Современные носимые датчики становятся компактнее и точнее отслеживают физиологические показатели в реальном времени. Особый интерес представляют кожные пластыри, способные анализировать состав пота, например, уровень лактата или глюкозы. Однако препятствием для их массового внедрения остается зависимость от внешних аккумуляторов, что ограничивает автономность и удобство использования таких устройств.
Автономной альтернативой выступают ферментативные биотопливные элементы, которые используют ферменты для преобразования химических соединений в организме в электричество. Хотя лабораторные версии показывают многообещающие результаты, традиционное производство этих элементов трудоемко, требует множества шагов и приводит к высокой вариативности устройств. Чтобы решить эту проблему, учёные создали методику, позволяющую изготавливать элементы быстрее, дешевле и с высокой воспроизводимостью.
Для этого команда разработала водорастворимые «ферментные чернила». В их составе — мезопористый углерод с большой площадью поверхности, химические медиаторы для переноса электронов и полимерное связующее на водной основе POLYSOL. В чернила также добавлены загустители и специфические ферменты для целевого анализа, такие как лактатоксидаза и глюкозодегидрогеназа. Все компоненты диспергированы (равномерно распределены) в водных растворах, что сохраняет активность ферментов.
Ученые нанесли ферментные чернила на легкую бумажную подложку за один этап печати. Полученные электроды оказались стабильнее традиционных аналогов и обеспечили более высокие каталитические токи. Созданные на их основе биотопливные элементы выдают мощность 165 мкВт/см², что превосходит показатели предыдущих разработок.
Устройство подходит для спорта: диапазон определения лактата в поте точно соответствует физиологическим показателям человека при нагрузках.
Новая система способна обеспечивать питание для беспроводной передачи данных по Bluetooth Low Energy, что позволяет проводить мониторинг без внешней батареи. Демонстрация рулонной печати показала возможность непрерывного производства на 400 м подложки, что упрощает процесс массового изготовления и снижает себестоимость устройства до 10 иен (меньше $1).
Технология открывает путь к интеграции в гибкие, носимые и автономные биосенсорные платформы. Она может применяться для мониторинга спортивной активности, раннего выявления заболеваний, предупреждения теплового удара и других медицинских задач. Практическое внедрение планируется к 2030 году с дальнейшей оптимизацией устройств и интеграцией с носимыми платформами.
