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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
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Projekts wurde an neuartigen hydrogel-basierten Sensoren zur Messung von Biomarkern geforscht. Der Fokus lag insbesondere auf der Erfassung von Glukosekonzentrationen, welche für die Messung des Blutzuckerspiegels von Bedeutung sind. Ziel des Projekts war die Verbesserung der Eigenschaften solcher Sensoren, insbesondere der Ansprechzeit, der Biokompatibilität sowie deren Miniaturisierung. Dazu sollte die Messmethode der intramolekularen Kompensation auf einen an der University of Utah entwickelten Hydrogel-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 Volumenkompensation 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 Heizmäandern thermoresponsive Hydrogele in einer wässrigen Umgebung selektiv ansteuerbar sind. Mit dem Erreichen dieser Teilziele war eine wichtige Voraussetzung für die Übertragung der Kompensationsmethode auf andere hydrogelbasierte Sensorprinzipien geschaffen. Anstatt des ursprünglich angedachten Biegebalken-Sensorprinzips wurde im weiteren Verlauf der Vorzug zwei hinsichtlich Biokompatibilität und Fertigungskomplexität vielversprechenderen 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 Biomarker enthalten. Das andere Sensorprinzip beruht auf einem implantierbaren Hydrogelresonator, welcher per Ultraschall durch die Haut auslesbar ist und der kontinuierlichen Messung 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 dynamischen Eigenschaften die notwendigen Anforderungen erfüllen. Zukünftig sollen mit diesem 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 andere Verfahren zur Verbesserung der Sensoreigenschaften untersucht. So konnte gezeigt werden, dass durch eine spektrale Charakterisierung eine möglichst günstige Betriebsfrequenz ermittelt werden kann, welche eine signifikant verbesserte Sensitivität und Linearität im Sensorverhalten bedingt. Als Implantat und „point-of-care“-Plattform decken die beiden Sensoren ein breites biomedizinisches Anwendungsspektrum ab und eröffnen Möglichkeiten für einen zukünftigen kommerziellen Erfolg.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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