3-D-printede sensorer kunne gøre udåndingstest for diabetes mulige

Fremstillingen af ​​meget følsomme sensorer er en kompleks proces:Den kræver mange trin og det næsten støvfrie miljø i specielle renrum. Et forskerhold fra Materials Science ved Kiel University (CAU) og fra Biomedical Engineering ved Moldovas Tekniske Universitet har nu udviklet en procedure til at producere ekstremt følsomme og energieffektive sensorer ved hjælp af 3-D-print. Den enkle og omkostningseffektive produktionsmetode er også velegnet til industriel produktion, holdet forklarede for nylig i det anerkendte fagtidsskrift Nano energi . Deres sensor, som de præsenterer her, er i stand til præcist at måle koncentrationen af ​​acetonedamp ved hjælp af en speciel strukturering på nanoniveau. Da acetonekoncentrationen i åndedrættet korrelerer med blodsukkerniveauet, forskerholdet håber at have taget et skridt i retning af at producere en udåndingstest til diabetikere, der kan erstatte den daglige kontrol af deres blodsukkerniveauer med fingerstik.

Større overflade gør sensoren mere følsom

Den specielle overflade af de nye sensorer er synlig under et højopløseligt elektronmikroskop:molekyler af gasser som acetone bliver særligt let viklet ind i et krat af nanotråde omkring kun 20 nanometer i diameter. Nanotrådene/piggene øger størrelsen af ​​sensoroverfladen og skaber dermed dens høje følsomhed. "For at lave denne specielle struktur opvarmer vi simple mikropartikler af metal, indtil der dannes adskillige fine nanotråde og nanospidser på dem. Med en specialudviklet blæk kan vi påføre disse partikler med præcision på forskellige overflader ved hjælp af en 3-D printer, " sagde Leonard Siebert, forklarer, hvad der er kendt som "Direct Ink Writing". Som doktorgradsforsker i arbejdsgruppen Functional Nanomaterials på CAU, han forsker i additive produktionsteknologier såsom 3-D print, blandt andet.

Flerfacetteret procedure for acetone og andre gasser

På grund af deres specielle sensorkoncept, den automatiserede 3-D printproces, der præsenteres i undersøgelsen, kan udføres i normal omgivende luft. På denne måde flere sensorer oprettes på samme tid inden for få minutter, noget, der plejede at tage et par timer i renrum. Udgangsmaterialet kan også varieres målrettet, ændre størrelse og struktur og muliggøre detektering af en bestemt gas. "Dette er stadig, først og fremmest, grundforskning, men dette princip kunne bruges i fremtiden til at udvikle sensorer til brint eller andre eksplosive og farlige gasser, " Professor Rainer Adelung, leder af arbejdsgruppen ved Kiel Universitet, er overbevist.

Metalpartiklerne som udgangsmateriale til sensorerne skal være af en vis størrelse for at kunne danne de specielle ledninger og nanopigge. "Det korrekte høje forhold mellem overflade og volumen er afgørende, " forklarede Dr. Oleg Lupan fra Biomedical Engineering ved Moldovas Tekniske Universitet. Som Humboldt-stipendiat, han forskede i denne proces i seks måneder som en del af arbejdsgruppen i Kiel. Det, der er fordelagtigt for sensorernes følsomhed, viser sig at være en udfordring, når det kommer til deres produktion:mens mindre partikler nemt kan påføres overflader ved hjælp af etablerede teknikker såsom sprøjte- eller vakuumfordampningssystemer, de mikropartikler, der anvendes her, er allerede for store til dette. "Af denne grund, vi overvejede brugen af ​​3-D-printere til at anvende mikropartiklerne, " sagde materialeforsker Siebert. "Kendskabet til materialer og enheder hos kolleger fra Moldovas tekniske universitet og vores erfaring med nanomaterialer og 3-D-print supplerer hinanden perfekt her."

Energieffektivitet muliggør mobile applikationer

Når organiske molekyler møder de mange ledninger i den færdige sensor, de reagerer stærkt på hinanden. Ved at gøre det, de ændrer sensorens modstand og udsender tydeligt målbare signaler. I princippet, imidlertid, kun en meget lille mængde elektricitet passerer gennem de tynde ledninger. "Så vores sensorer bruger kun meget lidt energi, " forklarede Lupan. "Dette gør små bærbare måleenheder tænkelige, også, som kan læses direkte via smartphone, for eksempel."

Forskerne håber, at dette kan muliggøre fremtidig brug af sensorerne i mobil, bærbare udåndingstest til diabetikere. I stedet for at kontrollere deres blodsukkerniveauer med et fingerstik flere gange om dagen, diabetikere kunne måle acetoneindholdet i deres åndedræt. Stofskifteproduktet skabes, når der er mangel på insulin, og det udsendes via åndedrættet. De meget følsomme sensorer kunne bestemme acetoneværdier på under 1 ppm (partikler pr. million luftmolekyler), rapporterede undersøgelsen, mens åndedrættet hos personer med diabetes type I eller II har et acetoneindhold på mere end 2 ppm.