Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2520
Main Title: Hydrogelwellenleiter als Basis eines Biosensors
Translated Title: Biosensor based on a hydrogel waveguide
Author(s): Förster, Thilo Philipp
Advisor(s): Bock, Karlheinz
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In dieser Arbeit wird die Realisierung eines neuen optischen Transducer-Konzepts für einen implantierbaren Biosensor vorgestellt. Ziel ist es, dieses Konzept zukünftig in einem Implantat zur Blutzuckerbestimmung von Diabetespatienten einzusetzen. Das Konzept besteht aus fluoreszierenden Sensorproteinen immobilisiert in einem Hydrogelwellenleiter, der die Basis des Sensors bildet. Zum ersten Mal wird so Hydrogel nicht nur als Immobilisierungsmatrix für Sensorproteine verwendet, sondern gleichzeitig auch als optischer Wellenleiter, um das für die Fluoreszenzerzeugung notwendige Anregungslicht direkt zu den Sensorproteinen zu führen. Auf diese Weise wird eine effiziente Energienutzung realisiert, die gerade für implantierbare Sensoren von hoher Bedeutung ist. Das Konzept wird anhand kalziumsensitiver Proteine demonstriert, da sich zum jetzigen Zeitpunkt die Sensorproteine für Glukose noch in Entwicklung befinden. Das Sensorprotein reagiert auf die reversible Bindung mit Kalzium mit einer Konformationsänderung. Diese Konformationsänderung führt zu einer Änderung des Emissionsspektrums des Sensorproteins, basierend auf dem Försterenergietransfer, hier im speziellen dem Fluoreszenz-Resonanzenergietransfer (FRET). Zur Messung des FRET-Verhaltens der Sensorproteine wurde der Hydrogelwellenleiter in einem miniaturisierten optischen Messaufbau integriert. Dieser Sensordemonstrator wurde charakterisiert und folgende Spezifikationen experimentell ermittelt. Der Sensor besitzt: • einen lineareren Messbereich von 0 – 1000 µM Ca2+ bei einem gesamten Messbereich von 0 - 5000 µM Ca2+, • ein Auflösungsvermögen von 316 µM Ca2+, • eine Antwortzeit von 7,33 Minuten, • eine Signalstabilität der Fluoreszenzproteine von 1 Jahr im anvisierten Messregime. Anschließend folgte auf den Sensordemonstrator aufbauend dessen Weiterentwicklung zu einem vollständigen Sensorimplantat unter Berücksichtigung des notwendigen biokompatiblen „Packagings“. Das Implantat besteht aus einer mit Silikon verkapselten Transducer-Einheit. In der Transducer-Einheit befindet sich der Hydrogelwellenleiter. Dort findet der diffusive Austausch der Kalziumionen mit der Körperflüssigkeit statt und wird das optische Sensorsignal gemessen. Die Funksteuerung und die Batterie zur Stromversorgung des Implantats finden in einer aufgeschraubten PEEK-Kapsel Platz. Alle Materialen wurden parallel zur Implantatentwicklung in Ratten implantiert, um die Biokompatibilität zu testen. Abschließend wurde ein Implantat realisiert mit: • einem Durchmesser von 21 mm bei einer Länge von 69 mm. • einer Betriebsdauer von 8 Monaten bei einer Messanzahl von 96 pro Tag, d.h. einer Messung alle 15 Minuten. Ausblickend ist dargestellt, wie durch ein alternatives Implantatdesign die Fremdkörperreaktion der Ratten auf das Implantat verbessert werden kann und dass es möglich ist, das System zur Glukosemessung anzuwenden, wenn der Transfer eines neuen glukosesensitiven Proteins in den Hydrogelwellenleiter gelingt.
In this work the realization of a new optical transducer concept for an implantable biosensor is shown. The long term objective of this work is to use this new concept in an implant for measuring the blood glucose level of diabetes patients. The concept consists of fluorescent sensor proteins immobilized in an optical hydrogel waveguide which forms the basic element of the sensor. For the first time hydrogel is used not only as an immobilisation matrix for the sensor proteins but simultaneously as an optical waveguide. Inside this waveguide the excitation light is guided directly to the fluorescence sensor proteins. In this way an effective use of energy is realized which is especially important for implantable sensors. The concept is demonstrated with calcium sensitive proteins, because currently glucose sensitive proteins are still under development. The sensor protein reacts with a conformational change due to the reversible binding of calcium to the protein. This conformational change of the sensor protein effects a change in its emission spectrum based on fluorescence resonance energy transfer (FRET). To measure the behaviour of the FRET sensor proteins immobilized in the hydrogel waveguide, the hydrogel waveguide was integrated in a miniaturized optical sensor setup. This sensor demonstrator was characterized and the following specifications were determined: • a linear measurement range between 0 µM and 1000 µM Ca2+ and a total measurement range from 0 µM to approximately 5000 µM Ca2+, • a resolution of 316 µM Ca2+, • a response time of 7,33 minutes, • a signal stability of the sensor proteins of approximately 1 year under the target measurement regime. Subsequently the sensor demonstrator was developed further into a complete sensor implant, taking also the required biocompatible packaging in consideration. The implant consists of a silicone encapsulated transducer unit. In the transducer unit the hydrogel waveguide is located. There the diffusive exchange of the calcium ions with the body fluid takes place and the optical sensor signal is measured. The radio control electronics and the battery for the power supply of the implant are placed in a PEEK can which is screwed on the transducer unit. All materials were implanted in rats to test the biocompatibility in parallel with the implant development. Finally an implant was realized with the following properties: • a diameter of 21mm and a length of 69 mm, • an operating time of 8 months when performing 96 measurements per day, i.e. 1 measurement every 15 minutes. The outlook indicates how the foreign body reaction of the rats to the implant may be reduced by an alternative implant design and that it will be possible to use the implant for glucose monitoring, if a new glucose sensitive protein is functional immobilized in the hydrogel waveguide.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-27060
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2817
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2520
Exam Date: 5-Jul-2010
Issue Date: 14-Jul-2010
Date Available: 14-Jul-2010
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Biosensor
FRET
Glukose
Hydrogel
Wellenleiter
Biosensor
FRET
Glucose
Hydrogel
Waveguide
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