Forskare vid Purdue Universitys College of Engineering har uppfunnit och utvecklar icke-invasiva medicintekniska produkter för att göra övervakning och behandling av vissa fysiologiska och psykologiska tillstånd snabbare och mer exakt.
Wenzhuo Wu, docent i industriell teknik från Ravi och Eleanor Talwar Rising Star, sa att icke-invasiv, upprepad övervakning av urinsyranivåer (UA) i mänsklig svett under långa tidsperioder kan möjliggöra en aldrig tidigare skådad diagnos, terapi och prognos för flera tillstånd, inklusive ångest och högt blodtryck.
"Mitt team och jag har skapat nya icke-invasiva, bärbara sensorer som övervakar nivåerna av urinsyra i mänsklig svett," sa Wu. "Dessa patentsökta sensorer, kallade EPICS, har högre känslighet och bättre bärbarhet och kan tillverkas av billigare material än traditionella sensorer som mäter urinsyranivåer."
En artikel om forskningen har publicerats i Nano Energy.
Wu sa att UA tillverkas i människokroppen som en slutprodukt av purinmetabolism. Det fungerar också som ett larm som utlöser inflammation som ett immunsvar.
"Variation i UA-koncentration kan indikera fysiologiska sjukdomar som gikt, hyperurikemi och högt blodtryck, såväl som psykologiska tillstånd som ångest och depression", sa Wu.
"Närare studier rapporterar att de fysiologiska sjukdomarna som är förknippade med onormala UA-nivåer påverkar cirka 1%-4% av världens befolkning och kostar mer än 20 miljarder dollar i årliga medicinska utgifter. De psykologiska tillstånd som är förknippade med onormala UA-nivåer påverkar 8,74% av USA:s befolkning och kostar 33,7 miljarder dollar i relaterade medicinska utgifter årligen."
Wu förklarade att det finns väletablerade kliniska mått på UA-nivåer i blod som används för metabolism och näringskontroll. Han sa också att de har nackdelar.
"Den påträngande karaktären av att samla in blod och förseningen mellan provtagning och analys är stora hinder, särskilt för personliga fjärrbehandlingar som förebyggande av uppblossning och just-in-time näringskontroll", sa Wu. "Att övervaka UA-nivåer i svettprover har fördelarna av att vara icke-invasiv och erbjuda realtidsresultat."
Wu sa att nuvarande bärbara sensorer för att mäta UA-nivåer i svett har flera begränsningar, inklusive komplicerade tillverkningsprocesser, sofistikerade instrument, dyra råmaterial och otillfredsställande prestanda.
"UA-nivåerna i svett hos en frisk människa är betydligt lägre än UA-nivåerna i blodet. Det betyder att sensorer måste ha överlägsna detektionsgränser", sa Wu. "Dessutom kräver kontinuerlig övervakning intim kontakt mellan UA-sensorn och mänsklig hud, vilket ställer ytterligare krav på sensorernas bärbarhet."
Wu och hans team har utvecklat EPICS, som är flexibla och icke-invasiva sensorer som övervakar urinsyra i mänsklig svett. De skapade sensorerna från zinkoxid, ett ogiftigt, biokompatibelt och elektrokemiskt aktivt material.
"Vår design möjliggör icke-invasiv övervakning av UA med en förstärkt prestanda genom annars bortkastad mekanisk energi, såsom den från människokroppen," sa Wu. "De grundläggande piezo-elektrokatalytiska principerna kan också utvidgas till andra piezoelektriska material med katalytiska egenskaper för högpresterande avkänning inom biomedicinska, farmaceutiska och jordbruksområden."
Wu och hans team har testat EPICS vid Purdue Universitys Flex Lab sedan sommaren 2021. Han sa att resultaten visar att EPICS överträffade traditionella UA-sensorer i testerna.
"Vi visade att EPICS-enheterna uppnår en fyrfaldig förbättring av UA-avkänningsprestandan med en liten kompressionspåkänning förstärkt av piezoelektrokatalys under den elektrokemiska oxidationen av UA på ytorna av mekaniskt deformerade zinkoxidnanostavar," sa Wu. "EPICS-enheterna uppvisade en överlägsen känslighet och detektionsgräns som överträffade alla rapporterade flexibla elektrokemiska UA-sensorer."
Wu och forskargruppen kommer att genomföra ytterligare tester för att validera avkänningen på kroppen av EPICS och för att utvärdera sensorns prestanda över tid.
Mer information: Jing Jiang et al, Flexibel piezo-elektrokatalytisk urinsyrasensor, Nano Energy (2023). DOI:10.1016/j.nanoen.2023.108978
Journalinformation: Nanoenergi
Tillhandahålls av Purdue University
