3D-gedruckter Gesundheitsmonitor kann Krankheiten durch Schweiß erkennen

Blutproben sind die häufigste Art von Tests in Labors, aber für manche Menschen kann die Entnahme unangenehm, schmerzhaft oder sogar beängstigend sein. Es sieht so aus, als ob dieses unangenehme Erlebnis bald durch ein anderes Verfahren ersetzt werden könnte. In einer kürzlich in der Fachzeitschrift ACS Sensors veröffentlichten Studie haben Forscher der Washington State University gezeigt, dass die Diagnose bestimmter Krankheiten mit einem neuen Gerät möglich ist. Es handelt sich um einen Gesundheitsmonitor, der Biomarker über den Schweiß nachweist. Das revolutionäre Gerät wurde im 3D-Druckverfahren hergestellt und könnte in gewissem Maße Blutproben ersetzen. Der Monitor wird als Pflaster auf der Haut getragen und ist damit bequemer als Blutproben mit Nadelstichen.

Auch wenn er verpönt ist und wir ihn gerade an sehr heißen Tagen verfluchen, ist Schweiß aus vielen Gründen wichtig: Er hält den Körper kühl, reinigt die Hautporen, spendet Feuchtigkeit und kann sogar kleine Wunden und Narben heilen. Darüber hinaus enthält Schweiß viele Stoffwechselprodukte, die auf gesundheitliche Probleme hinweisen können. Mithilfe des neuen Monitors könnten frühe Anzeichen von Krankheiten wie Gicht, Diabetes, Nieren- oder Herzkrankheiten erkannt werden. Obwohl es bereits ähnliche Pflaster gibt, ist es den Forschern gelungen, die Ergebnisse noch genauer und zuverlässiger zu machen. Ihren Erkenntnissen zufolge vereinfacht die verwendete Technik den Herstellungsprozess, wobei der 3D-Druck eine wichtige Rolle gespielt hat.

Im Rahmen der Prototypentests wird der Schweiß rot eingefärbt.

Wie wurde der 3D-gedruckte Gesundheitsmonitor entwickelt?

Bei der Entwicklung des Monitors hat man sich von einer neuen Ära der Technologie inspirieren lassen: tragbare Geräte oder sogenannte wearables. Die Forscher beschreiben den Prozess der Herstellung des Monitors als „Ein-Schritt-Prozess“. Diese Beschreibung entspricht eigentlich einem der Grundsätze des 3D-Drucks, da zumindest bei Projekten wie diesem keine Teile zusammengesetzt werden müssen. Das Design des Geräts ist sehr gut gelungen. Der Monitor besteht aus winzigen Kanälen, die, wenn sie auf der Haut angebracht sind, den Schweiß zurückhalten, die Schweißrate und die Konzentration von Biomarkern messen. Diese Kanäle bestehen wiederum aus Nanomaterialien, die als monoatomare Katalysatoren fungieren und mit bestimmten Enzymen reagieren, um das Signal zu verstärken und biochemische Werte zu messen. Die in der Forschung verwendeten Biosensoren sind drei an der Zahl und können leicht sichtbar gemacht werden, da sie ihre Farbe ändern.

Die drei Biosensoren waren in der Lage, den Glukose-, Laktat- und Harnsäurespiegel der Probanden genau zu überwachen, ebenso wie die Schweißrate während des Trainings. Der WSU-Doktorand Chuchu Chen, Erstautor der Studie, sagte: „Diabetes ist ein globales Problem. Ich glaube, dass der 3D-Druck einen Unterschied im Gesundheitswesen machen kann. Deshalb wollten wir den 3D-Druck mit Methoden zur Krankheitserkennung kombinieren, um diese Art von Gerät zu entwickeln.“

Ein weiterer Vorteil des Schweißmonitors besteht darin, dass die Mikrokanäle aufgrund ihrer Herstellung im 3D-Druckverfahren keine Stützstruktur benötigen, die unter anderen Umständen beim Entfernen zu Verunreinigungsproblemen führen kann. Kaiyan Qiu, Assistenzprofessor an der School of Mechanical and Materials Engineering der WSU, erklärte: „Wir müssen winzige Konzentrationen von Biomarkern messen, daher wollen wir nicht, dass diese Trägermaterialien vorhanden sind oder entfernt werden müssen, daher haben wir eine einzigartige Methode verwendet, um die selbsttragenden mikrofluidischen Kanäle zu drucken.“

Die größte Herausforderung für die Wissenschaftler besteht nun darin, dass die Menge an Chemikalien im Schweiß gering ist und schwer zu messen sein kann. Zwar gibt es bereits ähnliche Schweißsensoren, doch handelt es sich dabei um komplexe Objekte. Im Gegensatz dazu sind die Forschungsergebnisse positiv und könnten der Weg zu den zuverlässigen und flexiblen Überwachungsgeräten sein, nach denen die Wissenschaft sucht. Die Forscher werden daran arbeiten, das Design und die Validierung des Geräts weiter zu verbessern. Das Kommerzialisierungsbüro der WSU hat eine vorläufige Patentanmeldung eingereicht, um das mit der Technologie verbundene geistige Eigentum zu schützen.

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*Bildnachweise: Washington State University.