Thema für eine Studienarbeit: Entwicklung des Verfahrens zur impedimetrischen Charakterisierung der Zellen mit einer kontrollierten Morphologieänderung
Die Realisierung der hybridintegrierten Biosensoren für die Umwelt- und Medizintechnik, die auf der Response lebender Zellen basieren, erfordert die Verwendung der Zellen mit den kontrollierten Parametern, wie Morphologie, Vitalität und Aktivität. Die Zellen reagieren auf Änderungen von Umwelteinflüssen wie Nährstoffmangel oder Pheromone. Zu Zellmorphologieänderungen zählen die Ausbildung von Shmoo-tips oder zelluläre Aggregationen. Um die Einsatzmöglichkeiten von Ganzzellsensoren zu erweitert, soll die biologische Signalauswertung auf der Basis eines impedimetrischen Transducers mit einer Signalverarbeitung gekoppelt werden. Inhaltsbeschreibung: Im Rahmen dieser Studienarbeit soll ein Verfahren zum Nachweis der Zellmorphologieänderung mittels einer spektrometrischen Auswertung der Impedanzmessung an Zellen entwickelt und erprobt werden. Es ist dabei erforderlich ein entsprechendes Skript zur automatisierten Auswertung der Messdaten zu erstellen. Betreuerin: PD Dr.-Ing. habil. M. Günther, Raum: GLB 7-E08, Tel:+49 351 46335378

Thema für eine Studienarbeit: Entwicklung des Verfahrens zur impedimetrischen Charakterisierung der Zellen mit einer kontrollierten Morphologieänderung

Die Realisierung der hybridintegrierten Biosensoren für die Umwelt- und Medizintechnik, die auf der Response lebender Zellen basieren, erfordert die Verwendung der Zellen mit den kontrollierten Parametern, wie Morphologie, Vitalität und Aktivität. Die Zellen reagieren auf Änderungen von Umwelteinflüssen wie Nährstoffmangel oder Pheromone. Zu Zellmorphologieänderungen zählen die Ausbildung von Shmoo-tips oder zelluläre Aggregationen. Um die Einsatzmöglichkeiten von Ganzzellsensoren zu erweitert, soll die biologische Signalauswertung auf der Basis eines impedimetrischen Transducers mit einer Signalverarbeitung gekoppelt werden.

Inhaltsbeschreibung:

Im Rahmen dieser Studienarbeit soll ein Verfahren zum Nachweis der Zellmorphologieänderung mittels einer spektrometrischen Auswertung der Impedanzmessung an Zellen entwickelt und erprobt werden.

Es ist dabei erforderlich ein entsprechendes Skript zur automatisierten Auswertung der Messdaten zu erstellen.

Betreuerin: PD Dr.-Ing. habil. M. Günther, Raum: GLB 7-E08, Tel:+49 351 46335378

Thema: Miniaturisiertes Sensorsystem für die biomedizinische Diagnostik
Um die Therapie bei Stoffwechselkrankheiten, z. B. bei Diabetes mellitus, besser steuern zu können, werden geeignete Messsysteme benötigt, die mehrere metabolismusrelevante Parameter gleichzeitig und kontinuierlich rund um die Uhr erfassen können. Bei der diabetisch induzierten Ketoazidose findet sich in aller Regel ein deutlich erhöhter Blutzuckerspiegel, ein zu niedriger pH-Wert (pH < 7,25) und eine zu niedrige Kohlendioxidkonzentration. Stimuli-responsive Polymere - Hydrogele - sind geeignet, als analyterkennendes Element in Mikrosensoren verwendet zu werden. Infolge der besonderen Quellvorgänge in Anwesenheit des Analytes in Lösung lassen sich Hydrogele zur Analytdetektion und zur Messung deren Konzentrationsänderung nutzen. Durch die spezielle Herstellung des Polymers ist es möglich, eine gezielte Sensitivität des Hydrogels fur eine bestimmte Messspezies zu erreichen. Dabei lassen sich vier Hydrogelschichten, jeweils sensitiv für Glukose, für Kohlendioxid, für den pH-Wert und für die Ionenstärke der Lösung, in eine einheitliche Plattform für alle diese Messgrösse integrieren. Ein implantierbares drahtloses Sensorarray-Mikrosystem bestehend aus mehreren hydrogel-basierten piezoresistiven Sensoren ermöglicht eine Inline-Überwachung physiologischer Parameter in menschlicher Körperflüssigkeit und eine rechtzeitige Insulininfusion mit Hilfe einer geregelten Insulinpumpe. Inhaltsbeschreibung: Einarbeitung in das Gebiet der piezoresistiven biochemischen Sensoren auf der Basis von metabolismussensitiven Hydrogelen Integration der vier Drucksensoren mit Glukose-, pCO2-, pH- und ionenstärke-sensitiven Hydrogelschichten auf einem Si-Chip Untersuchung der Grundlagen fur die gleichzeitige Erfassung einiger Parameter mittels einer einheitlichen Plattform In vitro Untersuchung der Eigenschaften von Sensoren in physiologischen Modellflüssigkeiten Gestaltung der Kalibrier- und Messvorgänge fur die kontinuierliche Messung von Analytkonzentrationen, pH-Werten und Ionenstärken Betreuerin: PD Dr.-Ing. habil. M. Günther, Raum: GLB 7-E08, Tel:+49 351 46335378

Thema: Miniaturisiertes Sensorsystem für die biomedizinische Diagnostik

Um die Therapie bei Stoffwechselkrankheiten, z. B. bei Diabetes mellitus, besser steuern zu können, werden geeignete Messsysteme benötigt, die mehrere metabolismusrelevante Parameter gleichzeitig und kontinuierlich rund um die Uhr erfassen können. Bei der diabetisch induzierten Ketoazidose findet sich in aller Regel ein deutlich erhöhter Blutzuckerspiegel, ein zu niedriger pH-Wert (pH < 7,25) und eine zu niedrige Kohlendioxidkonzentration. Stimuli-responsive Polymere - Hydrogele - sind geeignet, als analyterkennendes Element in Mikrosensoren verwendet zu werden. Infolge der besonderen Quellvorgänge in Anwesenheit des Analytes in Lösung lassen sich Hydrogele zur Analytdetektion und zur Messung deren Konzentrationsänderung nutzen. Durch die spezielle Herstellung des Polymers ist es möglich, eine gezielte Sensitivität des Hydrogels fur eine bestimmte Messspezies zu erreichen. Dabei lassen sich vier Hydrogelschichten, jeweils sensitiv für Glukose, für Kohlendioxid, für den pH-Wert und für die Ionenstärke der Lösung, in eine einheitliche Plattform für alle diese Messgrösse integrieren. Ein implantierbares drahtloses Sensorarray-Mikrosystem bestehend aus mehreren hydrogel-basierten piezoresistiven Sensoren ermöglicht eine Inline-Überwachung physiologischer Parameter in menschlicher Körperflüssigkeit und eine rechtzeitige Insulininfusion mit Hilfe einer geregelten Insulinpumpe.

Inhaltsbeschreibung:

Einarbeitung in das Gebiet der piezoresistiven biochemischen Sensoren auf der Basis von metabolismussensitiven Hydrogelen

Integration der vier Drucksensoren mit Glukose-, pCO2-, pH- und ionenstärke-sensitiven Hydrogelschichten auf einem Si-Chip

Untersuchung der Grundlagen fur die gleichzeitige Erfassung einiger Parameter mittels einer einheitlichen Plattform

In vitro Untersuchung der Eigenschaften von Sensoren in physiologischen Modellflüssigkeiten

Gestaltung der Kalibrier- und Messvorgänge fur die kontinuierliche Messung von Analytkonzentrationen, pH-Werten und Ionenstärken

Betreuerin: PD Dr.-Ing. habil. M. Günther, Raum: GLB 7-E08, Tel:+49 351 46335378

Thema: Biochemischer Sensor für die Prozessüberwachung
Das am Institut für Festkörperelektronik (IFE) der TU Dresden entwickelte Funktionsprinzip piezoresistiver biochemischer Sensoren mit Polymerschichten als chemomechanischem Wandler und mit einer deformierbaren dünnen Siliziumbiegeplatte als mechanoelektrischem Transducer ermöglicht die Realisierung einer völlig neuen Sensorgeneration, die die besonderen Quelleigenschaften der stimuli-responsiven Polymere – Hydrogele - mit den Vorteilen piezoresistiver Sensoren verbindet. Diese Vorteile lassen sich nutzen, um zuverlässige Biosensoren zu entwickeln, die massgeschneidert für die Detektion bestimmter Spezies sind und die für die Inline-Überwachung in der Umweltschutz- und Prozessmesstechnik, in der Trink-, Grund-, Abwasser- und Galvanotechnik sowie in der Biotechnologie, Lebensmittel- und Pharmaindustrie geeignet sind. Inhaltsbeschreibung: Einarbeitung in das Gebiet der biochemischen Sensoren für die Prozessüberwachung Anwendung geeigneter Aufbau- und Verbindungstechniken zum direkten Sensoranschluss an Flüssigkeitsprobenvolumina Entwicklung einer bioverträglichen hermetischen Verkapselung für biochemische Sensoren Untersuchung des Einflusses der für die biochemische Sensoren erforderlichen Sterilisationsprozesse auf die Nachweisempfindlichkeit des Gels und auf die Parameter der hydrogel-basierten Sensoren Verifizierung der Lebensdauer und Stabilität der Sensoren anhand von Langzeitmessungen Betreuerin: PD Dr.-Ing. habil. M. Günther, Raum: GLB 7-E08, Tel:+49 351 46335378

Thema: Biochemischer Sensor für die Prozessüberwachung

Das am Institut für Festkörperelektronik (IFE) der TU Dresden entwickelte Funktionsprinzip piezoresistiver biochemischer Sensoren mit Polymerschichten als chemomechanischem Wandler und mit einer deformierbaren dünnen Siliziumbiegeplatte als mechanoelektrischem Transducer ermöglicht die Realisierung einer völlig neuen Sensorgeneration, die die besonderen Quelleigenschaften der stimuli-responsiven Polymere – Hydrogele - mit den Vorteilen piezoresistiver Sensoren verbindet. Diese Vorteile lassen sich nutzen, um zuverlässige Biosensoren zu entwickeln, die massgeschneidert für die Detektion bestimmter Spezies sind und die für die Inline-Überwachung in der Umweltschutz- und Prozessmesstechnik, in der Trink-, Grund-, Abwasser- und Galvanotechnik sowie in der Biotechnologie, Lebensmittel- und Pharmaindustrie geeignet sind.

Inhaltsbeschreibung:

Einarbeitung in das Gebiet der biochemischen Sensoren für die Prozessüberwachung

Anwendung geeigneter Aufbau- und Verbindungstechniken zum direkten Sensoranschluss an Flüssigkeitsprobenvolumina

Entwicklung einer bioverträglichen hermetischen Verkapselung für biochemische Sensoren

Untersuchung des Einflusses der für die biochemische Sensoren erforderlichen Sterilisationsprozesse auf die Nachweisempfindlichkeit des Gels und auf die Parameter der hydrogel-basierten Sensoren

Verifizierung der Lebensdauer und Stabilität der Sensoren anhand von Langzeitmessungen

Betreuerin: PD Dr.-Ing. habil. M. Günther, Raum: GLB 7-E08, Tel:+49 351 46335378

Thema: Experimentelle Untersuchung und Modellierung des Ansprechverhaltens von hydrogel-basierten biochemischen Sensoren
Die Anwendung von stimuli-responsiven vernetzten Hydrogelen in biochemischen Sensoren beruht auf ihrer Fähigkeit zu einem Volumenphasenübergang unter dem Einfluss von äusseren Erregungen (pH-Wert, Temperatur, Ionenstärke, Konzentration von Zusätzen in Wasser). Die elektrische Ausgangsspannung der aufgebauten piezoresistiven Sensoren entspricht direkt dem Quellverhalten der Hydrogele. Ein schnelles Einstellen eines Quellungsgrades ist nur in dünnen Schichten im unteren µm-Bereich möglich, jedoch auf Kosten von niedrigeren Quellmesswerten. Hier fehlt es an geeigneten Herstellungsverfahren und Methoden zur Gestaltung der Mess- und Kalibriervorgänge, um das Optimum zwischen der Ansprechzeit und der Sensitivität des Gels zu erreichen. Diese Arbeit fokussiert sich auf die experimentelle Untersuchung und Modellierung der komplexen Quellkinetik und der Diffusionsprozesse in ionischen glukosesensitiven Hydrogelen um die Sensitivität, Reproduzierbarkeit und Ansprechzeit piezoresistiver biochemischer Sensoren zu verbessern. Inhaltsbeschreibung: Einarbeitung in die Gebiete der piezoresistiven biochemischen Sensoren auf der Basis der glukosesensitiven Hydrogele und der Finite-Elemente-Modellierung und Simulation des dynamischen Verhaltens von Polymeren Untersuchung der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen nanostrukturierter dünner Hydrogelschichten, insbesondere bezüglich der Quellkinetik Untersuchung des Diffusionsverhaltens der Glukosemoleküle in Hydrogelen und der Wechselwirkungsvorgänge zwischen Glukose und den glukosesensitiven Polymergruppen, um die Möglichkeiten einer gezielten Manipulation der Ansprechzeit der Gelquellung zu prüfen Ableitung der Kalibrieralgorithmen sowie Algorithmen zur Kompensation von Querempfindlichkeiten, mit denen das nichtstationäre Verhalten von Hydrogel-Sensoren kompensiert werden kann Analyse der Ergebnisse und Optimierung der Herstellungstechnologie hinsichtlich der Anwendung in Glukose-Sensoren Betreuerin: PD Dr.-Ing. habil. M. Günther, Raum: GLB 7-E08, Tel:+49 351 46335378

Thema: Experimentelle Untersuchung und Modellierung des Ansprechverhaltens von hydrogel-basierten biochemischen Sensoren

Die Anwendung von stimuli-responsiven vernetzten Hydrogelen in biochemischen Sensoren beruht auf ihrer Fähigkeit zu einem Volumenphasenübergang unter dem Einfluss von äusseren Erregungen (pH-Wert, Temperatur, Ionenstärke, Konzentration von Zusätzen in Wasser). Die elektrische Ausgangsspannung der aufgebauten piezoresistiven Sensoren entspricht direkt dem Quellverhalten der Hydrogele. Ein schnelles Einstellen eines Quellungsgrades ist nur in dünnen Schichten im unteren µm-Bereich möglich, jedoch auf Kosten von niedrigeren Quellmesswerten. Hier fehlt es an geeigneten Herstellungsverfahren und Methoden zur Gestaltung der Mess- und Kalibriervorgänge, um das Optimum zwischen der Ansprechzeit und der Sensitivität des Gels zu erreichen. Diese Arbeit fokussiert sich auf die experimentelle Untersuchung und Modellierung der komplexen Quellkinetik und der Diffusionsprozesse in ionischen glukosesensitiven Hydrogelen um die Sensitivität, Reproduzierbarkeit und Ansprechzeit piezoresistiver biochemischer Sensoren zu verbessern.

Inhaltsbeschreibung:

Einarbeitung in die Gebiete der piezoresistiven biochemischen Sensoren auf der Basis der glukosesensitiven Hydrogele und der Finite-Elemente-Modellierung und Simulation des dynamischen Verhaltens von Polymeren

Untersuchung der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen nanostrukturierter dünner Hydrogelschichten, insbesondere bezüglich der Quellkinetik

Untersuchung des Diffusionsverhaltens der Glukosemoleküle in Hydrogelen und der Wechselwirkungsvorgänge zwischen Glukose und den glukosesensitiven Polymergruppen, um die Möglichkeiten einer gezielten Manipulation der Ansprechzeit der Gelquellung zu prüfen

Ableitung der Kalibrieralgorithmen sowie Algorithmen zur Kompensation von Querempfindlichkeiten, mit denen das nichtstationäre Verhalten von Hydrogel-Sensoren kompensiert werden kann

Analyse der Ergebnisse und Optimierung der Herstellungstechnologie hinsichtlich der Anwendung in Glukose-Sensoren

Betreuerin: PD Dr.-Ing. habil. M. Günther, Raum: GLB 7-E08, Tel:+49 351 46335378

Thema: Piezoresistiver Bioaffinitätssensor auf Hydrogel-Basis zum Nachweis von Biomolekülen
In Biosensoren werden Polymernetzwerke mit reversiblen Vernetzungspunkten zwischen Polymerketten für Nachweis spezifischer Analytmoleküle verwendet. Die Biomoleküle können in polyelektrolytischen Hydrogelschichten eingebaut und damit immobilisiert werden. Durch eine spezifische Bindung von Polyelektrolytgelen mit Biomolekülen entstehen dreidimensionale Sensorsysteme mit einer hohen Anzahl von Bindungsplätzen. Die Hydrogele mit selektiven Schlüssel-Schloss-Molekülkonfigurationen (z.B. Antikörper-Antigen-Bindung, Sequenzen von Nukleinsäuren) dienen zur Detektion bestimmter Analytmoleküle (z.B. Antigen-Moleküle bzw. DNA). In einer Lösung mit freien Analytmolekülen führt die konkurrierende Bindung zwischen freiem Analytmolekül und dem Schloss-Molekül zur Verringerung des Vernetzungsgrades des Polymers und als Ergebnis zu einer Gelquellung. Die Reversibilität dieses Prozess kann durch die Verwendung von thermoschrumpfenden Gelen erreicht werden. Eine Temperaturerhöhung führt zur Gelentquellung und zu Vernetzungen, d.h. zum Ausgangszustand des Polymers. In piezoresistiven biochemischen Sensoren wird das Quellverhalten des Hydrogels mittels einer elektrischen Ausgangsspannung überwacht. Allerdings sind bis zur praktischen Anwendung für konkrete Einsatzgebiete noch einige Konstruktionsvarianten abzuleiten, die eine einfache integrierte Herstellung mit einem effektiven und langzeitstabilen Packaging ermoglichen. Inhaltsbeschreibung: Einarbeitung in das Gebiet der piezoresistiven biochemischen Sensoren auf der Basis von temperatursensitiven Gelen Untersuchungen zur Integration eines Heizelements und eines zusätzlichen Temperatursensors in bereits vorhandene Sensoraufbauten Realisierung von flächigen und punktförmigen Heizelementen durch Aufbringen (Sputtern oder Bedampfen) von dünn strukturierten Widerstandsmaterialien Untersuchung der Temperaturabhängigkeit des Quellungsgrades und der nutzbaren Temperaturbereiche von temperatursensitiven Polymersystemen Durchführung von Experimenten zum Nachweis von kleinsten Analytkonzentrationsänderungen in Lösungen mittels der aufgebauten Sensoren und Ermittlung von entsprechenden Sensorkennlinien. Betreuerin: PD Dr.-Ing. habil. M. Günther, Raum: GLB 7-E08, Tel:+49 351 46335378

Thema: Piezoresistiver Bioaffinitätssensor auf Hydrogel-Basis zum Nachweis von Biomolekülen

In Biosensoren werden Polymernetzwerke mit reversiblen Vernetzungspunkten zwischen Polymerketten für Nachweis spezifischer Analytmoleküle verwendet. Die Biomoleküle können in polyelektrolytischen Hydrogelschichten eingebaut und damit immobilisiert werden. Durch eine spezifische Bindung von Polyelektrolytgelen mit Biomolekülen entstehen dreidimensionale Sensorsysteme mit einer hohen Anzahl von Bindungsplätzen. Die Hydrogele mit selektiven Schlüssel-Schloss-Molekülkonfigurationen (z.B. Antikörper-Antigen-Bindung, Sequenzen von Nukleinsäuren) dienen zur Detektion bestimmter Analytmoleküle (z.B. Antigen-Moleküle bzw. DNA). In einer Lösung mit freien Analytmolekülen führt die konkurrierende Bindung zwischen freiem Analytmolekül und dem Schloss-Molekül zur Verringerung des Vernetzungsgrades des Polymers und als Ergebnis zu einer Gelquellung. Die Reversibilität dieses Prozess kann durch die Verwendung von thermoschrumpfenden Gelen erreicht werden. Eine Temperaturerhöhung führt zur Gelentquellung und zu Vernetzungen, d.h. zum Ausgangszustand des Polymers. In piezoresistiven biochemischen Sensoren wird das Quellverhalten des Hydrogels mittels einer elektrischen Ausgangsspannung überwacht. Allerdings sind bis zur praktischen Anwendung für konkrete Einsatzgebiete noch einige Konstruktionsvarianten abzuleiten, die eine einfache integrierte Herstellung mit einem effektiven und langzeitstabilen Packaging ermoglichen.

Inhaltsbeschreibung:

Einarbeitung in das Gebiet der piezoresistiven biochemischen Sensoren auf der Basis von temperatursensitiven Gelen

Untersuchungen zur Integration eines Heizelements und eines zusätzlichen Temperatursensors in bereits vorhandene Sensoraufbauten

Realisierung von flächigen und punktförmigen Heizelementen durch Aufbringen (Sputtern oder Bedampfen) von dünn strukturierten Widerstandsmaterialien

Untersuchung der Temperaturabhängigkeit des Quellungsgrades und der nutzbaren Temperaturbereiche von temperatursensitiven Polymersystemen

Durchführung von Experimenten zum Nachweis von kleinsten Analytkonzentrationsänderungen in Lösungen mittels der aufgebauten Sensoren und Ermittlung von entsprechenden Sensorkennlinien.

Betreuerin: PD Dr.-Ing. habil. M. Günther, Raum: GLB 7-E08, Tel:+49 351 46335378