3D-nanostrukturierte Multielektrodenarrays : Konzeption, Prozessentwicklung und Untersuchung des Einflusses maßgeschneiderter Nanostrukturen auf elektrochemische Eigenschaften, Zelladhäsion und Signalableitung

Abstract

Um das Verhalten von Zellen auf interne oder externe Stimuli zu analysieren, können die von den Zellen abgegebenen Signale mittels sogenannter Multielektrodenarrays (MEAs) detektiert werden. Dreidimensionale Nanostrukturen auf den Elektrodenoberflächen des MEAs können dabei zu einer Verbesserung der Zell-Elektroden-Kopplung beitragen und vergrößern darüber hinaus die elektrochemisch aktive Oberfläche, was zu einer Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses während der Messung führt. Unterschiedliche Zelltypen verhalten sich bezüglich ihrer Adhäsionscharakteristiken sehr variabel und benötigen deshalb individuell auf sie abgestimmte Nanostrukturdimensionen und -anordnungen. Daher wurde im Rahmen dieser Dissertation eine Prozesslinie zur Fertigung 3D-nanostrukturierter MEA-Chips erarbeitet, die die Herstellung verschiedener MEA-Chips mit unterschiedlichen Nanostrukturlayouts erlaubt. Die Elektrodenoberflächen wurden mittels Rasterkraft- und Rasterelektronenmikroskopie sowie elektrochemischer Methoden untersucht. Beim Vergleich charakteristischer elektrochemischer Werte konnte abhängig vom Design eine signifikante Verbesserung auf Seiten der nanostrukturierten Elektroden festgestellt werden. Während der zellbiologischen Versuchsreihen führten im Besonderen überwachsene Röhrenstrukturen mit einem Durchmesser von 600 nm und einem Strukturabstand von 5 µm zu einer deutlichen Steigerung der Zell-Elektroden-Adhäsion und der gemessenen Signalamplituden.

Analyzing the cell behavior upon internal or external stimuli, cell signals can be detected by so called multielectrode arrays (MEAs). Three-dimensional nanostructures on top of the electrodes´ surfaces of the MEAs can lead to an improvement of the cell-electrode coupling and enlarge the electrochemical active surface area, thus leading to a crucial increase of the signal-to-noise ratio during the measurement. Obviously, different cells act very variable regarding their adhesion behavior. Therefore, each individual cell type might need specific dimensions and a certain arrangement of nanostructures. In this work, a process line of 3D nanostructured MEA chips is presented which allows the fabrication of a whole set of MEA chips with different nanostructure layouts in one single approach. The surfaces of the electrodes are characterized by using atomic force and scanning electron microscopy as well as electrochemical methods. By comparing characteristic electrochemical values a design-dependent improvement of the nanostructured electrodes could be revealed. Especially, overgrown tube structures with a diameter of 600 nm and a distance of 5 µm showed good characteristics during the cell-biological experiments, resulting in a distinct increase of the cell-electrode adhesion and an improvement of the recorded signal amplitudes.