In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Klasse von implantierbaren biochemischen Sensoren bezüglich ihrer Sensitivität im physiologisch relevanten pH- (pH 7,4) sowie Glukose-Konzentrationsbereich (2 - 20 mM) entwickelt und untersucht. Die Glukose-sensitiven Hydrogele basieren auf der Bindung von 5-fach-Zuckern an Boronsäuregruppen, die in einem Acrylamid-basierten Hydrogel mit N,N′-Methylenbisacrylamid (BIS) als Vernetzter (AAm/APB/BIS, 80/20/0,75 mol%) verankert sind. Weiterhin konnten pH-sensitive Hydrogele auf Basis von 2-(Dimethylamino)ethyl Methacrylate (DMAEMA), Hydroxypropyl-methacrylat (HPMA) sowie Tetraethyleneglycol dimethacrylate (TEGDMA) als Vernetzter in unterschiedlichen Zusammensetzungen und Geometrien untersucht werden. Die verwendeten Hydrogele wurden hinsichtlich der Diffusionsprozesse sowie ihrer Quellkinetik charakterisiert, um deren Sensitivität, Selektivität, Reproduzierbarkeit und Ansprechzeit gegenüber den physiologischen Parametern (pH, pCO2, Glukose) zu verbessern. Die aufgebauten pCO2-Sensoren zeigten vielversprechende Ansprechzeiten von wenigen Minuten. Die Glukose und pH-Sensoren wiesen im physiologischen Medium (PBS) deutlich höhere Ansprechzeiten von mehreren Stunden auf. Die Kombination von piezoresistiven Drucksensoren mit Stimuli-sensitiven Hydrogelen bietet nicht nur eine große Vielfalt bezüglich der zu detektierenden Analyten, sondern ermöglicht auch miniaturisierte und implantierbare Sensoren für die kontinuierliche Erfassung von physiologischen Parametern. So war die Verkapselung zum Schutz und zugleich zur Gewährleistung der Biokompatibilität und ohne Beeinträchtigung der Funktionalität und Flexibilität der elektronischen Bauteile das Ziel. Dazu wurden die Sensoren mit dem Polymer Parylene C eingehaust, dass zusätzlich eine Polyethylenglykolschicht enthielt. Hierfür wurden Blockcopolymere mittels Ringöffnungspolymerisation synthetisiert, die Polyaminosäuren als Linkermoleküle und PEG zur gezielten Funktionalisierung enthalten. Nach kovalenter Anbindung an die inerte Parylene C-Oberfläche zeigten sich deutlich veränderte Oberflächeneigenschaften und eine verbesserte Zellkompatibilität und Hämokompatibilität. Zudem wurde der sogenannte Tarnkappeneffekt von PEG-Ketten, die sich in der Schicht nach außen ausrichten, festgestellt. Damit wurde Adsorption von Proteinen (Fibronektin, Fibrinogen), die in Entzündungsreaktionen, der Zelladhäsion sowie der Blutgerinnung maßgebend sind, deutlich verringert. / In this work a new class of implantable biochemical sensors with a high sensitivity at physiological pH (pH 7,4) and glucose (2 – 20 mM) ranges were developed and tested. The glucose sensitive hydrogel was made of acrylamide and N,N′-methylene-bis(acrylamide) as a crosslinker (AAm/APB/BIS, 80/20/0,75 mol%). The swelling mechanism was based on the reversible interaction of sugar molecules and the boronic acid groups in the hydrogel. Also a pH sensitive hydrogel made of 2-(dimethylamino) ethyl methacrylate (DMAEMA), hydroxypropyl-methacrylat (HPMA) and the crosslinker tetraethylene glycol dimethacrylate (TEGDMA) with different molar ratios and geometries was characterized. The swelling kinetics as well as the diffusion processes of different hydrogels were studied to advance sensitivity, selectivity, reproducibility and response time with respect to physiological parameters (pH, pCO2, glucose). pCO2 sensors showed promising short response times of about 4 min whereas glucose and pH sensors displayed longer response times of several hours in phosphate-buffered saline solution. The combination of piezoresistive pressure sensors and stimuli-sensitive hydrogels enables a great diversity of detecting analytes as well as miniaturized and implantable sensors for continuous measuring of physiological parameters. However, to implant the sensors an encapsulation strategy is needed that secures the electronics as well as ensures the biocompatibility without loss of functionality and flexibility. For this, the devices were coated with the polymer parylene C and an additional layer of blockcopolymers composed of polyaminoacid (PAA) and polyethyleneglycol (PEG) blocks synthesized via ring-opening polymerization. The functionalization units are carried out by the PEG blocks whereas the PAA blocks perform as linker molecules onto the activated parylene C surface. After covalent coupling of blockcopolymers to the inert polymer the surface characteristics changed and hence the cell and blood compatibility was improved. Furthermore the stealth effect of the outwards PEG chains was utilized to reduce the adsorption of proteins like fibronectin or fibrinogen. These proteins play a major role in inflammatory processes, cell adhesion and blood coagulation. The results gave proof that the encapsulation leads to decisively reduced physiological reactions.

In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Klasse von implantierbaren biochemischen Sensoren bezüglich ihrer Sensitivität im physiologisch relevanten pH- (pH 7,4) sowie Glukose-Konzentrationsbereich (2 - 20 mM) entwickelt und untersucht. Die Glukose-sensitiven Hydrogele basieren auf der Bindung von 5-fach-Zuckern an Boronsäuregruppen, die in einem Acrylamid-basierten Hydrogel mit N,N′-Methylenbisacrylamid (BIS) als Vernetzter (AAm/APB/BIS, 80/20/0,75 mol%) verankert sind. Weiterhin konnten pH-sensitive Hydrogele auf Basis von 2-(Dimethylamino)ethyl Methacrylate (DMAEMA), Hydroxypropyl-methacrylat (HPMA) sowie Tetraethyleneglycol dimethacrylate (TEGDMA) als Vernetzter in unterschiedlichen Zusammensetzungen und Geometrien untersucht werden. Die verwendeten Hydrogele wurden hinsichtlich der Diffusionsprozesse sowie ihrer Quellkinetik charakterisiert, um deren Sensitivität, Selektivität, Reproduzierbarkeit und Ansprechzeit gegenüber den physiologischen Parametern (pH, pCO2, Glukose) zu verbessern. Die aufgebauten pCO2-Sensoren zeigten vielversprechende Ansprechzeiten von wenigen Minuten. Die Glukose und pH-Sensoren wiesen im physiologischen Medium (PBS) deutlich höhere Ansprechzeiten von mehreren Stunden auf. Die Kombination von piezoresistiven Drucksensoren mit Stimuli-sensitiven Hydrogelen bietet nicht nur eine große Vielfalt bezüglich der zu detektierenden Analyten, sondern ermöglicht auch miniaturisierte und implantierbare Sensoren für die kontinuierliche Erfassung von physiologischen Parametern. So war die Verkapselung zum Schutz und zugleich zur Gewährleistung der Biokompatibilität und ohne Beeinträchtigung der Funktionalität und Flexibilität der elektronischen Bauteile das Ziel. Dazu wurden die Sensoren mit dem Polymer Parylene C eingehaust, dass zusätzlich eine Polyethylenglykolschicht enthielt. Hierfür wurden Blockcopolymere mittels Ringöffnungspolymerisation synthetisiert, die Polyaminosäuren als Linkermoleküle und PEG zur gezielten Funktionalisierung enthalten. Nach kovalenter Anbindung an die inerte Parylene C-Oberfläche zeigten sich deutlich veränderte Oberflächeneigenschaften und eine verbesserte Zellkompatibilität und Hämokompatibilität. Zudem wurde der sogenannte Tarnkappeneffekt von PEG-Ketten, die sich in der Schicht nach außen ausrichten, festgestellt. Damit wurde Adsorption von Proteinen (Fibronektin, Fibrinogen), die in Entzündungsreaktionen, der Zelladhäsion sowie der Blutgerinnung maßgebend sind, deutlich verringert. / In this work a new class of implantable biochemical sensors with a high sensitivity at physiological pH (pH 7,4) and glucose (2 – 20 mM) ranges were developed and tested. The glucose sensitive hydrogel was made of acrylamide and N,N′-methylene-bis(acrylamide) as a crosslinker (AAm/APB/BIS, 80/20/0,75 mol%). The swelling mechanism was based on the reversible interaction of sugar molecules and the boronic acid groups in the hydrogel. Also a pH sensitive hydrogel made of 2-(dimethylamino) ethyl methacrylate (DMAEMA), hydroxypropyl-methacrylat (HPMA) and the crosslinker tetraethylene glycol dimethacrylate (TEGDMA) with different molar ratios and geometries was characterized. The swelling kinetics as well as the diffusion processes of different hydrogels were studied to advance sensitivity, selectivity, reproducibility and response time with respect to physiological parameters (pH, pCO2, glucose). pCO2 sensors showed promising short response times of about 4 min whereas glucose and pH sensors displayed longer response times of several hours in phosphate-buffered saline solution. The combination of piezoresistive pressure sensors and stimuli-sensitive hydrogels enables a great diversity of detecting analytes as well as miniaturized and implantable sensors for continuous measuring of physiological parameters. However, to implant the sensors an encapsulation strategy is needed that secures the electronics as well as ensures the biocompatibility without loss of functionality and flexibility. For this, the devices were coated with the polymer parylene C and an additional layer of blockcopolymers composed of polyaminoacid (PAA) and polyethyleneglycol (PEG) blocks synthesized via ring-opening polymerization. The functionalization units are carried out by the PEG blocks whereas the PAA blocks perform as linker molecules onto the activated parylene C surface. After covalent coupling of blockcopolymers to the inert polymer the surface characteristics changed and hence the cell and blood compatibility was improved. Furthermore the stealth effect of the outwards PEG chains was utilized to reduce the adsorption of proteins like fibronectin or fibrinogen. These proteins play a major role in inflammatory processes, cell adhesion and blood coagulation. The results gave proof that the encapsulation leads to decisively reduced physiological reactions.