CN102209779A - 通过导出膜电位而发电的电极装置、发电装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在具有膜壳(2)的细胞(1)上导出膜电位的电极装置(100)，其包括：用于固定细胞的细胞保持器(10)，及具有至少两个第一极性的电极(21)的电极载体(20)，其中电极(21)是作为凸出物形成的，其凸出于电极载体(20)的表面上并且对于电极载体(20)的表面是电绝缘的，及其中电极(21)的排列使得在细胞保持器(10)提供有细胞(1)时电极(21)定位在细胞(1)中。本发明还涉及用于通过在具有膜壳(2)的细胞(1)上导出膜电位而产生电流的发电装置(200)以及用于通过在细胞(1)上导出膜电位而产生电流的方法。

Description

通过导出膜电位而发电的电极装置、发电装置和方法
技术领域
本发明涉及用于在至少一个膜包围的细胞尤其是多个细胞上导出膜电位的电极装置。此外，本发明还涉及装配有所述电极装置的用于通过导出膜电位而发电的发电装置。最后，本发明还涉及通过在至少一个生物细胞或人造细胞上导出膜电位而发电的方法。在产生电流时本发明的应用在于驱动电气装置和/或为蓄电池充电。
背景技术
供应电能是当今技术发展的最大挑战之一。在开发发电机时，用耐久的可再生能源代替来自化石燃料的传统能量转换具有特别的兴趣。除了基于例如水力或风力、太阳能或地热能的能源以外，基于生物材料的能源也属于可再生能源。
在使用生物材料的情况下的能量转换的主要概念是基于产生和燃烧沼气(主要是甲烷)或氢气(参见J.Niessen等人，“Letters in Applied Microbiology”，第41卷，2005年，第286-290页)。来自沼气的能量转换由于在燃烧时产生的二氧化碳以及由于生成需要复杂的清除步骤的副产物例如氨和硫化氢所以是不利的。其他的概念是基于所谓的生物燃料电池，其是基于诸如糖的大分子的酶分解而运行的(参见R.F.Service，“Science”，第296卷，2002年，第1223页)。这些概念也没有发现常规应用，因为能量产量、能量转换稳定性有限以及高成本被证明是不利的。
由细胞生物学公知的是，真核生物细胞经过细胞膜产生膜电位。细胞膜包含用于离子传输的膜部件。这些膜部件包括离子泵和离子通道，下面简称作离子泵。通过离子传输经过细胞膜形成电化学梯度，电化学梯度产生膜电位。膜电位可以利用电生理学方法加以测量(例如参见E.Neher，“Science”，第256卷，1992年，第498-502页；W.Baumgartner 等人，“Biophysical Journal”，第77卷，1999年，第1980-1991页；DE 101 08 968 A1或DE 198 27 957 A1)。
膜电位的传统的电生理学测量如图8所示。生物细胞1′利用移液管10′保持在培养基3′中。阳极22′浸入培养基3′中，而阴极21′与培养基3′绝缘地伸入细胞1′的内部。阳极22′和阴极21′与放大器30′相连接，其用于放大代表所导出的膜电位的电信号并准备进一步处理。移液管10′形成细胞保持器，其例如已知实际上用于在粘附的细胞上进行测量，可被培养基3′中的基底代替，在基底上设置细胞1′。
根据图8的传统测量装置的应用被限制在测量单个细胞上的膜电位。因为作为阴极21′目前使用玻璃电极或填充金属的玻璃毛细管，其最大直径大于100nm，所以由于细胞1′对于阴极21′的耐受性低并且限制于高的测量电阻而产生问题。因此，例如直径大于10μm的电极仅能被细胞耐受几个小时。测量电阻具有100MΩ的量级，因此所导出的电流被限制在最小的电荷量。
DE 10 2005 030 859 A1描述了利用多个电极对膜电位的电生理学测量。使用绝缘板作为一个或多个细胞的保持器。具有导电性表面的电极通过所述板伸入至少一个细胞中。缺点在于，通过至少一个细胞与所述板的机械接触必然实现高的隔绝电阻。由此产生高的电极最小距离和受限的信号幅度。
发明内容
本发明的目的在于提供改进的电极装置，其适合于在膜包围的细胞上导出膜电位，并且由此能够克服现有技术中的缺点。此外，本发明的目的还在于提供在使用生物材料的情况下产生电流的改进的发电装置，由此克服了传统发电装置的限制，其特征尤其是在于延长的寿命、改善的运行稳定性及减少的成本。本发明的目的还在于提供在使用生物材料的情况下能量转换尤其是用于发电的改进的方法，由此可以避免基于生物材料的传统可再生能源的缺点。
该目的是通过具有独立权利要求特征的电极装置、发电装置和方法实现的。本发明的有利的实施方案和应用由从属权利要求给出。
根据本发明的第一方面，上述目的是通过电极装置实现的，其用于在膜包围的细胞上导出膜电位，并且包括用于粘附固定细胞的细胞保持器以及具有至少两个第一极性的电极的电极载体，它们是作为电极载体表面上的凸出物形成的并且相对于电极载体表面是电绝缘的。电极载体根据本发明是以如下方式形成的，若细胞保持器承载细胞，则电极同时伸入细胞中。
根据本发明的第二方面，所述目的是通过发电装置实现的，其用于通过在细胞上导出膜电位而产生电流，并且具有根据上述第一方面的电极装置，其中在细胞保持器的表面上设置至少一个细胞，但优选设置多个细胞。
根据第三方面，所述目的是通过在细胞上导出膜电位而产生电流的方法实现的，这些细胞以粘附状态排列在根据上述第一方面的电极装置的细胞保持器上，其中利用电极和至少一个反电极导出电流，反电极与细胞直接电接触或者例如经过导电介质间接地电接触。
有利地通过具有至少两个电极的电极载体实现电极排列，其与现有技术相比具有提高的电极稳定性和简单化的结构。尤其是能够形成具有与现有技术相比缩小的电极直径的电极，由此改善了细胞对于电极的耐受性以及降低了测量电阻。
在本发明之前没有公开将电位导出用于发电。因为已知即使在具有强烈离子传输的细胞例如Xenopus卵细胞的情况下导出膜电位仅产生在200mV下最高100μA的电流(参见W.Baumgartner等人的上述出版物)，所以在本发明之前没有人考虑到将膜电位用于能量转换，尤其是用于发电。不同的是，甚至需要测量系统额外配备有放大器，若没有则无法电生理学测量极弱的电流和电压。通过本发明克服了该偏见。具有多个电极的电极载体能够使电极同时及尤其是以并联电连接的方式与至少一个但优选多个细胞的内部直接电接触。本发明的发明人认识到，通过使用电极载体能够使膜电位导出可量测，并由此能够克服对于不实际的小电流的限制。此外，可以通过并联回路、串联回路或并联回路与串联回路的组合而调节发电装置取决于实际应用条件的电流强度和/或电压。
本发明具有以下其他的优点。根据本发明的发电装置是可再生的电流源，其适合作为负载电路中的宏观电源。细胞的接触是通过细胞在电极装置的电极上的自集成而进行的。电极载体具有通过电极凸出物而纳米或微米结构化的表面。通过该结构促进细胞结合在凸出物上，并因此促进电极在细胞中的容纳以及它们的接触。本发明的其他优点在于，发电装置的环境相容性以及发电的耐久性和碳中性。
但是取决于本发明的应用，在电极载体上仅设置一个单独的电极和/或从单独的细胞导出膜电位也可以是足够的。因此这些改变的方案同样属于本发明的主题。
术语“细胞”(或者：细胞单元、隔室)一般涉及用膜包围的液体区域，其中所述膜用于在细胞内部的液体区域与细胞周围的液体如培养基之间产生膜电位。所述膜包含蛋白质，其形成离子泵(和离子通道)并用于在细胞外部环境与细胞内部空间之间进行离子传输。
因此，根据本发明的发电装置是基于生物材料的使用，其是通过将自然包含离子泵的经培养的生物细胞或者包含集成在膜内的在囊泡的内部空间与外部环境之间产生电位的离子泵的人造脂囊泡(幻影细胞)的电化学膜电位用于发电。
生物细胞的优点在于，形成膜电位的能力是通过存在的离子泵而自然地获得的。作为生物细胞可以使用真核细胞或原核细胞，例如细菌，其中真核细胞由于其尺寸更大所以是优选的。囊泡的膜内的离子泵是利用本身已知的生物技术方法优选在使用遗传学改性的生物细胞的情况下提供的。细胞的寿命可以通过使用永生化细胞而延长，其中连续地新形成蛋白质，其中监控其折叠并且适应可变的条件。
人造细胞的优点在于，细胞的寿命可以相对于活的生物细胞延长，并且与在生物细胞的培养条件下的情况相比对环境条件的要求更不严格。
根据本发明的一个优选的实施方案，电极作为凸出物形成，其对于细胞保持器的表面是电绝缘的。每个电极特别优选具有绝缘外套，绝缘外套包围电极但除了其自由端。绝缘外套在电极的纵向上延伸并使电极的尖端是自由的。
根据本发明的一个优选的实施方案，设置至少一个相对于所述电极相反的第二极性的反电极，其中在电极载体的表面上和/或在从电极载体分离出的反电极载体上形成至少一个反电极。在相对于电极的预定位置上提供至少一个反电极能够有利地最优化电极和至少一个反电极的相互的几何排列，以获得经过细胞均匀地导出的电流。
至少一个反电极可以在电极载体和/或反电极载体上包括均一的导电层或者多个导电的电极层片段。均一的导电层的优点在于，利用单独的反电极可以产生与多个细胞例如与在电极载体表面上的细胞单层的电接触。导电的电极层片段可以如下方式构成，其是可控制的，例如单独与负载电路相连接。可单独控制的电极层片段的优点在于，在载体装置的表面上设置细胞的不封闭的层。此外，在避免了电极层片段与相反极性的电极之间的短路时，电极层片段可以具有优点。选择性地或额外地，反电极可以包括浸入细胞周围的包含离子的介质中的电极棒。
电极载体和反电极载体中的至少一个特别优选为细胞保持器。根据本发明，导出其膜电位的细胞可以直接粘附固定在电极载体和/或反电极载体上。
取决于所传输的离子的类型，可以在细胞的内部空间中相对于细胞外部环境形成负或正的电位。伸入细胞内部空间中的电极和至少一个直接或间接地与细胞外侧电接触的反电极一般具有彼此相反的极性。对于在相对于外部环境的内部空间中的负电位，电极形成阴极，而至少一个反电极形成至少一个阳极。以相反的电位，电极形成阴极，而反电极形成阳极。
根据本发明的一个特别优选的实施方案，电极载体具有多层结构，包括电极层、绝缘层和反电极层，其中电极与电极层电绝缘地通过绝缘层和反电极层凸出于反电极层的表面上。优选地由此实现具有所有的电极和反电极的电极载体的特别紧凑的结构。
有利地，若电极和/或反电极中的至少一个带有用于增强电极表面与细胞膜之间的相互作用的涂层，则可以改善电极和一方面至少一个反电极和另一方面细胞之间的接触。有利地，可以通过细胞与电极和/或反电极之间的涂层提高电导率及减少接触电阻。凸出于电极载体表面上的电极优选带有活化膜的胞吞作用的涂层。活化胞吞作用的涂层的优点在于，使电极在细胞的内部空间中的容纳变得容易。活化胞吞作用的涂层例如使得在生物细胞的情况下由于其自然的细胞移动而积极地容纳电极，从而使电极在细胞的内部空间中形成接触。选择性地或额外地，至少一个反电极可以带有增强粘着性和/或电导率的涂层。有利地，由此增强细胞对电极载体或反电极载体的表面的粘附结合。此外，刺激了在具有多个细胞的层中任选出现的孔洞的封闭。
若伸入细胞内部的电极具有与传统电生理学测量的情况相比更小的直径，则可以有利于膜电位根据本发明用于发电。电极的直径优选小于10μm，更优选小于1μm，例如小于500nm，特别是小于100nm，例如小于10nm，直至例如2nm或者甚至是1nm。具有此类小直径的电极有利地更容易被细胞尤其是生物细胞耐受。因此，改善了发电的长期稳定性。此外，可以减少在各个电极与细胞内部之间的电阻。电极尤其是可以包括直径在亚微米范围内的导体的排列(所谓的纳米线)，其改善了在细胞的内部空间与外部环境之间形成的电压的量取。
此外，有利的是，电极的自由电极表面例如电极的尖端距电极载体表面的距离为至少10nm，优选至少100nm，更优选至少1μm，例如50μm或更大，最大进入毫米范围内。这能够可靠地将电极定位在细胞内部。尤其是可以使直径最大进入毫米范围内的人造细胞可靠地接触。
根据本发明，可以设置两个或更多个电极。根据本发明的优选的改变方案，例如设置至少10个，尤其是至少100个，例如至少1000个，如10,000个或更多的电极。电极优选相互电连接。电极特别优选形成凸出于电极载体表面并且与至少一个相反极性的反电极电绝缘的电极尖端的1维或2维阵列。有利地，在电极载体上提供多个细胞的情况下通过电极的电连接可以在所有的细胞上同时导出膜电位。
根据本发明的一个特别优选的实施方案，细胞尤其是生物细胞和/或人造囊泡在电极载体表面上形成封闭的细胞层。单个细胞的膜电位的发电机引线(Stromableitungen)是并联连接的，并由此有利地提高了本发明发电装置的输出电流。有利地，通过生物细胞在1cm2的载体装置表面上的培养可以产生7μW的总功率。因此，该效率是可与相等面积的太阳能电池的效率比较的。但是与基于光伏效应的太阳能电池不同，根据本发明的发电装置能够与光线完全无关地运行。其需要更小的空间，并且承受比太阳能电池更不严格的运行条件。
有利地存在应用根据本发明产生的电流的不同的改变方案。根据第一改变的方案，电极和至少一个反电极可以与负载电路直接相连接。可以设置至负载电路的电缆连接。该应用有利地直接作用于膜电位的导出和离子泵的活化。根据第二改变的方案，可以设置至蓄电池装置的连接。蓄电池装置一般是电能储存器，例如电化学蓄电池或者具有预定容量的电容器，它们的具体的实施方案根据所述发电装置的具体的使用要求加以选择。蓄电池装置可以利用根据本发明产生的电流进行充电，其优点在于，负载电路并不直接与电极相连接，而是与其去偶。因此可以避免负载电路的干扰性反作用(破坏作用)，例如在发电装置中至少一个细胞上的迅速的负载变化。
根据本发明发电装置的另一个优选的特征，设置培养装置。培养装置用于将包含离子的介质导入细胞周围。包含离子的介质是用于细胞的供应和再生的液体(例如培养基)。在使用生物细胞的情况下，培养装置包括如细胞生物学所知的培养基存储池以及用于将培养基引导至细胞保持器上的细胞的导入装置。利用包含离子的介质不断地在细胞周围供应离子，离子在离子泵的作用下被传输至细胞内部，并由此产生膜电位。
若根据本发明的另一个有利的特征，细胞在其内部空间中包含至少一种离子束缚物质，则对于细胞的寿命或稳定性可以是有利的。离子束缚物质发挥细胞内部空间中的缓冲器的作用。通过膜传输至内部空间中的离子被离子束缚物质收集。因此，尤其是在生物细胞的情况下，延长了发电装置的寿命。利用离子束缚物质抑制或完全避免了细胞中毒。离子束缚物质(离子捕捉器)例如包括乙二胺四乙酸(EDTA)、抗坏血酸(维生素C)或谷胱甘肽。
本发明发电装置的优选的应用在于，以比较小的电功率为电气装置供电，例如人体植入物，如心脏起搏器或助听器，但是由于所述发电装置的可量测性还可以提高的耗电量供应设备，例如家用设备。对于人体植入物的供应特别有利的是，可为所述发电装置直接供应人体的营养物，尤其是来自与植入物相邻近的组织。
下面依据附图阐述本发明的细节和优点。
附图说明
图1至3：本发明发电装置的实施方案的放大的截面示意图；
图4和5：本发明发电装置的另一个实施方案的截面示意图和透视图；
图6A：结构化的表面，其可用作制造所述发电装置的基底；
图6B：电极-反电极对的照片，例如在根据图5的电极装置的情况下；
图7：根据本发明具有培养装置的发电装置的另一个实施方案的截面示意图；
图8：膜电位的传统电生理学测量的示意图。
具体实施方式
下面依据电极装置、发电装置以及其运行方法的优选的特征阐述本发明的实施方案。在此没有述及细胞生物学和电化学观点，例如产生膜电位、为粘附的细胞提供培养条件、形成离子泵(和离子通道)的蛋白质集成在脂膜中，因为它们是由细胞生物学和电化学已知的。强调的是，本发明的实现并不局限于示例性所述类型的生物细胞或人造细胞，而是相应地可以利用所有膜包围的细胞，该细胞适合于通过传输加载的颗粒尤其是离子通过膜形成膜电位。
本发明的实施方案示例性地参考利用两个细胞(图1至3)或者利用更多个细胞(图3、4)的发电进行描述。强调的是，本发明的实现并不局限于所述的实施例。本发明发电装置的结构，尤其是其尺寸，以及提供细胞的装置可以取决于本发明的具体的使用条件加以选择和适应。
下面示例性地参考本发明的实施方案，其中在电极载体的表面上的电极是阴极，而至少一个反电极是阳极。利用该极性指定方式，通过导出膜电位进行发电，膜电位是通过传输离子进入和/或出自细胞内部空间而形成的。通过Na+-K+泵对于从细胞泵出的三个钠离子仅将两个钾离子泵入细胞中，从而例如形成膜电位。通过电极是阴极而至少一个反电极是至少一个阳极，相应地利用相反的极性能够实现本发明。
根据图1，发电装置200包括具有细胞保持器10的电极装置100，其同时形成电极载体20和反电极载体30。电极载体20包括作为电极的阴极21和作为反电极的阳极22，在其表面上设置细胞1。电极装置100设置有发电机容器11中的细胞1，该发电机容器含有包含离子的介质3并且可与培养装置(图1中未示出)相连接。
电极载体20包括由下方的阴极层23、中间的绝缘层24和上方的阳极层25组成的多层结构，阳极层同时形成阳极22和用于容纳粘附状态的细胞1的表面。细胞1的膜壳2的外侧与阳极23直接电接触。阴极层23和阳极层25经过电缆41与负载电路40和/或蓄电池装置(示意性示出)相连接。下面参考图4和5更详细地描述由阴极层23、绝缘层24和阳极层25组成的层结构的制造。
阴极21作为尖锐的凸出物从阴极层23通过阳极层25在其表面上伸入发电机容器11中。为了使阴极21对于阳极23电绝缘，绝缘层24在每个阴极21上形成包围阴极21的绝缘外套26。绝缘外套26在阴极21的纵向上延伸的长度至少等于阳极层25的厚度。优选地，绝缘外套26如图1所示在阳极层25的表面上延伸进入发电机容器11中，以改善阴极21与阳极22的电绝缘。选择绝缘外套26的轴向长度，从而使阴极21的自由端(阴极尖端)暴露在发电机容器11中。
一般而言，阴极21优选包含碳、惰性金属如金或掺杂半导体。绝缘层24是通过陶瓷层例如金属氧化物而形成的。阳极22同样优选由碳、惰性金属或掺杂半导体组成，
具有膜壳2的细胞1以如下方式在阳极层25的表面上排列，具有绝缘外套26的阴极21伸入细胞1的内部空间中。每个阴极尖端与内部的细胞物质直接电接触，例如在生物细胞的情况下与细胞质或者在人造细胞的情况下与囊泡的内部介质直接电接触。细胞1例如包括活的生物细胞，如上皮细胞或成纤维细胞。发电机容器11中的包含离子的介质3包括培养基，例如生理盐溶液，从此将离子通过膜壳2传输至细胞1的内部。在此过程中形成的膜电位经过电缆41导出。只要膜壳2中的离子泵检测到在细胞1的内部空间与外部介质之间的电荷平衡，就继续传输离子进入细胞1的内部空间中。
可用于发电的生物细胞例如包括心肌细胞(HL1)、上皮细胞或成纤维细胞(例如REF-52)。成纤维细胞特别有利于在固态表面上，尤其是在阳极层25或绝缘层24(见下文)的表面上形成稳定的、耐久的及自修复的、封闭的单层。
有利地可以使用NRK细胞(“正常鼠肾”细胞，尤其是NRK成纤维细胞)作为生物细胞。例如在出版物J.J.Torres，“Am.J.Physiol.Cell Physiol.”(第287卷，2004年，第C851-C865页)中描述了NRK成纤维细胞。NRK细胞形成稳定的单层，其中单个细胞经膜通道(所谓的“间隙连接”)相连接(参见所述出版物的图1C)。膜通道确保细胞的有效的电连接及因此尤其是取决于电极密度明显提高根据本发明的发电装置的容量。在同时降低电极密度的情况下，这会导致更高的细胞存活率，实现保持一样高或者甚至提高的容量，因为不直接刺破的细胞也偶合在该系统上。
生物细胞可以利用本身已知的生物分子方法进行操作，以例如形成稳定的细胞克隆，其特征在于特定离子通道和离子泵的超表达，以提高电效率。例如可以通过连接蛋白分子的超表达(上述间隙连接通道的组成部分)，在膜电位方面类似于离子通道/泵的表达，可以人工地提高在任意的细胞或者甚至是囊泡中的电偶合/容量。
具有单层或多层膜壳的人造囊泡可以利用本身已知的标准技术制造(例如参见A.Moscho等人，“Proc.Natl.Acad.Sei.”，第93卷，1996年，第11443-11447页)。可以设置直径例如在1μm至50μm或者大于50μm的范围内的囊泡(所谓的“巨囊泡”，Riesenvesikeln)。通过具有增强粘着性的涂层和/或活化胞吞作用的涂层的电极表面的生物功能化支持细胞在电极装置上的自集成。
在图2中示意性地示出了发电装置200的改变的实施方案，其中细胞保持器10或电极装置100的电极载体20仅包括带有阴极21的阴极层23和绝缘层24。作为反电极(阳极)设置浸入发电机容器11中的介质3中的电极棒27。
在图3中示意性地示出了发电装置200的另一个改变的实施方案，其中细胞保持器10包括带有阳极22的阳极层25，而带有阴极21的电极载体20以与细胞保持器10一定距离设置。电极载体20设置在发电机容器11中的介质3中，从而使从电极载体20延伸至细胞保持器10的阴极21伸入设置在细胞保持器10上的细胞1的内部。
电极载体20包括阴极层23和带有针对每个阴极21的绝缘外套26的绝缘层24。通过绝缘层24和绝缘外套26使阴极21和阴极层23对于发电机容器11中的介质3和阳极22电绝缘。阳极层25和阴极层23经过电缆41与负载电路40和/或蓄电池装置相连接。
图1至3的实施方案如下进一步改变。首先，设置超过两个阴极(见下文，图4、5)。此外，通过将阴极集成在两个分离的电极载体中并从两侧伸入细胞中，可以将图1至3的改变的方案加以组合。由阴极层、绝缘层和阳极层组成的多层结构可以具有其他的层，例如用于机械稳定化所述多层结构并例如由塑料形成的支撑层(参见图6B)。
图4和5所示为本发明的改变的实施方案，其中设置阴极的阵列，在示意性的截面图(图4，剖面图)和示意性的透视图(图5)中。该实施方案特别适合于通过在细胞层尤其是单层上导出膜电位而发电。但是出于简明的原因，在图4和5中仅显示了单独的细胞。
在图4和5的实施方案中，如上参考图1所述，电极载体20包括由阴极层23、绝缘层24和阳极层25组成的多层结构。阴极层23和阳极层25经过电缆41与负载电路40和/或蓄电池装置相连接。可以设置电流测量装置42，例如在图5中示出。
分别用绝缘外套26包围的阴极21通过阳极层25伸入发电机容器11中。发电机容器11填充有包含离子的介质3，其由培养装置50(示意性地示出)经过液体管道51导入和导出。此外，培养装置50可以具有可用于调节发电装置的温度例如至细胞的生理温度的控温装置(未示出)。
在阳极层25的表面上设置增强粘着性(和增强电导率)的涂层28，其例如包括纤连蛋白、层粘连蛋白、肽例如RDG序列或胶原蛋白。阴极21暴露的尖端带有活化胞吞作用的涂层29，其例如包括可用于局部改变细胞的膜结合力的分子，例如凝集素或SNARE蛋白(可溶性N-乙基马来酰亚胺敏感因子附着蛋白受体)。
阳极层25的表面尺寸是取决于发电装置200所期望的功率及因此发挥发电作用的细胞1所期望的数量加以选择的。根据本发明可以设置电极装置100例如用于容纳多于10个、100个、1,000个、10,000个或更多的细胞。相应地，阴极21的数量可以是10个、100个、1,000个、10,000个或更多。阳极层25的面积的大小特别优选为至少1cm2。
利用约为30μm的细胞直径例如在成纤维细胞的情况下，因此可以设置100,000个或更多的细胞以及任选100,000个或更多的阴极。对于生物细胞的应用的理论评估得出每cm2约10μW的总功率，其中利用人造囊泡可以实现更高的功率，例如10mW。
根据可用于制造长度为几个微米且直径小于100nm的电极的方法制造电极装置100。首先可以通过传统光刻和反应离子蚀刻(Deep Reactive Ion Etching，DRIE)作为自顶向下的过程制造阴极21(参见C.Greiner等人，“Langmuir”，第23卷，2007年，第3495-3502页)。通过该方法可以实现几个微米的阴极长度。在使用光学光刻的情况下，阴极直径被限制在几百纳米。若将DRIE法与电子束结构化或者纳米球光刻或嵌段共聚物微团光刻相结合，则可以产生更小的结构。
根据一个可选的改变方案，阴极可以通过沉积技术(自底向上的过程)形成，其中设置液-固沉积(VLS法)或金属卤化物还原(MHR法)。在后一情况下，在硅晶片上形成共晶层的金属种晶用于通过物理气相沉积生长硅纳米线(参见L.Schubert等人，“Applied Physics Letters”，第84卷，2004年，第4968-4970页)。在第二种情况下，可以在使用金属卤化物作为种晶的情况下形成阴极(参见P.Yang等人，“JACS”，第129卷，2007年，第7228-7229页)。
根据另一个可选的方案，通过在富含碳的气氛中由镍基或铁基的种晶生长的碳纳米管形成阴极21(参见C.J.Lee等人，“Chemical Physics Letters”，第323卷，2000年，第554-559页)。
还可通过采用WO 2007/096082 A1所述的结构化方法制造电极装置。在此，优选设置以下的多步法。在第一步骤中，通过熔化及随后利用辊筒拉丝而产生具有规则或不规则分布的丝线排列的聚合物材料的表面，如WO 2007/096082 A1所述。由此将该出版物引入本说明书中作为参考。图6A示例性地显示了用于制造具有以此方式结构化的聚合物表面12.1的电极装置的模制件(底模)。然后在另一个步骤中，结构化的表面12.1涂覆由金和SiO2和/或Si3N4组成的层并结构化，从而形成在此所述的层结构和电极结构。所述涂覆过程例如包括物理气相沉积。层的厚度是取决于具体的使用条件尤其是在考虑金层的电导率的情况下以及取决于SiO2层和/或Si3N4层的绝缘特性加以选择的。随后为了在真核细胞的细胞质与导电性金层之间提供电接触，通过湿化学蚀刻或反应离子蚀刻将绝缘性SiO2层和/或Si3N4层与电极尖端分离。最后，为了使电极在细胞中的插入及其固定和生存能力最优化，在使用本身已知的技术的情况下对表面进行生物功能化。
图6B所示为具有单独的阴极21(图象标记)的本发明电极装置的一部分利用扫描电子显微镜(SEM)拍摄的照片。该层结构在支撑层12上包括均由金组成的阴极层23和阳极层25，它们通过由SiO2组成的绝缘层24分离。阴极21作为纳米线通过在阳极层25中的孔洞进行生长，其中阴极层23用作种晶。阴极21垂直于阳极层25的表面延伸。
图7所示为发电机容器11的其他细节，其设置用于容纳根据本发明的发电装置200(示意性地未示出电缆)，并与培养装置50(示意性示出)相连接。发电装置200可以定位在发电机容器11中和/或集成在发电机容器11的底部。发电机容器11是在下部11.1与上部11.2之间形成的。下部11.1具有圆柱形空隙，发电装置200集成在其中。上部11.2的空隙是与下部11.1相邻地以圆锥形及向着上部11.2的上侧以圆柱形形成的。通过圆锥形区域形成发电机容器11的倾斜的边界，其有利于导出气泡。圆柱形区域形成发电机容器11的罩子11.3的套口(Ansatz)。为此在上部11.2上设置具有与罩子11.3上的内螺纹相互作用的外螺纹的管接头11.4。罩子11.3包括密封环11.31和排气口11.32。
液体管道51集成在下部11.1中用于将发电机容器11与培养装置50的部分相连接。液体管道51具有偶合区域52，其均配备有用于调节介质流入量的阀门53和用于过滤介质流入物的陶瓷过滤器54。下部11.1的上侧和上部11.2的下侧是以相互匹配的形状形成的。在下部和上部11.1，11.2之间设置有密封件11.5。下部和上部11.1，11.2是经过连接装置11.6相互偶合的，其例如形成螺钉连接或插入卡合式连接(Rast-verbindung)。更有利地，连接装置11.6同时形成多个发电机容器11的堆叠的引导。因此，在上部11.2的上侧设置有连接装置的凸出物11.7，而在下部11.1的下侧设置有连接装置11.6的空隙11.8，凸出物和空隙具有互补的形状。凸出物11.7例如是通过螺钉连接的螺钉头形成的。
根据本发明使用的发电机容器优选为可堆叠的。在多个发电机容器11的组装状态，上方的发电机容器11位于下方的发电机容器11之上，从而使下方的发电机容器11的凸出物11.7伸入上方的发电机容器11的空隙11.8中。作为图7图示的其他选择，凸出物11.7和空隙11.8可以与连接装置11.6无关地在上部和下部11.2，11.1的表面上形成。
在以上说明书、附图和权利要求书中所公开的本发明的特征单独地以及组合式地对于在其不同实施方案中实现本发明可以是有意义的。

Claims (19)

1.用于在具有膜壳(2)的细胞(1)上导出膜电位的电极装置(100)，其包括：
(a)用于固定细胞的细胞保持器(10)，及
(b)具有至少两个第一极性的电极(21)的电极载体(20)，其中
(c)电极(21)是作为凸出物形成的，其凸出于电极载体(20)的表面上并且对于电极载体(20)的表面是电绝缘的，及其中
(d)电极(21)的排列使得在细胞保持器(10)提供有细胞(1)时电极(21)定位在细胞(1)中。
2.根据权利要求1的电极装置，其中
-所述电极(21)是作为凸出物形成的，其对于细胞保持器(10)的表面是电绝缘的。
3.根据前述权利要求之一的电极装置，其中
-每个电极(21)均具有包围电极(21)的绝缘外套(26)，该绝缘外套在电极(21)的纵向上延伸并使电极(21)的末端是自由的。
4.根据前述权利要求之一的电极装置，其包括：
-至少一个相反的第二极性的反电极(22)，其是在电极载体(20)的表面上和/或在反电极载体(30)上形成的，该反电极载体(30)与电极载体(20)具有一定的距离。
5.根据前述权利要求之一的电极装置，其中
-所述电极载体(20)包括具有电极层(23)、绝缘层(24)和反电极层(25)的多层结构，其中电极(21)以与电极层(23)电绝缘的方式通过绝缘层(24)和反电极层(25)凸出于反电极层(25)的表面上。
6.根据前述权利要求之一的电极装置，其中
-所述电极带有活化胞吞作用的涂层，和/或
-所述至少一个反电极带有增强粘着性和/或增强电导率的涂层。
7.根据前述权利要求之一的电极装置，其中所述电极包括微电极，
-其直径小于10μm，
-其尖端与电极载体(20)的距离为至少10nm，和/或
-其是由碳、惰性金属或掺杂半导体形成的。
8.根据前述权利要求之一的电极装置，其中
-设置有至少10个，尤其是至少100个彼此电连接的电极(21)。
9.根据前述权利要求之一的电极装置，其中
-电极(21)和至少一个反电极(22)与负载电路(40)和/或蓄电池装置(50)相连接。
10.根据前述权利要求之一的电极装置，其中所述细胞保持器(10)是由电极载体(20)或反电极载体(30)形成的。
11.用于通过在具有膜壳(2)的细胞(1)上导出膜电位而产生电流的发电装置(200)，其包括：
(a)根据前述权利要求之一的电极装置(100)，及
(b)设置在电极装置(100)的细胞保持器(10)上的细胞(1)。
12.根据权利要求11的发电装置，其中
-所述细胞(1)包括生物细胞或人造囊泡。
13.根据权利要求11或12的发电装置，其中
-所述细胞(1)在细胞保持器(10)上形成封闭的细胞层。
14.根据权利要求11至13之一的发电装置，其中
-所述细胞(1)含有至少一种结合离子的物质。
15.根据权利要求11至14之一的发电装置，其包括：
-用于将包含离子的介质引导至细胞(1)的培养装置，
-与电极装置(100)相连接的负载电路(40)，和/或
-与电极装置(100)相连接的蓄电池装置(50)。
16.用于通过在具有膜壳(2)的细胞(1)上导出膜电位而产生电流的方法，其包括以下步骤：
(a)提供根据权利要求11至15之一的发电装置(200)，及
(b)从电极装置(100)导出电流。
17.根据权利要求16的方法，其包括以下步骤：
-将包含离子的介质引导至细胞(1)，和/或
-细胞(1)在细胞保持器(10)上进行培养。
18.根据权利要求16或17的方法，其中
-所述细胞(1)包括生物细胞或人造囊泡，其是通过自集成而独立地与电极接触的。
19.根据权利要求1至14之一的电极装置(100)或发电装置(200)用于为负载电路(40)和/或蓄电池装置(50)产生电流的用途。
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