Fitnesssensor waarschuwt wanneer je je limiet bereikt

Figuur 1. a) Schematische weergave van het ontwerp van de spiervermoeidheidssensor op basis van Ti₃C₂t_x MXene-PVA/PAA-hydrogel (M-hydrogel). b) Effect van uitgeoefende axiale belasting op de weerstand van de M-hydrogel (ΔR/R₀). c) Variatie van de elektrische weerstand van de M-hydrogel met pH; de pH werd geregeld door de samenstelling van de PBS-oplossing te veranderen. d) Tijdsafhankelijke verandering in de weerstand van de M-hydrogel als functie van de pH van de omgeving. Plotselinge veranderingen in resistentie tegen M-hydrogel worden waargenomen bij druppelen in PBS-oplossingen met verschillende pH-waarden. e) Foto afbeelding die de experimentele opstelling toont om de weerstand van de M-hydrogel te meten onder toegepaste spanning bij verschillende pH-omstandigheden. f ) Niet-lineaire verandering in M-hydrogelweerstand onder uitgeoefende spanning bij lage pH-omstandigheden. Wanneer de ionenstroom domineert, krijgen we niet-lineariteit in ΔR versus rek. Krediet: DOI: 10.1002/smtd.202100819

Ultradunne nanomaterialen, bekend als MXenen, zijn klaar om het gemakkelijker te maken om het welzijn van een persoon te controleren door hun transpiratie te analyseren.

Hoewel ze een vergelijkbare tweedimensionale aard hebben als grafeen, zijn MXenen samengesteld uit niet-toxische metalen, zoals titanium, in combinatie met koolstof- of stikstofatomen. Met van nature een hoge geleidbaarheid en sterke oppervlakteladingen zijn MXenen aantrekkelijke kandidaten voor biosensoren die kleine veranderingen in chemische concentraties kunnen detecteren.

In 2019 ontwikkelde de groep van Husam Alshareef een MXene-composietelektrode, die ze insloten in een draagbare armbandsensor. Het apparaat, dat een modulair ontwerp had dat gebruikmaakte van MXene-inserts geladen met geschikte enzymen, kon transpiratie absorberen en verschillende analyten in menselijk zweet detecteren, waaronder glucose en melkzuur.

Alshareef en zijn collega’s hebben onlangs, in samenwerking met het onderzoeksteam van Sahika Inal, geprobeerd MXene-vellen te combineren met hydrogels – met water gevulde polymeren die compatibel zijn met menselijk weefsel omdat ze kunnen uitrekken. Intrigerend genoeg ontdekte het team dat hoge niveaus van mobiele ionen in de hydrogel een sterke gevoeligheid veroorzaakten voor de mechanische belasting die optreedt tijdens inspanning.

“Aanvankelijk zijn de MXene-vellen willekeurig georiënteerd in de hydrogel, maar zodra je er druk op uitoefent, worden de vellen meer horizontaal georiënteerd”, legt Alshareef uit. “Omdat MXenen een hoge concentratie negatieve ladingen op hun oppervlak hebben, hebben horizontale opstellingen een sterke invloed op de ionenbewegingen in de hydrogel, en dus kunnen we verschillende niveaus van drukverandering meten.”

Een prototype draagbare sensor, ontwikkeld met de nieuwe MXene-hydrogel-verbinding, was in staat om spierbewegingen te volgen door duidelijke elektrische weerstandspatronen te produceren naarmate de mechanische belasting toenam. Deze patronen veranderden op hun beurt onmiddellijk wanneer de sensor werd blootgesteld aan extra ionen in de vorm van zure of basische oplossingen.

Dit bracht het KAUST-team ertoe te beseffen dat hun apparaat kan worden gebruikt om pH-veranderingen in zweet te correleren met vermoeidheid-opwekkende zuurophopingen in spiercellen.

“Terwijl we oefenen en onze spieren moe worden, ziet de sensor de nieuwe chemische omgeving en produceert verschillende elektrische weerstand versus stresscurves”, zegt Kang Lee, een voormalig KAUST-postdoc en hoofdauteur van het onderzoek. “Door deze curven te vergelijken met referentiecurven voor een bepaalde sensor, kunnen we de pH van het zweet bepalen en hoe vermoeid de spier is.”

Met Bluetooth-connectiviteit met digitale apparaten in de buurt, kan de op MXene gebaseerde sensor waardevol zijn voor atleten die op zoek zijn naar realtime prestatiemetingen zodra de technologie is geoptimaliseerd. “De grootste uitdaging is de stabiliteit van de sensor op lange termijn, dus we kijken naar het veranderen van composities en ontwerpen in toekomstige experimenten”, zegt Alshareef.