Biologisch abbaubar Robuste Biosensoren aus Zellulose

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Wissenschaftler aus Deutschland und Korea haben Biosensoren aus Zellulose entwickelt. Sie lassen sich bei EEG, EMG oder EKG einsetzen. Eine Massenproduktion ist möglich.

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Zellulose als Material: Die Grafik zeigt die Struktur des Biosensors, welche sich an der Struktur eines Blattes orientiert.
Zellulose als Material: Die Grafik zeigt die Struktur des Biosensors, welche sich an der Struktur eines Blattes orientiert.
(Bild: TU Berlin)

Wissenschaftler der University of Korea und der TU Berlin haben sogenannte Biosensoren entwickelt, die aus dem pflanzlichen Material Zellulose bestehen. Sie leiten nicht nur besser und dauerhafter als herkömmliche Elektroden. Sie sind 100 Prozent natürlich, wiederverwendbar, verursachen keine Hautreizungen wie andere Gele und sind biologisch abbaubar.

Inspiriert von der Struktur von Blättern, haben die Wissenschaftler Biosensoren entwickelt, analysiert und getestet, die aus zwei Schichten, der Blattstruktur nachempfundenen Zellulosefasern bestehen, die mit Salzwasser getränkt werden können. Über dem Zellulosematerial liegt eine Trägermembran, die wiederum an eine metallische Elektrode mit Kabel andockt.

Wenn Zellulose elektrisch leitend ist

Bislang trat Zellulose vor allem als Material für die Synthese oder Filtration in Erscheinung. Da Zellulose selbst nicht leitet, schien sie ungeeignet als potenzielles Elektrodenmaterial. Werden Zellulosefasern allerdings in salzhaltiges Wasser gelegt, quellen sie auf und zeigen sehr gute elektrische Leitungseigenschaften.

„Diese Sensoren zeigten kontinuierlich hochwertige elektrophysiologische Signale in verschiedenen Anwendungen, beispielsweise im EEG, EMG und EKG. Sie haften hervorragend – ohne das ein synthetisches Gel gebraucht wird – an verschiedenen Hauttypen. Diese guten Haftungseigenschaften zeigen sie auch unter Stress, wie bei schwitzenden oder sich bewegenden Probanden“, erläutert Klaus-Robert Müller. Daneben verfügen diese Sensoren über eine hohe Übertragungsqualität, einen niedrigen elektrischen Widerstand (Impedanz) und eine geringe Varianz des Widerstandes während Langzeit-Messungen. Die Sensoren wurden bereits auf verschiedenen Hauttypen getestet.

Biosensoren aus der Massenproduktion

„Die Vielseitigkeit und Robustheit der Biosensoren konnten wir auch in Kombination mit Algorithmen des maschinellen Lernens zeigen, die in anspruchsvollen realen Situationen getestet wurden. Tests wurden beim Fahrradfahren oder auch beim Computerspiel mit einer Gehirn-Computer-Schnittstelle durchgeführt, bei denen sich die Probanden während der Messung bewegen und somit Artefakte erzeugen können“, erzählt Klaus-Robert Müller.

Weitere Vorteile der Biosensoren: Sie erlauben eine Massenproduktion in einem einfachen und kostengünstigen Prozess, sind wiederverwertbar, hautverträglich und biologisch abbaubar. Klaus-Robert Müller ist überzeugt: „Diese homöostatischen Zellulose-Biosensoren eignen sich für breite klinische und nicht-klinische Anwendungen.“

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