DE102008056277B4

DE102008056277B4 - Sensor for electrophysiological studies on living cells and method for its production

Info

Publication number: DE102008056277B4
Application number: DE200810056277
Authority: DE
Inventors: Dr. Meyer-Plath Asmus; Martin Jäger; Frank Sonntag
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2011-11-10
Anticipated expiration: 2028-10-29
Also published as: DE102008056277A1

Abstract

Sensor für elektrophysiologische Untersuchungen an lebenden Zellen, bei dem Elektroden in einer Reihen- oder Matrixanordnung auf der Oberfläche eines elektrisch isolierenden Substrats ausgebildet und durch den polymeren Substratwerkstoff oder einen zwischen den Elektroden auf der Substratoberfläche aufgebrachten polymeren Werkstoff elektrisch voneinander isoliert sind; dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche eines polymeren Werkstoffs oder polymeren Substratwerkstoffs örtlich gezielt durch an den Polymeren Werkstoff oder polymeren Substratwerkstoff angebundene Carboxyl-, Hydroxyl- und/oder Aminogruppen modifiziert ist, so dass Oberflächenbereiche (4a, 4b) mit erhöhter Adhäsion für Zellen zwischen Elektroden (5) vorhanden sind.Sensor for electrophysiological examinations on living cells, in which electrodes are formed in a row or matrix arrangement on the surface of an electrically insulating substrate and are electrically insulated from one another by the polymeric substrate material or by a polymeric material applied between the electrodes on the substrate surface; characterized in that the surface of a polymeric material or polymeric substrate material is specifically modified locally by carboxyl, hydroxyl and / or amino groups attached to the polymeric material or polymeric substrate material, so that surface areas (4a, 4b) with increased adhesion for cells between electrodes (5) are present.

Description

Die Erfindung betrifft Sensoren für elektrophysiologische Untersuchungen an lebenden Zellen und ein Verfahren zur Herstellung solcher Sensoren. Dabei können mit den erfindungsgemäßen Sensoren insbesondere die Messprinzipien der Impedanzspektroskopie und die Erfassung extrazellulärer Potentiale elektrisch aktiver Zellen genutzt werden. Durch Impedanzspektroskopie können die Zelladhäsion an einem Sensor und auch Auswirkungen unterschiedlicher Substanzen (Probenflüssigkeiten) auf lebende Zellen, wie sie beim „Pharmascreening” durchgeführt werden, untersucht werden. Mit einer Bestimmung extrazellulärer Potentiale können insbesondere Untersuchungen an Muskel- oder Nervenzellen durchgeführt werden, bei denen es interessant ist, wie Reize entstehen, verarbeitet oder weitergeleitet werden. So können mit den erfindungsgemäßen Sensoren Nebenwirkungen und Wirkungen von Medikamenten bzw. Wirkstoffen auch in unterschiedlicher Konzentration untersucht weiden. Neben medizinischen Anwendungen sind auch Untersuchungen für die Kosmetikindustrie und die Umweltanalytik Einsatzgebiete der Erfindung.The invention relates to sensors for electrophysiological investigations on living cells and to a method for producing such sensors. In particular, the measurement principles of impedance spectroscopy and the detection of extracellular potentials of electrically active cells can be used with the sensors according to the invention. Impedance spectroscopy can be used to investigate cell adhesion to a sensor as well as the effects of different substances (sample fluids) on living cells, such as those used in pharma screening. With a determination of extracellular potentials in particular studies on muscle or nerve cells can be performed, in which it is interesting how stimuli are created, processed or forwarded. Thus, with the sensors according to the invention, side effects and effects of medicaments or active substances can also be investigated in different concentrations. In addition to medical applications, investigations for the cosmetics industry and environmental analysis are areas of application of the invention.

Es sind für die elektrophysiologische Untersuchung von Zellen an sich geeignete Sensoren bekannt, auf die die Erfindung aufbauen kann.There are known for the electrophysiological examination of cells per se suitable sensors on which the invention can be based.

So werden lebende Zellen auf solchen Sensoren kultiviert. An der Oberfläche auf der Zellen kultiviert werden sollen und können sind mehrere Elektroden diskret zueinander ausgebildet. Jede einzelne Elektrode ist elektrisch leitend kontaktiert und kann so an eine elektronische Auswerte- und Steuereinheit angeschlossen sein. So kann ein elektrischer Stromfluss zwischen Elektroden detektiert oder auch initiiert werden. Bei den in Rede stehenden Untersuchungen kann dies durch die lebenden Zellen erreicht werden, die so adhäsiv an der Oberfläche anhaften und dort kultiviert sind. Durch die Zellen ändert sich die Impedanz, d. h. die frequenzabhängige Leitfähigkeit. Bei einer Zelladhäsion sinkt die Leitfähigkeit im Bereich hoher Frequenzen.Thus, living cells are cultured on such sensors. At the surface on which cells are to be cultivated, several electrodes can be discretely formed with respect to one another. Each individual electrode is electrically conductively contacted and can thus be connected to an electronic evaluation and control unit. Thus, an electric current flow between electrodes can be detected or initiated. In the investigations in question, this can be achieved by the living cells, which adhere adhesively to the surface and are cultivated there. Through the cells, the impedance changes, d. H. the frequency-dependent conductivity. In cell adhesion, the conductivity decreases in the range of high frequencies.

Es kann aber auch eine Bestimmung sich ändernder Feldpotentiale zwischen einer kleinen sich in unmittelbare Nähe zu Zellen angeordneten Messelektrode und einer größeren Referenzelektrode mit größerem Abstand zu Zellen vorgenommen werden. Der dabei detektierbare elektrische Stromfluss ist relativ klein, reicht aber aus um einen Feldeffekttransistor anzusteuern.However, it is also possible to make a determination of changing field potentials between a small measuring electrode arranged in the immediate vicinity of cells and a larger reference electrode at a greater distance from cells. The thereby detectable electric current flow is relatively small, but sufficient to drive a field effect transistor.

Üblicherweise werden die Elektroden auf einem elektrisch nicht leitenden Substrat aufgebracht, wobei geeignete Metalle oder elektrisch leitende Polymere als Elektrodenwerkstoff einsetzbar sind.Usually, the electrodes are applied to an electrically non-conductive substrate, with suitable metals or electrically conductive polymers can be used as the electrode material.

Problematisch ist es aber, dass Zellen auf diesen Oberflächen nicht ohne weiteres anwachsen, dort also nicht kultiviert und untersucht werden können. Um diesem Effekt entgegenzutreten werden Schichten auf der Oberfläche aufgebracht, die z. B. mit Gelatine, Fibronectin oder Laminin gebildet sein können. Die wirksame Dicke dieser Schichten ist aber recht hoch und kann bis zu einigen Mikrometern reichen. Die Schichten weisen einen entsprechend hohen elektrischen Widerstand auf, so dass die eigentlich messbare und für die Untersuchung auch nutzbare elektrische Spannung als Messsignal, stark abgeschwächt wird. Die erreichbaren Amplituden der messbaren extrazellulären elektrischen Spannung an Zellen liegen im Bereich weniger 100 μV, die aber durch eine Beschichtung deutlich reduziert ist. Messfehler können auch durch Inhomogenitäten in der Schicht und variierende Schichtdicken hervorgerufen werden.However, it is problematic that cells on these surfaces do not readily grow, so they can not be cultivated and examined there. To counteract this effect layers are applied to the surface, the z. B. may be formed with gelatin, fibronectin or laminin. The effective thickness of these layers is quite high and can reach up to several micrometers. The layers have a correspondingly high electrical resistance, so that the actually measurable and also usable for the investigation electrical voltage as a measurement signal, is greatly attenuated. The achievable amplitudes of the measurable extracellular electrical voltage on cells are in the range of less than 100 μV, which is significantly reduced by a coating. Measuring errors can also be caused by inhomogeneities in the layer and varying layer thicknesses.

Außerdem ist es beim Stand der Technik nachteilig, dass keine gezielte Beeinflussung möglich ist, an welchen Positionen lebende Zellen anwachsen bzw. anhaften. Dadurch kann mit den zu untersuchenden Zellen keine elektrisch leitende Verbindung von einer Elektrode zu mindestens einer weiteren Elektrode mit Sicherheit hergestellt werden. Diese Ortsselektivität des Zellbewuchses an Sensoren ist aber wichtig um zumindest nahezu konstante reproduzierbare Untersuchungsbedingungen erreichen zu können.In addition, it is disadvantageous in the prior art that no specific influencing is possible at which positions live cells adhere or adhere. As a result, with the cells to be examined, no electrically conductive connection can be made with certainty from one electrode to at least one further electrode. However, this spatial selectivity of cell growth on sensors is important in order to be able to achieve at least nearly constant, reproducible examination conditions.

Aus einer Pressemitteilung der Universität Jena „Laserlicht macht Zellen Beine” und von J. Reichert u. a. ist es aus „Tuning Cell Adhesion on PTFE Surfaces by Laser Induced Microstructures”; Advanced Engineering Materials; (2007) 9; No. 12; S. 1104–1111 ist es bekannt eine PTFE-Schicht auf Prothesen teilweise mit Laserstrahlung zu entfernen.From a press release of the University of Jena "Laser light makes cells legs" and by J. Reichert u. a. it is from "Tuning Cell Adhesion on PTFE Surfaces by Laser Induced Microstructures"; Advanced engineering materials; (2007) 9; No. 12; S. 1104-1111 it is known to partially remove a PTFE layer on prostheses with laser radiation.

Von Corey, J. M. u. a. wird in ”Micro resolution silane-based pattering of hippocampal neurons: Critical variables in photoresist and laser ablation processes substrate fabrication”; IEEE Trans. Biomed. Eng. (1996) 43(9) S. 944–55 auf einen Laserablationsabtrag einer Beschichtung aus Aminosilan hingewiesen, um das Zellwachstum zu beeinflussen.By Corey, J.M. a. is published in "Micro resolution silane-based pattering of hippocampal neurons: critical variables in photoresist and laser ablation processes substrate fabrication"; IEEE Trans. Biomed. Closely. (1996) 43 (9) p. 944-55 for a laser ablation ablation of an aminosilane coating to affect cell growth.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung Sensoren für elektrophysiologische Untersuchungen an lebenden Zellen zur Verfügung zu stellen, deren Messgenauigkeit erhöht ist und mit denen reproduzier- und vergleichbare Untersuchungsergebnisse erhalten werden können.It is therefore an object of the invention to provide sensors for electrophysiological examinations on living cells whose measurement accuracy is increased and with which reproducible and comparable examination results can be obtained.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Sensor, der die Merkmale des Anspruch 1 aufweist, gelöst. Er kann mit einem Verfahren nach Anspruch 8 hergestellt werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.According to the invention this object is achieved with a sensor having the features of claim 1. It can be produced by a method according to claim 8. Advantageous embodiments and developments of the invention can be achieved with features referred to in the subordinate claims.

Erfindungsgemäße Sensoren sind dabei so ausgebildet, dass mehrere Elektroden, wie aus dem Stand der Technik bekannt in einer Reihen- oder Matrixanordnung auf der Oberfläche eines Substrates ausgebildet und elektrisch leitend kontaktiert sind. Die Elektroden können z. B. in Dünnschichttechnologie, lithografische Verfahren bzw. durch ein Druckverfahren auf einem Substrat ausgebildet worden sein. Ein Substrat kann Glas, ein polymerer Werkstoff oder eine Keramik sein, so dass das Substrat nicht elektrisch leitend ist. Die Elektroden sind dabei diskret zueinander angeordnet, so dass zwischen den Elektroden jeweils Zwischenräume vorhanden sind.Sensors according to the invention are designed such that a plurality of electrodes, as known from the prior art, are formed in a series or matrix arrangement on the surface of a substrate and contacted in an electrically conductive manner. The electrodes can z. Example, in thin-film technology, lithographic processes or by a printing process on a substrate may be formed. A substrate may be glass, a polymeric material or a ceramic so that the substrate is not electrically conductive. The electrodes are discretely arranged to each other, so that between the electrodes each interstices are present.

In einer Alternative kann die elektrische Isolation der Elektroden allein mit einem geeigneten polymeren Substratwerkstoff erreicht werden. In einer weiteren Alternative kann in den Zwischenräumen zwischen Elektroden ein polymerer Werkstoff als Schicht auf der Substratoberfläche ausgebildet sein, der die Elektroden aber nicht überdeckt.In an alternative, the electrical isolation of the electrodes can be achieved solely with a suitable polymeric substrate material. In a further alternative, a polymeric material may be formed as a layer on the substrate surface in the interstices between electrodes, but does not cover the electrodes.

Für eine gezielte Beeinflussung des Haftungsverhaltens und eine Erhöhung der Adhäsion der Zellen an der Oberfläche sind bestimmte Oberflächenbereiche die entweder aus geeignetem polymeren Substratwerkstoff oder einem eine Schicht bildenden polymeren Werkstoff an der jeweiligen Oberfläche modifiziert. So können insbesondere Oberflächenbereiche, die in Zwischenräumen von Elektroden angeordnet sind, modifiziert sein. Oberflächenbereiche an äußeren Rändern der Elektrodenanordnung können beispielsweise nicht oder in anderer Form modifiziert sein.For a specific influencing of the adhesion behavior and an increase in the adhesion of the cells to the surface, certain surface areas are modified either from a suitable polymeric substrate material or a layer-forming polymeric material at the respective surface. In particular, surface areas which are arranged in interspaces of electrodes may be modified. For example, surface areas at outer edges of the electrode assembly may not be modified or otherwise modified.

Mit einer Oberflächenmodifizierung/-funktionalisierung kann die Adhäsionsbereitschaft von Zellen erhöht werden an bestimmten Positionen anzuhaften bzw. anzuwachsen. Dies sollte zumindest in der Nähe von Elektroden der Fall sein, deren Fläche üblicherweise eine Größe im Bereich 20 μm bis 50 μm aufweist. Je nach zu untersuchender Zellart liegt deren Größe im Bereich 10 μm bis 80 μm. Es ist bei einer gezielten Beeinflussung der lokalen Anhaftung von Zellen zu erwarten, dass die erforderliche elektrisch leitende Verbindung der Elektroden erreicht werden kann. Dabei kann auch berücksichtigt werden, dass auch extrazelluläre Signale in einem Abstand zwischen Zelle und Elektrode von 100 μm bis 200 μm detektierbar sind, da eine Störung durch eine Beschichtung ja nicht mehr vorhanden ist.With a surface modification / functionalization, the adhesion readiness of cells can be increased to adhere to certain positions. This should be the case at least in the vicinity of electrodes whose area usually has a size in the range of 20 μm to 50 μm. Depending on the type of cell to be examined, its size is in the range of 10 μm to 80 μm. It is to be expected in a targeted influencing of the local adhesion of cells that the required electrically conductive connection of the electrodes can be achieved. It can also be taken into account that even extracellular signals can be detected at a distance between the cell and the electrode of 100 μm to 200 μm, since interference by a coating is no longer present.

Wie bereits angesprochen können auch Oberflächenbereiche gezielt anders modifiziert sein. So besteht an einem erfindungsgemäßen Sensor die Möglichkeit die Oberfläche eines polymeren Werkstoffs zu hydrophobisieren, so dass dort keine Zellen anhaften und anwachsen können.As already mentioned, surface areas can also be specifically modified differently. Thus, it is possible to hydrophobize the surface of a polymeric material on a sensor according to the invention so that no cells can adhere and grow there.

Eine erhöhte Adhäsion für Zellen kann besonders vorteilhaft mit Carboxyl-, Hydroxyl- und/oder Aminogruppen, die an der Oberfläche des polymeren Werkstoffs angebunden sind, erreicht werden.Increased adhesion to cells can be achieved particularly advantageously with carboxyl, hydroxyl and / or amino groups attached to the surface of the polymeric material.

Hydrophobe Oberflächenbereiche können mit angebundenen Fluorverbindungen erhalten worden sein.Hydrophobic surface areas may have been obtained with tethered fluorine compounds.

Es können Polymere eingesetzt werden, die eine ausreichende Absorption bei der Wellenlänge der von einer Laserquelle emittierten Strahlung aufweisen. Dabei sollte die Photonenenergie der emittierten Strahlung ausreichen um die chemischen Bindungen aufzubrechen.Polymers can be used which have sufficient absorption at the wavelength of the radiation emitted by a laser source. The photon energy of the emitted radiation should be sufficient to break the chemical bonds.

Als besonders günstiger polymerer Werkstoff, der als Schicht- oder auch Substratwerkstoff eingesetzt und erfindungsgemäß modifiziert werden kann, ist Polystyrol. Es können aber auch Polycarbonat, PET, Polyimid bzw. Polysulfon, die bei einer Wellenlänge von 193 nm gut absorbieren oder PTFE, PMMa, PP und PE, die bei dieser Wellenlänge ein geringeres Absorptionsvermögen aufweisen, eingesetzt werden.As a particularly favorable polymeric material which can be used as a layer or substrate material and modified according to the invention is polystyrene. But it can also polycarbonate, PET, polyimide or polysulfone, which absorb well at a wavelength of 193 nm or PTFE, PMMa, PP and PE, which have a lower absorption capacity at this wavelength, are used.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Sensoren kann unter Berücksichtigung ob der polymere Werkstoff gleichzeitig auch Substratwerkstoff oder als Schichtwerkstoff auf der Substratoberfläche vorhanden ist, vorgegangen werden.The production of the sensors according to the invention can be carried out taking into account whether the polymeric material is at the same time also substrate material or as a layer material on the substrate surface.

Dabei ist die die Haftung von Zellen beeinflussende Vorgehensweise, die zur Modifizierung an der Oberfläche in vorgebbaren Positionen führt, in beiden Fällen gleich. Hierzu wird in einer Kammer oder einem Gehäuse das Substrat dem Einfluss von Umwandlungsprodukten eines Reaktivgases ausgesetzt. Dabei wird elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich des ultravioletten Lichts einer Laserlichtquelle in das in die Kammer oder Gehäuse eingeführte Reaktivgas gerichtet. In der Kammer oder dem Gehäuse ist auch das Substrat angeordnet, so dass die zu modifizierenden Oberflächenbereiche so ausgerichtet sind, dass eine Beeinflussung von Umwandlungsprodukten des Reaktivgases möglich ist.In this case, the procedure affecting the adhesion of cells, which leads to modification at the surface in predeterminable positions, is the same in both cases. For this purpose, the substrate is exposed to the influence of conversion products of a reactive gas in a chamber or a housing. In this case, electromagnetic radiation is directed in the wavelength range of the ultraviolet light of a laser light source in the introduced into the chamber or housing reactive gas. The substrate is also arranged in the chamber or housing, so that the surface areas to be modified are aligned in such a way that it is possible to influence conversion products of the reactive gas.

Als Reaktivgase können Luft, Sauerstoff oder Ammoniak jeweils allein, aber auch als Gemisch mit mindestens zwei dieser Gase, eingesetzt werden.As reactive gases, air, oxygen or ammonia can be used alone, but also as a mixture with at least two of these gases.

Die Leistung und/oder Energiedichte der Strahlung sind dabei so gewählt, dass eine direkte Beeinflussung weder am polymeren Werkstoff noch an den Elektroden auftritt. Vielmehr soll die Strahlung eine photochemische Reaktion/Umwandlung des Reaktivgases bewirken. Dabei sollen aktivierte Teile des Reaktivgases, wie z. B. Carboxylgruppen (COOH) bei Sauerstoff oder Aminogruppen (NH₂) bei Ammoniak an der Oberfläche des polymeren Werkstoffs anbinden und diese so modifiziert werden.The power and / or energy density of the radiation are chosen so that a direct influence neither on the polymeric material nor on the electrodes occurs. Rather, the radiation is a photochemical reaction / transformation of the Effect reactive gases. In this case, activated parts of the reactive gas, such as. B. carboxyl groups (COOH) at oxygen or amino groups (NH ₂ ) connect with ammonia at the surface of the polymeric material and these are modified.

Hydrophobe Oberflächenbereiche können z. B. mit SF6 als Reaktivgas erhalten werden.Hydrophobic surface areas may, for. B. be obtained with SF6 as a reactive gas.

Allein oder zusätzlich kann bei einer Modifizierung/Funktionalisierung mit der elektromagnetischen Strahlung auch eine Oberflächenstrukturierung durchgeführt werden, bei der dann Mikro- und Nanostrukturen an der Oberfläche ausgebildet werden. Solche Strukturen können mittels Laserinterferenz ausgebildet werden.Alone or in addition, in the case of a modification / functionalization with the electromagnetic radiation, a surface structuring can also be carried out in which microstructures and nanostructures are then formed on the surface. Such structures can be formed by means of laser interference.

Die Oberflächenmodifizierung/-funktionalisierung muss über eine Fläche nicht homogen erfolgen. Es kann auch ein Gradientenfeld ausgebildet werden. Hierfür kann eine Bestrahlung mit Einsatz von Gradientenfilter oder Graumasken vorgenommen werden.The surface modification / functionalization need not be homogeneous over an area. It can also be formed a gradient field. For this purpose, irradiation with the use of gradient filters or gray masks can be carried out.

Je nach Verfahrensführung können gezielt Oberflächenbereiche an einem Sensor erhalten werden, die unterschiedlich modifiziert sind. Dabei kann ein Reaktivgasgemisch mit wechselnden Gasanteilen eingesetzt, ein Wechsel der Reaktivgase während der Prozessierung oder auch eine Variation des Partialdruckes durchgeführt werden.Depending on the procedure, it is possible to selectively obtain surface areas on a sensor that are modified differently. In this case, a reactive gas mixture can be used with varying proportions of gas, a change of the reactive gases during processing or a variation of the partial pressure can be performed.

Als Laserlichtquelle kann beispielsweise ein ArF-Laser, der Strahlung mit einer Wellenlänge von 193 nm emittiert, eingesetzt werden.As the laser light source, for example, an ArF laser emitting radiation having a wavelength of 193 nm can be used.

Um gezielt bestimmte vorab vorgegebene Oberflächenbereiche zu modifizieren können Bereiche der Oberfläche, die nicht oder nur geringer beeinflusst werden sollen, mit entsprechend gestalteten Masken abgedeckt werden. Eine Beeinflussung ist auch mit einer geeigneten Auslenkung und ggf. auch Formung der Strahlung erreichbar. Dadurch kann beispielsweise auch eine Modifizierung mit Gradienten erfolgen, so dass Oberflächenbereiche unterschiedliche Modifizierungsgrade und eine dementsprechende andere Adhäsionswirkung für Zellen aufweisen können.In order to modify certain predefined surface areas in a targeted manner, areas of the surface that are not or only to be influenced to a lesser extent can be covered with appropriately designed masks. An influence can also be achieved with a suitable deflection and possibly also shaping of the radiation. As a result, for example, it is also possible to carry out a gradient modification so that surface areas can have different degrees of modification and a corresponding other adhesion effect for cells.

Bei einem Sensor, bei dem ein polymerer Werkstoff als Schicht auf einer Substratoberfläche ausgebildet ist, kann wie folgt verfahren werden.In a sensor in which a polymeric material is formed as a layer on a substrate surface, can be moved as follows.

Da der polymere Werkstoff die gesamte Oberfläche überdecken kann, was häufig herstellungsbedingt der Fall ist, und dabei auch die Elektroden überdeckt sind, wird der polymere Werkstoff im Bereich der Elektroden durch Ablation entfernt. Hierfür kann dieselbe Laserlichtquelle eingesetzt werden, die nachfolgend, wie bereits vorab erläutert, zur Oberflächenmodifizierung mit Reaktivgas einsetzbar ist. Die Leistung und/oder die Energiedichte im Brennfleck wird/werden aber so gewählt, dass ein Abtrag des polymeren Werkstoffs im Bereich der Elektroden erreicht werden kann. Dabei wird mit gegenüber dem Atmosphärendruck kleinerem Druck gearbeitet, was auch bei der Modifizierung mit dem Reaktivgas der Fall ist. Die gesamte Bearbeitung kann so bevorzugt in einer Unterdruckkammer durchgeführt werden. Während des ablativen Werkstoffabtrages sollte eine Absaugung erfolgen.Since the polymeric material can cover the entire surface, which is often the case due to production, and thereby also the electrodes are covered, the polymeric material in the region of the electrodes is removed by ablation. For this purpose, the same laser light source can be used, which subsequently, as already explained above, can be used for surface modification with reactive gas. The power and / or the energy density in the focal spot is / are, however, chosen so that a removal of the polymeric material in the region of the electrodes can be achieved. This is done with respect to the atmospheric pressure smaller pressure, which is also the case with the modification with the reactive gas. The entire processing can be carried out so preferably in a vacuum chamber. During the ablative material removal an extraction should take place.

Für eine Kultivierung oder auch bei Untersuchungen mit Probenflüssigkeiten können Elektroden und modifizierte Oberflächenbereiche in einem Flusskanal angeordnet sein, der von einem Kulturmedium für Zellen und/oder Probenflüssigkeit durchströmt werden kann.For cultivation or also in investigations with sample liquids, electrodes and modified surface areas can be arranged in a flow channel through which a culture medium for cells and / or sample liquid can flow.

Ein erfindungsgemäßer Sensor kann auch für vergleichende Untersuchungen eingesetzt werden und hierfür geeignet ausgebildet sein. Dabei können mehrere Reihen von Elektroden parallel nebeneinander angeordnet sein. Dabei kann die Ausrichtung der Reihen von Elektroden unter Berücksichtigung der Strömung von Kulturmedium und/oder Probenflüssigkeit erfolgt sein. Die Oberfläche kann dabei so modifiziert werden, dass Oberflächenbereiche in Zwischenräumen einer Reihe von Elektroden so modifiziert sind, dass sie eine erhöhte Adhäsion für die Zellen aufweisen und diese dann gemäß der vorgegebenen Achse entlang der Längsachse dieser Reihe von Elektroden anhaften und dann quasi eine Linie bilden. Zwischenräume zwischen den Reihen können dann an der Oberfläche so modifiziert sein, dass sie hydrophob, zumindest jedoch hydrophober als die Oberflächen in den vorab erwähnten Zwischenräumen von Elektroden in einer Reihe sind.A sensor according to the invention can also be used for comparative investigations and designed to be suitable for this purpose. In this case, a plurality of rows of electrodes can be arranged parallel to each other. In this case, the orientation of the rows of electrodes can be carried out taking into account the flow of culture medium and / or sample liquid. The surface may be modified such that surface areas in interstices of a row of electrodes are modified so that they have an increased adhesion to the cells and then adhere to the predetermined axis along the longitudinal axis of this series of electrodes and then form a quasi-line , Interstices between the rows may then be modified at the surface to be hydrophobic, but at least more hydrophobic than the surfaces in the aforementioned interstices of electrodes in a row.

So können die Zellen gut voneinander getrennt bei einer Untersuchung gehalten werden. In Verbindung mit einer geeigneten Flusskanalausbildung können dadurch Zellen die einer Reihe von Elektroden zugeordnet sind, anders beeinflusst werden als weitere Zellen, die anderen Reihen zugeordnet sind. So können Zellen einer Reihe mit einer Probenflüssigkeit und Zellen einer anderen Reihe mit einer anderen Probenflüssigkeit, bei ansonsten gleichen Untersuchungsbedingungen, untersucht werden. Dabei können die eingesetzten Probenflüssigkeiten auch für eine Dosierungsuntersuchung von Wirkstoffen oder auch toxischen Stoffen eingesetzt werden.This allows the cells to be kept well separated during an examination. In conjunction with proper flow channel formation, cells associated with one row of electrodes may be affected differently than other cells associated with other rows. Thus cells of one row can be examined with one sample liquid and cells of another row with another sample liquid under otherwise identical examination conditions. The sample liquids used can also be used for a dosing investigation of active substances or toxic substances.

Solche Reihenausbildungen von Elektroden und so anhaftenden Zellen sind auch vorteilhaft, bei Untersuchungen an Muskelzellen oder auch für eine Untersuchung der Reizweiterleitung einsetzbar.Such series formations of electrodes and thus adherent cells are also advantageous for use in studies on muscle cells or for a study of stimulus transmission.

Nachfolgend soll die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with reference to examples.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine schematische Schnittdarstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Sensors und 1 a schematic sectional view of an example of a sensor according to the invention and

2 eine Draufsicht auf einen Sensor nach 1. 2 a top view of a sensor after 1 ,

Bei dem in den 1 und 2 gezeigten Sensor ist auf einem Substrat 1 aus einer elektrisch nicht leitenden Keramik eine elektrisch leitende Beschichtung 2 als zwei geradlinig verlaufende Streifen aus einem Metall, z. B. einem Edelmetall, Aluminium oder Kupfer in Dünnschichttechnik ausgebildet worden.In the in the 1 and 2 shown sensor is on a substrate 1 from an electrically non-conductive ceramic an electrically conductive coating 2 as two straight stripes of a metal, z. B. a noble metal, aluminum or copper in thin film technology.

Auf dieser Oberfläche des Substrats 1 wurde durch Spin-Coating eine Schicht eines Polymers 3, hier Rolystyrol, mit einer Dicke im Bereich 300 bis 500 nm ausgebildet.On this surface of the substrate 1 spin-coating became a layer of a polymer 3 , here Rolystyrol, formed with a thickness in the range 300 to 500 nm.

Im Anschluss daran wurde diese Schicht punktuell durch Laserablation bis hin zur elektrisch leitenden Schicht 2 entfernt und dadurch Elektroden 5 freigelegt.Subsequently, this layer was punctured by laser ablation up to the electrically conductive layer 2 removed and thereby electrodes 5 exposed.

In einer Unterdruckkammer wurden Oberflächenbereiche 4a und 4b unter Einsatz von Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 193 nm modifiziert. Es wurde dabei eine Maske zur Abdeckung von Oberflächenbereichen, die nicht modifiziert werden sollten, eingesetzt. So konnten ebenfalls streifenförmige Oberflächenbereiche 4a und 4b erhalten werden, die um die Elektroden 5 ausgebildet waren. Wie in 2 gut erkennbar, können so zwei parallele Oberflächenbereiche 4a und 4b erhalten werden. Diese können in gleicher Weise modifiziert/funktionalisiert sein, so dass ein jeweils gleiches Zellwachstum in beiden Oberflächenbreichen erwartet werden kann. Dabei kann die Modifizierung mit der eingesetzten Laserstrahlung und einem Reaktivgas, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung erwähnt, durchgeführt werden, um z. B. Carboxyl- bzw. Aminogruppen dort auszubilden. Die Laserstrahlung kann bei dieser Modifizierung von der gleichen Quelle, die für die Ablation eingesetzt worden ist, emittiert werden. Der Laserstrahl wird aber so geformt, dass deutlich kleinere Energiedichten das Reaktivgas beeinflussen und durch Absorption eine Anregung der Moleküle erreicht wird, die wiederum zu Reaktionen mit dem Polystyrol führt.In a vacuum chamber, surface areas became 4a and 4b modified using laser radiation with a wavelength of 193 nm. A mask was used to cover surface areas that should not be modified. So could also strip-shaped surface areas 4a and 4b to be obtained around the electrodes 5 were trained. As in 2 well recognizable, so can two parallel surface areas 4a and 4b to be obtained. These can be modified / functionalized in the same way, so that in each case the same cell growth can be expected in both Oberflächenbreichen. In this case, the modification with the laser radiation used and a reactive gas, as mentioned in the general part of the description, to z. B. carboxyl or amino groups form there. The laser radiation in this modification can be emitted from the same source that has been used for the ablation. However, the laser beam is shaped in such a way that significantly lower energy densities influence the reactive gas and absorption of the molecules results in excitation of the molecules, which in turn leads to reactions with the polystyrene.

Es besteht aber auch die Möglichkeit beide streifenförmige Oberflächenbereiche 4a und 4b unterschiedlich zu modifizieren, also einen Oberflächenbereich 4a mit einem und den anderen Oberflächenbereich 4b mit einem anderen oder keinem Reaktivgas oder gar nicht zu modifizieren. Es besteht auch die Möglichkeit einen der beiden Oberflächenbereiche 4a oder 4b so zu modifizieren, dass hydrophobe Oberflächeneigenschaften vorhanden sind und dadurch ein Anwachsen von Zellen vermieden werden kann. In diesem Fall kann dann eine Referenzmessung in diesem Oberflächenbereich und den dort angeordneten Elektroden 3 durchgeführt werden.But there is also the possibility of both strip-shaped surface areas 4a and 4b different to modify, so a surface area 4a with one and the other surface area 4b with another or no reactive gas or not at all. There is also the possibility of one of the two surface areas 4a or 4b be modified so that hydrophobic surface properties are present and thereby growth of cells can be avoided. In this case, then a reference measurement in this surface area and the electrodes arranged there 3 be performed.

Claims

A sensor for electrophysiological examination of living cells, wherein electrodes are formed in a series or matrix arrangement on the surface of an electrically insulating substrate and are electrically isolated from each other by the polymeric substrate material or a polymeric material deposited between the electrodes on the substrate surface; characterized in that the surface of a polymeric material or polymeric substrate material is locally specifically modified by bonded to the polymer material or polymeric substrate material carboxyl, hydroxyl and / or amino groups, so that surface areas ( 4a . 4b ) with increased adhesion for cells between electrodes ( 5 ) available.

Sensor according to claim 1, characterized in that additionally surface areas ( 4a . 4b ) of the polymeric material are locally specifically hydrophobicized.

Sensor according to claim 2, characterized in that the surface is modified with a fluorine compound.

Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the polymeric material is polystyrene, polycarbonate, PET, polyimide ,. Polysulfone, PTFE, PMMa, PP or PE is.

Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that electrodes ( 5 ) and modified surface areas ( 4a . 4b ) are arranged within a flow channel for culture medium and / or sample liquid.

Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of series arrangements of electrodes ( 5 ) are present, while a number of associated cells can be influenced by a Flusskanalausbildung each with a different culture medium or different sample liquid.

Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that surface areas are modified as a gradient field.

Method for producing a sensor for electrophysiological examinations on living cells, in which the surface on the electrodes ( 5 ) are formed in a series or matrix arrangement and are electrically insulated from one another with a polymeric material, surface areas ( 4a . 4b ) of the polymeric material between electrodes ( 5 ) are selectively modified locally, in which a reactive gas is photochemically functionalized with electromagnetic radiation in the wavelength range of the ultraviolet light of a laser light source, so that surface areas ( 4a . 4b ), on which cells can better adhere.

A method according to claim 8, characterized in that is used as the reactive gas, air, oxygen, ammonia or a mixture of at least two of these gases.

Method according to claim 8 or 9, characterized in that surface areas ( 4a . 4b ) are locally specifically modified so that they are hydrophobic and have no adhesion to cells, being used as the reactive gas, a fluorine compound which is photochemically functionalized with the electromagnetic radiation.

Method according to one of claims 8 to 10, characterized in that on the surface of a substrate ( 1 ) on the electrodes ( 5 ), an electrically insulating layer ( 3 ) is formed of a polymeric material, which subsequently in surface areas at which electrodes ( 5 ) are removed by ablation with electromagnetic radiation in the wavelength range of ultraviolet light of a laser light source and subsequently the surface modification is performed by supplying reactive gas with the same laser light source at reduced power and / or energy density.

Method according to one of claims 8 to 11, characterized in that masks are used for the targeted local modification.

Method according to one of claims 8 to 12, characterized in that one operates at a pressure below the atmospheric pressure.

Method according to one of claims 8 to 13, characterized in that in areas between electrodes ( 5 ) Micro and / or nanostructures are formed.

A method according to claim 14, characterized in that micro or nanostructures are formed by means of laser interference.

Method according to one of claims 8 to 15, characterized in that the modification of areas in the form of a gradient field is achieved by irradiation using gradient filters or gray masks.