得益于科學(xué)進(jìn)步和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展，我們對特定疾病的早期癥狀以及可檢測的生物標(biāo)志物有了更多的了解。更重要的是，我們擁有了檢測所需要的設(shè)備和技術(shù)，可以方便地在臨床環(huán)境對這些生物標(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)。

對于糖尿病患者來說，血糖水平的長期監(jiān)測非常重要。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)志物來避免血糖監(jiān)測所需要的持續(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)測數(shù)據(jù)的無線采集和傳輸，這種紙尿褲傳感器可以大大簡化糖尿病患者的健康監(jiān)測。然而，尿糖傳感器和無線發(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)生足夠的能量來為傳感器供電呢?答案是電化學(xué)?？茖W(xué)家已經(jīng)開發(fā)出一種紙基生物燃料電池，它能夠通過一對氧化還原反應(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，再通過智能手機(jī)進(jìn)行葡萄糖濃度的遠(yuǎn)程監(jiān)測。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))檢測到尿糖。

“除了為糖尿病患者監(jiān)測尿糖，利用相同的原理，還可以通過提前儲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)測病患漏尿的情況。對于住院病人或需要長期護(hù)理的病患，為了避免感染和皮炎濕疹，需要持續(xù)監(jiān)測患者的紙尿褲。對于常規(guī)護(hù)理，利用我們開發(fā)的這種紙尿褲傳感器，可以大幅減輕看護(hù)者的工作量?！盨hitanda博士補(bǔ)充說。

簡言之，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，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博士說道：“我們相信，這項(xiàng)研究開發(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發(fā)?！?/p>