科学家为纸尿裤开发了自供电尿糖传感器，无线无创监测尿糖水平
2021-08-24 20:59:39 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
如何利用尿液产生足够的能量来为传感器供电呢？答案是电化学。科学家已经开发出一种纸基生物燃料电池，它能够通过一对氧化还原反应，输出与尿液中葡萄糖含量成比例的电能。
得益于科学进步和现代医学的发展，我们对特定疾病的早期症状以及可检测的生物标志物有了更多的了解。更重要的是，我们拥有了检测所需要的设备和技术，可以方便地在临床环境对这些生物标志物进行采样和分析，以便医生、患者和护理人员能够及时采取相应的措施。在不断发展的医疗护理技术领域，可穿戴电子以及生物传感器被认为是潜在的突破性技术，可以帮助医务人员和非医疗专业人员持续地远程监控与生命体征相关的重要参数。
对于糖尿病患者来说，血糖水平的长期监测非常重要。幸运的是，尿糖水平提供了关于血糖水平的间接信息，可以作为一种替代生物标志物来避免血糖监测所需要的持续采血取样。因此，可以将尿糖传感器直接嵌入纸尿裤，监测老年人和护理病人的尿糖水平。如果能够实现监测数据的无线采集和传输，这种纸尿裤传感器可以大大简化糖尿病患者的健康监测。然而，尿糖传感器和无线发射器都需要能源才能工作，从环境和实用角度来看，为纸尿裤集成电池肯定不是理想的解决方案。
利用纸基生物燃料电池为数据的无线传输供电
据麦姆斯咨询报道，日本科学家已经找到了解决这个问题的有效方案。在近日发表在ACS Sensors杂志上的一项研究中，日本东京理科大学（Tokyo University of Science）的Isao Shitanda副教授、Masayuki Itagaki教授和Yuki Fujimura等研究人员介绍了一种极具前景的可以直接利用尿液产生能量的纸尿裤传感器。这项研究成果是与日本筑波大学（University of Tsukuba）副教授Seiya Tsujimura合作完成。值得注意的是，这项研究与Shitanda博士及其同事开发的自供电生物传感器研究成果一脉相承，例如完全由汗液供能的乳酸传感器。
但是，如何利用尿液产生足够的能量来为传感器供电呢？答案是电化学。科学家已经开发出一种纸基生物燃料电池，它能够通过一对氧化还原反应，输出与尿液中葡萄糖含量成比例的电能。设计这种生物燃料电池，需要重点关注的是产生足够能量所需要的尿液量，以及装置的整体稳定性和耐久性。为此，科学家们开发了一种利用“接枝聚合”反应的电化学电池，该反应过程使葡萄糖反应酶和中介体分子牢固地固定在多孔碳层上。
（a）带无线发射端的纸尿裤，以及其中的纸基生物燃料电池；（b）纸基生物燃料电池的制备过程示意图。
研究人员已经利用不同葡萄糖浓度的人工尿液在纸尿裤中测试了这种自供电生物传感器。然后，用产生的能量为低功率蓝牙发射器供电，再通过智能手机进行葡萄糖浓度的远程监测。实验结果发现，这种基于生物燃料电池的传感器可以在很短的时间内（1秒内）检测到尿糖。
“除了为糖尿病患者监测尿糖，利用相同的原理，还可以通过提前储备糖作为生物燃料电池的燃料，利用这种传感器远程监测病患漏尿的情况。对于住院病人或需要长期护理的病患，为了避免感染和皮炎湿疹，需要持续监测患者的纸尿裤。对于常规护理，利用我们开发的这种纸尿裤传感器，可以大幅减轻看护者的工作量。”Shitanda博士补充说。
简言之，Shitanda博士团队设计的生物传感器不仅可以提供尿糖监测，还可以提高纸尿裤管理效率和更换响应速度，降低环境影响。Shitanda博士说道：“我们相信，这项研究开发的概念有望成为一种非常有前景的工具，用于自供电可穿戴生物传感器的开发。”
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