Holz-Sensoren messen Stoffwechselwerte

Empa-Forscher Gilberto Siqueira zeigt einen ausgedruckten Nanocellulose-Schaltkreis
Empa-Forscher Gilberto Siqueira zeigt einen ausgedruckten Nanocellulose-Schaltkreis. Nach einem Trocknungsprozess lässt sich das Material weiterverarbeiten. (Foto: Empa)

Ein schweizerisch-kanadisches Forscherteam entwickelt derzeit Sensoren aus Nanocellulose, die wie ein Pflaster auf der Haut liegen. Die bioverträglichen Sensoren können künftig preiswert produziert werden, um schmerzfrei wichtige Stoffwechselwerte zu messen.

Die Idee, gesundheitlich relevante Werte im Körper über die Haut zu messen, ist bereits in der medizinischen Diagnostik angekommen. So können beispielsweise Diabetiker den Blutzucker schmerzfrei über einen Sensor ermitteln, anstatt sich ständig in den Finger piksen zu müssen. Forscher der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) entwickeln derzeit gemeinsam mit einem kanadischen Team flexible, bioverträgliche Sensoren aus Nanocellulose, die auf der Haut liegen. Die 3D-gedruckten Analysechips aus nachwachsenden Rohstoffen sollen künftig sogar biologisch abbaubar sein.

Nanocellulose ist ein preiswerter, nachwachsender Rohstoff, der in Form von Kristallen und Fasern beispielsweise aus Holz gewonnen wird. Die gallertartige Substanz kann aus nanokristalliner Cellulose und Cellulose-Nanofasern bestehen. Weitere Quellen für das Material sind Bakterien, Algen oder Produktionsreste aus der Lebensmittelherstellung. Damit ist Nanocellulose vergleichsweise leicht und nachhaltig zu gewinnen. 

Wertvolle Bioverträglichkeit

Forscher des Empa-Labors „Cellulose & Wood Materials“ und Woo Soo Kim von der kanadischen Simon Fraser University setzten darüber hinaus auf ein weiteres Merkmal der Nanocellulose: ihre Bioverträglichkeit. Weil das Material aus natürlichen Ressourcen gewonnen wird, eignet es sich ganz besonders für die biomedizinische Forschung.

Mit dem Ziel, bioverträgliche Sensoren zu produzieren, die wichtige Stoffwechselwerte messen können, verwendeten die Forscher die Nanocellulose als «Tinte» im 3D-Druckverfahren. Damit die Sensoren elektrisch leitfähig sind, wurde die Tinte hierzu mit Silber-Nanodrähten versetzt. Die Forscher ermittelten das exakte Verhältnis von Nanocellulose und Silberfäden, damit sich daraus ein dreidimensionales Netzwerk bilden kann.

Silber soll künftig ersetzt werden

Dem Forscherteam gelang es, Sensoren zu entwickeln, die medizinisch relevante Stoffwechselparameter wie die Konzentration von Kalzium, Kalium und stickstoffhaltigen Ammonium-Ionen messen. Damit die Messwerte weiter analysiert werden können, sendet der elektrochemische Hautsensor seine Ergebnisse zur weiteren Datenverarbeitung an einen Computer. Insgesamt ist das winzige Biochemie-Labor auf der Haut lediglich einen halben Millimeter dick.

Mit einer künftigen, neuen Version sollen die bislang verwendeten Silberpartikel durch ein anderes leitfähiges Material ersetzt werden, etwa auf der Basis von Kohlenstoffverbindungen. Damit wäre der medizinische Nanocellulose-Sensor nicht nur bioverträglich, sondern auch komplett bioabbaubar.