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Blutwerte per Nanocellulose-Sensoren

Pflaster statt Blutabnahme?

| Autor/ Redakteur: Dr. Andrea Six* / Christian Lüttmann

Ersetzt ein „Pflaster“ den Piks der Blutabnahme? Für die medizinische Diagnostik könnte in Zukunft ein dünner Sensor aus Nanocellulose genügen. Das 3D-gedruckte „Mini-Labor“ von Empa-Forschern ermittelt verschiedene Blutwerte und ist dabei bioverträglich und aus nachwachsenden Rohstoffen produziert.

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Empa-Forscher Gilberto Siqueira demonstriert den frisch ausgedruckten Nanocellulose-Schaltkreis. Nach einem Trocknungsprozess lässt sich das Material weiterverarbeiten.
Empa-Forscher Gilberto Siqueira demonstriert den frisch ausgedruckten Nanocellulose-Schaltkreis. Nach einem Trocknungsprozess lässt sich das Material weiterverarbeiten.
(Bild: Empa)

Dübendorf/Schweiz – 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 piksen zu müssen. Empa-Forscher haben nun gemeinsam mit Wissenschaftlern aus Kanada einen neuartigen Sensor hergestellt, der flexibel auf der Hautoberfläche liegt und besonders bioverträglich ist, da er aus Nanocellulose besteht.

„Superpudding“ auf Holzbasis

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 Reste aus der Lebensmittelherstellung.

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Damit ist Nanocellulose nicht nur vergleichsweise leicht und nachhaltig zu gewinnen. Interessant machen den „Superpudding“ auch seine mechanischen Eigenschaften: So könnten sich neue Verbundwerkstoffe mit Nanocellulose entwickeln lassen, z.B. für Oberflächenbeschichtungen, für Alltagsgegenstände wie Getränkeflaschen oder in Form von durchsichtigen Verpackungsfolien.

Gerade weil das Material aus natürlichen Ressourcen gewonnen wird, ist es zudem bioverträglich und eignet es sich ganz besonders für die biomedizinische Forschung. Mit dem Ziel, bioverträgliche Sensoren zu produzieren, die wichtige Stoffwechselwerte messen können, verwendeten die Forscher die Nanocellulose als „Tinte“ im 3D-Druckverfahren. Damit die Sensoren elektrisch leitfähig sind, wurde die Tinte hierzu mit Silber-Nanodrähten versetzt. Die Forscher ermittelten das exakte Verhältnis von Nanocellulose und Silberfäden, damit sich daraus ein dreidimensionales Netzwerk bilden kann.

Ein kurzes Video der Empa fasst die Forschung zu den ultradünnen Sensoren zusammen:

Das Spaghetti-Netzwerk auf der Haut

Es stellte sich dabei heraus, dass sich Cellulose-Nanofasern besser eignen als kristalline Nanocellulose, um daraus eine vernetzte Matrix mit den winzigen Silberdrähten herzustellen. „Cellulose-Nanofasern sind ähnlich flexibel wie gekochte Spaghetti, allerdings mit einem Durchmesser von nur rund 20 Nanometern und wenigen Mikrometern Länge“, sagt Empa-Forscher Gilberto Siqueira.

Es gelang dem Forscherteam schließlich, Sensoren zu entwickeln, die 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 Datenverarbeitung an einen Computer. Insgesamt ist das winzige Biochemie-Labor auf der Haut lediglich einen halben Millimeter dick.

Heute bioverträglich, bald auch bioabbaubar?

Während der aktuelle Haut-Sensor Ionenkonzentrationen spezifisch und zuverlässig ermittelt, 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“, sagt Siqueira. Damit wäre der medizinische Nanocellulose-Sensor nicht nur bioverträglich, sondern auch komplett bioabbaubar.

Originalpublikation: T Kim, C Bao, M Hausmann, G Siqueira, T Zimmermann, W Kim: 3D Printed Disposable Wireless Ion Sensors with Biocompatible Cellulose Composites, Advanced Electronic Materials Volume 5, Issue 2, February 2019; DOI: 10.1002/aelm.201800778

* Dr. A. Six, Empa Eidgenössische Material- Prüfungs- und Forschungsanstalt, 8600 Dübendorf/Schweiz

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