Solar­betrie­benes Pflaster über­wacht Stoff­wechsel per Schweiß

Forscher aus den USA und aus Linz haben ein kleines solarbetriebenes Labor entwickelt, das wie ein Pflaster direkt auf der Haut getragen werden kann. Ein Biosensor überwacht dabei mit Energie von einer in Linz entwickelten münzgroßen Solarzelle den Stoffwechsel durch Analyse von Körperschweiß und sendet die Daten an ein Smartphone, berichten sie im Fachjournal "Nature Electronics". Der Sensor liefert den Angaben zufolge auch mit geringen Schweißmengen zuverlässige Ergebnisse.

Schon jetzt gibt es Schweißpflaster für Sportler, mit denen sich etwa der Flüssigkeitsverlust während des Trainings abschätzen lässt. "Die funktionieren aber ohne Elektronik, etwa über Farbänderung, da ist keine Analytik und Auswertung dabei", erklärte Martin Kaltenbrunner von der Abteilung Physik der Weichen Materie der Universität Linz und dem LIT Soft Material Lab gegenüber der APA.

Seine Kollegen vom California Institute of Technology (Caltech) würden schon länger an elektronischen Sensoren arbeiten, die spezielle Moleküle im Körperschweiß (Biomarker) nachweisen und so Auskunft über verschiedene Stoffwechselvorgänge geben können. Solche Sensoren hätten bisher allerdings hohe Anforderungen an die Energieversorgung gestellt, andererseits große Mengen an Schweiß benötigt, wie man sie nur bei anstrengender körperlicher Betätigung absondert.

Kaltenbrunner und seine Kollegen haben nun ein flexibles und leichtes Solarzellenmodul entwickelt. Es ist nur so groß wie eine Zwei-Euro-Münze und kann damit selbst in Innenräumen nicht nur den Sensor, sondern auch die Auswerteelektronik und die Kommunikation mit dem Smartphone mit Energie versorgen.

Sie nutzen für die Solarzellen eine bestimmte Materialklasse (Perowskit), sodass die Solarzellen "im Gegensatz zu Silizium-Solarzellen bei schwachem Licht umso effizienter sind. Das ist gerade für Indoor-Anwendungen ideal, da kann man aus dem wenigen vorhandenen Licht das beste herausholen", sagte Kaltenbrunner. Die Linzer Forscher zeigten, dass man eine solche Solarzelle entsprechend stabil machen kann, sie über Wochen und Monate gut funktioniert und genügend Energie liefert.

Unter den Solarzellen findet sich die von den Caltech-Forschern um Wei Gao entwickelte kompakte, drahtlose Sensorplattform mit Auswerte- und Kommunikationselektronik, den Sensoren und eine spezielle Schicht, die direkt mit der Haut in Kontakt ist. "Diese zieht den Schweiß aus der Haut und bringt sie zu den Analyseknoten, wo er elektrochemisch ausgewertet wird", so Kaltenbrunner.

Dadurch ist keine anstrengende körperliche Tätigkeit zur Anregung der Schweißproduktion notwendig. Zudem passt das System aktiv seinen Stromverbrauch an, um bei unterschiedlicher Beleuchtung eine optimale Leistung zu gewährleisten.

Die Sensorplattform kann den Forschern zufolge eine breite Palette physikalisch-chemischer Daten wie Glukosespiegel, pH-Gleichgewicht, Salzkonzentration, Schweißrate und Hauttemperatur erfassen und analysieren. Dies ermöglicht es den Nutzern, verschiedene Stoffwechselwerte kontinuierlich und unterbrechungsfrei über den gesamten Tag hinweg zu überwachen, was sowohl in der Krankheitsdiagnostik als auch bei der Fitnessüberwachung genutzt werden kann.

Kaltenbrunner sieht erste Anwendungen etwa im Leistungssport zur nicht-invasiven Überwachung von Sportlern. Später würden solche Systeme aber auch älteren Menschen, Personen mit eingeschränkter Mobilität oder Kindern ein personalisiertes Gesundheitsmanagement und individuelle Diagnosen ermöglichen, ohne gleich zum Arzt oder ins Spital zu müssen, da die Daten aus der Ferne überwacht werden können.