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
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:87355 |
| Date | 09 October 2023 |
| Creators | Wendler, Johannes |
| Contributors | Cherif, Chokri, Cuniberti, Gianaurelio, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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