TU Darmstadt / ULB / TUprints

Mikrointegrierte Nanostrukturen mit hohem Aspektverhältnis als neuronale Schnittstelle

Nick, Christoph :
Mikrointegrierte Nanostrukturen mit hohem Aspektverhältnis als neuronale Schnittstelle.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

[img]
Preview
Text
Dissertation - Christoph Nick.pdf - Accepted Version
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No-derivatives 3.0 de.

Download (42MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Mikrointegrierte Nanostrukturen mit hohem Aspektverhältnis als neuronale Schnittstelle
Language: German
Abstract:

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 (> 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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The interface between microelectrodes and neural tissue is essential for many biomedical applications, such as cochlear implants, retinal implants, deep brain stimulation, electrocorticography or spinal cord stimulation which is applied for the suppression of chronic pain. In all these applications neuronal activity is measured, processed or evoked by electrical stimulation. The larger such an electrode, the more cells will be stimulated or activity of multiple cells detected simultaneously. Therefore neuroelectrodes should ideally have a diameter of only a few 10 µm to ensure the highest possible spatial resolution and to allow for interaction with single cells. Further, microelectrodes for measurement applications should have a very low impedance and for stimulation applications a very high charge injection capability. A low electrode impedance results low thermal noise and thus a high signal-to-noise ratio. A high charge injection capacity permits an energy-efficient electrical stimulation with parameters not critical for biological tissue. Both requirements can be achieved by increasing the electrochemically active surface area of geometrically small microelectrodes by rough materials. Since neurons adhere well on rough surfaces, and thereby reduce the loss of a neural signal, the use of such electrodes results in higher measurable signal amplitudes, and thus in a further improvement of the signal-to-noise ratio. In this work technological manufacturing concepts are developed to integrate different nano- and submicronstructures with high aspect ratio (> 100) on planar gold microelectrodes. For this purpose, vertically aligned carbon nanotubes, unordered carbon nanotubes as well as vertically aligned gold nanowires or submicronwires are used as microelectrode material. Since the interface between a metal and an electrolyte may be susceptible to corrosion, gold structures can optionally be coated with a conductive rough polymer which protects the metal layer and leads to an even further improvement of the electrochemical interface. Impedance characteristics of the various microelectrodes are simulated and evaluated in MATLAB applying an electrical equivalent circuit of the interface between an electrode and an electrolyte. Designed microelectrodes are then implemented as a microelectrode array, that is, as a matrix of 60 microelectrodes with a diameter of 30 µm and a distance of 200 µm. Further encapsulation of these manufactured microelectrode arrays enables the application in neural cell culture experiments including the measurement of neuronal activity. The application in such a biological environment requires the use of exclusively biocompatible materials. Electrochemical properties of the electrodes are examined by cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. Vertically aligned carbon nanotubes are synthesized directly in the microsystem. The high process temperatures of about 800°C require the use of correspondingly high temperature resistant materials. Thus the microelectrodes and the conductive traces are made of doped poly-silicon and the electrical insulation layer of the conductor traces is made of silicon dioxide. Carbon nanotubes with a diameter of approximately 5 nm are prepared by chemical vapor deposition on the microelectrodes exclusively with a density of 1600 µm^(-2). Microelectrodes with integrated vertically aligned carbon nanotubes show a significantly reduced impedance over the entire investigated frequency range of 1 Hz – 100 kHz. The magnitude of the impedance at a frequency of f = 1 kHz is reduced by a factor of 57 in comparison to planar electrodes. Commercially available carbon nanotubes are transferred to the microsystem in a homogenous dispersion. After evaporation of the solvent and removing excess nanotubes disordered carbon nanotubes remain on the microelectrodes exclusively. The requirements for the materials used are less critical due to the low processing temperatures of no more than 100°C. However the insulating layer being used has to be resistant against the solvent used for the dispersion. For this reason the biocompatible polymer polyimide is used. Gold electrodes with integrated disordered carbon nanotubes show a significantly reduced impedance over the entire investigated frequency range. The magnitude of the impedance at a frequency of f = 1 kHz is reduced by a factor of 62 in comparison to a planar gold electrode and the signal-to-noise ratio, determined in neuronal cell cultures, is improved by 22,5 dB. Microelectrodes with integrated gold nanowires or submicronwires are manufactured in a template based manufacturing process on site using a commercially available nanoporous polycarbonate film as template. After integration of the film the pores are filled by electrodeposition of gold. Pores of the membrane being used have a diameter of 200 nm and a density of 6 µm^(-2). After removal of the membrane free standing gold nanowires remain on the microelectrodes. Gold submicronwire electrodes have a height-dependent, reduced impedance over the entire investigated frequency range. At a height of 20,4 µm the magnitude of the impedance at a frequency of f = 1 kHz is reduced by a factor of 109 compared to a planar gold electrode. The signal-to-noise ratio can be improved by 42,5 dB. The conductive and biocompatible polymer poly-3,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT) is deposited by electropolymerization selectively on the gold structures. PEDOT coated gold submicronwire electrodes have also a significantly reduced, height dependent impedance over the entire investigated frequency range. At a frequency of f = 1 kHz the magnitude of the impedance of electrodes with gold submicronwires 20,4 µm high is reduced by a factor of 350 in comparison to planar, non-coated gold electrodes. The signal-to-noise ratio is thereby improved by 43,2 dB. All four designed and manufactured nanostructured microelectrode types clearly improve electrochemical properties in comparison to planar gold electrodes. Due to the high number of nanoobjects per electrode, microelectrodes with integrated vertically aligned carbon nanotubes have a very large improvement. However the manufacturing process is extremely sensitive and the reproducibility of such electrodes is difficult to guarantee. The mechanical stability is comparatively poor, preventing use of such electrodes in cell experiments. Already after 2 min in an ultrasonic bath (at 40 kHz and room temperature) all carbon nanotubes are removed from the microelectrodes. In contrast, microelectrodes with unordered carbon nanotubes and gold submicronwires are mechanically more stable and no significant changes in the impedance can be observed even after 24 hours in an ultrasonic bath. However PEDOT dissolves partially after 24 hours under ultrasonic treatment and the impedance is increased. Chemical stability, which is determined by storing electrodes in a physiological environment, of electrodes with integrated unordered carbon nanotubes, gold submicronwires and PEDOT coated gold submicronwires is good and only slight changes in electrochemical characteristics can be observed. Due to the simple manufacturing process and the very good microelectrode properties, the integration of PEDOT coated gold submicronwires is the preferred method to fabricate microelectrodes with low impedance. Even planar gold electrodes coated with PEDOT show markedly improved properties compared with uncoated electrodes, but gold submicronwires electrodes additionally coated with PEDOT show the best features under all examined electrodes. The research results can therefore be crucial to the efficiency of microelectrodes in neural implants.English
Series Name: Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Volume: 33
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Microtechnology and Electromechanical Systems
Date Deposited: 07 Jul 2015 12:04
Last Modified: 07 Jul 2015 12:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-45955
Referees: Schlaak, Prof. Helmut F. and Schneider, Prof. Jörg J. and Thielemann, Prof. Christiane and Werthschützky, Prof. Roland
Refereed: 4 February 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4595
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year