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

• Antragsteller: Dr.-Ing. Simon Binder
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 459675326

Der schnelle Nachweis von geringen Konzentrationen physiologisch relevanter Spezies im menschlichen Körper stellt nach wie vor große Herausforderungen in der Biomedizintechnik dar. Zu diesen, meist gelöst vorliegenden Größen zählen bspw. Thrombin, Glukose, der pH-Wert und verschiedenste Ionenkonzentrationen. Die Entwicklung geeigneter Mikrosensoren, ohne die eine point-of-care-Diagnose kaum denkbar ist, sieht sich allerdings stets im Konfliktfeld zwischen der Sensorminiaturisierung einerseits und den drei Kerneigenschaften eines Sensors Sensitivität, Selektivität und Stabilität andererseits.Stimuliresponsive Hydrogele, die in Abhängigkeit einer in Lösung vorliegenden Messspezies ein bestimmtes Volumen einnehmen, können als sorptivmechanische Wandler in Mikrosensoren genutzt werden. Der messgrößenabhängige Quelldruck wird dann mit einem mechanoelektrischen Wandler, bspw. einem piezoresistiven Drucksensor, in ein elektrisches Ausgangssignal gewandelt. Diesen miniaturisierten hydrogelbasierten Sensoren sind jedoch lange Messzeiten bedingt durch die Volumenphasenübergänge zueigen. Kürzlich wurde daher die Messmethode der intramolekularen Kompensation vorgestellt, um diesen Nachteilen hydrogelbasierter Sensoren zu begegnen. Ziel der Messmethode ist es, die Quellung des Hydrogels im Sensor zu unterdrücken. Durch das Verharren im Quellgleichgewicht wird langwierigen Quellprozessen entgegengewirkt und die Sensoreigenschaften verbessern sich drastisch. So konnte eine Verkürzung der Messzeit um bis zu 70% erreicht werden. Überdies erlaubt das Kompensationsverfahren den Messbereich zu erweitern und dem viskoelastischen Kriechen entgegenzuwirken. Um den Weg für ein breiteres Anwendungsspektrum zu ebnen, ist ein schnelles und zuverlässiges Fertigungsverfahren zur Herstellung kompensierter Sensoren von besonderem Interesse. Der Hydrogelsensor soll zugleich biokompatibel werden. Die Arbeitsgruppe von Prof. Solzbacher (University of Utah) ist führend in der Entwicklung hydrogelbasierter Sensoren, die als Quelldruckwandler einen Biegebalken auf Polyimid-Basis verwenden und so Biokompatibilität bieten.Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Messmethode der intramolekularen Kompensation mit den vergleichsweise einfacheren und biokompatiblen Hydrogelsensoren der Solzbacher-Gruppe zu vereinen. Gleichzeitig sollen weitere kompensatorisch wirksame Hydrogele mit physiologisch relevanten Empfindlichkeiten (z.B. Glukose) entwickelt werden. Auf diese Weise soll langfristig der Weg für zuverlässige, miniaturisierte Biosensoren geebnet werden, die bspw. in Katheterspitzen einbaubar sind, um gelöste Stoffe (z.B. Anästhesiegase) direkt im Blut eines Patienten und in nahezu Echtzeit zu messen.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr.-Ing. Florian Solzbacher