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A graphene-functionalized carbon fiber electrode was modified with adsorbed polyethylenimine to introduce amino functionalities and then with trigonelline and 4-carboxyphenylboronic acid covalently bound to the amino groups. The trigonelline species containing quarterized pyridine groups produced positive charge on the electrode surface regardless of the pH value, while the phenylboronic acid species were neutral below pH 8 and negatively charged above pH 9 (note that their pKa=8.4). The total charge on the monolayer-modified electrode was positive at the neutral pH and negative at pH > 9. Note that 4-carboxyphenylboronic acid was attached to the electrode surface in molar excess to trigonelline, thus allowing the negative charge to dominate on the electrode surface at basic pH. Negatively charged fluorescent dye-labeled insulin (insulin-FITC) was loaded on the modified electrode surface at pH 7.0 due to its electrostatic attraction to the positively charged interface. The local pH in close vicinity to the electrode surface was increased to ca. 9–10 due to consumption of H+ ions upon electrochemical reduction of oxygen proceeding at the potential of −1.0 V (vs. Ag/AgCl) applied on the modified electrode. The process resulted in recharging of the electrode surface to the negative value due to the formation of the negative charge on the phenylboronic acid groups, thus resulting in the electrostatic repulsion of insulin-FITC and stimulating its release from the electrode surface. The insulin release was characterized by fluorescence spectroscopy (using the FITC-labeled insulin), by electrochemical measurements on an iridium oxide, IrOx, electrode and by mass spectrometry. The graphene-functionalized carbon fiber electrode demonstrated significant advantages in the signal-stimulated insulin release comparing with the carbon fiber electrode without the graphene species.
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(2017)
Robotergestütztes System für ein verbessertes neuromuskuläres Aufbautraining der Beinstrecker
(2016)
Neuromuskuläres Aufbautraining der Beinstrecker ist ein wichtiger Bestandteil in der Rehabilitation und Prävention von Muskel-Skelett-Erkrankungen. Effektives Training erfordert hohe Muskelkräfte, die gleichzeitig hohe Belastungen von bereits geschädigten Strukturen bedeuten. Um trainingsinduzierte Schädigungen zu vermeiden, müssen diese Kräfte kontrolliert werden. Mit heutigen Trainingsgeräten können diese Ziele allerdings nicht erreicht werden. Für ein sicheres und effektives Training sollen durch den Einsatz der Robotik, Sensorik, eines Regelkreises sowie Muskel-Skelett-Modellen Belastungen am Zielgewebe direkt berechnet und kontrolliert werden. Auf Basis zweier Vorstudien zu möglichen Stellgrößen wird der Aufbau eines robotischen Systems vorgestellt, das sowohl für Forschungszwecke als auch zur Entwicklung neuartiger Trainingsgeräte verwendet werden kann.