Sensoren auf der Basis sorptivmechanischer Messwandler zur Erfassung physiologischer Parameter nach der intramolekularen Kompensationsmessmethode

Abstract

Im Rahmen des Projekts wurde an neuartigen hydrogel-basierten Sensoren zur Messung von Biomarkern geforscht. Der Fokus lag insbesondere auf der Erfassung von Glukosekon- zentrationen, welche für die Messung des Blutzuckerspiegels von Bedeutung sind. Ziel des Projekts war die Verbesserung der Eigenschaften solcher Sensoren, insbesondere der An- sprechzeit, der Biokompatibilität sowie deren Miniaturisierung. Dazu sollte die Messmethode der intramolekularen Kompensation auf einen an der University of Utah entwickelten Hydro- gel-Sensor angewandt werden. In einem ersten Teilziel wurde erfolgreich ein neuartiges Hydrogel entwickelt, welches ein bisensitives Quellverhalten gegenüber Temperatur und Glukose aufweist. Es besitzt in freier Quellung die geforderte Eigenschaft zur Volumenkom- pensation im physiologisch relevanten Glukose-Messbereich. Ein zweites Teilziel war die Entwicklung eingebetteter Temperiereinheiten, welche der Temperierung der Hydrogel- Messwandler im Sensor dienen sollen. Mit Hilfe eines neuen Fertigungsverfahrens konnten Polyimid-gekapselte Mikroheizer-Strukturen realisiert werden, die mit der PCB- Leiterplattentechnologie kompatibel sind. Es konnte gezeigt werden, dass mit diesen Heiz- mäandern thermoresponsive Hydrogele in einer wässrigen Umgebung selektiv ansteuerbar sind. Mit dem Erreichen dieser Teilziele war eine wichtige Voraussetzung für die Übertra- gung der Kompensationsmethode auf andere hydrogelbasierte Sensorprinzipien geschaffen. Anstatt des ursprünglich angedachten Biegebalken-Sensorprinzips wurde im weiteren Ver- lauf der Vorzug zwei hinsichtlich Bioverträglichkeit und Fertigungskomplexität vielverspre- chenderen Sensorprinzipien gegeben. Beide Sensorprinzipien entstammen ebenfalls der Arbeitsgruppe an der University of Utah. Das eine Sensorprinzip beruht auf mikrofluidischen Teststreifen, welche optisch auswertbare Hydrogelstrukturen zur Detektion komplexer Bio- marker enthalten. Das andere Sensorprinzip beruht auf einem implantierbaren Hydrogelre- sonator, welcher per Ultraschall durch die Haut auslesbar ist und der kontinuierlichen Mes- sung des Blutzuckerspiegels dienen soll. Insbesondere die optische Sensorplattform wurde mit dem neuentwickelten Hydrogel ausgestattet und um einen geschlossenen Temperatur- Regelkreis für den Kompensationsbetrieb erweitert. In ersten Versuchen wurde gezeigt, dass eine quasi-statische Kompensation des Hydrogel-Messwandlers möglich ist und dessen dy- namische Eigenschaften die notwendigen Anforderungen erfüllen. Zukünftig sollen mit die- sem Sensoraufbau Messungen nach dem Kompensationsverfahren durchführbar und auch die Detektion anderer Biomarker in Blut oder Serum möglich sein. Für die ultraschallbasierte Sensorvariante wurden anstatt der Erweiterung um die Kompensationsmethode in enger Zusammenarbeit mit den Kollegen in der Arbeitsgruppe weitere Verfahren zur Verbesserung der Sensoreigenschaften untersucht. So konnte gezeigt werden, dass durch eine spektrale Charakterisierung eine möglichst günstige Betriebsfrequenz ermittelt werden kann, welche eine zu einer signifikant verbesserten Sensitivität und Linearität im Sensorverhalten führt. Als mögliches Implantat und „point-of-care“-Plattform decken die beiden Sensoren ein breites biomedizinisches Anwendungsspektrum ab und eröffnen Möglichkeiten für einen zukünftigen kommerziellen Erfolg. The project involved research on novel hydrogel-based sensors for detecting biomarkers. The focus was particularly on the detection of glucose, which is important for monitoring blood glucose levels. The aim of the project was to improve the properties of such sensors, in particular the response time, biocompatibility and miniaturization. For this purpose, the measurement method of intramolecular compensation was to be applied to a hydrogel sen- sor developed at the University of Utah. In a first sub-goal, a novel hydrogel was successfully developed that exhibits dual-responsive swelling behavior to temperature and glucose. In free swelling, it has the required property for volume compensation in the physiologically rel- evant glucose range. A second sub-goal was the development of embedded heating ele- ments, which are used to adjust the temperature of the hydrogel transducers in the sensor. With the help of a novel manufacturing process, polyimide-encapsulated microheater struc- tures were realized that are compatible with PCB circuit board technology. It was shown that thermoresponsive hydrogels can be selectively actuated in an aqueous environment using these microheaters. With the achievement of these sub-goals, an important prerequisite for the transfer of the compensation method to other hydrogel-based sensor principles was ac- complished. Regarding the initially intended bending beam sensing principle, preference was given to two even more promising sensing principles in terms of biocompatibility and ease of fabrication. Both sensing principles originate from the research group at the University of Utah as well. One sensing principle is based on microfluidic test strips that contain optically readable hydrogel structures for the detection of complex biomarkers. The other sensing principle is based on an implantable hydrogel resonator, which can be read out through the skin by ultrasound. In particular, the optical sensing platform was equipped with the newly developed hydrogel and extended with a closed-loop temperature control for compensation. Initial tests have shown that quasi-static compensation of the hydrogel transducer is possible and that the dynamic properties meet the necessary requirements. In the future, it is intended to use this sensor setup to carry out measurements using the compensation method and to detect other biomarkers in blood or serum as well. For the ultrasound-based sensing princi- ple, instead of upgrading to the compensation method, other routes for improving the sensor properties were investigated in close collaboration with researchers in the group. It was shown that a spectral characterization can be used to determine an optimum operating fre- quency, which results in significantly improved sensitivity and linearity of the sensor. As an implant on one hand and as a point-of-care platform on the other hand, the two investigated sensors cover a wide range of biomedical applications and open up opportunities for future commercial success.