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LIT-Projekt: Kleinste Sensoren zur Analyse von Gelenksflüssigkeiten

(16.10.2017) Wenn jemand an Arthritis, Arthrose oder Gicht erkrankt, dann geht dies mit Veränderungen der Gelenksflüssigkeit einher. SEED, Voglhuber.pngEs bilden sich beispielsweise bei Gicht Kristalle in der Gelenksflüssigkeit. Derzeit müssen LaborantInnen die Anzahl der Gichtkristalle in Proben unter dem Mikroskop zählen, wenn sie wissen möchten wie weit die Krankheit fortgeschritten ist. Mit Hilfe von Mikrosensoren, die wie eine winzige Waage funktionieren, soll künftig das Absinken der Kristalle in der Flüssigkeit detektiert und der Anteil der Kristalle ermittelt werden. Mikrosensoren zur Messung des Fließverhaltens bieten aber auch zur Bestimmung anderer Gelenkserkrankungen, wie Arthritis und Arthrose, entscheidende Vorteile.

Mikrosensoren können bei der Erforschung von Gicht zur langzeitlichen Überwachung  des Kristallwachstums und zur Untersuchung der Kristallisationstendenz bei veränderten chemischen Einflüssen eingesetzt werden. „Wir sind derzeit bei der technischen Entwicklung der Mikrosensoren. Das Schöne an diesen ist, dass sie robust und einfach in der Anwendung sind. Sie könnten daher  langfristig den Weg in die klinische Praxis finden“, sagt Dr. Thomas Voglhuber-Brunnmaier, Leiter des LIT Seed-Projekts „Sensing Arthritis with Integrated Novel Tools (SAINTS)“.

Aber nicht nur Gicht, sondern auch Arthrose und Arthritis können mit Mikrosensoren frühzeitig erkannt werden. Die Gelenksflüssigkeit, die eigentlich eher ein Gel als eine Flüssigkeit ist, hat beim gesunden Menschen ein bestimmtes Fließverhalten. Sie darf weder zu flüssig noch zu wenig elastisch sein, damit garantiert ist, dass die Reibung im Gelenk passt und es zu keiner Knorpelabnützung und in der Folge Abreibung und Entzündung kommt.

Derzeit werden schmerzende Gelenke oftmals geröntgt, was abgesehen von den möglichen Nebenwirkungen den Nachteil hat, dass eine tatsächliche Abnützung des Gelenks erst spät sichtbar und somit auch am Röntgenbild zu erkennen ist. Andere aktuelle Untersuchungsmethoden, die die Gelenksflüssigkeit analysieren, benötigen relativ große Mengen an Flüssigkeitsproben.

Für die Mikrosensoren reicht bereits ein Tropfen Gelenksflüssigkeit, um Veränderungen festzustellen. Derzeit entwickelt Dr. Erwin Reichel im SAINTS-Projekt zwei unterschiedliche  Analysemethoden mit Mikrosensoren: Einerseits wird über die Resonanzmessung schwingender Strukturen die Viskoelastizität gemessen. Dies ist ein verlässliches Maß für die Konzentration und Zusammensetzung der Hyaluronsäure, welche die wichtigste Komponente der Gelenksflüssigkeit darstellt. Andererseits wird über eine elektrische Spannung gemessen, wie weit sich ein Tropfen der Flüssigkeit dehnen lässt, - auch dies lässt Rückschlüsse auf den Gesundheitszustand der Flüssigkeit zu. „Mikrosensoren werden schon relativ lange dafür eingesetzt, zum Beispiel das Fließverhalten von Öl zu messen. Biologische Proben wie unsere Gelenksflüssigkeiten, Blutserum oder die Absonderung von Schleimhäuten sind aber viel schwieriger zu analysieren“, sagt Reichel. Dies gelingt nun in Zusammenarbeit mit ChemikerInnen der JKU.

Die neu entwickelten Verfahren werden mit synthetischen Referenzflüssigkeiten genau untersucht, um die medizinische Relevanz der ermittelten Werte belegen zu können.

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Dr. Thomas Voglhuber-Brunnmaier studierte an der JKU Mechatronik und war zunächst auf Elektrische Messtechnik spezialisiert. Nach dem Voglhuber-Brunnmaier.jpgSammeln praktischer Erfahrung in einer Sensorikfirma nützte Voglhuber die Chance, seine Dissertation bei Univ.-Prof. Dr. Bernhard Jakoby am JKU-Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik zu schreiben. „Prof. Jakoby ist der Ruf vorausgeeilt, ein hervorragender Wissenschafter zu sein, weshalb  ich mich sehr glücklich schätzen konnte, bei ihm das Doktorat zu machen. Ich habe dadurch in vielen Bereichen Neues dazugelernt.“

Für die Dissertation bekam Voglhuber mehrere Preise verliehen.

Aktuelle Forschungsschwerpunkte liegen auf der Modellierung von Sensorstrukturen, Signalverarbeitung zur Messdatenauswertung und Entwicklung von Fluidsensorkonzepten.

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Dr. Erwin K. Reichel studierte Mechatronik an der JKU mit Schwerpunkt Elektrische Messtechnik und Signalverarbeitung, wo er seine Reichel Erwin 2.JPGDiplomarbeit auf dem Gebiet der Akustooptik abschloss. Seine Dissertation verfasste er am Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik und konzentrierte sich hier insbesondere auf die Viskositätsmessung komplexer Flüssigkeiten.

Als PostDoc verbrachte Reichel drei Jahre an der Universität Leuven in Belgien, wo er an einem Projekt für die European Space Agency ESA mitarbeitete. „Wir haben ein System entwickelt, das an Board der Raumstation ISS Kristallisationsprozesse untersuchen sollte“.

Das Maßschneidern von Sensorsystemen für die Flüssigkeitsanalyse ist nach wie vor das wichtigste Forschungsanliegen von Reichel. Dazu wurden auch schon zwei Patente erteilt.