The treatment of epidermal wounds, particularly chronic wounds, is one of the most ubiquitous medical challenges and has imposed a considerable financial burden on the global health care system. Several factors in epidermal wounds lead to severe medical conditions among which infection comprises a large number of mortalities. To tackle this issue, great efforts have been made in the last decades to incorporate antimicrobial agents into wound dressings in order to inhibit microorganism colonization. Additionally, various wound monitoring systems have been developed to detect and track infections using different indicators such as bacterial by-products. However, the integration of these infection sensors with wound dressings – most of which have benefited from electrochemical detectors – has been a major bottleneck due to the electrode failure in the wound environment and the need for electrical power supply. Other approaches have focused on the development of point-of-care devices that simplify the detection of infection. This study aims to address the aforementioned challenge by developing a multifunctional hydrogel-based wound dressing – made of alginate 1.5% (w/v) – for on-site infection monitoring via colourimetric and image processing methods. Taking advantage of wound acidity as an indicator of bacterial infection, the developed wound dressing was composed of an array of pH sensors, fabricated by 3-dimensional (3D) bioprinting. Brilliant Yellow and cabbage juice as two pH-responsive dyes were immobilized in the pH sensors to facilitate a wireless wound monitoring. In this system, Brilliant Yellow afforded a higher accuracy in image processing while cabbage juice provided a better visual observation of the wound condition. The functionality of the developed dressing in detecting bacterial infection was evaluated via an ex-vivo test on pig skin samples, infected by Pseudomonas aeruginosa, and the presence of bacteria was detected within 30 minutes after the placement of the dressings on the skin samples. Moreover, the inclusion of gentamicin-loaded components into the wound dressing facilitated the inhibition of bacterial growth, which was evaluated in vitro on the same strain of bacteria. In this experiment, 2 mg/ml of gentamicin in the hydrogel led to the eradication of P. aeruginosa. This incorporation of antibiotic delivery along with the simple colourimetric infection detection holds a great promise for managing acute and chronic wounds by inhibition of bacterial growth and monitoring infection in real-time without a need for dressing removal. / Graduate / 2018-08-16

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Die messtechnische Erfassung humanphysiologischer Parameter ist für die moderne Wundheilkunde, vor allem für die Diagnostik und Behandlung chronischer Wunden, von äußerster Wichtigkeit. Es werden biosensorischen Systeme benötigt, die einerseits eine ausreichende Messgenauigkeit auf-weisen müssen, andererseits in Wundverbände und Wundbandagen integriert werden können. In dieser Arbeit werden textile Sensorsysteme für die In-situ-Erfassung physiologischer Parameter entwickelt, die die Messung der Wundtemperatur, der Wundfeuchte, des pH- und Lactatwerts sowie die Konzentration neutrophiler Fängermoleküle (neutrophil extracellular traps - NET) des Wundexsudats ermöglichen. Die Auslegung und Entwicklung dieser Sensoren erfolgt gemäß medizinischen, messtechnischen und textiltechnischen Anforderungen. Die Herstellung der Sensoren erfolgt durch das Flechten, mit dem Funktions-, Elektroden- als auch Strukturmaterialien textiltechnisch zu komplexen Konstruktionen verarbeitet werden. Für die Integration einzelner, garnförmiger Sensoren werden die textilen Flächenbildungsverfahren des Stickens, des Strickens, des Webens und des Wirkens untersucht. Hierzu wird eine anforderungsgerechte Anordnung der Sensoren entwickelt, die in der geometrischen Gestalt marktüblichen Wundverbänden entspricht. Die Einzelsensoren werden anschließend elektrisch kontaktiert und mit Zuleitungen zu einem Sensorsystem verknüpft. Die Einzelsensoren werden umfangreich experimentell charakterisiert und hinsichtlich ihrer Messfähigkeit und messtechnischer Stabilität bei mechanischen Einflüssen sowie Einsetzbarkeit untersucht. Hierzu werden insbesondere die messtechnischen Empfindlichkeiten, das Hysterese-, Einschwing- und Langzeitverhalten untersucht. In den mechanischen Untersuchungen werden Querdruck-, Zug- und Biegebelastung der Einzelsensoren betrachtet. Anhand der Untersuchungen der Quereinflüsse der Sensoren untereinander sowie auch die Betrachtung der Biokompatibilität soll ein Gesamtbild der Anwendbarkeit des Systems geschaffen werden. Abschließend werden Konzepte für eine allgemeingültige Auslegung und Anwendung von Bio-Sensorsystemen entwickelt, die auch für andere Anwendungsbereiche abseits der sensorischen Untersuchung chronischer Wunden gültig sind. Mit den in dieser Arbeit entwickelten Sensoren und Sensorsystemen soll ein Beitrag zur verbesserten Echtzeit-Diagnostik sowie auch Wundbehandlung geleistet und auch aufgezeigt werden, dass eine Herstellung und Integration von komplexer Sensorik mit textiltechnischen Verfahren möglich ist. Dies erfordert die Konzeption und die technologische Umsetzung neuer Verfahren zur Herstellung von textilbasierten Wundmonitoringsensoren sowie die Fertigung von Funktionsdemonstratoren.:Vorwort und Danksagung v Kurzfassung vii Abstract ix Inhaltsverzeichnis xi Abkürzungs- und Symbolverzeichnis xiv 1 Einleitung und Problemstellung 1 2 Stand der Technik und Forschung 4 2.1 Einführung 4 2.1.1 Physiologie und Biosensorik. 4 2.1.2 Chronische Wunden 5 2.1.3 Temperatur 7 2.1.4 Feuchte 8 2.1.5 pH-Wert 9 2.1.6 Lactat 10 2.1.7 NET-Konzentration 11 2.2 Anforderungen an die physiologischen Sensoren 11 2.2.1 Medizinische Anforderungen 11 2.2.2 Messtechnische Anforderungen 13 2.2.3 Textiltechnische Anforderungen 15 2.3 Temperatursensorik 16 2.3.1 Theoretische Grundlagen 16 2.3.2 Sensorprinzipien und Messverfahren 16 2.4 Feuchtesensorik 22 2.4.1 Theoretische Grundlagen 22 2.4.2 Sensorprinzipien und Messverfahren 25 2.5 pH-Wertsensorik 29 2.5.1 Theoretische Grundlagen 29 2.5.2 Sensorprinzipien und Messverfahren 30 2.6 Lactatsensorik 34 2.6.1 Theoretische Grundlagen 34 2.6.2 Sensorprinzipien und Messverfahren 35 2.7 NET-Sensorik 38 2.7.1 Theoretische Grundlagen 38 2.7.2 Sensorprinzipien und Messverfahren 38 2.8 Textile Verfahren zur Herstellung von Biosensorik 40 2.8.1 Vorteile und Nachteile textiler Sensorik 41 2.8.2 Faserbasierte Sensorik 41 2.8.3 Garnbasierte Sensorik 42 2.8.4 Flächenbasierte Sensorik 45 2.8.5 Verfahrensauswahl 48 2.8.6 Applikations- bzw. Integrationsverfahren 48 2.9 Sensorsysteme 51 2.9.1 Kontaktierung 52 2.9.2 Signalübertragung 55 2.9.3 Datenerfassung und -auswertung 56 2.10 Zusammenfassende Betrachtung 57 3 Auslegung und Entwicklung textilbasierter Bio-Sensoren 59 3.1 Materialien 59 3.2 Methoden und Geräte 61 3.3 Technologisch-konstruktive Modifikation der Flechtmaschinentechnik zur optimierten Sensorherstellung 61 3.4 Entwicklung der Temperatursensoren 63 3.4.1 Konzeptionelle Auslegung 63 3.4.2 Konstruktive Entwicklung 66 3.4.3 Fertigungstechnische Umsetzung 69 3.5 Entwicklung der Feuchtesensoren 70 3.5.1 Konzeptionelle Auslegung 70 3.5.2 Konstruktive Entwicklung 73 3.5.3 Fertigungstechnische Umsetzung 74 3.6 Entwicklung der pH-Wertsensoren 76 3.6.1 Konzeptionelle Auslegung 76 3.6.2 Konstruktive Entwicklung 77 3.6.3 Fertigungstechnische Umsetzung 78 3.7 Entwicklung der Lactatsensoren 80 3.7.1 Konzeptionelle Auslegung 80 3.7.2 Konstruktive Entwicklung 81 3.7.3 Fertigungstechnische Umsetzung 82 3.8 Entwicklung der NET-Sensoren 89 3.8.1 Konzeptionelle Auslegung 89 3.8.2 Konstruktive Entwicklung 89 3.8.3 Fertigungstechnische Umsetzung 90 3.9 Zusammenfassende Betrachtung 90 4 Entwicklung von textilbasierten Sensorsystemen 92 4.1 Auslegung des Sensorsystems für die Anwendung im Wundverband 92 4.2 Textiltechnische Prozessoptimierung zur Applikation bzw. Integration der miniaturisierten Sensoren 94 4.2.1 TFP-Sticktechnik 94 4.2.2 Stricken 97 4.2.3 Weben 104 4.2.4 Wirken 108 4.3 Verknüpfung des Sensorsystems und Datenauswertung 111 4.3.1 Kontaktierung 111 4.3.2 Signalübertragung 113 4.3.3 Datenerfassung und -auswertung 114 4.4 Zusammenfassende Betrachtung 115 5 Experimentelle Charakterisierung 116 5.1 Temperatursensor 116 5.1.1 Messtechnische Empfindlichkeiten 116 5.1.2 Hystereseverhalten 118 5.1.3 Einschwingverhalten 118 5.1.4 Langzeitverhalten 119 5.2 Feuchtesensor 119 5.2.1 Messtechnische Empfindlichkeiten 120 5.2.2 Hystereseverhalten 121 5.2.3 Einschwingverhalten 122 5.2.4 Langzeitverhalten 123 5.2.5 Verhalten im wässrigen Milieu 123 5.3 pH-Wertsensor 124 5.3.1 Messtechnische Empfindlichkeiten 126 5.3.2 Hystereseverhalten 130 5.3.3 Einschwingverhalten 130 5.3.4 Langzeitverhalten 130 5.4 Lactatsensor 131 5.4.1 Theoretische Vorbetrachtung und Vorversuch 132 5.4.2 Messtechnische Empfindlichkeiten 134 5.4.3 Hystereseverhalten 135 5.4.4 Einschwingverhalten 136 5.4.5 Langzeitverhalten 136 5.5 NET-Sensor 137 5.6 Messtechnische Stabilität bei mechanischen Beanspruchungen 138 5.6.1 Querdruckbelastung 138 5.6.2 Zugbelastung 139 5.6.3 Biegebelastung 141 5.7 Untersuchung der Selektivität 142 5.8 Biokompatibilitätsuntersuchungen 143 5.9 Ergebnisdiskussion 145 6 Konzeptentwicklung zur allgemeingültigen Auslegung und Anwendung textilbasierter Bio-Sensorsysteme 147 6.1 Auslegungshinweise zur Herstellung der Sensoren 147 6.2 Kalibrierung, Justierung und Messwertabgleich 149 6.3 Auslegungshinweise zur textiltechnischen Integration der Sensoren und Sensornetzwerke 151 6.4 Verknüpfung und Vernetzung der Einzelsensoren 153 6.5 Multifunktionssensorik 154 6.6 Demonstratoren der Sensornetzwerke 155 7 Zusammenfassung und Ausblick 158 8 Literaturverzeichnis 162 Anhang 177 A - Herstellungsvarianten Feuchtesensor 177 B - Technikansicht gestrickte Tasche 178 C - Langzeitmessung Lactatsensor 179

<p>Microbes play key roles in processes that shape the world around us having direct impact in crop  production,  food  safety,  digestion,  and  overall  health.  Developing  tools  to  monitor  their activity in-situ is the key towards better understanding the true impact of microbial activity in these processes and, eventually, harnessing their potential. Many conventional techniques for microbial activity assessment require sample collection, expensive benchtop equipment, skilled technicians, and   destructive   sample   processing   which   makes   their   adaptation   for   in-situ   monitoring cumbersome. The need for technologies for in-situ monitoring has led to the development of many sensordesigns,  capable  of  detecting  single  strains  of  bacteria  to  low  limits  of  detection  (LOD). These designs, however, are limited to their complex manufacturing procedures, cost, and delicacy which makes them difficult to implement outside of a laboratory setting into harsh environments.</p> <p>In  the  last  25  years,  impedimetric  sensing  methods  have  been used  as  powerful  analytical tools  to  characterize  the  degradation  and  dissolution  of  polymers.  Known  for  their  robustness, these techniqueswere mainly used for characterizing polymer’s properties as corrosion-protective layers on metals. At the time, someresearchers pondered onthe potential use of this technique for biosensing  applications.In  this  thesis,  the  ability  of  monitoring  microbial  activity  in-situ  was explored by  integratingdifferent  bioresponsive  polymers  with  low-cost electronic  impedimetricplatformsand assessing their degradation kinetics in response to microbes</p> <p>This  novel  use  of  impedimetric  sensing  methods  and  approach  towards  microbial  activity sensing was systematically studied in different  areas including  agriculture, food packaging, and healthcare.  Microbes,  the  good,  the  bad,  and  the  ugly,  were  studied  within  their  ecosystems  to demonstrate  the  ability  of  using  the  described  systems  in  in-situ  monitoring.  In  agriculture, polymer  degradation  was  successfully  correlated  to  the  concentration  of  decomposing  bacteria directly in soil. In food packaging, spoilage of chicken samples was successfully detected within their package through a non-reversible system. In healthcare, a wireless and electronic-free wound monitoring  system  capable of  detecting  early  onset  of  infection  while  delivering  therapeutics without the need of external actuation was achieved. Further developments of this technology will present the key towards monitoring microbial activity in-situ in a large scale, providing solutions to  humanity’s  toughest  upcoming  challenges  including  food  production,  food  safety,  and healthcare.</p>