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Untersuchung funktioneller Schnittstellen zwischen Graphen und neuronalen Zellen

Körbitzer, Silke Berit (2020):
Untersuchung funktioneller Schnittstellen zwischen Graphen und neuronalen Zellen.
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt, DOI: 10.25534/tuprints-00011462,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Untersuchung funktioneller Schnittstellen zwischen Graphen und neuronalen Zellen
Language: German
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The major goal of this work is a detailed investigation of the potential benefits of graphene as electrode material for neuronal and cardiac recording and stimulation with microelectrode arrays. Electrodes with different materials are fabricated and characterised, particularly gold / graphene and transparent graphene electrodes. The fabrication of graphene electrodes includes two different layouts for transparent electrodes and one non-transparent layout for graphene with subjacent gold electrodes. Electrodes made of gold, platinum, titanium nitride and carbon nanotubes were also characterised for comparison. A lift-off process is established for fabricating graphene electrodes in order to avoid contamination with organic compounds. In combination with a polymer-free transfer process after chemical vapor deposition, this ensures a clean and defect poor graphene layer. The characterisation measurements included Raman spectroscopy, AFM- and REM-imaging as well as electrochemical methods such as impedance spectroscopy, cyclic voltammetry and potential transients. In combination, these methods allow for a comprehensive analysis of the relevant material parameters and an assessment of the suitability for neuronal recording and stimulation. Furthermore, impedance spectroscopy is used to determine the corrosion properties of graphene electrodes. In order to validate the results, cell-culture experiments are performed and biocompatibility, long-term stability, transparency and spike recordings were compared for different materials. Raman spectroscopy demonstrates that transparent graphene electrodes are comprised of turbostratic few-layer graphene. Its surface roughness is independent of the substrate. Cell-culture experiments of neurons and cardiomyocytes is successful and shows good adherence on graphene and improved electrical coupling compared to platinum electrodes. For this aspect, larger surface roughness and better biocompatibility are crucial parameters. At the same time, gold / graphene electrodes consistently show higher signal-to-noise ratios than transparent electrodes but naturally lack the benefit of direct cell observation. For cells exhibiting strong signals, such as cardiomyocytes, transparent graphene electrodes are an improvement in respect to other transparent materials, such as indium tin oxide, which shows smaller transmittance and higher impedance values. No significant differences among the transparent electrode configurations were observed in their electrochemical characteristics. However, one configuration showed increased error tolerance for the manufacturing process, whereas the other exhibited better visibility of the cell culture. Stimulation properties of electrode materials are evaluated based on cyclic voltammetry and potential transient measurements. Transparent graphene electrodes exhibit the largest safe potential region of all compared materials. However, derived values for charge storage capacity and charge injection capacity are largest for gold / graphene electrodes. Furthermore, coating with graphene improves corrosion resistance of gold electrodes and thereby enhances long-term stability.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: 07 Department of Chemistry > Fachgebiet Anorganische Chemie
Date Deposited: 18 Mar 2020 15:02
Last Modified: 09 Jul 2020 06:26
DOI: 10.25534/tuprints-00011462
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-114621
Referees: Schneider, Prof. Dr. Jörg J. and Thielemann, Prof. Dr. Christiane
Refereed: 9 December 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11462
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