Ein winziger, berührungsbasierter Sensor erkennt schnell den Lithiumgehalt von Schweiß auf der Oberfläche einer Fingerkuppe

Lithium kann die Symptome einer bipolaren Störung und einer Depression lindern -; wenn es in der richtigen Menge eingenommen wird. Zu wenig wirkt nicht, während zu viel gefährliche Nebenwirkungen hervorrufen kann. Um die Menge dieses Medikaments im Körper genau zu überwachen, müssen sich die Patienten invasiven Bluttests unterziehen. Aber heute berichten Wissenschaftler von der Erfindung eines winzigen Sensors, der den Lithiumspiegel von Schweiß auf der Oberfläche einer Fingerkuppe in nur 30 Sekunden erkennt, ohne in die Klinik zu gehen.

Die Forscher stellen ihre Ergebnisse heute auf der Herbsttagung der American Chemical Society (ACS) vor. ACS Fall 2022 ist ein Hybrid-Meeting, das vom 21. bis 25. August virtuell und persönlich abgehalten wird, mit On-Demand-Zugriff vom 26. August bis 9. September. 9. Das Treffen bietet fast 11.000 Präsentationen zu einem breiten Spektrum wissenschaftlicher Themen.

Lithium muss nicht nur in einer bestimmten Dosierung eingenommen werden, sondern die Patienten haben oft Schwierigkeiten, es wie vorgeschrieben einzunehmen, und verpassen möglicherweise Pillen. Wenn also das Medikament nicht zu wirken scheint, müssen Gesundheitsdienstleister wissen, wie viel Medikament der Patient tatsächlich schluckt. Aber aktuelle Überwachungsoptionen haben erhebliche Nachteile. Beispielsweise liefern Blutabnahmen genaue Ergebnisse, aber sie sind invasiv und zeitaufwändig. Pillenzähler hingegen messen die Einnahme des Medikaments nicht direkt. Um diese Einschränkungen zu beheben, wandte sich das Team einer anderen Körperflüssigkeit zu.

„Auch wenn es nicht sichtbar ist, produziert der menschliche Körper ständig Schweiß, oft nur in sehr geringen Mengen“, sagt Shuyu Lin, Ph.D., ein Doktorand, der die Arbeit gemeinsam mit dem Doktoranden Jialun Zhu am präsentiert treffen. „Kleine Moleküle, die aus Medikamenten stammen, einschließlich Lithium, zeigen sich in diesem Schweiß. Wir haben dies als Gelegenheit erkannt, einen neuen Sensortyp zu entwickeln, der diese Moleküle erkennen würde.“

Durch eine einzige Berührung kann unser neues Gerät klinisch nützliche Informationen auf molekularer Ebene darüber erhalten, was im Körper zirkuliert. Wir interagieren bereits mit vielen berührungsbasierten elektronischen Geräten wie Smartphones und Tastaturen, sodass sich dieser Sensor nahtlos in das tägliche Leben integrieren könnte.“

Sam Emaminejad, Ph.D., Projektleiter, University of California, Los Angeles (UCLA)

Die Entwicklung eines Sensors zum Nachweis von Lithium war jedoch mit einigen technischen Herausforderungen verbunden. Schweiß ist im Allgemeinen nur in winzigen Mengen vorhanden, aber die elektrochemische Erfassung, die zum Nachweis geladener Lithiumpartikel erforderlich ist, erforderte eine wässrige oder wässrige Umgebung. Um es bereitzustellen, entwickelte das Team ein Gel auf Wasserbasis, das Glycerin enthält. Dieser zusätzliche Inhaltsstoff verhinderte das Austrocknen des Gels und schuf eine kontrollierte Umgebung für den elektronischen Teil des Sensors.

Um die Lithiumionen einzufangen, nachdem sie das Gel durchquert hatten, verwendete das Team eine ionenselektive Elektrode. Die sich ansammelnden Ionen erzeugen eine elektrische Potentialdifferenz gegenüber einer Referenzelektrode. Die Forscher nutzten diesen Unterschied, um auf die Lithiumkonzentration im Schweiß zu schließen. Zusammen bilden diese Komponenten einen winzigen, rechteckigen Sensor, der kleiner als der Kopf einer Reißzwecke ist und Lithium in etwa 30 Sekunden erkennen kann. Der Sensor befindet sich noch in der vorläufigen Testphase, aber letztendlich beabsichtigen die Forscher, ihn in ein größeres, noch zu entwickelndes System zu integrieren, das dem Anbieter oder dem Patienten ein visuelles Feedback liefert.

Nach der Charakterisierung des Sensors mit einer künstlichen Fingerspitze rekrutierte das Team echte Personen, um ihn zu testen, darunter eine Person, die eine Lithiumbehandlung erhielt. Die Forscher zeichneten den Lithiumspiegel dieser Person vor und nach der Einnahme des Medikaments auf. Sie fanden heraus, dass diese Messungen denen aus Speichel nahe kamen, von denen frühere Untersuchungen gezeigt haben, dass sie den Lithiumspiegel genau messen. In Zukunft planen die Forscher, die Auswirkungen von Lotionen und anderen Hautprodukten auf die Messwerte des Sensors zu untersuchen.

Diese Technologie hat auch Anwendungen jenseits von Lithium. Emaminejad entwickelt ähnliche berührungsbasierte Sensoren zur Überwachung von Alkohol und Paracetamol, einem Schmerzmittel, das auch als Tylenol® bekannt ist, und untersucht gleichzeitig die Möglichkeit, andere Substanzen zu erkennen. Die vollständigen Sensorsysteme könnten zusätzliche Funktionen enthalten, wie z. B. eine durch einen Fingerabdruck gesicherte Verschlüsselung oder, für Substanzen, die zum Missbrauch neigen, ein Roboter-Abgabesystem, das Medikamente nur dann freisetzt, wenn der Blutkreislauf des Patienten niedrig ist.

Die Forscher danken der National Science Foundation, der Brain and Behavior Foundation, Precise Advanced Technologies and Health Systems for Underserved Populations und der UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Sciences für Unterstützung und Finanzierung.

Quelle:

Amerikanische Chemische Gesellschaft

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