Mikrointegrierte Nanostrukturen mit hohem Aspektverhältnis als neuronale Schnittstelle (2015)

Die Schnittstelle zwischen Mikroelektroden und neuronalen Zellen ist für viele biomedizinische Anwendungen wie beispielsweise Cochlea-Implantate, Retina-Implantate, Tiefenhirnstimulation, Elektrokortikographie oder Rückenmarksstimulation für die Unterdrückung von chronischen Schmerzen von großer Bedeutung. In all diesen Anwendungsbeispielen wird neuronale Aktivität gemessen, verarbeitet oder durch elektrische Stimulation hervorgerufen. Je größer eine solche Elektrode ist, desto mehr Zellen werden gleichzeitig stimuliert, bzw. deren Aktivität detektiert. Um eine möglichst hohe räumliche Auflösung zu gewährleisten und eine Interaktion mit einzelnen Zellen zu ermöglichen, sollten Neuroelektroden daher idealerweise einen Durchmesser von lediglich einigen 10 µm aufweisen. Weiter sollten Mikroelektroden für Messanwendungen eine möglichst geringe Impedanz und für Stimulationsanwendungen eine möglichst hohe Ladungsinjektionskapazität aufweisen. Dabei führt eine geringe Elektrodenimpedanz zu einem niedrigen thermischen Rauschen und zu einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis. Eine hohe Ladungsinjektionskapazität dagegen erlaubt eine energieeffiziente elektrische Stimulation unter für biologische Zellen unkritischen Bedingungen. Beide Anforderungen können erreicht werden, indem die Oberfläche von geometrisch kleinen Mikroelektroden eine hohe Rauheit und damit eine hohe elektrochemische aktive Oberfläche aufweist. Da Neuronen gut auf rauen Oberflächen adhärieren und dadurch die Dämpfung eines neuronalen Signals reduziert wird, resultiert der Einsatz solcher Elektroden weiterhin in höheren messbaren Signalamplituden und damit in einer weiteren Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Im Rahmen dieser Arbeit werden technologische Fertigungskonzepte erarbeitet, um verschiedene Nanostrukturen mit hohem Aspektverhältnis (&gt; 100) auf planare Gold-Mikroelektroden zu integrieren. Hierzu werden vertikal angeordnete Kohlenstoff-Nanoröhren, ungeordnete Kohlenstoff-Nanoröhren sowie vertikal ausgerichtete Gold-Nanodrähte bzw. Submikrodrähte eingesetzt. Da die Schnittstelle zwischen einem Metall und einem Elektrolyten korrosionsanfällig sein kann, werden Goldstrukturen optional noch mit einem leitfähigen, rauen Polymer beschichtet, das die Metallschicht schützt und zu einer weiteren Verbesserung der elektrochemischen Schnittstelle führt. Die Impedanzeigenschaften der verschiedenen Mikroelektroden werden in MATLAB anhand eines elektrischen Ersatzschaltbildes von der Schnittstelle zwischen einer Elektrode und einem Elektrolyten simuliert und evaluiert. Die konzipierten Mikroelektroden werden anschließend als Mikroelektrodenarray realisiert, also als eine Matrix aus insgesamt 60 Mikroelektroden mit einem Durchmesser von 30 µm und einem Abstand von 200 µm. Eine weitere Verkapselung der hergestellten Mikroelektrodenarrays ermöglicht eine Anwendung in neuronalen Zellkulturen und eine Messung neuronaler Aktivität. Die elektrochemischen Eigenschaften der Elektroden werden mittels Zyklovoltammetrie und elektrochemischer Impedanzspektroskopie untersucht. Vertikal angeordnete Kohlenstoff-Nanoröhren werden direkt im Mikrosystem synthetisiert. Die hohen Prozesstemperaturen von etwa 800°C bedingen den Einsatz entsprechend hochtemperaturbeständiger Materialien. So werden die Mikroelektroden und Leiterbahnen aus dotiertem Poly-Silizium gefertigt und die elektrische Isolationsschicht der Leiterbahnen aus Siliziumdioxid. Vertikal angeordnete Kohlenstoff-Nanoröhren mit einem Außendurchmesser von ca. 5 nm werden durch chemische Gasphasenabscheidung selektiv auf den Mikroelektroden mit einer Dichte von ca. 1600 µm^(-2) hergestellt. Mikroelektroden mit vertikal angeordneten Kohlenstoff-Nanoröhren weisen eine deutlich reduzierte Impedanz über das gesamte untersuchte Frequenzspektrum von 1 Hz – 100 kHz auf. Der Betrag der Impedanz bei einer Frequenz von f = 1 kHz wird um einen Faktor von 57 im Vergleich zu planaren Elektroden reduziert. Kommerziell erhältliche Kohlenstoff-Nanoröhren werden in eine homogene Dispersion überführt und in das Mikrosystem transferiert. Nach Verdunsten des Lösungsmittels und Entfernen überschüssiger Nanoröhren verbleiben ungeordnete Kohlenstoff-Nanoröhren selektiv auf den Mikroelektroden. Die Anforderungen an die eingesetzten Materialien sind aufgrund der geringen Prozesstemperaturen von maximal 100°C weniger kritisch, doch muss die eingesetzte Isolationsschicht der Leiterbahnen resistent gegen das für die Dispersion verwendete Lösungsmittel sein. Aus diesem Grund wird das biokompatible Polymer Polyimid eingesetzt. Mit ungeordneten Kohlenstoff-Nanoröhren versehene Goldelektroden weisen eine deutlich reduzierte Impedanz über das gesamte untersuchte Frequenzspektrum auf. Der Betrag der Impedanz bei einer Frequenz von f = 1 kHz wird im Vergleich zu einer planaren Goldelektrode um einen Faktor von 62 reduziert und das Signal-Rausch-Verhältnis, das durch neuronale Zellkulturen ermittelt wird, um 22,5 dB verbessert. Um Gold-Nanodrähte bzw. Submikrodrähte auf die Mikroelektroden des Elektrodenarrays zu integrieren werden diese in einem templatbasierten Fertigungsprozess direkt vor Ort hergestellt. Als Templat wird eine kommerziell erhältliche nanoporöse Polycarbonatfolie im Mikrosystem eingesetzt und die Poren anschließend durch Elektrodeposition mit Gold gefüllt. Die Poren der Membran weisen einen Durchmesser von 200 nm und eine Dichte von 6 µm^(-2) auf. Nach Entfernen der Membran bleiben freistehende Gold-Submikrodrähte auf den Mikroelektroden zurück. Gold-Submikrodrahtelektroden weisen eine von der Höhe der Drähte abhängige, reduzierte Impedanz über das gesamte untersuchte Frequenzspektrum auf. Bei einer Höhe von 20,4 µm wird der Betrag der Impedanz bei einer Frequenz von f = 1 kHz im Vergleich zu einer planaren Goldelektrode um einen Faktor von 109 reduziert. Das Signal-Rausch-Verhältnis kann dabei um 42,5 dB verbessert werden. Das leitfähige und biokompatible Polymer Poly-3,4-ethylendioxythiophen (PEDOT) wird durch Elektropolymerisation selektiv auf den Goldstrukturen abgeschieden. Mit PEDOT beschichtete Gold-Submikrodrahtelektroden weisen ebenso eine deutlich reduzierte, von der Höhe der Drähte abhängige Impedanz über das gesamte untersuchte Frequenzspektrum auf. Bei einer Frequenz von f = 1 kHz wird der Betrag der Impedanz im Vergleich zu einer planaren, nicht beschichteten Goldelektrode bei einer Höhe von 20,4 µm um einen Faktor von 350 reduziert. Das Signal-Rausch-Verhältnis wird dabei um 43,2 dB verbessert. Alle vier konzipierten und realisierten nano- bzw. submikrostrukturierten Mikroelektroden zeigen deutlich verbesserte elektrochemische Eigenschaften im Vergleich zu planaren Goldelektroden. Mikroelektroden mit vertikal angeordneten Kohlenstoff-Nanoröhren weisen aufgrund der hohen Anzahl von Nanoobjekten pro Elektrode eine sehr große Verbesserung auf. Der Herstellungsprozess ist jedoch äußerst sensibel und die Reproduzierbarkeit solcher Elektroden schwierig zu garantieren. Auch ist die mechanische Stabilität vergleichsweise schlecht. Bereits nach 2 min im Ultraschallbad (bei 40 kHz und Raumtemperatur) sind alle Kohlenstoff-Nanoröhren von den Mikroelektroden entfernt, was einen Einsatz in Zellversuchen verhindert. Dagegen sind Mikroelektroden mit ungeordneten Kohlenstoff-Nanoröhren und mit Gold-Submikrodrähten mechanisch stabiler und weisen keine signifikanten Veränderungen in der Impedanz selbst nach 24 Stunden im Ultraschallbad auf. PEDOT jedoch löst sich partiell nach 24 Stunden unter Ultraschalleinwirkung, was zu einer Erhöhung der Impedanz führt. Die chemische Stabilität, welche durch Lagerung in physiologischer Umgebung getestet wird, von Elektroden mit ungeordneten Kohlenstoff-Nanoröhren, mit Gold-Submikrodrähten und mit PEDOT beschichteten Gold-Submikrodrähten ist gut und nur leichte Veränderungen in den elektrochemischen Eigenschaften können festgestellt werden. Aufgrund des simplen Herstellungsprozesses und der sehr guten Eigenschaften der Mikroelektroden ist eine Beschichtung von Gold-Submikrodrähten mit PEDOT die zu bevorzugende Methode, Mikroelektroden mit geringen Impedanzen zu fertigen. Selbst planare Goldelektroden, die mit PEDOT beschichtet werden, zeigen bereits deutlich verbesserte Eigenschaften im Vergleich zu unbeschichteten Elektroden. Werden aber Gold-Submikrodrahtelektroden zusätzlich mit PEDOT beschichtet, zeigen diese unter allen untersuchten Elektroden die besten Eigenschaften. Die erzielten Forschungsergebnisse können daher wegweisend für die Effizienz von Mikroelektroden in Neuroimplantaten sein.