Новые сенсоры измеряют уровень мочевой кислоты лучше других неинвазивных методов

Исследователи из Инженерного колледжа Университета Пердью разработали и совершенствуют неинвазивные медицинские устройства для более своевременного и точного мониторинга и лечения некоторых физиологических и психологических состояний.

Вэньчжуо Ву, доцент кафедры промышленного инжиниринга, заявил, что неинвазивный, повторяющийся мониторинг уровня мочевой кислоты (МК) в человеческом поте в течение длительного времени может обеспечить беспрецедентную диагностику, терапию и прогноз нескольких состояний, включая тревожность и гипертонию.

Команда создала новые неинвазивные носимые сенсоры, которые отслеживают уровень мочевой кислоты в человеческом поте. Эти патентноспособные сенсоры, названные EPICS, обладают более высокой чувствительностью, лучшей эргономичностью и могут быть изготовлены из менее дорогих материалов по сравнению с традиционными сенсорами для измерения уровня МК.

Исследование опубликовано в журнале Nano Energy.

Значение мочевой кислоты

Мочевая кислота образуется в организме человека как конечный продукт метаболизма пуринов. Она также действует как сигнал тревоги, запускающий воспаление в качестве иммунного ответа.

Изменение концентрации МК может указывать на физиологические заболевания, такие как подагра, гиперурикемия и гипертония, а также на психологические состояния, такие как тревога и депрессия.

Согласно исследованиям, физиологические заболевания, связанные с аномальным уровнем МК, затрагивают примерно 1–4% населения мира и обходятся более чем в 20 миллиардов долларов ежегодных медицинских расходов. Психологические состояния, связанные с аномальным уровнем МК, затрагивают 8,74% населения США и обходятся в 33,7 миллиарда долларов ежегодных медицинских расходов.

Недостатки традиционного мониторинга мочевой кислоты

Существуют хорошо зарекомендовавшие себя клинические методы измерения уровня МК в крови для контроля метаболизма и питания. Однако у них есть недостатки.

Инвазивный характер забора крови и задержка между сбором образца и анализом являются основными препятствиями, особенно для персонализированного удаленного лечения, такого как предотвращение обострений и своевременный контроль питания. Мониторинг уровня МК в образцах пота имеет преимущества неинвазивности и предоставления результатов в реальном времени.

Текущие носимые сенсоры для измерения уровня МК в поте имеют ряд ограничений: сложные процессы изготовления, необходимость в сложных приборах, дорогие исходные материалы и неудовлетворительная производительность.

Уровень МК в поте здорового человека значительно ниже, чем в крови. Это означает, что сенсоры должны обладать превосходным пределом обнаружения. Кроме того, для непрерывного мониторинга требуется плотный контакт между сенсором МК и кожей человека, что предъявляет дополнительные требования к эргономичности сенсоров.

Сенсоры EPICS

Команда разработала EPICS — гибкие и неинвазивные сенсоры для мониторинга мочевой кислоты в человеческом поте. Они созданы из оксида цинка — нетоксичного, биосовместимого и электрохимически активного материала.

Конструкция позволяет осуществлять неинвазивный мониторинг МК с повышенной производительностью за счет использования в противном случае потраченной впустую механической энергии, например, от человеческого тела. Фундаментальные принципы пьезоэлектрокатализа также могут быть распространены на другие пьезоэлектрические материалы с каталитическими свойствами для высокопроизводительного сенсорного анализа в биомедицинской, фармацевтической и сельскохозяйственной областях.

Команда тестировала EPICS в лаборатории Flex Lab Университета Пердью с лета 2021 года. Результаты показывают, что EPICS превзошли традиционные сенсоры МК в тестах.

Было продемонстрировано, что устройства EPICS достигают четырехкратного улучшения производительности сенсора МК при небольшом сжимающем напряжении, усиленном пьезоэлектрокатализом во время электрохимического окисления МК на поверхностях механически деформированных наностержней оксида цинка. Устройства EPICS продемонстрировали превосходную чувствительность и предел обнаружения, превосходящие все заявленные гибкие электрохимические сенсоры МК.

Исследовательская группа проведет дополнительные испытания для проверки работы EPICS на теле и оценки долгосрочной производительности сенсора.