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3D nanoelectrodes for bioelectronics : design and characterization of the cell-electrode interface = 3D-Nanoelektroden für Bioelektronik : Design und Charakterisierung der Zell-Elektroden-Schnittstelle



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Francesca Santoro

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2014

UmfangIX, 107 S. : Ill., graph. Darst.


Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Zsfassung in dt. u. engl. Sprache


Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter


Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-07-15

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-51521
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/444940/files/5152.pdf

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik I und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik (611510)
  2. Lehr- und Forschungsgebiet Neuroelectronic Interfaces (619420)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektrode (Genormte SW) ; Nervenzelle (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; 3D-Nanoelektrode (frei) ; Bioelectronics (frei) ; 3D electrodes (frei) ; neurons (frei) ; cardiomyocytes (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

During the course of the last decades many endeavors have been made to couple micro electrical engineering devices to biological systems such as the human body. It remains a big challenge to understand how ‘synthetic’ materials can be embedded into living tissues in a way that it is ‘accepted’ by the biological host and maintains its full engineered functionality. In particular, it is of great interest to investigate the long-term response of biological systems which are brought in contact with such biosensors. There is a wide variety of biosensors which can interface cells with electrical activity, such as cells from the heart and the brain. Cardiomyocytes and neuronal cells can elicit such electrical activity in form of action potentials which are fast events in the change of resting membrane potential. Such electrical events can be recorded extracellularly by multi electrodes arrays (MEA) under in vitro conditions. MEAs are chip-based biosensors with metal electrodes in the micrometer range. For decades, the interface between planar electrodes and electrogenic cells has been investigated, and scientists found big limitations in signal-recording/stimulation due to the spatial gap forming between the target cells and the active planar electrodes of a MEA. To overcome these limitations, 3D microelectrodes have been recently proposed considering that a biomimetical shape (mushroom-like shape) can induce a very close and tight contact of the cell on to the electrode. Creating such tight interface massively improves the quality of the recorded signal and the obtained signal is even comparable in shape and amplitude with typical intracellular recording. The presented work investigates the possibility to fabricate 3D metal electrodes with fundamentally two shapes: cylinders and cylinders with caps (mushroom-like). Moreover, the focus of this thesis is to characterize the interface between the fabricated 3D nanostructures and electrogenic cells (HL-1 cells and primary neurons). First, the process of engulfment-like of the 3D nanostructures by the cells has been investigated with particular attention to the cell membrane deformation by scanning electron microscopy and focused ion beam sectioning. An optimal 3D structure has been found in respect of shape and dimensions in the nanometer regime. Moreover, the optimal design has been found in order to reduce as much as possible the gap between the cell and the actual 3D nanoelectrode. In addition these 3D structures have also been fabricated for cell guidance on a grid design to create well-defined networks of cells: this spatial cell arrangement allows studying how cells interact and exchange information via electrical signals within the network. Finally, 3D nanostructures have been fabricated on a MEA together with a guidance grid-pattern to simultaneously guide electrogenic cells and successfully record action potentials. This thesis contributes to predict an optimal 3D nanoelectrode design for improving the cell-biosensor interface. In future works, such 3D nanoelectrodes could be implemented for in vivo biosensors and actuators to record the electrical activity of neuronal or cardiac tissue and moreover, to actively stimulate them.

Fulltext:
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online, print

Sprache
English

Interne Identnummern
RWTH-CONV-145254
Datensatz-ID: 444940

Beteiligte Länder
Germany

 GO


OpenAccess

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The record appears in these collections:
Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Electrical Engineering and Information Technology (Fac.6)
Publication server / Open Access
Public records
Publications database
611510
619420

 Record created 2014-12-09, last modified 2023-02-22


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