Entwicklung und Charakterisierung von 3D-Nanoelektrodenarrays zur bidirektionalen Zytosoma-Kontaktierung auf CMOS

Allani, Sonja GND

In der vorliegenden Dissertation werden partiell passivierte, dreidimensionale Nanohohlnadeln zur elektrischen Kontaktierung des Zytosoma entwickelt und evaluiert. Die Stimulation und Ableitung bioelektronischer Signale über einen derartigen Kontakt liefern Informationen über die elektrische Aktivität von einzelnen Zellen und Zellnetzwerken. Dies ermöglicht neuartige Analysen in der Grundlagenforschung - beispielsweise über zelluläre Kommunikationsprozesse - und in der anwendungsorientierten Forschung - z.B. über pharmakologische Effekte.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Herstellung und Charakterisierung von Nanohohlnadeln, welche eine Implementierung auf CMOS-Substraten sowie einen intrazellulären Zellkontakt passiv, d.h. ohne Elektroporation, ermöglichen.
Zur Erzeugung einer vertikalen und hohlzylinderförmigen Nanoelektrodengeometrie wird eine Opferschichttechnologie entwickelt, welche reaktives Ionentiefenätzen und Atomlagenabscheidung kombiniert. Eine partielle Einkapselung mit einem Passivierungsmantel entkoppelt die Nanoelektroden vom extrazellulären Milieu, was die parasitären Signalanteile minimiert. Das evaluierte Herstellungsverfahren zeichnet sich durch eine hohe Flexibilität aus, welche Anpassungen in Höhe, Breite, Form und Einkapselung der Nanoelektroden ermöglicht.
Die entwickelten Nanohohlnadeln werden auf einem diskreten Array fabriziert, welches für die elektrische und elektrochemische Charakterisierung der Nanoelektroden entworfen wurde. Teststrukturen, wie Widerstandsketten, zeigen einen reproduzierbaren elektrischen Kontakt der Nanoelektroden. Eine geringe Elektrodenimpedanz sowie eine hohe Ladungsspeicherkapazität werden mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie und Zyklovoltammetrie gemessen. Die Nanohohlnadeln werden erstmalig auf einem integrierten Schaltkreis implementiert, was die CMOS-Kompatibilität der Technologie bestätigt.
Der Nanoelektroden-Zell-Kontakt wird mittels der Kultivierung von Neuronen, Gliazellen und Epithelzellen auf dem diskreten Array analysiert. Konfokalmikroskopische Aufnahmen deuten auf Biostabilität und Biokompatibilität hin. Sowohl extrazellulär als auch intrazellulär gemessene Aktionspotentiale einzelner Neuronen auf den dreidimensionalen Nanoelektroden werden aufgezeichnet.
Als passive Schnittstelle zwischen Biologie und CMOS-Schaltungen können die entwickelten dreidimensionalen, partiell passivierten Nanohohlnadeln eine Basis für künftige Entwicklungen in der Bioelektronik bilden.

In this thesis, partially passivated, three-dimensional nanoelectrodes for an electrical contact to the cytosome are developed and evaluated. Stimulation and recording of electrical biosignals via such a contact provide detailed information about the electrical activity of cells on individual and on network level. This facilitates new insights in fundamental research and applied sciences. For example, cellular communication processes and pharmacological effects can be studied.
The focus of the presented work is on the fabrication and characterisation of hollow nanoelectrodes which are applicable on CMOS substrates and allow an intracellular electrical contact which is achieved passively, i.e. without using an electroporation pulse.
For the purpose of fabricating a vertical and hollow nanoelectrode geometry, a sacricial layer technology - combining deep reactive ion etching and atomic layer deposition - is developed. A partial encapsulation with a passivation layer reduces the parasitically measured extracellular signal components by electrically decoupling the cell exterior. The evolved manufacturing process features a high degree of flexibility, allowing variations in size, height, shape and encapsulation of the nanoelectrodes.
The developed technology is applied on a discrete array, designed to electrically and electrochemically characterise the nanoelectrodes. Test structures, e.g. resistance chains, show a highly reproducible electrical contact of the nanoelectrodes. Low nanoelectrode impedance and high charge storage capacitance can be measured via electrochemical impedance spectroscopy and cyclic voltammetry. The three-dimensional nanoelectrodes are implemented on an integrated circuit for the first time, demonstrating that the developed process is compatible to CMOS technology.
The contact between nanoelectrodes and biological tissue is analysed by culturing neurons, glial cells and epithelial cells atop of the discrete array. Confocal microscopy indicates a high level of biocompatibility and biostability. Both, extracellularly and intracellularly measured action potentials of single neurons on top of the three-dimensional nanoelectrodes are recorded.
The developed three-dimensional hollow nanoelectrodes may serve as a base technology for prospective developments in bioelectronics by passively interfacing biological cells with CMOS electronics.

Share and cite

Citation style:

Allani, Sonja: Entwicklung und Charakterisierung von 3D-Nanoelektrodenarrays zur bidirektionalen Zytosoma-Kontaktierung auf CMOS. 2020.

Could not load citation form. Default citation form is displayed.

Rights

Use and reproduction:
All rights reserved

Export