schwangerschaft auftreten kann. Es kann aber auch an Glukose-Konzentrationen angepasst werden, die für die Diagnose anderer Arten von Diabetes erforderlich sind.
Das Einweggerät bietet somit eine energiesparende, umweltfreundliche und kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Point-of-Care-Testsystemen.
Weitere Informationen
In der Gruppe Self Powered Engineered Devices, kurz Speed Group, arbeiten Forscher multidisziplinär zusammen, um autonome, sich selbst versorgende Geräte zu entwickeln. Dafür werden Technik, Papiermikrofluidik, gedruckte Elektronik, Biokatalyse und Elektrochemie kombiniert.
Über den Kongress Smart Systems Integration
Die Ergebnisse der Speed-Forschungsgruppe werden auf dem Kongress Smart Systems Integration am 10. und 11. April 2019 in Barcelona unter dem Originaltitel „Fully printable single use self-powered glucometer“ vorgestellt.
Der Kongress gibt praxisnah einen Überblick über Entwicklungen, Anwendungen sowie Möglichkeiten und Visionen im Bereich der Systemintegration miniaturisierter Komponenten.
Informationen zur Veranstaltung und Anmeldung :
