Der demografische Wandel und das Populationswachstum stellen eine globale Herausforderung für die Gesundheitssysteme dar. Eine vielversprechende Lösungsstrategie liegt in der digitalen Überwachung, Prävention und Therapie akuter und chronischer Erkrankungen durch die Nutzung von innovativen Technologien aus dem Bereich der personalisierten Medizin. Die Digitalisierung in der Überwachung von Vitalparametern mittels Sensorik besitzt großes Potential für die längere Gesunderhaltung der Patienten und somit die Entlastung der Gesundheitssyteme im Ganzen. Da Wassermangel für eine Vielfalt von Krankheiten einen Katalysator darstellt, ist die Hydratation ein wichtiger aber bislang nur invasiv zugänglicher Vitalparameter. Zur Etablierung nicht invasiver Messungen des Wasserhaushaltes am Menschen wurde im Rahmen dieser Arbeit die Eignung der Mikrowellentechnologie untersucht. Dehydratation resultiert in der Veränderung des Osmolythaushaltes und beeinflusst biochemische Prozesse, was zur Entstehung von Morbidität führen kann. Im Rahmen der Arbeit werden Teilbereiche der Entwicklung eines Medizinproduktes abgebildet. Zu diesem Zweck wird die Machbarkeit der mikrowellenbasierten Analyse des Wasserhaushaltes in einer technischen Machbarkeitsstudie untersucht, um im zweiten Prozessschritt einen technischen Demonstrator in vitro und in vivo am Probanden erproben zu können. Hochfrequente elektromagnetische Wellen interagieren mit Molekülen, speziell Wasser. Enthält eine Probe freie Wassermoleküle, kann dies im reflektierten Signal detektiert werden. Zur Überprüfung des Sensorsystems in vitro dienen humane 3D-Vollhautmodelle mit spezifischer Hydratation und Gewebedichte der Matrixkomponenten als standardisiertes Modell zur Untersuchung definierter Exsikkoseszenarien und des Einflusses verschiedener Modellkomplexitäten. Die Eignungsüberprüfung des Systems mit einem technischen Demonstrator des künftigen Medizinproduktes belegt die Anwendbarkeit des Messsystems zur Erfassung des relativen Wassergehaltes. Die Technologie zeichnet sich durch eine hohe Sensitivität bei der Destinktion von Proben mittels Frequenz- und Signalreflektionsdifferenzen aus. Neben den In-vitro-Testungen wird das entwickelte Sensorsystem aus regulatorischer Sicht zur klinischen Leistungsüberprüfung vorbereitet und im Rahmen eines bewilligten Ethikvotums in vivo erprobt. Die Ergebnisse belegen die Machbarkeit der nichtinvasiven Erfassung des Wasserhaushaltes durch mikrowellenbasierte Messungen. Die Technologie birgt das Potential, in ein körpernahes Sensorsystem integriert zu werden, welches als Medizinprodukt zur persönlichen Gesundheitsüberwachung zugelassen werden kann. / The demographic change and the growth of mankind are challenging worldwide, especially for healthcare systems. One possible solution to keep humans healthier at all ages coeval fighting disease-related consequences is given by modern technologies for personalized disease treat-ment and digital health monitoring. The digitalization of the health care through new technological advance in personalized disease treatment and health monitoring using sensor-based technologies helps people to recover from illness or stay healthy, to monitor the health state of patients in need and to assist caregivers during their daily routine. This thesis aims to analyze microwave measurements as a technology to monitor the hydration status as a particularly important vital parameter, which can be catalyst for diverse secondary disorders. Wireless body area networks (WBANs) are used for individually tailored therapy of disease and preventive monitoring of health parameters. There are some already existing technologies but there is not yet a way to monitor non-invasively the entire health state and especially hydration as a particularly critical vital parameter. WBANs may help to pave the way for personalized med-icine, improve acute and preventive healthcare and support individual physical fitness. Tissue dehydration results in impaired biochemical processes, and can finally cause severe mor-bidity. The aim of this study was to demonstrate the feasibility of microwave measurements for the non-invasive analysis of the hydration status in vitro and in vivo and to develop a prototype of a medical device for this measurment. Moreover, accompanying regulatory aspects are con-sidered as a basis for an approval of the sensor technology as medical device. Electromagnetic waves at high frequencies interact with molecules, especially water. Thus, free water molecules can be detected via the reflected microwave signal. To develop the sensor system, human three-dimensional skin equivalents were instituted as a standardized test platform mimicking repro-ducible exsiccosis scenarios. Therefore, skin equivalents with a specific hydration and density of matrix components were generated and microwave measurements were performed. Hydration-specific spectra allowed deriving the hydration state of the skin models. A further advantage of the skin equivalents was the characterization of the impact of distinct skin components on the measured signals to investigate mechanisms of signal generation. Together with these in vitro results, the technology is investigated in vivo within initial testing scenarios on test subjects. The results demonstrate the feasibility of non-invasive microwave-based hydration measurements and thus the technologies potential to be integrated in a wearable medical device for personal digital health monitoring.

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is a valuable technique analyzing electrochemical behavior of biological systems such as electrical characterization of cells and biomolecules, drug screening, and biomaterials in biomedical field. In EIS, an alternating current (AC) power signal is applied to the biological system, and the impedance of the system is measured over a range of frequencies. In vitro culture models of endothelial or epithelial barrier tissue can be achieved by culturing barrier tissue on scaffolds made with synthetic or biological materials that provide separate compartments (apical and basal sides), allowing for further studies on drug transport. EIS is a great candidate for non-invasive and real-time monitoring of the electrical properties that correlate with barrier integrity during the tissue modeling. Although commercially available transendothelial/transepithelial electrical resistance (TEER) measurement devices are widely used, their use is particularly common in static transwell culture. EIS is considered more suitable than TEER measurement devices in bioreactor cultures that involve dynamic fluid flow to obtain accurate and reliable measurements. Furthermore, while TEER measurement devices can only assess resistance at a single frequency, EIS measurements can capture both resistance and capacitance properties of cells, providing additional information about the cellular barrier's characteristics across various frequencies. Incorporating EIS into a bioreactor system requires the careful optimization of electrode integration within the bioreactor setup and measurement parameters to ensure accurate EIS measurements. Since bioreactors vary in size and design depending on the purpose of the study, most studies have reported using an electrode system specifically designed for a particular bioreactor. The aim of this work was to produce multi-applicable electrodes and established methods for automated non-invasive and real-time monitoring using the EIS technique in bioreactor cultures. Key to the electrode material, titanium nitride (TiN) coating was fabricated on different substrates (materials and shape) using physical vapor deposition (PVD) and housed in a polydimethylsiloxane (PDMS) structure to allow the electrodes to function as independent units. Various electrode designs were evaluated for double-layer capacitance and morphology using EIS and scanning electron microscopy (SEM), respectively. The TiN-coated tube electrode was identified as the optimal choice. Furthermore, EIS measurements were performed to examine the impact of influential parameters related to culture conditions on the TiN-coated electrode system. In order to demonstrate the versatility of the electrodes, these electrodes were then integrated into in different types of perfusion bioreactors for monitoring barrier cells. Blood-brain barrier (BBB) cells were cultured in the newly developed dynamic flow bioreactor, while human umblical vascular endothelial cells (HUVECs) and Caco-2 cells were cultured in the miniature hollow fiber bioreactor (HFBR). As a result, the TiN-coated tube electrode system enabled investigation of BBB barrier integrity in long-term bioreactor culture. While EIS measurement could not detect HUVECs electrical properties in miniature HFBR culture, there was the possibility of measuring the barrier integrity of Caco-2 cells, indicating potential usefulness for evaluating their barrier function. Following the bioreactor cultures, the application of the TiN-coated tube electrode was expanded to hemofiltration, based on the hypothesis that the EIS system may be used to monitor clotting or clogging phenomena in hemofiltration. The findings suggest that the EIS monitoring system can track changes in ion concentration of blood before and after hemofiltration in real-time, which may serve as an indicator of clogging of filter membranes. Overall, our research demonstrates the potential of TiN-coated tube electrodes for sensitive and versatile non-invasive monitoring in bioreactor cultures and medical devices. / Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist eine nützliche Methode, um das elektrochemische Verhalten von biologischen Systemen zu analysieren, wie z.B. die elektrische Charakterisierung von Zellen und Biomolekülen, Drug Screening und Biomaterialien im biomedizinischen Bereich. Für die EIS wird ein Wechselstrom an das biologische System angeschlossen und die Impedanz des Systems über einen Frequenzbereich gemessen. In vitro-Modelle von Gewebekulturen epithelialer Barrieren können mithilfe künstlicher oder biologischer Materialien, die über unterschiedliche Kompartimente (apikale und basolaterale Seite) verfügen, hergestellt werden und ermöglichen weitere Untersuchungen zum Transport von Arzneistoffen. Die EIS bietet dabei eine hervorragende Methode für das nicht-invasive Echtzeit-Monitoring der elektrischen Eigenschaften, die mit der Barriere-Integrität während der Gewebeentwicklung korreliert. Obwohl kommerziell erhältliche Geräte zur Messung des transendothelialen/transepithelialen elektrischen Widerstands (TEER) umfangreich verwendet werden, ist ihre Verwendung besonders bei statischen Transwell-Kulturen verbreitet. Durch die EIS kann im Gegensatz zur TEER-Messung für Bioreaktor-Kulturen, die einen dynamischen Medienfluss aufweisen, genauere und verlässliche Messungen erhalten werden. Zudem können EIS-Messungen anders als die TEER-Messung, die nur den Widerstand einer einzelnen Frequenz misst, gleichzeitig den elektrischen Widerstand und die Kapazität von Zellen erfassen und damit zusätzliche Informationen über die zellulären Barriereeigenschaften über verschiedene Frequenzen hinweg liefern. Der EIS-Einbau in ein Bioreaktor-System bedarf einer sorgfältigen Optimierung der Elektrodenintegration in das Bioreaktor-Setup und der Messparameter, um akkurate EIS-Messungen durchführen zu können. Da Bioreaktoren abhängig vom Untersuchungszweck in ihrer Größe und ihrem Design variieren, verwenden die meisten Studien speziell entwickelte Elektrodensysteme für einzelne Bioreaktoren. Das Ziel dieser Arbeit war die Herstellung von vielseitig anwendbaren Elektroden und etablierten Methoden für das automatisierte nicht-invasive Echtzeit-Monitoring von Bioreaktor-Kulturen mithilfe der EIS. Entscheidend für das Elektrodenmaterial war die Titannitrid (TiN)-Beschichtung, die auf verschiedenen Substraten (Materialien und Formen) durch Physical Vapor Deposition (PVD) hergestellt und in einer Polydimethylsiloxan (PDMS)-Struktur untergebracht wurde, damit die Elektroden unabhängig voneinander arbeiten können. Verschiedene Elektrodendesigns wurden auf Doppelschicht-Kapazität mithilfe der EIS bzw. auf die Morphologie mit Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Die TiN-beschichteten Elektroden in Röhrenform erwiesen sich als optimal. Weiterhin wurden EIS-Messungen durchgeführt, um die Auswirkung von beeinflussenden Parametern auf die Kulturbedingungen durch das TiN-beschichtete Elektrodensystem zu untersuchen. Um die Vielseitigkeit der Elektroden aufzuzeigen, wurden diese anschließend zum Monitoring von Barriere-bildenden Zellen in unterschiedliche Perfusionsbioreaktoren integriert. Zellen der Blut-Hirn-Schranke (BHS) wurden im neu entwickelten dynamischen Flussreaktor kultiviert, wohingegen humane umbilikale vaskuläre Endothelzellen (HUVEC) und Caco-2-Zellen in Hohlfaserbioreaktoren (HFBR) in Miniaturform kultiviert wurden. Das TiN-beschichtete Röhrenelektrodensystem ermöglichte die Untersuchung der BHS-Barrieren-Integrität in einer Langzeit-Bioreaktorkultur. Während die EIS-Messung in der Miniaturform-HFBR-Kultur keine elektrischen Eigenschaften der HUVECs detektieren konnte, war es möglich, eine Barriere-Integrität der Caco-2-Zellen zu messen, die den potentiellen Nutzen für die Evaluierung deren Barrierefunktion aufzeigt. Nach den Bioreaktorkulturen wurde die Anwendung der TiN-beschichteten Röhrenelektrode auf die Hämofiltration erweitert, auf Grundlage der Hypothese, dass das EIS-System ein Gerinnen oder Verstopfen während der Hämofiltration überwachen könnte. Die Ergebnisse zeigen, dass das EIS-Monitoring-System Veränderungen in der Ionenkonzentration des Blutes vor und nach Hämofiltration in Echtzeit verfolgen kann, welches eventuell als Messgröße für ein Verstopfen der Filtermembranen genutzt werden kann. Insgesamt weisen TiN-beschichtete Röhrenelektroden unseren Forschungen zufolge ein großes Potential für ein empfindliches und vielfältiges nicht-invasives Monitoring von Bioreaktorkulturen und Medizingeräte auf.

The development of bio-resorbable implant materials is rapidly going on. Sterilization of those materials is inevitable to assure the hygienic requirements for critical medical devices according to the medical device directive (MDD, 93/42/EG). Biopolymer-containing biomaterials are often highly sensitive towards classical sterilization procedures like steam, ethylene oxide treatment or gamma irradiation. Supercritical CO2 (scCO2) treatment is a promising strategy for the terminal sterilization of sensitive biomaterials at low temperature. In combination with low amounts of additives scCO2 treatment effectively inactivates microorganisms including bacterial spores. We established a scCO2 sterilization procedure under addition of 0.25% water, 0.15% hydrogen peroxide and 0.5% acetic anhydride. The procedure was successfully tested for the inactivation of a wide panel of microorganisms including endospores of different bacterial species, vegetative cells of gram positive and negative bacteria including mycobacteria, fungi including yeast, and bacteriophages. For robust testing of the sterilization effect with regard to later application of implant materials sterilization all microorganisms were embedded in alginate/agarose cylinders that were used as Process Challenge Devices (PCD). These PCD served as surrogate models for bioresorbable 3D scaffolds. Furthermore, the impact of scCO2 sterilization on mechanical properties of polysaccharide-based hydrogels and collagen-based scaffolds was analyzed. The procedure was shown to be less compromising on mechanical and rheological properties compared to established low-temperature sterilization methods like gamma irradiation and ethylene oxide exposure as well as conventional steam sterilization. Cytocompatibility of alginate gels and scaffolds from mineralized collagen was compared after sterilization with ethylene oxide, gamma irradiation, steam sterilization and scCO2 treatment. Human mesenchymal stem cell viability and proliferation were not compromised by scCO2 treatment of these materials and scaffolds. We conclude that scCO2 sterilization under addition of water, hydrogen peroxide and acetic anhydride is a very effective, gentle, non-cytotoxic and thus a promising alternative sterilization method especially for biomaterials.

The development of bio-resorbable implant materials is rapidly going on. Sterilization of those materials is inevitable to assure the hygienic requirements for critical medical devices according to the medical device directive (MDD, 93/42/EG). Biopolymer-containing biomaterials are often highly sensitive towards classical sterilization procedures like steam, ethylene oxide treatment or gamma irradiation. Supercritical CO2 (scCO2) treatment is a promising strategy for the terminal sterilization of sensitive biomaterials at low temperature. In combination with low amounts of additives scCO2 treatment effectively inactivates microorganisms including bacterial spores. We established a scCO2 sterilization procedure under addition of 0.25% water, 0.15% hydrogen peroxide and 0.5% acetic anhydride. The procedure was successfully tested for the inactivation of a wide panel of microorganisms including endospores of different bacterial species, vegetative cells of gram positive and negative bacteria including mycobacteria, fungi including yeast, and bacteriophages. For robust testing of the sterilization effect with regard to later application of implant materials sterilization all microorganisms were embedded in alginate/agarose cylinders that were used as Process Challenge Devices (PCD). These PCD served as surrogate models for bioresorbable 3D scaffolds. Furthermore, the impact of scCO2 sterilization on mechanical properties of polysaccharide-based hydrogels and collagen-based scaffolds was analyzed. The procedure was shown to be less compromising on mechanical and rheological properties compared to established low-temperature sterilization methods like gamma irradiation and ethylene oxide exposure as well as conventional steam sterilization. Cytocompatibility of alginate gels and scaffolds from mineralized collagen was compared after sterilization with ethylene oxide, gamma irradiation, steam sterilization and scCO2 treatment. Human mesenchymal stem cell viability and proliferation were not compromised by scCO2 treatment of these materials and scaffolds. We conclude that scCO2 sterilization under addition of water, hydrogen peroxide and acetic anhydride is a very effective, gentle, non-cytotoxic and thus a promising alternative sterilization method especially for biomaterials.