日本開發自供電尿糖傳感器，用于無線無創監測尿糖

得益于科學進步和現代醫學的發展，我們對特定疾病的早期癥狀以及可檢測的生物標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備和技術，可以方便地在臨床環境對這些生物標志物進行采樣和分析，以便醫生、患者和護理人員能夠及時采取相應的措施。在不斷發展的醫療護理技術領域，可穿戴電子以及生物傳感器被認為是潛在的突破性技術，可以幫助醫務人員和非醫療專業人員持續地遠程監控與生命體征相關的重要參數。

對于糖尿病患者來說，血糖水平的長期監測非常重要。幸運的是，尿糖水平提供了關于血糖水平的間接信息，可以作為一種替代生物標志物來避免血糖監測所需要的持續采血取樣。因此，可以將尿糖傳感器直接嵌入紙尿褲，監測老年人和護理病人的尿糖水平。如果能夠實現監測數據的無線采集和傳輸，這種紙尿褲傳感器可以大大簡化糖尿病患者的健康監測。然而，尿糖傳感器和無線發射器都需要能源才能工作，從環境和實用角度來看，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據的無線傳輸供電

據麥姆斯咨詢報道，日本科學家已經找到了解決這個問題的有效方案。在近日發表在ACS Sensors雜志上的一項研究中，日本東京理科大學(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生能量的紙尿褲傳感器。這項研究成果是與日本筑波大學(University of Tsukuba)副教授Seiya Tsujimura合作完成。值得注意的是，這項研究與Shitanda博士及其同事開發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，如何利用尿液產生足夠的能量來為傳感器供電呢?答案是電化學。科學家已經開發出一種紙基生物燃料電池，它能夠通過一對氧化還原反應，輸出與尿液中葡萄糖含量成比例的電能。設計這種生物燃料電池，需要重點關注的是產生足夠能量所需要的尿液量，以及裝置的整體穩定性和耐久性。為此，科學家們開發了一種利用“接枝聚合”反應的電化學電池，該反應過程使葡萄糖反應酶和中介體分子牢固地固定在多孔碳層上。

(a)帶無線發射端的紙尿褲，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，用產生的能量為低功率藍牙發射器供電，再通過智能手機進行葡萄糖濃度的遠程監測。實驗結果發現，這種基于生物燃料電池的傳感器可以在很短的時間內(1秒內)檢測到尿糖。

“除了為糖尿病患者監測尿糖，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，利用這種傳感器遠程監測病患漏尿的情況。對于住院病人或需要長期護理的病患，為了避免感染和皮炎濕疹，需要持續監測患者的紙尿褲。對于常規護理，利用我們開發的這種紙尿褲傳感器，可以大幅減輕看護者的工作量。”Shitanda博士補充說。

簡言之，Shitanda博士團隊設計的生物傳感器不僅可以提供尿糖監測，還可以提高紙尿褲管理效率和更換響應速度，降低環境影響。Shitanda博士說道：“我們相信，這項研究開發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。”