得益于科學(xué)進(jìn)步和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展，我們對(duì)特定疾病的早期癥狀以及可檢測(cè)的生物標(biāo)志物有了更多的了解。更重要的是，我們擁有了檢測(cè)所需要的設(shè)備和技術(shù)，可以方便地在臨床環(huán)境對(duì)這些生物標(biāo)志物進(jìn)行采樣和分析，以便醫(yī)生、患者和護(hù)理人員能夠及時(shí)采取相應(yīng)的措施。在不斷發(fā)展的醫(yī)療護(hù)理技術(shù)領(lǐng)域，可穿戴電子以及生物傳感器被認(rèn)為是潛在的突破性技術(shù)，可以幫助醫(yī)務(wù)人員和非醫(yī)療專業(yè)人員持續(xù)地遠(yuǎn)程監(jiān)控與生命體征相關(guān)的重要參數(shù)。

對(duì)于糖尿病患者來(lái)說(shuō)，血糖水平的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)非常重要。幸運(yùn)的是，尿糖水平提供了關(guān)于血糖水平的間接信息，可以作為一種替代生物標(biāo)志物來(lái)避免血糖監(jiān)測(cè)所需要的持續(xù)采血取樣。因此，可以將尿糖傳感器直接嵌入紙尿褲，監(jiān)測(cè)老年人和護(hù)理病人的尿糖水平。如果能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線采集和傳輸，這種紙尿褲傳感器可以大大簡(jiǎn)化糖尿病患者的健康監(jiān)測(cè)。然而，尿糖傳感器和無(wú)線發(fā)射器都需要能源才能工作，從環(huán)境和實(shí)用角度來(lái)看，為紙尿褲集成電池肯定不是理想的解決方案。

利用紙基生物燃料電池為數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸供電

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，日本科學(xué)家已經(jīng)找到了解決這個(gè)問(wèn)題的有效方案。在近日發(fā)表在ACS Sensors雜志上的一項(xiàng)研究中，日本東京理科大學(xué)(Tokyo University of Science)的Isao Shitanda副教授、Masayuki Itagaki教授和Yuki Fujimura等研究人員介紹了一種極具前景的可以直接利用尿液產(chǎn)生能量的紙尿褲傳感器。這項(xiàng)研究成果是與日本筑波大學(xué)(University of Tsukuba)副教授Seiya Tsujimura合作完成。值得注意的是，這項(xiàng)研究與Shitanda博士及其同事開(kāi)發(fā)的自供電生物傳感器研究成果一脈相承，例如完全由汗液供能的乳酸傳感器。

但是，如何利用尿液產(chǎn)生足夠的能量來(lái)為傳感器供電呢?答案是電化學(xué)。科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種紙基生物燃料電池，它能夠通過(guò)一對(duì)氧化還原反應(yīng)，輸出與尿液中葡萄糖含量成比例的電能。設(shè)計(jì)這種生物燃料電池，需要重點(diǎn)關(guān)注的是產(chǎn)生足夠能量所需要的尿液量，以及裝置的整體穩(wěn)定性和耐久性。為此，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種利用“接枝聚合”反應(yīng)的電化學(xué)電池，該反應(yīng)過(guò)程使葡萄糖反應(yīng)酶和中介體分子牢固地固定在多孔碳層上。

(a)帶無(wú)線發(fā)射端的紙尿褲，以及其中的紙基生物燃料電池;(b)紙基生物燃料電池的制備過(guò)程示意圖。

研究人員已經(jīng)利用不同葡萄糖濃度的人工尿液在紙尿褲中測(cè)試了這種自供電生物傳感器。然后，用產(chǎn)生的能量為低功率藍(lán)牙發(fā)射器供電，再通過(guò)智能手機(jī)進(jìn)行葡萄糖濃度的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種基于生物燃料電池的傳感器可以在很短的時(shí)間內(nèi)(1秒內(nèi))檢測(cè)到尿糖。

“除了為糖尿病患者監(jiān)測(cè)尿糖，利用相同的原理，還可以通過(guò)提前儲(chǔ)備糖作為生物燃料電池的燃料，利用這種傳感器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)病患漏尿的情況。對(duì)于住院病人或需要長(zhǎng)期護(hù)理的病患，為了避免感染和皮炎濕疹，需要持續(xù)監(jiān)測(cè)患者的紙尿褲。對(duì)于常規(guī)護(hù)理，利用我們開(kāi)發(fā)的這種紙尿褲傳感器，可以大幅減輕看護(hù)者的工作量。”Shitanda博士補(bǔ)充說(shuō)。

簡(jiǎn)言之，Shitanda博士團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的生物傳感器不僅可以提供尿糖監(jiān)測(cè)，還可以提高紙尿褲管理效率和更換響應(yīng)速度，降低環(huán)境影響。Shitanda博士說(shuō)道：“我們相信，這項(xiàng)研究開(kāi)發(fā)的概念有望成為一種非常有前景的工具，用于自供電可穿戴生物傳感器的開(kāi)發(fā)。”