Wissenschaftler der Virginia Tech haben einen innovativen, 3D-gedruckten Sensor entwickelt, der die Früherkennung von subklinischem Milchfieber (SCH) bei Milchkühen ermöglicht. Diese Krankheit, auch als Hypokalzämie bekannt, tritt häufig bei laktierenden Kühen in der Übergangsphase auf und verursacht erhebliche wirtschaftliche Verluste in der Milchindustrie. Mit Hilfe dieses Sensors können die Konzentrationen von Calcium (Ca²⁺) und Phosphat (P) in Milchproben in nur 10 Sekunden gemessen werden – ein bedeutender Fortschritt für die Tiergesundheit und das Farmmanagement.
Veröffentlicht wurden die Ergebnisse im Wissenschaftsmagazin von „Nature“ unter dem Titel „Attomolar-sensitive milk fever sensor using 3D-printed multiplex sensing structures„.
Einblick in Milchfieber und seine Auswirkungen
Subklinisches Milchfieber betrifft bis zu 80 % der älteren Kühe und 25 % der Erstkalbinnen. Die Krankheit führt zu einer Reduzierung des Calciumspiegels im Blut, wodurch lebenswichtige Körperfunktionen wie Muskel- und Nervenaktivitäten beeinträchtigt werden. Symptome wie Bewegungsprobleme und reduzierte Milchproduktion treten auf, wodurch pro Kuh jährliche wirtschaftliche Verluste von etwa 200 bis 290 US-Dollar entstehen. Trotz der Bedeutung einer frühen Diagnose ist es derzeit schwierig, SCH rechtzeitig zu erkennen, da typische klinische Symptome fehlen.
Innovation durch 3D-Druck: Aufbau des Sensors
Der neu entwickelte Sensor basiert auf der Extrusions-basierten 3D-Drucktechnologie, die eine kostengünstige Herstellung und flexible Anpassung ermöglicht. Das Gerät misst 33 mm x 25 mm x 2 mm und nutzt eine einzigartige, mikroskopisch gewellte Oberfläche, die eine extrem hohe Empfindlichkeit ermöglicht. Die Sensorstruktur umfasst drei Elektroden, von denen zwei als Arbeitselektroden dienen, die mit speziellen ionenselektiven Membranen (ISM) für Calcium und Phosphat beschichtet sind.
Ein Schlüsselmerkmal des Sensors ist seine Fähigkeit, die Ionen-Konzentrationen im attomolaren Bereich (138 aM für Calcium) zu erfassen. Durch diese Präzision ist es möglich, bereits geringe Anzeichen von SCH zu erkennen, noch bevor ernsthafte Symptome auftreten. Zudem kann der Sensor mit bestehenden Melksystemen oder Milchleitungen integriert werden, was eine direkte Anwendung auf der Farm ermöglicht.
Kostengünstig und benutzerfreundlich
Im Vergleich zu bestehenden Diagnoselösungen, die teuer und komplex in der Handhabung sind, bietet dieser 3D-gedruckte Sensor klare Vorteile. Herkömmliche Geräte wie der „i-STAT 1“ können Kosten von bis zu 4500 US-Dollar verursachen und erfordern eine Labornutzung. Der neue Sensor hingegen kann in nur zwei Stunden mit minimalen Ressourcen hergestellt werden, ist kompakt und erfordert keine speziellen Fachkenntnisse für die Bedienung.
Ein Schritt in Richtung nachhaltiger Tierhaltung
Dieser Fortschritt hat das Potenzial, die Gesundheitsüberwachung von Kühen zu revolutionieren. Durch den Einsatz eines Sensors, der schnelle, präzise und kostengünstige Diagnosen liefert, können Landwirte die Gesundheit und Produktivität ihrer Herden optimieren. Gleichzeitig trägt dies dazu bei, wirtschaftliche Verluste zu minimieren und die Nachhaltigkeit in der Tierhaltung zu fördern.
Der Sensor bietet auch Möglichkeiten zur Erweiterung, etwa zur Messung weiterer Biomarker in Milchproben. Dies könnte die Diagnostik für andere Tierkrankheiten verbessern und zusätzliche Anwendungsfelder im Agrar- und Lebensmittelsektor erschließen.
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