Nieinwazyjny czujnik tlenu profesora Jana Biernata

  • Współcześnie, ze względu na wyczerpywanie się naturalnych zasobów Ziemi, trwają intensywne poszukiwania nowych źródeł energii, przede wszystkim odnawialnej. Jednym z największych problemów występujących przy eksploatowaniu zasobów zmagazynowanej energii chemicznej i jej przemian w bardziej użyteczne formy są straty energii w czasie takiego procesu. Dotyczy to np. pozyskiwania użytecznej energii mechanicznej czy elektrycznej ze spalania bogatego energetycznie węgla.
    W dodatku na wydobycie i transport samego surowca również zużywa się znaczne ilości energii. Wszystko to powoduje, że odzysk energii z pierwotnego bogatego źródła jest per saldo znacznie niższy, niż przewidują to pomiary lub teoria. Po uwzględnieniu wszystkich nakładów i strat ostateczny stopień wykorzystania energii węgla jest bardzo niekorzystny. Wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe wykorzystujące węgiel i inne surowce i również charakteryzują się niską wydajnością energii elektrycznej.

    Zachodzące w przyrodzie procesy uwalniania energii z surowców odnawialnych, głównie w reakcji glukozy z tlenem, są przykładem wydajnych procesów przemiany energii. Procesy te zachodzą w temperaturze otoczenia, powstające produkty utleniania glukozy nie są szkodliwe dla środowiska, a w dodatku mogą zachodzić z ilościową wydajnością. Procesy te są najkorzystniej katalizowane przez enzymy. Ponieważ procesy utlenienia paliwa (jakim jest glukoza) tlenem z powietrza są związane z przenoszeniem elektronów, to ten transport jest równoznaczny z przepływem prądu elektrycznego w bioogniwie:

     

    Rys.1. Model bioogniwa wykorzystującego enzym lakazę jako katalizator redukcji tlenu do wody na katodzie. Potencjał biokatody jednocześnie przekazuje informacje o stężeniu tlenu.
    (A) Matryca półprzepuszczalnej membrany przed i po nałożeniu chemicznie modyfikowanych nanorurek węglowych (B) Zespolenie biokatody dla biobaterii (C) Widok biobaterii zaprojektowanej dla układu przepływowego.  

     

    Aby transport elektronów był efektywny konieczne jest stworzenie takiego układu
    w bioogniwie. Wówczas ładunki elektryczne generowane w cząsteczce enzymu byłyby łatwo przenoszone na elektrody i przewody. Bardzo efektywne układy przenoszące elektrony z aktywnego centrum enzymu na przewodnik elektryczny zbudowane z modyfikowanych nanorurek węglowych zostały opracowane przy ścisłej współpracy zespołów: J. Biernata - emerytowanego profesora Politechniki Gdańskiej, prof. R. Bilewicz z Uniwersytetu Warszawskiego i prof. J. Rogalskiego z UMCS w Lublinie. - Zbudowane enzymatyczne bioogniwa wykorzystują glukozę (i tlen) jako paliwo powszechnie występujące w organizmach żywych, produkując energię elektryczną. Wydajność energetyczna podczas tego procesu jest bliska teoretycznej - tłumaczy profesor Biernat.

    Bioogniwo będące wynikiem ponad 10-letniej pracy wspomnianych zespołów może wykorzystywać glukozę zawartą we krwi jako paliwo. Otwiera to drogę do skonstruowania wszczepialnego bioogniwa, np. do zasilania rozrusznika serca, pomiarów poziomu glukozy czy do sterowania dozownikami leków. Na bazie wspomnianego ogniwa zespół opracował biobaterię do oznaczania nasycenia tlenem krwi, czyli tzw. „czujnik tlenu”, dedykowany szczególnie dla noworodków.

    Monitorowanie poziomu tlenu polega na tym, że ilość tlenu na bioelektrodzie kształtuje jej potencjał w stosunku do wbudowanej elektrody odniesienia o stałym potencjale. Elektroda (biokatoda), na której następuje redukcja tlenu pod katalitycznym wpływem enzymu lakazy, jest obsadzona chemicznie zmodyfikowanymi nanorurkami węglowymi, które wymieniają ładunki elektryczne elektrody z centrum aktywnym enzymu. Potencjał biokatody oraz temperatura organizmu (monitorowana oddzielnym, komercyjnym czujnikiem) są następnie przekazywane do układu elektronicznego, który bezprzewodowo przesyłał te dane np. do komputera. Główną zaletą takiego czujnika tlenu dla pacjenta jest nieinwazyjność oraz natychmiastowa sygnalizacja spadku poziomu tlenu we krwi.

    Kontrola saturacji jest jednym z podstawowych badań wykonywanych w szczególności u rodzących się dzieci, inkubowanych noworodków czy pacjentów w śpiączce farmakologicznej. Obecnie do kontroli nasycenia krwi tlenem najczęściej stosuje się pulsoksymetry, ogniwa Clarka i gazometrię. Metody te mają liczne wady, pośród których najważniejsze to: długi czas reakcji, inwazyjność, konieczność bezpośrednich badań krwi czy stosowanie metali ciężkich w urządzeniach pomiarowych. Czujnik profesora Biernata byłby mocowany do skóry za pomocą przyssawki lub przylepca i mógłby być przeznaczony do wielokrotnego użytku.

    Prototyp czujnika tlenu istnieje w Uniwersytecie Warszawskim, jednak na razie w skali znacznie większej niż przewidywane urządzenie do powszechnego użytku. Aktualnie zespół badawczy prowadzi prace nad udoskonaleniem przewodzącej elektrycznie membrany (która ma być biokatodą urządzenia), przeznaczonej do kontaktu ze skórą i jednocześnie generującą roboczy potencjał. Urządzenie elektroniczne pozwalające na zdalny przesył informacji z czujnika tlenu do np. komputera jest dostępne na rynku dostępne, jednak zdaniem Profesora wymaga przekonstruowania.

    Według wstępnych szacunków koszt czujnika byłby znacznie niższy od cen urządzeń dostępnych na rynku. Czujnik tlenu został zgłoszony do pierwszego naboru w projekcie Inkubator Innowacyjności, prowadzonym przez Centrum Transferu Wiedzy i Technologii Politechniki Gdańskiej. W ramach Inkubatora zostanie stworzona oferta technologiczna dla potencjalnych partnerów komercyjnych, którzy mogliby sfinansować budowę prototypu oraz dalsze prace w projekcie.