Title:
Messelektrode zum Messen einer Konzentration einer Substanz in einer Gewebsflüssigkeit, Messeinrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Messelektrode zum Messen einer Konzentration einer Substanz in einer Gewebsflüssigkeit
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft eine Messelektrode (100) zum Messen einer Konzentration einer Substanz in einer Gewebsflüssigkeit. Die Messelektrode (100) weist eine Trägerschicht (102) auf, an der zumindest eine Mikronadel (104) angeordnet ist. Die Mikronadel (104) ist ausgeformt, um die Messelektrode (100) in einem die Gewebsflüssigkeit aufweisenden Gewebe zu verankern. Ferner weist die Messelektrode (100) eine zumindest abschnittsweise auf die Mikronadel (104) und/oder die Trägerschicht (102) aufgebrachte Detektionsschicht (112) zum elektrochemischen Detektieren der Substanz auf.




Inventors:
Beyl, Yvonne (70839, Gerlingen, DE)
Raible, Isabelle (72070, Tübingen, DE)
Stumber, Michael (70825, Korntal-Münchingen, DE)
Lemuth, Karin (70195, Stuttgart, DE)
Application Number:
DE102015209513A
Publication Date:
11/24/2016
Filing Date:
05/22/2015
Assignee:
Robert Bosch GmbH, 70469 (DE)
Domestic Patent References:
DE60214087T2N/A2007-02-15



Foreign References:
90087442015-04-14
200301873382003-10-02
54824731996-01-09
Other References:
C. Andronescu et al.: Electrochemistry Communications 41 (2014), 12–15, Polyvinylpyridine, Polypyrrole, Polyvinylimidazol, acrylatbasierte Polymere oder eine Kombination aus verschiedenen Monomergruppen dieser Polymere
Claims:
1. Messelektrode (100) zum Messen einer Konzentration einer Substanz in einer Gewebsflüssigkeit, wobei die Messelektrode (100) zumindest folgende Merkmale aufweist:
eine Trägerschicht (102);
zumindest eine an der Trägerschicht (102) angeordnete Mikronadel (104), die ausgeformt ist, um die Messelektrode (100) in einem die Gewebsflüssigkeit aufweisenden Gewebe zu verankern; und
eine zumindest abschnittsweise auf die Mikronadel (104) und/oder die Trägerschicht (102) aufgebrachte Detektionsschicht (112) zum elektrochemischen Detektieren der Substanz.

2. Messelektrode (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, die Mikronadel (104) eingeschnürt und/oder harpunenförmig ausgestaltet ist.

3. Messelektrode (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (102) und/oder die Mikronadel (104) aus einem siliziumhaltigen Halbleitermaterial oder Silizium gefertigt sind.

4. Messelektrode (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsschicht (112) zumindest ein Enzym und/oder einen Mediator aufweist, insbesondere wobei die Detektionsschicht (112) aus einem Polymer gefertigt ist.

5. Messelektrode (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine elektrisch leitfähige Zwischenschicht (110), die zwischen der Detektionsschicht (112) und der Mikronadel (104) und/oder zwischen der Detektionsschicht (112) und der Trägerschicht (102) angeordnet ist.

6. Messelektrode (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein Kontaktierungselement (402), das ausgeformt ist, um die Mikronadel (104) durch die Trägerschicht (102) hindurch elektrisch zu kontaktieren.

7. Messeinrichtung (400) mit folgenden Merkmalen:
zumindest einer Messelektrode (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche; und
zumindest einer Gegenelektrode (414) mit einer Gegenelektrodenträgerschicht (420) und zumindest einer an der Gegenelektrodenträgerschicht (420) angeordneten eingeschnürten und/oder harpunenförmig ausgestalteten Gegenelektrodenmikronadel (416), die ausgeformt ist, um die Gegenelektrode (414) in dem die Gewebsflüssigkeit aufweisenden Gewebe zu verankern.

8. Messeinrichtung (400) gemäß Anspruch 7, gekennzeichnet durch zumindest eine Referenzelektrode (410) mit einer Referenzelektrodenträgerschicht (418) und zumindest einer an der Referenzelektrodenträgerschicht (418) angeordneten eingeschnürten und/oder harpunenförmig ausgestalteten Referenzelektrodenmikronadel (412), die ausgeformt ist, um die Referenzelektrode (410) in dem die Gewebsflüssigkeit aufweisenden Gewebe zu verankern.

9. Messeinrichtung (400) gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrodenträgerschicht (418) und/oder die Gegenelektrodenträgerschicht (420) Teil der Trägerschicht (102) ist.

10. Verfahren (700) zum Herstellen einer Messelektrode (100) zum Messen einer Konzentration einer Substanz in einer Gewebsflüssigkeit, wobei das Verfahren (700) folgende Schritte umfasst:
Bereitstellen (710) einer Trägerschicht (102);
Aufbringen (720) einer Ätzmaske auf die Trägerschicht (102);
Durchführen (730) eines Ätzprozesses unter Verwendung der Ätzmaske, um auf der Trägerschicht (102) zumindest eine eingeschnürte und/oder harpunenförmig ausgestaltete Mikronadel (104) zum Verankern der Messelektrode (100) in einem die Gewebsflüssigkeit aufweisenden Gewebe zu bilden; und
Bilden (740) einer Detektionsschicht (112) auf zumindest einem Teilabschnitt der Trägerschicht (102) und/oder der Mikronadel (104), um die Substanz elektrochemisch detektieren zu können.

11. Verfahren (700) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Durchführens (730) eine Passivierungsschicht auf die Mikronadel (104) und/oder die Trägerschicht (102) aufgebracht wird, die Passivierungsschicht in einem vorbestimmten Bereich der Mikronadel (104) geöffnet wird und durch Ätzen eine Einschnürung in dem vorbestimmten Bereich erzeugt wird, um die Mikronadel (104) harpunenförmig auszuformen und/oder mit einer Einschnürung zu versehen.

12. Verfahren (700) gemäß Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch einen Schritt des Beschichtens (745) des Teilabschnitts der Mikronadel (104) und/oder der Trägerschicht (102) mit einer elektrisch leitfähigen Zwischenschicht (110), wobei der Schritt des Beschichtens (745) vor dem Schritt des Bildens (740) durchgeführt wird.

13. Computerprogramm, das ausgebildet ist, um alle Schritte eines Verfahrens (700) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12 durchzuführen, umzusetzen und/oder anzusteuern.

14. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 13 gespeichert ist.

Description:
Stand der Technik

Die Erfindung besteht aus einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Messeinrichtung und ein Computerprogramm.

Zur Messung einer Blutzuckerkonzentration, etwa bei Diabetikern oder entsprechenden Risikogruppen, werden meistens einmalig verwendbare Teststreifen eingesetzt. Darüber hinaus sind Geräte bekannt, die eine kontinuierliche Messung der Glukosekonzentration in der interstitiellen Flüssigkeit ermöglichen.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Messelektrode zum bequemen und schmerzfreien, bei Bedarf quasi kontinuierlichen Messen einer Konzentration einer Substanz in einer Gewebsflüssigkeit, eine Messeinrichtung, ein Verfahren zum Herstellen einer Messelektrode zum Messen einer Konzentration einer Substanz in einer Gewebsflüssigkeit sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.

Der hier vorgestellte Ansatz schafft eine Messelektrode zum Messen einer Konzentration einer Substanz bzw. das Vorhandensein einer Substanz in einer Gewebsflüssigkeit, wobei die Messelektrode zumindest folgende Merkmale aufweist:
eine Trägerschicht;
zumindest eine an der Trägerschicht angeordnete Mikronadel, die ausgeformt ist, um die Messelektrode in einem die Gewebsflüssigkeit aufweisenden Gewebe zu verankern; und
eine zumindest abschnittsweise auf die Mikronadel und/oder die Trägerschicht aufgebrachte Detektionsschicht zum elektrochemischen Detektieren der Substanz.

Unter einer Gewebsflüssigkeit, auch Interstitialflüssigkeit genannt, kann eine im Interstitium befindliche Körperflüssigkeit wie beispielsweise Lymphe oder Hämolymphe verstanden werden. Bei der Substanz kann es sich beispielsweise um Glukose, Laktat, Alkohol, Harnstoff, Fettsäuren, Cholesterin, Ionen, beispielsweise Na+, Ka+, Mg2+ etc.), Umweltgifte oder eine sonstige als Biomarker fungierende Substanz wie Zellen oder bestimmte Moleküle wie Enzyme oder Hormone oder eine Kombination aus Markern handeln. Unter einer Trägerschicht kann ein Substrat zum Halten oder Stabilisieren der Mikronadel verstanden werden. Insbesondere können die Trägerschicht und die Mikronadel aus dem gleichen Material, etwa aus Silizium oder einer Siliziumverbindung, gefertigt sein. Unter einer Mikronadel kann eine Nadel verstanden werden, die beispielsweise eine Länge von 50 µm aufweist. Je nach Ausführungsform kann die Trägerschicht beispielsweise 1, 5, 10, 100, 200 oder 500 solcher Mikronadeln aufweisen. Für eine ausreichende Empfindlichkeit und Messsicherheit ist es vorteilhaft, mindestens 9 mikronadelförmige Elektroden zu nutzen. Bei dem Gewebe kann es sich beispielsweise um Hautgewebe, insbesondere um eine Epidermisschicht, handeln. Entsprechend einer durch eine Dicke des Hautgewebes vorgegebenen Eindringtiefe kann die Mikronadel eine Länge von 0,05 mm, 0,1 mm, 0,5 mm, 1 mm oder 1,5 mm aufweisen. Unter einer Detektionsschicht kann eine Schicht zum Binden der Substanz sowie zum Elektronentransfer, etwa durch Oxidation oder Reduktion dem generellen Umsatz der Substanz, verstanden werden. Beispielsweise kann die Detektionsschicht zu diesem Zweck mit bestimmten Enzymen angereichert sein.

Der hier vorgeschlagene Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass eine Messelektrode eine oder mehrere eingeschnürte und/oder harpunenförmig ausgestaltete Mikronadeln aufweisen kann, durch die die Messelektrode bequem, schmerzfrei und unblutig ins Interstitium eingeführt und dort verankert werden kann. Eine derartige Messelektrode ermöglicht es beispielsweise, eine kontinuierliche oder engmaschige Überwachung eines Glukosespiegels im Interstitium, wie sie etwa in kontinuierlichen Glukosemesssystemen zur Warnung bezüglich der Notwendigkeit einer Anpassung von z. B. Insulingaben bei Diabetikern erforderlich ist, sehr einfach und mit vergleichsweise geringen Kosten durchzuführen. Denkbar ist auch eine Erweiterung auf weitere Biomarker oder eine Auswahl anderer Biomarker, wie etwa Laktat.

Gemäß einer Ausführungsform kann die zumindest eine Mikronadel eingeschnürt und/oder harpunenförmig ausgestaltet sein. Unter einer harpunenförmigen Mikronadel kann eine Mikronadel in Form eines Widerhakens verstanden werden. Unter einer eingeschnürten Mikronadel kann eine Nadel verstanden werden, die an ihrem Schaft, also im Bereich der Verbindung zwischen der Trägerschicht, eine geringere Querschnittsfläche aufweist als in einem weiter von der Trägerschicht entfernt angeordneten Bereich der Nadel. Allgemein wird angemerkt, dass im Nachfolgenden der Begriff „harpunenförmig“ derart verwendet wird, dass er auch eine Einschnürung der-)Nadeln mit umfasst, auch wenn in diesem Fall kein Widerhaken vorgesehen ist, der ein Austreten der Nadel aus dem Gewebe verhindern soll. Durch eine solche Harpunenform oder eine Einschnürung der Mikronadel kann ein unbeabsichtigtes Herauslösen der Mikronadel aus dem Gewebe entgegen einer Einführrichtung der Mikronadel verhindert werden.

Die Nadeln, auch Mikroelektroden genannt, können auch in einer Harpunen-Topologie ausgeführt sein, die eine definiertere Beschichtung und eine gezieltere Eindringtiefe sowie eine Fixierung der Messelektrode während einer Tragedauer ermöglicht. Alternativ können die Nadeln in Form einer spitzen Pyramide, kegelförmig oder als spitze Säulen realisiert sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Mikronadel aus einem siliziumhaltigen Halbleitermaterial oder Silizium gefertigt sein. Zusätzlich oder alternativ kann auch die Trägerschicht aus dem siliziumhaltigen Halbleitermaterial oder Silizium gefertigt sein. Dadurch kann die Messelektrode besonders kostengünstig und zielgerichtet, etwa in einem Ätzverfahren, hergestellt werden.

Es ist ferner vorteilhaft, wenn die Detektionsschicht zumindest ein Enzym und, zusätzlich oder alternativ, einen Redoxmediator aufweist. Unter einem Redoxmediator kann ein Elektronen übertragendes System wie beispielsweise Ferrocen oder Eisen (II/III)-, Ruthenium (II/III)-, Samarium (II/III)-, Osmium (II/III)-Verbindungen verstanden werden. Die Detektionsschicht kann insbesondere aus einem Polymer gefertigt sein. Durch diese Ausführungsform kann eine hohe Selektivität bei der Detektion der Substanz erreicht werden. Durch den Mediator kann ein Elektronentransfer zwischen Enzym und Mikronadel bzw. zwischen Enzym und Trägerschicht begünstigt werden. Dabei ermöglicht das Polymer eine stabile Immobilisierung des Enzyms bzw. des Mediators an der Mikronadel bzw. der Trägerschicht.

Die Messelektrode kann mit einer elektrisch leitfähigen Zwischenschicht versehen sein, die zwischen der Detektionsschicht und der Mikronadel angeordnet sein kann. Zusätzlich oder alternativ kann die Zwischenschicht zwischen der Detektionsschicht und der Trägerschicht angeordnet sein. Die Zwischenschicht kann beispielsweise eine Metall- oder Kohlenstoffschicht sein. Durch die Zwischenschicht kann ein elektrisch leitfähiger Übergang mit definierter Oberfläche zwischen Detektionsschicht und Mikronadel bzw. zwischen Detektionsschicht und Trägerschicht geschaffen werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Messelektrode zumindest ein Kontaktierungselement auf, das ausgeformt sein kann, um die Mikronadel durch die Trägerschicht hindurch elektrisch zu kontaktieren. Das Kontaktierungselement kann beispielsweise ein durch die Trägerschicht hindurchreichender Durchkontakt sein. Durch ein solches Kontaktierungselement kann die Messelektrode über eine von der Mikronadel abgewandten Seite der Trägerschicht elektrisch kontaktiert werden.

Optional kann die Messelektrode zumindest einen Anschlag, insbesondere einen Siliziumanschlag, aufweisen. Durch den Anschlag ist es möglich, die Messelektrode in einer definierten Eindringtiefe zu verankern.

Des Weiteren schafft der hier beschriebene Ansatz eine Messeinrichtung mit folgenden Merkmalen:
zumindest einer Messelektrode gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsformen;
zumindest einer Gegenelektrode mit einer Gegenelektrodenträgerschicht und zumindest einer an der Gegenelektrodenträgerschicht angeordneten eingeschnürten und/oder harpunenförmig ausgestalteten Gegenelektrodenmikronadel, die ausgeformt ist, um die Gegenelektrode in dem die Gewebsflüssigkeit aufweisenden Gewebe zu verankern.

Eine solche Messeinrichtung bietet den Vorteil eines einfachen und kostengünstigen Aufbaus sowie einer zuverlässigen und genauen Konzentrationsmessung.

Es ist vorteilhaft, wenn die Messeinrichtung gemäß einer optionalen Ausführungsform zumindest einer Referenzelektrode mit einer Referenzelektrodenträgerschicht und zumindest einer an der Referenzelektrodenträgerschicht angeordneten eingeschnürten und/oder harpunenförmig ausgestalteten Referenzelektrodenmikronadel, die ausgeformt ist, um die Referenzelektrode in dem die Gewebsflüssigkeit aufweisenden Gewebe zu verankern. Unter einer Referenzelektrode kann allgemein eine erste Elektrode verstanden werden, die sich von einer zweiten Elektrode in der Form der Gegenelektrode unterscheidet. Hierbei kann die Messelektrode als Arbeitselektrode fungieren. Die Referenz- und die Gegenelektrode können analog zu einer der hier beschriebenen Ausführungsformen der Messelektrode aufgebaut sein.

Im einfachsten Fall genügen eine, beispielsweise mit Enzym beschichtete Arbeitselektrode und eine Gegenelektrode, beispielsweise ohne aufgetretenes Enzym, zwischen denen eine Spannung angelegt und ein entsprechender Strom gemessen werden kann. Bei kleinen Strömen kann dies ausreichen; für größere Ströme ist es vorteilhaft, wenn das Potential über die Referenzelektrode fixiert wird.

Besonders günstig ist es, wenn die Referenzelektrodenträgerschicht oder die Gegenelektrodenträgerschicht oder beide Schichten Teile der Trägerschicht sind. Dadurch können die Elektroden der Messeinrichtung auf einem gemeinsamen Chip untergebracht werden, was die Herstellung der Messeinrichtung vereinfacht.

Der hier beschriebene Ansatz schafft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Messelektrode zum Messen einer Konzentration einer Substanz in einer Gewebsflüssigkeit, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Bereitstellen einer Trägerschicht;
Aufbringen einer Ätzmaske auf die Trägerschicht;
Durchführen eines Ätzprozesses unter Verwendung der Ätzmaske, um auf der Trägerschicht zumindest eine, beispielsweise eingeschnürte und/oder harpunenförmig ausgestaltete Mikronadel zum Verankern der Messelektrode in einem die Gewebsflüssigkeit aufweisenden Gewebe zu bilden; und
Bilden einer Detektionsschicht auf zumindest einem Teilabschnitt der Trägerschicht und/oder der Mikronadel, um die Substanz elektrochemisch detektieren zu können.

Unter einer Ätzmaske kann je nach Anzahl der zu bildenden Mikronadeln eine gelöcherte, beispielsweise gitterartige Struktur aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid verstanden werden. Der Ätzprozess kann je nach Ausführungsform isotrope und anisotrope Ätzschritte umfassen. Nach Beendigung des Ätzprozesses kann die Ätzmaske vor dem Schritt des Bildens von der Trägerschicht und der Mikronadel entfernt werden.

Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Durchführens eine Passivierungsschicht auf die Mikronadel und, zusätzlich oder alternativ, auf die Trägerschicht aufgebracht werden. Die Passivierungsschicht kann in einem vorbestimmten Bereich der Mikronadel geöffnet werden. Durch Ätzen kann eine Einschnürung in dem vorbestimmten Bereich erzeugt werden, um die Mikronadel harpunenförmig auszuformen und/oder mit einer Einschnürung zu versehen. Der vorbestimmte Bereich kann beispielsweise ein an die Trägerschicht angrenzender Endbereich der Mikronadel sein. Unter einer Einschnürung kann ein Bereich eines geringsten Durchmessers der Mikronadel verstanden werden. Durch diese Ausführungsform kann die Harpunenform oder die Einschnürung besonders einfach erzeugt werden.

Je nach Ausführungsform kann im Schritt des Durchführens in einem ersten Ätzschritt eine Nadelspitze der Mikronadel vorgeformt werden, in einem zweiten Ätzschritt eine Nadellänge der Mikronadel definiert werden und in einem dritten Ätzschritt die Nadelspitze fertig ausgeformt werden, wobei die Mikronadel von der Ätzmaske getrennt wird. Hierbei kann die Mikronadel derart ausgeformt werden, dass sie im Wesentlichen senkrecht zur Trägerschicht ausgerichtet ist.

Die Harpunenform kann in der vorangehend beschriebenen Weise vor dem dritten Ätzschritt erzeugt werden.

Das Verfahren kann ferner mit einem Schritt des Beschichtens vorgesehen sein, in dem der Teilabschnitt der Mikronadel bzw. der Trägerschicht mit einer elektrisch leitfähigen Zwischenschicht beschichtet wird. Der Schritt des Beschichtens kann vor dem Schritt des Bildens durchgeführt werden, sodass die Detektionsschicht im Schritt des Bildens auf die Zwischenschicht aufgetragen wird. Durch die Zwischenschicht kann ein elektrisch leitfähiger Übergang mit definierter Oberfläche zwischen der Detektionsschicht und der Mikronadel bzw. der Trägerschicht geschaffen werden.

Die Messelektrode kann im Schritt des Beschichtens abschließend mit einer Schutzschicht beschichtet werden.

Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Messelektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel;

2 eine schematische Darstellung eines Rasterelektronenmikroskopbilds eines Abschnitts einer Messelektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel;

3 eine schematische Darstellung eines Mikroskopbilds eines Abschnitts einer Messelektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel;

4 eine schematische Darstellung einer Messeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;

5 eine schematische Darstellung einer Messeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;

6 eine schematische Darstellung einer Messeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;

7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Messelektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel;

8 ein Diagramm zur Darstellung verschiedener Messungen eines Laktatspiegels im Blut und im Interstitium; und

9 ein Diagramm zur Darstellung verschiedener Energieflussraten während einer muskulären Energiebereitstellung.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Messelektrode 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Messelektrode 100 zum Messen einer Konzentration einer Substanz in einer Gewebsflüssigkeit weist eine Trägerschicht 102 und beispielhaft sechs auf der Trägerschicht 102 angeordnete Mikronadeln 104 in Harpunenform auf. Die Mikronadeln 104 dienen der Verankerung der Messelektrode in einem die Gewebsflüssigkeit enthaltenden Gewebe, etwa einer Hautschicht.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Mikronadeln 104, auch Mikronadelelektroden oder Mikroelektroden genannt, im Wesentlichen senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Trägerschicht 102. Die Mikronadeln 104 sind je mit einem der Trägerschicht 102 zugewandten Nadelsockel 106 und einer auf dem Nadelsockel 106 sitzenden Nadelspitze 108 dargestellt. Die Nadelspitze 108 weist einen keilförmigen Querschnitt mit einem breiten Ende und einem spitzen Ende auf, wobei das breite Ende dem Nadelsockel 106 zugewandt ist. Die Harpunenform bzw. Einschnürung der Mikronadeln 104 ergibt sich dadurch, dass der Nadelsockel 106 einen geringeren Durchmesser bzw. eine geringere Querschnittsfläche als das breite Ende der Nadelspitze 108 aufweist, sodass das breite Ende rund um den Nadelsockel 106 ein Stück weit über den Nadelsockel 106 hinausragt und hierdurch einen Widerhaken bzw. die Einschnürung bildet, der/die verhindert, dass sich die in das Gewebe eingeführten Mikronadeln 104 entgegen einer Einführrichtung aus dem Gewebe herauslösen. Der Nadelsockel 106 kann beispielsweise durch eine Einschnürung der Mikronadeln 104 in einem Ätzprozess erzeugt werden, wie nachfolgend näher beschrieben.

Eine definierte Oberfläche der Mikronadeln 104, hier beispielhaft eine Oberfläche der jeweiligen Nadelspitzen 108, ist mit einer elektrisch leitfähigen Zwischenschicht 110 beschichtet. Die Zwischenschicht 110 kann beispielsweise durch Metallisierung oder Karbonisierung der Nadelspitzen 108 erzeugt werden.

Auf die Zwischenschicht 110 ist eine Detektionsschicht 112 aufgebracht, die der enzymatischen oder elektrochemischen Detektion der Substanz in der Gewebsflüssigkeit dient.

Ein derart mikrostrukturierter Elektrodenarray in Form der Messelektrode 100 hat den Vorteil, dass er schmerzfrei und bequem in eine obere Hautschicht, insbesondere die Epidermis, eingeführt werden kann, etwa zur elektrochemischen Bestimmung eines Glukosewerts. Die Bestimmung des Glukosewerts kann quasi kontinuierlich in beliebig festzulegenden kurzen Zeitabständen erfolgen.

Die harpunenförmigen bzw. mit je einer Einschnürung versehenen, in 1 im Wesentlichen senkrecht zur Waferebene, d. h. zur Haupterstreckungsebene der Trägerschicht 102, ausgerichteten Mikroelektroden 104 lassen sich sicher in die Haut einführen und verbleiben dort zuverlässig in einer entsprechenden Eindringtiefe. Die quantitative Erfassung des Glukosewerts und gegebenenfalls weiterer Inhaltsstoffe der Interstitialflüssigkeit erfolgt durch elektrochemische Detektion mittels passender Enzyme, im Fall des Glukosewerts beispielsweise mittels Glukoseoxidase, Cellubiose, Dehydrogenase oder PQQ-abhängige Dehydrogenase. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können diese Enzyme mittels der Detektionsschicht 112 stabil an der Messelektrode 100, gemäß 1 an den Nadelspitzen 108, immobilisiert werden, beispielsweise durch einen Abscheideprozess mit einem geeigneten Polymer.

Durch Beigabe eines oder mehrerer geeigneter Mediatoren zu den Enzymen kann ein Messpotenzial in einen physiologisch günstigen Bereich geschoben werden. Durch eine entsprechende Wahl der Abscheidebedingungen kann die Diffusionskonstante der Glukose innerhalb der als Polymerschicht realisierten Detektionsschicht 112 angepasst werden, um ein ausreichend schnelles Signal und einen idealen Empfindlichkeitsbereich einzustellen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Messelektrode 100 den folgenden Aufbau auf.

Die Elektrodenspitzen in Form der Mikronadeln 104 werden in einem mikromechanischen Prozess mit einer Einschnürung erzeugt, durch die sich die Harpunenform der Mikronadeln 104 bzw. die Einschnürung der Mikronadeln 104 ergibt. Der mikromechanische Prozess ist weiter unten anhand von 7 näher beschrieben.

Eine Oberfläche der Messelektrode 100 ist je nach Ausführungsform im Bereich der Mikronadeln 104 oder der Trägerschicht 104 mit der Zwischenschicht 110 metallisiert oder karbonisiert, etwa durch Sputtern, Elektroplattieren, Atomlagenabscheidung, Galvanisieren, Tinte oder Pasten wie Grafitpasten oder glasartige Kohlenstoffpasten.

Ferner ist die Messelektrode 100 mit einer enzymhaltigen Detektionsschicht 112 beschichtet. Die Detektionsschicht 112 kann insbesondere auf Abschnitte der Messelektrode 100 aufgebracht sein, die mit der Zwischenschicht 110 beschichtet sind. Zusätzlich zu dem Enzym kann die Detektionsschicht 112 einen Mediator enthalten, der den Elektronentransfer zwischen Enzym und Elektrode verbessert und übernimmt und eine Detektion bei einem geringeren Arbeitspotenzial ermöglicht. Hierdurch kann eine höhere Selektivität erreicht werden. Der Elektronentransfer kann auch über Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhrchen, englisch carbon nanotubes, oder Metallnanoteilchen erfolgen.

Je nach Ausführungsform kann der Mediator im Film 112 frei beweglich sein, beispielsweise in Form von (Fe(CN)6)3–, Benzochinon oder Preußisch Blau, oder an ein Polymer wie beispielsweise einem Osmium-Ruthenium-Redox-Komplex (Os2+/Os3+, Ru2+/Ru3+) oder Ferrocen und dessen Derivate gebunden sein. Zur Polymerisation eignen sich beispielsweise Polymere aus der Gruppe der Polybenzoxazine, wie auch beschrieben in C. Andronescu et al.: Electrochemistry Communications 41 (2014), 12–15, Polyvinylpyridine, Polypyrrole, Polyvinylimidazol, acrylatbasierte Polymere oder eine Kombination aus verschiedenen Monomergruppen dieser Polymere. Das in der Detektionsschicht 112 enthaltene Polymer erfüllt zusätzlich die Funktion, Enzym und Mediator physikalisch gut mit der Elektrode zu verbinden. Die Abscheidung der Detektionsschicht 112 kann beispielsweise elektrochemisch erfolgen, wodurch eine gleichmäßige, qualitativ hochwertige und mechanisch stabile Schicht entsteht. Hierbei kann das Enzym durch Van-der-Waals-Wechselwirkungen oder Wasserstoffbrückenbindungen in die Schicht eingeschlossen werden. Zusätzlich kann während der elektrochemischen Abscheidung eine weitere Vernetzung nicht vollständig polymerisierter Seitengruppen oder zusätzlich hinzugefügter Quervernetzer stattfinden, wodurch die Stabilität der Detektionsschicht 112 erhöht werden kann.

Je nach Ausführungsform kann die Messelektrode 100 vollständig oder zumindest in den mit der Detektionsschicht 112 überzogenen Abschnitten mit einer diffusionsregelnden Schutzschicht beschichtet sein, die der Trennung von Elektrode und Enzym vom Körper dient und einen mechanischen Schutz darstellt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schutzschicht aus dem gleichen Polymer wie die Detektionsschicht 112, jedoch ohne Enzyme und Mediator, hergestellt ist. Die Schutzschicht kann ausgebildet sein, um eine Biokompatibilität zwischen der Messelektrode 100 und einem die Messelektrode 100 umgebenden Gewebe herzustellen oder die Selektivität zu erhöhen, etwa durch die Verwendung von Nafion als Ionenfilter.

Zur Messung der Glukosekonzentration ist es erforderlich, eine definierte Oberfläche der Messelektrode 100 in der Haut zu verankern. Dies wird durch die harpunenförmige Ausgestaltung der Mikronadeln 104 mit metallisierten oder karbonisierten Nadelspitzen 108 sichergestellt.

Denkbar ist auch eine Verwendung der Messelektrode 100 zur Laktatmessung mittels der Mikroelektroden 104 auf oder in der Haut.

Insbesondere bei sportlicher Betätigung kann eine Protokollierung des Laktatspiegels zum Erreichen optimaler Ergebnisse und zur Vermeidung gesundheitlicher Beeinträchtigungen hilfreich sein. Mithilfe der Messelektrode 100 kann die Laktatkonzentration im Rahmen einer minimal invasiven und dadurch kontinuierlich durchführbaren Messung sehr genau bestimmt werden. Optional kann die Messung mit einer Warnfunktion gekoppelt sein.

Die Messelektrode 100 eignet sich damit zum einen zur Identifizierung eines optimalen Trainingsbereichs durch Messung einer Laktatkonzentration während sportlicher Betätigung und hilft ferner, Überanstrengungen zu vermeiden. Zum anderen kann die Messelektrode 100 zur Messung der Laktatkonzentration eingesetzt werden, um den Bereich der maximalen Fettverbrennung zu identifizieren.

Dadurch, dass die Messelektrode 100 leicht am Körper getragen werden kann, ist es möglich, den Laktat- und/oder Glukosespiegel ohne Beeinträchtigung einer sportlichen Betätigung in der interstitiellen Flüssigkeit zu messen und zu protokollieren.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Messelektrode 100 als nicht oder minimal invasiver Sensor mit Mikroelektroden 104 realisiert, die auf oder in der äußeren Hautschicht, dem Stratum corneum der Epidermis, verankerbar sind und zur Messung eines Laktat- und/oder Glukosespiegels im Interstitium mittels bestimmter enzymatischer Reaktionen dienen. Die Reaktionen werden über ein Elektrodensignal beispielsweise amperometrisch erfasst.

Als Enzym wird beispielsweise eine Laktatoxidase verwendet, die eine ähnliche Rolle bei der Laktatmessung spielt wie die Glukoseoxidase bei der Glukosemessung. Nachfolgend ist eine beispielhafte Reaktionsgleichung einer Reaktion von Glukose bzw. Laktat in Verbindung mit einem Mediator, hier Eisenhexacyanoferrat, dargestellt.

In beiden Fällen dient der hier eingesetzte Mediator zum Transfer von Elektronen zur Elektrode. Statt Eisenhexacyanoferrat kann auch ein anderer Mediator verwendet werden, der geeignet ist, um Elektronen zuverlässig aufzunehmen und wieder abzugeben, etwa ein Osmium-Komplex oder ein Komplex mit Ruthenium oder Samarium. Das eigentliche Mediatorarbeitspotenzial kann aufgrund verschiedener Liganden an den Metallzentren an verschiedene Anforderungen anpassbar sein. Hierbei sind der Mediator sowie die Enzyme Glukooxidase (GOD) und Laktatoxidase (LOD) auf der Elektrodenoberfläche, insbesondere mithilfe der Detektionsschicht 112, fixiert.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Rasterelektronenmikroskopbilds eines Abschnitts einer Messelektrode 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei der in 2 abgebildeten Messelektrode 100 handelt es sich beispielsweise um eine Messelektrode, wie sie vorangehend anhand von 1 beschrieben ist. Zu erkennen sind sechs Siliziummikronadeln 104, die durch Sputtern mit Platin metallisiert sind und mit einem elektrochemisch vernetzten, glukoseoxidasehaltigen Polymer, etwa BA-tepa, beschichtet sind. Die Mikronadeln 104 weisen im Bereich des Nadelsockels 106 eine nur schwach ausgebildete Einschnürung auf. Die Nadelspitzen 108 weisen eine rechteckige Grundfläche auf.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines Mikroskopbilds eines Abschnitts einer Messelektrode 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel in der Seitenansicht. Im Unterschied zu 2 weisen die in 3 gezeigten Mikronadeln 104 eine stark ausgeprägte Einschnürung im Bereich der Nadelsockel 106 und somit eine entsprechend stark ausgeprägte Harpunenform auf.

4 zeigt eine schematische Darstellung einer Messeinrichtung 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Messeinrichtung 400 weist eine Messelektrode 100 auf, wie sie vorangehend anhand der 1 bis 3 beschrieben ist. Die Messelektrode 100 ist gemäß 4 mit zwei Siliziumnadeln als Mikronadeln 104 realisiert, die über ein Kontaktierungselement 402, hier eine Siliziumdurchkontaktierung, kurz Si-TSV, durch die Trägerschicht 102 hindurch elektrisch kontaktiert sind. Das Kontaktierungselement 402 weist eine Kontaktfläche 404 auf, die sich auf einer den Mikronadeln 104 gegenüberliegenden Unterseite der Trägerschicht 102 befindet.

Die Kontaktierungselemente sind von der Trägerschicht 102 und damit auch voneinander elektrisch isoliert. In den einfacheren Fällen, wie beispielsweise in den 1 und 2 dargestellt, fungiert die gesamte Trägerschicht 102 als Kontaktierungselement. Daher sollte in diesem Fall zur gegenseitigen Isolation der Elektroden ein Aufbau gemäß 6 gewählt werden, der dazu dient, die Mikronadeln der verschiedenen Elektroden auf separaten Trägerschichten voneinander zu trennen.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die Mikronadeln 104 und das Kontaktierungselement 402 über eine Bondschicht 406, beispielsweise eine Al-Ge-Bondschicht, elektrisch leitend miteinander verbunden. Bei der Trägerschicht 102 kann es sich um einen hoch dotierten Trägerwafer handeln. Neben den beiden Mikronadeln 104 ist ein optionaler Siliziumanschlag 408 angeordnet. Der Siliziumanschlag 408 ist wie die Nadelspitzen 108 mit der Zwischenschicht 110 beschichtet. Ebenso sind Abschnitte der Trägerschicht 102 mit der Zwischenschicht 110 beschichtet. Je nach Ausführungsform können der Siliziumanschlag 408 und die Abschnitte der Trägerschicht 102 alternativ oder zusätzlich mit der Detektionsschicht beschichtet sein.

Die Messeinrichtung 400 weist zusätzlich zur Messelektrode 100 eine Referenzelektrode 410 mit zwei harpunenförmigen Referenzelektrodenmikronadeln 412 sowie eine Gegenelektrode 414 mit zwei harpunenförmigen Gegenelektrodenmikronadeln 416 auf, wobei die beiden Referenzelektrodenmikronadeln 412 auf einer Referenzelektrodenträgerschicht 418 und die beiden Gegenelektrodenmikronadeln 416 auf einer Gegenelektrodenträgerschicht 420 angeordnet sind. Die Referenzelektrode 410 ist zwischen der Messelektrode 100 und der Gegenelektrode 412 angeordnet, wobei die Messelektrode 100 als Arbeitselektrode fungiert. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Trägerschichten 418, 420 sowie die Trägerschicht 102 einteilig ausgeführt.

Die Mikronadeln 412, 416 dienen zusammen mit den beiden Mikronadeln 104 der Messelektrode 100 zur Verankerung der Messeinrichtung 400 im Gewebe. Wie in 4 schematisch angedeutet, sind die Mikronadeln 412, 416 im Wesentlichen identisch zu den beiden Mikronadeln 104 ausgeführt. Die Nadelspitzen der Mikronadeln 412, 416 können wie die Nadelspitzen 108 der Mikronadeln 104 mit der Zwischenschicht 110 beschichtet sein. Ferner sind die Referenzelektrodenmikronadeln 412 über ein Referenzelektrodenkontaktierungselement 422 und die Gegenelektrodenmikronadeln 416 über ein Gegenelektrodenkontaktierungselement 424 durch die Trägerschicht 102 hindurch elektrisch kontaktiert. Wie das Kontaktierungselement 402 sind auch die beiden Kontaktierungselemente 422, 424 mit weiteren Kontaktflächen 426, 428 ausgeformt, die sich ebenfalls auf der Unterseite der Trägerschicht 102 befinden.

Die Messeinrichtung 400 eignet sich beispielsweise zur Verwendung als kontinuierlicher Sensor zur Erfassung und Verfolgung von Körperparametern oder auch zur Verwendung als medizinischer Glukosesensor.

5 zeigt eine schematische Darstellung einer Messeinrichtung 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel. 5 zeigt die anhand von 4 beschriebene Messeinrichtung in der Draufsicht. Zu erkennen sind neben der Messelektrode 100, der Referenzelektrode 410 und der Gegenelektrode 414 eine weitere Referenzelektrode 500 und eine weitere Gegenelektrode 502, wobei die weitere Referenzelektrode 500 zwischen der weiteren Gegenelektrode 502 und der Messelektrode 100 angeordnet ist. Gemäß dem in 5 gezeigten 1-Chip-Konzept sind sämtliche Elektroden der Messeinrichtung 400 auf einem einzigen Siliziumchip miteinander kombiniert.

6 zeigt eine schematische Darstellung einer Messeinrichtung 400 aus 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu 5 sind die in 6 gezeigten Elektroden 100, 410, 414, 500, 502 als separate Chips mit beispielsweise 4 bis 400 Mikroelektroden ausgeführt, die jeweils zu einer Elektrode verbunden sind.

7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Herstellen einer Messelektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 700 kann beispielsweise zur Herstellung einer vorangehend anhand der 1 bis 6 beschriebenen Messelektrode zum Messen einer Konzentration einer Substanz in einer Gewebsflüssigkeit durchgeführt werden.

In einem ersten Schritt 710 wird eine Trägerschicht bereitgestellt. Anschließend wird in einem zweiten Schritt 720 eine Ätzmaske auf die Trägerschicht aufgebracht. In einem dritten Schritt 730 wird ein Ätzprozess unter Verwendung der Ätzmaske durchgeführt. Hierbei wird zumindest eine harpunenförmige Mikronadel auf der Trägerschicht ausgeformt. Die harpunenförmige Mikronadel dient der Verankerung der Messelektrode in einem die Gewebsflüssigkeit aufweisenden Gewebe. In einem vierten Schritt 740 wird je nach Ausführungsform auf zumindest einem Teilabschnitt der Trägerschicht oder der Mikronadel eine Detektionsschicht gebildet, die dazu dient, die Substanz elektrochemisch in der Gewebsflüssigkeit detektieren zu können.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Verfahren 700 durchgeführt werden, um Mikroelektrodenstrukturen mit einer Beschichtung für elektrochemische Messungen in der Haut herzustellen. Dazu wird im Schritt 720 die Ätzmaske, etwa eine Hardmask aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid, aufgebracht und strukturiert, um die Positionen der späteren Mikronadeln festzulegen. Im Schritt 730 werden durch isotropes Ätzen zunächst die späteren Nadelspitzen vorbereitet. Durch anisotropes Ätzen in die Tiefe, insbesondere durch reaktives Ionentiefenätzen, kurz DRIE, wird eine jeweilige Länge der Mikronadeln definiert. In einem weiteren isotropen Ätzschritt werden die Nadelspitzen endgültig ausgeformt und die Mikronadeln von ihrer Maske getrennt. Vor diesem abschließenden isotropen Ätzschritt wird die Harpunenform der Mikronadeln erzeugt. Dies erfolgt durch Anlegen einer Einschnürung in folgenden Prozessschritten.

Zunächst wird über die gesamten Mikronadeln eine Passivierungsschicht abgeschieden, beispielsweise durch ein längeres C4F8-Plasma, gefolgt von einem gerichteten, isotropen Ätzschritt, etwa durch ein SF6-Plasma für eine Dauer von 1 bis 3 Minuten. Durch diesen Ätzschritt wird die Passivierung am Ätzgrund geöffnet und eine Einschnürung im Bereich der entstandenen Öffnung erzeugt. Anschließend wird die Passivierung insgesamt geöffnet und die Nadelform hergestellt. Optional kann durch einen Reinigungsschritt mit O2-Plasma die Passivierung der Mikronadeln definiert entfernt werden, bevor ihnen in den anschließenden isotropen und anisotropen Ätzprozessen ihre endgültige Form gegeben wird.

In einem optionalen Schritt 745, der zwischen den Schritten 730, 740 durchgeführt wird, kann die Messelektrode entweder ganzflächig oder nur an einer Oberseite der Mikronadeln, etwa an den Nadelspitzen, durch Aufbringen einer Zwischenschicht metallisiert oder karbonisiert werden. Dies wird erreicht, indem während des Metallisierungsprozesses ein unterhalb der Nadelspitzen befindlicher Teil der Messelektrode abgedeckt und geschützt wird, beispielsweise durch einen Fotolack oder eine Folie, die später entfernt werden können.

8 zeigt ein Diagramm (nach M. Ellmerer et. al., Biosensors & Bioelectronics 13 (1998) 1007–1013) zur Messung eines Laktatspiegels im Interstitium unter Verwendung einer Messelektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist ein zeitlicher Verlauf (auf der Abszisse) einer Laktatkonzentration (aufgetragen auf der Ordinate) im Blut (durchgezogene Linie mit Punkten) und im subkutanen Gewebe (durchgezogene Linie ohne Punkten) in Abhängigkeit von sportlicher Betätigung. Die in 8 gezeigten Messverläufe können beispielsweise mittels einer im Vorangehenden anhand der 1 bis 7 beschriebenen Messelektrode ermittelt werden, wobei die Detektionsschicht der Messelektrode mit Laktatoxidase angereichert sein kann.

9 zeigt ein Diagramm zur Darstellung verschiedener Energieflussraten während einer muskulären Energiebereitstellung über die Zeit, wobei auf der Abszisse die Zeiten von etwa 10 Sekunden (~ 10 sec), etwa eine Minute (~ 1 min) und etwa eine Stunde (~ 1 h) eingetragen sind. Eine erste Kurve 910 repräsentiert den zeitlichen Verlauf einer Energieflussrate bei anaerober Atmung und direkt im Muskel stattfindender Spaltung energiereicher Phosphate wie ATP und CP. Eine zweite Kurve 920 repräsentiert den Verlauf einer Energieflussrate bei direkt im Muskel stattfindender anaerober Glykolyse, bei der Glukose in Laktat umgewandelt und das entstandene Laktat in die Blutbahn abgegeben wird. Eine dritte Kurve 930 repräsentiert den Verlauf einer Energieflussrate bei vorwiegend aerober Glykolyse. Hierbei wird aus Glykogen und Fett im Muskelgewebe Glukose gewonnen und in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt. Eine vierte Kurve 940 repräsentiert den Verlauf einer Energieflussrate bei rein aerober Atmung. Hierbei wird Fett aus Fettdepots und Glykogen aus der Leber abgebaut. Die Fettsäuren werden durch Betaoxidation in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • C. Andronescu et al.: Electrochemistry Communications 41 (2014), 12–15, Polyvinylpyridine, Polypyrrole, Polyvinylimidazol, acrylatbasierte Polymere oder eine Kombination aus verschiedenen Monomergruppen dieser Polymere [0050]
  • M. Ellmerer et. al., Biosensors & Bioelectronics 13 (1998) 1007–1013 [0075]