DE102007019842A1

DE102007019842A1 - Verfahren und Anordnung zum elektrischen Kontaktieren eines membranumhüllten Objekts mit einer Elektrode

Info

Publication number: DE102007019842A1
Application number: DE102007019842A
Authority: DE
Inventors: Jan Gimsa; Ulrike Gimsa; Stefan Fiedler; Torsten Müller; Wolfgang Scheel
Original assignee: FORSCHUNGSINSTITUT fur DIE BIOLOGIE LANDWIRTSCHAFTLICHER NUTZTIERE; Universitaet Rostock; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: FORSCHUNGSINSTITUT fur DIE BIOLOGIE LANDWIRTSCHAFTLICHER NUTZTIERE; Universitaet Rostock; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-04-25
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2008-10-30
Also published as: US20100140111A1; WO2008131714A2; WO2008131714A3; EP2140262A2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich u. a. auf ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren eines membranumhüllten Objekts (30) mit einer Elektrode (10, 100). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zum Kontaktieren mindestens eine Elektrode (100) mit einem leitfähigen Träger (110) verwendet wird, auf dem eine Vielzahl an Nanonadeln (120) angeordnet ist und auf dem benachbarte Nanonadeln zueinander einen Abstand aufweisen, der kleiner als die Größe des Objekts ist, und dass das Objekt mit den Nanonadeln in Kontakt gebracht wird.

Description

Gegenwärtig wird intensiv an Möglichkeiten zur elektrischen Stimulation und/oder Ableitung elektrischer Signale aus biologischen Zellen oder Geweben geforscht. Ziel ist, eine möglichst impedanzarme Kopplung zwischen der Zelle bzw. dem Gewebe und einer leitfähigen Elektrode zu erreichen.
Während traditionelle Patch-Clamp-Messtechniken Messsignale nur über einzelne Membranfragmente (so genannte Patches) und darin befindliche Kanäle erfassen und so nur bedingt Aussagen über intakte Zellen im physiologischen Zustand erlauben, sind weiter entwickelte Ganz-Zell-Clamp-Techniken (engl.: whole cell voltage clamping, whole cell patch clamp) insofern von Nachteil, als sie stets mit der Zell-Penetration (durch eine Kapillare oder direkt durch eine Elektrode) und damit der Verletzung der Zellmembran einhergehen. Die impedanzarme Verbindung zur Kapillare oder ihrer Entsprechung erfordert besondere Vorkehrungen, welche die Automatisierung oder Messungen über längere Zeiträume häufig zumindest erschweren. Die ausschließlich kapazitive Erfassung elektrophysiologischer Signale von Einzelzellen, Zellverbünden (Gewebeschnitten) oder Geweben wird bekanntermaßen durch hohe Leckstromanteile und unzureichende Signaleinkopplung erschwert.
Eine im allgemeinen schlechte elektrische und mechanische Kopplung zwischen Elektrode und Zelle bzw. Gewebe ergibt sich bei einer rein externen Ableitung z. B. in Multielektrodenarrays (MEAs) durch den im Allgemeinen relativ großen Abstand von durchschnittlich über 40 nm zwischen Elektrode und Zelle und den Einfluss der elektrischen Doppelschichten in der wässrigen Phase sowohl auf der Elektrodenoberfläche als auch auf der Zellmembran. Bei dem für die elektrische Signalübertragung notwendigen Stromfluss führen Gleichstrom- oder nie derfrequente Anteile zu nachteiligen elektrochemischen Prozessen an den Oberflächen und in der wässrigen Phase; solche elektrochemischen Prozesse führen zu Verzerrungen applizierter oder abgeleiteter elektrischer Signale.
Ausgehend von dem oben skizzierten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren eines membranumhüllten Objekts, wie beispielsweise einer biologischen Zelle, anzugeben, bei dem eine möglichst geringe Kopplungsimpedanz zwischen dem membranumhüllten Objekt und der Elektrode erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zum Kontaktieren mindestens eine Elektrode mit einem leitfähigen Träger verwendet wird, auf dem eine Vielzahl an Nanonadeln angeordnet ist und auf dem benachbarte Nanonadeln zueinander einen Abstand aufweisen, der kleiner als die Größe des membranumhüllten Objekts ist, und dass das membranumhüllte Objekt in Kontakt mit den Nanonadeln gebracht wird. Bei dem membranumhüllten Objekt kann es sich beispielsweise um eine biologische (menschliche, tierische oder pflanzliche) Zelle, ein Liposom, einen Lipidfilm (z. B. Black-Lipid-Membran) oder ein Gebilde mit multilamellarem Aufbau handeln.
Die Formgestaltung der Nanonadeln ist im Übrigen beliebig; die Nanonadeln können einen beliebigen Querschnitt (rund, eckig, oval, usw.) sowie ein beliebiges Verhältnis zwischen Länge und Breite aufweisen: So können die Nanonadeln länger als breit oder alternativ auch breiter als lang sein. Beispielsweise können sie säulen- oder keulenförmig sein und Nanostäbchen oder Nanodrähte bilden. Auch die Form der „Nadelspitze" bzw. der Nadelstirnfläche kann sehr unterschiedlich ausgestaltet sein: Beispielsweise kann die Nadelstirnfläche einen Grat aufweisen oder spitz zulaufen.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass aufgrund der an der Oberfläche der Elektrode angeordneten Nanonadeln ein sehr inniger Kontakt zwischen Elektrode und Objekt und damit ein sehr niedriger Kontaktwiderstand bzw. Kontaktimpedanz erreicht werden. Während sich Zellen auf glatten planaren Oberflächen im Allgemeinen mit einem Abstand von mindestens 40 nm zur Oberfläche ansiedeln, wird bei der erfindungsgemäß eingesetzten Elektrode ein deutlich kleinerer Abstand erreicht, wodurch der elektrische Übergangswiderstand bzw. Übergangsimpedanz reduziert und das Ableiten bzw. das Auslesen elektrischer Messsignale mit höherer Genauigkeit erfolgen kann als bei bisherigen Kontaktierungsverfahren.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass trotz des Vorhandenseins von Nadeln die Kontaktierung nicht invasiv ist; dies ist u. a. darauf zurückzuführen, dass die Nadeln als Nanonadeln ausgestaltet sind und außerdem einen Abstand untereinander aufweisen, der kleiner als die Größe des Objekts ist. Diese Anordnung führt außerdem dazu, dass das Objekt zwischen den Nanonadeln einsinkt, ohne dass dabei die Membran des membranumhüllten Objekts beschädigt oder penetriert wird.
Ein dritter Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass durch die Verwendung der beschriebenen „nanodadeldekorierten" Elektrode das Mapping der elektrischen Zellaktivität bzw. die Stimulation sehr fehlerarm sowohl orts- als auch zeitaufgelöst möglich ist. Darüber hinaus können Impedanzcharakteristika adhärent wachsender Zellen unter physiologischen Bedingungen sehr genau erfasst werden.
Bevorzugt stellen die Nadelspitzen des durch die Nanonadeln gebildeten „Nanorasens" fokale Kontaktpunkte dar, an denen der Abstand zwischen Membran und Nadeloberfläche kleiner als 10 nm ist, und zwar ohne dass die Membran penetriert wird. Durch die Kleinheit der Membran-Kontaktflächen zur Nanonadelspitze werden, insbesondere in Zellen in der Membran oder in unmittelbarer Membrannähe, besondere molekulare Strukturen formiert, diese unterstützen den inniglichen Kontakt der Membran zur Nadeloberfläche. Aufgrund der hohen attraktiven Wechselwirkungskräfte durch den kleinen Abstand (z. B. Van der Waals-Kraft) wird die Kontaktsicherheit weiter verbessert. Dies kann zur Ausbildung von anisotropen Membranbereichen führen.
Vorzugsweise wird eine Elektrode verwendet, bei der die Nanonadeln auf dem Träger zumindest abschnittsweise unregelmäßig, insbesondere stochastisch, verteilt sind. Sind nämlich die Nanonadeln auf dem Träger unregelmäßig oder stochastisch verteilt und bilden sie somit zumindest teilweise Areale von in unterschiedlichem Abstand zueinander benachbarten Nadeln oder Nadelgruppen, so werden zusätzlich zellphysiologisch förderliche Effekte induziert: Im Unterschied zu streng symmetrischen Nanonadel-Arrays wird nämlich bei unregelmäßig oder stochastisch angeordneten Nanonadeln eine Überstimulation, die zu einer Stresssituation (z. B. Phagozytose-Induktion durch Carbon Nano Tubes) und damit zu unphysiologischen Bedingungen führen kann, im Allgemeinen vermieden.
Besonders bevorzugt wird eine Elektrode verwendet, bei der die Nanonadeln auf dem Träger in zumindest einem Abschnitt unregelmäßig, insbesondere stochastisch, verteilt sind und in zumindest einem anderen Abschnitt regelmäßig verteilt sind. Ein Wechsel zwischen Bereichen mit regelmäßiger Nadelanordnung und solchen mit unregelmäßiger Nadelanordnung stellt ein gutes Anschmiegen des Objekts an den Träger sicher und vereinfacht außerdem eine automatische, beispielsweise computergestützte Wiedererkennung der Elektrodenbereiche und damit eine automatische, insbesondere optische Charakterisierung der Zellen.
Auch kann die Elektrode allein durch ein Substrat gebildet sein, auf dem Zellen anwachsen können.
Die Nanonadeln können beispielsweise metallisch (mono- oder polykristallin) sein. Die Nanonadeln und der Träger können dabei aus demselben oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen, beispielsweise können der Träger und/oder die Nanonadeln aus einem Edelmetall, vorzugsweise Gold oder Platin, einem unedlen Metall, vorzugsweise Titan, aus einem leitfähigen, nichtleitfähigen oder schlecht leitfähigen Polymer oder einem Halbleitermaterial bestehen oder ein solches Material aufweisen.
Im Übrigen wird es als vorteilhaft angesehen, wenn eine nanonadeltrangende Oberfläche Nadeln eines begrenzten Gebietes elektrisch an der Oberfläche verbunden sind und eine Elektrode bilden, wobei benachbarte Nadeln entweder einer anderen Elektrode zugeordnet sein können oder elektrisch nach außen nicht kontaktiert sind. Bei der letztgenannten Ausführungsform werden also beispielsweise mindestens ein Nadelabschnitt, der elektrisch kontaktierbar ist, und mindestens ein Nadelabschnitt, der elektrisch nicht kontaktierbar ist, miteinander kombiniert.
Bestehen die Nanonadeln aus einem leitfähigen Material, so wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Krümmungsradien der Nadelstirnflächen bzw. Nadelspitzen so klein sind, dass sie als Feldemitter arbeiten können; geeignete Nadelspitzendurchmesser liegen in der Größe zwischen 10–25 nm und 1–2 μm.
Ein besonders gutes Anschmiegen des Objekts an den Träger und damit einen besonders geringer Abstand zwischen Träger und membranumhülltem Objekt lässt sich erreichen, wenn eine Elektrode verwendet wird, bei der die Nanonadeln nichtleitfähig oder zumindest schlechter leitfähig als der leitfähige Träger sind. Bei einer solchen Ausgestaltung der Elektrode kommt es zu einem sehr geringen Kontaktwiderstand, obwohl die Nanonadeln selbst nicht oder nur schlecht leitfähig sind; die Nanonadeln tragen in diesem Fall zur Reduktion des Kontaktwiderstands dennoch bei, weil sie das Anschmiegen der Zelle an den leitfähigen Träger fördern und damit den Abstand zwischen Träger und Zelle reduzieren.
Vorzugsweise wird eine Elektrode verwendet, bei der der Abstand benachbarter Nanonadeln zueinander im Mittel (über die Anzahl der Nanonadeln gemittelt) kleiner als 10 μm und/oder im Mittel kleiner als das Einhundertfache des Nanonadeldurchmessers ist. Die Größenangabe bezieht sich auf durchschnittlich große biologische Zellen mit einem Durchmesser von 3–50 μm. Bei größeren Zellen kann der Abstand auch entsprechend vergrößert sein. Die Nanonadeln besitzen bevorzugt einen Durchmesser zwischen 10 nm und 1200 nm, vorzugsweise zwischen 50 und 800 nm. Die Länge der Nanonadeln liegt vorzugsweise zwischen 100 nm und 20 Mikrometern, besonders bevorzugt zwischen 300 nm und 10 Mikrometern.
Auch können die Nanonadeln eine Beschichtung aufweisen, um den Kontakt zu dem Objekt noch zu verbessern bzw. eine lokale Zuordnung zu erreichen. Die Beschichtung der Nanonadeln mit Molekülen (unspezifisch z. B. Polylysin, spezifisch mit Rezeptoren bzw. Liganden) kann die mechanische und elektrische Kopplung der Membran an die Nadeln zusätzlich verbessern. Dabei können die Moleküle in die Membran bzw. durch sie hindurch reichen.
Das beschriebene Kontaktierungsverfahren wird vorzugsweise im Rahmen eines Verfahrens zum Durchführen elektrischer Messungen an einem membranumhüllten Objekt und/oder zur Stimulation eines membranumhüllten Objekts eingesetzt, wobei das Objekt wie beschrieben kontaktiert wird und anschließend elektrische Messsignale des Objekts mit der Elektrode gemessen werden und/oder durch Anlegen einer elektrischen Spannung bzw. durch elektrischen Strom eine Stimulation des Objekts durchgeführt wird.
Die beschriebenen Verfahren können beispielsweise zur Signalableitung – und/oder zur elektrischen Stimulation, d. h. bidirektional eingesetzt werden:

– an Zellen des Nervensystems oder elektrisch erregbaren Zellen, wie z. B. Muskelzellen, Muskelpartien, Gewebe, wobei Nervenzellen und dem Myocard besondere Bedeutung zukommt,
– bei biohybriden Systemen,
– bei Interfaces von Mikroelektronikkomponenten zu lebenden Zellen und Geweben,
– zwecks Signal-Ableitung an elektrisch aktiven Zellen oder elektrisch stimulierbaren oder erregbaren Zellen oder Multizellsystemen, z. B. Muskelzellen und/oder Zellen des Nervensystems wie Neuronen, neuronale Netzwerke, Mikrogliazellen, Oligodendrozyten, und/oder Astrozyten,
– zwecks Messungen an und/oder mit künstlichen zellähnlichen Gebilden, die z. B. von einer Phospholipid-Membran umhüllt sind, die nicht verletzt werden soll, etwa an Liposomen, Vesikeln oder komplexer geformten, von einer ein- oder mehrschichtigen Molekülschicht (z. B. Block-Copolymer-Membranen) umhüllten Kompartimenten, oder Lipid-Proteinschichten (z. B. Black-Lipid-Membranen),
– zur Beaufschlagung von lebenden Zellen und Geweben mit elektrischen Signalen (unterschiedliche Frequenzen, insbesondere gepulste und HF-Signale), und
– bei Mensch-Maschine-Schnittstellen.

Angewandt werden können die beschriebenen Verfahren beispielsweise auch:

– zur erleichterten Elektrofusion von lebenden Zellen unter „milderen" Bedingungen, insbesondere von Zellen, die sonst nur schwer oder mit unzureichender Ausbeute Hybride bilden, oder von gemischten Zellarten (z. B. adhärente Feederlayer und Suspensionszellen), von denen eine oder beide adhärent wachsend ist,
– zur erleichterten Elektroporation von Zellen zur verbesserten Ausbeute an transfizierten Zellen,
– zur verlustarmen (z. B. kapazitiven) Kopplung von Zellkörper und Elektrodenoberfläche mit verringertem Leckstromanteil, ohne dabei die Zellmembran zu verletzen oder zu penetrieren
– zur verbesserten integralen Impedanzmessung an Zellen, z. B. in 96-Well-Platten, wie sie kommerziell zum Beispiel durch die Firma Applied Biophysics, USA angeboten werden,
– zur Vermeidung der Beeinflussung des Messsignals durch Elektrodenprozesse (Minimierung elektrochemischer Oberflächenreaktionen auf der Elektrode und auf der angekoppelten biologischen Membran oder Oberfläche),
– zur Prothetik: Steuerung von Prothesen oder Muskeln mit Hilfe neuronaler Signale,
– für Implantate: verbesserte Bioverträglichkeit von Elektrodenflächen und Oberflächen sensorischer Komponenten,
– für zell-basierte Biosensoren, z. B. in Zellsensorchips,
– für elektrisch induzierte Zell-Zell, Zell-Vesikel, Vesikel-Vesikel-Fusion (Elektrofusion) und
– für zellbiologische und/oder medizinische Grundlagenforschung; z. B. in so genannten Neurosensorchips.

Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Elektrode, die zum elektrischen Kontaktieren eines membranumhüllten Objekts, insbesondere einer biologischen Zelle (menschliche, tierische oder pflanzliche Zelle), geeignet ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Elektrode einen leitfähigen Träger aufweist, auf dem eine Vielzahl an Nanonadeln angeordnet ist und auf dem benachbarte Nanonadeln zueinander einen Abstand aufweisen, der kleiner als die Größe des membranumhüllten Objekts, insbesondere kleiner als eine biologische Zelle ist.
Bezüglich der Vorteile der erfindungsgemäßen Elektrode und bezüglich der Vorteile vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Elektrode sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Anordnung mit mehreren Elektroden, beispielsweise auf ein Multielektrodenarray, bei der bzw. bei dem mehrere Elektroden der beschriebenen Art zweidimensional oder dreidimensional, beispielsweise arrayartig, angeordnet sind.
Beispielsweise gilt, dass eine Zelle durch mehrere Elektroden oder mehrere Zellen durch eine Elektrode oder genau eine Zelle durch eine Elektrode kontaktiert werden kann. Dies erleichtert weiterhin eine individuelle Zuordnung der Signale zu einer Zelle.
Auch eine Vorrichtung zum Durchführen elektrischer Messungen an einem membranumhüllten Objekt und/oder zum elektrischen Stimulieren eines membranumhüllten Objekts wird als Erfindung angesehen, soweit diese eine oder mehrere Elektrode(n) der beschriebenen Art aufweist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
1 zur allgemein Erläuterung eine Elektrode ohne Nanonadeln mit aufsitzender biologischer Zelle,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Elektrode mit Nanonadeln,
3 ein Ausführungsbeispiel für die Herstellung der Elektrode gemäß der 2,
4 beispielhaft eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer erfindungsgemäßen Elektrode mit Träger und Nanonadeln,
5 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektrode mit einer regelmäßigen bzw. symmetrischen Nanonadel-Verteilung,
6 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektrode mit einer unregelmäßigen bzw. stochastischen Nanonadel-Verteilung,
7 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektrode mit Nanonadelabschnitten mit einer unregelmäßigen bzw. stochastischen Nanonadel-Verteilung und Nanonadelabschnitten mit einer regelmäßigen bzw. symmetrischen Nanonadel-Verteilung und
8 eine Transmissionselektronenmikroskopieaufnahme einer Zelle, die auf einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektrode angeordnet ist.
In den 1 bis 8 werden für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
In der 1 ist zur allgemeinen Erläuterung eine Elektrode 10 mit einer glatten Elektrodenoberfläche 20 ohne Nanonadeln gezeigt. Eine mit der Elektrode 10 kontaktierte biologische (menschliche, tierische oder pflanzliche) Zelle 30 bildet über Membranausstülpungen 40 fokale Kontaktpunkte 50 mit der Elektrode 10. Der Abstand zwischen der Membran 60 der Zelle 30 und der glatten Elektrodenoberfläche 20 ist im Mittel (über die der Elektrode 10 zugewandten Membranfläche gemittelt) typischerweise größer als 40 nm.
In der 2 ist ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Elektrode 100 gezeigt. Die Elektrode 100 weist einen Träger 110 und Nanonadeln 120 auf, die zum Teil senkrecht (Winkel β = 90°) und zum Teil winklig (Winkel β < 90°) zu der Oberfläche 130 des Trägers 110 ausgerichtet sind. Die Nanonadeln 120 bilden auf dem Träger einen „Nano-Rasen", der beispielsweise unter Nutzung von Nanoimprint-Techniken, halbleitertechnisch oder/und durch elektrolytische Abscheidung erzeugt worden ist.
Der Abstand zwischen unmittelbar benachbarten Nanonadeln ist vorzugsweise kleiner als die Größe der Zelle 30. Fokale Kontaktpunkte 140 zwischen der Zelle 30 und der Elektrode 100 werden an den Nadelspitzen 150 ausgebildet. Aufgrund der Nanonadeln 120 ergibt sich ein Anschmiegen der Zelle an die Oberfläche 130 des Trägers 110 und damit im Mittel ein geringerer Abstand zwischen der Membran 60 der Zelle 30 und der Elektrodenoberfläche 20 als bei der Elektrode 10 ohne Nanonadeln gemäß der 1. Typischerweise ist der Abstand zwischen der Membran 60 der Zelle 30 und der Oberfläche 130 des Trägers 110 bei einer Elektrode wie der gemäß der 2 im Mittel kleiner als 5 nm.
Die Winkelausrichtung der Nanonadeln 120 ist vorzugsweise derart eingestellt, dass die Nanonadeln abschnittsweise bzw. „populationsweise" ähnliche Winkel β zur Oberfläche 130 des Trägers 110 aufweisen. Vorzugsweise ist die Winkelabweichung der Winkel in ein und demselben Abschnitt des Trägers 110 kleiner als 20 Grad, vorzugsweise kleiner als 10 Grad.
In der 8 ist eine Transmissionselektronenmikroskopieaufnahme einer Zelle 30 gezeigt, die auf einer Elektrode 100 angeordnet ist. Man erkennt den innigen Kontakt zwischen der Oberfläche 130 des Trägers 110 und der Membran 60 der Zelle 30.
In der 3 ist anhand von fünf Bildern A bis E beispielhaft dargestellt, wie sich die Elektrode 100 gemäß der 2 herstellen lässt. Im obersten Bild A sieht man eine nanoporöse Polymer-Folie 200, die auf der Unterseite einseitig besputtert und mit einer dünnen elektrisch leitfähigen Schicht 210 beschichtet wird (vgl. Bild B). Anschließend wird eine galvanische Abscheidung einer als Arbeits-Elektrode 220 dienenden Schicht durchgeführt (Bild C). Während der galvanischen Abscheidung kommt es nicht nur zu einer Abscheidung auf der Unterseite 230 der Schicht 210, sondern auch auf der Oberseite 240, auf der die nanoporöse Polymer-Folie 200 aufliegt. Das Wachstum erfolgt dabei durch die Poren 250 der nanoporösen Polymer-Folie 200 hindurch, wodurch die Nanonadeln 120 gebildet werden (Bild D).
Nach Abschluss des Nadelwachstums wird die nanoporöse Polymer-Folie 200 entfernt, beispielsweise durch ein Lösungsmittel oder durch Ätzen, wodurch die Elektrode 100 mit den Nanonadeln 120 fertig gestellt ist (Bild E).
Bei der nanoporösen Polymer-Folie 200 kann es beispielsweise um ein nanoporöses Polymertemplate, auch "Kernspurmembran" oder "track etched membranes" genannt, handeln. Hergestellt werden kann die nanoporöse Polymer-Folie 200, indem eine Polymer-Folie mit hochenergetischen Teilchen bestrahlt wird und die nach der Bestrahlung latent vorliegenden Störungen in der Polymer-Folie mit geeigneten Ätzmitteln zu den durchgängigen Poren 250 aufgeweitet werden.
In Abhängigkeit von der Ätzzeit, den Ätzmedien und weiteren Parametern können sehr definierte Porenweiten im Bereich zwischen 10 nm bis über 5 μm, sogar bis zu 10 μm, erzeugt werden. Die Dichte der Poren je Flächeneinheit kann durch die Bedingungen des primären Teilchen-Beschusses unterschiedlich gestaltet werden.
Um unterschiedliche Nadelwinkel β zu erreichen, wird die Polymer-Folie 200 beispielsweise sequentiell mehrfach unter verschiedenen Winkeln bestrahlt und erst dann in einem Schritt geätzt.
Die 4 zeigt beispielhaft eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer Elektrode mit Träger und mit Nanonadeln.
In der 5 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel mit einer regelmäßigen bzw. symmetrischen Nanonadel-Verteilung dargestellt. Es lässt sich erkennen, dass die symmetrische Verteilung der Nanonadeln eine symmetrische Ausformung der Zelle 30 induziert, was üblicherweise nicht der physiologischen Situation in vivo entspricht.
Besser als eine regelmäßige bzw. symmetrische Nanonadel-Verteilung ist daher eine unregelmäßige oder stochastische Verteilung der Nanonadeln, wie sie als weiteres Ausführungsbeispiel in der 6 dargestellt ist. Man erkennt, dass sich die Zelle 30 der Nanonadelverteilung anpasst, wodurch ein noch besseres Anschmiegen an den Träger 110 erreicht wird und der Abstand zwischen der Zelle 30 und dem Träger 110 noch weiter reduziert wird.
Um eine automatische Ortung auf dem Träger 110 für eine automatisierte Zellerkennung zu vereinfachen, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn ein oder mehrere Nanonadelabschnitte mit einer unregelmäßigen oder stochastischen Verteilung der Nanonadeln sowie ein oder mehrere Nanonadelabschnitte mit einer regelmäßigen bzw. symmetrischen Nanonadel-Verteilung vorhanden bzw. miteinander kombiniert sind; ein solches Ausführungsbeispiel ist in der 7 gezeigt. Die Zellen werden sich in den Nanonadelabschnitten 300 mit der unregelmäßigen oder stochastischen Verteilung der Nanonadeln 120 gut an den Träger 110 anschmiegen, und die Nanonadelabschnitte 310 mit der regelmäßigen oder symmetrischen Verteilung der Nanonadeln 120 vereinfachen eine automatische Bildverarbeitung.

10: Elektrode
20: Elektrodenoberfläche
30: biologische Zelle
40: Membranausstülpungen
50: Kontaktpunkte
60: Membran
100: Elektrode
110: Träger
120: Nanonadeln
130: Oberfläche des Trägers
140: fokale Kontaktpunkte
150: Nadelspitzen
200: Polymer-Folie
210: elektrisch leitfähige Schicht
220: leitfähige Schicht
230: Unterseite
240: Oberseite
250: Poren
300: Nanonadelabschnitt mit unregelmäßiger oder stochastischer Verteilung der Nanonadeln
310: Nanonadelabschnitt mit regelmäßiger oder symmetrischer Verteilung der Nanonadeln
β: Winkel zwischen Nanonadel und Oberfläche des Trägers

Claims

Verfahren zum elektrischen Kontaktieren eines membranumhüllten Objekts (30) mit einer Elektrode (10, 100), dadurch gekennzeichnet, – dass zum Kontaktieren mindestens eine Elektrode (100) mit einem leitfähigen Träger (110) verwendet wird, auf dem eine Vielzahl an Nanonadeln (120) angeordnet ist und auf dem benachbarte Nanonadeln zueinander einen Abstand aufweisen, der kleiner als die Größe des Objekts ist, und – dass das Objekt mit den Nanonadeln in Kontakt gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Objekt eine biologische Zelle, ein biologisches Gewebe, ein Liposom, ein Lipidfilm oder ein Gebilde mit multilamellarem Aufbau kontaktiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode verwendet wird, bei der die Nanonadeln auf dem Träger zumindest abschnittsweise (300) unregelmäßig, insbesondere stochastisch, verteilt sind.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode verwendet wird, bei der die Nanonadeln auf dem Träger in zumindest einem Abschnitt (300) unregelmäßig, insbesondere stochastisch, verteilt sind und in zumindest einem anderen Abschnitt (310) regelmäßig verteilt sind.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode verwendet wird, bei der die Nanonadeln nichtleitfähig oder schlechter leitfähig als der Träger sind.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode verwendet wird, bei der der Abstand benachbarter Nanonadeln zueinander im Mittel kleiner ist als das Einhundertfache des Nanonadeldurchmessers.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode verwendet wird, bei der die Nanonadeln einen Durchmesser zwischen 10 nm und 1200 nm besitzen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode verwendet wird, bei der die Nanonadeln eine Länge zwischen 100 nm und 20 Mikrometern besitzen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger und/oder die Nanonadeln aus einem Edelmetall, vorzugsweise Gold oder Platin, einem unedlen Metall, vorzugsweise Titan, aus einem leitfähigen, nichtleitfähigen oder schlechtleitfähigen Polymer oder einem Halbleitermaterial bestehen oder ein solches Material aufweisen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrode eine Tastspitze mit einer Mehrzahl an Nanonadelarrays verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt an zumindest zwei mit Nanonadeln versehene Elektroden angekoppelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Kontaktierens die Zellen auf der Elektrode aufgewachsen werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode eines Neurosensorchips verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanonadeln auf dem Träger einen Nanorasen bilden, der unter Nutzung von Nanoimprint-Techniken, halbleitertechnisch oder/und durch elektrolytische Abscheidung erzeugt worden ist.
Verfahren zum Durchführen elektrischer Messungen an einem membranumhüllten Objekt und/oder zur Stimulation eines membranumhüllten Objekts, wobei das Objekt gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 14 kontaktiert wird und anschließend elektrische Messsignale des Objekts mit der Elektrode gemessen werden und/oder durch Anlegen einer elektrischen Spannung oder durch elektrischen Strom eine Stimulation des Objekts durchgeführt wird.
Elektrode (100), die zum elektrischen Kontaktieren eines membranumhüllten Objekts geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, die Elektrode einen leitfähigen Träger (110) aufweist, – auf dem eine Vielzahl an Nanonadeln (120) angeordnet ist und – auf dem benachbarte Nanonadeln zueinander einen Abstand aufweisen, der kleiner als die Größe des Objekts (30) ist.
Elektrode nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanonadeln auf dem Träger zumindest abschnittsweise (300) unregelmäßig, insbesondere stochastisch, verteilt sind.
Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche 16–17, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanonadeln auf dem Träger in zumindest einem Abschnitt (300) unregelmäßig, insbesondere stochastisch, verteilt sind und in zumindest einem anderen Abschnitt (310) regelmäßig verteilt sind.
Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche 16–18, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanonadeln nichtleitfähig oder schlechter leitfähig als der Träger sind.
Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche 16–19, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand benachbarter Nanonadeln zueinander im Mittel kleiner ist als das Einhundertfache des Nanonadeldurchmessers.
Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche 16–20, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanonadeln einen Durchmesser zwischen 10 nm und 1200 nm besitzen.
Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche 16–21, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanonadeln eine Länge zwischen 100 nm und 20 Mikrometern besitzen.
Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche 16–22, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger und/oder die Nanonadeln aus einem Edelmetall, vorzugsweise Gold oder Platin, einem unedlen Metall, vorzugsweise Titan, aus einem leitfähigen, nichtleitfähigen oder schlechtleitfähigen Polymer oder einem Halbleitermaterial bestehen oder ein solches Material aufweisen.
Elektrode nach einem der vorangehenden Ansprüche 16–23, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode eine Tastspitze mit einer Mehrzahl an Nanonadelarrays bildet.
Elektrode nach einem der vorangehenden Ansprüche 16–24, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode einen Bestandteil eines Neurosensorchips bildet.
Elektrode nach einem der vorangehenden Ansprüche 16–25, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanonadeln auf dem Träger einen Nanorasen bilden.
Multielektrodenanordnung mit einer Mehrzahl an Elektroden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Elektrode, vorzugsweise alle Elektroden, gemäß den Ansprüchen 1 bis 26 ausgebildet sind.
Vorrichtung zum Durchführen elektrischer Messungen an einem membranumhüllten Objekt und/oder zum elektrischen Stimulieren des Objekts mit einer elektrischen Ansteuer- und/oder Messeinrichtung sowie mit einer mit der Ansteuer- und/oder Messeinrichtung verbundenen Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche 16–26.
Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 26 oder Multielektrodenanordnung nach Anspruch 27, wobei die Nanonadeln, insbesondere der Nanorasen, mit Molekülen oder Partikeln beschichtet sind, die den mechanischen und/oder elektrischen Kontakt zum membranumhüllten Objekt verbessern.