EP4225889A1 - Piezoelektrisches membran-mikroelektroden array - Google Patents

Piezoelektrisches membran-mikroelektroden array

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EP4225889A1
EP4225889A1 EP21790815.1A EP21790815A EP4225889A1 EP 4225889 A1 EP4225889 A1 EP 4225889A1 EP 21790815 A EP21790815 A EP 21790815A EP 4225889 A1 EP4225889 A1 EP 4225889A1
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EP
European Patent Office
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microelectrode
membrane
piezoelectric
biological material
electrode
Prior art date
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Pending
Application number
EP21790815.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Maximilian Becker
Claus Burkhardt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut
Original Assignee
NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut
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Filing date
Publication date
Application filed by NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut filed Critical NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut
Publication of EP4225889A1 publication Critical patent/EP4225889A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/46—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of cellular or enzymatic activity or functionality, e.g. cell viability
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M35/00—Means for application of stress for stimulating the growth of microorganisms or the generation of fermentation or metabolic products; Means for electroporation or cell fusion
    • C12M35/02—Electrical or electromagnetic means, e.g. for electroporation or for cell fusion
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/02—Form or structure of the vessel
    • C12M23/16—Microfluidic devices; Capillary tubes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M25/00—Means for supporting, enclosing or fixing the microorganisms, e.g. immunocoatings
    • C12M25/02—Membranes; Filters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M35/00—Means for application of stress for stimulating the growth of microorganisms or the generation of fermentation or metabolic products; Means for electroporation or cell fusion
    • C12M35/04—Mechanical means, e.g. sonic waves, stretching forces, pressure or shear stimuli
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/487—Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • G01N33/48707—Physical analysis of biological material of liquid biological material by electrical means
    • G01N33/48735—Investigating suspensions of cells, e.g. measuring microbe concentration

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric membrane-microelectrode array and a membrane-microelectrode unit.
  • the piezoelectric membrane microelectrode array has at least two membrane microelectrode units, which are arranged on a substrate.
  • the present invention also relates to a method for producing the membrane-microelectrode assembly and the piezoelectric membrane-microelectrode array.
  • the present invention relates to uses of the piezoelectric membrane microelectrode array.
  • cell cultures are an important component.
  • Cells can be examined in vitro under controlled conditions, which represents a sensible alternative to animal experiments. For example, changes within cells can be observed after contact with a test substance or by applying a voltage. Furthermore, mechanical changes in the cells can also be measured.
  • the so-called patch-clamp technique was developed in 1976 by Erwin Neher and Bert Sakmann.
  • the patch-clamp technique revolutionized electrophysiological research by being able to observe the electrical behavior of membrane proteins on individual molecules.
  • a disadvantage of this new technique is the expensive experimental setup of the measuring instruments. This results in the additional disadvantage that the measurement is reserved for experienced users only and the individual measurements are very time-consuming due to the effort involved. For this reason, it is also difficult to fully automate the measurement.
  • the biological material preferably electrogenic cells
  • the measuring electrode has to be repositioned for each measurement, which has the additional disadvantage that the cells within the measuring method can be damaged.
  • the biological material usually has to be prepared in a complex manner, since the outer cell membrane of the cells to be examined is seldom fully accessible for the patch-clamp technique.
  • WO 2020/064440 describes a platform that makes it possible to bring about local stimulation of a biological material by applying an electric field, the platform having shear-piezoelectric materials.
  • a piezoelectric membrane microelectrode array for spatially resolved electrical and / or mechanical stimulation and simultaneous (simultaneous) spatially resolved measurement of electrical and / or mechanical activity of biological material
  • the piezoelectric membrane microelectrode array has at least two membrane-microelectrode units, the membrane-microelectrode units being arranged on a substrate; wherein the or each of the two membrane-microelectrode units has at least one piezoelectric membrane for mechanical stimulation and/or measurement of mechanical activity of biological material, wherein the at least one piezoelectric membrane has a piezoelectric film, the piezoelectric film being arranged on the substrate , wherein the piezoelectric film is deformable; and wherein the or each of the two membrane-microelectrode units has at least one first microelectrode for electrical stimulation and/or measurement of electrical activity of biological material.
  • a membrane-microelectrode assembly wherein the membrane-microelectrode assembly is disposed on a substrate; wherein the membrane-microelectrode assembly has at least one piezoelectric membrane for mechanical stimulation or measurement of mechanical activity of biological material, the at least one piezoelectric membrane having a piezoelectric film, the piezoelectric film being arranged on the substrate, the piezoelectric film being deformable ; and wherein the membrane-microelectrode assembly has at least one first microelectrode for electrical stimulation or measurement of electrical activity of biological material.
  • a multiwell plate for electrical or mechanical stimulation and simultaneous (simultaneous) measurement of electrical or mechanical activity of biological material wherein the multiwell plate has at least one container and at least one membrane-microelectrode unit, wherein the at least a container forms a receiving space for the biological material and optionally culture medium, and wherein the at least one container has a base, wherein the at least one membrane-microelectrode unit forms the base of the container.
  • a method for producing a membrane microelectrode assembly comprising the steps of: a) providing a substrate; b) producing a first microelectrode, the production comprising the following steps: i) applying a first conductive layer; and ii) patterning out the first microelectrode from the first conductive layer; c) Application of a piezoelectric film to the substrate.
  • piezoelectric membrane microelectrode array for electrical, mechanical, optical and / or biochemical spatially resolved stimulation of biological material, or for spatially resolved measurement of electrical and / or mechanical activity of biological material triggered by electrical, mechanical , optical and/or biochemical stimulation, or for the spatially resolved measurement of electrical and/or mechanical activity of biological material and for the spatially resolved stimulation of the biological material, with the measurement and the stimulation occurring simultaneously (at the same time), or as an immunosensor, gas sensor or as a nanogenerator .
  • “simultaneously” means that the biological material can be stimulated and measured at the same time and that is additionally spatially resolved, ie at different locations, in particular at different locations at the same time.
  • the term "simultaneously” can be used as a synonym used for "simultaneously” and vice versa.
  • the device can be set up for spatially resolved electrical stimulation and/or spatially resolved mechanical stimulation.
  • the device can be set up for the simultaneous spatially resolved measurement of electrical activity and/or for the spatially resolved measurement of mechanical activity.
  • the device can be set up so that the spatially resolved mechanical and/or electrical stimulation can take place simultaneously with the spatially resolved measurement of electrical and/or mechanical activity.
  • the device can be set up for simultaneous or simultaneous spatially resolved electrical stimulation and spatially resolved mechanical stimulation.
  • the device can be set up for the simultaneous or simultaneous spatially resolved measurement of electrical activity and spatially resolved measurement of mechanical activity.
  • Electrodes for the spatially resolved measurement of the electrical activity of biological material can be provided in addition to piezoelectric membranes for the spatially resolved measurement of the mechanical activity.
  • a measurement and stimulation array is provided at the same time, which allows spatially resolved measurement and simultaneous (simultaneous) stimulation of biological material, so that the biological material is electrically and/or mechanically stimulated and measured at the same time can be.
  • This is achieved through the interaction of the at least one piezoelectric membrane and the at least one first microelectrode.
  • biological material can be examined in a spatially resolved manner to determine what effects different (spatially resolved) stimulations, for example electrical and/or mechanical, have on the material.
  • the electrical stimulation and the simultaneous (simultaneous) mechanical measurement of biological material are possible with spatial resolution, although this is not possible with the means available in the prior art.
  • mechanical stimulation and the simultaneous electrical measurement of biological material with spatial resolution is also possible.
  • biological material can be tissue, cell structures or individual cells, which are preferably of human or animal origin.
  • the biological material can preferably be excited electrically or mechanically, i.e. by applied electrical voltage or by mechanical mechanical deformation of the biological material.
  • the biological material is electrogenic cells such as cardiomyocytes or nerve cells.
  • the biological material can be stimulated electrically or mechanically by means of the piezoelectric membrane microelectrode array.
  • stimulation can mean that the biological material is excited; in this case, the biological material can show changed electrical and/or mechanical properties, for example.
  • the biological material can also be stimulated optically, for example light-induced, in which case the biological material can react by changing its electrical and/or mechanical properties. It is also possible that the biological material is biochemically stimulated; for example by adding active ingredients to which the biological material reacts by changing its electrical and/or mechanical properties. Regardless of the type of stimulation of the biological material, it is possible to measure both the electrical and the mechanical change in the biological material simultaneously using the piezoelectric membrane microelectrode array.
  • the "electrical stimulation” can be achieved by the first micro-electrode.
  • the microelectrode is in the immediate vicinity of the biological material or is in contact with the biological material, so that electrical voltage can be emitted/transmitted to the biological material by means of the microelectrode. Since the proposed array is used for stimulating and measuring biological material, the voltage values are in particular below 3 volts, in particular below 2 volts, in particular below 1.3 volts.
  • the "mechanical stimulation” can be achieved by the piezoelectric membrane.
  • the piezoelectric membrane is in the immediate vicinity of the biological material or is in contact with the biological material.
  • the piezoelectric membrane is due to the piezoelectric effect mechanically deformed by an applied electrical voltage, so that the biological material, which is in contact with the piezoelectric membrane, is mechanically stimulated, i.e. deformed itself.
  • the "measured electrical activity of biological material” can be voltage changes within the biological material, which can be achieved in particular by stimulation, for example mechanically, optically or biochemically.
  • the “measured mechanical activity of biological material” can be a deformation of the biological material, which can be achieved in particular by stimulation, for example electrically, optically or biochemically.
  • the measurement of the activity of the biological material can be done by measuring the electrical voltage, or measuring a voltage change, which is triggered by the biological material and / or by measuring the mechanical activity based on the activated biological material, which is the piezoelectric membrane deformed.
  • the measurement of the mechanical activity is made possible by the piezoelectric membrane, whereas the electrical activity can be measured by the first microelectrode. Accordingly, the microelectrode can be used simultaneously for electrical measurement and stimulation in addition to the piezoelectric membrane.
  • the membrane-microelectrode unit can have at least one piezoelectric membrane. Accordingly, the membrane microelectrode unit can have one, two, three, four, five or more piezoelectric membranes. In the case of a plurality of membranes, the individual membranes can be used, for example, independently of one another as a measurement or stimulation membrane.
  • the membrane-microelectrode unit can have at least one first microelectrode. Accordingly, the membrane microelectrode unit can have one, two, three, four, five or more microelectrodes. In the case of a plurality of microelectrodes, the individual electrodes can be used, for example, independently of one another as measurement or stimulation microelectrodes.
  • the piezoelectric film may be deformable.
  • “Deformable” in this context can mean that the film bends to an excited position from a resting position, due to an applied voltage, or due to the activated biological material deforming the piezoelectric film, with the deformation of the piezoelectric film depending on the size of the piezoelectric film.
  • the differences from the rest position of the center of the film to a deformed/excited position of the center of the film can be between 10 and 2000 nm in particular, in particular at 100 to 1000 nm, in particular be at 250 to 500 nm.
  • the proposed piezoelectric membrane microelectrode array can preferably be both measured and stimulated. It goes without saying that a corresponding measurement and/or stimulation device can be connected for this purpose.
  • the array can optionally have at least one measuring and control unit, which is electrically connected to the piezoelectric membrane and/or to the at least one first microelectrode via conductor tracks.
  • each individual membrane-microelectrode unit can be controlled individually by means of the measurement and control unit, as a result of which the biological material can be stimulated and measured by each individual membrane-microelectrode unit.
  • each individual piezoelectric membrane or each individual microelectrode can also be controlled individually, which represents a preferred embodiment.
  • a measuring amplifier can be arranged on the substrate and connected to the piezoelectric membrane electrode array via conductor tracks on the substrate. As a result, even small signal changes can be detected. Furthermore, a relatively interference-free measurement of weak signals is possible.
  • the first microelectrode and the piezoelectric film can be spaced apart from each other.
  • “spaced apart” may mean that the first microelectrode is distinct from the piezoelectric film; that is, the microelectrode is not located above or below the piezoelectric film within the piezoelectric membrane-microelectrode array; but side by side.
  • the distance can be selected to be small so that a spatially resolved stimulation/measurement can take place. The distance can be chosen so large that the first microelectrode and the piezoelectric film do not influence or interfere with one another during the stimulation/measurement.
  • This configuration has the advantage that the first microelectrode and the piezoelectric film do not interfere with one another during a measurement, ie a stimulation and simultaneous measurement of the biological material, which can lead to measurement errors. This can occur when the first microelectrode and the piezoelectric film are placed immediately adjacent, i.e. without any spacing.
  • the substrate can have at least two areas, a first area with a first layer thickness and a second area with a second layer thickness, the first Layer thickness is greater than the second layer thickness, and wherein the piezoelectric film is arranged within the second region of the substrate.
  • the substrate can be a silicon-on-insulater (SOI) wafer or a pre-structured substrate.
  • SOI silicon-on-insulater
  • the biological material can preferably be mechanically stimulated and/or mechanically measured with the piezoelectric membrane.
  • the substrate can also be configured as a printed circuit board (PCB).
  • PCB printed circuit board
  • a PCB can be provided as a receptacle for a plurality of substrates.
  • the layer thickness of the first region is, for example, in the range from 200 to 2000 ⁇ m, in particular in the range from 200 to 1000 ⁇ m, in particular in the range of approx. 500 ⁇ m.
  • the layer thickness of the second region is in particular in the range from 1 to 50 ⁇ m, in particular in the range from 1 to 25 ⁇ m, in particular in the range from 1 to 10 ⁇ m.
  • the first microelectrode can be arranged within the first or second region of the substrate.
  • the first microelectrode is arranged within the first area of the substrate, ie within the substrate area with the greater layer thickness. According to this configuration, the first microelectrode is spaced not only from the piezoelectric film but from the piezoelectric membrane. This configuration has the advantage that if the first microelectrode stimulates or measures, the piezoelectric membrane is not disturbed by the first microelectrode and vice versa.
  • the first microelectrode is arranged within the first region of the substrate, ie within the substrate region with the smaller layer thickness. According to this configuration, the first microelectrode is arranged within the piezoelectric membrane. This configuration offers the advantage of a more compact structure, since the distances between the first microelectrode and the piezoelectric film are shorter are than the same distances within the first alternative. Furthermore, measurement and stimulation can take place closer together.
  • the piezoelectric membrane has at least one first electrode, wherein the at least one first electrode is electrically conductively connected to the piezoelectric film.
  • the at least one first electrode can preferably lie between the substrate and the piezoelectric film.
  • an electrode can be applied as a top electrode on the piezoelectric film.
  • an insulating layer can be provided over the top electrode in order to insulate the top electrode of the piezoelectric film from the biological material or a nutrient solution.
  • the electrode can be in contact with the biological material/in the immediate vicinity of the biological material. In this case, contact can be made, for example, via a conductive nutrient medium.
  • the electrode can, for example, consist of or have one of the following materials: Au, Pt, TiN or conductive oxides such as SrRuO 3 or SrTiO 3 doped with Nb.
  • the first electrode preferably has a layer thickness of 70 to 130 nm, more preferably 80 to 120 nm, particularly preferably 90 to 110 nm. An electrode layer thickness of approx. 100 nm is particularly preferred.
  • the first electrode is an interdigital electrode.
  • the term “interdigital electrode” can be used as a synonym for “interdigital transducer” (IDT for short).
  • the first electrode is present within the piezoelectric membrane on the piezoelectric film, so that the piezoelectric film is at least partially present between the substrate and the first electrode.
  • the interdigital electrode can preferably have two electrodes, with the two electrodes preferably being arranged parallel to one another and delimiting the piezoelectric film.
  • the piezoelectric film consists of or contains a ferroelectric material, which is preferably selected from lead-free oxides with a perovskite structure, in particular 0.5(Ba 0.7Ca 0.3 )TiO 3 -0.5Ba (Zr 0.2Ti 0.8) O 3 or Ko. 5 Na 0.5 NbO 3 ; CMOS-compatible ferroelectrics, especially A .xSCxN with 0.2 ⁇ x ⁇ 0.5 or Hfo.5Zro.5O2; and ferroelectric polymers, in particular polyvinylidene fluoride or ferroelectrics with multiferroic properties, in particular BiFeO 3 .
  • a ferroelectric material which is preferably selected from lead-free oxides with a perovskite structure, in particular 0.5(Ba 0.7Ca 0.3 )TiO 3 -0.5Ba (Zr 0.2Ti 0.8) O 3 or Ko. 5 Na 0.5 NbO 3 ; CMOS-compatible ferroelectrics
  • Lead-free ferroelectrics are particularly preferred over lead-containing ferroelectrics such as lead zirconate titanate (PZT) because of lead toxicity.
  • PZT lead zirconate titanate
  • the piezoelectric film can have a layer thickness of 100 to 3000 nm, in particular 500 to 1500 nm, in particular a layer thickness of approx. 1000 nm.
  • the piezoelectric membrane is at a distance of 0.5 to 500 pm, in particular at a distance of 0.5 to 50 pm, in particular at a distance of 0.5 to 5 pm spaced from the first microelectrode.
  • This configuration has the advantage that if the biological material is stimulated by the first microelectrode, the piezoelectric membrane is not disturbed by the voltage applied to the first microelectrode, so that mechanical activity can be measured without interference using the piezoelectric membrane. The same applies vice versa, so that the piezoelectric membrane, which stimulates biological material, does not interfere with the first microelectrode when measuring. Accordingly, measurement errors can be reduced by this configuration.
  • the first microelectrode is arranged within the piezoelectric membrane.
  • particularly space-saving/compact membrane microelectrode units can be designed, so that a single piezoelectric membrane microelectrode array on the same area of the substrate can have more membrane microelectrode units than an array in which the first microelectrode is not inside the piezoelectric membrane.
  • the piezoelectric membrane is configured as a piezoelectric cantilever or as a piezoelectric nanostrip.
  • a “piezoelectric cantilever” can be a special configuration of the piezoelectric membrane, the piezoelectric membrane being fixedly clamped in the substrate on one side, so that the membrane is at least partially freely suspended.
  • a piezoelectric cantilever is described in US 2005/0193823 A1 by way of example, but so far not in the context of a membrane microelectrode unit.
  • a “piezoelectric nanostrip” can be a special embodiment of the piezoelectric membrane, the piezoelectric membrane being firmly clamped in the substrate on two opposite sides, so that the membrane is at least partially freely suspended.
  • a piezoelectric nanoribbon is exemplified in the publication T.D. Nguyen et al. “Piezoelectric nanoribbons for monitoring cellular deformations,” Nature Nanotechnology 7, 587 (2012).
  • the piezoelectric membrane microelectrode array has a container and optionally at least one counter electrode, the container forming a receiving space for the biological material and optionally a culture medium, and the container having a bottom , wherein the at least one membrane-microelectrode unit forms the bottom of the container, and wherein the optional counter-electrode can measure electrical signals originating from the biological material.
  • the “container” can be a sample container that can store the biological material.
  • a cylindrical container which is closed off at the bottom by the proposed piezoelectric membrane microelectrode array is particularly preferred.
  • the container is preferably designed in such a way that it can store a culture medium for the biological material, with the culture medium preferably being liquid.
  • counterelectrode and “reference electrode” can be used as synonyms.
  • the counter-electrode can be designed in such a way that it can measure electrical signals between the first electrode and the counter-electrode or can electrically stimulate the biological material. In this case, the measurement is carried out via potential differences between the counter-electrode and the first microelectrode.
  • the counter-electrode can be immersed in the culture medium, stored at the edge of the container or integrated into the substrate.
  • a further aspect of the disclosure relates to a multiwell plate for electrical and/or mechanical stimulation and simultaneous (simultaneous) measurement of electrical and/or mechanical activity of biological material.
  • the “multiwell plate” can be a microtiter plate, for example.
  • a multiwell plate can have a plurality of containers for receiving biological material or nutrient solution and biological material, for example the multiwell plate can have 6, 12, 24, 48, 96 or 384 containers.
  • One or more of the containers can have at least one membrane-microelectrode unit on the bottom of the respective container.
  • the bottom of several containers can be formed by a common substrate with several one membrane microelectrode units, several of the containers each having an associated one membrane microelectrode unit.
  • containers can have separate substrates, each with at least one membrane-microelectrode assembly.
  • the respective substrates can be arranged on a common PCB, for example.
  • a multiwell plate with 24 or 96 wells is particularly preferred.
  • the terms “container” and “cavity” can be used as synonyms.
  • the "application of the piezoelectric film” on the substrate in step c) can be achieved by means of a thin-film process. In this step, the piezoelectric film is applied or deposited onto the substrate.
  • step b) i) can be achieved by means of a thin-film process.
  • an electrically conductive layer is applied or deposited with a preferred layer thickness of approximately 100 nm.
  • step b) ii) can be achieved by means of optical lithography.
  • a conductor track and contact pads of the first microelectrode can also be structured out.
  • the method for producing a membrane-microelectrode assembly can have the step b): b) producing the first electrode and a first microelectrode on the substrate, the production comprising the following steps: i) applying a first conductive layer on the substrate; and ii) patterning out the first electrode and the first micro-electrode from the first conductive layer; wherein the piezoelectric film is applied to the first electrode in step c).
  • the first electrode is located between the substrate and the piezoelectric film.
  • This configuration offers the advantage that the first electrode and the first microelectrode can be structured out of the same conductive layer. Since no (metallic) top electrode, including conductor track and insulator, is required on the membrane according to this configuration, these cannot adversely affect the mechanical properties of the membrane either.
  • the first electrode is preferably arranged within the piezoelectric membrane, so that the first electrode is spaced from the first micro-electrode.
  • an insulator is applied at least partially to the first microelectrode and/or the first electrode.
  • the insulator can consist of or comprise Si 3 Ni 4 , for example.
  • the insulator can be applied to the first microelectrode and/or the first electrode in such a way that conductor tracks of the first microelectrode or the first electrode are insulated. Areas that are in direct contact with the biological material and are used for stimulating or measuring the biological material are preferably not isolated.
  • the substrate can be structured, preferably by a Bosch process.
  • “structuring” can mean that microstructures are introduced into the substrate.
  • the microstructures are preferably introduced into the side of the substrate facing away from the biological material. This can be achieved, for example, using the Bosch process.
  • the term "Bosch process” can be used as a synonym for "reactive ion depth etching".
  • a structural depth is preferably introduced within the piezoelectric membrane.
  • the structural depth is preferably introduced in such a way that the remaining layer thickness is in the range from 1 to 50 pm, more preferably in the range from 1 to 25 pm, particularly preferably in the range from 1 to 10 pm.
  • a further aspect of the disclosure relates to a method for producing a piezoelectric membrane microelectrode array.
  • the counter electrode can be arranged inside the container. In this case, the counter-electrode can only be in contact with the electrolyte/culture medium.
  • the counter-electrode can be arranged on the container, for example on the edge of the container.
  • the counter-electrode can also be arranged on or under the piezoelectric film.
  • a further aspect of the disclosure relates to the use of the proposed piezoelectric membrane microelectrode array.
  • the array can be used for the electrical, mechanical, optical and/or biochemical spatially resolved stimulation of biological material.
  • the piezoelectric membrane microelectrode array can be used for spatially resolved measurement of electrical and/or mechanical activity of biological material triggered by electrical, mechanical, optical and/or biochemical stimulation.
  • the piezoelectric membrane microelectrode array can be used for the spatially resolved measurement of electrical and/or mechanical activity of biological material and for the spatially resolved stimulation of the biological material, with the measurement and the stimulation occurring simultaneously (at the same time).
  • the piezoelectric membrane microelectrode array can be used as an immunosensor, gas sensor or nanogenerator.
  • the formation of antigen-antibody complexes can be measured by means of an immunosensor. This can be detected, for example, both by electrical signals and by changes in properties such as changes in mass. Furthermore, according to this embodiment, the shift in the resonant frequency of the membranes can be measured by means of a gas sensor when gas particles dock there. In addition, according to this embodiment, vibrations from the environment, which the piezoelectric membranes in Make it vibrate, can be measured as an electrical voltage via the direct piezoelectric effect.
  • FIG. 1 shows a cross section of a first exemplary embodiment of the membrane microelectrode unit according to the invention
  • FIG. 2 shows a cross section of a second exemplary embodiment of the membrane microelectrode unit according to the invention
  • FIG. 3 shows a cross section of a third exemplary embodiment of the membrane microelectrode unit according to the invention
  • FIG. 4A shows a cross section of a fourth exemplary embodiment of the membrane microelectrode unit according to the invention
  • FIG. 4B shows a top view of the fourth exemplary embodiment of the membrane microelectrode unit according to the invention
  • FIG. 4C shows a plan view of a fourth exemplary embodiment of the piezoelectric membrane microelectrode array according to the invention
  • 5 shows a cross section of a fifth exemplary embodiment of the membrane microelectrode unit according to the invention
  • 6A shows a cross section of a sixth exemplary embodiment of the membrane microelectrode unit according to the invention
  • FIG. 6B shows a cross section of a seventh exemplary embodiment of the membrane microelectrode unit according to the invention
  • FIG. 7 shows a cross section of an eighth exemplary embodiment of the membrane microelectrode unit according to the invention.
  • FIG. 8A shows a plan view of a ninth embodiment of the piezoelectric membrane microelectrode array according to the invention.
  • FIG. 8B shows a plan view of a tenth embodiment of the piezoelectric membrane microelectrode array according to the invention.
  • FIG. 1 shows a cross section of a first exemplary embodiment of the proposed membrane microelectrode unit 10, the membrane microelectrode unit 10 being arranged on a substrate 12.
  • the membrane-microelectrode unit 10 has a piezoelectric membrane 14 with a diameter d1, the piezoelectric membrane 14 having a piezoelectric film 16, the piezoelectric film 16 being arranged on the substrate 12, and the piezoelectric film 16 being deformable.
  • the piezoelectric membrane 14 can be designed in such a way that it is suitable both for mechanical stimulation and for measuring the mechanical activity of biological material.
  • the membrane-microelectrode assembly 10 has at least one first microelectrode 18.
  • the microelectrode 18 is arranged on the substrate 12 .
  • the distance between the microelectrode 18 and the piezoelectric membrane 14 is given as d2.
  • the distance d2 is preferably from 0.5 to 500 ⁇ m. Alternatively, the distance d2 can also be 0.
  • the microelectrode 18 can be designed in such a way that it is suitable both for electrical stimulation and for measuring the electrical activity of biological material.
  • the substrate 12 has two areas 20, 22; a first region 20 with a first layer thickness 24 and a second region 22 with a second layer thickness 26, the first layer thickness 24 being greater than the second layer thickness 26.
  • the piezoelectric film 16 is disposed within the second region 22 of the substrate 12 .
  • the substrate 12 can be a pre-embossed substrate or a silicon-on-insulator wafer, which can be structured (on the back) for example within the manufacturing process using the Bosch process or another structuring process, so that the substrate 12 has the corresponding Has areas 20 and 22.
  • the piezoelectric film 16 extends only partially over the piezoelectric membrane 14. In an embodiment that is not shown, the piezoelectric film 16 can also extend over the entire piezoelectric membrane 14.
  • the piezoelectric film 16 may be made of or contain a ferroelectric material. This material is particularly advantageous for mechanical stimulation and mechanical measurement of biological material. According to the invention, preference is given to ferroelectric materials which are not toxic to the biological material. Accordingly, lead-containing ferroelectrics such as lead zirconate titanate (PZT) are less preferred.
  • PZT lead zirconate titanate
  • FIG. 2 shows a cross section of a second exemplary embodiment of the membrane microelectrode unit 10 according to the invention. This differs from the unit 10 shown in FIG. 1 only by an additional first electrode 28, which is arranged within the piezoelectric membrane 14. In this case, the first electrode 28 is electrically conductively connected to the piezoelectric film 16 .
  • the first electrode 28 is disposed between the piezoelectric film 16 and the substrate 12. As shown in FIG. Accordingly, the first electrode 28 is not in direct contact with the biological material.
  • the first electrode 28 is electrically conductive according to the invention, so that it also consists of a conductive Material consists or has this.
  • the electron layer thickness of the first electrode 28 is preferably around 100 nm.
  • the first microelectrode 18 and the first electrode 28 can be connected to one or more measurement and control units (not shown) via conductor tracks.
  • an electrically conductive culture medium/electrolyte solution can serve as the counter electrode.
  • a dedicated counter electrode may be provided to provide a closed circuit.
  • the counter-electrode immersed in the electrolyte solution can consist of or comprise AgCl.
  • the first electrode 28 can also be arranged above the piezoelectric film 16 (compare FIG. 6).
  • FIG. 1 shows a cross section of a third embodiment of the membrane-microelectrode unit 10 according to the invention.
  • the third embodiment differs from the second embodiment by an additional container 30 and an additional counter-electrode 32.
  • the container 30 forms a receiving space for the biological material and the culture medium/electrolyte solution 34. As shown in FIG.
  • the counter-electrode 32 or reference electrode 32 can be designed in such a way that it serves as a ground connection, for example.
  • the measurement is carried out via potential differences between the counter-electrode 32 and the first microelectrode 18 and via potential differences between the counter-electrode 32 and the first electrode 28.
  • the counter-electrode 32 is immersed in the culture medium or the electrolyte 34.
  • the counter-electrode 32 can also be arranged on the container 30 or inside the membrane-microelectrode unit 10 .
  • the container 30 is designed as a cylindrical sample container in FIG. unit 10 is complete. Other configurations, such as a funnel-shaped sample container, are also possible.
  • Connections 51, 52, 53 can be provided for connection to a measuring and/or stimulation device.
  • a common ground connection 51 can optionally be provided.
  • An electrical stimulation signal can be provided via connection 53 for electrical stimulation.
  • a measuring amplifier such as a differential amplifier or operational amplifier, can be connected to terminals 51, 52, for example.
  • the measuring amplifier can be co-integrated on the substrate. In this way, interference can be reduced during further processing of the signals, since signals that have already been amplified are routed away from the substrate.
  • FIG. 4A shows a cross section of a fourth exemplary embodiment of the membrane microelectrode unit 10 according to the invention.
  • This exemplary embodiment differs from the third exemplary embodiment by a film electrode 38 which is arranged above the piezoelectric film 16.
  • FIG. In the embodiment shown the film electrode 38 is smaller in diameter than the piezoelectric film 16 and thus only partially covers it.
  • the piezoelectric film 16 is at least partially and the film electrode 38 is completely in direct contact with the biological material within a measurement/stimulation.
  • Direct contact in this context means that the piezoelectric film 16 and the film electrode 38 can optionally also have an additional insulator layer, i.e.
  • the counter electrode 54 can be provided via the culture medium/electrolyte 34, for example by immersing a counter electrode 54 in the culture medium/electrolyte 34 (similar to Figure 3).
  • the film electrode 38 can serve as the counter electrode , e.g. as ground. In this case no insulator towards the biological material is provided.
  • An advantage is a simpler construction since a common electrode can be provided for the electrical and mechanical interaction.
  • FIG. 4A the manufacturing method of the membrane-microelectrode unit according to the invention is to be described at this point by way of example. It goes without saying that the individual method steps also apply correspondingly to the other exemplary embodiments of the other figures and in general to the invention, without departing from the scope of the present invention.
  • the method for producing a membrane microelectrode unit 10 according to the invention can be carried out using standard processes of silicon and thin-film technology.
  • the substrate 12 is provided.
  • the substrate 12 is preferably a planar substrate, which is, for example, a silicon-on-insulator (SOI) wafer or a pre-structured substrate.
  • SOI silicon-on-insulator
  • a first electrode 28 can be produced in a subsequent step.
  • a conductive layer which will form the first electrode 28, is first applied to the substrate 12, with the first electrode 28 being able to be structured out in a next step.
  • the first electrode 28 can, for example, consist of one of the following materials or have them: Pt, TiN, SrRuO 3 .
  • the first electrode 28 can optionally be applied with an adhesion promoter layer, for example made of Ti or Ta, and/or a buffer layer, for example made of SiO 2 .
  • the adhesion promoter layer and buffer layer are not shown in FIG. 4A.
  • Preferred layer thicknesses here are around 300 nm for the buffer layer, around 10 nm for the adhesion promoter layer and around 100 nm for the first electrode 28.
  • the piezoelectric film 16 is applied to the substrate 12, or to the first electrode 28 in this embodiment.
  • the piezoelectric film 16 can be grown on the respective top/last layer by means of a thin-film process, for example.
  • a piezoelectric film 16 with a layer thickness of 500 to 1000 nm is preferred.
  • a further conductive layer can be applied to the substrate 12 or, in this embodiment, to the piezoelectric film 16.
  • the conductive layer consists or preferably has the following materials: Au, Pt, TiN or conductive oxides such as SrRuO 3 or SrRuO 3 doped with Nb.
  • Au, Pt, TiN or conductive oxides such as SrRuO 3 or SrRuO 3 doped with Nb.
  • associated conductor tracks and possibly contact pads can be structured out of the conductive layer at the same time, for example by means of optical lithography.
  • the conductor tracks serve as a connection between the film electrode 38 and a measurement/control unit (not shown).
  • the manufacturing process of the piezoelectric membrane is based on the known process for the production of SOI wafers. Such methods are exemplified in MD Nguyen et. al, "Optimized electrode coverage of membrane actuators based on epitaxial PZT thin films," Smart Mater. Struct. 22, 085013 (2013) or in CTQ Nguyen et. al. "Process dependence of the piezoelectric response of membrane actuators based on Pb( Zro.4 5 Tio. 5 5)03 thin films,” Thin Solid Films 556, 509 (2014).
  • an insulator for example made of Si 3 N 4 , can be applied to the piezoelectric membrane 14, this being preferably structured in such a way that the conductor tracks and the electrodes 28 and 38 on the piezoelectric membrane 14 are insulated.
  • a conductive layer is in turn applied to the substrate 12; preferably in a layer thickness of approx. 100 nm.
  • the first microelectrode 18 is structured out of this conductive layer; the associated conductor track and the corresponding contact pads are preferably also structured out in this step.
  • the first microelectrode 18 is produced in such a way that it is always present at a distance from the piezoelectric film 16 . This has the advantage that the first microelectrode 18 and the piezoelectric membrane 14 do not interfere with one another when measuring or stimulating.
  • an insulator can be applied again and structured in such a way that the associated conductor track and the corresponding contact pads are insulated.
  • the patterning out can be carried out, for example, by reactive ion etching.
  • the piezoelectric film 16 can be structured within the piezoelectric membrane 14, for example wet-chemically. This allows the ratio of piezoelectric film area to piezoelectric membrane area to be optimized.
  • the underside - the side of the substrate 12, which is not directed towards the biological material - can be structured in a subsequent step, so that the areas 22 in which the piezoelectric membrane 14 is stored, have a smaller layer thickness 26.
  • This can be achieved, for example, by Bosch process methods.
  • the conductor tracks that have not yet been insulated can be insulated.
  • a container 30 can be arranged around the membrane electrode assembly 10 in such a way that the membrane electrode assembly 10 forms the bottom 36 of the container 30 . If more than one membrane-electrode unit 10 is arranged inside the container, a piezoelectric membrane-microelectrode array 100 according to the invention can be obtained.
  • FIG. 4B shows a top view of the fourth exemplary embodiment of the membrane microelectrode unit 10 according to the invention.
  • the container and the counter-electrode are not shown in FIG. 4B, the exemplary embodiment otherwise corresponding to the exemplary embodiment in FIG. 4A.
  • the microelectrode 18, the film electrode 38 and the piezoelectric membrane 14 have a circular shape; according to the invention, the electrodes 18 and 38 and membrane 14 can also have other shapes.
  • Conductor tracks 40, 42 are also shown, which lead to the film electrode 38 on the one hand and to the microelectrode 18 on the other hand.
  • the conductor tracks can be covered with an insulating layer.
  • the conductor tracks can be routed on the back of the substrate, ie on the side of the substrate facing away from the biological material. This means that there is no undesired electrical contacting of the biological material through the conductor track.
  • the microelectrode 18 is spaced apart from the piezoelectric membrane 14. In FIG.
  • the distance between the microelectrode 18 and the piezoelectric membrane 14 is preferably selected to be as small as possible, with this distance preferably corresponding at most to the diameter of the biological material (for example biological cells) cultivated thereon.
  • the advantage of this embodiment is that the microelectrode 18 and the piezoelectric membrane 14 can work independently of each other. For example, if the microelectrode 18 were to be placed on top of the membrane 14 instead of next to it, this can affect the mechanical properties of the membrane 14 .
  • a piezoelectric membrane microelectrode array 100 has at least two membrane microelectrode units 10, but a piezoelectric membrane microelectrode array 100 which has more than two membrane microelectrode units 10 is preferred.
  • a piezoelectric membrane microelectrode array 100 which has more than two membrane microelectrode units 10 is preferred.
  • FIG. 4C Such an arrangement is shown in FIG. 4C, it being possible for the individual membrane-microelectrode units 10 to correspond to the units in FIG. 4B.
  • the piezoelectric membrane microelectrode array 100 has sixteen individual membrane microelectrode units 10 . In particular, these are designed to be able to be controlled individually. A plurality of corresponding connections can therefore be led out of the array, which can be controlled accordingly by a measuring and/or stimulation device.
  • a measuring and/or stimulation device According to the invention, for example, several, e.g. four, membrane microelectrode units 10 can also be controlled together. Any other number of units 10 that
  • the piezoelectric membrane microelectrode array 100 can be used according to the invention for the spatially resolved measurement of electrical and/or mechanical activity of biological material triggered by electrical, mechanical, optical and/or biochemical stimulation. Furthermore, the piezoelectric membrane microelectrode array 100 can be used according to the invention for electrical, mechanical, optical and/or biochemical spatially resolved stimulation of biological material. Furthermore, the piezoelectric membrane microelectrode array 100 can be used according to the invention for the spatially resolved measurement of electrical and/or mechanical Activity of biological material and spatially resolved stimulation of the biological material are used, the measurement and the stimulation run simultaneously (at the same time).
  • the piezoelectric membranes 10 are deformed by mechanical stress, the direct piezoelectric effect produces an electrical voltage, which can be recorded, for example, by means of a (multi-channel) measuring amplifier (not shown). Conversely, the piezoelectric membranes 10 are mechanically deformed by an applied electrical voltage and can thus be used for mechanical stimulation.
  • the microelectrodes 18 adjacent to the piezoelectric membranes 10 can be used simultaneously (simultaneously) for electrical recording and stimulation.
  • FIG. 10 shows a cross section of a fifth embodiment of the membrane microelectrode unit 10 according to the invention, this embodiment corresponds to the first embodiment except for the difference that the microelectrode 18 is arranged within the piezoelectric membrane 14 on the substrate 12.
  • this configuration particularly space-saving/compact membrane microelectrode units 10 can be produced, so that a single piezoelectric membrane microelectrode array 100 according to the invention can have more membrane microelectrode units 10 than an array 100 in which the first microelectrode 10 does not within the piezoelectric membrane 14 is arranged.
  • FIG. 6A shows a cross section of a sixth exemplary embodiment of the membrane-microelectrode unit 10 according to the invention, this exemplary embodiment corresponding to the first exemplary embodiment, with the exception that the membrane-microelectrode unit 10 has an interdigital electrode 44 .
  • the interdigital electrode 44 is in this case applied to the piezoelectric film, with two interdigital electrodes 44 being present at a distance from one another in this exemplary embodiment.
  • the microelectrode 18 is present at a distance from the piezoelectric membrane 14 .
  • FIG. 10 shows a cross-section of a seventh embodiment of the membrane-microelectrode assembly 10 according to the invention, this embodiment corresponds to the sixth embodiment, except that the micro-electrode 18 is arranged within the piezoelectric membrane 14 on the piezoelectric film 16, in particular in the middle of the piezoelectric film 16.
  • FIG. 10 shows a cross section of an eighth embodiment of the membrane-microelectrode unit 10 according to the invention, this embodiment corresponds to the first embodiment, except for the difference that the piezoelectric membrane 14 is designed as a cantilever.
  • Fig. 8A shows a plan view of a ninth embodiment of the membrane-microelectrode unit 10 according to the invention.
  • This embodiment corresponds to the embodiment shown in FIG. 4B, with the difference that the membrane-microelectrode unit 10 has two microelectrodes 18, which Piezoelectric membrane 14 are spaced.
  • the membrane-microelectrode unit 10 according to the invention can also have more than two, for example three, four, five or more microelectrodes 18 .
  • the micro-electrodes can be arranged symmetrically around the membrane 14 . For example, one on the right and one on the left. Multiple microelectrodes 18 may be arranged in a circle around one or more membranes 14 .
  • Fig. 8B shows a plan view of a tenth embodiment of the membrane-microelectrode unit 10 according to the invention.
  • This embodiment corresponds to the embodiment shown in FIG. 4B, with the difference that the membrane-microelectrode unit 10 has two piezoelectric membranes 14 which the first microelectrode 18 are spaced apart.
  • the membrane microelectrode unit 10 according to the invention can also have more than two, for example three, four, five or more piezoelectric membranes 14 .
  • the membranes 14 can be arranged symmetrically around the microelectrode 18 . For example, one on the right and one on the left. Multiple membranes 14 may be arranged in a circle around one or more microelectrodes 18 .

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein piezoelektrisches Membran-Mikroelektroden Array (100) zur ortsaufgelösten elektrischen oder mechanischen Stimulation und gleichzeitiger ortsaufgelösten Messung elektrischer oder mechanischer Aktivität von biologischem Material. Das Array (100) weist dabei mindestens zwei Membran-Mikroelektroden-Einheiten (10) auf, die beide auf einem gemeinsamen Substrat (12) angeordnet sind.

Description

Piezoelektrisches Membran-Mikroelektroden Array
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Membran-Mikroelektroden Array und eine Membran-Mikroelektroden-Einheit. Das piezoelektrische Membran-Mikroelektroden Array weist dabei mindestens zwei Membran-Mikroelektroden-Einheiten auf, die auf einem Substrat angeordnet sind. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung der Membran-Mikroelektroden-Einheit und des piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Arrays. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung Verwendungen des piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Arrays.
[0002] Im Bereich der medizinischen Forschung sind Zellkulturen ein wichtiger Bestandteil. Unter kontrollierten Bedingungen lassen sich hierbei Zellen in-vitro untersuchen, was eine sinnvolle Alternative zu Tierversuchen darstellt. Beispielsweise lassen sich Veränderungen innerhalb von Zellen beobachten nach Kontakt mit einer Prüfsubstanz oder durch Anlegung einer Spannung. Weiterhin lassen sich auch mechanische Veränderungen der Zellen messen.
[0003] Um beispielsweise elektrophysiologische Eigenschaften von Zellen messen zu können, wurde die so genannte Patch-Clamp-Technik 1976 von Erwin Neher und Bert Sakmann entwickelt. Hierbei lässt sich die Funktion einzelner zellulärer Membranproteine ermitteln. Durch die Möglichkeit, das elektrische Verhalten von Membranproteinen an einzelnen Molekülen beobachten zu können, revolutionierte die Patch-Clamp-Technik die elektrophysiologische Forschung.
[0004] Mit der Zeit wurde diese Technik weiterentwickelt, sodass mittels der Patch-Clamp-Technik auch eine Messung von mechanischer Aktivität des zu untersuchenden Materials detektiert werden konnte. Einen wichtigen Beitrag hierzu leisteten beispielsweise P-C. Zhang, A. M. Keleshian, and F. Sachs, “Voltage-induced membrane movement,” Nature 413, 428 (2001 ) und T. D. Nguyen, N. Deshmukh, J. M. Nagarah, T. Kramer, P. K. Purohit, M. J. Berry, and M. C. McAlpine, “Piezoelectric nanoribbons for monitoring cellular deformations,” Nature Nanotechnology 7, 587 (2012). Hierbei wurde die Patch- Clamp-Technik erstmals mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) oder mit einer piezoelek- trischen Dünnschicht kombiniert, um einen elektromechanischen Biosensor herzustellen. Mit Hilfe dieses Biosensors ist es möglich, durch Anlegen einer elektrischen Spannung mit der Patch-Clamp-Technik an die zu untersuchende Zelle, mittels des AFM bzw. der piezoelektrischen Dünnschicht die mechanische Aktivität der Zelle zu detektieren.
[0005] Nachteilig an dieser neuen Technik ist jedoch zum einen der aufwendige experimentelle Aufbau der Messinstrumente. Hieraus ergibt sich zusätzlich der Nachteil, dass die Messung nur erfahrenen Anwendern vorbehalten ist und die einzelnen Messungen aufgrund des Aufwands sehr zeitintensiv sind. Aus diesem Grund ist auch eine Vollautomatisierung der Messung schwierig zu realisieren.
[0006] Ferner ergibt sich der Nachteil, dass das biologische Material, bevorzugt elektrogene Zellen, ausschließlich lokal vermessen werden kann. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass die Messelektrode für jede Messung neu positioniert werden muss, was den zusätzlichen Nachteil mit sich bringt, dass die Zellen innerhalb der Messmethode beschädigt werden können.
[0007] Ferner muss das biologische Material meist aufwendig vorbereitet werden, da die äußere Zellmembran der zu untersuchenden Zellen selten uneingeschränkt für die Patch-Clamp- Technik zugänglich ist.
[0008] Die WO 2020/064440 beschreibt dagegen eine Plattform die es ermöglicht lokale Stimulationen eines biologischen Materials durch Anlegen eines elektrischen Feldes zu bewirken, wobei die Plattform scher-piezoelektrische Materialien aufweist.
[0009] Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche eine verbesserte und/oder einfachere Analyse von biologischem Material ermöglicht. Insbesondere wäre es wünschenswert, einen oder mehrere der vorstehend beschriebenen Nachteile zu überwinden. Ferner wäre es wünschenswert, die Reproduzierbarkeit vom Messergebnissen zu verbessern. [0010] Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein piezoelektrisches Membran-Mikroelektroden Array zur ortsaufgelösten elektrischen und/oder mechanischen Stimulation und gleichzeitiger (simultaner) ortsaufgelösten Messung elektrischer und/oder mechanischer Aktivität von biologischem Material bereitgestellt, wobei das piezoelektrische Membran-Mikroelektroden Array mindestens zwei Membran-Mikroelektroden-Einhei- ten aufweist, wobei die Membran-Mikroelektroden-Einheit auf einem Substrat angeordnet sind; wobei die bzw. jede der beiden Membran-Mikroelektroden-Einheiten mindestens eine piezoelektrische Membran zur mechanischen Stimulation und/oder Messung mechanischer Aktivität von biologischem Material aufweist, wobei die mindestens eine piezoelektrische Membran einen piezoelektrischen Film aufweist, wobei der piezoelektrische Film auf dem Substrat angeordnet ist, wobei der piezoelektrische Film verformbar ist; und wobei die bzw. jede der beiden Membran-Mikroelektroden-Einheiten mindestens eine erste Mikroelektrode zur elektrischen Stimulation und/oder Messung elektrischer Aktivität von biologischem Material aufweist.
[0011] Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Membran- Mikroelektroden-Einheit bereitgestellt, wobei die Membran-Mikroelektroden-Einheit auf einem Substrat angeordnet ist; wobei die Membran-Mikroelektroden-Einheit mindestens eine piezoelektrische Membran zur mechanischen Stimulation oder Messung mechanischer Aktivität von biologischem Material aufweist, wobei die mindestens eine piezoelektrische Membran einen piezoelektrischen Film aufweist, wobei der piezoelektrische Film auf dem Substrat angeordnet ist, wobei der piezoelektrische Film verformbar ist; und wobei die Membran-Mikroelektroden-Einheit mindestens eine erste Mikroelektrode zur elektrischen Stimulation oder Messung elektrischer Aktivität von biologischem Material aufweist.
[0012] Ferner wird eine Multiwell-Platte zur elektrischen oder mechanischen Stimulation und gleichzeitiger (simultaner) Messung elektrischer oder mechanischer Aktivität von biologischem Material bereitgestellt, wobei die Multiwell-Platte mindestens einen Behälter und mindestens eine Membran-Mikroelektroden-Einheit aufweist, wobei der mindestens eine Behälter einen Aufnahmeraum für das biologische Material und ggf. Kulturmedium bildet, und wobei der mindestens eine Behälter einen Boden aufweist, wobei die mindestens eine Membran-Mikroelektroden-Einheit den Boden des Behälters bildet. [0013] Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Mikroelektroden-Einheit bereitgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Bereitstellung eines Substrats; b) Herstellen einer ersten Mikroelektrode, wobei die Herstellung folgende Schritte aufweist: i) Aufträgen einer ersten leitfähigen Schicht; und ii) Herausstrukturieren der ersten Mikroelektrode aus der ersten leitfähigen Schicht; c) Aufträgen eines piezoelektrischen Films auf das Substrat .
[0014] Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrisches Membran-Mikroelektroden Arrays bereitgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
A) Bereitstellung mindestens zweier Membran-Mikroelektroden-Einheiten in mindestens einem Behälter, wobei die mindestens zwei Membran-Mikroelektroden-Ein- heiten den Boden des Behälters bilden; und ggf.
B) Bereitstellung mindestens einer Gegenelektrode, wobei die Gegenelektrode innerhalb des Behälters angeordnet ist.
[0015] Zudem wird die Verwendung eines piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Arrays vorgeschlagen, zur elektrischen, mechanischen, optischen und/oder biochemischen ortsaufgelösten Stimulation von biologischem Material, oder zur ortsaufgelösten Messung von elektrischer und/oder mechanischer Aktivität von biologischem Material ausgelöst durch elektrische, mechanische, optische und/oder biochemischen Stimulation, oder zur ortsaufgelösten Messung von elektrischer und/oder mechanischer Aktivität von biologischem Material und zur ortsaufgelösten Stimulation des biologischen Materials, wobei die Messung und die Stimulation simultan (gleichzeitig) ablaufen, oder als Immunosensor, Gassensor oder als Nanogenerator.
[0016] Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bedeutet „simultan“, dass das biologische Material gleichzeitig stimuliert und vermessen werden kann und das zusätzlich ortsaufgelöst, d.h. an unterschiedlichen Orten insbesondere an unterschiedlichen Orten gleichzeitig. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann der Ausdruck "simultan" als Synonym für "gleichzeitig" verwendet werden und umgekehrt. Mit anderen Worten kann die Vorrichtung eingerichtet sein zur ortsaufgelösten elektrischen Stimulation und/oder ortsaufgelösten mechanischen Stimulation. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein zur simultanen ortsaufgelösten Messung elektrischer Aktivität und/oder zur ortsaufgelösten Messung mechanischer Aktivität. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, dass die ortaufgelöste mechanische und/oder elektrische Stimulation simultan bzw. gleichzeitig mit der ortsaufgelösten Messung elektrischer und/oder mechanischer Aktivität erfolgen kann. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein zur simultanen bzw. gleichzeitigen ortsaufgelösten elektrischen Stimulation und ortsaufgelösten mechanischen Stimulation. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein zur simultanen bzw. gleichzeitigen ortaufgelösten Messung elektrischer Aktivität und ortsaufgelösten Messung mechanischer Aktivität. Elektroden zur ortsaufgelösten Messung der elektrischen Aktivität von biologischem Material können zusätzlich piezoelektrischen Membranen zur ortsaufgelösten Messung der mechanischen Aktivität vorgesehen sein.
[0017] Mit dem vorgeschlagenen piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Array wird gleichzeitig ein Mess- und Stimulations-Array bereitgestellt, welches eine ortsaufgelöste Messung und simultane (gleichzeitige) Stimulation von biologischem Material ermöglicht, sodass das biologische Material elektrisch und/oder mechanisch stimuliert und gleichzeitig vermessen werden kann. Dies wird durch das Zusammenwirken der mindestens einen piezoelektrischen Membran und der mindestens einen ersten Mikroelektrode erreicht. Hierdurch kann biologisches Material ortsaufgelöst dahingehend untersucht werden, welche Auswirkungen unterschiedliche (ortsaufgelöste) Stimulationen, bspw. elektrisch und/oder mechanisch, auf das Material haben. Beispielsweise sind die elektrische Stimulation und die simultane (gleichzeitige) mechanische Messung von biologischem Material ortsaufgelöst möglich, wobei dies nicht mit den bisher im Stand der Technik verfügbaren Mitteln möglich ist. Andersherum ist auch eine mechanische Stimulation und die simultane elektrische Messung von biologischem Material ortsaufgelöst möglich.
[0018] Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann es sich bei „biologischem Material“ um Gewebe, Zellverbunde oder einzelne Zellen, welche bevorzugt menschlichen oder tierischen Ursprungs sind, handeln. Bevorzugt lässt sich das biologische Material elektrisch oder mechanisch anregen, also durch angelegte elektrische Spannung oder durch me- chanische Verformung des biologischen Materials. Beispielsweise handelt es sich bei dem biologischen Material um elektrogene Zellen wie beispielsweise Kardiomyozyten oder Nervenzellen.
[0019] Die Stimulation des biologischen Materials kann mittels des piezoelektrischen Membran- Mikroelektroden Arrays elektrisch oder mechanisch erreicht werden. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann „stimulieren“ bedeuten, dass das biologische Material angeregt wird, hierbei kann das biologische Material beispielsweise veränderte elektrische und/oder mechanische Eigenschaften zeigen.
[0020] Das biologische Material kann auch optisch, beispielsweise Licht-induziert stimuliert werden, wobei das biologische Material durch Veränderung seiner elektrischen und/oder mechanischen Eigenschaften reagieren kann. Ferner ist es möglich, dass das biologische Material biochemisch stimuliert wird; beispielsweise durch die Zugabe von Wirkstoffen, auf die das biologische Material durch Veränderung seiner elektrischen und/oder mechanischen Eigenschaften reagiert. Unabhängig von der Art der Stimulation des biologischen Materials, ist es mittels des piezoelektrischen Membran-Mikoelektroden Array möglich gleichzeitig sowohl die elektrische als auch die mechanische Veränderung des biologischen Materials zu messen.
[0021] Die „elektrische Stimulation“ kann durch die erste Mikroelektrode erreicht werden. Hierfür ist die Mikroelektrode in unmittelbarer Umgebung zum biologischen Material oder steht in Kontakt mit dem biologischen Material, sodass mittels der Mikroelektrode elektrische Spannung auf das biologische Material abgegeben/übertragen werden kann. Da das vorgeschlagene Array zur Stimulation und Vermessung biologischen Materials verwendet wird, liegen die Spannungswerte insbesondere unter 3 Volt, insbesondere unter 2 Volt, insbesondere unter 1,3 Volt.
[0022] Die „mechanische Stimulation“ kann durch die piezoelektrische Membran erreicht werden. Hierfür ist die piezoelektrische Membran in unmittelbarer Umgebung zum biologischen Material oder steht in Kontakt mit dem biologischen Material. Bei der mechanischen Stimulation wird die piezoelektrische Membran aufgrund des piezoelektrischen Effekts durch eine angelegte elektrische Spannung mechanisch verformt, sodass das biologische Material, welches in Kontakt mit der piezoelektrischen Membran steht, mechanisch stimuliert wird, also selbst verformt wird.
[0023] Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann es sich bei der „gemessenen elektrischen Aktivität von biologischen Material“ um Spannungsänderungen innerhalb des biologischen Materials, welche insbesondere durch Stimulation erreicht werden kann, beispielsweise mechanisch, optisch oder biochemisch.
[0024] Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann es sich bei der „gemessenen mechanischen Aktivität von biologischen Material“ um eine Verformung des biologischen Materials handeln, welche insbesondere durch Stimulation erreicht werden kann, beispielsweise elektrisch, optisch oder biochemisch.
[0025] Die Messung der Aktivität des biologischen Materials kann erfolgen durch Messung der elektrischen Spannung, bzw. das Messen einer Spannungsänderung, welche durch das biologische Material ausgelöst wird und/oder durch Messungen der mechanischen Aktivität ausgehend vom aktivierten biologischen Material, welches die piezoelektrische Membran verformt. Die Messung der mechanischen Aktivität wird durch die piezoelektrische Membran ermöglicht, wohingegen die elektrische Aktivität durch die erste Mikroelektrode gemessen werden kann. Demnach kann die Mikroelektrode neben der piezoelektrischen Membran simultan zur elektrischen Messung und Stimulation verwendet werden.
[0026] Ein Vorteil der vorgeschlagenen Lösung kann darin bestehen, dass die Messergebisse dadurch verbessert werden, dass eine bessere Reproduzierbarkeit erreicht wird. Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Patch-Clamp-Technik können die Messergebnisse stark vom Bediener abhängen. Insbesondere die von oben bereitgestellte elektrische Stimulation und/oder Messung kann stark variieren. Teilweise werden hierbei die zu messenden Zellen beschädigt. Ferner variiert die Relativposition von elektrischer und mechanischer Stimulation bzw. Messung von Sample zu Sample oftmals signifikant. [0027] Die Membran-Mikroelektroden-Einheit kann mindestens eine piezoelektrische Membran aufweisen. Demnach kann die Membran-Mikroelektroden-Einheit eine, zwei, drei, vier, fünf oder mehr piezoelektrische Membranen aufweisen. Bei einer Mehrzahl an Membranen können die einzelnen Membranen beispielsweise unabhängig voneinander jeweils als Mess- oder Stimulationsmembran verwendet werden.
[0028] Die Membran-Mikroelektroden-Einheit kann mindestens eine erste Mikroelektrode aufweisen. Demnach kann die Membran-Mikroelektroden-Einheit eine, zwei, drei, vier, fünf oder mehr Mikroelektroden aufweisen. Bei einer Mehrzahl an Mikroelektroden können die einzelnen Elektroden beispielsweise unabhängig voneinander jeweils als Mess- oder Stimulationsmikroelektrode verwendet werden.
[0029] Der piezoelektrische Film kann verformbar sein. „Verformbar“ kann in diesem Zusammenhang bedeuten, dass sich der Film aus einer Ruheposition, aufgrund einer angelegten Spannung oder aufgrund des aktivierten biologischen Materials, welches den piezoelektrischen Film verformt, in eine angeregte Position verbiegt, wobei die Verformung des piezoelektrischen Films abhängig von der Größe des piezoelektrischen Films ist. Für einen runden piezoelektrischen Film mit einem Durchmesser von ca. 200 pm, können beispielsweise die Unterschiede von der Ruheposition des Zentrums des Films in eine verformte/angeregte Position des Zentrums des Films insbesondere zwischen 10 und 2000 nm, insbesondere bei 100 bis 1000 nm, insbesondere bei 250 bis 500 nm liegen.
[0030] Mit dem vorgeschlagenen piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Array kann vorzugweise sowohl gemessen als auch stimuliert werden. Es versteht sich, dass hierfür eine entsprechende Mess- und/oder Stimulationseinrichtung angeschlossen sein kann. Optional kann das Array mindestens eine Mess-Zund Steuereinheit aufweisen, wobei diese mit der piezoelektrischen Membran und/oder mit der mindestens einen ersten Mikroelektrode über Leiterbahnen elektrisch verbunden ist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann jede einzelne Membran-Mikroelektroden-Einheit mittels der Mess- Zund Steuereinheit individuell angesteuert werden, wodurch das biologische Material durch jede einzelne Membran-Mikroelektroden-Einheit stimuliert und vermessen werden kann. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung können auch mehrere, beispiels- weise zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben oder acht Membran-Mikroelektroden-Einheiten durch eine gemeinsame Mess-/und Steuereinheit angesteuert werden. Alternativ kann auch jede einzelne piezoelektrische Membran bzw. jede einzelne Mikroelektrode einzeln angesteuert werden, was eine bevorzugte Ausgestaltung darstellt. Optional kann ein Messverstärker auf dem Substrat angeordnet sein und über Leiterbahnen auf dem Substrat mit dem piezoelektrischen Membran-Elektroden-Array verbunden sein. Hierdurch können auch geringe Signaländerungen detektiert werden. Ferner ist ein relativ störungsfreies Messen schwacher Signale möglich.
[0031] Gemäß einer ersten Ausgestaltung des offenbarten piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Arrays können die erste Mikroelektrode und der piezoelektrische Film voneinander beabstandet sein.
[0032] Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann „voneinander beabstandet“ bedeuten, dass die erste Mikroelektrode von dem piezoelektrischen Film abgegrenzt vorliegt; also dass die Mikroelektrode nicht über oder unter dem piezoelektrischen Film innerhalb des piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Arrays angeordnet ist; sondern nebeneinander. Der Abstand kann jedoch klein gewählt werden, dass eine ortsaufgelöste Stimulati- on/Messung stattfinden kann. Der Abstand kann dabei derart groß gewählt, dass die erste Mikroelektrode und der piezoelektrische Film sich bei der Stimulation/Messung nicht gegenseitig beeinflussen bzw. stören.
[0033] Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass sich die erste Mikroelektrode und der piezoelektrische Film bei einer Messung, also einer Stimulierung und gleichzeitigen Vermessung des biologischen Materials, nicht gegenseitig stören, was zu Messfehlern führen kann. Dies kann auftreten, wenn die erste Mikroelektrode und der piezoelektrische Film unmittelbar angrenzend, d.h. ohne jeglichen Abstand, angeordnet sind.
[0034] Gemäß einer Ausgestaltung des piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Arrays kann das Substrat mindestens zwei Bereiche aufweisen, einen ersten Bereich mit einer erste Schichtdicke und einen zweiten Bereich mit einer zweiten Schichtdicke, wobei die erste Schichtdicke größer als die zweite Schichtdicke ist, und wobei der piezoelektrische Film innerhalb des zweiten Bereichs des Substrats angeordnet ist.
[0035] Das Substrat kann ein Silicon-on-insulater (SOI) Wafer oder eine vorstrukturiertes Substrat sein. Mittels dieser Ausgestaltung lässt sich das biologische Material bevorzugt mit der piezoelektrischen Membran mechanisch stimulieren und/oder mechanisch Vermessen. Alternativ kann das Substrat auch als Leiterplatte (printed circuit board (PCB)) ausgestaltet sein. Ferner kann ein PCB als Aufnahme für eine Mehrzahl an Substraten bereitgestellt werden.
[0036] Die Schichtdicke des ersten Bereichs liegt beispielsweise im Bereich von 200 bis 2000 pm, insbesondere im Bereich von 200 bis 1000 pm, insbesondere im Bereich von ca. 500 pm. Die Schichtdicke des zweiten Bereichs liegt insbesondere im Bereich von 1 bis 50 pm, insbesondere im Bereich von 1 bis 25 pm, insbesondere im Bereich von 1 bis 10 pm.
[0037] Gemäß einer Ausgestaltung des piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Array kann die erste Mikroelektrode innerhalb des ersten oder zweiten Bereichs des Substrats angeordnet sein.
[0038] Gemäß der ersten Alternative ist die erste Mikroelektrode innerhalb des ersten Bereichs des Substrats angeordnet, also innerhalb des Substratbereichs mit der größeren Schichtdicke. Gemäß dieser Ausgestaltung ist die erste Mikroelektrode nicht nur von dem piezoelektrischen Film sondern von der piezoelektrischen Membran beabstandet. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass, sofern die erste Mikroelektrode stimuliert oder misst, die piezoelektrische Membran nicht durch die erste Mikroelektrode gestört wird und umgekehrt.
[0039] Gemäß der zweiten Alternative ist die erste Mikroelektrode innerhalb des ersten Bereichs des Substrats angeordnet, also innerhalb des Substratbereichs mit der kleineren Schichtdicke. Gemäß dieser Ausgestaltung ist die erste Mikroelektrode innerhalb der piezoelektrischen Membran angeordnet. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil eines kompakteren Aufbaus, da die Abstände der ersten Mikroelektrode zum piezoelektrischen Film kürzer sind als die gleichen Abstände innerhalb der ersten Alternative. Ferner können Messung und Stimulation näher beieinander erfolgen.
[0040] Gemäß einer Ausgestaltung des piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Array weist die piezoelektrische Membran mindestens eine erste Elektrode auf, wobei die mindestens eine erste Elektrode elektrisch leitend mit dem piezoelektrischen Film verbunden ist.
[0041] Gemäß dieser Ausgestaltung kann die mindestens eine erste Elektrode bevorzugt zwischen dem Substrat und dem piezoelektrischen Film liegen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Elektrode als Top-Elektrode auf dem piezoelektrischen Film aufgebracht sein. Hierbei kann eine Insolationsschicht über der Top-Elektrode vorgesehen sein, um die Top-Elektrode des Piezoelektrischen Films vom biologischen Material bzw. einer Nährlösung zu isolieren. Alternativ kann die Elektrode in Kontakt mit dem biologischen Material/ in unmittelbarer Umgebung zum biologischen Material stehen. Hierbei kann eine Kontaktierung z.B. über ein leitfähiges Nährmedium erfolgen. Die Elektrode kann beispielsweise aus einem der folgenden Materialien bestehen oder dieses aufweisen: Au, Pt, TiN oder leitfähige Oxide wie SrRuO3 oder SrTiO3 dotiert mit Nb. Bevorzugt weist die erste Elektrode eine Schichtdicke von 70 bis 130 nm, weiter bevorzugt von 80 bis 120 nm, besonders bevorzugt von 90 bis 110 nm auf. Besonders bevorzugt ist eine Elektrodenschichtdicke von ca. 100 nm.
[0042] Gemäß einer Ausgestaltung des offenbarten piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Array ist die erste Elektrode eine Interdigitalelektrode.
[0043] Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann der Begriff „Interdigitalelektrode“ als Synonym für „Interdigitaltransducer“ (kurz IDT) verwendet werden. Gemäß dieser Ausgestaltung liegt die erste Elektrode innerhalb der piezoelektrischen Membran auf dem piezoelektrischen Film vor, sodass der piezoelektrische Film zwischen dem Substrat und der ersten Elektrode zumindest teilweise vorliegt. Gemäß dieser Ausgestaltung kann die Interdigitalelektrode bevorzugt zwei Elektroden aufweisen, wobei die beiden Elektroden bevorzugt parallel zueinander angeordnet sind und den piezoelektrischen Film begrenzen. [0044] Gemäß einer Ausgestaltung des piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Array besteht der piezoelektrische Film aus einem ferroelektrischen Material oder enthält dieses, welches bevorzugt ausgewählt ist aus bleifreien Oxiden mit Perowskit-Struktur, insbesondere 0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3 - 0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3 oder Ko.5Na0.5Nb03; CMOS-kompati- ble Ferroelektrika, insbesondere A .xSCxN mit 0.2<x<0.5 oder Hfo.5Zro.5O2; und ferroelektrische Polymere, insbesondere Polyvinylidenfluorid oder Ferroelektrika mit multiferroischen Eigenschaften, insbesondere BiFeO3.
[0045] Diese Materialien haben sich als besonders vorteilhaft für die mechanische Stimulierung und mechanische Messung von biologischem Material herausgestellt. Bleifreie Ferroelektrika sind gegenüber bleihaltigen Ferroelektrika, wie beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), wegen der Toxizität von Blei besonders bevorzugt.
[0046] Gemäß einer Ausgestaltung kann der piezoelektrische Film eine Schichtdicke von 100 bis 3000 nm aufweisen, insbesondere von 500 bis 1500 nm, insbesondere eine Schichtdicke von ca. 1000 nm.
[0047] Gemäß einer Ausgestaltung des piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Arrays ist die piezoelektrische Membran in einem Abstand von 0,5 bis 500 pm, insbesondere in einem Abstand von 0,5 bis 50 pm, insbesondere in einem Abstand von 0,5 bis 5 pm von der ersten Mikroelektrode beabstandet.
[0048] Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass sofern das biologische Material durch die erste Mikroelektrode stimuliert wird, die piezoelektrische Membran nicht durch die angelegte Spannung der ersten Mikroelektrode gestört wird, sodass mit der piezoelektischen Membran mechanische Aktivität störungsfrei gemessen werden kann. Das gleiche gilt auch umgekehrt, sodass die piezoelektrische Membran, welche biologisches Material stimuliert nicht die erste Mikroelektrode beim Messen stört. Demnach können durch diese Ausgestaltung Messfehler verringert werden.
[0049] Gemäß einer Ausgestaltung des piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Array ist die erste Mikroelektrode innerhalb der piezoelektrischen Membran angeordnet. [0050] Gemäß dieser Ausgestaltung können besonders platzsparende/kompakte Membran-Mi- kroelektroden-Einheiten ausgestaltet werden, sodass ein einzelnes piezoelektrisches Membran-Mikroelektroden Array auf der gleichen Fläche des Substrats mehr Membran- Mikroelektroden-Einheiten aufweisen kann als ein Array, bei dem sich die erste Mikroelektrode nicht innerhalb der piezoelektrischen Membran befindet.
[0051] Gemäß einer Ausgestaltung des piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Arrays ist die piezoelektrische Membran als piezoelektrischer Cantilever oder als piezoelektrisches Nanoband ausgestaltet.
[0052] Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann es sich bei einem „piezoelektrischen Cantilever“ um eine besondere Ausgestaltung der piezoelektrischen Membran handeln, wobei die piezoelektrische Membran einseitig im Substrat fest eingespannt ist, sodass die Membran zumindest teilweise frei hängt. Beispielhaft ist ein solcher piezoelektrischer Cantilever in der US 2005/0193823 A1 beschrieben, jedoch bisher nicht im Kontext einer Membran-Mikroelektrodeneinheit.
[0053] Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann es sich bei einem „piezoelektrischen Nanoband“ um eine besondere Ausgestaltung der piezoelektrischen Membran handeln, wobei die piezoelektrische Membran an zwei gegenüberliegenden Seiten im Substrat fest eingespannt ist, sodass die Membran zumindest teilweise frei hängt. Beispielhaft ist ein solches piezoelektrisches Nanoband in der Veröffentlichung T. D. Nguyen et al. “Piezoelectric nanoribbons for monitoring cellular deformations,” Nature Nanotechnology 7, 587 (2012), beschrieben.
[0054] Gemäß einer Ausgestaltung des piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Array weist das piezoelektrische Membran-Mikroelektroden Array einen Behälter und optional mindestens eine Gegenelektrode auf, wobei der Behälter einen Aufnahmeraum für das biologische Material und ggf. Kulturmedium bildet, und wobei der Behälter einen Boden aufweist, wobei die mindestens eine Membran-Mikroelektroden-Einheit den Boden des Behälters bildet, und wobei die optionale Gegenelektrode elektrische Signale ausgehend vom biologischen Material messen kann. [0055] Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann es sich bei dem „Behälter“ um einen Probebehälter handeln, der das biologische Material bevorraten kann. Besonders bevorzugt ist ein zylindrischer Behälter, der nach unten durch das vorgeschlagene piezoelektrische Membran-Mikroelektroden Array abgeschlossen ist. Bevorzugt ist der Behälter derart ausgestaltet, dass dieser ein Kulturmedium für das biologische Material bevorraten kann, wobei das Kulturmedium bevorzugt flüssig ist.
[0056] Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann der Begriff „Gegenelektrode“ und „Referenzelektrode“ als Synonym verwendet werden. Die Gegenelektrode kann derart ausgestaltet, dass diese zwischen der ersten Elektrode und der Gegenelektrode elektrische Signale messen oder das biologische Material elektrisch stimulieren kann. Die Messung erfolgt hierbei über Potentialunterschiede der Gegenelektrode und der ersten Mikroelektrode. Die Gegenelektrode kann in dem Kulturmedium eingetaucht vorliegen, am Rand des Behälters bevorratet oder in dem Substrat integriert sein.
[0057] Wie eingangs erwähnt betrifft ein weiterer Aspekt der Offenbarung eine Multiwell-Platte zur elektrischen und/oder mechanischen Stimulation und gleichzeitiger (simultaner) Messung elektrischer und/oder mechanischer Aktivität von biologischem Material.
[0058] Bei der „Multiwell-Platte“ kann es sich beispielsweise um eine Mikrotiterplatte handeln. Eine Multiwell-Plate kann eine Mehrzahl an Behältern zur Aufnahme von biologischem Material bzw. Nährlösung und biologischem Material aufweisen, beispielsweise kann die Multiwell-Plate 6, 12, 24, 48, 96 oder 384 Behälter aufweisen. Einer oder mehrere der Behälter können am Boden des jeweiligen Behälters mindestens eine Membran-Mikro- elektroden-Einheit aufweisen. Der Boden von mehreren Behältern kann von einem gemeinsamen Substrat mit mehreren eine Membran-Mikroelektroden-Einheiten gebildet werden, wobei mehrere der Behälter jeweils eine zugehörige eine Membran-Mikroelektro- den-Einheit aufweisen. Alternativ können Behälter separate Substrate mit jeweils mindestens einer eine Membran-Mikroelektroden-Einheit aufweisen. Ein Vorteil ist, dass der Yield bzw. die Ausbeute in der Fertigung verbessert werden kann. Die jeweiligen Substrate können z.B. auf einem gemeinsamen PCB angeordnet sein. Besonders bevorzugt ist eine Multiwell-Plate mit 24 oder 96 Behältern. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung können der Begriff „Behälter“ und „Kavität“ als Synonym verwendet werden. [0059] Wie eingangs erwähnt betrifft ein weiterer Aspekt der Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Mikroelektroden-Einheit.
[0060] Das „Aufträgen des piezoelektrischen Films“ auf das Substrat in Schritt c) kann mittels Dünnschichtprozess erreicht werden. Bei diesem Schritt wird der piezoelektrische Film auf das Substrat aufgebracht bzw. abgeschieden.
[0061] Das „Aufträgen der ersten leitfähigen Schicht“ in Schritt b) i) kann mittels eines Dünnschichtprozesses erreicht werden. Hierbei wird eine elektrisch leitfähige Schicht in einer bevorzugten Schichtdicke von ca. 100 nm aufgebracht bzw. abgeschieden.
[0062] Das „Herausstrukturieren der ersten Mikroelektrode aus der ersten leitfähigen Schicht“ in Schritt b) ii) kann mittels optischer Lithographie erreicht werden. In diesem Schritt kann ebenfalls eine Leiterbahn und Kontaktpads der ersten Mikroelektrode herausstrukturiert werden.
[0063] Das Verfahren zur Herstellung einer Membran-Mikroelektroden-Einheit kann den Schritt b) aufweisen: b) Herstellen der ersten Elektrode und einer ersten Mikroelektrode auf dem Substrat, wobei die Herstellung folgende Schritte aufweist: i) Aufträgen einer ersten leitfähigen Schicht auf dem Substrat; und ii) Herausstrukturieren der ersten Elektrode und der ersten Mikroelektrode aus der ersten leitfähigen Schicht; wobei der piezoelektrischen Film in Schritt c) auf die erste Elektrode aufgetragen wird.
[0064] Gemäß dieser Ausgestaltung befindet sich die erste Elektrode zwischen dem Substrat und dem piezoelektrischen Film. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass die erste Elektrode und die erste Mikroelektrode aus derselben leitfähigen Schicht heraus-struktu- riert werden kann. Da keine (metallische) Top-Elektrode inklusive Leiterbahn und Isolator auf der Membran gemäß dieser Ausgestaltung notwendig ist, können diese auch die mechanischen Eigenschaften der Membran nicht negativ beeinflussen. Gemäß dieser Ausgestaltung ist die erste Elektrode bevorzugt innerhalb der piezoelektrischen Membran angeordnet, sodass die erste Elektrode von der ersten Mikroelektrode beabstandet ist.
[0065] Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung einer Membran-Mikroelektro- den-Einheit wird auf die erste Mikroelektrode und/oder die erste Elektrode zumindest teilweise ein Isolator aufgebracht.
[0066] Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann der Isolator beispielsweise aus Si3Ni4 bestehen oder dieses aufweisen. Der Isolator kann derart auf die erste Mikroelektrode und/oder die erste Elektrode aufgebracht sein, dass Leiterbahnen der ersten Mikroelektrode oder der ersten Elektrode isoliert werden. Bevorzugt werden solche Bereiche, welche in unmittelbarem Kontakt zum biologischen Material stehen und zur Stimulation bzw. zur Messung des biologischen Materials verwendet werden nicht isoliert.
[0067] Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung einer Membran-Mikroelektro- den-Einheit kann das Substrat strukturiert werden, bevorzugt durch einen Bosch-Prozess.
[0068] Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann „Strukturieren“ bedeuten, dass in das Substrat Mikrostrukturen eingebracht werden. Die Mikrostrukturen werden bevorzugt in die vom biologischen Material weg gerichtete Seite des Substrats hineingebracht. Dies kann beispielsweise mittels des Bosch-Prozess erreicht werden. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann der Begriff „Bosch-Prozess" als Synonym zum „reaktiven lo- nentiefenätzen“ eingesetzt werden. Beim Strukturieren wird bevorzugt innerhalb der piezoelektrischen Membran eine Strukturtiefe eingebracht. Die Strukturtiefe wird bevorzugt so eingebracht, dass die verbleibende Schichtdicke im Bereich von 1 bis 50 pm, weiter bevorzugt im Bereich von 1 bis 25 pm, besonders bevorzugt im Bereich von 1 bis 10 pm liegt.
[0069] Wie eingangs erwähnt betrifft ein weiterer Aspekt der Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Arrays. [0070] Die Gegenelektrode kann innerhalb des Behälters angeordnet sein. Hierbei kann die Gegenelektrode lediglich in Kontakt mit dem Elektrolyt/Kulturmedium stehen. Alternativ kann die Gegenelektrode am Behälter, beispielsweise am Rand des Behälters angeordnet sein. Alternativ kann die Gegenelektrode auch auf oder unter dem piezoelektrischen Film angeordnet sein.
[0071] Wie eingangs erwähnt betrifft ein weiterer Aspekt der Offenbarung die Verwendung des vorgeschlagenen piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Arrays. Hierbei kann das Array zur elektrischen, mechanischen, optischen und/oder biochemischen ortsaufgelösten Stimulation von biologischem Material verwendet werden.
[0072] Des Weiteren kann das piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Array zur ortsaufgelösten Messung von elektrischer und/oder mechanischer Aktivität von biologischem Material ausgelöst durch elektrische, mechanische, optische und/oder biochemischen Stimulation verwendet werden.
[0073] Ferner kann das piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Array zur ortsaufgelösten Messung von elektrischer und/oder mechanischer Aktivität von biologischem Material und zur ortsaufgelösten Stimulation des biologischen Materials verwendet werden, wobei die Messung und die Stimulation simultan (gleichzeitig) ablaufen.
[0074] Des Weiteren kann das piezoelektrische Membran-Mikroelektroden Array als Immunosensor, Gassensor oder als Nanogenerator verwendet werden.
[0075] Gemäß dieser Ausgestaltung kann mittels eines Immunosensors die Bildung von Antigen- Antikörper-Komplexen gemessen werden. Dies kann beispielsweise sowohl durch elektrische Signale detektiert werden, als auch durch Eigenschaftsänderungen wie beispielsweise Masseänderungen. Ferner kann gemäß dieser Ausgestaltung mittels eines Gassensors die Verschiebung der Resonanzfrequenz der Membranen gemessen werden, wenn Gasteilchen dort andocken. Außerdem können gemäß dieser Ausgestaltung mittels des Nanogenerators Vibrationen aus der Umgebung, die die piezoelektrischen Membranen in Schwingung versetzen, über den direkten piezoelektrischen Effekt als elektrische Spannung gemessen werden.
[0076] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend 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.
[0077] Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Membran-Mikroelektroden Einheit,
Fig. 2 einen Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Membran-Mikroelektroden Einheit,
Fig. 3 einen Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Membran-Mikroelektroden Einheit,
Fig. 4A einen Querschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Membran-Mikroelektroden Einheit,
Fig. 4B eine Draufsicht des vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Membran-Mikroelektroden Einheit,
Fig. 4C eine Draufsicht eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Arrays,
Fig. 5 einen Querschnitt eines fünften Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Membran-Mikroelektroden Einheit, Fig. 6A einen Querschnitt eines sechsten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Membran-Mikroelektroden Einheit,
Fig. 6B einen Querschnitt eines siebten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Membran-Mikroelektroden Einheit,
Fig. 7 einen Querschnitt eines achten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Membran-Mikroelektroden Einheit,
Fig. 8A eine Draufsicht eines neunten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Arrays, und
Fig. 8B eine Draufsicht eines zehnten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Arrays.
[0078] Figur 1 zeigt einen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels der vorgeschlagenen Membran-Mikroelektroden Einheit 10, wobei die Membran-Mikroelektroden Einheit 10 auf einem Substrat 12 angeordnet ist. Die Membran-Mikroelektroden Einheit 10 weist eine piezoelektrische Membran 14 mit einem Durchmesser d1 auf, wobei die piezoelektrische Membran 14 einen piezoelektrischen Film 16 aufweist, wobei der piezoelektrische Film 16 auf dem Substrat 12 angeordnet ist, und wobei der piezoelektrische Film 16 verformbar ist. Die piezoelektrische Membran 14 kann derart ausgestaltet sein, dass diese sowohl zur mechanischen Stimulation als auch zur Messung von mechanischer Aktivität von biologischem Material geeignet ist.
[0079] Von dem piezoelektrischen Film 16 beabstandet, weist die Membran-Mikroelektroden-Ein- heit 10 mindestens eine erste Mikroelektrode 18 auf. Die Mikroelektrode 18 ist dabei auf dem Substrat 12 angeordnet. Der Abstand der Mikroelektrode 18 zur piezoelektrischen Membran 14 ist mit d2 angegeben. Bevorzugt beträgt der Abstand d2 0,5 bis 500 pm. Alternativ kann der Abstand d2 auch 0 betragen. Die Mikroelektrode 18 kann derart ausgestaltet sein, dass diese sowohl zur elektrischen Stimulation als auch zur Messung von elektrischer Aktivität von biologischem Material geeignet ist. [0080] Gemäß dieser Ausgestaltung weist das Substrat 12 zwei Bereiche 20, 22 auf; einen ersten Bereich 20 mit einer erste Schichtdicke 24 und einen zweiten Bereich 22 mit einer zweiten Schichtdicke 26, wobei die erste Schichtdicke 24 größer als die zweite Schichtdicke 26 ist. Wie in Fig. 1 erkennbar ist, ist der piezoelektrische Film 16 innerhalb des zweiten Bereichs 22 des Substrats 12 angeordnet. Bei dem Substrat 12 kann es sich erfindungsgemäß um ein vorgeprägtes Substrat oder um ein Silicon-on-insulator Wafer handeln, welcher beispielsweise innerhalb des Herstellungsverfahrens mittels des Bosch- Prozesses oder eines anderen Strukturierungsprozesses (rückseitig) strukturiert werden kann, sodass das Substrat 12 die entsprechenden Bereiche 20 und 22 aufweist.
[0081] Wie in Fig. 1 erkennbar ist, erstreckt sich der piezoelektrische Film 16 nur teilweise über die piezoelektrische Membran 14. In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann sich der piezoelektrische Film 16 auch über die gesamte piezoelektrische Membran 14 erstrecken.
[0082] Der piezoelektrische Film 16 kann aus einem ferroelektrischen Material bestehen oder dieses enthalten. Dieses Material ist besonders vorteilhaft für die mechanische Stimulierung und mechanische Messung von biologischem Material. Erfindungsgemäß werden solche ferroelektrischen Materialien bevorzugt, von denen keine Toxizität auf das biologische Material ausgeht. Demnach sind bleihaltige Ferroelektrika wie beispielsweise Blei- Zirkonat-Titanat (PZT) weniger bevorzugt.
[0083] In Fig. 2 ist ein Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Membran-Mikroelektroden Einheit 10 gezeigt. Diese unterscheidet sich, von der in Fig. 1 gezeigten Einheit 10, lediglich durch eine zusätzliche erste Elektrode 28, welche innerhalb der piezoelektrischen Membran 14 angeordnet ist. Die erste Elektrode 28 ist hierbei elektrisch leitend mit dem piezoelektrischen Film 16 verbunden.
[0084] In der gezeigten Ausführungsform, ist die erste Elektrode 28 zwischen dem piezoelektrischen Film 16 und dem Substrat 12 angeordnet. Demnach steht die erste Elektrode 28 nicht in direktem Kontakt mit dem biologischen Material. Die erste Elektrode 28 ist erfindungsgemäß elektrisch leitend, sodass diese auch aus einem leitfähigen Material besteht oder dieses aufweist. Bevorzugt liegt die Elektronenschichtdicke der ersten Elektrode 28 bei ca. 100 nm.
[0085] Erfindungsgemäß kann die erste Mikroelektrode 18 und die erste Elektrode 28 über Leiterbahnen mit einer oder mehreren Mess- und Steuereinheiten verbunden sein (nicht gezeigt). Als Gegenelektrode kann beispielsweise ein elektrisch leitendes Kulturmedi- um/Elektrolytlösung dienen. Alternativ kann eine dedizierte Gegenelektrode vorgesehen sein, um einen geschlossenen Stromkreis bereitzustellen. Beispielsweise kann die in die Elektrolytlösung eingetauchte Gegenelektrode aus AgCI bestehen oder dieses aufweisen.
[0086] Alternativ zur der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform, kann die erste Elektrode 28 auch oberhalb des piezoelektrischen Films 16 angeordnet sein (vergleiche hierzu Fig. 6).
[0087] Fig. 3 zeigt einen Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Membran-Mikroelektroden Einheit 10. Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel durch einen zusätzlichen Behälter 30 und einer zusätzlichen Gegenelektrode 32. Hierbei bildet der Behälter 30 einen Aufnahmeraum für das biologische Material und das Kulturmedium/Elektrolytlösung 34. Wie in Fig. 3 gezeigt weist der Behälter 30 einen Boden 36 auf, wobei die Membran-Mikroelektroden-Einheit 10 den Boden 36 des Behälters 30 bildet.
[0088] Die Gegenelektrode 32 bzw. Referenzelektrode 32 kann derart ausgestaltet sein, dass diese z.B. als Masseanschluss dient. Die Messung erfolgt hierbei über Potentialunter- schiede der Gegenelektrode 32 und der ersten Mikroelektrode 18 und über Potentialunter- schiede der Gegenelektrode 32 und der ersten Elektrode 28. In dieser Ausführungsform ist die Gegenelektrode 32 in das Kulturmedium bzw. den Elektrolyten 34 eingetaucht. Erfindungsgemäß kann die Gegenelektrode 32 auch am Behälter 30 oder innerhalb der Membran-Mikroelektroden-Einheit 10 angeordnet sein.
[0089] Der Behälter 30 ist in Fig. 3 als zylindrischer Probebehälter ausgestaltet, wobei dieser nach unten durch die erfindungsgemäße piezoelektrische Membran-Mikroelektroden Ein- heit 10 abgeschlossen ist. Andere Ausgestaltungen, wie beispielsweise ein trichterförmiger Probenbehälter sind ebenfalls möglich.
[0090] Zum Anschluss an eine Mess- und/oder Stimulationseinrichtung können Anschlüsse 51 , 52, 53 vorgesehen sein. Hierbei kann optional ein gemeinsamer Masseanschluss 51 vorgesehen sein. Für eine elektrische Stimulation kann über den Anschluss 53 ein elektrisches Stimulationssignal bereitgestellt werden. Zur Messung einer mechanischen Antwort auf die Stimulation kann z.B. an die Anschlüsse 51 , 52 ein Messverstärker, wie beispielsweise ein Differenzverstärker bzw. Operationsverstärker angeschlossen werden. Optional kann der Messverstärker auf dem Substrat ko-integriert sein. Hierdurch können Störeinflüsse bei der Weiterverarbeitung der Signale verringert werden, da bereits verstärkte Signale vom Substrat weg geführt werden.
[0091] Fig. 4A zeigt einen Querschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Membran-Mikroelektroden Einheit 10. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich zum dritten Ausführungsbeispiel durch eine Filmelektrode 38, die oberhalb des piezoelektrischen Films 16 angeordnet ist. In der gezeigten Ausführungsform ist die Filmelektrode 38 vom Durchmesser kleiner als der piezoelektrische Film 16 und bedeckt diesen demnach nur teilweise. In der gezeigten Ausführungsform stehen demnach der piezoelektrische Film 16 zumindest teilweise sowie die Filmelektrode 38 vollständig in unmittelbarem Kontakt mit dem biologischen Material innerhalb einer Messung/Stimulation. Wobei „unmittelbarer Kontakt" in diesem Zusammenhang bedeutet, dass der piezoelektrische Film 16 und die Filmelektrode 38 optional auch eine zusätzliche Isolatorschicht aufweisen können, also ein Isolator zwischen dem piezoelektrische Film 16 bzw. der Filmelektrode 38 und dem biologischen Material vorliegen kann (nicht gezeigt). In dieser Ausführungsform kann die Gegenelektrode 54 über das Kulturmedium bzw. den Elektrolyten 34 bereitgestellt werden, beispielsweise indem eine Gegenelektrode 54 in das Kulturmedium bzw. den Elektrolyten 34 eingetaucht ist (ähnlich zu Fig. 3). Alternativ kann die Filmelektrode 38 als Gegenelektrode dienen, z.B. als Masse. In diesem Fall ist kein Isolator gegenüber dem biologischen Material vorgesehen. Ein Vorteil ist ein einfacherer Aufbau, da eine gemeinsame Elektrode für die elektrische und mechanische Interaktion bereitgestellt werden kann. [0092] Für dieses in Fig.4A gezeigte vierte Ausführungsbeispiel soll an dieser Stelle beispielhaft das Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen Membran-Mikroelektroden Einheit beschrieben werden. Es versteht sich, dass die einzelnen Verfahrensschritte entsprechend auch für die anderen Ausführungsbeispiele der anderen Figuren und generell für die Erfindung gelten, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
[0093] Das Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Membran-Mikroelektroden-Ein- heit 10 kann mit Standard-Prozessen der Silizium und Dünnschichttechnologie durchgeführt werden. In einem ersten Schritt des Verfahrens wird das Substrat 12 bereitgestellt. Das Substrat 12 ist bevorzugt ein planares Substrat, welches beispielsweise ein Silicon- on-insulater (SOI) Wafer ist oder ein vorstrukturiertes Substrat.
[0094] In einem Folgeschritt kann eine erste Elektrode 28 hergestellt werden. Hierbei wird zunächst eine leitfähige Schicht, die die erste Elektrode 28 bilden wird, auf das Substrat 12 aufgetragen, wobei in einem nächsten Schritt die erste Elektrode 28 herausstrukturiert werden kann. Die erste Elektrode 28 kann beispielsweise aus einem der folgenden Materialien bestehen oder diese aufweisen: Pt, TiN, SrRuO3. Die erste Elektrode 28 kann dabei optional mit einer Haftvermittlerschicht, beispielsweise aus Ti oder Ta, und/oder einer Pufferschicht, beispielsweise aus SiO2, aufgetragen werden. Die Haftvermittlerschicht und Pufferschicht sind in der Fig. 4A nicht gezeigt. Bevorzugte Schichtdicken liegen hier bei ca. 300 nm für die Pufferschicht, ca. 10 nm für die Haftvermittlerschicht und ca. 100 nm für die erste Elektrode 28.
[0095] In einem Folgeschritt wird der piezoelektrische Film 16 auf das Substrat 12, bzw. in dieser Ausgestaltung auf die erste Elektrode 28, aufgetragen. Der piezoelektrische Film 16 kann beispielsweise mittels eines Dünnschichtprozess auf die jeweilige obere/letzte Schicht gewachsen werden. Bevorzugt wird ein piezoelektrischer Film 16 mit einer Schichtdicke von 500 bis 1000 nm.
[0096] Anschließend kann in einem Folgeschritt, ebenfalls in einem Dünnschichtprozess, eine weitere leitfähige Schicht auf das Substrat 12, bzw. in dieser Ausgestaltung auf den piezoelektrischen Film 16 aufgetragen werden. Bevorzugt wird ein Schichtdicke von ca. 100 nm. Die leitfähige Schicht besteht oder weist bevorzugt die folgenden Materialien auf: Au, Pt, TiN oder leitfähige Oxide wie SrRuO3 oder SrRuO3 dotiert mit Nb. Um die Filmelektrode 38 bilden zu können, wird diese in einem Folgeschritt aus der leitfähigen Schicht herausstrukturiert. Daneben können gleichzeitig zugehörige Leiterbahnen und ggf. Kontaktpads aus der leitfähigen Schicht, beispielsweise mittels optischer Lithographie, herausstrukturiert werden. Die Leiterbahnen dienen einer Verbindung zwischen der Filmelektrode 38 und einer Mess-/Steuereinheit (nicht gezeigt). Das Herstellungsverfahren der piezoelektrischen Membran basiert auf den bekannten Verfahren zu Herstellung von SOI- Wafern. Derartige Verfahren sind beispielshaft in M. D. Nguyen et. al, "Optimized electrode coverage of membrane actuators based on epitaxial PZT thin films,” Smart Mater. Struct. 22, 085013 (2013) oder in C. T. Q. Nguyen et. al. “Process dependence of the piezoelectric response of membrane actuators based on Pb(Zro.45Tio.55)03 thin films,” Thin Solid Films 556, 509 (2014) beschrieben.
[0097] Auf die piezoelektrische Membran 14 kann in einem nächsten Schritt ein Isolator, beispielsweise aus Si3N4, aufgetragen werden, wobei dieser bevorzugt derart strukturiert wird, dass die Leiterbahnen und die Elektroden 28 und 38 auf der piezoelektrischen Membran 14 isoliert sind.
[0098] Zur Herstellung der ersten Mikroelektrode 18 wird wiederrum eine leitfähige Schicht auf das Substrat 12 aufgetragen; bevorzugt in einer Schichtdicke von ca. 100 nm. Aus dieser leitfähigen Schicht wird in einem folgenden Schritt die erste Mikroelektrode 18 herausstrukturiert, bevorzugt wird in diesem Schritt ebenfalls die zugehörige Leiterbahn und die entsprechenden Kontaktpads herausstrukturiert. Die Herstellung der ersten Mikroelektrode 18 erfolgt erfindungsgemäß derart, dass diese stets von dem piezoelektrischen Film 16 beabstandet vorliegt. Dies hat den Vorteil, dass sich die erste Mikroelektrode 18 und die piezoelektrische Membran 14 nicht gegenseitig beim Messen oder Stimulieren stören. In einem nächsten Schritt kann erneut ein Isolator aufgetragen und derart strukturiert werden, dass die zugehörige Leiterbahn und die entsprechenden Kontaktpads isoliert sind. Das Herausstrukturieren kann beispielsweise durch reaktives lonenätzen durchgeführt werden. [0099] In einem weiteren Schritt kann der piezoelektrische Film 16 innerhalb der piezoelektrischen Membran 14 strukturiert werden, beispielsweise nasschemisch. Dadurch kann das Verhältnis von piezoelektrischer Filmfläche zu piezoelektrischer Membranfläche optimiert werden.
[00100] Sofern es sich bei dem Substrat 12 um ein nicht-vorstrukturierten Substrat handelt, kann in einem Folgeschritt die Unterseite - die Seite des Substrats 12, die nicht zum biologischen Material hin gerichtet ist - strukturiert werden, sodass die Bereiche 22, in der die piezoelektrische Membran 14 bevorratet ist, eine kleinere Schichtdicke 26 aufweisen. Dies kann beispielsweise durch Bosch-Prozess-Verfahren erreicht werden. In einem weiteren Schritt können die noch nicht isolierten Leiterbahnen isoliert werden.
[00101] Zuletzt kann ein Behälter 30 derart um die Membran-Elektroden-Einheit 10 angeordnet werden, dass die Membran-Elektroden-Einheit 10 den Boden 36 des Behälters 30 bildet. Sofern mehr als eine Membran-Elektroden-Einheit 10 innerhalb des Behälters angeordnet sind, kann ein erfindungsgemäßes piezoelektrisches Membran-Mikroelektroden Array 100 erhalten werden.
[00102] Fig. 4B zeigt eine Draufsicht des vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Membran-Mikroelektroden Einheit 10. Der Übersichthalber sind der Behälter und die Gegenelektrode in Fig. 4B nicht gezeigt, wobei das Ausführungsbeispiel ansonsten dem Ausführungsbeispiel in Fig. 4A entspricht.
[00103] Gemäß Ausführungsbeispiel in Fig. 4B weisen die Mikroelektrode 18, die Filmelektrode 38 und die piezoelektrische Membran 14 eine kreisrunde Form auf, erfindungsgemäß können die Elektroden 18 und 38 und Membran 14 auch andere Formen aufweisen. Ferner sind Leiterbahnen 40, 42 gezeigt, die zum einen zur Filmelektrode 38 und zum anderen zur Mikroelektrode 18 führen. Die Leiterbahnen können mit einer Isolationsschicht bedeckt sein. Alternativ können die Leiterbahnen rückseitig auf dem Substrat geführt werden, also auf der dem biologischen Material abgewandten Seite des Substrats. Damit erfolgt keine unterwünsche elektrische Kontaktierung des biologischen Materials durch die Leiterbahn. [00104] In Fig. 4B ist die Mikroelektrode 18 von der piezoelektrische Membran 14 beabstandet angeordnet. Der Abstand zwischen der Mikroelektrode 18 und der piezoelektrischen Membran 14 ist erfindungsgemäß bevorzugt möglichst klein gewählt, wobei dieser Abstand bevorzugt höchstens dem Durchmesser des darauf kultivierten biologischen Materials (beispielsweise biologische Zellen) entspricht. Der Vorteil dieses Ausführungsbeispiels ist, dass die Mikroelektrode 18 und die piezoelektrische Membran 14 unabhängig voneinander arbeiten können. Würde man z.B. die Mikroelektrode 18 auf statt neben der Membran 14 platzieren, kann das die mechanischen Eigenschaften der Membran 14 beeinflussen.
[00105] Erfindungsgemäß weist ein piezoelektrischer Membran-Mikroelektroden Array 100 mindestens zwei Membran-Mikroelektroden-Einheit 10 auf, bevorzugt ist jedoch ein piezoelektrischer Membran-Mikroelektroden Array 100, der mehr als zwei Membran-Mi- kroelektroden-Einheit 10 aufweist. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 4C dargestellt, wobei die einzelnen Membran-Mikroelektroden-Einheiten 10 den Einheiten der Fig. 4B entsprechen können. In diesem Ausführungsbeispiel weist das piezoelektrischer Membran-Mikroelektroden Array 100 sechzehn einzelne Membran-Mikroelektroden-Einheiten 10 auf. Insbesondere sind diese dazu ausgebildet, jeweils einzeln angesteuert werden zu können. Es kann also eine Mehrzahl an entsprechenden Anschlüssen aus dem Array herausgeführt werden, die von einer Mess- und/oder Stimulationseinrichtung entsprechend angesteuert werden können. Erfindungsgemäß können beispielsweise auch jeweils mehrere, z.B. vier Membran-Mikroelektroden-Einheiten 10 zusammen angesteuert werden. Eine beliebige andere Anzahl an zusammen ansteuerbaren Einheiten 10 ist auch möglich.
[00106] Das piezoelektrische Membran-Mikroelektroden Array 100 kann erfindungsgemäß zur ortsaufgelösten Messung von elektrischer und/oder mechanischer Aktivität von biologischem Material ausgelöst durch elektrische, mechanische, optische und/oder biochemischen Stimulation verwendet werden. Ferner kann das piezoelektrische Membran-Mikroelektroden Array 100 erfindungsgemäß zur elektrischen, mechanischen, optischen und/oder biochemischen ortsaufgelösten Stimulation von biologischem Material verwendet werden. Weiter kann des piezoelektrische Membran-Mikroelektroden Array 100 erfindungsgemäß zur ortsaufgelösten Messung von elektrischer und/oder mechanischer Aktivität von biologischem Material und zur ortsaufgelösten Stimulation des biologischen Materials verwendet werden, wobei die Messung und die Stimulation simultan (gleichzeitig) ablaufen.
[00107] Werden die piezoelektrischen Membranen 10 durch eine mechanische Spannung verformt, entsteht aufgrund des direkten piezoelektrischen Effekts eine elektrische Spannung, welche beispielsweise mittels eines (Mehrkanal-) Messverstärkers aufgezeichnet werden kann (nicht gezeigt). Umgekehrt werden die piezoelektrischen Membranen 10 durch eine angelegte elektrische Spannung mechanisch verformt und können somit zur mechanischen Stimulation verwendet werden. Die Mikroelektroden 18 neben den piezoelektrischen Membranen 10 können simultan (gleichzeitig) zur elektrischen Aufzeichnung und Stimulation verwendet werden.
[00108] Fig. 5 zeigt einen Querschnitt eines fünften Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Membran-Mikroelektroden Einheit 10, wobei dieses Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht bis auf den Unterschied, dass die Mikroelektrode 18 innerhalb der piezoelektrischen Membran 14 auf dem Substrat 12 angeordnet ist. Gemäß dieser Ausgestaltung können besonders platzsparende/kompakte Membran-Mikroelektro- den-Einheiten 10 hergestellt werden, sodass ein einzelner erfindungsgemäßer piezoelektrischer Membran-Mikroelektroden Array 100 mehr Membran-Mikroelektroden-Einheiten 10 aufweisen kann als ein Array 100, bei dem die erste Mikroelektrode 10 nicht innerhalb des piezoelektrischen Membran 14 angeordnet ist.
[00109] Fig. 6A zeigt einen Querschnitt eines sechsten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Membran-Mikroelektroden Einheit 10, wobei dieses Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht, bis auf den Unterschied, dass die Membran-Mikroelektroden Einheit 10 eine Interdigitalelektrode 44 aufweist. Die Interdigitalelektrode 44 ist hierbei auf dem piezoelektrischen Film aufgetragen, wobei in diesem Ausführungsbeispiel zwei Interdigitalelektroden 44 voneinander beabstandet vorliegen. Die Mikroelektrode 18 liegt in diesem Ausführungsbeispiel von der piezoelektrischen Membran 14 beabstandet vor. [00110] Fig. 6B zeigt einen Querschnitt eines siebten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Membran-Mikroelektroden Einheit 10, wobei dieses Ausführungsbeispiel dem sechsten Ausführungsbeispiel entspricht, bis auf den Unterschied, dass die Mikroelektrode 18 innerhalb der piezoelektrischen Membran 14 angeordnet ist und zwar auf dem piezoelektrischen Film 16, insbesondere mittig auf dem dem piezoelektrischen Film 16.
[00111] Fig. 7 zeigt einen Querschnitt eines achten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Membran-Mikroelektroden Einheit 10, wobei dieses Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht, bis auf den Unterschied, dass die piezoelektrische Membran 14 als Cantilever ausgestaltet ist.
[00112] Fig. 8A zeigt eine Draufsicht eines neunten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Membran-Mikroelektroden Einheit 10. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht dem in Fig. 4B gezeigten Ausführungsbeispiel, mit dem Unterschied, dass die Membran-Mikroelektroden Einheit 10 zwei Mikroelektroden 18 aufweist, die von der piezoelektrischen Membran 14 beabstandet sind. In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann die erfindungsgemäßen Membran-Mikroelektroden Einheit 10 auch mehr als zwei, beispielsweise drei, vier, fünf oder mehr Mikroelektroden 18 aufweisen. Optional können die Mikroelektroden symmetrisch um die Membran 14 angeordnet sein. Beispielsweise eine rechts und eine links. Mehrere Mikroelektroden 18 können auf einem Kreis um eine oder mehrere Membranen 14 angeordnet sein.
[00113] Fig. 8B zeigt eine Draufsicht eines zehnten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Membran-Mikroelektroden Einheit 10. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht dem in Fig. 4B gezeigten Ausführungsbeispiel, mit dem Unterschied, dass die Membran-Mikroelektroden Einheit 10 zwei piezoelektrische Membranen 14 aufweist, die von der ersten Mikroelektrode 18 beabstandet vorliegen. In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann die erfindungsgemäßen Membran-Mikroelektroden Einheit 10 auch mehr als zwei, beispielsweise drei, vier, fünf oder mehr piezoelektrische Membranen 14 aufweisen. Optional können die Membranen 14 symmetrisch um die Mikroelektrode 18 angeordnet sein. Beispielsweise eine rechts und eine links. Mehrere Membranen 14 können auf einem Kreis um eine oder mehrere Mikroelektroden 18 angeordnet sein.

Claims

29
Patentansprüche Piezoelektrisches Membran-Mikroelektroden Array (100) zur ortsaufgelösten elektrischen oder mechanischen Stimulation und gleichzeitiger ortsaufgelösten Messung elektrischer oder mechanischer Aktivität von biologischem Material, wobei das piezoelektrische Membran-Mikroelektroden Array (100) mindestens zwei Membran-Mikroelektroden-Einheiten (10) aufweist, wobei die Membran-Mi- kroelektroden-Einheiten (10) auf einem Substrat (12) angeordnet sind; wobei die Membran-Mikroelektroden-Einheit (10) mindestens eine piezoelektrische Membran (14) zur mechanischen Stimulation oder Messung mechanischer Aktivität von biologischem Material aufweist, wobei die mindestens eine piezoelektrische Membran (14) einen piezoelektrischen Film (16) aufweist, wobei der piezoelektrische Film (14) auf dem Substrat (12) angeordnet ist, wobei der piezoelektrische Film (16) verformbar ist; und wobei die Membran-Mikroelektroden-Einheit (10) mindestens eine erste Mikroelektrode (18) zur elektrischen Stimulation oder Messung elektrischer Aktivität von biologischem Material aufweist. Piezoelektrisches Membran-Mikroelektroden Array (100) nach Anspruch 1, wobei die erste Mikroelektrode (18) und der piezoelektrische Film (16) voneinander beab- standet sind. Piezoelektrisches Membran-Mikroelektroden Array (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Substrat (12) mindestens zwei Bereiche (20, 22) aufweist, einen ersten Bereich (20) mit einer erste Schichtdicke (24) und einen zweiten Bereich (22) mit einer zweiten Schichtdicke (26), wobei die erste Schichtdicke (24) größer als die 30 zweite Schichtdicke (26) ist, und wobei der piezoelektrische Film (16) innerhalb des zweiten Bereichs (22) des Substrats (12) angeordnet ist. Piezoelektrisches Membran-Mikroelektroden Array (100) nach Anspruch 3, wobei die erste Mikroelektrode (18) innerhalb des ersten oder zweiten Bereichs (20, 22) des Substrats (12) angeordnet ist. Piezoelektrisches Membran-Mikroelektroden Array (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die piezoelektrische Membran (14) mindestens eine erste Elektrode (28) aufweist, wobei die mindestens eine erste Elektrode (28) elektrisch leitend mit dem piezoelektrischen Film (16) verbunden ist. Piezoelektrisches Membran-Mikroelektroden Array (100) nach Anspruch 5, wobei die erste Elektrode (28) eine Interdigitalelektrode (44) ist. Piezoelektrisches Membran-Mikroelektroden Array (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der piezoelektrische Film (16) aus einem ferroelektrischem Material besteht oder dieses enthält, welches bevorzugt ausgewählt ist aus bleifreien Oxiden mit Perowskit-Struktur, insbesondere 0.5(Bao.7Ca0.3)Ti03.0.5Ba(Zro.2 io.8)03 oder Ko.gNao.sNbOa; CMOS-kompatible Ferroelektrika, insbesondere A .xSCxN mit 0.2<x<0.5 oder Hfo.5Zro.5O2; und ferroelektrische Polymere, insbesondere Polyviny- lidenfluorid oder Ferroelektrika mit multiferroischen Eigenschaften, insbesondere BiFeO3. Piezoelektrisches Membran-Mikroelektroden Array (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die piezoelektrische Membran (14) in einem Abstand (d2) von 0,5 bis 500 pm, insbesondere in einem Abstand (d2) von 0,5 bis 50 pm, insbesondere in einem Abstand (d2) von 0,5 bis 5 pm von der ersten Mikroelektrode (18) beabstandet ist. Piezoelektrisches Membran-Mikroelektroden Array (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste Mikroelektrode (18) innerhalb der piezoelektrischen Membran (14) angeordnet ist. Piezoelektrisches Membran-Mikroelektroden Array (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die piezoelektrische Membran (14) als piezoelektrischer Cantilever oder als piezoelektrisches Nanoband ausgestaltet ist. Piezoelektrisches Membran-Mikroelektroden Array (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das piezoelektrische Membran-Mikroelektroden Array (100) einen Behälter (30) und ggf. mindestens eine Gegenelektrode (32) aufweist, wobei der Behälter (30) einen Aufnahmeraum für das biologische Material und ggf. Kulturmedium (34) bildet, und wobei der Behälter (30) einen Boden (36) aufweist, wobei die mindestens eine Membran-Mikroelektroden-Einheit (10) den Boden (36) des Behälters (30) bildet, und wobei die Gegenelektrode (32) dazu eingerichtet ist, elektrische Signale ausgehend vom biologischen Material zu erfassen. Membran-Mikroelektroden-Einheit (10) zur elektrischen oder mechanischen Stimulation und gleichzeitiger Messung elektrischer oder mechanischer Aktivität von biologischem Material, wobei die Membran-Mikroelektroden-Einheit (10) auf einem Substrat (12) angeordnet ist; wobei die Membran-Mikroelektroden-Einheit (10) mindestens eine piezoelektrische Membran (14) zur mechanischen Stimulation oder Messung mechanischer Aktivität von biologischem Material aufweist, wobei die mindestens eine piezoelektrische Membran (14) einen piezoelektrischen Film (16) aufweist, wobei der piezoelektrische Film (14) auf dem Substrat (12) angeordnet ist, wobei der piezoelektrische Film (16) verformbar ist; und wobei die Membran-Mikroelektroden-Einheit (10) mindestens eine erste Mikroelektrode (18) zur elektrischen Stimulation oder Messung elektrischer Aktivität von biologischem Material aufweist. Multiwell-Platte zur elektrischen und/oder mechanischen Stimulation und gleichzeitiger Messung elektrischer oder mechanischer Aktivität von biologischem Material, wobei die Multiwell-Platte mindestens einen Behälter und mindestens eine Mem- bran-Mikroelektroden-Einheit (10) nach Anspruch 12 aufweist, wobei der mindestens eine Behälter einen Aufnahmeraum für das biologische Material und ggf. Kulturmedium bildet, und wobei der mindestens eine Behälter einen Boden aufweist, wobei die mindestens eine Membran-Mikroelektroden-Einheit (10) den Boden des Behälters bildet. Verfahren zur Herstellung einer Membran-Mikroelektroden-Einheit (10), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Bereitstellung eines Substrats (12); b) Herstellen einer ersten Mikroelektrode (18), wobei die Herstellung folgende Schritte aufweist: i) Aufträgen einer ersten leitfähigen Schicht; und ii) Herausstrukturieren der ersten Mikroelektrode (18) aus der ersten leitfähigen Schicht. c) Aufträgen eines piezoelektrischen Films (16) auf das Substrat (12); Verfahren zur Herstellung einer Membran-Mikroelektroden-Einheit (10) nach Anspruch 14, wobei der Schritt b) aufweist: b) Herstellen der ersten Elektrode (28) und einer ersten Mikroelektrode (18) auf dem Substrat (12), wobei die Herstellung folgende Schritte aufweist: 33 i) Aufträgen der ersten leitfähigen Schicht auf dem Substrat (12); und ii) Herausstrukturieren der ersten Elektrode (28) und der ersten Mikroelektrode (18) aus der ersten leitfähigen Schicht; wobei der piezoelektrische Film (16) in Schritt c) auf die erste Elektrode (28) aufgetragen wird. Verfahren zur Herstellung einer Membran-Mikroelektroden-Einheit (10) nach Anspruch 14 oder 15, wobei auf die erste Mikroelektrode (18) und/oder die erste Elektrode (28) zumindest teilweise ein Isolator aufgebracht wird. Verfahren zur Herstellung einer Membran-Mikroelektroden-Einheit (10) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das Substrat (12) strukturiert wird, bevorzugt durch einen Bosch-Prozess. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrisches Membran-Mikroelektroden Arrays (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
A) Bereitstellung mindestens zweier Membran-Mikroelektroden-Einheiten (10) nach Anspruch 12 in mindestens einem Behälter (30), wobei die mindestens zwei Membran-Mikroelektroden-Einheiten (10) den Boden (36) des Behälters (30) bilden; und ggf.
B) Bereitstellung mindestens einer Gegenelektrode (32), wobei die Gegenelektrode (32) innerhalb des Behälters (30) angeordnet ist. Verwendung eines piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Arrays (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur elektrischen, mechanischen, optischen und/oder biochemischen ortsaufgelösten Stimulation von biologischem Material. 34 Verwendung eines piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Arrays (100) nach einem der Ansprüchel bis 11 zur ortsaufgelösten Messung von elektrischer und/oder mechanischer Aktivität von biologischem Material ausgelöst durch elektrische, mechanische, optische und/oder biochemischen Stimulation. Verwendung eines piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Arrays (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur ortsaufgelösten Messung von elektrischer und/oder mechanischer Aktivität von biologischem Material und zur ortsaufgelösten Stimulation des biologischen Materials, wobei die Messung und die Stimulation simultan und ortsaufgelöst ablaufen. Verwendung eines piezoelektrischen Membran-Mikroelektroden Arrays (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 als Immunosensor, Gassensor oder als Nanogenerator.
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