Glucose-responsive Hydrogele für Drucksensor-basierte Anwendungen

Walter, Sarah Verena GND

Zusammenfassung

Diabetes mellitus ist eine Zivilisationskrankheit, an der Menschen weltweit mit zunehmender Häufigkeit erkranken. Die Betroffenen leiden unter gesundheitlichen Komplikationen, welche die Lebensqualität einschränken und die Mortalität vergrößern, gleichzeitig entstehen hohe Behandlungskosten. Eine möglichst kontinuierliche Überwachung der Glucose-Konzentration im Blut kann die benötigte Menge der Medikamente reduzieren und gleichzeitig den gesundheitlichen Komplikationen entgegenwirken. Um dies zu bewerkstelligen, wurden viele Konzepte für kontinuierlich arbeitende Glucose-Sensoren ausgearbeitet, in denen Stimuli-responsive Hydrogele als Sensormaterialien eingesetzt werden. Obwohl zu diesen Sensoren eine Vielzahl von Daten existiert, werden einige grundlegende Prinzipien nicht adressiert. Zur Charakterisierung dieser Systeme wird ausschließlich das Ausgangssignal der Sensoren verwendet, häufig werden nur die relativen Änderungen des Sensorsignals aufgezeichnet. Infolge dessen können keine treffenden Rückschlüsse auf das Verhalten der Sensormaterialien getätigt werden. Auch die Auswirkungen des Einbaus der Stimuli-responsiven Hydrogele in diese Sensoren bleibt unklar.

Um ein grundlegendes Verständnis über die Funktionsweise Hydrogel-basierter Glucose-Sensoren zu schaffen, wurden in dieser Arbeit drei Fragestellungen zu dieser Sensoranwendung bearbeitet. Erstens wurden die Hydrogele in der freien Quellung analysiert, um absolute und relative Änderungen unter verschiedenen Analysenbedingungen darzustellen und zu interpretieren. Zweitens wurde eine Methode entwickelt, welche die Bestimmung der Beladung der Hydrogele in situ mit Glucose erlaubt. Drittens wurden die Hydrogele in Quelldruckkammern eingebaut, um deren Response in einer Drucksensoranwendung aufzeigen zu können. Diese Daten wurden mit den Daten aus der freien Quellung verglichen, um die Gemeinsamkeiten und Unterschiede des Wechsels von isobaren zu isochoren Messbedingungen offenzulegen. Zu diesem Zweck wurden poly-Acrylamid- und poly-Isopropylacrylamid-basierte Hydrogele mit 3-Acrylamidophenyl-boronsäure als Glucose-Rezeptor, (N-(3-Dimethylaminoporoyl))-Acrylamid als Comonomer und N,N‘‑Methylenbis(Acrylamid) als Vernetzer synthetisiert und analysiert.

In der freien Quellung wurden die Glucose-responsiven Hydrogele unter der Verwendung von Glucose, Fructose und Uridin als Analyten untersucht. Mithilfe der Daten konnte eine Hypothese zum Einfluss der verschiedenen Zucker-Derivate auf die Hydratation der Hydrogele formuliert werden. Dabei wurde die bisherige Annahme, Glucose würde den Wassergehalt aufgrund der Ausbildung zusätzlicher chemischer Vernetzungspunkte reduzieren, revidiert. Auch die These, Fructose könne ausschließlich den Wassergehalt der Hydrogele erhöhen, da diese an Phenylboronsäure binde und dabei eine negative Ladung der Phenylboronsäure hervorrufe, konnte der Überprüfung durch diese Messungen nicht standhalten.

Die Bestimmung der Beladung der Hydrogele konnte dazu genutzt werden, um Bindungsisothermen mit Glucose und Uridin bestimmen zu können. Basierend darauf konnten Bindungskonstanten und die maximale Beladung berechnet werden. Diese Werte waren bis zu 2 - 3-mal größer als die Literaturwerte, diese Abweichung konnte mit dem Beitrag des tertiären Amins zur Ladungsstabilisierung begründet werden. Eindeutig konnten eine 2:1-Komplexierung für Glucose und eine 1:1-Komplexierung für Uridin nachgewiesen werden. Weiterhin konnte ein Vergleich der Bindungsisothermen mit den Daten der freien Quellung aufzeigen, dass neben der Änderung der Hydratation der Hydrogele durch Glucose ein „Auszuckerungs-Effekt“ auftritt. Die Anwesenheit von Glucose ändert die Hydratation der copolymerisierten Hydrogele allein durch deren Anwesenheit, ohne an den Rezeptor zu binden.

Ein Vergleich der freien Quellung mit den Quelldruckmessungen ermöglichte die Entwicklung eines Modells zur Darstellung des Einflusses der Messbedingungen auf die Hydratation der Hydrogele. Es konnte herausgearbeitet werden, dass in Quelldruckmessungen die Menge der Hydrogele in der Quellkammer und die Empfindlichkeit der Drucksensoren wesentliche Einflussfaktoren sind. In der freien Quellung bestimmte insbesondere die Zusammensetzung der Hydrogele deren Responsivität.

Eine große Hydratation der Hydrogele in Abwesenheit des Analyten begünstigte die Glucose-Responsivität, während die Fructose-Responsivität durch eine geringe Hydratation der Hydrogele verbessert wurde. Aus dieser Erkenntnis resultierte, dass das Hydrogel 14A_12P_15D am besten für die Bestimmung der Glucose-Responsivität geeignet war und sich das Hydrogel 14A_12P_7,5D für die Messung der Fructose-Konzentration empfahl. Unter physiologischen Bedingungen konnten in der freien Quellung Änderungen des Wassergehaltes in Glucose um 23 % erzielt werden, während sich der Quelldruck unter diesen Bedingungen und bei einer Temperatur von 30,0°C um 0,10 bar reduzierte, was einer Änderung um 6 % entsprach.

 

Abstract

Diabetes mellitus is one of the most frequent diseases humans suffer from worldwide and its prevalence is increasing. The disease is inducing complications like heart attack, kidney failure and an increased mortality. On the other hand, the healthcare expenditure for diabetes is rising. A continuous measurement of human blood glucose concentration can contribute to reduce these burdens. Many efforts were made to introduce continuous glucose sensors, which contain stimuli-responsive hydrogels as sensing materials. Although many data were provided for the use of these sensors, some general facts are still not addressed. The output signal of these sensors is used for their characterization solely. Only relative changes are recorded and analyzed causing misleading hypotheses of the behavior of stimuli-responsive hydrogels. Also, the change from measurements without sensor to the incorporation into sensor systems is barely analyzed. In fluorescence sensors or optical fibers, the measurement conditions with and without sensor are the same. But if hydrogels are incorporated into pressure sensors, the measurement conditions change from isobaric to isochoric. The influence of this change is rarely addressed in literature.

Three main questions were raised in this work to gain more insights into the behavior of hydrogels. First, hydrogels were analyzed in free swelling under changing conditions. The aim was to record absolute and relative changes and interpret the change of the behavior of the hydrogels. Second, a method for the determination of the degree of complexation of these hydrogels with glucose or uridine in situ was established. Third, these hydrogels were analyzed in a swelling pressure setup and the results were compared to the measurements of free swelling. For this purpose, poly-acrylamide- or poly-N-isopropylacrylamide-based hydrogels were synthesized, which contained 3-acrylamidophenylboronic acid as receptor, (N-(3-dimethylaminoporoyl))-acrylamide as comonomer and N,N‘‑methylenebis(acrylamide) as crosslinking agent.

In free swelling, glucose responsive hydrogels were analyzed using glucose, fructose and uridine as analytes. The data were used for the development of a hypothesis regarding the influence of these sugar derivatives on the hydration of these hydrogels. It was proposed that glucose would reduce the water content of these hydrogels due to the formation of covalent crosslinks. This hypothesis was disproved in this work. Also, the assumption was refuted, that fructose would be able to only increase the water content of these hydrogels due to the dissociation of phenylboronic acid.

The determination of the degree of complexation was used for the generation of binding isotherms, including the calculation of binding constants and maximal degree of complexation for both glucose and uridine. The calculated values were up to 2 - 3 times higher compared to literature values. This difference could be attributed to the charge stabilizing behavior of the presence of the tertiary amine inside these hydrogels. It was proved, that phenylboronic acid forms 2:1 complexes with glucose and 1:1 complexes with uridine. Moreover, the comparison of binding isotherms with the data from free swelling could show that the hydration of the hydrogels was not only influenced by complex formation with glucose. Also, the presence of glucose could evoke the so-called “sugaring-out-effect” without the need of complex formation.

A comparison of free swelling data and swelling pressure measurement data enabled the development of a hypothesis about the different influences on hydrogel response in both types of measurement. For swelling pressure measurements, the amount of hydrogel inside the swelling chamber and the sensitivity of the pressure sensors were important factors influencing the response towards the analyte. In contrast, in free swelling, the composition of the hydrogels was the most important influence on the response of the hydrogels.

Especially the hydration of the hydrogels was identified to be the major factor changing the responsibility towards an analyte. In case glucose concentration was determined, a small hydration before glucose addition increased the response signal. For the measurements of fructose concentration, a high degree of hydration in absence of fructose was favorable for its recognition. As a result, the hydrogel composition 14A_12P_15D was most suited for recording glucose response. The hydrogel composition 14A_12P_7.5D turned out to be the best for measuring fructose concentrations. Under physiological conditions, the best suited hydrogel showed a 23 % decrease of water content when 10.9 mM glucose were added. In the swelling pressure setup, the swelling pressure was reduced by 0.10 bar under the same conditions but a temperature of 30.0°C. This corresponds to a relative change of the swelling pressure by 6 %.

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Citation style:
Walter, S.V., 2021. Glucose-responsive Hydrogele für Drucksensor-basierte Anwendungen. https://doi.org/10.17185/duepublico/73960
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