Die Diagnose von Krankheiten wie Diabetes und Osteoporose erfolgt in der Regel durch einen Bluttest. Da die bestehende Gesundheitsinfrastruktur in abgelegenen Gebieten jedoch nicht in der Lage ist, diese Tests durchzuführen, bleiben die meisten erkrankten Menschen unerkannt und unbehandelt.
Herkömmliche Methoden sind zudem mit arbeitsintensiven und invasiven Verfahren verbunden, die in der Regel zeitaufwändig sind und eine Echtzeit-Überwachung unmöglich machen, insbesondere unter realen Bedingungen und bei der Bevölkerung auf dem Land.
Angetrieben durch Blut
Forscher der University of Pittsburgh und des University of Pittsburgh Medical Center schlagen ein neues Gerät vor, das das Blut zur Erzeugung von Elektrizität und zur Messung seiner Leitfähigkeit nutzt.
„Da die Bereiche der Nanotechnologie und der Mikrofluidik weiter voranschreiten, besteht eine wachsende Chance, Lab-on-a-Chip-Geräte zu entwickeln, die die Einschränkungen der modernen medizinischen Versorgung umgehen können“, sagt Amir Alavi, Assistenzprofessor für Bau- und Umwelttechnik an der Swanson School of Engineering der Universität Pittsburgh.
„Diese Technologien könnten das Gesundheitswesen verändern, indem sie eine schnelle und bequeme Diagnostik ermöglichen und so letztlich die Ergebnisse für die Patienten und die Effektivität der medizinischen Leistungen verbessern.“
Diagnose vor Ort ermöglicht
Die elektrische Leitfähigkeit des Blutes ist ein wertvolles Maß zur Beurteilung verschiedener Gesundheitsparameter und zur Erkennung von Krankheiten. Diese Leitfähigkeit wird in erster Linie durch die Konzentration wichtiger Elektrolyte, insbesondere von Natrium- und Chloridionen, bestimmt. Diese Elektrolyte sind an einer Vielzahl physiologischer Prozesse beteiligt und helfen dem Arzt bei der Diagnose.
„Blut ist im Grunde eine wasserbasierte Umgebung, die verschiedene Moleküle enthält, die elektrische Ströme leiten oder behindern“, erklärt Dr. Alan Wells, medizinischer Direktor der UPMC Clinical Laboratories, stellvertretender Vorsitzender der Abteilung für Labormedizin an der University of Pittsburgh und UPMC und Thomas-Gill-III-Professor für Pathologie an der Pitt School of Medicine, Department of Pathology.
„Glukose zum Beispiel ist ein elektrischer Leiter. Durch diese Messungen können wir sehen, wie sie die Leitfähigkeit beeinflusst. So können wir vor Ort eine Diagnose stellen.“ Trotz seiner Vitalität ist das Wissen über die Leitfähigkeit des menschlichen Blutes begrenzt, da die Messung durch die Polarisierung der Elektroden, den begrenzten Zugang zu menschlichen Blutproben und die Komplexität der Aufrechterhaltung der Bluttemperatur erschwert wird.
Chip-Gerät vereinfacht Gesundheitsparameter-Bewertung
Die Messung der Leitfähigkeit bei Frequenzen unter 100 Hz ist für ein tieferes Verständnis der elektrischen Eigenschaften des Blutes und der grundlegenden biologischen Prozesse besonders wichtig, aber noch schwieriger.
Das Forschungsteam schlägt ein neuartiges tragbares Lab-on-a-Chip-Gerät mit Millifluid-Nanogenerator vor, das Blut bei niedrigen Frequenzen messen kann. Das Gerät verwendet Blut als leitende Substanz in seinem integrierten triboelektrischen Nanogenerator (TENG). Der vorgeschlagene blutbasierte TENG kann mechanische Energie triboelektrifiziert in elektrische Energie umwandeln.
Dieser Prozess beinhaltet den Austausch von Elektronen zwischen sich berührenden Materialien, was zu einem Ladungstransfer führt. In einem TENG-System erzeugen der Elektronentransfer und die Ladungstrennung eine Spannungsdifferenz, die einen elektrischen Strom erzeugt, wenn die Materialien einer Relativbewegung wie Kompression oder Gleiten ausgesetzt sind.
Künstliche Intelligenz zur Spannungsmuster Abschätzung
Das Team analysiert die vom Gerät erzeugte Spannung unter vordefinierten Lastbedingungen, um die elektrische Leitfähigkeit des Blutes zu bestimmen. Der selbstversorgende Mechanismus ermöglicht die Miniaturisierung des vorgeschlagenen blutbasierten Nanogenerators. Dabei verwendete das Team ebenfalls KI-Modelle, um die elektrische Leitfähigkeit des Blutes direkt aus den vom Gerät erzeugten Spannungsmustern abzuschätzen.
Um die Genauigkeit zu testen, verglich das Team seine Ergebnisse mit einem herkömmlichen Test, der sich als erfolgreich erwies. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Tests dort durchzuführen, wo die Menschen leben. Darüber hinaus können blutbetriebene Nanogeneratoren überall im Körper funktionieren, wo Blut vorhanden ist, und ermöglichen so eine autonome Diagnose unter Verwendung der lokalen Blutchemie.
