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The integration of biomolecular logic principles with electronic transducers allows designing novel digital biosensors with direct electrical output, logically triggered drug-release, and closed-loop sense/act/treat systems. This opens new opportunities for advanced personalized medicine in the context of theranostics. In the present work, we will discuss selected examples of recent developments in the field of interfacing enzyme logic gates with electrodes and semiconductor field-effect devices. Special attention is given to an enzyme OR/Reset logic gate based on a capacitive field-effect electrolyte-insulator-semiconductor sensor modified with a multi-enzyme membrane. Further examples are a digital adrenaline biosensor based on an AND logic gate with binary YES/NO output and an integrated closed-loop sense/act/treat system comprising an amperometric glucose sensor, a hydrogel actuator, and an insulin (drug) sensor.
A concept for a new generation of an integrated multi-functional biosensor/actuator system is developed, which is based on biomolecular logic principles. Such a system is expected to be able to detect multiple biochemical input signals simultaneously and in real-time and convert them into electrical output signals with logical operations such as OR, AND, etc. The system can be designed as a closed-loop drug release device triggered by an enzyme logic gate, while the release of the drug induced by the actuator at the required dosage and timing will be controlled by an additional drug sensor. Thus, the system could help to make an accurate and specific diagnosis. The presented concept is exemplarily demonstrated by using an enzyme logic gate based on a glucose/glucose oxidase system, a temperature-responsive hydrogel mimicking the actuator function and an insulin (drug) sensor. In this work, the results of functional testing of individual amperometric glucose and insulin sensors as well as an impedimetric sensor for the detection of the hydrogel swelling/shrinking are presented.
Stahlbetonrahmentragwerke mit Ausfachungen aus Mauerwerk weisen nach Erdbeben häufig schwere Schäden auf. Gründe hierfür sind die Beanspruchungen der Ausfachungswände durch die aufgezwungenen Rahmenverformungen in Wandebene und die gleichzeitig auftretenden Trägheitskräfte senkrecht zur Wandebene in Kombination mit der konstruktiven Ausführung des Ausfachungsmauerwerks. Die Ausfachung wird in der Regel knirsch gegen die Rahmenstützen gemauert, wobei der Verschluss der oberen Fuge mit Mörtel oder Montageschaum erfolgt. Dadurch kommt es im Erdbebenfall zu lokalen Interaktionen zwischen Ausfachung und Rahmen, die in der Folge zu einem Versagen einzelner Ausfachungswände oder zu einem sukzessiven Versagen des Gesamtgebäudes führen können. Die beobachteten Schäden waren die Motivation dafür, in dem europäischen Forschungsprojekt INSYSME für Stahlbetonrahmentragwerke mit Ausfachungen aus hochwärmedämmenden Ziegelmauerwerk innovative Lösungen zur Verbesserung des seismischen Verhaltens zu entwickeln. Der vorliegende Beitrag stellt die im Rahmen des Projekts von den deutschen Projektpartnern (Universität Kassel, SDA-engineering GmbH) entwickelten Lösungen vor und vergleicht deren seismisches Verhalten mit der traditionellen Ausführung der Ausfachungswände. Grundlage für den Vergleich sind statisch-zyklische Wandversuche und Simulationen auf Wandebene. Aus den Ergebnissen werden Empfehlungen für die erdbebensichere Auslegung von Stahlbetonrahmentragwerken mit Ausfachungen aus Ziegelmauerwerk abgeleitet.