Onderzoekers van het College of Engineering van Purdue University hebben niet-invasieve medische apparaten uitgevonden en ontwikkelen deze om de monitoring en behandeling van bepaalde fysiologische en psychologische aandoeningen sneller en nauwkeuriger te maken.

Wenzhuo Wu, de Ravi en Eleanor Talwar Rising Star universitair hoofddocent industriële techniek, zei dat niet-invasieve, herhaalde monitoring van urinezuur (UA) niveaus in menselijk zweet gedurende lange perioden de ongekende diagnose, therapie en prognose van verschillende aandoeningen mogelijk zou kunnen maken. inclusief angst en hypertensie.

"Mijn team en ik hebben nieuwe niet-invasieve, draagbare sensoren gemaakt die de niveaus van urinezuur in menselijk zweet monitoren," zei Wu. "Deze sensoren, waarvoor patent is aangevraagd, EPICS genaamd, hebben een hogere gevoeligheid en betere draagbaarheid en kunnen worden gemaakt van goedkopere materialen dan traditionele sensoren die de urinezuurspiegels meten."

Een artikel over het onderzoek is gepubliceerd in Nano Energy.

De impact van urinezuur

Wu zei dat UA in het menselijk lichaam wordt gemaakt als eindproduct van het purinemetabolisme. Het fungeert ook als een alarm dat ontstekingen veroorzaakt als immuunreactie.

"Variatie in UA-concentratie kan wijzen op fysiologische ziekten zoals jicht, hyperurikemie en hypertensie, maar ook op psychologische aandoeningen zoals angst en depressie," zei Wu.

“Recente studies melden dat de fysiologische ziekten die verband houden met abnormale UA-niveaus ongeveer 1% tot 4% van de wereldbevolking treffen en meer dan 20 miljard dollar aan jaarlijkse medische uitgaven kosten. De psychologische aandoeningen die verband houden met abnormale UA-niveaus treffen 8,74% van de Amerikaanse bevolking en kost jaarlijks 33,7 miljard dollar aan gerelateerde medische kosten."

Nadelen van traditionele urinezuurmonitoring

Wu legde uit dat er gevestigde klinische metingen zijn van UA-niveaus in bloed dat wordt gebruikt voor metabolisme en voedingscontrole. Hij zei ook dat er nadelen aan zitten.

"De opdringerige aard van het verzamelen van bloed en de vertraging tussen monsterafname en analyse vormen grote belemmeringen, vooral voor gepersonaliseerde behandelingen op afstand, zoals het voorkomen van opflakkeringen en just-in-time voedingscontrole," zei Wu. "Het monitoren van UA-niveaus in zweetmonsters heeft het voordeel dat het niet-invasief is en realtime resultaten biedt."

Wu zei dat de huidige draagbare sensoren om het UA-niveau in zweet te meten verschillende beperkingen hebben, waaronder ingewikkelde fabricageprocessen, geavanceerde instrumenten, dure grondstoffen en onbevredigende prestaties.

"De UA-niveaus in het zweet van een gezond mens zijn aanzienlijk lager dan de UA-niveaus in het bloed. Dit betekent dat sensoren superieure detectielimieten moeten hebben," zei Wu. "Bovendien vereist continue monitoring een intiem contact tussen de UA-sensor en de menselijke huid, wat verdere eisen stelt aan de draagbaarheid van de sensoren."

EPICS-sensoren

Wu en zijn team hebben EPICS ontwikkeld, dit zijn flexibele en niet-invasieve sensoren die urinezuur in menselijk zweet monitoren. Ze hebben de sensoren gemaakt van zinkoxide, een niet-giftig, biocompatibel en elektrochemisch actief materiaal.

"Ons ontwerp maakt de mogelijkheid mogelijk van niet-invasieve monitoring van UA met verbeterde prestaties door anderszins verspilde mechanische energie, zoals die van het menselijk lichaam", zei Wu. "De fundamentele piëzo-elektrokatalytische principes kunnen ook worden uitgebreid naar andere piëzo-elektrische materialen met katalytische eigenschappen voor hoogwaardige detectie op biomedisch, farmaceutisch en landbouwgebied."

Wu en zijn team hebben EPICS sinds de zomer van 2021 getest in het Flex Lab van Purdue University. Hij zei dat de resultaten aantonen dat EPICS in de tests beter presteerde dan traditionele UA-sensoren.

"We hebben aangetoond dat de EPICS-apparaten een viervoudige verbetering van de UA-detectieprestaties bereiken met een kleine drukspanning versterkt door piëzo-elektrokatalyse tijdens de elektrochemische oxidatie van UA op de oppervlakken van mechanisch vervormde zinkoxide nanostaafjes, " zei Wu. "De EPICS-apparaten vertoonden een superieure gevoeligheid en detectielimiet die beter presteerden dan alle gerapporteerde flexibele elektrochemische UA-sensoren."

Wu en het onderzoeksteam zullen aanvullende tests uitvoeren om de lichaamsdetectie van EPICS te valideren en de prestaties van de sensor in de loop van de tijd te evalueren.

Meer informatie: Jing Jiang et al., Flexibele piëzo-elektrokatalytische urinezuursensor, Nano Energy (2023). DOI:10.1016/j.nanoen.2023.108978

Journaalinformatie: Nano-energie

Aangeboden door Purdue University