Wetenschappers van de universiteit ETH Zurich hebben een biodegradeerbare microsensor ontwikkeld die de temperatuur van voedingsproducten continu kan opvolgen. Speciaal aan deze sensor is dat je hem nadien ook kan opeten.
De eetbare temperatuursensor
Het onderzoeksteam, onder leiding van Dr. Salvatore, ontwikkelde temperatuursensoren die volledig biodegradeerbaar en biocompatibel zijn. Recent beschreven ze in het tijdschrift ‘Advanced Functional Materials’ de samenstelling van deze microsensoren. De sensoren bestaan uit microstructuren van magnesium, silica en nitride, ingebed in een composteerbare, flexibele polymeermatrix. Magnesium is een belangrijk onderdeel van het menselijk dieet, en silica en nitride zijn biocompatibel en wateroplosbaar. De polymeermatrix (‘Ecoflex’ van BASF) bestaat uit maïs- en aardappelzetmeel en PLA (polymelkzuur) en voldoet aan de Europese en Amerikaanse voedingswetgeving. De opbouw van de sensor wordt weergegeven in Figuur 1.
Figuur 1: Opbouw van de eetbare microsensor: microstructuren van magnesium, silica en nitride in een biodegradeerbare polymeermatrix van ‘Ecoflex’ (Salvatore et al., 2017).
De ontwikkelde sensoren hebben een hoge mechanische stabiliteit en flexibiliteit. Dit is belangrijk aangezien ze enerzijds robuust genoeg moeten zijn om een stabiel resultaat te geven in moeilijke omgevingsomstandigheden (bv. tijdens transport), maar anderzijds ook flexibel genoeg om op voedingsproducten met uiteenlopende vormen en maten aangebracht te kunnen worden. De ontwikkelde sensoren zijn zeer dun (16 µm) en licht (< 1 mg) en meten de temperatuur met een resolutie van 200 mK binnen een responstijd van 10 ms. Omwille van het feit dat ze extreem dun zijn, blijven ze zelfs werkzaam wanneer ze opgevouwen of verfrommeld worden.
Mogelijke toepassingen
Omwille van de mechanische stabiliteit, het kleine formaat en de grote flexibiliteit van de sensor, is hij volgens de auteurs geschikt voor temperatuursmetingen op moeilijk toegankelijke locaties, voor het opvolgen van het genezingsproces van een patiënt na een operatie en voor het opvolgen van de temperatuur van voedingsproducten doorheen de productie- en distributieketen (voorbeeld, zie Figuur 2). In dit laatste geval heeft de sensor als voordeel dat hij bij consumptie niet verwijderd hoeft te worden van het voedingsproduct, want hij kan veilig verteerd worden door de consument.
De auteurs zien bovendien potentieel voor de sensoren in het kader van het ‘Internet of Things’, aangezien ze het meetresultaat draadloos kunnen communiceren via een Bluetooth-module. Zo kunnen sensoren volgens hen de link vormen tussen de fysische en digitale wereld. In de toekomst zouden dit type biodegradeerbare microsensoren bovendien ook gebruikt kunnen worden om andere parameters, zoals de druk, de mate van gasopbouw of UV-blootstelling, op te meten.
Figuur 2: Temperatuursensor aangebracht op vis om de temperatuur tijdens distributie en opslag op te volgen (Salvatore et al., 2017).
Uitdagingen
De ontwikkelde sensoren blijven momenteel gedurende één dag werkzaam wanneer ze volledig ondergedompeld worden in water. Voor bepaalde toepassingen is dit niet voldoende, en moet de polymeerlaag verdikt worden om de operationele levensduur van de sensor te verlengen. Dit verlaagt echter de flexibiliteit van de microsensor, dus men zal naar een compromis moeten zoeken dat het meest geschikt is voor een specifieke toepassing.
Om de sensoren uit te lezen en te voorzien van energie zijn ze momenteel via zinkdraden verbonden met een performante, maar niet biodegradeerbare elektronische chip. De onderzoekers werken aan een draadloos en biocompatibel alternatief.
Daarnaast moeten de sensoren goedkoop zijn, gezien de korte levensduur en de toepassing op productniveau. Momenteel is het produceren van de eetbare sensoren nog te duur en tijdsintensief. De onderzoekers verwachten echter dat de prijs sterk zal dalen wanneer het mogelijk wordt om deze biodegradeerbare sensoren op grote schaal te produceren.
Tenslotte moet de consument overtuigd zijn van de veiligheid van deze eetbare sensoren vooraleer hij ze op zijn voeding zal toelaten. De auteurs geven aan dat op dit vlak nog veel meer onderzoek moet gebeuren.
Bronnen
- Salvatore, G.A. et al. (2017). Biodegradable and highly deformable temperature sensors for the internet of things. Advanced Functional Materials, vol. 27.
- LeFebvre, R. (2017). Super-thin edible sensors can monitor food temperature. Link
- Schlaefli, S. (2017). Biodegradable microsensors for food monitoring. Link
