Forscher in Japan haben einen Durchbruch bei der Entwicklung von selbstversorgten tragbaren Biosensoren erzielt, indem sie eine druckbare Enzym-Tinte entwickelt haben, die die Massenherstellung von enzymatischen Biofuel-Cells (EBFCs) vereinfacht. Diese Innovation. Entwickelt von einer Gruppe unter der Leitung von Associate Professor Isao Shitanda von der Tokyo University of Science, könnte den Weg für tragbare Geräte ebnen, die Gesundheitsdaten in Echtzeit überwachen können, ohne Batterien zu benötigen.

Herstellungsprobleme überwinden

Tragbare Sensoren. Die physiologische Signale wie Laktat- und Glukosewerte im Schweiß überwachen können, waren lange ein Forschungsschwerpunkt; Allerdings benötigen die meisten dieser Geräte externe Stromquellen, um zu funktionieren. EBFCs, die Enzyme verwenden, um Körperfüssige in Strom umzuwandeln, bieten eine vielversprechende Alternative; Trotz ihres Potenzials haben EBFCs aufgrund der aufwendigen und unzuverlässigen Fertigungsprozesse erhebliche Herausforderungen bei der Massenproduktion gestellt.

Traditionelle Methoden beinhalten das Drucken einer Kohlenstoffelektroden-Schicht, gefolgt vom separaten Auftragen von Enzym- und Mediator-Lösungen und anschließendem Trocknen; Dieser mehrschrittige Prozess führt zu Schwankungen in der Leistung der Geräte und macht die Qualitätskontrolle schwierig sowie die Massenproduktion unpraktisch. Um diese Probleme zu lösen. Entwickelte das Forschungsteam eine wasserbasierte ‘Enzym-Tinte’, die den gesamten Fertigungsprozess in einem Schritt ermöglicht.

Innovative Tinte-Formulierung

Die Tinte-Formulierung des Teams kombiniert Magnesiumoxid-templatierte mesoporöse Kohlenstoffe, die eine hohe Oberfläche besitzen, mit chemischen Mediatoren, die den Elektronentransfer fördern, und einem neuen wasserbasierten Klebstoff namens POLYSOL. Dieser Klebstoff haftet stark an Kohlenstoffoberflächen und gewährleistet eine stabile Umgebung für Enzyme. Carboxymethylcellulose wurde hinzugefügt, um die richtige Konsistenz für das Siebdrucken zu erreichen, und die spezifischen Enzyme, die für verschiedene Biosensoren benötigt werden, wie Laktat-Oxidase und Glukose-Dehydrogenase, wurden ebenfalls beigemischt.

Die Forscher druckten diese Tinten direkt auf leichte Papieruntergründe mit einem einzigen Fertigungsschritt; Elektrochemische Tests zeigten, dass die gedruckten Elektroden die herkömmlichen Tropfen-Auftrag-Methoden übertrafen, höhere katalytische Ströme erzeugten und eine stabile Leistung über lange Zeiträume aufrechterhielten. Im Gegensatz dazu zerfallen Tropfen-Auftragselektroden typischerweise innerhalb von Minuten bis Stunden auf weniger als die Hälfte ihrer ursprünglichen Aktivität, während die Enzym-Tinte-Elektroden nur minimale Abnahme zeigten.

Praktische Anwendungen und Leistung

Eine vollständig zusammengebauten Laktat/Sauerstoff-Biofuel-Zelle aus diesen gedruckten Elektroden erreichte eine maximale Leistung von 165 μW/cm bei einem Betriebsspannung von 0,63 V, was deutlich höher ist als die zuvor berichteten 96 μW/cm. Dies ist ein bedeutender Durchbruch. Da es der erste erfolgreiche Siebdruck der Kathode mit Enzym-Tinte darstellt.

Das System ist so konzipiert, um Laktatkonzentrationen im Schweiß zu messen und die Werte innerhalb des physiologischen Bereichs, der bei gesunden Individuen beobachtet wird (etwa 1–25 mM), genau zu quantifizieren. Dieser Bereich ist insbesondere für die Überwachung der Trainingsintensität und des metabolischen Zustands relevant. Die Forscher bestätigten auch, dass die erzeugte Leistung ausreichend ist, um Bluetooth Low Energy-Übertragung zu unterstützen, was die Machbarkeit einer selbstversorgten, drahtlosen Überwachung der Laktatkonzentration demonstriert.

Um die Skalierbarkeit der vorgeschlagenen Lösung zu zeigen, führte das Team eine praktische Roll-to-Roll-Druckdemonstration durch und erreichte kontinuierliches Drucken auf 400 Metern Unterlage. Dieser Ansatz könnte eine extrem geringe Produktionskosten ermöglichen – möglicherweise etwa 10 Yen pro Gerät – und macht die Technologie für Einweg- oder großflächige tragbare Anwendungen sehr attraktiv.

„Zusammen zeigen unsere Ergebnisse, dass wasserbasierte Enzym-Tinte-Formulierungen eine skalierbare, reproduzierbare und leistungsstarke Methode zur Herstellung von EBFCs sind, die praktische Vorteile für die Integration in flexible, tragbare und selbstversorgende Biosensor-Plattformen bietet“, sagte Dr. Shitanda.

Ausblickend zielen die Forscher auf eine praktische Umsetzung bis 2030 ab. Dieser Zeitplan spiegelt den Bedarf an weiteren Optimierungen der Geräte, langfristiger Validierung und Integration in tragbare Plattformen wider. Obwohl konkrete kommerzielle Partner noch nicht identifiziert wurden, rechnet das Team damit, dass Druckunternehmen und Hersteller von Gesundheitsgeräten starke Kandidaten für die Adoption dieser Technologie sein könnten.

Die Auswirkungen dieser Arbeit sind weitreichend. In Sport könnte die Echtzeit-Überwachung von Schweißlaktat sofortige Rückmeldungen über Trainingsintensität und Muskelermüdung liefern. Für Pflege und Altenpflege könnte die kontinuierliche metabolische Überwachung eine frühzeitige Erkennung von Gesundheitsproblemen ermöglichen. Ähnliche Biosensoren könnten auch zur Verhinderung von Hitzschlag-Systemen beitragen, indem sie frühzeitig metabolische Warnsignale erkennen.

„Auf diese Weise hat diese Technologie das Potenzial, zur Realisierung einer sichereren und gesünderen Gesellschaft beizutragen, indem sie als Grundlage für Sensoren dient, die den körperlichen Zustand einfach durch das Tragen überwachen können“, fasste Dr. Shitanda zusammen.