EP4658170A1 - Herstellung dreidimensionaler elektroden mittels schablonengestützter elektrochemischer abscheidung - Google Patents

Herstellung dreidimensionaler elektroden mittels schablonengestützter elektrochemischer abscheidung

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Publication number
EP4658170A1
EP4658170A1 EP24703127.1A EP24703127A EP4658170A1 EP 4658170 A1 EP4658170 A1 EP 4658170A1 EP 24703127 A EP24703127 A EP 24703127A EP 4658170 A1 EP4658170 A1 EP 4658170A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
gold
hollow cylinders
electrically conductive
electrode surfaces
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24703127.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jamal Abu Shihada
Andreas Offenhäusser
Marie Jung
Lina Koschinski
Viviana Rincon Montes
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.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP4658170A1 publication Critical patent/EP4658170A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/25—Bioelectric electrodes therefor
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
    • A61B2562/02—Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements
    • A61B2562/028—Microscale sensors, e.g. electromechanical sensors [MEMS]
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
    • A61B2562/12—Manufacturing methods specially adapted for producing sensors for in-vivo measurements
    • A61B2562/125—Manufacturing methods specially adapted for producing sensors for in-vivo measurements characterised by the manufacture of electrodes

Definitions

  • the present invention relates to methods for producing three-dimensional electrodes or three-dimensional microelectrode arrays starting from two-dimensional substrates by means of template-assisted, in particular electrochemical, deposition.
  • Neural model systems are used to gain a better understanding of neurological diseases such as Alzheimer's and Parkinson's.
  • three-dimensional (3D) systems e.g. hydrogel scaffolds, brain organoids and tissue slices
  • these 3D systems can already mimic the brain and other neural tissues well, advanced electrophysiological measurement electrodes for long-term stable recordings with single-cell and millisecond resolution are required to better understand the function of such systems.
  • planar 2D electrodes are already widely used, there are only a few approaches that focus on 3D electrodes.
  • 3D cell systems the more research focuses on complex 3D cell systems, the greater the need for true multi-level 3D electrode systems to better investigate the 3D environments.
  • These systems are 3D arrays of microelectrodes that are used to measure and control neuronal activity in different neuronal tissues, for example in the brain, retina or peripheral nerves. Therefore, in order to further improve the signal recording of 3D nervous systems, new innovative methods for investigating three-dimensional neural networks at the level of single cells, entire networks, and the 3D space of organoids and tissues.
  • 3D inkjet printing methods A conductive ink (such as silver) is printed drop by drop to create the three-dimensional, conductive structures (pillars). Depending on the application, the structures are subsequently passivated and only the tip is opened using etching methods to enable a connection to the cells or tissue (see, for example, Saleh et al, CMU Array: A 3D Nano-Printed, Customizable Ultra-High-Density Microelectrode Array Platform, 2019).
  • ii) Two-photon polymerization printing methods The two-photon
  • Kirigami technique In the Kirigami technique, several shafts are separated/cut out of 2D samples and then folded to create a 3D sample. There are various methods for folding itself: With the help of ferromagnetic foils on the back of each shaft, folding is achieved by applying a magnetic field (see, for example, Soscia et al, A flexible 3-dimensional microelectrode array for in vitro brain models, 2020). a.
  • Nanoneedles The best known nanoneedle approach is the "Utah array", which consists of silicon needles with tips coated with metal or conductive polymer and a biocompatible sheath.
  • Electrode meshes Fabrication of a 2D mesh consisting of holey structures with electrodes at the edges or vertices of the structures. The mesh then deforms and adapts to the 3D biological target (see for example Feiner et al, Engineered hybrid cardiac patches with multifunctional electronics for online monitoring and regulation of tissue function, 2016).
  • the choice of printable materials and geometries is very limited.
  • the diameter of the printed columns is on the order of 20 pm.
  • the larger the diameter of the columns the greater the damage to the penetrated tissue and the lower the spatial resolution of the electrode measurement.
  • additional manufacturing steps are required, such as the application of passivation and an etching step.
  • the kirigami and stacking approaches require folding individual shafts, stacking the individual 2D samples, or the use of toxic materials such as ferromagnetic metals (e.g. nickel), which are dangerous, as well as special equipment to generate the magnetic field.
  • the previously used production of 3D electrodes by 3D printing using two-photon polymerization requires additional, complex microfabrication steps such as selective metal deposition, several lithography and etching steps, especially if electrode openings at different, arbitrary heights are desired.
  • Silicon nanoneedles are rigid structures on a rigid surface and therefore cause greater tissue damage.
  • this method also requires additional, complex microfabrication steps such as selective metal deposition, multiple lithography and etching steps, especially if electrodes of different, arbitrary heights are desired.
  • the mesh approach has the major disadvantage that the insertion cross-section is larger, which leads to more tissue damage. In addition, it is very difficult to control and define the electrode position in all dimensions.
  • the object of the present invention was therefore, in view of the prior art, to find methods for producing three-dimensional electrodes or three-dimensional microelectrode arrays or advantageous three-dimensional electrodes and/or three-dimensional microelectrode arrays which do not have the disadvantages of the prior art and are in particular reliable, as well as corresponding (neuro) implants and arrangements.
  • the reference system used in the present invention is an observer standing upright on the ground in front of the object under discussion.
  • microelectrode array means an arrangement of a large number of electrodes on a flat substrate base.
  • the electrodes themselves are provided with conductor tracks on the base and contact surfaces can also be present. If the electrodes are only based on the flat base metallization (comprising conductor tracks, electrode surfaces and possibly contact surfaces) on the substrate base, this is referred to as a 2D MEA in the context of the present invention. If electrically conductive material is arranged on the electrode surfaces in an orthogonal direction (within 3D-printed hollow cylinders), this is referred to as a 3D MEA or three-dimensionally structured MEA in the context of the present invention.
  • ambient temperature means a temperature of 20°C. Temperatures are in degrees Celsius (°C), unless otherwise stated.
  • the present invention relates to a method for producing three-dimensionally structured microelectrode arrays which comprises or consists of the following method steps A), B), C) and D):
  • a 2D microelectrode array comprising a large number of conductor tracks and a large number of electrode surfaces is provided.
  • a large number of conductor tracks/electrode surfaces means any large number of conductor tracks, preferably a number of at least two. Usually, however, this is significantly more, whereby it is preferred if a conductor track is assigned to each electrode surface, i.e. there are the same number of conductor tracks and electrode surfaces. In preferred variants, there are from 2 to 512 (each inclusive), preferably 4 to 256 (each inclusive), particularly preferably 8 to 128 (each inclusive) and in particular 16, 32, or 64
  • Conductor tracks/electrode surfaces A large number of contact surfaces means a number of at least two. Since these are used for "wiring" or connecting the conductor tracks, there is usually only one large contact surface per conductor track, at the ends of each conductor track, but the contact surfaces can also be grouped together and then there do not have to be as many as conductor tracks.
  • Step B) involves 3D printing open-topped hollow cylinders orthogonally on the surface of the 2D microelectrode array, with the cylinder bases printed externally around the electrode surfaces.
  • the hollow cylinders protrude above the electrode surfaces.
  • the hollow cylinders are manufactured according to the respective requirements, which means that in particular their diameter and height are adjusted accordingly.
  • the diameter preferably results from the electrode surfaces over which the hollow cylinders are arranged.
  • the cylinder bases are arranged outside around the electrode surfaces so that the entire electrode surfaces lie within the inner diameter of the hollow cylinder bases. This ensures that the entire electrode surface is later available for contact with the electrically conductive material.
  • the hollow cylinders can be made to different heights. This is of course easily possible within the scope of production using 3D printing and can be easily specified within the scope of the originally created print file.
  • the hollow cylinders are uniformly designed, i.e. the wall thicknesses and the inner diameters are constant over the entire height.
  • the wall thicknesses can be adapted to requirements, there are also preferred variants in which the wall thickness and inner diameter are designed to vary over the height of the cylinders, for example to increase stability.
  • Preferred wall thicknesses of the hollow cylinders in the context of the present invention are 0.2 pm to 10 pm, particularly preferably 0.5 pm to 2.5 pm, in particular
  • Preferred heights of the hollow cylinders in the context of the present invention are 5 pm to 5 mm, particularly preferably 40 pm to 120 pm.
  • the heights, in particular for in-vivo applications are 20 pm to 110 pm, preferably 35 pm to 95 pm, particularly preferably 50 pm to 80 pm.
  • the heights, in particular for in-vitro applications are 30 pm to 140 pm, preferably 45 pm to 125 pm, particularly preferably 60 pm to 110 pm.
  • the largest distance can be flexibly adapted to the respective requirements (i.e. it can also be larger than 200 pm) and the smallest distance is the diameter of the electrode plus the wall thickness, in the event that the cylinders are printed directly next to each other.
  • the aspect ratio is therefore 10 or higher, particularly preferably 15 or higher.
  • step Ba it is optionally possible to detach any carrier substrate that may still be present from the 2D microelectrode arrays during, before or after, preferably before or after, the 3D printing of the hollow cylinders. This ultimately depends on whether the carrier substrate is useful for the respective planned application or not. This is readily apparent to the person skilled in the art within the scope of his general technical knowledge based on the planned application of the three-dimensionally structured microelectrode arrays produced according to the invention.
  • step C electrically conductive material is then deposited into the hollow cylinders on the electrode surfaces.
  • this can be done using any method familiar to the person skilled in the art, but is usually done using galvanic deposition processes.
  • the hollow cylinders that are open at the top are completely filled with electrically conductive material, i.e. the top surface of the electrically conductive, deposited material is at the same height as the upper end of the respective hollow cylinder.
  • electrically conductive material i.e. the top surface of the electrically conductive, deposited material is at the same height as the upper end of the respective hollow cylinder.
  • step D it is optional within the scope of the invention, and preferred in some variants of the present invention, to carry out further coatings of the accessible surfaces of the electrically conductive material deposited in the hollow cylinders.
  • These accessible surfaces are usually only the uppermost surface within the hollow cylinder or at the level of the upper hollow cylinder edge, depending on the deposition.
  • this additional coating naturally also includes the protruding area.
  • This coating of the electrically conductive material is usually carried out with further electrically conductive Material, which can be the same as that deposited in the hollow cylinders, or another electrically conductive material.
  • the additional, identical or different, electrically conductive material is deposited for this optional coating, wherein the exact layer thickness can be adapted to the respective requirements and is preferably in the nanometer to micrometer range.
  • hollow cylinders are mentioned in the context of the present invention, these do not necessarily have to be round cylinders. In principle, it is just as possible to use hollow structures that are n-sided, where n is a whole natural number between 3 and 12. Numbers between 4 and 10 are particularly preferred.
  • the hollow cylinders are round cylinders, since this has advantages with regard to the application as electrodes, in particular it prevents current peaks from occurring at possibly protruding corners of the electrically conductive material deposited therein.
  • round can also mean oval, although circular is preferred, although this cannot always be achieved 100% technically - the technical limits that can be achieved using 3D printing are known to those skilled in the art and therefore do not need to be discussed in more detail here.
  • the method according to the invention further comprises the production of the 2D microelectrode array provided in step A), the production of which comprises or consists of the following method steps: li) provision of a, preferably rigid, substrate, preferably based on or consisting of silicon or quartz, in particular quartz substrate;
  • Electrode surfaces and optionally a variety of contact surfaces are optionally a variety of contact surfaces
  • Electrode surfaces and optionally a variety of contact surfaces are optionally a variety of contact surfaces
  • step 4ii) alternatively to step 3ii) optionally reprocessing the metal layer applied in 2ii), preferably etching, in particular by reactive ion etching, of selected (mask-defined) areas of the uppermost metal layer (if several are present).
  • the substrate layer in step lii) has layer thicknesses of 0.5 pm to 15 pm, particularly preferably
  • the passivation layers in steps 3i) and 3ii) have layer thicknesses of 0.5 pm to 15 pm, particularly preferably 2 pm to 7 pm, in particular 2 pm to
  • the conductor tracks and electrode surfaces in steps 2i) and 2ii) respectively consist of several layers of in particular titanium and gold, preferably the layer sequence titanium/gold/titanium and in particular with a total layer thickness of 50 nm to 170 nm, preferably 90 nm to 160 nm, particularly preferably 100 nm to 150 nm, most preferably 110 nm to 140 nm and in particular 120 nm or 130 nm.
  • the passivation layers in steps 3i) and 3ii) are based on or consist of parylene-C or photo-structureable epoxy-based lacquers, such as SU-8.
  • the two variants li) to 3i) or alternatively lii) to 4ii) according to the invention are intended in particular for two fundamentally different applications of the electrode arrays, but are not to be used exclusively for each of these, i.e. are not limited to the respectively preferred application.
  • the variant of process steps li) to 3i) is preferably used for the production of microelectrode arrays intended for in vitro use.
  • the variant of the present invention with the method steps lii) to 4ii), however, is preferably used for electrode arrays intended for in vivo applications.
  • these two variants are not limited to the preferred application for in vitro or in i//i/o applications, but can in principle also be used for the other variant, or for other conceivable applications.
  • a rigid substrate is provided in step li), in particular one based on materials selected from the group consisting of silicon, quartz, ceramics such as Al2O3, SiC, SisN4 and mixtures thereof, in particular quartz.
  • the term "rigid” in this context means in particular E-modules of 80 GPa to 120 GPa; for example, quartz with an E-modulus of 97 GPa and a thickness of 500 pm is preferably used.
  • a flexible substrate is preferably provided, preferably based on or consisting of materials selected from the group consisting of parylene-C (PaC), polyimide, photo-structureable epoxy-based lacquers, such as SU-8, and mixtures thereof, in particular parylene-C.
  • PaC parylene-C
  • polyimide polyimide
  • photo-structureable epoxy-based lacquers such as SU-8
  • mixtures thereof in particular parylene-C.
  • the term "flexible” in this context means in particular E-modules of 1.5 GPa to 3.5 GPa; for example, PaC with an E-module of 2.76 GPa at a thickness of 5 pm is preferably used.
  • these substrates are also provided applied to a silicon wafer.
  • a plurality of conductor tracks and a plurality of electrode surfaces plus, in preferred variants, a plurality of contact surfaces are then applied to the substrate provided, as already explained above in connection with the method according to the invention.
  • the number of conductor tracks corresponds to the number of electrode surfaces and the number of contact surfaces is either zero or corresponds at most to the number of conductor tracks.
  • step 4ii which can be carried out as an alternative to step 3ii), the top metal layer of the electrode surfaces or at least a part of it is removed. If a metal layer made of several metals has been constructed, the top metal layer is preferably removed; in the preferred embodiment according to the invention of a metal layer made of titanium/gold/titanium, the titanium layer would then be or only a part of these, in particular only the part corresponding to the electrode surfaces but not the conductor tracks and possibly contact surfaces, is removed. This can preferably be done by etching, in particular by reactive ion etching. Depending on the metal substrates used in each case, it is clear to the person skilled in the art which special etching agents he can then select in the respective context. To do this, the corresponding areas of the metallization are exposed before etching, for example by selectively exposing and removing a photoresist layer; this procedure is known to the person skilled in the art and does not need to be explained in detail here.
  • process steps li) to 3i) or lii) to 4ii) are in principle known to the person skilled in the art, so that he can determine the precise process steps and process parameters to be carried out on the basis of his general specialist knowledge.
  • the application of a passivation layer during the production of the 2D microelectrode arrays is dispensed with (i.e. steps 3i) or 3ii) are omitted) and instead an electrically non-conductive material is applied over the entire surface - with the exception of the electrode surfaces (and optionally contact surfaces) - by means of 3D printing, particularly preferably together with the 3D printing of the hollow cylinders, in particular by applying the same material in the same printing process.
  • a plate-like structure is printed as a base structure on the surface of the 2D microelectrode array before 3D printing the actual hollow cylinder structure.
  • a plate-like structure as a base structure is understood in particular to mean a base plate, preferably circular, which is intended to increase the stability of the hollow cylinders like a kind of foundation.
  • the plate-like structure is printed with a layer thickness of 300 nm to 5 pm, preferably 500 nm to 3 pm; and the diameter of the round plate-like structure corresponds at least to the diameter of the electrodes plus the wall thicknesses plus 0.5 pm to 5 pm, preferably 1 pm to 3 pm, in particular 2 pm.
  • an electrically non-conductive material is used as the material for 3D printing, which is suitable for printing using 2-photon polymerization.
  • the (Meth)acrylate-based, curable substances and/or mixtures of substances that crosslink via (radical) polymerization of the (meth)acrylate groups are used as the material for 3D printing, which is suitable for printing using 2-photon polymerization.
  • IP-L 780 or IP-Dip from NanoScribe examples of commercially available products are IP-L 780 or IP-Dip from NanoScribe.
  • electrically non-conductive means a conductivity of less than 10' 8 S/cm for the material of the hollow cylinders processed by 3D printing.
  • the electrically conductive material deposited in the hollow cylinders can in principle be any electrically conductive, depositable material.
  • the electrically conductive material deposited in the hollow cylinders is selected from the group consisting of gold, platinum, PEDOT:PSS, iridium oxide, chromium, titanium, indium tin oxide and mixtures or alloys thereof, preferably gold, platinum, PEDOT:PSS, iridium oxide, chromium and mixtures or alloys thereof, particularly preferably gold.
  • the additional, identical or different, electrically conductive material used for coating the top surfaces of the electrically conductive materials deposited in the hollow cylinders can in principle be any electrically conductive, depositable material. In preferred variants of the present invention, it is selected from the group consisting of gold, platinum, PEDOT:PSS, iridium oxide, chromium, titanium, indium tin oxide and mixtures or alloys thereof, preferably gold, platinum, PEDOT:PSS, iridium oxide, chromium and mixtures or alloys thereof, particularly preferably PEDOT:PSS.
  • a preferred variant according to the invention is when the electrically conductive material deposited in the hollow cylinders is gold and it is coated with PEDOT:PSS as a further electrolytically conductive material.
  • the 2D microelectrode array comprises a rigid or flexible substrate layer, wherein the material for the rigid substrate layer is selected from the group consisting of quartz, silicon, ceramics such as AI2O3, SiC, SisN4 and mixtures thereof, preferably quartz, or the material for the flexible substrate layer is selected from the group consisting of parylene-C, polyimide, photostructurable epoxy-based lacquers such as SU-8 and mixtures thereof, preferably parylene-C.
  • the plurality of conductor tracks and the plurality of electrode surfaces and optionally the plurality of contact surfaces consist of a material selected from the group consisting of titanium, gold, platinum, conductive polymers such as PEDOT: PSS, indium tin oxide and mixtures, alloys or layers thereof, particularly preferably a metal layer sequence titanium/gold/titanium or a metal layer sequence titanium/gold.
  • the electrodes i.e. the material electrically deposited in the hollow cylinders or, if applicable, the coating thereon with further electrically conductive material, and, if applicable, individual contact surfaces (parts) - the three-dimensionally structured electrode arrays are not electrically conductive on the outside.
  • the electrodes i.e. the material electrically deposited in the hollow cylinders or, if applicable, the coating thereon with further electrically conductive material, and, if applicable, individual contact surfaces (parts) - the three-dimensionally structured electrode arrays are not electrically conductive on the outside.
  • the 3D printing process is a 2-photon polymerization process.
  • the three-dimensionally structured electrode arrays are fixed to circuit boards, for example printed circuit boards (PCB), and electrically connected thereto.
  • PCB printed circuit boards
  • the fixing is carried out by means of a turning assembly process.
  • Another object of the present invention are three-dimensionally structured electrode arrays comprising a) 2D microelectrode arrays comprising a plurality of conductor tracks and a plurality of electrode surfaces and optionally a plurality of contact surfaces; b) three-dimensional hollow cylinders arranged orthogonally on the electrode surfaces and filled with electrically conductive material.
  • the 2D microelectrode array of this article has conductor tracks and electrode surfaces on only one surface side.
  • the hollow cylinders consist of a 3D printed material.
  • preferred embodiments of this subject matter are three-dimensionally structured electrode arrays comprising a) a 2D microelectrode array comprising a plurality of conductor tracks and a plurality of electrode surfaces on only one surface side; b) electrically conductive material filled in three-dimensional hollow cylinders made of 3D-printed material, each arranged orthogonally on these respective electrode surfaces.
  • the material used for 3D printing, and therefore the 3D printed material is preferably the same as described above.
  • the three-dimensionally structured electrode arrays are produced using the method according to the invention as described above and below.
  • the MEAs according to the invention or manufactured according to the invention can have different layouts, for example, and thus in preferred variants, 8 x 8 electrodes with a spacing of 200 pm, arranged in a square or 32 electrodes in a diamond arrangement (spacing of the electrodes 30 pm) - but the present invention is of course not limited to these two specific examples.
  • the present invention relates to implants or neuroimplants comprising or consisting of three-dimensionally structured electrode arrays according to three-dimensionally structured electrode arrays produced according to the present invention or according to the method of the present invention.
  • the implants are retinal implants.
  • the present invention relates to the use of three-dimensionally structured electrode arrays according to the present invention or those produced using the method according to the invention as or for implants or neuroimplants or for electrochemical and/or electrophysiological measurements in the millivolt range and/or of cell cultures.
  • any electrically conductive material that can be deposited electrolytically or electrolessly can be used as the electrode material within the scope of the present invention.
  • electrically conductive materials that can be deposited electrolytically are preferred.
  • the electrically conductive material that can be deposited galvanically or electrolessly, preferably galvanically is selected from the group consisting of gold, platinum, PEDOT: PSS, iridium oxide (IrO x ), chromium and mixtures or alloys thereof, with chromium being restricted to applications in which biocompatibility is not important.
  • the electrodes used in the present invention are technically openings of 10 pm or 6 pm in the passivation layer (encapsulation).
  • This layer is located above the conductor tracks (leads) that conduct the current from the electrodes to the edges of the chip, where the so-called bond pads, which are also referred to as contact surfaces in the context of the present invention, are located.
  • These bond pads are non-passivated metal contacts that ensure contact between the electrodes and the external electronics.
  • the IP-L 780 used in the context of the present invention is a photopolymer that is suitable for the 3D printing process with 2-photon polymerization. It was developed by the company NanoScribe and designed specifically for their 3D printers. Its reactive group is an acrylate group. The cured polymer is a thermoset and the curing mechanism is radical polymerization.
  • alternative products that can be used are non-conductive materials that can be processed with a resolution of up to 1 pm (either with 3D printing or other microfabrication methods) and that meet the requirements (e.g. mechanical, biological, etc.) appropriate for the application of the 3D device used.
  • IP-Dip for 3D printing based on two-photon polymerization
  • IP-Dip also developed by NanoScribe for high-resolution 3D printing
  • any other photoresin including suitable solvents and photosensitive agents, etc.
  • hollow cylinders of different heights can be printed around the electrode openings of a hard or flexible, planar 2D microelectrode array (MEA) sample within the scope of the present invention. These cylinders are simultaneously a template and a passivation. In order to increase the adhesion between the printed cylinders and the sample, a thin (2 pm to 3 pm) plate is also printed as a base structure.
  • MEA microelectrode array
  • An electrochemical deposition process of conductive materials (such as gold, platinum, PEDOTT: PSS, IrOx) through the hollow cylinders then leads to 3D electrodes with different heights, which depend on the heights of the cylinders.
  • conductive materials such as gold, platinum, PEDOTT: PSS, IrOx
  • flexible polymer materials can be selectively chosen for the entire fabrication process, both for the two-dimensional planar micro-electrode array and for the cylinders.
  • the approach of using the cylinders as templates for electrode deposition has the great advantage that the production of 3D electrodes is very simple and quick. No additional complex microfabrication steps are necessary because the cylinders also serve as passivation.
  • the 3D printing process allows any desired geometries and spacing of the 3D electrodes to be realized. Cylinders with different shapes, diameters, aspect ratios and heights can be realized without any problems during a printing process. Therefore, the inventive approach reduces the complexity of fabrication compared to other 3D electrode approaches. Nevertheless, this approach retains a high degree of flexibility so that it can be easily adapted to a wide variety of applications.
  • the heights and diameters, the distances and the shapes of the cylinders, as well as the materials used for the implant production and the electrochemical deposition process can be adapted very flexibly to the application without the fabrication becoming significantly more complicated.
  • the production of 3D electrodes with an aspect ratio of over 15 can be easily achieved within the scope of the present invention.
  • the present invention enables electrical stimulation and recording of electrophysiological data for various electrogenic tissues such as brain, retina, peripheral nerves, heart, etc. as well as measurement of impedances in a 3D space.
  • the 3D devices and designs that can be produced with the present invention can be used for any kind of biosensor/neural implant, especially where it is important to measure electrical signals.
  • the design (dimensions, shape, number, etc.) of the cylinders can also be adapted to any need.
  • the individual parts of the products according to the invention, in particular implants, are operatively connected to one another in a conventional and known manner.
  • the inventive approach for producing 3D electrodes can be used, for example, to produce a flexible 3D retinal implant.
  • a standard 2D implant was first produced; with parylene-C (PaC) as the substrate material and for passivation: First, a 5 pm thick PaC layer was applied to a Si wafer and structured with a Ti/Au layer for leads, electrodes and contact surfaces. Then a second 5 pm thick PaC layer was applied for encapsulation. In the next etching step, the electrodes and contact surfaces were opened. Then cylinders with different heights and shapes were printed on the 2D implant, with the cylinders being aligned with the electrode openings. The printed material used was a photoresist that could be printed using the 2-photon polymerization process (IP-L 780).
  • IP-L 780 2-photon polymerization process
  • Each design contained 16 electrodes with spacings ranging from 16 pm to 106 pm, the printed cylinders had a height of 40 pm to 80 pm, an opening diameter of 8 pm and a total diameter of 12 pm.
  • the 2D sample was then detached from the Si substrate and fixed to a circuit board using a reversible mounting process and electrically connected.
  • the 3D electrodes with different heights were then obtained by an electrochemical deposition process of gold.
  • a second electrochemical deposition was performed.
  • the gold electrodes were coated with PEDOT:PSS. This reduced the impedance of the electrodes.
  • This 3D implant was then used to implant ex vivo into the retina of rats. Using this approach, it was possible to measure intraretinal activities at different depths.
  • the present invention can also be used to measure and analyze in vitro neuronal cell cultures.
  • the cylinders were printed on a hard silicon or quartz-based 2D MEA chip.
  • a Ti/Au layer for supply lines, electrodes and contact surfaces was vapor-deposited on the wafer and then structured.
  • a 2 pm to 4 mm thick passivation made of SU-8 or PaC was applied for encapsulation.
  • the electrodes and contact surfaces were opened.
  • the cylinders were aligned with the electrode openings and filled with gold and PEDOT:PSS using an electrochemical deposition process.
  • the cylinders had a height of 40 pm to 150 pm, an opening diameter of 8 pm and a total diameter of 10 pm to 12 pm.
  • the material IP-L 780 was used.
  • Examples 1 and 2 are just two ways to demonstrate how the present invention can be used to measure various 3D neuronal structures. Accordingly, prototypes were fabricated and used to perform in vitro measurements of neuronal cell cultures as well as ex vivo measurements of intraretinal activities.
  • MEAs microelectrode arrays
  • the 2D in vitro MEAs were 24 x 24 mm in size and contained a total of 64 electrodes with a pitch of 200 pm arranged in an 8x8 grid or 32 electrodes arranged in a diamond shape with an electrode pitch of 30 pm. They consisted of a rigid quartz-based substrate with a thickness of 500 pm, a thin metal layer of Ti/Au/Ti with a thickness of 10/100/10 nm, and a 2 pm thick SU-8 encapsulation layer.
  • the 2D in vivo MEAs contained 16 electrodes with four different layouts, where the electrode spacing was 104 pm, 54 pm, 15 pm and 10 pm.
  • the idea of the layout with an electrode spacing of 10 pm is to fabricate so-called multisite pillars, i.e. electrodes that are close to each other at different heights. In this case, five sets of 3 electrodes were designed, which allowed the fabrication of 3D multisite electrodes at different heights (see fabrication procedure below).
  • the 2D in vivo MEAs consisted of a flexible substrate layer based on a 5 pm thick parylene-C (PaC) layer, a thin metal layer of Ti/Au/Ti with a thickness of 20/100/10 nm and an encapsulation layer based on a 5 pm thick PaC layer.
  • PaC parylene-C
  • a thin metal layer of Ti/Au/Ti with a thickness of 20/100/10 nm
  • an encapsulation layer based on a 5 pm thick PaC layer.
  • the quartz substrates were cleaned with acetone and isopropanol (IPA) and then heated at 150°C for 5 minutes on a direct contact hot plate.
  • IPA isopropanol
  • the photoresist LOR 3B photoresist from MicroChem Corp, USA, based on polydimethylglutarimide was spin-coated onto the cleaned quartz substrate at 3000 rpm (revolutions per minute) for 45 seconds with a ramp of 500 rpm/s, followed by holding at 150°C for 5 minutes on a direct contact hot plate. This first photoresist contributes to a clean metal detachment.
  • nLOF 2020 negative photoresist based on PGMEA (l-methoxy-2-propanol acetate from MicroChemicals GmbH, Germany) is spin coated at 3000 rpm for 45 seconds with a ramp of 500 rpm/s and baked at 110°C for 5 minutes.
  • This photoresist was then exposed at 20 mJ/cm 2 with broadband UV using a mask exposure unit, followed by a post-exposure baking step at 110°C for 1 minute on a direct contact hot plate and a development step in AZ 326 MIF (based on tetramethylammonium hydroxide, MicroChemicals GmbH, Germany) for 40 seconds.
  • AZ 326 MIF based on tetramethylammonium hydroxide, MicroChemicals GmbH, Germany
  • the substrates were then coated with a metal stack of 10 nm titanium, 100 nm gold and 10 nm titanium (stack i.e. 10/100/10-Ti/Au/Ti) in an electron beam assisted evaporation system, followed by a stripping process.
  • a metal stack of 10 nm titanium, 100 nm gold and 10 nm titanium (stack i.e. 10/100/10-Ti/Au/Ti) in an electron beam assisted evaporation system, followed by a stripping process.
  • stripping was performed in acetone for 3 hours, followed by a cleaning step in acetone, isopropanol (IPA) and deionized water.
  • IPA isopropanol
  • the substrates were placed in a bath of AZ 326 MIF for 5 minutes and then cleaned in deionized water.
  • SU-8 2002 a market-known photo-imageable lacquer based on Bisphenol-A Novolak dissolved in an organic solvent and containing up to 10 wt.% mixed Triarylsulfonium/hexafluoroanimonate salt was then spin coated at 3000 rpm for 45 seconds with a ramp of 500 rpm/s and cured at 90°C for
  • SU-8 was exposed to UV light of a wavelength of 365 nm for 27 seconds using a mask exposure unit, followed by a post-exposure bake step at 90°C for 1 minute and a development step in MR Dev 600 (solvent-based developer for epoxy-based photoresists) for 100 seconds and IPA for 20 seconds.
  • MR Dev 600 solvent-based developer for epoxy-based photoresists
  • RIE reactive ion etching
  • the fabrication involved the nested deposition of two flexible thin film layers, a metal layer and an electrode coating. Depending on the electrode coating, seven to eight steps were carried out as follows. lii) Provision of a flexible substrate layer
  • a first 5 pm thick PaC layer was deposited on a silicon wafer by chemical vapor deposition using a PDS 2010 Labcoater 2 (Specialty Coating Systems Inc., USA), 10 g PaC dimer and a process vacuum pressure of 3.33 Pa (about 25 mTorr).
  • metallization was carried out using the stripping process.
  • the metal layer for contact areas, leads and electrodes was patterned after the negative photoresist AZ LNR-003 (containing, among others, hexakis(methoxymethyl)melamine and l-methoxy-2-propanol acetate; MicroChemicals GmbH, Germany) was spin-coated at 4000 rpm for 45 seconds with a ramp of 500 rpm/s, followed by holding at 120°C for
  • the wafer is then evaporated with 20 nm titanium, 100 nm gold and 10 nm titanium (corresponding to a metal stack of 20/100/10 nm Ti/Au/Ti) using an electron beam assisted evaporation system (Balzer PLS 570, Pfeiffer, Germany).
  • An electron beam assisted evaporation system (Balzer PLS 570, Pfeiffer, Germany).
  • a tungsten crucible and deposition rates of 0.1 nm/s for titanium and 0.5 nm/s for gold were used.
  • a stripping process was then carried out in an acetone bath for 2.5 hours to wash off the sacrificial material and photoresist. After stripping, the wafer is rinsed in isopropanol for 2 minutes and dried with a nitrogen gun.
  • the UV exposure step was in some cases also performed by standard UV photolithography using a broadband mask exposure system (Süss MA8/BA8, Germany) with a dose of 100 mJ/cm 2 .
  • a flexible PaC passivation layer with a thickness of 5 pm was deposited as described in step 1.
  • an etch mask was patterned using a thick positive photoresist of at least 1.5 times the thickness of the polymer to be etched.
  • An etch mask was patterned on top of the last PaC layer by spin coating the photoresist AZ 12XT (photoresist based on l-methoxy-2-propanol acetate) (MicroChemicals GmbH, Germany) at 1000 rpm for 180 seconds with a ramp of 200 rpm/s, holding at 110°C for 4 minutes using a hot plate and exposing to a dose of 350 mJ/ cm2 with UV light of wavelength 375 nm, Defoc setting of 2 and CDB of -800 with a maskless exposure unit.
  • a RIE step was performed with a Ch/CF ⁇ gas mixture (36/4 sccm) at RF/ICP powers of 50/500 W to etch PaC. 4ii) alternatively to step 3ii) optional reprocessing of the metal layer applied in 2ii)
  • steps 3 and 4 were not performed and instead a second RIE step was performed to etch the top 10 nm thick Ti layer using a C/Ar gas mixture (20/20 sccm) and an RF power of 150 W.
  • the etch mask was stripped with AZ 100 remover (ethanolamine-containing solvent) (MicroChemicals GmbH, Germany) in a two-bath system. In the first bath, a low-power ultrasonic bath was used for 5 minutes, followed by a second bath with fresh AZ 100 remover without ultrasonication. The wafer was then rinsed in three baths with isopropanol.
  • AZ 100 remover ethanolamine-containing solvent
  • Electrodeposition template for 3D electrodes The electrodeposition templates were based on structures 3D printed using two-photon polymerization.
  • the 3D structures were designed using CAD software, exported as STL files and converted into printing instructions using Describe (software from NanoScribe GmbH).
  • the 3D structures for the templates were then printed (Photonic Professional GT2 from NanoScribe GmbH, Germany).
  • To create the 3D electrodes hollow cylinders were first printed on top of a 2D MEA chip fabricated as previously described. The hollow cylinders were aligned to the MEA layout and printed around the electrode openings.
  • Two lenses a Zeiss 25XNA0.8 and a Zeiss 63XNA1.4, were used to print the cylinders, depending on the electrode layout.
  • a scan speed of 50000 pm/s, a laser power of 100%, and a power scaling of 1.2 resulted in the best printing result with sufficient resolution and stability.
  • the layer pitch was set to 700 nm and the voxel pitch to 400 nm.
  • a scan speed of 8000 pm/s, a laser power of 100%, and a power scaling of 1.0 were used.
  • the layer pitch was 300 nm and the voxel pitch was 200 nm.
  • the heights and diameters of the cylinders were (and are) limited only by the lowest resolution of the 3D manufacturing process. Nevertheless, the aspect ratio (height divided by the outer diameter) and the Cylinder wall thickness is the most important parameter that limits the stability of the printed cylinders.
  • the 3D printing approach of printing cylinders around the electrodes of a 2D part to create 3D electrodes was (and is) not limited to a specific 2D part or layout design.
  • the design and all structural dimensions in the x, y and z axes could (and can) be adapted to the 2D part and its specific application. Cylinders with different and randomly distributed heights could (and can) be easily printed in just one print.
  • the limiting factor was (and is) the decreasing stability of the cylinders with increasing aspect ratio.
  • a development step was performed to wash off any unpolymerized photopolymer residue.
  • the samples were placed in a bath of Mr-Dev 600 developer (solvent-based developer for epoxy-based photoresists) for 10 minutes, followed by another 10-minute bath of fresh Mr-Dev 600 to ensure complete development of the high aspect ratio cylinders. Finally, the sample was rinsed in fresh IPA for an additional 5 minutes and then air dried.
  • Mr-Dev 600 developer solvent-based developer for epoxy-based photoresists
  • the component was released from the silicon wafer using water drops and tweezers.
  • the component was then mounted on a printed circuit board (PCB).
  • PCB printed circuit board
  • the PCB was preheated to 180°C on a direct contact hot plate and the low temperature solder alloy Sn42/Bi58 (AMTECH, USA) was applied to the contact surfaces of the PCB, which allowed the formation of liquid bumps on each contact surface. Lowering the temperature to 160°C, the flexible MEAs were aligned and placed on the liquid solder paste bumps, which solidified after the new chip was quickly removed from the hot plate and cooled to room temperature.
  • the freshly soldered area is, for example, preheated with a polydimethylsiloxane (PDMS) coating in a mixing ratio of 1:10 (for example Sylgard 184, Dow Corning, USA) and cured in an oven at 120°C for 30 minutes.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • Other epoxy-based polymers could (and can) also be used as a sealing coating.
  • a template-assisted gold (Au) electrodeposition step was used.
  • Au was electrodeposited through the printed hollow cylinders.
  • the cylinders served both as a template to guide the electrodeposition (growth of Au) and to passivate the 3D electrodes along the third dimension, making this method a very simple, flexible and fast 3D MEA fabrication.
  • a liquid gold bath with an aqueous solution of 50 mM AuCU was used.
  • the electrodeposition of gold was carried out in two steps. In the first step, a constant potential (chronoamperometry) of -1.3 V was applied until the current reached a value of -100 nA. In a second step, a homogeneous cap was then created on the top of the cylinder by a gentle and controlled overgrowth of the gold. For this purpose, a constant current of -100 nA was applied for 20 seconds.
  • the deposition process was carried out using a multi-channel potentiostat from CH Instruments and a 3-electrode cell setup with an Ag/AgCl reference electrode and a Pt counter electrode.
  • any conductive material that can be galvanically deposited can be used to produce the 3D electrode.
  • Other preferred materials according to the invention are platinum, PEDOT:PSS, iridium oxide (IrO x ) or chromium for applications where biocompatibility is not an issue.
  • Figure 1 shows a schematic of the method according to the invention with its three main process steps. For the sake of clarity, conductor tracks and contact surfaces are not shown in Fig. 1.
  • the top row shows a schematic view from the top right of a section of a 2D microelectrode array 2DE.
  • step A the provision of a 2D microelectrode array 2DE.
  • this is only a schematic, simplified section and a "real" 2D microelectrode array 2DE would normally include more electrodes (areas) EF.
  • a passivation layer P is arranged on the substrate S, which is interrupted at the points where the electrode surfaces EF are located so that they can be accessed in the next step.
  • step B i.e. the 3D printing.
  • the printing was carried out in such a way that the hollow cylinders HZ are arranged around the electrode surfaces EF and not on them.
  • the hollow cylinders HZ with their outer edges abut the inner edges of the recesses in the passivation layer P.
  • the 3D-printed hollow cylinders HZ in this example are arranged concentrically around the electrode surfaces EF; however, this is not a requirement and other arrangements (polygon and circular surface or circle around polygonal surface, etc.) are conceivable and possible within the scope of the present invention.
  • the right picture in the top row illustrates for step C) how the hollow cylinders HZ are filled with electrically conductive material eM up to the upper edge of the hollow cylinders HZ.
  • the pictures below show this from the other two perspectives.
  • Figure 2 shows schematically the method according to the invention for producing a three-dimensional MEA starting from a 2D MEA with the three essential steps that were already shown in Figure 1 and an additional step D).
  • Figure 2 shows the method in a slightly different way.
  • Figure 2 shows a side section through a section of a microelectrode array, whereby, in contrast to Figure 1, this time four electrode surfaces EF are shown, on the very left in Figure 2 step A) is shown, i.e. the provision of the 2D microelectrode array 2DE.
  • the substrate S and the passivation layer P on top of it can be seen here.
  • the passivation layer P has four recesses for the electrode surfaces EF.
  • Step B) is then shown in the second image of Fig. 2, i.e. the 3D printing of the hollow cylinders HZ, which in this sectional view only show the right and left outer edges.
  • the hollow cylinders HZ can be made of different heights and widths - depending on the desired specifications.
  • all hollow cylinders HZ can also be the same height, or all different heights, or some the same and the rest different heights.
  • the respective diameters of the hollow cylinders HZ can also be determined independently of the others within the scope of the present invention, so that all can have the same diameter, all different diameters, or some the same and others different diameters (i.e. have different widths).
  • the third image in Fig. 2 shows how the hollow cylinders HZ are filled with electrically conductive material eM, in particular gold, slightly beyond the upper edge of the hollow cylinders HZ.
  • This illustration also shows and clearly shows how the conductive material eM in the hollow cylinders HZ merges directly into the conductive material of the electrode surfaces EF previously applied to the substrate.
  • Fig. 2 illustrates again how the exposed surfaces of the conductive material eM deposited in the hollow cylinders HZ (i.e. essentially their surfaces) are coated with another, here different, conductive material, in particular PEDOT:PSS, which then results in the optional (but generally preferred) electrically conductive coating eB, which can further improve the electrochemical properties of the electrodes; in particular, in some variants of the present invention, a combination of gold electrode (i.e. gold as electrically conductive material eM) and PEDOT:PSS (as electrically conductive coating eB, i.e. EDOT:PSS is polymerized to PEDOT:PSS and used as another electrically conductive material) is preferred.
  • gold electrode i.e. gold as electrically conductive material eM
  • PEDOT:PSS as electrically conductive coating eB, i.e. EDOT:PSS is polymerized to PEDOT:PSS and used as another electrically conductive material
  • Figure 3 shows in its images a) to e) a highly schematic possible manufacturing sequence for an in vitro 2D MEA in a cross-sectional view for a section of a 2DE.
  • Image a) illustrates a substrate S coated with a photoresist PR/PRe.
  • an exposure mask Ma over a part of the photoresist (either directly on top or between the photoresist and the exposure source), this is only partially accessible during the subsequent exposure (indicated by the wavy arrows), namely the part PRe not covered by the mask Ma, which is exposed to the radiation.
  • the part covered by the mask Ma is not exposed to the radiation.
  • a photoresist is used that is exposed to the radiation in such a way that it can be washed off afterwards, it is possible to remove the mask Ma after irradiation and then wash off the exposed part of the photoresist PRe. The non-exposed part would then remain, which can be exploited in the next step.
  • the next step b) of Fig. 3 it is shown that the exposed part of the photoresist PRe has been removed, but the unexposed part of the photoresist PR still remains.
  • Metal is deposited on the substrate S and the remaining photoresist PR, in this illustrated example in two layers, for example, which is also preferred in some variants of the present invention, a layer of gold and/or platinum and on top of that a layer of titanium.
  • Image c) of Fig. 3 then illustrates how a passivation layer P is layered on (shown here consisting of photoresist, for example applied by spin coating), both on the area coated with metal and the exposed area.
  • An exposure mask Ma is then placed (either directly on top or between the photoresist and the exposure source), whereby a part PRe of the photoresist remains exposed.
  • a subsequent exposure (indicated by the wavy arrows) then causes the exposed part to be washed out.
  • image d) of Fig. 3 a section of the resulting MEA is shown in which the exposed photoresist PRe has been washed out and the mask Ma has been removed.
  • image e) of Fig. 3 the star shapes ⁇ indicate that a part of the metal layer - in the described/illustrated case, the titanium layer - is removed, for example by Etching, especially reactive ion etching (RIE).
  • RIE reactive ion etching
  • Fig. 3 describes only one possible manufacturing method for an in vitro 2D MEA, but not the only one.
  • Other photoresists can also be used, for example those that polymerize by irradiation and the non-exposed part can then be washed off.
  • etching processes for example using reactive gases, instead of the exposure described here and corresponding exposure masks and photoresist, and then corresponding etching masks and etching resists.
  • Figure 4 shows in its images a possible manufacturing sequence for an in vivo 2D MEA in a cross-sectional view for a section of a 2DE.
  • the first image shows how a substrate layer S, for example based on parylene-C or polyimide, in particular parylene-C, is arranged over a carrier layer T (for example applied via chemical vapor deposition); in some variants, a metal layer can be arranged between these two layers as a sacrificial layer O, which is indicated here, for example based on three metal layers of chromium/gold/chromium.
  • the second image of Fig. 4 shows how a structured metal layer M (seen in three parts in this section, left and right later serve as conductor tracks and the middle as electrode surface) is applied (for example made of titanium and/or gold, in particular titanium/gold, by means of vapor deposition or similar processes), which forms conductor tracks, electrode surfaces and contact surfaces.
  • a structured metal layer M strip in three parts in this section, left and right later serve as conductor tracks and the middle as electrode surface
  • the third and fourth images of Fig. 4 (corresponding to the optional step 3ii)) first show how a passivation layer P is applied, for example by chemical vapor deposition.
  • the second part shows how the passivation layer is partially opened, for example by masking and etching, for example by reactive ion etching (if the passivation layer consists of parylene-C and/or polyimide, for example by O 2 /CF 4 ), whereby the structured metal layer becomes partially accessible again (i.e. in particular on/above the electrode surfaces EF (only one in the middle can be seen in this section), the conductor tracks L (one each on the left and right can be seen in this section) remain covered by the passivation layer P.).
  • Figure 5 shows two abstracted photographs of in vitro 2D microelectrode arrays prepared as described in Example 3A)b.
  • Figure 5A shows a 2D microelectrode array 2DE in a layout with 64 electrodes with a spacing of 200 pm, which are arranged in an 8 x 8 square matrix.
  • the respective conductor tracks L (leads to the electrodes) and the electrode surfaces EF, which are arranged at the ends of the respective conductor tracks, can be clearly seen.
  • two enlarged electrodes that serve as reference electrodes R, in particular as internal reference electrodes for electrical measurements (these have a diameter of about 150 pm here, but in other embodiments this diameter can also vary).
  • Figure 5B shows a 2D microelectrode array 2DE in a layout with 32 electrodes with a minimum electrode spacing of about 30 pm (measured from electrode center to electrode center, the minimum spacing is given in each case, since the spacing always varies slightly depending on the layout), which are arranged in a diamond-shaped matrix.
  • the respective conductor tracks L (supply lines to the electrodes) and the electrode surfaces EF, which are arranged at the ends of the respective conductor tracks, can be seen.
  • Figure 6 shows four abstracted photographs of in vivo 2D microelectrode arrays, manufactured as described in example 3A)b.
  • the respective conductor tracks L (leads to the electrodes) and the electrode areas EF, which are arranged at the ends of the respective conductor tracks, can be clearly seen.
  • an enlarged electrode which serves as a reference electrode R, in particular as an internal reference electrode for electrical measurements.
  • Image A shows a layout with an electrode spacing of approximately 16 pm
  • image B with an electrode spacing of approximately 112 pm
  • image C with an electrode spacing of approximately 62 pm
  • image D with an electrode spacing of approximately 21 pm (each measured from electrode center to electrode center; the smallest distance is given in each case, since the distances always vary slightly depending on the layout).
  • M structured base metal layer (conductor tracks and electrode surfaces and

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Elektroden beziehungsweise dreidimensionaler Mikroelektrodenarrays ausgehend von zweidimensionalen Substraten mittels schablonengestützter, insbesondere elektrochemischer, Abscheidung.

Description

Herstellung dreidimensionaler Elektroden mittels schablonengestützter elektrochemischer Abscheidung
Alle in der vorliegenden Anmeldung zitierten Dokumente sind durch Verweis vollumfänglich in die vorliegende Offenbarung einbezogen (= incorporated by reference in their entirety).
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Elektroden beziehungsweise dreidimensionaler Mikroelektrodenarrays ausgehend von zweidimensionalen Substraten mittels schablonengestützter, insbesondere elektrochemischer, Abscheidung.
Stand der Technik:
Neuronale Modellsysteme werden benutzt um ein besseres Verständnis neurologischer Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson zu erhalten. Im Gegensatz zu zweidimensionalen (2D) Systemen bieten dreidimensionale (3D) Systeme (zum Beispiel Gerüste aus Hydrogelen, Hirnorganoide und Gewebeschnitte) eine komplexere Umgebung mit längerer Lebensdauer und sind zudem informativer, was zu einer besseren Ergänzung von Tiermodellen führt. Auch wenn diese 3D-Systeme das Gehirn und andere Nervengewebe schon gut nachahmen können, sind fortschrittliche elektrophysiologische Messelektroden für langzeitstabile Aufzeichnungen mit Einzelzell- und Millisekunden-Auflösung erforderlich, um die Funktion solcher Systeme besser zu verstehen.
Während planare 2D-Elektroden schon weit verbreitet sind, gibt es nur wenige Ansätze, die sich auf 3D-Elektroden konzentrieren. Je mehr sich die Forschung jedoch auf komplexe 3D-Zellsysteme fokussiert, desto größer ist der Bedarf an echten mehrstufigen 3D-Elektrodensystemen, um die 3D-Umgebungen besser untersuchen zu können. Bei diesen Systemen handelt es sich um 3D-Matrizen von Mikroelektroden, die zum Messen und Kontrollieren der neuronalen Aktivität in verschiedenen neuronalen Geweben, zum Beispiel im Gehirn, in der Netzhaut oder in peripheren Nerven, verwendet werden. Daher werden, um die Signalableitung von 3D- Nervensystemen weiter zu verbessern, neue innovative Methoden zur Untersuchung dreidimensionaler neuronaler Netzwerke auf der Ebene einzelner Zellen, ganzer Netzwerke und des 3D-Raums von Organoiden und Geweben benötigt.
Verschiedene dreidimensionale elektrophysiologische Messtechnologien wurden mit Hilfe von verschiedenen Herstellungsmethoden bereits entwickelt. Dazu, gehören hauptsächlich i) 3D Inkjet-Druckmethoden: Eine leitfähige Tinte (wie Silber) wird tröpfchenweise gedruckt, um so die dreidimensionalen, leitfähigen Strukturen (Säulen) zu erzeugen. Je nach Anwendung werden die Strukturen im Nachhinein noch passiviert und nur die Spitze mit Hilfe von Ätzmethoden geöffnet um eine Verbindung zu den Zellen oder dem Gewebe zu ermöglichen (siehe zum Beispiel Saleh et al, CMU Array: A 3D Nano-Printed, Customizable Ultra-High-Density Microelectrode Array Platform, 2019). ii) Zwei-Photonen-Polymerisations-Druckmethoden: Die Zwei-Photonen-
Polymerisations-Druckmethode wird benutzt um komplexe dreidimensionale Strukturen zu drucken, welche gegebenenfalls leitfähig sein können. Es sind dann noch zusätzlich verschiedene Mikro-/Nanofabrikationsschritte notwendig, um 3D- Elektroden herzustellen. Diese Schritte beinhalten zum Beispiel, selektive Metallabscheidung, mehrere Lithographie- sowie Ätzschritte. iii) Kirigami-Technik: Bei der Kirigami-Technik werden aus 2D-Proben mehrere Schäfte herausgetrennt/-geschnitten und anschließend gefaltet, um eine 3D-Probe zu erzeugen Für das Falten an sich existieren verschiedene Methoden: Mit Hilfe von ferromagnetischen Folien auf der Rückseite von jedem Schaft wird durch Anlegen eines magnetischen Feldes das Falten bewirkt (siehe zum Beispiel Soscia et al, A flexible 3-dimensional microelectrode array for in vitro brain models, 2020). a. Nutzung von ferromagnetischen Folien auf der Rückseite der Schäfte, um das 2D-Design mithilfe eines magnetischen Feldes zu falten. b. Die Schäfte falten sich ohne zusätzliche Hilfe c. Mechanisches Falten der einzelnen 2D-Schäfte oder mehrerer zur gleichen Zeit. iv) Das Stapeln von 2D Proben: Hier werden mehrere 2D-Proben, wie zum Beispiel die sogenannten Michigan Arrays, welche aus mehreren untereinander angeordneten Goldelektroden auf Si-Schäften bestehen (mehrere solcher Si- Schäfte werden übelicherweise nebeneinander angeordnet), aufeinandergestapelt, sodass ein 3D- Implantat generiert wird. Üblicherweise befinden sich zwischen den 2D-Proben Platzhalter, um einen genauen Abstand zu definieren. v) Nanonadeln: Der bekannteste Nanonadel-Ansatz ist das „Utah-Array", welches aus Siliziumnadeln besteht, deren Spitzen mit Metall oder leitfähigem Polymer beschichtet sind und einen biokompatiblen Mantel haben. vi) Elektrodennetze: Herstellung eines 2D-Netzes bestehend aus löchrigen Strukturen mit Elektroden an den Kanten oder Scheitelpunkten der Strukturen. Das Netz verformt sich dann und passt sich dem biologischen 3D-Ziel an (siehe zum Beispiel Feiner et al, Engineered hybrid cardiac patches with multifunctional electronics for online monitoring and regulation of tissue function, 2016).
Bei dem Inkjet-Druckverfahren ist die Auswahl der druckbaren Materialien sowie Geometrien stark limitiert. Zum Beispiel ist der Durchmesser der gedruckten Säulen in der Größenordnung von 20 pm. Je größer der Durchmesser der Säulen, desto größer ist der Schaden an dem penetrierten Gewebe und desto geringer ist die räumliche Auflösung der Elektrodenmessung. Darüber hinaus werden zusätzliche Herstellungsschritte benötigt, wie das Aufbringen einer Passivierung sowie ein Ätzschritt. Die Kirigami- und Stapel-Ansätze erfordern ein Falten einzelner Schäfte, ein Stapeln der einzelnen 2D-Proben, oder den Einsatz giftiger Materialien, wie ferromagnetischer Metalle (z.B. Nickel) welche gefährlich sind, sowie ein besonderes Equipment um das Magnetfeld zu erzeugen. Die bisher angewendete Herstellung von 3D-Elektroden mittels 3D-Druck unter Verwendung der Zwei-Photonen-Polymerisation erfordert zusätzliche, komplexe Mikrofabrikationsschritte wie eine selektive Metallabscheidung, mehrere Lithografie- sowie Ätzschritte, insbesondere, wenn Elektrodenöffnungen in unterschiedlichen, beliebigen Höhen angestrebt werden.
Siliziumnanonadeln sind starre Strukturen auf einer starren Oberfläche und führen daher zu einer stärkeren Schädigung es Gewebes. Darüber hinaus erfordert auch diese Methode zusätzliche, komplexe Mikrofabrikationsschritte wie eine selektive Metallabscheidung, mehrere Lithografie- sowie Ätzschritte, insbesondere, wenn Elektroden in unterschiedlichen, beliebigen Höhen angestrebt werden.
Der Netzansatz hat den großen Nachteil, dass der Einführungsquerschnitt größer ist, was zu mehr Gewebeschäden führt. Außerdem ist es sehr schwierig, die Elektrodenposition in allen Dimensionen zu kontrollieren und zu definieren .
Als weitere Dokumente des Standes der Technik können US 2021/0394434 Al oder US 2002/0133129 A, sowie Saleh, Mohammad Sadeq, et a. CMU Array: A 3D nanoprinted, fully customizable high-density microelectrode array platform, Science Advances, 2022, 8. Jg., Nr. 40, S. eabj4853 und US 2017/0231518 Al genannt werden. Daher wird nach wie vor nach weiteren Methoden gesucht, die eine zuverlässige Herstellung von dreidimensionalen Elektroden beziehungsweise dreidimensionalen Mikroelektrodenarrays erlauben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher im Hinblick auf den Stand der Technik Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Elektroden beziehungsweise dreidimensionalen Mikroelektrodenarrays beziehungsweise vorteilhafte dreidimensionale Elektroden und/oder dreidimensionale Mikroelektrodenarrays welche die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweisen und insbesondere zuverlässig sind, sowie entsprechende (Neuro-) Implantate und Anordnungen, zu finden.
Weitere Aufgabenstellungen ergeben sich für den Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung.
Gelöst werden diese und andere Aufgaben im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung schließt der Begriff «umfassen» jeweils als besonders bevorzugte Ausgestaltung auch «bestehend aus» ein; das heißt eine entsprechende Liste kann neben den explizit genannten Elementen auch weitere Elemente enthalten (= umfassen), oder sie kann genau diese Elemente enthalten (=bestehen aus) (wobei unwesentliche Elemente wie Schrauben, Markierungen etc. nicht berücksichtig sind).
Bei relativen Angaben wie oben, unten, links, rechts oder Ähnlichem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Bezugssystem von einem aufrecht auf dem Erdboden vor dem diskutierten Objekt stehenden Beobachter ausgegangen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck „und/oder" dass beide in dem Zusammenhang genannten Elemente jeweils einzeln als auch die Kombination der in dem Zusammenhang genannten Elemente umfasst ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind alle Mengenangaben, sofern nicht anders angegeben, als Gewichtsangaben zu verstehen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck „Mikroelektrodenarray" beziehungsweise „MEA" eine Anordnung einer Vielzahl von Elektroden auf einem flachen Substratbasis. Die Elektroden an sich sind auf der Basis mit Leiterbahnen versehen und es können noch Kontaktflächen vorhanden sein. Sofern die Elektroden nur aus der flachen Basismetallisierung (umfassend Leiterbahnen, Elektrodenflächen und gegebenenfalls Kontaktflächen) auf der Substratbasis beruhen wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung von einem 2D-MEA gesprochen. Wenn auf den Elektrodenflächen elektrisch leitfähiges Material in orthogonaler Richtung angeordnet ist (innerhalb 3D-gedruckter Hohlzylinder) spricht man im Rahmen der vorliegenden Erfindung von 3D-MEA beziehungsweise dreidimensional strukturierten MEA.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff „Umgebungstemperatur" eine Temperatur von 20°C. Temperaturangaben sind, soweit nicht anders angegeben, in Grad Celsius (°C).
Sofern nichts Anderes angegeben wird, werden die angeführten Reaktionen bzw. Verfahrensschritte bei Atmosphärendruck, d.h. bei etwa 1013 kPa durchgeführt.
Zunächst ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung dreidimensional strukturierter Mikroelektrodenarrays das die folgenden Verfahrensschritte A), B), C) und D) umfasst oder daraus besteht:
In Schritt A) wird ein 2D-Mikroelektrodenarray umfassend eine Vielzahl von Leiterbahnen und eine Vielzahl von Elektrodenflächen bereitgestellt. In der Regel umfasst dieses noch eine Vielzahl von Kontaktflächen; dies ist zwar bevorzugt aber nicht zwingend, denn statt zusätzlicher Kontaktflächen können für die gleichen Zwecke (also insbesondere die Kontaktierung mit weiteren Geräten) auch die (Enden der) Leiterbahnen (=Zuleitungen zu den Elektrodenflächen) dienen.
Eine Vielzahl von Leiterbahnen/Elektrodenflächen bedeutet dabei eine beliebige große Anzahl an Leiterbahnen, bevorzugt eine Anzahl von mindestens zwei. Üblicherweise sind dies aber deutlich mehr, wobei es bevorzugt ist, wenn jeder Elektrodenfläche eine Leiterbahn zugeordnet ist, also gleich viele Leiterbahnen und Elektrodenflächen vorhanden sind. In bevorzugten Varianten sind es von 2 bis 512 (jeweils einschließlich), bevorzugt 4 bis 256 (jeweils einschließlich), besonders bevorzugt 8 bis 128 (jeweils einschließlich) und insbesondere 16, 32, oder 64
Leiterbahnen/Elektrodenflächen. Eine Vielzahl von Kontaktflächen bedeutet dabei eine Anzahl von mindestens zwei. Da diese der „Verdrahtung" beziehungsweise der Verschaltung der Leiterbahnen dienen ist es üblicherweise nur eine große Kontaktfläche pro Leiterbahn, jeweils an den Enden jeder Leiterbahn, die Kontaktflächen können aber auch mehrere zusammenfassen und müssen dann nicht so viele sein wie Leiterbahnen.
Schritt B) umfasst das 3D-Drucken von oben offenen Hohlzylindern orthogonal auf der Oberfläche des 2D-Mikroelektrodenarrays, wobei die Zylinderbasen außen um die Elektrodenflächen herum gedruckt werden.
Das bedeutet also, dass die Hohlzylinder über den Elektrodenflächen aufragen. Die Hohlzylinder werden dabei entsprechend den jeweiligen Bedürfnissen ausgefertigt, was bedeutet, dass insbesondere deren Durchmesser und Höhe entsprechend angepasst wird. Der Durchmesser ergibt sich dabei bevorzugt aus den Elektrodenflächen, über denen die Hohlzylinder angeordnet werden. Bevorzugt ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Zylinderbasen außen um die Elektrodenflächen herum angeordnet sind, so dass die vollständigen Elektrodenflächen innerhalb des inneren Durchmessers der Hohlzylinderbasen liegen. Auf diese Art und Weise wird gewährleistet, dass später die gesamte Elektrodenfläche zur Kontaktierung mit dem elektrisch leitfähigen Material zur Verfügung steht.
Um die im Rahmen der vorliegenden Erfindung gefertigten dreidimensional strukturierten Mikroelektrodenarrays an die jeweils gewünschte Anwendung anzupassen, können die Hohlzylinder unterschiedlich hoch ausgefertigt werden. Dies ist im Rahmen der Herstellung mittels 3D-Druck natürlich ohne weiteres möglich und ist einfach im Rahmen der ursprünglich erstellten Druckdatei festzulegen.
In einigen besonders bevorzugten Varianten sind die Hohlzylinder gleichmäßig ausgestaltet, das heißt die Wandstärken und die Innendurchmesser sind über die gesamte Höhe konstant. Da die Wandstärken jedoch an die Bedürfnisse anpassbar sind, gibt es auch bevorzugte Varianten, bei denen Wandstärke und Innendurchmesser, zum Beispiel zur Steigerung der Stabilität, über die Höhe der Zylinder variierend ausgestaltet sind. Bevorzugte Innendurchmesser (=Öffnungsdurchmesser) der Hohlzylinder im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen bei 0,8 pm bis 50 pm, besonders bevorzugt bei 7 pm bis 11 |jm, insbesondere bei 8 pm oder 10 pm.
Bevorzugte Wandstärken der Hohlzylinder im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen bei 0,2 pm bis 10 pm, besonders bevorzugt 0,5 pm bis 2,5 pm, insbesondere
1 pm oder 2 pm.
Bevorzugte Höhen der Hohlzylinder im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen bei 5 pm bis 5 mm, besonders bevorzugt bei 40 pm bis 120 pm. In einigen Ausführungsformen liegen die Höhen, insbesondere für in-vivo-Anwendungen, bei 20 pm bis 110 pm, bevorzugt 35 pm bis 95 pm, besonders bevorzugt 50 pm bis 80 pm. In einigen anderen Ausführungsformen liegen die Höhen bei, insbesondere für in-vitro-Anwendungen, bei 30 pm bis 140 pm, bevorzugt bei 45 pm bis 125 pm, besonders bevorzugt 60 pm bis 110 pm.
Bevorzugte Abstände (jeweils gemessen von Elektrodenmittelpunkt bis Elektrodenmittelpunkt) zwischen den einzelnen Elektroden (Hohlzylindern) liegen bei
2 pm bis 200 pm, besonders bevorzugt bei 13 pm bis 110 pm, insbesondere bei 16 pm bis 106 pm. Dabei ist anzumerken, dass der größte Abstand flexibel anpassbar ist an die jeweiligen Bedürfnisse (also auch größer als 200 pm sein kann) und der kleinste Abstand der Durchmesser der Elektrode plus die Wandstärke ist, für den Fall, dass die Zylinder direkt nebeneinander gedruckt werden.
Mit der vorliegenden Erfindung lassen sich also Elektroden (=das in die Hohlzylinder gefüllte leitfähige Material, gegebenenfalls mit zusätzlicher Beschichtung) mit sehr hohem Aspektverhältnis (Höhe der Hohlzylinder:deren Außendurchmesser) herstellen. In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt daher das Aspektverhältnis bei 10 oder höher, besonders bevorzugt bei 15 oder höher.
Prinzipiell sind aber auch andere Dimensionierungen möglich, wobei es dem Fachmann bekannt ist, dass das Material und das Aspektverhältnis (Höhe: Durchmesser) der Hohlzylinder materialtechnische Anforderungen stellen, insbesondere an die Wandstärke in Abhängigkeit von der Höhe, damit die Hohlzylinder entsprechend stabil bleiben (obwohl sie durch die darin abgeschiedene elektrisch leitfähige Material stabilisiert werden, so dass geringere Wandstärken möglich sind, als bei Zylindern, die hohl blieben). Es ist ausdrücklich festzuhalten, dass es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, insbesondere im Rahmen des erfindungsgemäß Verfahrens, möglich ist, jeden Hohlzylinder (und mithin jede Elektrode) individuell und unabhängig von allen anderen zu dimensionieren, insbesondere im Hinblick auf Innendurchmesser und Höhe.
Als ein weiterer Schritt Ba) ist es optional möglich, während, vor oder nach, bevorzugt vor oder nach, dem 3D-Drucken der Hohlzylinder ein eventuell noch vorhandenes Trägersubstrat von den 2D-Mikroelektrodenarrays zu lösen. Dies hängt letztendlich davon ab, ob das Trägersubstrat für die jeweils geplante Anwendung sinnvoll ist oder nicht. Dies ist für den Fachmann im Rahmen seines allgemeinen Fachwissens ausgehend von der geplanten Anwendung der erfindungsgemäß hergestellten dreidimensional strukturierten Mikroelektrodenarrays ohne weiteres ersichtlich.
In Schritt C) wird dann elektrisch leitfähiges Material in die Hohlzylinder auf die Elektrodenoberflächen abgeschieden. Dies kann im Prinzip mit allen dem Fachmann geläufigen Methoden erfolgen, üblicherweise wird dies über galvanische Abscheidungsverfahren erfolgen.
Dabei ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt, wenn die oben offenen Hohlzylinder vollständig mit elektrisch leitfähigem Material gefüllt werden, d.h. die oberste Oberfläche des elektrisch leitfähigen, abgeschiedenen Materials befindet sich auf einer Höhe mit dem oberen Ende des jeweiligen Hohlzylinders. In manchen Varianten ist es darüber hinaus möglich, ein wenig mehr elektrisch leitfähiges Material abzuscheiden, so dass das elektrisch abgeschiedene Material dann ein wenig über den vorher 3D-gedruckten Hohlzylinder hinausragt.
Als Schritt D) ist es im Rahmen der Erfindung optional, und in einigen Varianten der vorliegenden Erfindung bevorzugt, möglich, weitere Beschichtungen der zugänglichen Flächen des in den Hohlzylindern abgeschiedenen elektrisch leitfähigen Materials vorzunehmen. Diese zugänglichen Flächen sind entsprechend der Abscheidung üblicherweise nur die oberste Fläche innerhalb des Hohlzylinders oder aber auf Höhe des oberen Hohlzylinderrandes. In den beschriebenen Varianten der vorliegenden Erfindungen, in denen etwas mehr elektrisch leitfähiges Material abgeschieden wird, als in die Hohlzylinder passt, umfasst diese zusätzliche Beschichtung selbstverständlich auch den überstehenden Bereich. Diese Beschichtung des elektrisch leitfähigen Materials erfolgt üblicherweise mit weiterem elektrisch leitfähigem Material, welches das gleiche sein kann, wie das in den Hohlzylindern abgeschiedene, oder auch ein anderes elektrisch leitfähiges Material.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird für diese optionale Beschichtung das weitere, gleiche oder andere, elektrisch leitfähige Material abgeschieden, wobei die genaue Schichtdicke an die jeweiligen Bedürfnisse anpassbar ist und bevorzugt im Nanometerbereich bis Mikrometerbereich liegt.
Es sei darauf hingewiesen, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung zwar von Hohlzylindern gesprochen wird, dies jedoch nicht zwangsweise runde Zylinder sein müssen. Es ist prinzipiell genauso gut möglich, Hohlstrukturen zu verwenden, die n- eckig sind, wobei n eine ganze natürliche Zahl zwischen 3 und 12 ist. Besonders bevorzugt sind dabei Zahlen zwischen 4 und 10.
Bevorzugt ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch, wenn die Hohlzylinder runde Zylinder sind, da dies im Hinblick auf die Anwendung als Elektroden Vorteile hat, insbesondere wird vermieden, dass an eventuell überstehenden Ecken des darin abgeschiedenen elektrisch leitfähigen Materials Stromspitzen auftreten können.
„Rund" kann in diesem Zusammenhang auch oval bedeuten, wobei ideal kreisrund bevorzugt ist, in der Technik aber nicht immer zu 100% erreicht werden kann - die technisch mittels 3D-Druck erreichbaren Grenzen sind dem Fachmann bekannt und müssen demgemäß hier nicht näher diskutiert werden.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin die Herstellung des in Schritt A) bereitgestellten 2D- Mikroelektrodenarrays, wobei dessen Herstellung die folgenden Verfahrensschritte umfasst oder aus diesen besteht: li) Bereitstellung eines, bevorzugt steifen, Substrates, bevorzugt basierend auf oder bestehend Silizium oder Quarz, insbesondere Quarzsubstrat;
2i) Aufbringen einer Vielzahl von Leiterbahnen und einer Vielzahl von Elektrodenflächen und optional einer Vielzahl von Kontaktflächen;
3i) Abscheidung einer Passivierungsschicht und dann Freilegen der Elektrodenflächen und optional einer Vielzahl von Kontaktflächen; oder lii) Bereitstellung eines, bevorzugt flexiblen, Substrates, bevorzugt basierend auf oder bestehend aus Parylen-C (PaC) oder Polyimid, insbesondere Parylen-C, auf einem Trägersubstrat, bevorzugt Silizium-Wafer, 2ii) Aufbringen einer Vielzahl von Leiterbahnen und einer Vielzahl von
Elektrodenflächen und optional einer Vielzahl von Kontaktflächen;
3ii) optional Abscheidung einer Passivierungsschicht und dann Freilegen der
Elektrodenflächen und optional einer Vielzahl von Kontaktflächen;
4ii) alternativ zu Schritt 3ii) optional Aufarbeitung der in 2ii) aufgebrachten Metallschicht, bevorzugt Ätzen, insbesondere durch reaktives lonenätzen, selektierter (durch Masken definierter) Bereiche der obersten Metalllage (falls mehrere vorhanden).
Die Substratschicht in Schritt lii) weist in bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Schichtdicken von 05 pm bis 15 pm, besonders bevorzugt von
3 pm bis 8 pm, insbesondere 5 pm auf.
Die Passivierungsschichten in Schritten 3i) beziehungsweise 3ii) weisen in bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Schichtdicken von 0,5 pm bis 15 pm, besonders bevorzugt von 2 pm bis 7 pm, insbesondere 2 pm bis
4 pm auf.
Die Leiterbahnen und Elektrodenflächen in Schritten 2i) beziehungsweise 2ii) bestehen in manchen bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung auf mehreren Schichten aus insbesondere Titan und Gold, bevorzugt der Schichtfolge Titan/Gold/Titan und insbesondere mit einer Gesamtschichtdicke von 50 nm bis 170 nm, bevorzugt 90 nm bis 160 nm, besonders bevorzugt 100 nm bis 150 nm, höchst bevorzugt 110 nm bis 140 nm und insbesondere 120 nm oder 130 nm.
Die Passivierungsschichten in Schritten 3i) beziehungsweise 3ii) beruhen in manchen bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung auf Parylen-C oder fotostrukturierbaren Lacken auf Epoxidbasis, wie zum Beispiel SU-8, oder bestehen daraus.
Die beiden erfindungsgemäßen Varianten li) bis 3i) oder alternativ lii) bis 4ii) sind dabei insbesondere für zwei grundsätzlich verschiedene Anwendungen der Elektrodenarrays gedacht, aber nicht ausschließlich jeweils für diese anzuwenden, d.h. nicht auf die jeweils bevorzugte Anwendung beschränkt.
Die Variante der Verfahrensschritte li) bis 3i) wird bevorzugt für die Herstellung von Mikroelektrodenarrays verwendet, die für die in vitro- An Wendung gedacht sind. Die Variante der vorliegenden Erfindung mit den Verfahrensschritten lii) bis 4ii) wird hingegen bevorzugt für Elektrodenarrays verwendet, die für in vivo- An wend ungen gedacht sind.
Wie bereits erwähnt, sind diese beiden Varianten jedoch nicht auf die jeweils bevorzugte Anwendung für in vitro- oder in i//i/o-Anwend ungen beschränkt, sondern können im Prinzip jeweils auch für die andere Variante eingesetzt werden, oder auch für andere denkbare Anwendungen.
Für die erfindungsgemäße Variante der Verfahrensschritte li) bis 3i) ist es bevorzugt, wenn in Schritt li) ein steifes Substrat vorgelegt wird, insbesondere eines basierend auf Materialien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silizium, Quarz, Keramiken wie AI2O3, SiC, SisN4 und Mischungen davon, insbesondere Quarz. Der Begriff „steif' bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere E-Moduln von 80 GPa bis 120 GPa; zum Beispiel wird bevorzugt Quarz mit einem E-Modul von 97 GPa bei einer Dicke von 500 pm eingesetzt.
Im Gegensatz dazu wird in der Variante lii) bevorzugt ein flexibles Substrat vorgelegt, bevorzugt basierend oder bestehend aus Materialien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Parylen-C (PaC), Polyimid, fotostrukturierbaren Lacken auf Epoxidbasis, wie zum Beispiel SU-8, und Mischungen davon, insbesondere Parylen-C. Der Begriff „flexibel" bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere E-Moduln von 1,5 GPa bis 3,5 GPa; zum Beispiel wird bevorzugt PaC mit einem E-Modul von 2,76 GPa bei einer Dicke von 5 pm eingesetzt. Diese Substrate werden zudem in bevorzugten Varianten auf einem Silizium-Wafer aufgetragen vorgelegt.
In den Schritten 2i) bzw. 2ii) wird dann auf das vorgelegte bzw. bereitgestellte Substrat jeweils eine Vielzahl von Leiterbahnen und eine Vielzahl von Elektrodenflächen plus, in bevorzugten Varianten, eine Vielzahl von Kontaktflächen aufgebracht, wie dies oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits ausgeführt wurde. Insofern ist es in diesem Falle ebenfalls bevorzugt, wenn die Anzahl der Leiterbahnen der Anzahl von Elektrodenflächen entspricht und die Anzahl der Kontaktflächen entweder Null ist oder maximal der Anzahl der Leiterbahnen entspricht.
In Schritt 4ii), der alternativ zu dem Schritt 3ii) ausgeführt werden kann, wird die oberste Metallschicht der Elektrodenflächen oder zumindest ein Teil dieser entfernt. Wenn eine aus mehreren Metallen geschichtete Metalllage aufgebaut wurde, wird bevorzugt die oberste Metallschicht entfernt; bei der erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsform einer Metalllage aus Titan/Gold/Titan, würde dann die Titanschicht, oder nur ein Teil dieser, insbesondere nur der Teil entsprechend den Elektrodenflächen aber nicht den Leiterbahnen und gegebenenfalls Kontaktflächen, entfernt. Dies kann bevorzugt durch Ätzen erfolgen insbesondere durch reaktives lonenätzen. Abhängig von den jeweils verwendeten Metallsubstraten ist es für den Fachmann ersichtlich, welche speziellen Ätzmittel er in dem jeweiligen Zusammenhang dann auswählen kann. Dazu werden vor dem Ätzen die entsprechenden Bereiche der Metallisierung freigelegt, zum Beispiel über selektives Belichten und Entfernen einer Fotolackschicht; diese Vorgehensweise ist dem Fachmann bekannt und muss hier nicht im Detail dargelegt werden.
Im Übrigen sind die Verfahrensschritte li) bis 3i) bzw. lii) bis 4ii) dem Fachmann im Prinzip bekannt, so dass er aufgrund seines allgemeinen Fachwissens die genau vorzunehmenden Verfahrensschritte und Verfahrensparameter bestimmen kann.
In einigen bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung wird auf die Aufbringung einer Passivierungsschicht bei der Herstellung der 2D-Mikroelektrodenarrays verzichtet (also Schritte 3i) bzw. 3ii) weggelassen) und stattdessen über die ganze Oberfläche - mit Ausnahme der Elektrodenflächen (und gegebenenfalls Kontaktflächen) - mittels 3D-Druck ein elektrisch nicht leitfähiges Material aufgebracht, besonders bevorzugt zusammen mit dem 3D-Druck der Hohlzylinder, insbesondere durch Auftrag desselben Materials im selben Druckvorgang.
In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung wird vor dem 3D-Drucken der eigentlichen Hohlzylinderstruktur auf die Oberfläche des 2D-Mikroelektrodenarrays eine plattenartige Struktur als Basisstruktur gedruckt.
Unter einer plattenartigen Struktur als Basisstruktur wird insbesondere verstanden eine, bevorzugt kreisförmige, Basisplatte, welche die Stabilität der Hohlzylinder wie eine Art Fundament erhöhen soll. Die plattenartige Struktur wird dabei mit einer Schichtdicke von 300 nm bis 5 pm, bevorzugt 500 nm bis 3 pm gedruckt; und der Durchmesser der runden plattenartigen Struktur entspricht mindestens dem Durchmesser der Elektroden plus den Wandstärken plus 0,5 pm bis 5 pm, bevorzugt 1 pm bis 3 pm, insbesondere 2 pm.
Als Material für den 3D-Druck wird in manchen bevorzugten Varianten ein elektrisch nicht leitfähiges Material eingesetzt, das geeignet ist, mittels 2-Photonen- Polymerisation gedruckt zu werden. In bevorzugten Varianten sind die auf (Meth)acrylaten basierende, härtbare Stoffe und/oder Stoffgemische, die über (radikalische) Polymerisation der (Meth)acrylatgruppen vernetzen.
Beispiele für kommerziell erhältliche Produkte sind IP-L 780 oder IP-Dip der Firma NanoScribe.
Im Prinzip sind aber alle elektrisch nicht leitfähigen Materialien einsetzbar, die 3D- gedruckt werden können und die den (mechanischen, biologischen etc.) Anforderungen erfüllen beziehungsweise diesen genügen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff „elektrisch nicht leitfähig" für das mittels 3D-Druck verarbeitete Material der Hohlzylinder eine Leitfähigkeit von geringer als 10'8S/cm.
Das in die Hohlzylinder abgeschiedene elektrisch leitfähige Material kann im Prinzip jedes beliebige elektrisch leitfähige, abscheidbare Material sein. In bevorzugten erfindungsgemäßen Varianten der vorliegenden Erfindung wird das in die Hohlzylinder abgeschiedene elektrisch leitfähige Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gold, Platin, PEDOT: PSS, Iridiumoxid, Chrom, Titan, Indiumzinnoxid und Mischungen oder Legierungen davon, bevorzugt Gold, Platin, PEDOT:PSS, Iridiumoxid, Chrom und Mischungen oder Legierungen davon, besonders bevorzugt Gold.
Das für die Beschichtung der Oberseiten der in den Hohlzylindern abgeschiedenen elektrisch leitfähigen Materialien verwendete weitere, gleiche oder andere, elektrisch leitfähige Material kann im Prinzip jedes beliebige elektrisch leitfähige, abscheidbare Material sein. In bevorzugten erfindungsgemäßen Varianten der vorliegenden Erfindung wird es ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gold, Platin, PEDOT:PSS, Iridiumoxid, Chrom, Titan, Indiumzinnoxid und Mischungen oder Legierungen davon, bevorzugt Gold, Platin, PEDOT: PSS, Iridiumoxid, Chrom und Mischungen oder Legierungen davon, besonders bevorzugt PEDOT:PSS.
Eine erfindungsgemäß bevorzugte Variante ist es, wenn das in die Hohlzylinder abgeschiedene elektrisch leitfähige Material Gold ist und es mit PEDOT:PSS als weiteren elektrolytisch leitfähigem Material beschichtet ist (wird).
In noch weiteren bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist das 2D- Mikroelektrodenarray eine steife oder flexible Substratschicht auf, wobei das Material für die steife Substratschicht ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Quarz, Silizium, Keramiken wie AI2O3, SiC, SisN4 und Mischungen davon, bevorzugt Quarz, oder das Material für die flexible Substratschicht ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Parylen-C, Polyimid, fotostrukturierbaren Lacken auf Epoxidbasis wie zum Beispiel SU-8 und Mischungen davon, bevorzugt Parylen-C.
In noch weiteren bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung besteht die Vielzahl von Leiterbahnen und die Vielzahl von Elektrodenflächen sowie gegebenenfalls die Vielzahl von Kontaktflächen aus einem Material ausgesucht aus der Gruppe bestehend aus Titan, Gold, Platin, leitfähigen Polymeren wie PEDOT: PSS, Indiumzinnoxid und Mischungen, Legierungen oder Schichtungen davon, besonders bevorzugt einer Metallschichtfolge Titan/Gold/Titan oder einer Metallschichtfolge Titan/Gold.
Es ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung darüber hinaus insbesondere bevorzugt, wenn - abgesehen von den Elektroden, also dem elektrisch in die Hohlzylinder abgeschiedenen Material beziehungsweise gegebenenfalls der darauf befindlichen Beschichtung mit weiterem elektrisch leitfähigen Material, und gegebenenfalls einzelnen Kontaktflächen(teilen) - die dreidimensional strukturierten Elektrodenarrays äußerlich nicht elektrisch leitend sind. Dies ergibt sich für den Fachmann allerdings schon aus der Sache heraus an sich.
In noch weiteren bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung ist das 3D- Druckverfahren ein 2-Photonen-Polymerisationsverfahren.
In noch weiteren bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung werden die dreidimensional strukturierten Elektrodenarrays auf Leiterplatten, zum Beispiel gedruckten Leiterplatten (printed circuit boards PCB), fixiert und elektrisch damit verbunden. Besonders bevorzugt erfolgt die Fixierung mittels eines Wendemontage- Verfahrens.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind dreidimensional strukturierte Elektrodenarrays umfassend a) 2D-Mikroelektrodenarrays umfassend eine Vielzahl von Leiterbahnen und eine Vielzahl von Elektrodenflächen sowie gegebenenfalls eine Vielzahl von Kontaktflächen; b) auf den Elektrodenflächen orthogonal angeordnete dreidimensionale Hohlzylinder gefüllt mit elektrisch leitfähigem Material.
In bevorzugten Ausführungsformen weist das 2D-Mikroelektrodenarray dieses Gegenstands nur auf einer Oberflächenseite Leiterbahnen und Elektrodenflächen auf. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen dieses Gegenstands bestehen die Hohlzylinder aus einem 3D-gedruckten Material.
Mithin sind bevorzugte Ausführungsformen dieses Gegenstands dreidimensional strukturierte Elektrodenarrays umfassend a) ein 2D-Mikroelektrodenarray umfassend auf nur einer Oberflächenseite eine Vielzahl von Leiterbahnen und eine Vielzahl von Elektrodenflächen; b) auf diesen jeweiligen Elektrodenflächen jeweils orthogonal angeordnet in dreidimensionale Hohlzylinder aus 3D-gedrucktem Material gefülltes elektrisch leitfähiges Material.
Das für den 3D-Druck verwendete Material, und mithin das 3D-gedruckte Material, ist bevorzugt dasselbe, wie bereits oben beschrieben.
Insbesondere werden/sind die dreidimensional strukturierten Elektrodenarrays hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wie oben und weiter unten beschrieben.
Die erfindungsgemäßen beziehungsweise erfindungsgemäß hergestellten MEA können verschiedene Layouts haben zum Beispiel, und mithin in bevorzugten Varianten, 8 x 8 Elektroden mit 200 pm Abstand, quadratisch angeordnet oder 32 Elektroden in einer Diamantanordnung (Abstand der Elektroden 30 pm) - die vorliegende Erfindung ist jedoch natürlich nicht auf diese beiden spezifischen Beispiele beschränkt.
Ferner sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung Implantate oder Neuroimplantate umfassend oder bestehend aus dreidimensional strukturierte Elektrodenarrays gemäß vorliegender Erfindung beziehungsweise gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellter dreidimensional strukturierter Elektrodenarrays.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Implantate Retina-Implantate.
Nicht zuletzt ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Verwendung dreidimensional strukturierter Elektrodenarrays gemäß vorliegender Erfindung oder solcher hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren als oder für Implantate oder Neuroimplantate oder zur elektrochemischen und/oder elektrophysiologischen Vermessung im Millivoltbereich und/oder von Zellkulturen.
Im Prinzip kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedes elektrisch leitfähige galvanisch oder stromlos abscheidbare Material als Elektrodenmaterial verwendet werden. In einigen Varianten der vorliegenden Erfindung sind galvanisch abscheidbare elektrisch leitfähige Materialien bevorzugt.
In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung wird das elektrisch leitfähige galvanisch oder stromlos, bevorzugt galvanisch, abscheidbare Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gold, Platin, PEDOT: PSS, Iridiumoxid (IrOx), Chrom und Mischungen beziehungsweise Legierungen davon, wobei Chrom beschränkt ist auf Anwendungen, bei denen die Biokompatibilität keine Rolle spielt.
Die in der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommenden Elektroden sind technisch gesehen Öffnungen von 10 pm oder 6 pm in der Passivierungsschicht (Verkapselung). Diese Schicht befindet sich über den leiterbahnen (Zuleitungen), die den Strom von den Elektroden zu den Kanten des Chips leiten, wo sich die sogenannten Bondpads, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Kontaktflächen bezeichnet werden, befinden. Diese Bondpads sind nicht passivierte Metallkontakte, die den Kontakt der Elektroden mit der externen Elektronik gewährleisten.
Das im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugte eingesetzte IP-L 780 ist ein Photopolymer, das für das 3D-Druckverfahren mit 2-Photonen-Polymerisation geeignet ist. Es wurde von der Firma NanoScribe entwickelt und speziell für ihre 3D- Drucker konzipiert. Seine reaktive Gruppe ist eine Acrylatgruppe. Das ausgehärtete Polymer ist ein Duroplast und der Aushärtungsmechanismus ist die radikalische Polymerisation. Im Prinzip handelt es sich bei alternativ dazu einsetzbaren Produkten um nichtleitende Materialien, die mit einer Auflösung von bis zu 1 pm verarbeitet werden können (entweder mit 3D-Druck oder anderen Mikrofabrikationsmethoden) und die die für die Anwendung des jeweils verwendeten 3D-Geräts geeigneten Anforderungen (z. B. mechanische, biologische usw.) erfüllen. Für den 3D-Druck auf der Grundlage der Zwei-Photonen-Polymerisation ist auch IP-Dip, das ebenfalls von der Firma NanoScribe für den hochauflösenden 3D-Druck entwickelt wurde, eine unkomplizierte Alternative, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. Es ist jedoch auch möglich, ein beliebiges anderes Fotoharz (einschließlich geeigneter Lösungsmittel und lichtempfindlicher Mittel usw.) mit spezifischen Materialeigenschaften je nach Anwendung des 3D-Geräts zu verwenden. Darüber hinaus ist man natürlich nicht auf den 3D-Drucker der Firma NanoScribe beschränkt, sondern kann auch jedes andere Gerät einer anderen Firma oder sogar ein selbstgebautes Gerät verwenden.
Mit Hilfe eines 2-Photonen-Polymerisation-3D-Druckers können im Rahmen der vorliegenden Erfindung hohle Zylinder mit verschiedenen Höhen um die Elektrodenöffnungen einer harten, oder flexiblen, planaren 2D-Mikroelectroden- Array(MEA)-Probe gedruckt werden. Diese Zylinder sind gleichzeitig ein Template und eine Passivierung. Um die Haftung zwischen den gedruckten Zylindern und der Probe zu erhöhen, wird zusätzlich noch eine dünne (2 pm bis 3 pm) Platte als Basisstruktur mitgedruckt.
Ein elektrochemischer Abscheidungsprozess von leitfähigen Materialien (wie Gold, Platin, PEDOTT: PSS, IrOx) durch die hohlen Zylinder führt dann zu 3D-Elektroden mit verschiedenen Höhen, welche von den Höhen der Zylinder abhängen.
Daher kann, je nach Design und Position der Zylinder, welche sehr flexible anpassbar sind, ein Utah-Array ähnliches Design (Nanonadeln mit gleichen oder schräg abfallenden Höhen) oder ein 3D Michigan-Array-ähnliches Design erreicht werden.
1) Für das erste Design werden Zylinder mit beliebigen Höhen an verschiedenen, ausgewählten x-y-Orten auf die 2D-MEA-Probe gedruckt. Die dritte Dimension ist dann durch die Höhen der Zylinder definiert.
2) Im zweiten Design werden Gruppen aus drei oder vier Zylindern mit jeweils verschiedenen Höhen und beliebigen Abständen (wenige Mikrometer) zueinander zusammen gedruckt. So werden mehrere 3D Elektroden mit verschiedenen Höhen innerhalb einer kleinen Fläche, die nur von der Ausdehnung der Elektroden abhängt, erzeugt. (Zum Beispiel ergeben drei Zylinder mit jeweils 10 pm Durchmesser eine Gesamtfläche von 30 pm x 10 pm).
Darüber hinaus können für den ganzen Fabrikationsprozess, sowohl für das zweidimensionale, planare Mikro-Elektroden-Array als auch für die Zylinder, flexible Polymermaterialien selektiv ausgewählt werden.
Der Ansatz, die Zylinder als Templates für die Elektrodeposition zu benutzen hat den großen Vorteil, dass die Herstellung von 3D-Elektroden sehr einfach und schnell geht. Es sind keine zusätzlichen komplexen Mikrofabrikationsschritte nötig, weil die Zylinder auch gleichzeitig als Passivierung dienen. Darüber hinaus, erlaubt der 3D- Druckprozess beliebig verschiedene Geometrien und Abstände der 3D-Elektroden zu verwirklichen. Zylinder mit verschiedenen Formen, Durchmessern, Aspektverhältnissen und Höhen können ohne Probleme während eines Druckvorganges realisiert werden. Daher reduziert der erfindungsgemäße Ansatz die Komplexität der Fabrikation im Vergleich zu anderen 3D-Elektrodenansätzen. Trotzdem behält dieser Ansatz eine hohe Flexibilität, sodass er einfach an verschiedenste Anwendungen angepasst werden kann.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die Höhen und Durchmesser, die Abstände und die Formen der Zylinder, sowie die verwendeten Materialen für die Implantatherstellung und den elektrochemischen Abscheidungsprozess sehr flexibel an die Anwendung angepasst werden, ohne, dass die Fabrikation nennenswert komplizierter wird. Die Herstellung von 3D-Elektroden mit einem Aspektverhältnis von über 15 sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung ohne weiteres realisierbar.
Vorteilhafterweise ermöglicht die vorliegende Erfindung elektrische Stimulation und Ableitung von elektrophysiologischen Daten für verschiedene elektrogene Gewebe wie Gehirn, Retina, periphere Nerven, Herz etc. sowie Messung von Impedanzen in einem 3D-Raum.
Die 3D-Geräte und Designs welche mit der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können, können für jegliche Art von Biosensor/neuronalem Implantat verwendet werden, insbesondere dort, wo es wichtig ist elektrische Signale zu messen. Das Design (Dimensionen, Form, Anzahl etc.) der Zylinder kann ebenfalls an jedes Bedürfnis angepasst werden. Die einzelnen Teile der erfindungsgemäßen Produkte, insbesondere Implantate, stehen in fachüblicher und bekannter Art und Weise miteinander in Wirkverbindung.
In bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung beansprucht diese nicht die therapeutische Behandlung von Mensch oder Tier.
Die verschiedenen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, z.B. - aber nicht ausschließlich - diejenigen der verschiedenen abhängigen Ansprüche oder einzelner in den Figuren beschriebenen Ausgestaltungen, können in beliebiger Art und Weise miteinander kombiniert werden, sofern solche Kombinationen sich nicht widersprechen.
In den Beispielen dargelegte Verfahrensschritte sind als Varianten bevorzugter Ausgestaltungsformen der vorliegenden Erfindung auszulegen.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden, nicht-limitierenden Beispiele weiter erläutert.
Beispiel 1 :
Der erfindungsgemäße Ansatz zur Herstellung von 3D-Elektroden kann zum Beispiel dafür benutzt werden, ein flexibles 3D-Retina-Implantat herzustellen.
Entsprechend wurde dafür zuerst ein Standard 2D-Implantat hergestellt; mit Parylen- C (PaC) als Substratmaterial und für die Passivierung: Zunächst wurde eine 5 pm dicke PaC-Schicht auf einen Si-Wafer aufgebracht und mit einer Ti/Au-Schicht für Zuleitungen, Elektroden und Kontaktflächen strukturiert. Dann wurde eine zweite 5 pm dicke PaC-Schicht zur Einkapselung aufgebracht. Im nächsten Ätzschritt wurden die Elektroden und Kontaktflächen geöffnet. Dann wurden Zylinder mit verschiedenen Höhen und Formen auf das 2D-Implantat gedruckt, wobei die Zylinder an den Elektrodenöffnungen ausgerichtet wurden. Als gedrucktes Material wurde ein Fotolack verwendet, welcher mit dem 2-Photonen-Polymerizationsverfahren gedruckt werden konnte (IP-L 780).
Es wurden vier verschieden Designs hergestellt. Jedes Design beinhaltete 16 Elektroden mit Abständen von 16 pm bis 106 pm, die gedruckten Zylinder hatten dabei eine Höhe von 40 pm bis 80 pm, einen Öffnungsdurchmesser von 8 pm und einen Gesamtdurchmesser von 12 pm. Anschließend wurde die 2D-Probe vom Si-Substrat gelöst und per Wendemontage- Verfahren auf eine Leiterplatte fixiert und elektrisch verbunden.
Die 3D-Elektroden mit verschiedenen Höhen wurden dann durch einen elektrochemischen Abscheidungsprozess von Gold erhalten. Um die elektrischen Eigenschaften des Chips weiter zu verbessern, wurde eine zweite elektrochemische Abscheidung durchgeführt. Hierbei wurden die Goldelektroden mit PEDOT: PSS beschichtet. Das verringerte die Impedanz der Elektroden.
Dieses 3D-Implantat wurde dann dafür benutzt, um es ex-vivo in die Retina von Ratten zu implantieren. Mit diesem Ansatz war es möglich, intraretinale Aktivitäten in verschiedenen Tiefen zu messen.
Beispiel 2:
Die vorliegende Erfindung kann auch dafür benutzt werden um in-vitro neuronale Zellkulturen zu messen und zu analysieren.
Dafür wurden die Zylinder auf einen harten Silizium- oder Quarzbasierten 2D-MEA- Chip gedruckt. Zunächst wurde eine Ti/Au-Schicht für Zuleitungen, Elektroden und Kontaktflächen auf den Wafer aufgedampft und anschließend strukturiert. Dann wurde eine 2 pm bis 4 mm dicke Passivierung aus SU-8 oder PaC zur Einkapselung aufgebracht. Im nächsten Ätzschritt wurden die Elektroden und Kontaktflächen geöffnet. Die Zylinder wurden auch hier wieder an den Elektrodenöffnungen ausgerichtet und mit Hilfe eines elektrochemischen Abscheidungsprozesses von Gold und PEDOT:PSS gefüllt. Die Zylinder hatten dabei eine Höhe von 40 pm bis 150 pm, einen Öffnungsdurchmesser von 8 pm und einen Gesamtdurchmesser von 10 pm bis 12 pm. Auch hier wurde wieder das Material IP-L 780 verwendet.
Primäre kortikale Rattenneuronen wurden dann auf die 3D-Probe gegeben. Diese bildeten ein neuronales Netzwerk welches nach ungefähr 14 Tagen elektrisch aktiv wurde und spontane elektrische Aktivitäten zeigte. Mit Hilfe von elektrophysiologischen Messungen konnten so neuronale Signale im Millivoltbereich gemessen werden.
Die Beispiele 1 und 2 sind lediglich zwei Möglichkeiten, die zeigen wie die vorliegende Erfindung dafür benutzt werden kann, verschiedene 3D-Neuronenstrukturen zu vermessen. Entsprechend wurden Prototypen hergestellt und benutzt, um in-vitro Messungen von neuronalen Zellkulturen sowie ex-vivo Messungen von intraretinalen Aktivitäten durchzuführen.
Beispiel 3:
Es wurden zwei Arten von Mikroelektroden-Arrays (MEAs) hergestellt, eines für neuronale In iz/ o-Anwendungen und eines für neuronale in vivo- An wend ungen. Jedes erfindungsgemäße MEA besteht aus einem 2D-Teil, aus dem die Elektroden in die dritte Dimension „gewachsen" sind (siehe nachfolgend deren Herstellung).
Die 2D in vitro MEA waren 24 x 24 mm groß und enthielten insgesamt 64 Elektroden mit einem Abstand von 200 pm, die in einem 8x8-Gitter angeordnet waren, oder 32 Elektroden, die rautenförmig mit einem Elektrodenabstand von 30 pm angeordnet waren. Sie bestanden aus einem steifen Substrat auf Quarzbasis mit einer Dicke von 500 pm, einer dünnen Metallschicht aus Ti/Au/Ti mit einer Dicke von 10/100/10 nm und einer 2 pm dicken SU-8-Verkapselungsschicht.
Die 2D in vivo MEA enthielten 16 Elektroden mit vier verschiedenen Layouts, wobei der Abstand der Elektroden 104 pm, 54 pm, 15 pm und 10 pm betrug. Die Idee des Layouts mit einem Elektrodenabstand von 10 pm ist die Herstellung von sogenannten Multisite-Pfeilern, d. h. Elektroden, die in unterschiedlichen Höhen nahe beieinander liegen. In diesem Fall wurden fünf Sätze von 3 Elektroden entworfen, was die Herstellung von 3D-Multisite-Elektroden auf verschiedenen Höhen ermöglichte (siehe nachfolgendes Herstellungsverfahren). Die 2D in vivo MEA bestanden aus einer flexiblen Substratschicht auf der Grundlage einer 5 pm dicken Parylen-C-Schicht (PaC), einer dünnen Metallschicht aus Ti/Au/Ti mit einer Dicke von 20/100/10 nm und einer Verkapselungsschicht auf der Grundlage einer 5 pm dicken PaC-Schicht. Nach der Herstellung eines 2D-Mikroelektrodenarrays (2D-MEA-Chip) wurde jeweils die Schablone zur Erzeugung der 3D-Elektroden hergestellt, gefolgt von der galvanischen Abscheidung der Metallelektroden, um sie in der dritten Dimension wachsen zu lassen.
Die nachfolgend beschriebenen Herstellungsprozesse der MEA, außer der Deposition von PaC und die elektronische Abscheidung durch die Zylinder, fanden in der ISO- zertifizierten HNF-Reinraumanlage im Forschungszentrum Jülich statt und wurde wie folgt durchgeführt:
A) Herstellung 2D-MEA a. 2D in vitro MEA li) Bereitstellung eines steifen Substrats
Zunächst wurden die Quarzsubstrate mit Aceton und Isopropanol (IPA) gereinigt und dann bei 150°C für 5 Minuten auf einer Direktkontakt-Heizplatte erhitzt.
2i) Metallisierung
Um die Metallkontaktflächen, Zuleitungen (= Leiterbahnen) und Elektroden (bzw. Elektrodenflächen) zu definieren, wurde der Fotolack LOR 3B (Fotolack der Firma MicroChem Corp, USA, basierend auf Polydimethylglutarimid) auf das gereinigte Quarzsubstrat rotationsbeschichtet, und zwar mit 3000 U/min (Umdrehungen pro Minute) für 45 Sekunden mit einer Rampe von 500 U/min/s, gefolgt von Halten bei 150°C für 5 Minuten auf einer Direktkontakt-Heizplatte. Dieser erste Fotolack trägt zu einer sauberen Metallablösung bei. Danach wird ein zweiter Fotolack, nLOF 2020 (negativer Fotolack basierend auf PGMEA (l-Methoxy-2-propanolacetat der Firma (MicroChemicals GmbH, Deutschland), bei 3000 U/min für 45 Sekunden mit einer Rampe von 500 U/min/s rotationsbeschichtet und bei 110°C für 5 Minuten erhitzt. Dieser Fotolack wurde dann bei 20 mJ/cm2 mit Breitband-UV unter Verwendung eines Maskenbelichters belichtet, gefolgt von einem Nachbelichtungs-Backschritt bei 110°C für 1 Minute auf einer Direktkontakt-Heizplatte und einem Entwicklungsschritt in AZ 326 MIF (basierend auf Tetramethylammoniumhydroxid, MicroChemicals GmbH, Deutschland) für 40 Sekunden. Die Substrate wurden dann mit einem Metallstapel von 10 nm Titan, 100 nm Gold und 10 nm Titan (Stapel also 10/100/10-Ti/Au/Ti) in einer elektronenstrahlunterstützten Aufdampfanlage bedampft, gefolgt von einem Ablösungsprozess. Für nLOF 2020 wurde die Ablösung 3 Stunden lang in Aceton durchgeführt, gefolgt von einem Reinigungsschritt in Aceton, Isopropanol (IPA) und deionisiertem Wasser. Um die Rückstände des zweiten Fotolack LOR 3B zu entfernen, wurden die Substrate 5 Minuten lang in ein Bad aus AZ 326 MIF gelegt und anschließend in deionisiertem Wasser gereinigt.
3i) Abscheidung von Passivierungsschicht und Festlegung der Passivierungsöffnungen
Um die Haftung der Passivierung zu erhöhen, wurden die Substrate für 5 Minuten in eine Piranha-Lösung (H2O2/H2SO4 2: 1) gelegt. Um eine ordnungsgemäße Passivierung zwischen den einzelnen Zuleitungen zu gewährleisten, wurde SU-8 2002 (ein marktbekannter fotostrukturierbarer Lack auf Basis von Bisphenol-A Novolak gelöst in einem organischem Lösungsmittel und enthaltend bis zu 10 Gew.-% gemischtes Triarylsulfonium-/Hexafluoranimonat-Salz) anschließend bei 3000 U/min für 45 Sekunden mit einer Rampe von 500 U/min/s rotationsbeschichtet und bei 90°C für
1 Minute erhitzt. Um die Elektrodenöffnungen sowie die Kontakt-Öffnungen in der Passivierung zu definieren, wurde SU-8 27 Sekunden lang mit UV-Licht einer Wellenlänge von 365 nm unter Verwendung eines Maskenbelichters belichtet, gefolgt von einem Nachbelichtungs-Backschritt bei 90°C für 1 Minute und einem Entwicklungsschritt in MR Dev 600 (Lösungsmittel-basierter Entwickler für epoxidbasierte Fotolacke) für 100 Sekunden und IPA für 20 Sekunden.
Zur Fertigstellung der 2D-MEA-Herstellung wurde die Ti-Schicht auf der Au-Schicht an den Elektrodenöffnungen sowie den Bondpads durch reaktives lonenätzen (RIE) mit einem Gasgemisch aus Ar/Ch (30/2 sccm (sccm = Standardkubikzentimeter pro Minute)), RF/ICP-Leistungen (induktiv gekoppeltes Plasma/kapazitiv gekoppelte Radiofrequenz) von 50/500 W bei 10°C für 15 Sekunden entfernt. b. 2D in vivo MEA
Die Herstellung umfasste jeweils die verschachtelte Abscheidung von zwei flexiblen Dünnfilmschichten, einer Metallschicht und einer Elektrodenbeschichtung. Je nach Elektrodenbeschichtung wurden sieben bis acht Schritte wie folgt durchgeführt. lii) Bereitstellung einer flexiblen Substratschicht
Eine erste 5 pm dicke PaC-Schicht wurde durch chemische Gasphasenabscheidung mit einem PDS 2010 Labcoater 2 (Specialty Coating Systems Inc., USA), 10 g PaC-Dimer und einem Prozessvakuumdruck von 3,33 Pa (etwa 25 mTorr) auf einem Silizium- Wafer abgeschieden.
2ii) Metallisierung
In einem zweiten Schritt wurde eine Metallisierung im Ablösungs-Verfahren durchgeführt. Dabei wurde die Metallschicht für Kontaktflächen, Zuleitungen und Elektroden strukturiert, nachdem der negative Fotolack AZ LNR-003 (enthaltend unter anderem Hexakis(methoxymethyl)melamin und l-Methoxy-2-propanolacetat; MicroChemicals GmbH, Deutschland) bei 4000 U/min für 45 Sekunden mit einer Rampe von 500 U/min/s rotationsbeschichtet wurde, gefolgt von Halten bei 120°C für
2 Minuten auf einer Direktkontakt-Heizplatte. Der Fotolack wurde dann bei 320 mJ/cm2 mit eine Defoc-Einstellung von 2 und einem CDB (critical dimension bias) von 800 mit UV-Licht einer Wellenlänge von 375 nm unter Verwendung eines maskenlosen Belichtungsanlage (MLA 150, Heidelberg Instruments, Deutschland) belichtet, gefolgt von einem Nachbelichtungs-Backschritt bei 100°C für 1,5 Minuten auf einer Direktkontakt-Heizplatte, einem Entwicklungsschritt in AZ 326 MIF (MicroChemicals GmbH, Deutschland) für 1,5 Minuten und einem Reinigungsschritt in deionisiertem Wasser. Anschließend wird der Wafer mit 20 nm Titan, 100 nm Gold und 10 nm Titan (entspricht einem Metallstapel von 20/100/10 nm Ti/Au/Ti) unter Verwendung einer elektronenstrahlunterstützten Verdampfungsanlage (Balzer PLS 570, Pfeiffer, Deutschland) bedampft. Dabei wurden ein Wolfram-Tiegel und Abscheideraten von 0,1 nm/s für Titan beziehungsweise 0,5 nm/s für Gold verwendet. Anschließend wurde ein Ablösungs-Prozess in einem Acetonbad für 2,5 Stunden durchgeführt, um das Opfermaterial und den Fotolack abzuwaschen. Nach der Ablösung wird der Wafer 2 Minuten lang in Isopropanol gespült und mit einer Stickstoffpistole getrocknet. Der UV-Belichtungsschritt wurde in manchen Fällen auch mit Standard-UV-Fotolithographie unter Verwendung eines Breitband- Maskenbelichtungsanlage (Süss MA8/BA8, Deutschland) mit einer Dosis von 100 mJ/cm2 durchgeführt.
3ii) optional Abscheidung einer Passivierungsschicht und Freilegen der Elektrodenflächen
Eine flexible PaC-Passivierungsschicht mit einer Dicke von 5 pm wurde wie in Schritt 1 beschrieben abgeschieden.
Dann wurde das flexible Polymer von den Umrissen der Form des Trägersubstrats, den Kontaktflächen und den Elektrodenöffnungen entfernt. Zunächst wurde eine Ätzmaske unter Verwendung eines dicken Positiv-Fotolacks von mindestens der 1,5- fachen Dicke des zu ätzenden Polymers strukturiert. Dabei wurde eine Ätzmaske oben auf der letzten PaC-Schicht strukturiert, indem der Fotolack AZ 12XT (Fotolack auf Basis von l-Methoxy-2-propanolacetat) (MicroChemicals GmbH, Deutschland) bei 1000 U/min für 180 Sekunden mit einer Rampe von 200 U/min/s rotationsbeschichtet wurde, ein Halten bei 110°C für 4 Minuten unter Verwendung einer Heizplatte durchgeführt wurde und einer Dosis von 350 mJ/cm2 mit UV-Licht einer Wellenlänge von 375 nm, einer Defoc-Einstellung von 2 und einem CDB von -800 mit einem maskenlosen Belichter ausgesetzt wurde. Anschließend wurde der Wafer unter Verwendung einer Heizplatte bei 90°C 1 Minute lang erhitzt, gefolgt von einem Entwicklungsschritt von 2 Minuten unter Verwendung von AZ 326 MIF. Nach der Strukturierung der Ätzmaske wurde ein RIE-Schritt mit einem Ch/CF^Gasgemisch (36/4 sccm) mit RF/ICP-Leistungen von 50/500 W durchgeführt, um PaC zu ätzen. 4ii) alternativ zu Schritt 3ii) optional Aufarbeitung der in 2ii) aufgebrachten Metallschicht
In manchen Fällen wurden die Schritte 3. und 4. nicht durchgeführt, und stattdessen wurde ein zweiter RIE-Schritt zum Ätzen der obersten 10 nm dicken Ti-Schicht mit einem C /Ar-Gasgemisch (20/20 sccm) und einer HF-Leistung von 150 W durchgeführt.
Nach dem RIE wurde die Ätzmaske mit AZ 100 Entferner (Ethanolamin enthaltendes Lösungsmittel) (MicroChemicals GmbH, Deutschland) in einem Zweibadsystem abgelöst. Im ersten Bad wurde ein Ultraschallbad mit niedriger Leistung für 5 Minuten verwendet, gefolgt von einem zweiten Bad mit frischem AZ 100 Entferner ohne Ultraschall. Anschließend wurde der Wafer in drei Bädern mit Isopropanol gespült.
B) 3D-Drucken von oben offenen Hohlzylindern orthogonal auf der Oberfläche des 2D-Mikroelektrodenarrays (Schablone für galvanische Abscheidung für 3D-Elektroden) Die Schablonen für die galvanische Abscheidung basierten auf Strukturen, die mittels Zwei-Photonen-Polymerisation 3D-gedruckt wurden. Die 3D-Strukturen wurden mit einer CAD-Software entworfen, als STL-Dateien exportiert und mit Describe (Software der NanoScribe GmbH) in Druckanweisungen umgewandelt. Die 3D-Strukturen für die Schablonen wurden dann gedruckt (Photonic Professional GT2 von NanoScribe GmbH, Deutschland). Um die 3D-Elektroden zu erstellen, wurden zunächst Hohlzylinder oben auf einen 2D-MEA-Chip gedruckt, der wie zuvor beschrieben hergestellt wurde. Die Hohlzylinder wurden auf das MEA-Layout ausgerichtet und um die Elektrodenöffnungen herum gedruckt. Zwei Objektive, ein Zeiss 25XNA0.8 und ein Zeiss 63XNA1.4, wurden zum Drucken der Zylinder verwendet, je nach Elektrodenlayout. Bei Verwendung des 25X-Objektivs führten eine Scangeschwindigkeit von 50000 pm/s, eine Laserleistung von 100% und eine Leistungsskalierung (Power Scaling) von 1,2 zum besten Druckergebnis mit ausreichender Auflösung und Stabilität. Der Lagenabstand wurde auf 700 nm und der Voxelabstand auf 400 nm eingestellt. Für das 63X-Objektiv wurde eine Scangeschwindigkeit von 8000 pm/s, eine Laserleistung von 100% und eine Leistungsskalierung (Power Scaling) von 1,0 verwendet. Der Lagenabstand betrug 300 nm und der Voxelabstand 200 nm.
Im Prinzip waren (und sind) die Höhen und Durchmesser der Zylinder nur durch die niedrigste Auflösung des 3D-Herstellungsverfahrens begrenzt. Dennoch waren (und sind) das Aspektverhältnis (Höhe geteilt durch den äußeren Durchmesser) sowie die Wandstärke der Zylinder die wichtigsten Parameter, die die Stabilität der gedruckten Zylinder begrenzen.
Daher wurden verschiedene Zylinderabmessungen getestet, um stabile Zylinder mit hohen Aspektverhältnissen zu erhalten. Das höchste Seitenverhältnis, das unter den vorgegebenen Bedingungen (Drucker, Fotoharz etc.) noch zu einem stabilen Druckergebnis führte, wurde beim Drucken von Zylindern mit einer Höhe von 500 pm, einem äußeren Durchmesser von 12 pm und einer Wandstärke von 2 pm erreicht, was zu einem Aspektverhältnis von knapp 42 führte.
Der 3D-Druckansatz, bei dem Zylinder um die Elektroden eines 2D-Bauteils herum gedruckt werden, um 3D-Elektroden zu erzeugen, war (und ist) nicht auf ein bestimmtes 2D-Bauteil oder Layoutdesign beschränkt. Das Design und alle Strukturabmessungen in den x-, y- und z-Achsen konnten (und können) an das 2D- Bauteil und seine spezifische Anwendung angepasst werden. Zylinder mit unterschiedlichen und zufällig verteilten Höhen konnten (und können) problemlos in nur einem Druckschrift gedruckt werden. Der begrenzende Faktor war (und ist) dabei die mit zunehmendem Aspektverhältnis abnehmende Stabilität der Zylinder.
Nach dem Druckvorgang wurde ein Entwicklungsschritt durchgeführt, um nicht polymerisierte Reste des Fotopolymers abzuwaschen. Die Proben wurden für 10 Minuten in ein Bad mit Mr-Dev 600 Entwickler (Lösungsmittel-basierter Entwickler für epoxidharzbasierte Fotolacke) gelegt, gefolgt von einem weiteren 10-minütigen Bad mit frischem Mr-Dev 600, um die vollständige Entwicklung der Zylinder mit hohem Aspektverhältnis zu gewährleisten. Abschließend wurde die Probe weitere 5 Minuten in frischem IPA gespült und dann an der Luft getrocknet.
B-a). Montage (nur für in vivo MEA)
Nachdem die 3D-Vorlagen auf das flexible 2D-Bauteil gedruckt wurden, wurde das Bauteil mit Hilfe von Wassertropfen und einer Pinzette vom Silizium -Wafer gelöst. Das Bauteil wurde dann auf eine Leiterplatte (PCB) montiert. Zunächst wurde die Leiterplatte auf einer Direktkontakt-Heizplatte auf 180°C vorgeheizt und die Niedertemperatur-Lötlegierung Sn42/Bi58 (AMTECH, USA) auf die Kontaktflächen der Leiterplatte aufgetragen, was die Bildung von flüssigen Buckeln auf jeder Kontaktfläche ermöglichte. Unter Absenken der Temperatur auf 160°C wurden die flexiblen MEA ausgerichtet und auf die flüssigen Lötpastenbuckel gesetzt, die sich verfestigten, nachdem der neue Chip schnell von der Heizplatte genommen und auf Raumtemperatur abgekühlt wurde. Der frisch gelötete Bereich wird zum Beispiel mit einer Polydimethylsiloxan (PDMS)-Beschichtung im Mischungsverhältnis 1: 10 (zum Beispiel Sylgard 184, Dow Corning, USA) versiegelt und bei 120°C für 30 Minuten in einem Ofen ausgehärtet. Als Versiegelungsbeschichtung konnten (und können) auch andere Polymere auf Epoxidbasis verwendet werden.
C) Abscheiden von elektrisch leitfähigem Material in die Hohlzylinder auf die Elektrodenoberflächen
Um Elektroden mit unterschiedlichen Höhen zu erhalten, wurde ein schablonengestützter Schritt der galvanischen Abscheidung von Gold (Au) verwendet. Au wurde galvanisch durch die gedruckten Hohlzylinder abgeschieden. Die Zylinder dienten sowohl als Schablone, um die galvanische Abscheidung (Wachstum von Au) zu steuern, als auch zur Passivierung der 3D-Elektroden entlang der dritten Dimension, was diese Methode zu einer sehr einfachen, flexiblen und schnellen 3D- MEA-Fertigung macht.
Für die galvanische Abscheidung wurde ein flüssiges Goldbad mit einer wässrigen Lösung von 50 mM AuCU verwendet. Die galvanische Goldabscheidung erfolgte in zwei Schritten. Im ersten Schritt wurde ein konstantes Potential (Chronoamperometrie) von -1,3 V angelegt, bis der Strom einen Wert von -100 nA erreichte. In einem zweiten Schritt wurde dann eine homogene Kappe auf der Oberseite des Zylinders durch ein leichtes und kontrolliertes Überwachsen des Goldes erzeugt. Dazu wurde 20 Sekunden lang ein konstanter Strom von -100 nA angelegt. Der Abscheidungsprozess wurde unter Verwendung eines Mehrkanalpotentiostaten von CH Instruments und eines 3- Elektrodenzellen-Setups mit einer Ag/AgCI -Referenzelektrode und einer Pt- Gegenelektrode durchgeführt.
D) (optional) Beschichtung der Oberseiten der in den Hohlzylindern abgeschiedenen elektrischen Materialien mit weiterem elektrisch leitfähigem Material) Um die elektrochemischen Eigenschaften der Au-basierten Elektroden zu verbessern, wurde in manchen Fällen eine optionale PEDOT:PSS-Beschichtung galvanisch abgeschieden. Die galvanische Abscheidung von PEDOT:PSS wurde mittels zyklischer Voltammetrie (CV) durchgeführt, die zur Elektropolymerisation von PEDOT:PSS aus einer EDOT:PSS-Lösung führte. Dabei wurde der Mehrkanalpotentiostat von CH Instruments mit einem 3-Elektrodenzellen-Setup verwendet. Dabei wurden 5 bis 15 CV-Zyklen durchgeführt, die entlang der Potentialgrenzen von 0 V und 1 V mit einer Abtastrate von 0,1 V/s abliefen. Anstelle des hier im Beispiel explizit genannten Golds kann, wie bereits erwähnt, zur Herstellung der 3D-Elektrode jedes leitfähige Material verwendet werden, das galvanisch abgeschieden werden kann. Erfindungsgemäß andere bevorzugte Materialien sind Platin, PEDOT:PSS, Iridiumoxid (IrOx) oder Chrom für Anwendungen, bei denen die Biokompatibilität keine Rolle spielt.
Figuren:
Die im Folgenden mit Bezugnahme auf die Figuren näher erläuterten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen verschiedene bevorzugte Ausführungsformen dar, viele der im Folgenden in einzelnen Figuren dargestellten Merkmale bzw. Ausführungsformen sind mit in anderen Figuren oder der übrigen Beschreibung dargestellten Merkmalen und Ausführungsformen kombinierbar, insbesondere wo die Merkmale entsprechend beschrieben sind. Die Figuren sind überdies nicht limitierend auszulegen und nicht maßstabsgetreu. Weiterhin enthalten die Figuren nicht alle Merkmale, die übliche Vorrichtungen/Anlagen aufweisen, sondern sind auf die für die vorliegende Erfindung und ihr Verständnis wesentlichen Merkmale reduziert, beispielsweise sind Schrauben, Schläuche, Halterungen etc. nicht oder nicht im Detail dargestellt.
Gleiche Bezugszeichen/-ziffern bedeuten dabei gleiche oder gleichwirkende Vorrichtungsteile.
Figur 1 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren mit seinen drei wesentlichen Verfahrensschritten. Leiterbahnen und Kontaktflächen sind der Übersichtlichkeit halber in Fig. 1 nicht dargestellt. Die oberste Reihe gibt dabei einen schematischen Blick von rechts oben auf einen Ausschnitt eines 2D- Mikroelektrodenarrays 2DE wieder.
Im ersten der drei Bilder der obersten Reihe sind zwei Elektrodenflächen EF auf dem Substrat S gezeigt; insofern zeigt das Bild also Schritt A), die Bereitstellung eines 2D- Mikroelektrodenarrays 2DE. Wie gesagt, ist dies lediglich ein schematischer, vereinfachter Ausschnitt und ein „echtes" 2D-Mikroelektrodenarrays 2DE würde normalerweise mehr Elektroden(-flächen) EF umfassen. Darunter findet sich der gleiche Schritt A) in einer Seitenansicht. Aufgrund der Darstellung kann man hier erkennen, dass auf dem Substrat S eine Passivierungsschicht P angeordnet ist, die an den Stellen, an denen sich Elektrodenflächen EF befinden unterbrochen ist, damit diese dann im nächsten Schritt zugänglich sind. Es ist hier zwar nicht zu erkennen, aber zwischen dem Rand der Elektrodenflächen EF und den Rändern der Passivierungsschicht P kann eine freie Fläche sein (also „offene" Substratoberfläche), zum Beispiel ringförmig um eine kreisrunde Elektrodenfläche EF, die dann im nächsten Schritte als Zielfläche für den 3D-Druck dienen kann; gleichwohl kann auch direkt auf die Elektrodenfläche EF gedruckt werden, falls gewünscht (oder sogar auf die Passivierungsschicht P). In der untersten Reihe, links ist der gleiche Schritt A) in einer Ansicht von oben auf den Ausschnitt des 2D-Mikroelektrodenarrays 2DE gezeigt. Man erkennt hier zwei Elektrodenflächen EF und das Substrat S/bzw. die Passivierungsschicht P.
Im zweiten der drei Bilder der oberen Reihe ist Schritt B) gezeigt, also der 3D-Druck. Man sieht hier, dass zwei Hohlzylinder HZ unterschiedlicher Höhe gedruckt sind, in diesem Fall ist der Druck so ausgeführt worden, dass die Hohlzylinder HZ um die Elektrodenflächen EF herum angeordnet sind und nicht auf (ihnen). Im Bild darunter ist für diesen Schritt B) gezeigt, dass die Hohlzylinder HZ mit ihren äußeren Rändern an die inneren Ränder der Aussparungen der Passivierungsschicht P anstoßen. In der unteren Ansicht ist dann zu erkennen, dass die 3D-gedruckten Hohlzylinder HZ in diesem Beispiel konzentrisch um die Elektrodenflächen EF herum angeordnet sind; dies ist aber kein Erfordernis und es sind andere Anordnungen (Mehreck und Kreisfläche oder Kreis um Mehreckfläche etc.,) denkbar und im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich.
Im rechten Bild der oberen Reihe ist dann für Schritt C) illustriert, wie die Hohlzylinder HZ mit elektrisch leitfähigem Material eM bis zum oberen Rand der Hohlzylinder HZ gefüllt sind. Die darunter befindlichen Bilder zeigen dies aus den beiden anderen Perspektiven.
Figur 2 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren der Herstellung eines dreidimensionalen MEA ausgehend von einem 2D-MEA mit den drei wesentlichen Schritten, die schon in Fig. 1 wiedergegeben wurden und einem zusätzlichen Schritt D). Zudem gibt Fig. 2 das Verfahren in einer etwas anderen Darstellungsweise wieder. Grundsätzlich zeigt Figur 2 einen seitlichen Schnitt durch einen Ausschnitt eines Mikroelektrodenarrays, wobei im Unterschied zu Fig. 1 diesmal vier Elektrodenflächen EF dargestellt sind, ganz links in Fig. 2 ist Schritt A) dargestellt, also die Bereitstellung des 2D-Mikroelektrodenarrays 2DE. Dabei sind hier das Substrat S und darauf die Passivierungsschicht P zu erkennen. Die Passivierungsschicht P hat hier vier Aussparungen für die Elektrodenflächen EF.
Im zweiten Bild der Fig. 2 ist dann Schritt B) gezeigt, d.h. der 3D-Druck der Hohlzylinder HZ, die in dieser Schnittansicht nur die rechten und linken äußeren Ränder erkennen lassen. Man sieht her, wie auch schon in Fig. 1, dass die Hohlzylinder HZ unterschiedlich hoch und breit ausgeführt werden können - je nach den gewünschten Spezifikationen. Genausogut können aber im Rahmen der vorliegenden Erfindung alle Hohlzylinder HZ auch gleich hoch sein, oder alle unterschiedlich hoch, sowie einige gleich und der Rest unterschiedlich hoch. Auch die jeweiligen Durchmesser der Hohlzylinder HZ können im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeweils unabhängig von den anderen festgelegt werden, so dass alle den gleichen Durchmesser haben können, alle unterschiedliche oder einige gleiche und andere unterschiedliche Durchmesser (also unterschiedlichen Breiten haben), gezeigt sind hier unterschiedliche breiten, oft ist es aber bevorzugt gleiche Breiten, also Durchmesser, zu haben. Hier, wie auch schon in Fig. 1 ist zu sehen, dass die Hohlzylinder HZ bündig mit der Passivierungsschicht P sind; dies ist in einigen erfindungsgemäßen Varianten bevorzugt.
Im dritten Bild von Fig. 2 ist dann gezeigt, wie die Hohlzylinder HZ mit elektrisch leitfähigen Material eM, insbesondere Gold, gefüllt sind und zwar etwas über die Oberkante der Hohlzylinder HZ hinaus. In dieser Darstellung ist zudem gezeigt und gut erkennbar, wie das in den Hohlzylindern HZ befindliche leitfähige Material eM direkt in das zuvor auf dem Substrat aufgebrachte leitfähige Material der Elektrodenflächen EF übergeht.
Im letzten Bild von Fig. 2 schließlich wird nochmals illustriert, wie die freiliegenden Flächen des in die Hohlzylinder HZ abgeschiedenen leitfähigen Materials eM (also im Wesentlichen deren Oberflächen) mit einem weiteren, hier anderen, leitfähigen Material, insbesondere PEDOT: PSS beschichtet werden, woraus dann die optionale (aber in der Regel bevorzugte) elektrisch leitfähige Beschichtung eB resultiert, welche die elektrochemischen Eigenschaften der Elektroden noch weiter verbessern kann; insbesondere ist in einigen Varianten der vorliegenden Erfindung eine Kombination aus Gold-Elektrode (also Gold als elektrisch leitfähigem Material eM) und PEDOT: PSS (als elektrisch leitfähige Beschichtung eB, d.h. EDOT: PSS wird zu PEDOT: PSS polymerisiert und als weiteres elektrisch leitfähiges Material verwendet) bevorzugt. Figur 3 zeigt in seinem Bildern a) bis e) stark schematisch eine mögliche Herstellungssequenz für ein in vitro 2D-MEA in einer Querschnittsansicht für einen Ausschnitt eines 2DE. In Bild a) ist illustriert, wie ein mit einem Fotolack PR/PRe beschichtetes Substrat S gezeigt. Durch die Anordnung einer Belichtungsmaske Ma über einem Teil des Fotolacks (entweder direkt aufliegend oder zwischen Fotolack und Belichtungsquelle) wird bewirkt, dass dieser bei folgender Belichtung (angedeutet durch die gewellten Pfeile) nur zum Teil zugänglich ist, nämlich der nicht durch die Maske Ma bedeckte Teil PRe, welcher der Strahlung exponiert ist. Der durch die Maske Ma verdeckte Teil ist nicht gegenüber der Strahlung exponiert. Wird insofern ein Fotolack verwendet, der durch die Strahlung so verwendet wird, dass er anschließend abgewaschen werden kann, ist es möglich nach der Bestrahlung die Maske Ma zu entfernen und dann den exponierten Teil des Fotolacks PRe abzuwaschen. Der nicht belichtete Teil würde dann stehen bleiben, was im nächsten Schritt ausgenutzt werden kann. In dem nächsten Schritt b) der Fig. 3 ist gezeigt, dass der exponierte Teil des Fotolacsk PRe entfernt wurde, der nicht belichtete Teil des Fotolacks PR aber noch verblieben ist. Auf Substrat S und verbliebenen Fotolack PR wird Metall abgeschieden, in diesem illustrierten Beispiel in zwei Schichten, zum Beispiel, was auch in manchen Varianten der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist, eine Schicht aus Gold und/oder Platin und darauf eine Schicht Titan. Wie man sieht kommt die Metallbeschichtung im rechten Teil dieses Bilds nicht mit dem Substrat S in Kontakt, sondern nur mit der Schicht Fotolack PR. Diese wird dann, wie mit dem Pfeil illustriert ist, entfernt (abgehoben/ Lift-Off-Prozess), wodurch ein Teil des Substrats S freigelegt wird, auf dem dann weder Metall- noch Fotolackschicht liegt. In Bild c) von Fig. 3 ist dann illustriert, wie eine Passivierungsschicht P aufgeschichtet wird (hier gezeigt bestehend aus Fotolack, zum Beispiel aufgebracht mittels Rotationsbeschichtung), sowohl auf den mit Metall beschichteten Bereich, als auch den freiliegenden. Anschließend wird eine Belichtungsmaske Ma angeordnet (entweder direkt aufliegend oder zwischen Fotolack und Belichtungsquelle), wodurch wieder ein Teil PRe des Fotolacks exponiert bleibt. Eine anschließende Belichtung (angedeutet durch die gewellten Pfeile) bewirkt dann wieder, dass der exponierte Teil anschließend ausgewaschen werden kann. In Bild d) von Fig. 3 ist dann ein Ausschnitt des resultierenden MEA gezeigt, bei dem der exponierte Fotolack PRe ausgewaschen und die Maske Ma entfernt wurde. In Bild e) von Fig. 3 schließlich ist durch die Sternformen Ä angedeutet, dass ein Teil der Metallschicht - im beschriebenen/illustrierten Fall die Titanschicht - entfernt wird, zum Beispiele durch Ätzen, insbesondere reaktives lonenätzen (RIE). Im Ergebnis erhält man zum Beispiele so ein 2D-Mikroelektrodenarray 2DE.
Es ist jedoch wichtig, festzuhalten, dass Fig. 3 nur einen möglichen Herstellungsweg für ein in vitro 2D-MEA beschreibt, jedoch nicht den einzigen. Es können auch andere Fotolacke eingesetzt werden, also zum Beispiel solche, die durch Bestrahlung polymerisieren und anschließend der nicht belichtete teil abgewaschen werden kann. Diese Variationen sind dem Fachmann gut bekannt. Insbesondere ist es aber auch möglich, statt der hier beschriebenen Belichtung und entsprechend Belichtungsmasken und Fotolack, Ätzverfahren, zum Beispiel über reaktive Gase, einzusetzen und dann entsprechend Ätzmasken und Ätzresists.
Figur 4 zeigt in seinen Bildern stark schematisch eine mögliche Herstellungssequenz für ein in vivo 2D-MEA in einer Querschnittsansicht für einen Ausschnitt eines 2DE.
In dem ersten Bild (passend zu Schritt lii)) ist dargestellt, wie eine Substratschicht S, zum Beispiel basierend auf Parylen-C oder Polyimid, insbesondere Parylen-C, über einer Trägerschicht T angeordnet ist (zum Beispiel aufgetragen via chemische Dampfphasenabscheidung); in manchen Varianten kann zwischen diesen beiden Schichten eine Metallschicht als Opferschicht O, die hier angedeutet ist, angeordnet sein, zum Beispiel basierend auf drei Metalllagen aus Chrom/Gold/Chrom.
Im zweiten Bild der Fig. 4 (passend zu Schritt 2ii)) ist dargestellt, wie eine strukturierte Metallschicht M (in diesem Schnitt dreiteilig zu sehen, links und rechts dienen später als Leiterbahn und die Mitte als Elektrodenfläche) aufgebracht wird (zum Beispiel aus Titan und/oder Gold, insbesondere Titan/Gold, mittels Aufdampfen oder ähnlicher Verfahren), die Leiterbahnen, Elektrodenflächen und Kontaktflächen bildet.
Im dritten und vierten Bild der Fig. 4 (passend zu dem optionalen Schritt 3ii)) ist zunächst dargestellt, wie eine Passivierungsschicht P, zum Beispiel über chemische Dampfphasenabscheidung, aufgetragen wird. Im zweiten Teil ist dann dargestellt, wie die Passivierungsschicht teilweise geöffnet wird, zum Beispiel über maskieren und ätzen, zum Beispiel über reaktives lonenätzen (falls die Passivierungsschicht auf Parylen-C und/oder Polyimid besteht beispielsweise per O2/CF4), wodurch die strukturierte Metallschicht teilweise wieder zugänglich wird (also insbesondere an/über den Elektrodenflächen EF (in diesem Schnitt nur eine in der Mitte zu sehen), die Leiterbahnen L (in diesem Schnitt je eine links und rechts zu sehen) bleiben von der Passivierungsschicht P bedeckt.). Figur 5 zeigt zwei abstrahierte Fotografien von in vitro 2D-Mikroelektrodenarrays, hergestellt, wie in Beispiel 3A)b. beschrieben.
Figur 5A) zeigt ein 2D-Mikroelektrodenarray 2DE in einem Layout mit 64 Elektroden mit einem Abstand von 200 pm, die in einer 8 x 8 quadratischen Matrix angeordnet sind. Man kann deutlich die jeweiligen Leiterbahnen L (Zuleitungen zu den Elektroden) und die Elektrodenflächen EF, die an den Enden der jeweiligen Leiterbahnen angeordnet sind, erkennen. Erkennbar sind hier weiterhin zwei vergrößerte Elektroden, die als Referenzelektroden R dienen, insbesondere als interne Referenzelektroden für elektrische Messungen (diese haben hier einen Durchmesser von etwa 150 pm, in anderen Ausführungsformen kann dieser Durchmesser aber auch variieren).
Figur 5B) zeigt ein 2D-Mikroelektrodenarray 2DE in einem Layout mit 32 Elektroden mit einem geringsten Elektrodenabstand von etwa 30 pm (gemessen von Elektrodenmitte zu Elektrodenmitte, angegeben ist jeweils der geringste Abstand, da die Abstände layoutbedingt immer etwas variieren), die in einer diamant-förmigen Matrix angeordnet sind. Auch hier sind die jeweiligen Leiterbahnen L (Zuleitungen zu den Elektroden) und die Elektrodenflächen EF, die an den Enden der jeweiligen Leiterbahnen angeordnet sind, erkennen.
Figur 6 zeigt vier abstrahierte Fotografien von in vivo 2D-Mikroelektrodenarray, hergestellt, wie in Beispiel 3A)b. beschrieben. Auch in dieser Figur sind die jeweiligen Leiterbahnen L (Zuleitungen zu den Elektroden) und die Elektrodenflächen EF, die an den Enden der jeweiligen Leiterbahnen angeordnet sind, deutlich zu erkennen . Erkennbar ist hier weiterhin eine vergrößerte Elektrode, die als Referenzelektroden R dient, insbesondere als interne Referenzelektrode für elektrische Messungen. Die vier Einzelbilder der Fig. 6 zeigen unterschiedliche 2D-Mikroelektrodenarray-Layouts: Bild A zeigt ein Layout mit etwa 16 pm Elektrodenabstand, Bild B mit etwa 112 pm Elektrodenabstand, Bild C mit etwa 62 pm Elektrodenabstand und Bild D mit etwa 21 pm Elektrodenabstand (jeweils gemessen von Elektrodenmitte zu Elektrodenmitte, angegeben ist jeweils der geringste Abstand, da die Abstände layoutbedingt immer etwas variieren).
Es sei explizit darauf hingewiesen, dass die obigen Figurenbeschreibungen besonders bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung darstellen und insbesondere auch ohne die Figuren als Beschreibung solcher anzusehen sind, insbesondere gilt die für die Fotographien 5A, %b und 6.
Bezuqszeichenliste:
2DE 2D-Mikroelektrodenarray
3DE dreidimensional strukturiertes Mikroelektrodenarray
T Trägersubstrat
S Substratschicht
M strukturierte Basismetallschicht (Leiterbahnen und Elektrodenflächen und
Kontaktflächen)
O Opferschicht
P Passivierungsschicht
R Referenzelektrode eM elektrisch leitfähiges Material (der Hohlzylinderfüllung) eB elektrisch leitfähige Beschichtung (weiteres elektrisch leitfähiges Material)
EF Elektrodenfläche
L Leiterbahn
HZ Hohlzylinder
Ma (Ätz- oder Belichtungs-)Maske
Ä Ätzlösung
PR Fotolack
PRe Fotolack exponiert

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung dreidimensional strukturierter Mikroelektrodenarrays das die folgenden Verfahrensschritte umfasst oder daraus besteht:
A) Bereitstellen eines 2D-Mikroelektrodenarrays umfassend eine Vielzahl von Leiterbahnen und eine Vielzahl von Elektrodenflächen;
B) 3D-Drucken von oben offenen Hohlzylindern orthogonal auf der Oberfläche des 2D-Mikroelektrodenarrays, wobei die Zylinderbasen außen um die Elektrodenflächen herum gedruckt werden;
Ba) optional Ablösen von eventuell vorhandenem Trägersubstrat;
C) Abscheiden von elektrisch leitfähigem Material in die Hohlzylinder auf die Elektrodenoberflächen;
D) optional Beschichtung der zugänglichen Flächen des in den Hohlzylindern abgeschiedenen elektrisch leitfähigen Materials mit weiterem elektrisch leitfähigem Material.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des 2D-Mikroelektrodenarrays die folgenden Verfahrensschritte umfasst oder aus diesen besteht: li) Bereitstellung eines Substrates;
2i) Aufbringen einer Vielzahl von Leiterbahnen und einer Vielzahl von Elektrodenflächen und optional einer Vielzahl von Kontaktflächen;
3i) Abscheidung einer Passivierungsschicht und dann Freilegen der Elektrodenflächen und optional einer Vielzahl von Kontaktflächen; oder lii) Bereitstellung eines Substrates auf einem Trägersubstrat,
2ii) Aufbringen einer Vielzahl von Leiterbahnen und einer Vielzahl von Elektrodenflächen und optional einer Vielzahl von Kontaktflächen;
3ii) optional Abscheidung einer Passivierungsschicht und dann Freilegen der Elektrodenflächen und optional einer Vielzahl von Kontaktflächen;
4ii) alternativ zu Schritt 3ii) optional Aufarbeitung der in 2ii) aufgebrachten Metallschicht.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem 3D-Drucken der eigentlichen Hohlzylinderstruktur auf die Oberfläche des 2D-Mikroelektrodenarrays eine plattenartige Struktur als Basisstruktur gedruckt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das für den 3D-Druck verwendete Material elektrisch nicht leitfähig ist und bevorzugt ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Polymeren, Keramiken, Glas und Mischungen davon.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Hohlzylinder abgeschiedene elektrisch leitfähige Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Gold, Platin, PEDOT:PSS, Iridiumoxid, Chrom und Mischungen oder Legierungen davon, bevorzugt Gold, Platin, PEDOT: PSS, Iridiumoxid, Chrom und Mischungen oder Legierungen davon, besonders bevorzugt Gold.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das für die Beschichtung der Oberseiten der in den Hohlzylindern abgeschiedenen elektrisch leitfähigen Materialien verwendete weitere, gleiche oder andere, elektrisch leitfähige Material ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Gold, Platin, PEDOT: PSS, Iridiumoxid, Chrom und Mischungen oder Legierungen davon, bevorzugt Gold, Platin, PEDOT:PSS, Iridiumoxid, Chrom und Mischungen oder Legierungen davon, besonders bevorzugt PEDOT:PSS.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das 2D-Mikroelektrodenarray eine steife oder flexible Substratschicht aufweist, wobei das Material für die steife Substratschicht ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Silizium oder Quarz, insbesondere Quarz, oder das Material für die flexible Substratschicht ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Parylen-C oder Polyimid, insbesondere Parylen- C.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Leiterbahnen und die Vielzahl von Elektrodenflächen aus einem Material ausgesucht aus der Gruppe bestehend aus Titan, Gold, Platin, leitfähigen Polymeren wie PEDOT: PSS, Indiumzinnoxid und Mischungen, Legierungen oder Schichtungen davon, besonders bevorzugt einer Metallschichtfolge Titan/Gold/Titan oder einer Metallschichtfolge Titan/Gold.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das 3D-Druckverfahren ein 2-Photonen- Polymerisationsverfahren ist.
10. Dreidimensional strukturierte Elektrodenarrays umfassend a) 2D-Mikroelektrodenarray umfassend eine Vielzahl von Leiterbahnen und eine Vielzahl von Elektrodenflächen, wobei das 2D-Mikroelektrodenarray bevorzugt nur auf einer Oberflächenseite Leiterbahnen und Elektrodenflächen aufweist; b) auf den Elektrodenflächen orthogonal angeordnete dreidimensionale Hohlzylinder gefüllt mit elektrisch leitfähigem Material, wobei die Hohlzylinder aus einem 3D-gedruckten Material bestehen.
11. Dreidimensional strukturierte Elektrodenarrays hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
12. Implantate oder Neuroimplantate umfassend dreidimensional strukturierte Elektrodenarrays gemäß Anspruch 10 oder gemäß Anspruch 11 oder bestehend aus diesen.
13. Verwendung dreidimensional strukturierter Elektrodenarrays gemäß Anspruch 10 oder gemäß Anspruch 11 oder hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als oder für Implantate oder Neuroimplantate oder zur elektrochemischen und/oder elektrophysiologischen Vermessung im Millivoltbereich und/oder von Zellkulturen.
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