3D nanoelectrodes for bioelectronics : design and characterization of the cell-electrode interface

  • 3D-Nanoelektroden für Bioelektronik : Design und Charakterisierung der Zell-Elektroden-Schnittstelle

Santoro, Francesca; Mokwa, Wilfried (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2014)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Kurzfassung

In den letzten Jahrzehnten wurden große Anstrengungen unternommen, um mikroelektronische Sensoren mit biologischen Systemen wie dem menschlichen Körper zu koppeln. Es ist eine große Herausforderung, genau zu verstehen wie ‚synthetische‘ Materialen so in Kontakt mit biologischem System gebracht werden, dass diese von einem biologischen Organismus ‚akzeptiert‘ werden und ihre vorgesehene Funktion behalten. Insbesondere ist es von großem Interesse, die Langzeit-Interaktion von biologischen Systemen zu untersuchen, welche mit einem Biosensor in Kontakt gebracht wurden. Es gibt eine Vielzahl von Biosensoren, die die elektrische Aktivität von Zellen, wie man sie im Herz oder Gehirn findet, detektieren können. Herzmuskelzellen und neuronale Zelle können elektrische Aktivität in Form von Aktionspotentialen aufweisen, welche durch schnelle Änderungen des Ruhemembranpotential hervorgerufen werden. Diese elektrischen Signale kann man typischerweise extrazellulär mit Multielektrodenarrays (MEA) unter in vitro Bedingungen aufzeichnen. MEAs sind chip-basierte Biosensoren, die typischerweise aus Metallelektroden auf der Mikrometerebene bestehen. Über Jahrzehnte hinweg wurden die Schnittstelle zwischen planaren Elektroden und elektrisch aktiven Zellen untersucht und dabei haben viele Wissenschaftler starke Einschränkungen bei der Signalaufnahme/Zellstimulation festgestellt, welche durch den räumlich Abstand zwischen den Zellen und den aktiven planaren Elektroden des MEAs bedingt sind. Um diese Limitierungen zu überwinden wurden in neuerer Zeit 3D Mikroelektroden eingesetzt unter der Hypothese, dass eine biomimetischen Form (Pilz-artig) einen sehr dichten und engen Kontakt zwischen Zelle und der Elektroden induzieren kann. Dies wiederum hat zur Folge, dass die Qualität bei der Aufnahme drastisch erhöht werden und das aufgezeichnete Signal vergleichbar in Form und Amplitude mit typischen intrazellulären Aufnahmen ist. Die hier vorgelegte Arbeit untersucht die Möglichkeiten zur Herstellung von 3D Metallelektroden mit zwei fundamentalen Geometrien: Zylinder und Zylindern mit Kappen (pilzartig). Des Weiteren wurde das Interface zwischen den hergestellten 3D Nanostrukturen und elektrisch aktiven Zellen (Herzmuskelzellen HL-1 und primären kortikalen Neuronen) untersucht und charakterisiert. Der Inkorporationsprozess der 3D Nanostrukturen durch die Zellen wurde untersucht und die Deformation der Zellmembran mit Rasterelektronenmikroskopie und "Focused-Ion-Beam"-Technik analysiert. Dadurch konnte eine 3D Struktur gefunden werden, welche optimal in Form und Dimension auf der Nanometer-Skala auf Zellen abgestimmt wurde. Des Weiteren wurde ein optimales Design gefunden, das den räumlichen Spalt zwischen Zelle und der 3D Nanoelektrode soweit wie möglich reduziert. Diese 3D Nanostrukturen wurden auch hergestellt, um gerichtetes Zellwachstum von wohl-definierten Zellnetzwerken auf gitterartigen Strukturen gewährleisten. Das gerichtete Zellwachstum erlaubt es zu untersuchen, wie Zellen miteinander interagieren und Informationen durch elektrische Signale im Netzwerk austauschen. Zuletzt wurde die 3D Nanostrukturen auf MEAs hergestellt, um damit gleichzeitig Zellwachstum steuern und erfolgreich Aktionspotentiale aufnehmen zu können. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zum Design von 3D Nanoelektroden für verbesserte Zell-Biosensor-Interfaces. In zukünftigen Arbeiten können solche 3D Nanoelektroden auch für in vivo Biosensoren und Aktuatoren eingesetzt werden, um die elektrische Aktivität von neuronalem und Herz-Gewebe aufzuzeichnen und dieses sogar aktiv zu stimulieren.

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