Sensorik

Cellulose zum Messen der Blutwerte auf der Haut

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Empa-Forscher Gilberto Siqueira demonstriert den frisch ausgedruckten Nanocellulose-Schaltkreis (Bild: Empa)
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Blutwerte für die medizinische Diagnostik ohne schmerzhafte Nadelstich ermitteln: Forscher entwickeln flexible, bioverträgliche Sensoren aus Nanocellulose, die auf der Haut liegen. Zukünftig sollen die 3D-gedruckten Analysechips auch biologisch abbaubar sein.

Die Idee, gesundheitlich relevante Werte im Körper über die Haut zu messen, ist bereits in der medizinischen Diagnostik angekommen. So können beispielsweise Diabetiker den Blutzucker schmerzfrei über einen Sensor ermitteln, anstatt sich in den Finger pieksen zu müssen. Forscher der Schweizer Empa haben nun gemeinsam mit Wissenschaftlern aus Kanada einen neuartigen Sensor hergestellt, der flexibel auf der Hautoberfläche liegt und besonders bioverträglich ist, da er aus Cellulose-Nanofasern besteht.

Durchsichtige Folie aus Cellulose

Nanocellulose ist ein preiswerter, nachwachsender Rohstoff, der in Form von Kristallen und Fasern beispielsweise aus Holz gewonnen wird. Allerdings hat das ursprüngliche Erscheinungsbild eines Baums nichts mehr mit der gallertartigen Substanz zu tun, die aus nanokristalliner Cellulose und Cellulose-Nanofasern bestehen kann. Weitere Quellen für das Material sind Bakterien, Algen oder Produktionsreste aus der Lebensmittelherstellung.

Damit ist Nanocellulose nicht nur vergleichsweise leicht und nachhaltig zu gewinnen. Interessant machen den „Superpudding“ auch seine mechanischen Eigenschaften, weshalb sich neue Verbundwerkstoffe mit Nanocellulose entwickeln lassen. Sie können als Oberflächenbeschichtungen, Alltagsgegenstände wie Getränkeflaschen oder in Form von durchsichtigen Verpackungsfolien eingesetzt werden könnten. Ein weiteres wichtiges Merkmal der Cellulose: Sie ist bioverträglich.

Um Sensoren zu produzieren, die wichtige Blutwerte messen können, verwendeten die Forscher die Nanocellulose als „Tinte“ im 3D-Druckverfahren. Damit die Sensoren elektrisch leitfähig sind, wurde diese Tinte mit Silber-Nanodrähten versetzt. Die Wissenschaftler ermittelten das exakte Verhältnis von Nanocellulose und Silberfäden, damit sich daraus ein dreidimensionales Netzwerk bilden kann. „Cellulose-Nanofasern sind ähnlich flexibel wie gekochte Spaghetti, allerdings mit einem Durchmesser von nur rund 20 Nanometern und wenigen Mikrometern Länge“, erklärt Empa-Forscher Gilberto Siqueira.

Cellulose-Sensoren messen relevante Blutwerte

Die Cellulose-Sensoren können medizinisch relevante Stoffwechselparameter wie die Konzentration von Calcium, Kalium und stickstoffhaltigen Ammonium-Ionen messen. Damit die Messwerte weiter analysiert werden können, sendet der elektrochemische Hautsensor seine Ergebnisse zur weiteren Datenverarbeitung an einen Computer. Insgesamt ist das winzige Biochemie-Labor auf der Haut lediglich einen halben Millimeter dick.

Inzwischen arbeiten die Forscher bereits an einer neuen Version: „Künftig möchten wir die Silberpartikel durch ein anderes leitfähiges Material ersetzen, etwa auf der Basis von Kohlenstoffverbindungen“, erläutert Siqueira. Damit wäre der medizinische Nanocellulose-Sensor nicht nur bioverträglich, sondern auch komplett bioabbaubar.

Kontakt:
Empa – Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt
Ueberlandstr. 129
CH 8600 Dübendorf
www.empa.ch

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aelm.201800778

www.empa.ch/web/s604/nanocellulose-sensor-eq65

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