Dehnbarer Smart Sensor als Alternative zu schmerzhaften Blutuntersuchungen

Forscher haben einen flexiblen, kabellosen Sensor entwickelt, der auf der Haut getragen wird und den pH-Wert im Schweiß des Trägers in Echtzeit überwacht. Das Gerät, das im Rahmen des EU-finanzierten Projekts CONTEST entwickelt wurde, ist ein Meilenstein auf dem Weg zu einer Überwachung chemischer Körperwerte ganz ohne invasive Blutuntersuchungen.

Sollen heutzutage chronische Krankheiten wie Diabetes oder Nierenkrankheiten überwacht werden, gehört immer eine Blutentnahme vom Patienten dazu. Die dabei im Blut untersuchten Substanzen wie Glukose und Harnstoff sind allerdings auch im Schweiß enthalten. „Menschlicher Schweiß enthält ungefähr dieselben physiologischen Informationen wie Blut und wenn er in diagnostischen Systemen eingesetzt wird, hat er den großen Vorteil, dass man die Haut nicht durchstoßen muss, um Tests durchzuführen“, sagt Prof. Ravinder Dahiya, einer der Projektkoordinatoren, in einer Pressemeldung der Universität Glasgow. Mit einem gut funktionierenden Schweißüberwachungssensor könnten also schmerzhafte Blutuntersuchungen mit Nadelstichen bald der Vergangenheit angehören. Aber nur, wenn das Messgerät auch so gestaltet wird, dass es für den Anwender bequem ist.

Gängige nicht-invasive tragbare Systeme bestehen eher aus steifen Materialien. Als Alternative dazu ist der pH-Sensor des CONTEST-Teams dehnbar und flexibel, sodass er sich den Konturen des Körpers anpassen kann und wesentlich angenehmer zu tragen ist. Seine genauen Eigenschaften sind in einem Artikel im Journal „Biosensors and Bioelectronics“ beschrieben.

Der Sensor ist ein 1 cm² großes dehnbares und kabelloses System, das mit einer pH-Messelektrode aus einem neuartigen Verbundwerkstoff aus Graphit und Polyurethan ausgestattet ist. Dank zweier schlangenförmiger Verbindungsstücke kann der Sensor der Länge nach um bis zu 53 % gedehnt werden, ohne seine Funktion einzubüßen. Belastungstests haben ergeben, dass er schadlos bis zu 500 Mal um 30 % gedehnt werden kann.

Das Gerät bietet eine kurze und stabile Reaktionszeit für pH-Werte zwischen 5 und 9 Sekunden, wobei die Ergebnisse nach 8 Sekunden ausgegeben werden. Substanzen wie Natrium, Kalium oder Glukose, die im Schweiß vorkommen, haben zudem kaum Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des pH-Sensors.

Der kabellose Sensor der Ingenieure hat aber noch einen weiteren Vorteil. Während konventionelle kabellose Systeme, die ihre Daten per Bluetooth übertragen, oft unförmig sind und häufig geladen werden müssen, kann der neue Sensor seine Daten ohne externe Stromzufuhr übertragen. Die pH-Werte werden über eine dehnbare RFID Antenne auf ein dazugehöriges Smartphone gesendet. Die Antenne funktioniert dabei nur gut, solange der Sensor nicht über 20 % gedehnt wird. Die Daten werden kontinuierlich in eine Smartphone-App namens SenseAble übertragen, mit der der Anwender seine pH-Werte in Echtzeit verfolgen kann.

Dass der Sensor pH-Werte messen kann, haben die Forscher erfolgreich gezeigt. Jetzt widmen sie sich der Erweiterung der diagnostischen Fähigkeiten. „Wir wollen noch weitere Sensoren einbauen, die zum Beispiel Glukose, Ammoniak und Harnstoff messen können. Schlussendlich würden wir das System in den nächsten Jahren gern zur Marktreife bringen“, sagt Prof. Dahiya.

In CONTEST („Collaborative Network for Training in Electronic Skin Technology“) wurden Nachwuchsforscher in Design, Herstellung, Charakterisierung und Anwendung von sogenannten E-Häuten ausgebildet. Das Projekt hat untersucht, wie Sensoren mit organischen und anorganischen Halbleitermaterialien auf flexiblen Substraten aufgebracht und wie E-Häute in Roboter- und Mensch-Umwelt-Schnittstellen eingesetzt werden können. Ein innovatives Ergebnis war die neue Anwendungsmöglichkeit von E-Häuten als Schmerzsensoren.

Weitere Informationen:
CONTEST Projektwebsite