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Mikrosensorimplantat auf Glassubstrat

Mikrosensorimplantat auf Glassubstrat

Hühnerembryo mit schematisch dargestellten Mikrosensorimplantaten mit und ohne Beschichtung, die kontinuierlich Sauerstoff, pH und Impedanz messen.

Hühnerembryo mit schematisch dargestellten Mikrosensorimplantaten mit und ohne Beschichtung, die kontinuierlich Sauerstoff, pH und Impedanz messen.

ImplantMonitor: welche Beschichtung macht Sensorimplantate langzeitstabil?

Ein Mikrosensorimplantat überwacht kontinuierlich die Gewebereaktion nach Implantation eines Biomaterials im Ei-Modell.

Projektname: ImplantMonitor
Mikrosensorimplantat für In-vivo-Monitoring des Einwachsverhaltens funktionaler Biomaterialien
Projektleiter: Dr. Meike Moschallski
Geldgeber: BMBF
Projektträger: PT VDI/VDE-IT
FKZ: 16SV5045
Laufzeit von: 01.04.2010
Laufzeit bis: 30.04.2011

Das Fernziel sind implantierbare, funktionell einwachsende Sensoren mit hoher Langzeitstabilität. Dafür wird ein Mikrosensorimplantat mit mehreren elektrochemischen Mikrosensoren entwickelt. Das Implantat wird mit bioaktivem Material beschichtet und im Tiermodell implantiert. Die kontinuierliche Überwachung der Sensordaten ermöglicht Rückschlüsse auf den Verlauf der Gewebereaktion. Im bebrüteten Hühnerei wird zunächst die Korrelation zwischen physikalischen Messgrößen und physiologischem Zustand des Gewebes um das Implantat im Detail bestimmt. Damit soll ImplantMonitor als Testsystem für neue Beschichtungsmaterialien etabliert werden, das zudem mit weniger Tierversuchen auskommt.

Beschreibung

Medizin- und Mikrosystemtechnik ermöglichen die Entwicklung völlig neuartiger Implantate. Eine zentrale Herausforderung stellen dabei Gewebereaktionen nach Implantation dar. Für sensorische Implantate ist es beispielsweise äußerst wichtig, dass sie nicht durch nachwachsendes Gewebe
verkapselt werden. Narbengewebe um das Implantat behindert nämlich den Zugang von Analyten zum Sensor, was zu einer inakzeptablen Drift des Sensorsignals führt.
Trotz großen Bedarfs gibt es daher bislang keine implantierbaren Glukose-Sensoren mit langer Lebensdauer. Einen Ausweg versprechen bioaktive Beschichtungen. Mit ihnen soll das Implantat einwachsen, ohne seine Funktionalität zu verlieren. Hierfür neu entwickelte Biomaterialien müssen jedoch sowohl in vitro, als auch in vivo charakterisiert werden, bevor sie in einem medizinischen Produkt verwertet werden können. Um das Gewebe zu beurteilen, das durch die Fremdkörperreaktion um den Sensor wächst, sind jedoch noch immer Tierversuche erforderlich. Dabei werden aber meist nur histologische Untersuchungen am Ende der Testphase ausgewertet. Bisher gibt es kein System, das die Gewebsreaktion nach Implantation eines Biomaterials kontinuierlich überwachen könnte.
Dies ist das Ziel des ImplantMonitor-Vorhabens. Dieses Mikrosensorarray (MSI) misst kontinuierlich gelösten Sauerstoff, pH-Wert und elektrische Impedanz und somit die diffusiven und physikalischen Eigenschaften der Implantat/Gewebe-Schnittstelle. Die Mikrosensoren werden mittels Dünnschichttechnik, Mikrogalvanik und Mikrodispensiertechnik auf Polymer- und Glassubstraten hergestellt.
Als Quasi-in-vivo-Umgebung dient die Chorioallantoismembran (CAM) von Hühnerembryonen in Petrischalen. Diese dienen als Modell, das Fremdkörperreaktionen gegenüber Mikroimplantaten zeigt.
Hierzu wird das MSI mit Biomaterial beschichtet. Seine Messsignale werden mit denen eines nicht-beschichteten MSI verglichen. Beide MSI werden auf derselben CAM implantiert, so dass das Differenzsignal direkte Aussagen über das Einwachsverhalten der Biomaterialbeschichtung erlaubt. Biodegradable und biostabile Beschichtungen werden eingesetzt, um unterschiedliche Einwachsverhalten zu induzieren, die hierfür charakteristischen Sensorsignale zu messen und mit histologischen Untersuchungen nach Explantation zu korrelieren.
Diese Korrelation kontinuierlich erfasster Sensordaten mit histologischen Untersuchungen ist ein Schritt in Richtung einer »Quantifizierung von Biokompatibilität«. Das MSI ergänzt hier die bekannten histologischen Methoden und soll die Entwicklung neuer Biomaterialien und Beschichtungen unterstützen und beschleunigen.

Veröffentlichungen

1. Kubon, M., et al., CAM - Monitor: A model to investigate microsensor/tissue ingrowth behavior, in Biosensors 20102010: Glasgow.
2. Kubon, M., et al., A Microsensor System to Probe Physiological Environments and Tissue Response, in IEEE Sensors2010, IEEE: Waikoloa, Hawaii.
3. Kubon, M., et al. Microsensorarray implants in ex ovo cultures: A quasi-in vivo test environment. in Proceedings of 15. Heiligenstaedter Kolloquium "Technische Systeme für Lebenswissenschaften". 2010. Heiligenstadt: IBA.
4. Kubon, M., et al., Ex ovo culture: An in vivo model for microsensor implants, in 7th International Meeting on Subtrate-Integrated Microelectrode Arrays2010, NMI, BioPro: Reutlingen. p. 218-219.
5. Kubon, M., et al., Towards implantable sensors and actuators (Part 2): Avian ex ovo culture as quasi-in vivo environment. Biomedizinische Technik/Biomedical Engineering, 2010. 55(s1).
6. Kubon, M., et al. Towards in vivo sensors: An electrochemical microsensor implant in an in vivo environment using avian ex ovo cultures. in Proceedings of Electrochemistry. 2010. Bochum: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.
7. Kubon, M., et al., Towards implantable sensors and actuators (Part 1): A microsensor device to probe biological and physiological environments. Biomedizinische Technik/Biomedical Engineering, 2010. 55(s1).

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