Nieuwe biosensor zet zweet om in elektriciteit

Afbeelding: Tokyo University of Science.

Ze schieten als paddenstoelen uit de grond: gadgets die je hartslag, slaappatroon, je maximale zuurstofverbruik (VO₂ max), lichaamsbatterij en een hele resem andere parameters in real-time in kaart brengen. Ook vanuit medisch standpunt bieden zulke biosensors enorm veel potentieel. Alleen: continue metingen vereisen ook continue stroomvoorziening of een herlaadbare batterij. Wat als je zweet, speeksel, of zelfs tranen die energie leveren in de toekomst?

Enzyme-inkt

Het idee om lichaamsvloeistoffen als energiebron te gebruiken speelt al langer. Onderzoekers stelden nu een techniek op punt om zulke sensoren ook op industriële schaal te kunnen produceren. Hoe dat werkt? Door een ingenieuze inkt met als sleutelcomponent een enzyme naar keuze.

Als voorbeeld gebruiken de vorsers het enzyme lactaatoxidase. Dat enzyme zet lactaat, een stof dat je lichaam produceert bij fysieke inspanningen (en onder meer in je zweet terechtkomt), om naar pyruvaat. Bij die omzetting komen elektronen vrij. Door slimme extra ingrediënten toe te voegen aan de inkt, worden die vakkundig opgevangen en overgebracht naar een kathode, wat overeenkomt met de positieve pool van een batterij. In dit geval hebben de wetenschappers die kathode geprint, als onderdeel van de inkt, op een papieren substraatje. De elektronen stromen dan van de kathode naar de anode, wat dan weer de negatieve pool van een batterij voorstelt; ook geprint op een papieren velletje.

Compatibel met bluetooth

Elektronen die van een kathode naar een anode vloeien – dat is elektrische stroom! Opgewekt door zweet! De chemische energie die in het lactaatmolecule zat werd zo omgezet naar elektrische energie. En die stroom blijkt van een grootteorde te zijn waarmee signalen, via een soort laag-energetische bluetooth, naar je telefoon of andere toestellen kunnen worden verstuurd. De hoeveelheid stroom is dan een maat voor de hoeveelheid lactaat in je zweet; en die kan continu, zonder externe batterij of stroomvoorziening, worden opgevolgd.

Massaproductie

Het grote verschil met vorige systemen zit hem in de printtechniek. Voorgaande methodes konden nooit een uniforme laag printen met enzymen omdat ze druppelsgewijs de enzymen moesten aanbrengen. Dat gaat ten koste van de uniformiteit en reproduceerbaarheid. Door het principe van zeefdruk toe te passen omzeilt men nu dat probleem. Zeefdruk maakt gebruik van – je raadt het nooit – een zeef waardoor de inkt wordt gedrukt. Dat maakt massaproductie van de biosensors mogelijk, in één stap en voldoet aan de normen voor gestandaardiseerde fabricage. Het geheim lag hem in de chemische samenstelling voor de inkt: chemische mediators voor het elektronentransport, en een ingenieuze binder.

So what?

In de toekomst zou dit kunnen betekenen dat de gezondheid van chronisch zieke patiënten of senioren opgevolgd kan worden, zonder invasieve bloedstalen én gevoed door hun eigen lichaam. Ook postoperatieve monitoring zou veel nauwkeuriger en comfortabeler kunnen gebeuren. Tevens zal je je sportieve activiteiten kunnen tracken zonder dat daarbij een batterij aan te pas komt. Door een reeks variaties te implementeren in de inkt kunnen potentieel een veelvoud aan metabolieten, hormonen en andere lichaamsstoffen getrackt worden. Tegen 2030 zou de techniek klaar zijn voor het grote publiek.