Körbitzer, Silke Berit (2020)
Untersuchung funktioneller Schnittstellen zwischen Graphen und neuronalen Zellen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.25534/tuprints-00011462
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

In dieser Arbeit wurden Mikroelektroden-Arrays mit Graphenelektroden auf ihre Eignung zur Ableitung und Stimulation neuronaler Zellen untersucht und mit anderen Materialien verglichen. Dazu wurden transparente Graphenelektroden und Gold / Graphen-Elektroden hergestellt und charakterisiert. Die Graphenelektroden wurden in drei verschiedenen Konfigurationen hergestellt: Mit Graphen beschichtete Goldelektroden und zwei verschiedene Konfigurationen für transparente Graphenelektroden. Als Vergleichsmaterialien wurden Gold-, Platin- und Titannitridelektroden sowie Elektroden mit Kohlenstoffnanoröhren herangezogen. Das Graphen wurde nach Herstellung durch chemische Gasphasenabscheidung mit einem Polymer-freien Transferprozess auf die Mikroelektroden-Chips aufgebracht und mit Lift-off strukturiert. Dieser Lift-off-Prozess wurde im Rahmen dieser Arbeit etabliert sowie optimiert und zeichnet sich gegenüber anderen Verfahren durch besonders saubere Graphenelektroden aus, die nicht mit Polymer-Resten verunreinigt sind oder noch mit aufwändigen Verfahren gereinigt werden müssen. Die Charakterisierung des Graphens erfolgte mittels Raman-Spektroskopie, AFM- und REM-Messungen. Zur elektrochemischen Charakterisierung der Elektroden wurden Impedanzspektroskopie, Zyklovoltammetrie und Transientenmessungen verwendet. Die Kombination dieser Untersuchungen ermöglichte es, die relevanten Materialparameter zu bestimmen und die Eignung der Elektroden zur Messung neuronaler Aktionspotentiale sowie zur Stimulation zu beurteilen. Mit Hilfe der Impedanzspektroskopie konnte zusätzlich das Korrosionsverhalten der Elektroden eingeschätzt werden. Durch ergänzende Zellkulturexperimente wurden die Biokompatibiliät, die Langzeitstabilität, die Transparenz und die Qualität der abgeleiteten neuronalen und kardialen Signale untersucht. Die Raman-Spektroskopie zeigt, dass es sich bei dem verwendeten Graphen um mehrlagiges, turbostratisches Graphen handelt. Seine Oberflächenrauheit ist dabei unabhängig vom Substrat. Sowohl Neurone als auch Kardiomyozyten adhärieren gut auf allen Graphenelektroden und die elektrische Kopplung ist besser als bei Platinelektroden. Die Rauigkeit und die Zellverträglichkeit von Graphen sind hierfür die entscheidenden Faktoren. Gleichzeitig zeigen Gold / Graphen-Elektroden konsistent bei allen Zellkulturexperimenten ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis als transparente Graphenelektroden und sind damit besser für die Ableitung von Zellsignalen geeignet. Transparente Graphenelektroden haben dagegen den Vorteil, dass die Zellen direkt auf den Elektroden beobachtet werden können. Graphenelektroden sind eine gute Alternative zu anderen transparenten Elektrodenmaterialien wie zum Beispiel Indiumzinnoxid, das eine geringere Transmission und eine höhere Impedanz aufweist. Anhand der Ergebnisse der elektrochemischen Charakterisierung können keine signifikanten Unterschiede zwischen den beiden Konfigurationen der transparenten Graphenelektroden festgestellt werden. Differenzen zeigen sich nur in der Fehlertoleranz beim Herstellungsprozess und bei der Sichtbarkeit der Zellkultur. Die Stimulationseigenschaften der Elektroden wurden anhand der Ergebnisse der Transientenmessungen und der Zyklovoltammetrie beurteilt. Transparente Graphenelektroden weisen dabei den größten sicheren Potentialbereich aller verglichenen Materialien auf. Dennoch zeigen Gold / Graphen-Elektroden die höchsten Werte für Ladungsspeicherkapazität und Ladungsinjektionskapazität. Der Vorteil der Gold / Graphen-Elektroden liegt damit in der Kombination einer niedrigen Impedanz und der hohen Ladungsinjektionskapazität. Zudem zeigt sich, dass die Beschichtung mit Graphen die Korrosionsresistenz und damit die Langzeitstabilität von Goldelektroden erhöht.

Frage zum Eintrag

Redaktionelle Details anzeigen