巴西科學家開發可印製於天然材料並分析汗水物質的感測器貼片

作者 | 發布日期 2020 年 08 月 19 日 8:15 | 分類 生物科技 , 穿戴式裝置 , 醫療科技 Telegram share ! follow us in feedly


巴西聖保羅大學(University of São Paulo,USP,位於巴西聖卡洛斯市)的研究人員與聖保羅州立大學(São Paulo State University,UNESP,位於巴西阿拉拉夸拉市)、阿拉拉夸拉大學(University of Araraquara)、坎皮納斯州立大學(University of Campinas,UNICAMP)及巴西國家奈米技術實驗室(Brazilian National Nanotechnology Laboratory,LNNano)等合作,共同開發製作可印製在微生物奈米纖維素(microbial nanocellulose,一種天然高分子/聚合物)上的可穿戴式感測器。這款皮膚附著式感測器是列印在塑膠表面的傳統感測器改進替代品,可使用於非侵入性檢測和監測含汗液的體液。 

100% 天然高分子奈米纖維素感測器,與人類皮膚服貼性良好

這項研究由 Osvaldo Novais de Oliveira Junior 帶領,並由巴西聖保羅研究支援基金會(FAPESP)透過《由生物聚合物製成並用於長期監測的印刷及可植入式生物感測器》(Printed and implantable biosensors made from biopolymers for long-term monitoring)、《用於生物標記檢測的奈米結構柔性元件的設計和製造》(Design and fabrication of nanostructured flexible devices for biomarker detection)和《開發基於可同時檢測細菌威脅之電子舌的分析工具》(Development of analytical tools based on electronic tongues for simultaneous detection of bacterial threats)等專案,以及多用戶設備(Multi-user Equipment)補助金支援。

以《附著在人體皮膚的微生物奈米纖維素用於電化學感測器以檢測汗液金屬離子和生物標記》(Microbial nanocellulose adherent to human skin used in electrochemical sensors to detect metal ions and biomarkers in sweat)為題的文章,發表在《Talanta》期刊。

「微生物奈米纖維素是種 100% 天然高分子/聚合物。它是由糖裡的細菌產生的。與塑膠相比,主要優點是提供與人體皮膚更好的介接性與服貼性。在其他應用,已在傷口塗劑的實際醫用市場使用多年,用於傷口敷料及其他應用,但從未當成電化學感測器基板(sensor substrate)而研究過。」論文共同第一作者 Robson Rosa da Silva 表示。

置於塑膠基板上的可穿戴式感測器常出現的問題是,汗水會在皮膚和感測器之間形成屏障,不但阻礙檢測,且會造成過敏。Silva 表示:「奈米纖維素完全透氣,使汗水可到達電極的活性層。」

和衛生紙一樣薄,透過半自動網版印刷機印製

感測器是個長 1.5 公釐、寬 0.5 公釐的小巧矩形貼片,就和衛生紙一樣薄。它可檢測多種生物標記,例如鈉、鉀、尿酸、乳酸和葡萄糖等。「這些元素或物質會在血液循環,也在汗液裡檢測到。因此,糖尿病監測會是這款奈米纖維素感測器的可行應用之一。另一種應用就是透過檢測雌二醇(Hormone Estradiol)控制女性荷爾蒙。」Silva 表示。

此元件還可用於檢測生物體內的大氣污染物。他進一步表示:「概念證明我們將感測器暴露於低含量的有毒金屬(例如鉛和鎘)中,結果呈陽性。」

感測元件使用半自動網版印刷機(Screen Printer)和有高濃度碳顆粒的塗劑印刷在微生物奈米纖維素基板上。由於碳具備良好導電性,所以成為首選。 「化學氧化還原反應,能產生出可測量目標代謝物濃度的電訊號。」共同第一作者之一 Paulo Augusto Raymundo Pereira 解釋:「感測器會與恆電位儀(Potentiostat)相連,恆電位儀會憑藉電流的變化進行電化學測量。量測到的數據會傳輸到電腦並轉換成標準曲線。」據 Pereira 說法,設計感測器與數據測量/讀取元件之間的無線通訊並不困難。

目前研究人員正在研究使用感測器施放藥物,並致力研究商業化的可行方法。《在可生物分解基板(奈米纖維素及洋蔥薄膜)製作醫療、食品及農產加工應用的網版印刷電極》(Fabrication of screen printed electrodes on biodegradable substrates (nanocellulose and onion films Allium cepa L.) for medical, food and agroindustrial applications)專案的第一階段,是由 Biosmart Nanotechnology 生技公司主導,並獲得 FAPESP「小型企業創新研究」(Innovative Research in Small Business,PIPE)計畫支持。

(首圖來源:FAPESP