DE19712309A1 - Mikroelementenanordnung, Verfahren zum Kontaktieren von in einer flüssigen Umgebung befindlichen Zellen und Verfahren zum Herstellen einer Mikroelementenanordnung - Google Patents
Mikroelementenanordnung, Verfahren zum Kontaktieren von in einer flüssigen Umgebung befindlichen Zellen und Verfahren zum Herstellen einer MikroelementenanordnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Mikroelementenanordnung mit einer
Vielzahl von auf einem Substrat angeordneten Mikroelementen
zum Kontaktieren von in einer flüssigen, vorzugsweise biolo
gischen Umgebung befindlichen Zellen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Kontaktieren
von in einer flüssigen, vorzugsweise biologischen Umgebung
oberhalb eines Substrats befindlichen Zellen, bei dem ein Kontakt
zwischen den Zellen und Mikroelementen hergestellt wird.
Die Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zum Herstellen
einer Mikroelementenanordnung mit einer Vielzahl von Mikro
elektroden, bei dem die Mikroelemente auf einem Substrat
angeordnet werden.
Es ist bekannt, zum Untersuchen von biologischen Zellen soge
nannte Mikroelektrodenanordnungen einzusetzen. Die Mikro
elektrodenanordnungen dienen dabei z. B. zum Stimulieren der
Zellen oder zum Ableiten von Potentialen. Die Untersuchungen
können dabei in einer biologischen Umgebung durchgeführt werden
oder auch in einer artiziellen Umgebung. Diese kann z. B. eine
Suspension mit künstlichen Vesikeln aus Lipiden sein, wobei
in die Vesikelhülle Poren als Modellsystem für biologische Zellen
eingebaut sind. Die Anordnungen umfassen hierzu auf einem
Substrat eine Vielzahl von Mikroelektroden, deren Abmessungen
etwa in der Größenordnung der Zellen liegen, also im Bereich
von einigen µm bis einige 10 µm.
Aus der prioritätsälteren, jedoch nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung P 195 29 371 ist eine derartige Mikro
elektrodenanordnung bekannt.
Zur Messung der Bio-/Chemolumineszenz, z. B. als Reaktion auf
chemische Reize (Noxen, Pharmaka) sowie zur Messung von Ände
rungen der Lichtabsorption durch einen solchen Reiz bei Verwen
dung einer Lichtquelle oberhalb der Zellen können licht
empfindliche Mikroelemente eingesetzt werden, z. B. Mikro
photodioden, die für bestimmte Spektralbereiche empfindlich
sind.
Mikroelektroden, Mikrophotodioden und dgl. werden im Rahmen
der vorliegenden Erfindung gesamthaft als "Mikroelemente"
bezeichnet.
Bei Mikroelektrodenanordnungen herkömmlicher Art sowie den damit
ausgeführten Verfahren stellen sich unter anderem die folgenden
Probleme:
Wenn die Mikroelektrodenanordnung in Kontakt mit einer Suspen sion, d. h. einer flüssigen, z. B. einer biologischen Umgebung gebracht wird, in der sich Zellen befinden, ist man mehr oder weniger auf den Zufall angewiesen, daß die eine oder die andere Zelle sich auf einer bestimmten Elektrode niederläßt. In der Praxis lassen sich die Zellen im allgemeinen nur unter teilweiser Überdeckung auf einer Elektrode nieder, so daß die Stimulation der Zelle bzw. die Ableitung eines Zellpotentials auf diese Teilfläche beschränkt ist. Bei einer Stimulation der Zelle geht dabei bspw. ein Teil der Stimulationsenergie in der als Elektro lyt wirkenden Suspension verloren.
Wenn die Mikroelektrodenanordnung in Kontakt mit einer Suspen sion, d. h. einer flüssigen, z. B. einer biologischen Umgebung gebracht wird, in der sich Zellen befinden, ist man mehr oder weniger auf den Zufall angewiesen, daß die eine oder die andere Zelle sich auf einer bestimmten Elektrode niederläßt. In der Praxis lassen sich die Zellen im allgemeinen nur unter teilweiser Überdeckung auf einer Elektrode nieder, so daß die Stimulation der Zelle bzw. die Ableitung eines Zellpotentials auf diese Teilfläche beschränkt ist. Bei einer Stimulation der Zelle geht dabei bspw. ein Teil der Stimulationsenergie in der als Elektro lyt wirkenden Suspension verloren.
Darüber hinaus sitzen die Zellen nur lose auf den Elektroden
auf. Dies kann zu Problemen hinsichtlich des Abdichtwiderstandes
zur Referenzelektrode führen. Darüber hinaus ist der Kontakt
sehr empfindlich und wird bereits bei äußerst geringen mecha
nischen Beeinflussungen wieder gestört, weil sich die Zelle
vom Kontakt löst.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Mikro
elementenanordnung, ein Verfahren zum Kontaktieren sowie ein
Verfahren zum Herstellen einer derartigen Mikroelementenanordnung
dahingehend weiterzubilden, daß die vorstehend genannten Probleme
vermieden werden. Insbesondere soll es möglich werden, aus der
flüssigen Umgebung gezielt einzelne Zellen in Kontakt mit den
Mikroelementen zu bringen und dort einen guten Kontakt herzu
stellen.
Bei der eingangs genannten Mikroelementenanordnung wird diese
Aufgabe erfindungsgemäß durch Mittel zum Führen und/oder
Vereinzeln und/oder mechanischen Anziehen der Zellen an die
Mikroelementen gelöst.
Bei dem eingangs zunächst genannten Verfahren zum Kontaktieren
wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine
Führungs- und/oder Anziehungskraft zwischen den Zellen und den
Mikroelementen bzw. dem Substrat erzeugt wird.
Schließlich wird bei dem eingangs als zweites genannten Verfahren
zum Herstellen einer Mikroelementenanordnung die Aufgabe
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Substrat mindestens
aus einer Grundplatte und einer darüberliegenden Deckplatte
hergestellt wird.
Die zugrundeliegende Aufgabe wird vollkommen gelöst.
Dadurch, daß die Zellen mechanisch an die Mikroelemente angezogen
werden, ergeben sich nämlich zwei Vorteile:
Solange die Zellen sich noch frei in der flüssigen Umgebung befinden, bewirkt die Anziehungskraft, daß sich die Zellen gezielt auf die Elemente zu bewegen. Man ist daher nicht mehr auf den Zufall angewiesen, daß sich die eine oder die andere Zelle auf einem vorbestimmten Mikroelement niederlassen würde.
Solange die Zellen sich noch frei in der flüssigen Umgebung befinden, bewirkt die Anziehungskraft, daß sich die Zellen gezielt auf die Elemente zu bewegen. Man ist daher nicht mehr auf den Zufall angewiesen, daß sich die eine oder die andere Zelle auf einem vorbestimmten Mikroelement niederlassen würde.
Wie bereits erwähnt wurde, bezieht sich die vorliegende Anmeldung
auf Mikroelemente, d. h. vorzugsweise Mikroelektroden oder
Mikrophotodioden, ohne auf diese Anwendung eingeschränkt zu
sein. Dies betrifft insbesondere auch die weiter unten geschil
derten Ausführungsbeispiele, bei denen von Mikroelektroden die
Rede ist, wobei jedoch die Ausführungen zumeist auch für
Mikrophotodioden und ähnliche Mikroelemente gelten.
Zum anderen bewirkt eine fortwährende Anziehungskraft im Falle
einer Mikroelektrode, daß die Zellen mit einer gewissen Kontakt
kraft gegen die Mikroelektroden gedrückt werden und sich dadurch
ein besonders guter Abdichtwiderstand zur Referenzelektrode
ergibt, und die Anhaftung darüber hinaus auch mechanisch stabil
ist. Der elektrische Widerstand und damit das meßbare Signal
(Aktionspotential) wird wesentlich verbessert.
Aus einem anderen Fachgebiet, der sogenannten Patch-Clamp-Technik
ist es zwar bekannt, Zellen an eine Pipette mit Unterdruck
anzusaugen (vgl. US-Z "Nature", Vol. 260, S. 799-801, 1976),
bei der Patch-Clamp-Technik muß jedoch die Pipette gezielt an
eine einzelne Zelle herangeführt werden. Bei der Patch-Clamp-Technik
werden die zu kontaktierenden Zellen nicht bewegt, da
sie in der Regel am Substrat anhaften. Das Kontaktieren von
Zellen mit Patch-Clamp-Pipetten wird wesentlich erleichtert,
wenn die Zellen durch Adhäsion immobilisiert sind. Translokali
sation adhärierender Zellen führt fast immer zu letalen Zellschä
digungen. Der Hauptnachteil der Patch-Clamp-Technik liegt in
der Beschränkung der Anzahl gleichzeitig kontaktierbarer Zellen,
da aus Platzgründen nicht beliebig viele Pipetten in die
Kulturkammer eingeführt werden können. Die Erfindung hat
demgegenüber den Vorteil, daß eine Vielzahl von Zellen gleich
zeitig kontaktiert werden kann, ohne daß die erwähnten Platz
probleme auftreten.
Die Verwendung einer Grundplatte sowie einer davon getrennten
Deckplatte hat im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere
Vorteile bei wiederholter Verwendung der erfindungsgemäßen
Anordnung. So können z. B. die Grundplatte und die Deckplatte
jeweils einzeln oder zusammen mehrfach wiederverwendet werden.
Für die beiden Platten können darüber hinaus unterschiedliche
Herstellungsverfahren und Materialien eingesetzt werden.
Schließlich ergibt sich ein Vorteil bei der Ausformung der
Elektrodengeometrie durch die Geometrie (die Öffnungen) der
Deckplatte sowie eine dadurch vereinfachte Herstellung.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Anordnung üben die Mittel eine Unterdruck-Kraft auf die Zellen
aus.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß durch rein mechanische
Mittel, nämlich durch Erzeugen eines Unterdrucks bzw. Vakuums,
die erforderliche Anziehungskraft erzeugt werden kann.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung üben die
Mittel eine hydrodynamische Kraft auf die Zellen aus.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß durch das Erzeugen einer
Strömung in der flüssigen biologischen Umgebung die gewünschte
Kraft ebenfalls auf einfache Weise erzeugt werden kann.
Bevorzugt ist ferner, wenn die Mittel Kanäle umfassen, die in
einer Kontaktoberfläche der Mikroelemente ausmünden.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Zellen an die Mikro
elemente herangeführt und dort festgehalten werden können, wobei
gleichzeitig praktisch eine Zentrierung der Zellen auf den
Mikroelementen möglich ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ferner bevorzugt, wenn die
Kanäle mit einer Unterdruckquelle verbindbar sind.
Dann kann in der bereits erwähnten Weise die Zelle mittels einer
Unterdruck-Kraft an die Kontaktoberfläche herangeführt und dort
festgehalten werden.
Bei dem alternativen Ausführungsbeispiel sind die Kanäle mit
einer Pumpeinrichtung für die flüssige Umgebung verbunden. Die
Pumpeinrichtung ist vorzugsweise als Elektroosmose-Einrichtung
ausgebildet.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß der erforderliche hydro
dynamische Fluß durch einfache Elektroosmose erzeugt werden
kann. Bei der Elektroosmose kann bei gleichem Kanalquerschnitt
ein im Vergleich zu normalen Unterdruckeinrichtungen erheblich
größerer hydrodynamischer Fluß der Suspension erzeugt werden.
Man kann daher auf diese Weise Zellen aus der weiteren Umgebung
der Kontaktoberfläche mit hoher Wirksamkeit anziehen. Elektro
osmotisches Pumpen wird umso vorteilhafter gegenüber pneuma
tischen Pumpen, je kleiner der Kanalquerschnitt ist.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieses Ausführungsbeispiels
umfaßt die Pumpeinrichtung als Elektroosmose-Einrichtung zwei
Elektroden, die an entgegengesetzten Enden der Kanäle wirksam
sind, wobei zwischen die Elektroden eine Spannung geschaltet
ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die gewünschte Elektroosmose-Ein
richtung mit extrem einfachen Bauelementen realisiert wird.
Ferner ist bevorzugt, wenn die Mittel eine elektrostatische
Kraft auf die Zellen ausüben.
Auch diese Maßnahme hat den Vorteil, daß mit einfachen tech
nischen Mitteln die gewünschte Kraft auf die Zellen ausgeübt
wird, um diese zu führen, zu vereinzeln oder anzuziehen.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die auch
isoliert und in anderem Zusammenhang eingesetzt werden können,
sind Mittel zum Führen und/oder Vereinzeln der Zellen vor dem
mechanischen Anziehen an die Mikroelemente vorgesehen.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß einzelne Zellen gezielt
an die Mikroelemente herangeführt werden können, so daß sich
beim Kontaktieren der Zellen definierte Verhältnisse ergeben.
Bevorzugt umfassen die Mittel trichterartige Mikroküvetten im
Substrat, wobei sich die Mikroelemente am Boden der Mikroküvetten
befinden.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Zellen von den trichter
artigen Mikroküvetten eingefangen und gezielt auf die vorzugs
weise ringförmigen Elektroden aufgesetzt werden. Dies geschieht
unabhängig davon, ob die Zellen angezogen werden oder ob sie
infolge der Schwerkraft passiv absinken. Die Zellen werden
dadurch auch mechanisch auf den Mikroelektroden zentriert.
Bevorzugt ist, wenn Oberflächenbereiche zwischen den Mikro
küvetten mit einem zellabweisenden Substrat beschichtet sind.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß ein passives Absinken der
Zellen infolge Schwerkraft auf die Zwischenräume zwischen den
Küvetten verhindert werden kann, indem die Oberfläche im Bereich
dieser Zwischenräume mit einem repulsiven, d. h. einem zellab
weisenden Substrat beschichtet wird. Die Zellen senken sich
dann bevorzugt in die Trichter, d. h. die Küvetten, ab und haften
dann auf den Küvettenböden. Dies gilt insbesondere dann, wenn
diese zusätzlich mit einem attraktiven Substrat beschichtet
sind.
Erfindungsgemäß besteht das Substrat vorzugsweise mindestens
aus einer Grundplatte und einer darüberliegenden Deckplatte.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Mittel zum mechanischen
Anziehen der Zellen als Einzelelemente, bspw. als Kanalsystem,
als Elektroden, Mikroküvetten usw. definiert auf der Grundplatte
und/oder der Deckplatte vorgesehen werden können.
Bevorzugt bestehen die Grundplatte und/oder die Deckplatte aus
Quarz, Glas, Silizium oder Kunststoff, insbesondere aus Poly
styrol, PMMA oder Polyimid.
Weiterhin ist bevorzugt, wenn die Grundplatte und/oder die
Deckplatte aus einem für Licht durchlässigen Material bestehen,
wobei die Wellenlänge des Lichtes in einem für Mikroskopie
techniken zugänglichen Bereich des Spektrums liegt.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine optische Beobachtung
der Experimente über ein Mikroskop oder dgl. möglich ist.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung mit aufeinander
geschichteten Platten ist bevorzugt, wenn die mit den Mikro
elementen versehene Grundplatte seitlich als Steckerleiste
herausgeführt ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß ein einfacher elektrischer
Zugriff auf die Mikroelemente von außen her möglich ist und
daß die Anordnung insgesamt problemlos in übliche standardisierte
elektrische Meßaufbauten integriert werden kann.
Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang ferner, wenn
die Grundplatte mindestens aus einer unteren Signalverarbeitungs-Platte
und einer darüberliegenden Elementen-Platte besteht.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die sehr schwachen von den
Zellen abgeleiteten Meßsignale auf kurzem Wege bereits verar
beitet werden können, so daß ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis
erreicht werden kann.
Auch in diesem Falle ist es analog vorteilhaft, wenn die
Signalverarbeitungs-Platte seitlich als Steckerleiste heraus
geführt ist.
Eine gute Wirkung wird ferner dann erzielt, wenn die Mikro
elektroden Ableitelektroden sowie Reizelektroden und/oder
Referenzelektroden umfassen.
Eine solche Mehrfachelektrodenanordnung hat den Vorteil, daß
sehr unterschiedliche Experimente unter reproduzierbaren
Bedingungen durchgeführt werden können.
Bevorzugt sind die mehreren Elektroden dabei konzentrisch
zueinander angeordnet.
Sofern eine Referenzelektrode vorgesehen ist, wird diese
vorzugsweise im Abstand oberhalb der am Boden der Mikroküvette
angeordneten Ableitelektrode angeordnet.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Anordnung ist die mit der Umgebung in Kontakt befindliche
Oberfläche der Mikroelektrode größer als die mit der Zelle in
Kontakt befindliche Oberfläche.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die sogenannte Helmholtz-Ka
pazität vermindert wird. Für die Helmholtz-Kapazität ist
nämlich die Oberfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt, d. h.
der Umgebung, maßgeblich, nicht hingegen die Oberfläche, die
mit der Zelle in Kontakt steht.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieses Ausführungsbeispiels
ist die Mikroelektrode als Kammer in einem Substrat ausgebildet,
wobei die Kammer über eine Öffnung in den das Substrat umgebenden
Außenraum mündet.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß in Gestalt eines Kanals
oder eines verschlossenen Hohlraums Elektroden großer Oberfläche
versenkt werden können, indem die entsprechende Oberfläche des
Kanals oder Hohlraums z. B. vergoldet wird. Der Abdichtwiderstand
gegen die Referenzelektrode wird dabei durch die Abdichtung
der zellseitigen Kanal- oder Hohlraumöffnung bestimmt, die
kleingehalten werden kann. Durch diese Anordnung können kleinere
Impedanzen und damit bessere Ableiteigenschaften realisiert
werden. Statt eines Hohlraumes oder eines Kanals mit vergoldeter
Oberfläche kann z. B. auch ein Schwamm aus einem Edelmetall,
bspw. ein Platinschwamm, verwendet werden. Diese Anordnung ist
auch außerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung einsetzbar.
Bei Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum
elektrischen Kontaktieren wird die Kraft, wie bereits erwähnt,
vorzugsweise als Unterdruck-Kraft oder als hydrodynamische Kraft,
letztere vorzugsweise mittels Elektroosmose, oder als elektro
statische Kraft ausgeübt.
Auf diese Weise kann eine Kontaktkraft zwischen Zellen und
Mikroelektrode und/oder eine Kraft für eine gerichtete Bewegung
der Zellen auf die Mikroelektroden zu ausgeübt werden.
Bei bevorzugten Varianten des Verfahrens werden die Zellen über
die Mikroelektroden stimuliert oder es werden über die Mikro
elektroden Potentiale von den Zellen abgeleitet. Alternativ
können über die als Mikrophotodioden ausgebildeten Mikroelemente
die Lumineszenz der Zellen und/oder deren Lichtabsorption
gemessen werden, wie weiter oben bereits erläutert.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer
Mikroelektrodenanordnung wird vorzugsweise in der Grundplatte
ein Kanalsystem ausgebildet, in der Deckplatte werden Mikro
küvetten ausgeformt und die Grundplatte wird mit der Deckplatte
derart zusammengefügt, daß Öffnungen am Boden der Mikroküvetten
in Kontaktoberflächen der Mikroelemente angeordnet sind und
mit dem Kanalsystem kommunizieren.
Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß mit an sich bekannten
und beherrschbaren Mikrostrukturtechniken die erforderlichen
Elemente für die Mittel zum mechanischen Anziehen der Zellen
in der Mikroelementenanordnung hergestellt werden können.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieses Verfahrens
sind folgende Schritte vorgesehen:
- a) Versehen von Grundplatte und/oder Deckplatte auf ihren einander zuweisenden Oberflächen mit einer Schicht von Molekülen mit reaktiver Endgruppe;
- b) Zusammenfügen von Grundplatte und Deckplatte; und
- c) Aktivieren einer kovalenten Bindung der Schichten mittels eines äußeren Stimulus.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Montage von Grundplatte
und Deckplatte aufeinander in präziser Weise möglich ist, wobei
auf mechanische Verbindungselemente und dgl. verzichtet werden
kann.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn nach Schritt b) die Grund
platte und die Deckplatte relativ zueinander justiert werden.
Diese Maßnahmen machen sich mit Vorteil zunutze, daß vor dem
Aktivieren der kovalenten Bindung noch ein Verschieben von
Grundplatte und Deckplatte relativ zueinander möglich ist. Man
kann daher die beiden Teile relativ zueinander in einem Maska
ligner oder einer ähnlichen Apparatur ausrichten.
Erst anschließend wird der äußere Stimulus ausgeübt, bevorzugt
als Temperatur, Licht oder als elektrisches Feld.
Bei einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Herstellver
fahrens werden die Grundplatte und die Deckplatte durch anodi
sches oder metallisches Bonden miteinander verbunden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der
beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachste
hend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen
oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der
vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der beigefügten
Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschrei
bung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1A und 1B
eine äußerst schematisierte Querschnittsdarstellung
eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen
Mikroelektrodenanordnung in zwei unterschiedlichen
Betriebsphasen;
Fig. 2 eine Darstellung, ähnlich Fig. 1A und 1B, jedoch für
eine Mikroelektrodenanordnung nach dem Stand der
Technik;
Fig. 3 eine weitere Darstellung, ähnlich Fig. 1A und 1B,
jedoch für ein anderes Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
Fig. 4 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Mikroelektrodenanordnung;
Fig. 5 und 6
in vergrößertem Maßstab zwei Darstellungen von
Schnitten durch Mikroküvetten, wie sie bei der
Anordnung gemäß Fig. 5 verwendet werden können; und
Fig. 7 in einer Querschnittsdarstellung eine weitere Aus
führungsform einer erfindungsgemaßen Mikroelektrode.
In Fig. 1 bezeichnet 10 als Ganzes eine Mikroelementenanordnung.
Die Anordnung besteht im wesentlichen aus einem zweischichtigen
Substrat mit einer Grundplatte 15 und einer Deckplatte 16. Wie
bereits erwähnt wurde, sind die nachfolgend geschilderten
Mikroelektroden nur als Beispiele für Mikroelemente unterschied
licher Art zu verstehen. Die Erfindung ist also nicht auf den
Anwendungsbereich der Mikroelektroden beschränkt.
In der Deckplatte 16 sind trichterartige Mikroküvetten 20
angebracht. Die Mikroküvetten 20 laufen an ihrer Unterseite
in Ringelektroden 21 aus. Die Ringelektroden 21 münden mit ihrer
zentralen Öffnung in einen gemeinsamen Kanal 23 oder können
einzeln nach außen geführt werden.
Der Kanal 23 wird vorzugsweise mit mikrotechnischen Verfahren
so geformt, daß ein Graben in die Grundplatte geätzt wird. Der
Kanal 23 bildet sich dann durch Auflegen der Deckplatte.
Die Oberseite der Ringelektroden 21 dienen als Kontakt-Ober
flächen 24. Die Ringelektroden 21 können z. B. mittels Leiter
bahnen 25 in der Trennebene zwischen Grundplatte 15 und Deck
platte 16 anschließbar sein, aber auch andere Leiterführungen
sind möglich, wie mit 25a angedeutet.
Oberhalb der Anordnung 10 befindet sich eine mit 30 angedeutet
flüssige biologische Umgebung oder Suspension oder Pufferlösung,
in der sich biologische Zellen 31 befinden. Auch hier ist der
Fall einer biologischen Umgebung als Elektrolyt nur beispielhaft
zu verstehen. Möglich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung
auch die Verwendung einer Suspension mit künstlichen Vesikeln
aus Lipiden, wobei in die Vesikelhülle Poren als Modellsystem
für biologische Zellen eingebaut sind. Die Suspension stellt
dann keine flüssige biologische sondern vielmehr eine flüssige
artifizielle Umgebung dar.
Wie aus Fig. 1A erkennbar, befinden sich die Zellen 31 ungeordnet
in der Umgebung 30.
Wenn nun, wie mit einem Pfeil 33 angedeutet, ein Unterdruck
an den gemeinsamen Kanal 23 angelegt wird, werden Zellen 31
in Richtung auf die Ringelektroden 21 zu angesaugt.
Aus Fig. 1B ist erkennbar, daß eine Zelle 31 infolge des
wirksamen Unterdrucks auf der Ringelektrode 21 aufsitzt und
dort festgehalten wird, wie mit einem Pfeil 34 angedeutet.
Die Mikroküvetten 20 bewirken dabei, daß die Zellen 31 auf den
Ringelektroden 21 bzw. den Kontakt-Oberflächen 24 zentriert
werden. Auf diese Weise ist die Kontaktfläche zwischen den Zellen
und den Mikroelektroden besonders groß.
Im Gegensatz dazu ist in Fig. 2 eine herkömmliche Anordnung
dargestellt. Auf einem Substrat 40 sitzen vereinzelte Elektroden
41. Mehr oder weniger zufällig setzen sich nun Zellen 42 auf
den Elektroden 41 ab. Eine Zelle 42a in Fig. 2 sitzt bspw. nur
auf dem Substrat 40 und hat keinerlei Kontakt mit einer Elektrode
41. Zellen 42b und 42c sitzen bspw. unter teilweiser Überlappung
auf Elektroden 41, wobei das Überlappungsverhältnis ebenfalls
zufällig ist.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt.
Eine Mikroelektrodenanordnung 50 umfaßt wiederum eine Grundplatte
51 und eine Deckplatte 52. In der Deckplatte 52 sind wiederum
Mikroküvetten 60 ausgeformt, an deren Boden sich Ringelektroden
61 mit Kontaktoberflächen 64 befinden.
Die Grundplatte 51 umfaßt ein Kanalsystem mit Stichkanälen 62,
die zentral in den Ringelektroden 61 ausmünden. Die Stichkanäle
62 sind wiederum an einen gemeinsamen Kanal 63 angeschlossen.
Der gemeinsame Kanal 63 kann auch hier (vgl. Fig. 1) als Graben
ohne Stichkanäle ausgebildet sein.
Insoweit entspricht das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 dem
gemäß Fig. 1A und 1B.
In Abweichung dazu ist der gemeinsame Kanal 63 an ein Reservoir
65 angeschlossen. Oberhalb der Deckplatte 52 befindet sich eine
erste Elektrode 66. Im Reservoir 65 befindet sich eine zweite
Elektrode 67. Zwischen die Elektroden 66, 67 ist eine Spannung
geschaltet, die mit "+" und "-" angedeutet ist.
Wenn die Spannung zwischen die Elektroden 66 und 67 gelegt wird,
entsteht ein elektrisches Feld E tangential zu den Wänden des
Kanals 63, wie mit "E" in Fig. 3 eingezeichnet. Dies wiederum
führt in dem Elektrolyt-gefüllten Kanal 63 zu einem Elektrolyt
transport und damit zu einer hydrodynamischen Strömung. Die
oberhalb der Deckplatte 52 befindliche Suspension, die in Fig.
3 mit 70 angedeutet ist, strömt dann auf die Mikroküvetten 60
zu. Auf diese Weise wird auf Zellen 71 in der Suspension 70
eine Kraft ausgeübt, wie mit einem Pfeil 72 angedeutet.
Die Zellen 71 setzen sich dann zentriert auf den Ringelektroden
61 ab, wie dies bereits in Fig. 1B für das dort beschriebene
Ausführungsbeispiel dargestellt wurde.
Fig. 4 zeigt in der Draufsicht ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Mikroelektrodenanordnung 80. Diese besteht aus einer
Plattenanordnung 81, aus der seitlich eine Steckerleiste 82
mit Kontaktzungen 83 vorsteht.
In der Plattenanordnung 81 sind von oben Küvetten eingelassen,
bspw. 8 × 12 = 96 Küvetten, wobei diese Anzahl auch wesentlich
größer oder kleiner sein kann.
In einer der Küvetten 84 sind eine Ableitelektrode 85, eine
Reizelektrode 86 sowie eine Referenzelektrode 87 angedeutet.
Die Elektroden 85, 86, 87 sind vorzugsweise konzentrisch
zueinander angeordnet.
Die Plattenanordnung 80 ist im Aufbau mehrschichtig, wie bereits
weiter oben erläutert wurde. Die Fig. 5 und 6 zeigen im Schnitt
zwei Varianten des Schichtenaufbaus.
Bei der Variante gemäß Fig. 5 sind eine Grundplatte 90 sowie
eine Deckplatte 91 vorgesehen. In der Grundplatte 90 befinden
sich mindestens die Ableitelektroden 85, während in der Küvette
84a eine Referenzelektrode 87a im Abstand oberhalb der Ableit
elektrode 85a angeordnet ist.
Die Ableitelektroden 85a sind mit einer Leitung 93 verbunden,
die Referenzelektroden 87a mit einer Leitung 92. Es versteht
sich, daß die Leitungsführung hier und auch bei den anderen
Figuren nur äußerst schematisch zu verstehen ist. Die Leitungen
können als Einfachleitungen, Mehrfachleitungen oder als im
Multiplexbetrieb verwendete Leitungen ausgebildet sein.
In Fig. 5 ist ferner mit einem Pfeil ein elektrisches Feld E
angedeutet, das ebenfalls verwendet werden kann, um eine
elektrostatische Kraft auf Zellen auszuüben, die sich dann an
den schrägen Flächen der Küvette 84a nach unten führen lassen
und schließlich auf die Ableitelektroden 85a sinken. Im allge
meinen wird aber die Wirkung der Schwerkraft ausreichen.
Bei der Variante gemäß Fig. 6 wird eine mindestens dreischichtige
Anordnung verwendet. Auf einer Signalverarbeitungs-Platte 95
befindet sich eine Elektroden-Platte 96. Oberhalb dieser
ist - ggf. über eine Dichtung 98 - eine Deckplatte 97 angeordnet.
In der Signalverarbeitungs-Platte 95 befinden sich Verstärker
100, ggf. inklusive Impedanz-Wandlern, Filtern, Signal
analysatoren oder Anpassung-Bauelementen, wobei die Verstärker
100 über Leitungen 101 mit der Umgebung verbunden sind.
In der Elektroden-Platte 96 befinden sich mindestens Ableit
elektroden 85b, 85b', die - wie dargestellt - flach oder
stabförmig oder dgl. ausgebildet sein können.
In der Deckplatte 97 befinden sich schließlich die bereits
mehrfach erwähnten Küvetten 84b. Selbstverständlich können auch
hier Referenzelektroden an verschiedenen Orten vorgesehen sein.
Bei den Ausführungsbeispielen besteht die Elektrodenanordnung
10 bzw. 50 bzw. 80, wie erwähnt, jeweils aus einer Grundplatte
15; 51; 90; 95, 96 sowie einer Deckplatte 16; 52; 91; 97.
Die Platten können mit geeigneten Strukturen (Leiterbahnen,
Elektroden usw.) versehen und danach zusammengebondet werden.
Dies kann entweder durch konventionelles metallisches Bonden
unter Ausnutzung der Leiterbahnen (vgl. 25 in Fig. 1A) oder
mit Hilfe von dünnen organischen Schichten geschehen.
Im letztgenannten Fall werden z. B. photochemisch oder thermisch
aktivierbare Gruppen verwendet (Beispiele in: US-Z "Int. J.
Peptide Protein Res.", Vol. 47, S. 419-426, 1996), die eine
lichtinduzierte Kopplung beider Platten ermöglichen. Zum
Herstellen der Anordnungen 10; 50 werden die Platten auf ihren
einander zuweisenden Oberflächen mit jeweils einer ultradünnen
Schicht, die kovalent an die jeweilige Oberfläche gekoppelt
ist, von bspw. 10 nm Dicke aus Molekülen mit reaktiven Endgruppen
versehen. Diese Schichten gestatten eine kovalente Verbindung
zwischen Grundplatte und Deckplatte durch einen äußeren Stimulus,
z. B. Temperatur, Licht oder ein elektrisches Feld. Vor dem
Ausüben des Stimulus können die Platten noch relativ zueinander
verschoben und damit ausgerichtet werden, z. B. in einem Maska
ligner, wie er auch in der Photolithographie verwendet wird.
Es sind aber auch andere Verfahren denkbar.
Die Platten können aus einem Polymer mit Hilfe einer Stempel
technik geformt sein. Sie können auch durch übliche Mikro
strukturtechniken hergestellt werden.
Die am Boden der Mikroküvetten 20 bzw. 60 vorgesehenen Ring
elektroden 21 bzw. 61 bestehen bevorzugt aus TiN, Iridium,
Iridiumoxid, Platin, Platinmohr oder Gold. Sie können mit einer
dünnen Schicht chemisch funktionalisiert sein, so daß vorzugs
weise eine spezifische Wechselwirkung mit den anzuhaftenden
Zellen induziert wird.
Besonders bevorzugt ist, wenn die Mikroelektroden als ionensen
sitive Elektroden ausgeführt sind.
Wenn die Elektroden mit einer speziellen Oberflächenbeschichtung
versehen werden, führt dies in spezifischer Weise zu einer
elektrisch abdichtenden Wechselwirkung mit der Zellmembran.
Hier sind bspw., aber nicht beschränkt auf solche, lipidähnliche
Moleküle, Zelladhäsionsproteine oder -peptide, Glycoproteine
oder -peptide und hydrophobe Beschichtungen zu nennen.
In Fig. 7 ist schließlich noch ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Mikroelektrodenanordnung 103 dargestellt.
In einem Substrat 104 befindet sich eine Kammer 105 von z. B.
kegelstumpfförmiger Gestalt. Die Kammer 105 ist an ihren Wänden
mit einer leitenden Beschichtung 106 versehen, insbesondere
vergoldet. Die Kammer 105 kann, wie dargestellt, nach unten
abgeschlossen und mit einem Anschluß versehen sein. Sie kann
aber alternativ auch an die Stelle eines der Kanäle treten,
wie sie weiter oben geschildert wurden (bspw. Kanal 62 in Fig.
3).
Eine Zelle 107 liegt oben auf der Öffnung 108 der Kammer 105
auf. Da die Kammer 105 vor dem Aufliegen der Zelle 107 nach
oben offen war, ist die bei der Anordnung 103 verwendete Umgebung
109, d. h. der jeweils verwendete Elektrolyt, in die Kammer 105
eingedrungen.
Dies hat zur Folge, daß die Zelle 107 auf der Anordnung 103
nur über eine Kontaktfläche aufliegt, die der ringförmigen
Oberfläche der Beschichtung 106 im Bereich der Öffnung 108
entspricht. Die Elektrodenanordnung 103 steht demgegenüber mit
dem Elektrolyten 109 über die gesamte Oberfläche der Beschichtung
106 in Verbindung, so daß diese Oberfläche wesentlich größer
ist.
Es versteht sich dabei, daß die Anordnung gemäß Fig. 7 ebenfalls
nur beispielhaft zu verstehen ist. Statt der dort dargestellten
Anordnung kann ebenso gut ein Schwamm aus einem Edelmetall
verwendet werden, bspw. ein Platinschwamm.
In einer Platte wurden 96 Mikroküvetten mit schrägen Wänden
angebracht. Im Boden der Mikroküvetten wurden Elektroden
eingegossen. Die Elektroden bestanden aus Golddraht, aufgerauht
durch Ätzen, mit 20 µm Durchmesser und 10 µm Überstand. Der
Überstand auf der Unterseite betrug 200 µm. Eine Signalverar
beitungs-Platte unterhalb der mit den Küvetten versehenen
Deckplatte war mit SMD-Impedanzwandlern sowie Verstärkern
versehen. Referenzelektroden mit einer Impedanz von 1 kΩ waren
alle auf einen Punkt kontaktiert. Es wurden Nervenzellen aus
embryonalem Hühnchen-Gehirn enzymatisch dissoziiert und in die
Küvetten pipettiert. Die Zellen sanken auf die Elektroden ab
und bildeten dort Aggregate mit vernetzten Zellstrukturen. Die
Signalamplitude lag bei 200 µV.
Eine Deckplatte wurde mit 192 Mikroküvetten mit konischen Wänden
versehen. Die Bodenöffnung betrug 100 µm im Durchmesser. Die
Wände der Küvetten waren silikonisiert. Am Boden der Küvetten
befanden sich Elektrodenplatten mit Flächenelektroden von 1 mm
Durchmesser. Diese waren auf einer Keramikplatte dickschicht
technisch hergestellt. Die Oberfläche der Elektroden war
galvanisch platiniert. Durch Verbindung der Deckplatte mit der
Elektroden-Platte wurden die effektiven Elektrodenflächen auf
100 µm reduziert, d. h. von 10 kQ auf 1 MΩ. Nach dem Einbringen
von Hühnchenzellen, der Bildung von Aggregaten und dem Absinken
der Zellen auf die Elektroden (vollständige Bedeckung) wurde
ein ausreichendes Signal/Rausch-Verhältnis bis zu einer Signal
spannung von 4 mV erzielt.
In einer Deckplatte wurden 200 Mikroküvetten mit Öffnungen am
Boden von jeweils 50 µm Durchmesser ausgebildet. Eine Elektroden-Platte
wurde mit Leiterbahnen von 10 µm Breite im Abstand von
50 µm versehen. Die Leiterbahnen waren nicht isoliert. Sie wurden
hergestellt, indem Gold galvanisch aus einer Goldchlorid-Lösung
bis zu einer Elektrodenimpedanz von 100 kΩ abgeschieden wurde.
Die Orientierung der Leiterbahnen verlief senkrecht zu den Achsen
der Mikroküvetten. Die Deckplatte wurde auf die Elektroden-Platte
geklemmt. Eine Zwischengummierung war zum Abdichten vorgesehen.
Es entstanden 3 bis 4 Elektroden von 10 × 50 µm, die die
Ableitsicherheit erhöhten. Die Messungen wurden jeweils differen
ziell gegen eine für jede Kammer von oben eingeführte Referenz
elektrode durchgeführt. Es wurden Neuroblastoma-Zellen aus
Anzuchtkulturen passagiert. Zusätzlich wurde ein elektrisches
Feld angelegt, um eine Wanderungsbewegung der Zellen auf die
Elektroden zu zu bewirken.
Die Mikroküvetten waren mit einem Loch von 0,5 mm Durchmesser
versehen. Die schrägen Wände der Mikroküvetten waren silikoni
siert. Zwischen den Platten wurde eine Gummierung zur Abdichtung
eingesetzt. Eine Elektroden-Platte wurde zur Ausbildung von
Flächenelektroden mit 2 mm Durchmesser galvanisch mit Goldmohr
überzogen (10 kΩ).
Insgesamt erscheinen Anordnungen mit 2 bis zu mehreren 1000
Mikroküvetten möglich. Die Mikroküvetten haben dabei ein Volumen
zwischen 1 µl und 100 ml. Die Elektrodenfläche kann einen
Durchmesser zwischen 1 µm und 1 mm haben.
Insgesamt wird durch die Erfindung ermöglicht, einzelne Zellen
oder Zellaggregate aktiv an bestimmte Zellen eines Multiableit
elektrodenarrays und/oder eines Multiküvettenarrays zu positio
nieren. Potentielle Anwendungen der Erfindung liegen im Bereich
der Pharmakologie, des Pharmascreenings, der Neurobiologie und
der Biosensorik.
Claims (42)
1. Mikroelementenanordnung mit einer Vielzahl von auf einem
Substrat (15, 16; 40; 51, 52; 90, 91; 95, 96, 97; 104)
angeordneten elektrischen Mikroelementen zum Kontaktieren
von in einer flüssigen Umgebung (30; 70; 109) befindlichen
Zellen (31; 42; 71), gekennzeichnet durch Mittel zum Führen
und/oder Vereinzeln und/oder mechanischen Anziehen der
Zellen (31; 71) an die Mikroelemente (21; 61; 85, 86, 87).
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Mikroelemente (21; 41; 61; 85, 86, 87; 103) zum Ableiten
von bioelektrischen Potentialen und/oder zum bioelektrischen
Stimulieren der Zellen (31; 42; 71; 107) vorgesehen sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Mikroelemente als lichtempfindliche Elemente ausgebildet
sind.
4. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel eine
Unterdruck-Kraft auf die Zellen (31) ausüben.
5. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel eine hydro
dynamische Kraft auf die Zellen (71) ausüben.
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel Kanäle (22; 62) umfassen, die in einer
Kontaktoberfläche (24; 64) der Mikroelektroden (21; 61)
ausmünden.
7. Anordnung nach Anspruch 4 und 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kanäle (22) mit einer Unterdruckquelle verbindbar
sind.
8. Anordnung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kanäle (62) mit einer Pumpeinrichtung (65, 66,
67) für die flüssige biologische Umgebung (70) verbunden
sind.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Pumpeinrichtung als Elektroosmose-Einrichtung ausgebildet
ist.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Pumpeinrichtung (65, 66, 67) als Elektroosmose-Ein
richtung zwei Elektroden (66, 67) umfaßt, die an entgegen
gesetzten Enden der Kanäle (62) wirksam sind, und daß
zwischen die Elektroden (66, 67) eine Spannung geschaltet
ist.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die Mittel eine elektrostatische Kraft (E) auf die Zellen
ausüben.
12. Anordnung, insbesondere nach einem oder mehreren der An
sprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch Mittel zum Führen
und/oder Vereinzeln der Zellen (31; 71) vor dem mechanischen
Anziehen an die Mikroelemente.
13. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel trichterartige
Mikroküvetten (20; 60; 84) im Substrat (15, 16; 51, 52; 90, 91; 95, 96, 97)
umfassen, wobei sich die Mikroelemente
am Boden der Mikroküvetten (20; 60; 84) befinden.
14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
Oberflächenbereiche zwischen den Mikroküvetten mit einem
zellabweisenden Substrat und/oder die Mikroküvetten mit
einem zellanziehenden Substrat beschichtet sind.
15. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
14, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (15, 16; 51,
52; 90, 91; 95, 96, 97) mindestens aus einer Grundplatte
(15; 51; 90; 95, 96) und einer darüberliegenden Deckplatte
(16; 52; 91; 97) besteht.
16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
die Grundplatte (15; 51; 90; 95, 96) aus Glas, Quarz,
Silizium oder Kunststoff besteht.
17. Anordnung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet,
daß die Deckplatte (16; 52; 91; 97) aus Glas, Quarz,
Silizium oder Kunststoff, insbesondere aus Polystyrol,
PMMA oder Polyimid besteht.
18. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis
17, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (15; 51;
90; 95, 96) und/oder die Deckplatte (16; 52; 91; 97) aus
einem für Licht durchlässigen Material besteht, wobei die
Wellenlänge des Lichtes in einem für Mikroskopietechniken
zugänglichen Bereich des Spektrums liegt.
19. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis
18, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Mikroelementen
versehene Grundplatte (90) seitlich als Steckerleiste (82)
herausgeführt ist.
20. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis
18, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (95)
mindestens einer unteren Signalverarbeitungs-Platte (95)
und einer darüberliegenden Elementen-Platte (96) besteht.
21. Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß
die Signalverarbeitungs-Platte (95) seitlich als Stecker
leiste (82) herausgeführt ist.
22. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis
21, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroelektroden (85,
86, 87) Ableitelektroden (85) sowie Reizelektroden (86)
und/oder Referenzelektroden (87) umfassen.
23. Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß
die Mikroelektroden (85, 86, 87) mehrere konzentrisch
angeordnete Einzelelektroden umfassen.
24. Anordnung nach Anspruch 13 und 22, dadurch gekennzeichnet,
daß die Referenzelektrode (87a) im Abstand oberhalb der
am Boden der Mikroküvette (84a) angeordneten Ableitelektrode
(85a) angeordnet ist.
25. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die mit der Umgebung (109) in Kontakt befindliche Oberfläche
der Mikroelektrode (103) größer ist als die mit der Zelle
(107) in Kontakt befindliche Oberfläche.
26. Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß
die Mikroelektrode (103) als Kammer (105) in einem Substrat
(104) ausgebildet ist, wobei die Kammer (105) über eine
Öffnung (108) in den das Substrat (104) umgebenden Außenraum
mündet.
27. Verfahren zum Kontaktieren von in einer flüssigen Umgebung
oberhalb eines Substrates (15, 16; 40; 51, 52; 90, 91;
95, 96, 97) befindlichen Zellen (31; 42; 71), bei dem ein
Kontakt zwischen den Zellen (31; 42; 71) und elektrischen
Mikroelementen hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Führungs- und/oder Anziehungskraft zwischen den
Zellen (31; 71) und den Mikroelementen bzw. dem Substrat
(15, 16; 51, 52; 90, 91; 95, 96, 97) erzeugt wird.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kraft als Unterdruck-Kraft ausgeübt wird.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kraft als hydrodynamische Kraft ausgeübt wird.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß
die hydrodynamische Kraft mittels Elektroosmose, insbe
sondere durch einen mittels Elektroosmose erzeugten
Elektrolytfluß, ausgeübt wird.
31. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kraft als Anziehungskraft aufgrund elektrischer Ladung
der Zellen und eines in Richtung der Elektroden (85a)
wirkenden elektrischen Feldes (E) ausgeübt wird.
32. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 27 bis
31, dadurch gekennzeichnet, daß die Anziehungskraft als
Kontaktkraft, insbesondere durch Ansaugen, zwischen Zellen
(31; 71) und Mikroelementen ausgeübt wird.
33. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 27 bis
32, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft für eine gerich
tete Bewegung der Zellen (31; 71) auf die Mikroelemente
zu ausgeübt wird.
34. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 27 bis
33, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen (31; 71) über
die als Mikroelektroden (21; 61; 86) ausgebildeten Mikro
elemente stimuliert werden.
35. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 27 bis
33, dadurch gekennzeichnet, daß über die als Mikroelektroden
(21; 61; 85) ausgebildeten Mikroelemente Potentiale von
den Zellen (31; 71) abgeleitet werden.
36. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 27 bis
33, dadurch gekennzeichnet, daß über die als Mikro
photodioden ausgebildeten Mikroelemente die Lumineszenz
der Zellen und/oder deren Lichtabsorption gemessen wird.
37. Verfahren zum Herstellen einer Mikroelementenanordnung
mit einer Vielzahl von elektrischen Mikroelementen, bei
dem die Mikroelemente auf einem Substrat (15, 16; 40; 51,
52; 90, 91; 95, 96, 97) angeordnet werden, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Substrat (15, 16; 51, 52; 90, 91; 95,
96, 97) mindestens aus einer Grundplatte (15; 51; 90; 95,
96) und einer darüberliegenden Deckplatte (16; 52; 91;
97) hergestellt wird.
38. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß
in der Grundplatte (15; 51) ein Kanalsystem (23; 62, 63)
ausgebildet wird, daß in der Deckplatte (16; 52) Mikro
küvetten (20; 60) ausgeformt werden, und daß die Grundplatte
(15; 51) mit der Deckplatte (16; 52) derart zusammengefügt
wird, daß Öffnung (22) am Boden der Mikroküvetten (20;
60) in Kontaktoberflächen (24; 64) der Mikroelemente
angeordnet sind und mit dem Kanalsystem (23; 62, 63)
kommunizieren.
39. Verfahren nach Anspruch 36 oder 37, gekennzeichnet durch
die Schritte:
- a) Versehen von Grundplatte (15; 51; 90; 95, 96) und/oder Deckplatte (16; 52; 91; 97) auf ihren einander zu weisenden Oberflächen mit einer Schicht von Molekülen mit reaktiver Endgruppe;
- b) Zusammenfügen von Grundplatte (15; 51; 90; 95, 96) und Deckplatte (16; 52; 91; 97); und
- c) Aktivieren einer kovalenten Bindung der Schichten mittels eines äußeren Stimulus.
40. Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß
nach Schritt b) die Grundplatte (15; 51; 90; 95, 96) und
die Deckplatte (16; 52; 91; 97) relativ zueinander justiert
werden.
41. Verfahren nach Anspruch 39 oder 40, dadurch gekennzeichnet,
daß der äußere Stimulus als Temperatur, Licht oder elek
trisches Feld ausgeübt wird.
42. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß
die Grundplatte (15; 51; 90; 95, 96) und die Deckplatte
(16; 52; 91; 97) durch anodisches oder metallisches Bonden
miteinander verbunden werden.
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