Hollow Nanoneedles for Intracellular Fluidic and Electrical Contacting
Hohle Nanonadeln können fluidischen und elektrischen Zugang zum Inneren biologischer Zellen schaffen, was einzigartige Forschungs- und Therapiemöglichkeiten eröffnet. Fluidische und elektrische Funktionalitäten in einem Chip zu kombinieren ist jedoch eine große Herausforderung. In dieser Arbeit wird eine neuartige Fertigungsmethode für hohle Nanonadeln mit fluidischem Anschluss und integrierten Elektroden entwickelt. Das Verfahren ist das erste, das sowohl eine einfache Skalierung und präzise Kontrolle der Geometrien, als auch eine monolithische Integration auf CMOS-Schaltungen ermöglicht. Hierfür basiert die Herstellung ausschließlich auf etablierten, alkalifreien nano-/mikrosystemtechnischen Methoden mit Temperaturen von maximal 400 °C. Theoretisch ermöglicht die neue Elektrodenkonstruktion neben Nanoelektroporation und intrazellulären Messungen zum ersten Mal auch kontrollierten elektrophoretischen Transport, der auf einzelne Nadeln und Zellen begrenzt ist. Mechanische Experimente deuten darauf hin, dass die Stabilität der hergestellten Nanonadeln sowie ihrer Verankerung geeignet ist für die Penetration von Zellmembranen. Der Transport von Gasen, Flüssigkeiten und festen Partikeln durch die Nanonadeln wird sowohl mittels Diffusion als auch mittels einer Pumpe nachgewiesen. Numerische Simulationen der elektrischen Feldverteilung und die gemessene Elektrodenimpedanz erfüllen grundlegende Anforderungen für Nanoelektroporation und Messungen von intrazellulären Aktionspotentialen. Injektion und Extraktion von Substanzen in bzw. aus Zellen werden experimentell gezeigt. Diese Analysen zeigen die Funktionsfähigkeit sowie Vielseitigkeit der Nanonadelchips und ihrer Herstellung. Komplexe Anwendungen wie die Krebsimmuntherapie können von dem einzigartigen Potential der Chips profitieren, Zellmembranen schonend zu permeabilisieren, intrazelluläre Substanzabgabe zu kontrollieren und zeitgleich die Zellreaktion mit den gleichen Elektroden zu messen.
Hollow nanoneedles can create fluidic and electrical access to the interior of biological cells, opening up unique research and therapeutic possibilities. Combining fluidic and electrical functionalities in a single low-perturbative device for mass In this work, a novel fabrication method for fluidically connected hollow nanoneedles with integrated electrodes is developed. In contrast to existing techniques, the new method combines easy scalability, precise control over geometric parameters, and compatibility with post complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) integration. For this, the fabrication relies solely on standard, wafer-scale, and alkali-free nano-/microsystems technology methods with maximum process temperatures of 400 °C. Besides nanoelectroporation and intracellular recording, the new electrode design may allow controlled electrophoretic transport confined to individual nanoneedles and cells for the first time. Furthermore, mechanical experiments indicate that the stability of the nanoneedles and their anchoring is sufficient for cell membrane penetration. Transport of gases, liquids, and solid particles through the nanoneedles is demonstrated using either diffusion or mechanical pumping as transport mechanisms. Numerical simulations of the electric field distribution and the measured electrode impedance meet basic requirements for nanoelectroporation and recording of intracellular action potentials. Lastly, intracellular delivery is demonstrated and extraction from the cytosol through the nanoneedles appears to be successful as well. In total, these analyses show the general functionality and versatility of the novel nanoneedle device and its fabrication. Complex applications such as patient-individualized cancer immunotherapy may benefit from the unique capability of permeabilizing the cell membrane, controlling intracellular cargo delivery, and simultaneously measuring the cell’s response with the same integrated electrodes.
application, however, represents a significant challenge.