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纸基生物传感器:亲近环境 才能拥有美好的前景

导读: 家庭可使用(Home-based)的生物传感器已经改变了社会对医疗诊断的看法。生物传感器是能够通过换能器将目标分析物的生物信息转化为定量信号的集成式分析装置。

据麦姆斯咨询报道,纸基生物传感器正成为满足环境保护需求的医疗诊断传感器。

纸基生物传感器:亲近环境 才能拥有美好的前景

用于诊断的生物传感器

家庭可使用(Home-based)的生物传感器已经改变了社会对医疗诊断的看法。生物传感器是能够通过换能器将目标分析物的生物信息转化为定量信号的集成式分析装置。生物传感器的设计一般为一次性测试条,在现场进行快速、简单的测试。除生物医学诊断外,生物传感器已应用于许多其它领域,如农业、药物发现、法医学、环境控制和食品安全。在医疗保健领域,生物传感器不仅适用于诊断,还适用于患者监测。血糖生物传感器被世界各地成千上万的糖尿病患者使用,可能算是最有名的例子了。第一款商用生物传感器(YSI葡萄糖生物传感器)在70年代中期就进入人类的视野,但直到1987年市场上才出现全部印刷有电极的葡萄糖生物传感器(与我们现在所认知的传感器类似)。用户友好的远程血糖监测工具无疑是治疗糖尿病的关键,对患者日常生活起到了非常巨大的帮助作用。该应用的成功成就了生物传感器市场指数级的增长,到2022年该市场将达到270.6亿美元。在实现葡萄糖生物传感器的同时,其它技术领域也取得了进展,例如微加工、材料科学、微流控、电子学和物联网(IoT)。生物传感技术与这些科技进步相结合有助于实现应用更广泛、功能更强的器件。

技术进步带来的环境污染无法回避

一次性或短寿命电子装置(例如生物传感器)的生产导致了电子废弃物的数量不断增多,发达国家面临着严峻的环境问题。根据2017年联合国发布的报告,2016年全球产生了超过4000万吨电子废弃物,只有20%被正确回收。虽然世界上66%的人口都能受到电子废弃物的立法保护,但采取更多措施来鼓励其他国家制定政策迫在眉睫。

对全球变暖和污染的担忧推动人类寻找替代解决方案。纸的回收性高,因而成为传统塑料生物传感器的“生态型”替代品。从技术上讲,纸具有许多固有的优点:基于纤维素纤维的内部组合物允许电传导操作、亲水性、疏水性和高温下不会燃烧等。因此,纸作为一种活跃的生物传感平台,具有环保性,正在成为一种前景可期的诊断方法。纸基解决方案将通过减少碳排放和毒性,作为对减少电子产品对环境影响的支撑,有助于实现2020欧盟气候行动( 2020 EU Climate Action)。

纸基生物传感器:亲近环境 才能拥有美好的前景

在纸上实现凹版印刷电子结构

纸基生物传感器作为替代品,进展如何?

纸基生物传感器尚处于起步阶段。因此,从学术界走向临床应用,还要经历更深入的研究。主要面临材料易脆性、大规模生产、样品制备和系统集成等挑战。目前已有一些成功的纸基生物传感器进入市场,例如妊娠试验。但它们主要提供定性或半定量“是/否”的响应,应用范围大受限制。目前,为了解决这些问题,大量研究正在进行,从该行业评审的文献中就可以看出。2017年发表的关于纸基生物传感器文章达693篇(而1990年仅126篇)。在欧洲,有许多合作研究在努力缩小这一差距并开发环保电子产品。GREENSENSE、IMPETUS和INNPAPER等项目的目标则是利用木材衍生材料(如纳米纤维素和纸)开发PoC传感系统。

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GREENSENSE项目

纸基生物传感器:亲近环境 才能拥有美好的前景

INNPAPER项目介绍

除了技术挑战,纸基生物传感器在商业和社会方面还面临一些问题需要解决。其中包括与其它可生物降解材料的组合,处置规定,以及作为塑料器件替代品的成本竞争力也需要证明。随着技术与市场越来越接近,并证明其为日常接受、应用具有可行性,这些问题都将得到解决。

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