EP4658359A1 - Herstellung dreidimensional strukturierter elektrodenlagen, insbesondere im kirigami-prinzip - Google Patents

Herstellung dreidimensional strukturierter elektrodenlagen, insbesondere im kirigami-prinzip

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Publication number
EP4658359A1
EP4658359A1 EP24702508.3A EP24702508A EP4658359A1 EP 4658359 A1 EP4658359 A1 EP 4658359A1 EP 24702508 A EP24702508 A EP 24702508A EP 4658359 A1 EP4658359 A1 EP 4658359A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
electrode
electrode structure
structures
structure layer
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
EP24702508.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Viviana RINCÓN MONTES
Lina Koschinski
Marie Jung
Andreas Offenhäusser
Jamal Abu Shihada
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
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Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP4658359A1 publication Critical patent/EP4658359A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/18—Applying electric currents by contact electrodes
    • A61N1/32—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
    • A61N1/36—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
    • A61N1/3605—Implantable neurostimulators for stimulating central or peripheral nerve system
    • A61N1/36125—Details of circuitry or electric components
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/02—Details
    • A61N1/04—Electrodes
    • A61N1/05—Electrodes for implantation or insertion into the body, e.g. heart electrode
    • A61N1/0526—Head electrodes
    • A61N1/0529—Electrodes for brain stimulation
    • A61N1/0531—Brain cortex electrodes

Definitions

  • the present invention relates to three-dimensionally structured electrode layers, methods for their production and their use, wherein the production is preferably carried out according to the Kirigami principle.
  • Flexible neuroimplants are implantable electronic devices that can measure and stimulate the neuronal activity of nerve tissue in the peripheral and central nervous system.
  • Neuroimplants mostly consist of a matrix of microelectrodes, which are usually conductive layers embedded and encapsulated between thin insulating polymer layers.
  • the mostly one-dimensional (ID) or two-dimensional (2D) electrode matrix is either placed on the nerve tissue or penetrates the tissue to measure and/or control various neuronal activities, e.g. of the brain, retina or peripheral nerves.
  • Flexible neural implants can be surface implants that consist of a 2D matrix to map the xy positions on the surface of the neuronal tissue.
  • penetrating threads or shafts exist, each consisting of an ID or 2D electrode matrix.
  • An ID matrix corresponds to a single shaft to map the z-axis
  • a 2D matrix corresponds to a group of shafts with fixed distances between the shafts to map x - z or y - z positions.
  • a standard approach for multi-electrode arrays is the Utah array, which consists of silicon (Si) needles with metal-based or conductive polymer tips and a biocompatible polymer encapsulation. Therefore, the Utah array only allows one recording per needle (x - y positions with a fixed z position).
  • Various three-dimensional neuroimplants in the mm and pm size range have already been manufactured using different methods.
  • the two main methods used are the stacking of several 2D implants or the Kirigami technique.
  • Stacking of 2D implants Here, several 2D implants are stacked on top of each other to generate a 3D implant.
  • there are placeholders between the 2D implants to define a precise distance for example in Shin, H. et al. : "3D high-density microelectrode array with optical stimulation and drug delivery for investigating neural circuit dynamics", Nat. Commun. 12, 492 (2021), https://doi.org/10.1038/s41467-020-20763-3).
  • Kirigami technique Here, 2D structures are cut out and then folded to create a 3D implant (for example in Socia et al. : "A flexible 3-dimensional microelectrode array for in vitro brain models", Lab Chip., 2020, 20, 901-911. DOI https://doi.org/10.1039/C9LC01148J).
  • the shafts fold themselves (eg through electrostatic effects).
  • the object of the present invention was therefore, in view of the state of the art, to find methods for producing three-dimensional (neuro) implants or three-dimensionally structured electrode arrangements suitable therefor, which do not have the disadvantages of the state of the art and are in particular fast, parallelizable and reliable, as well as these implants and arrangements themselves.
  • the reference system used in the present invention is an observer standing upright on the ground in front of the object under discussion.
  • the term "flexible" means that the elements in question, in particular the 2D electrode structure layer and the n-sided electrode structures, can be bent by 90° without being destroyed or losing their functionality, which is achieved by using materials with a corresponding flexural rigidity (which depends on the elastic modulus of the materials used and the respective material thickness).
  • the elastic moduli of the materials are known to the person skilled in the art or can be looked up, so that the person skilled in the art can easily determine the necessary flexural rigidity.
  • examples are Parylene C or polyimide with Ti/Au or Ti/Au/Ti conductor tracks on them.
  • 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 electrode layers or 3D microelectrode arrays (MEA). These can be used as neural 3D implants based on flexible, polymeric and optionally thermoplastic materials (e.g. parylene C or polyimide).
  • the implants consist of a 3D microelectrode matrix made of flexible shafts, each of which contains at least one, but preferably several electrode sites in order to be able to establish an electrical coupling, in particular with neural tissue, during implantation.
  • planar electrodes on the surface of the 2D structure of the 3D microelectrode array; in particular, this can be achieved by placing the relevant electrode structures within the framework of the manufacturing process of the present invention, i.e. in the shaping layer to be used, no elevations are provided at their locations.
  • Kirigami structures comes from the Japanese art of paper folding, where Kirigami is a variant of Origami.
  • To create Kirigami structures the two-dimensional material is both cut and folded. This results in a three-dimensional design that stands out from the two-dimensional structure.
  • Kirigami structures is common in the state of the art and known to the person skilled in the art (see, for example, the abstracts by Liu et al. "Self-Healing Kirigami Assembly Strategy for Conformal Electronics", Adv. Funct. Mater.
  • the 2D electrode structure layer is made into a kind of self-alignment (Key-lock principle) placed on an array of blocks and structures (the shaping layer) in order to simultaneously fold the respective electrode shafts upwards at a previously freely defined angle (depending on the application). In principle, all angles are technically possible. However, according to the invention, angles between 45° and 135° are preferred, particularly preferably 70 to 110°, in particular 90°, in each case based on the plane of the original 2D electrode structure layer.
  • Electrodes structures or their shafts have a high aspect ratio
  • predetermined breaking points in the interfaces can be used to stabilize the structures during manufacturing and before folding.
  • the MEA or the 3D probe is then placed in a heated environment (oven) to stabilize the 3D structures (thermoforming).
  • the 2D structures of the electrode structure layers and the forms for folding (shaping layers) are manufactured in preferred variants in the micrometer range.
  • the folding of the 2D structures in the context of the present invention is a very precise, self-adjusting process (key-lock principle), which is preferably carried out with pm accuracy, especially if the 2D electrode structure layer is pressed between the shaping layer and the pressing layer.
  • the present invention relates to a method for producing three-dimensionally structured electrode layers, which comprises or consists of the following method steps:
  • the n-sided electrode structures are fixed to the structural layer with one side and the remaining sides are partially separated from the structural layer and have at least two, preferably two, predetermined breaking points, particularly preferably in the case of 5-sided electrode structures which have the shape of an obelisk longitudinal section, two or three predetermined breaking points, one on each of the long side surfaces and optionally one at the tip. Since the material is flexible, the n-sided structures bend as soon as the 2D electrode structure layer is placed in the forming layer. Heating then changes the molecular structure of the material of the 2D electrode structure layer so that the shape is retained after cooling (thermoplastic or thermosetting depending on the material).
  • the 2D electrode structure layers are self-supporting and therefore do not require any support layers during production or later use. This particularly preferably applies to 2D electrode structure layers with the dimensions specified below and in particular to those based on/made of Parylene C.
  • Parylene C other Parylenes (e.g. Parylene N, Parylene D) can be used in embodiments in addition to or as an alternative to Parylene C within the scope of the present invention.
  • Parylene N Parylene N
  • Parylene D Parylene D
  • n-sided electrode structure means that the respective structure has n sides, where n is a whole natural number and 3 or greater.
  • the end facing away from the fixed side does not necessarily have to be a straight side, but can also be shaped like a point.
  • the electrode structure could be elongated and rectangular and the side furthest away from the fixed end (short side) could be shaped like a point, the electrode structure would then have the shape of an obelisk longitudinal section.
  • This variant could also be referred to as 5-sided if the edges of the point are viewed as sides.
  • one of the n sides is fixed to the structural layer.
  • the respective n-sided electrode structure is erected in step D) out of the plane of the electrode structure layer by the action of the protruding structures of the shaping layer, whereby the 2D electrode structure layer becomes a layer with a three-dimensional structure of the electrode structures.
  • the remaining sides are completely or partially separated from the structure layer so that they do not counteract the erection.
  • the sides may be necessary for the sides to be only partially separated so that the n-sided electrode structures are still sufficiently stable and do not become For example, simply "hang down” because this would make the accuracy of further processing more difficult.
  • the sides are separated as far as possible and the non-separated areas remain as predetermined breaking points. Due to the partial separation, at least two predetermined breaking points remain, particularly preferably in the case of 5-sided electrode structures that have the shape of an obelisk longitudinal section, two or three predetermined breaking points, one on each of the long side surfaces and optionally one at the tip
  • At least two predetermined breaking points remain due to the partial severing, particularly preferably in the case of 5-sided electrode structures which have the shape of an obelisk longitudinal section, two or three predetermined breaking points, one each on the long side surfaces and optionally one at the tip.
  • the separation of the sides from the rest of the 2D electrode structure plate preferably takes place during the production of the 2D electrode structure layer.
  • This is preferably not a conventional cutting process, but a dry etching step (reactive ion etching), in which recesses at least 3 pm wide are etched around the sides (except for the side that remains connected to the 2D electrode structure layer and is intended to serve as a "hinge-like" axis of rotation).
  • a dry etching step reactive ion etching
  • recesses at least 3 pm wide are etched around the sides (except for the side that remains connected to the 2D electrode structure layer and is intended to serve as a "hinge-like" axis of rotation).
  • there are predetermined breaking points in the recesses between the n-side electrode structure and the 2D electrode structure layer are preferably designed in such a way that they break open due to mechanical stress due to the protruding structures of the shaping layer as soon as the 2D electrode structure layer and the shaping layer are pressed
  • n-side electrode structures are long, for example longer than 300 pm, or if thin layers are used, for example a total thickness of 6 pm, it is preferred according to the invention in some variants to attach predetermined breaking points to the sides of the n-side electrode structures, which ensure stability, but which break open when the n-side electrode structures and the shaping layer are brought together and the n-side electrode structures are pressed out of the plane.
  • Predetermined breaking points are common measures in mechanical engineering, for example, but not in thin-film processing or in neurotechnology/microtechnology.
  • the use of predetermined breaking points for the production of neural implants is new and n-sided electrode structures in a 2D electrode structure layer, which, in addition to the one side with which they are fixed to the structure layer, are also connected to the 2D electrode structure layer with at least two predetermined breaking points, a subject of the present invention.
  • These structures are an important feature in preferred variants, since they stabilize the 2D electrode layer (before they are fixed/shaped within the framework of the joined layers and then heated) and thus enable successful production.
  • the predetermined breaking points are points that are intentionally not separated when the sides of the n-side electrode structures are separated from the rest of the 2D electrode structure plate.
  • two or three predetermined breaking points are present, one on each of the long side surfaces and optionally one at the tip.
  • these predetermined breaking points have a width, in the direction of the side surface on which they are located, of 0.2 to 5 pm, preferably 1 to 2 pm.
  • the n-side electrode structures have electrode surfaces and conductor tracks, which are conductively connected to other conductor tracks and/or electrodes on the 2D electrode structure layer.
  • the conductor tracks are configured in such a way that they can withstand the erection without damage. Since the erection takes place in the direction of the conductor tracks, this is usually not a problem and in some variants of the present invention no special measures are required in this regard; in other variants of the present invention, the conductor tracks are preferably designed in the form of meander structures at the points where the largest angles arise during erection, so that the mechanical load is reduced. Another possibility for further variants according to the invention is to reduce the layer thickness of the conductor tracks.
  • the n-side electrode structures form regular n-corners, for example equilateral ones.
  • the aspect ratio of the n-side electrode structures is length:width, where the length is the longest distance orthogonal to the fixed side and the width is the longest distance parallel to the fixed side.
  • the aspect ratio is 250:1 to 1:1, more preferably 100:1 to 1:1, more preferably 50:1 to 1:1, further preferably 10:1 to 1:1, even more preferably 8:1 to 2:1, particularly preferably 6:1 to 3.1 and in particular 5:1 to 4:1.
  • the aspect ratio of a 4-sided electrode structure is 5:1 to 4:1.
  • the aspect ratios can be selected as follows: for KiriCors (see below) 250: 1 to 15: 1, for example 20: 1, about 33: 1, 40: 1, about 67: 1, 100: 1 or 200: 1; for KiriRets (see below) 50: 1 to 3: 1, for example 4: 1, about 5: 1, 6: 1, about 8: 1, 23: 1 or 45: 1.
  • the protruding structures of the shaping layer can, in principle, have any shape. It must only be ensured that these structures can push the n-side electrode structures away when the shaping layer is pressed together with the electrode structure layer without being destroyed. In this respect, it is preferable if the protruding structures are not too sharp or too hard so that they do not damage the n-side electrode structures.
  • the protruding structures are rectangular blocks with a pyramidal top end, or with a square prismatic top end.
  • the shaping layer is then preferably arranged such that the slope of the upper surface of the square prismatic top end increases as viewed from the fully solid side of the n-side electrode structure.
  • the respective protruding structures should be adapted in their dimensions so that they can exert sufficient pressure on the n-side electrode structures, whereby the protruding structures of the forming system should be selected so that, on the one hand, they offer the n-side electrode structures as little contact area as possible, but on the other hand so that they enable the correct folding of the n-side electrode structures.
  • the width and length of the respective protruding structure on the shaping layer is smaller than the width and length of the respectively associated n-side electrode structure.
  • the protruding structures should therefore in particular not have too great a width and at least not too short a length.
  • a width that is not too great means that the width is preferably between 30% and 90%, more preferably between 35% and 80%, particularly preferably between 40% and 70%, especially preferably between 45% and 60% of the width of the respective (assigned) n-side electrode structure.
  • a length that is not too small means that they are the same length or less long than the respective (assigned) n-side electrode structures, but at least long enough to raise the respective n-side electrode structures, wherein ideally the length is at least 50%, preferably at least 70%, particularly preferably at least 85% but less than 100% of the length, preferably less than 95% of the length of the respective n-side electrode structure.
  • the length of the protruding structures corresponds to 90% of the n-side electrode structure and the Width 50%.
  • the protruding structures can be constructed as cuboids with undercut.
  • each of the respective protruding structures is preferably at least half as high, preferably between 55% and 80% as high, as the length of the respective associated n-side electrode structure.
  • all n-sided electrode structures of an electrode structure layer have the same dimensions and also all protruding structures of the shaping layer have the same dimensions, which are adapted in their dimensions and positions to the dimensions and positions of the n-sided electrode structures.
  • step E) the joined layers are heated to a temperature that causes a permanent shaping of the erected n-side electrode structures.
  • the 2D electrode structure layer is based on a thermoplastic material, such as preferably Parylene C or polyimide, in particular Parylene C
  • the temperature is increased to a temperature that is above the glass temperature of the polymer materials but below their melting point.
  • thermosets are used, i.e. curing is still to take place, the temperature is increased to a point at which the initiators contained split or at which the cross-linking reaction takes place.
  • the production of the 2D electrode structure layer preferably comprises the following process steps or consists thereof:
  • first flexible substrate layer preferably made of a thermoplastic material
  • a passivation layer preferably made of a thermoplastic material, to the structured base metal layer or the flexible intermediate layer;
  • step 3) If step 3) has not been performed, applying a coating material to the exposed areas of the passivation layer and to the exposed areas of the electrode surfaces.
  • the production of the 2D electrode structure layer is part of the process for producing the three-dimensionally structured electrode layers.
  • Step 2) is preferably carried out by
  • the base metal layer i.e. the structured conductive layer
  • the first substrate layer has a thickness of 0.5 pm to 10 pm, particularly preferably 2 pm to 8 pm, further preferably 4 pm to 6 pm and in particular 5 pm.
  • the intermediate layer has a thickness of 0.1 pm to 4 pm, particularly preferably 0.2 pm to 3 pm, further preferably 0.3 pm to 2 pm and in particular 0.5 pm to 1 pm.
  • the passivation layer has a thickness of 0.5 pm to 10 pm, particularly preferably 2 pm to 8 pm, further preferably 4 pm to 6 pm and in particular 5 pm.
  • the first base metal layer has a total thickness of 50 nm to 170 nm, particularly preferably 100 nm to 150 nm, further preferably 110 nm to 140 nm and in particular 120 nm to 130 nm.
  • the second metal layer has a thickness of 80 nm to 140 nm, particularly preferably 90 nm to 130 nm, further preferably 100 nm to 120 nm and in particular 110 nm.
  • the applied electrode coating has a thickness of between 50 nm and 1000 nm. It is further preferred if the actual thickness is selected in particular depending on the desired conductivity and the selected material (as well as other desired properties, such as material strength or the like).
  • the electrode coating applied by spin coating especially when it is PEDOT:PSS, has a thickness between 350 nm and 1000 nm, preferably between 400 nm and 950 nm.
  • the electrode coating applied by electrodeposition in particular if it is PEDOT:PSS, has a thickness between 100 nm and 700 nm, preferably between 130 nm and 600 nm.
  • the electrode coating applied by galvanic deposition in particular if it is iridium oxide, has a thickness between 80 nm and 140 nm, preferably between 98 nm and 118 nm.
  • the electrode coating applied by sputtering in particular when it is SIROF (sputtered iridium oxide films), has a thickness between 200 nm and 550 nm, preferably between 250 nm and 500 nm.
  • the material of the 2D electrode structure layer is completely or partially severed on n-1 sides of the respective n-sided electrode structures before or after steps 1) to 8), preferably as described above.
  • the first substrate layer of the electrode structure layer comprises or consists of a thin metal film or a thermoplastic material. It is important here that these materials are moldable when heated to temperatures above their glass transition temperature. Due to the high temperatures, the chain structures of the amorphous regions of the PaC rearrange themselves, softening the material and enabling deformation. The polymeric material will then retain the new shape when cooling and removing the mold (molding layer and optionally pressing layer). Depending on the exact material used, a slow temperature ramp may be necessary during cooling in order to avoid damage to the thermoplastic material due to thermal and mechanical stress. It is important in the context of the present invention that the thermoplastic material has a lower melting temperature than the glass transition temperature of the material of the molding layer.
  • the materials for the metal films of the electrode structure layer are selected in some preferred variants of the present invention from the group consisting of gold, platinum, titanium, aluminum, and mixtures and alloys thereof.
  • the surfaces of the shaping layers can be coated with a thin metal film, water or a soap, a detergent such as micro90, or silanes as a non-stick coating so that the separation of the shaping layer and the electrode structure layer following shaping can be carried out more effectively and safely (i.e. in particular without them sticking/adhering to one another).
  • thermoplastic material is preferably selected from the group consisting of parylene C (PaC), polyimide (PI), polyethylene terephthalate (PET), polylactic acid (PLA), polytetrafluoroethylene (PTFE), polystyrene (PS) and mixtures thereof, particularly preferably parylene C or polyimide, in particular parylene C.
  • PaC parylene C
  • PI polyimide
  • PET polyethylene terephthalate
  • PLA polylactic acid
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PS polystyrene
  • mixtures thereof particularly preferably parylene C or polyimide, in particular parylene C.
  • Examples of commercially available products that can be used in the present invention are Parylene Dimer DPX-C from Specialty Coating Systems, Inc., and PI-2611 and PI-2610 from HD Microsystems.
  • thermoplastic materials mentioned above especially PaC and PI due to their proven biocompatibility for invasive medical products.
  • no support layers are used for the 2D electrode structure layer. More preferably, the 2D electrode structure layer is self-supporting.
  • the materials of the molding layer in case of polymers, have a glass transition temperature and melting point that are higher than those of the material used for the 2D electrode structure layer (the kirigami design).
  • Other alternative materials for the molding layer are photo-imageable epoxy-based resists such as SU-8.
  • a metal molding layer can also be used.
  • Other alternative methods for patterning the molding layer are photolithography, stepper lithography, maskless lithography such as electron beam lithography or direct laser writing lithography, nanoimprinting, hot stamping, chemical/photochemical milling or high aspect ratio etching (dry and wet).
  • the shaping layer comprises or consists of metal, plastic or 3D-printed material, preferably starting from material that can be printed by means of 2-photon polymerization, particularly preferably based on (meth)acrylates that cure via radical polymerization or on the basis of photostructurable epoxy resins, in particular bisphenol A novolak epoxies, or also on the basis of mixtures thereof.
  • the shaping layer may comprise or consist of materials selected from the group consisting of metal, plastic, quartz, ceramic and mixtures thereof.
  • the photopolymer IP-S can be used in particular for the shaping layer and can be photostructured by means of two-photon polymerization.
  • the base plane of the shaping layer itself has a thickness of 10 pm to 40 pm, for example 20 pm.
  • the protruding structures have heights (starting from the plane) depending on the respective n-side electrode structures to be raised and can, in some preferred variants, be between 200 pm and 1200 pm, preferably between 300 pm and 1100 pm.
  • the shaping layer has a frame which is matched in its inner dimensions to the outer dimensions of the 2D electrode structure layer, preferably exactly, and the alignment in step C) is carried out on this frame.
  • CI providing a three-dimensional contact layer, preferably comprising elevations, particularly preferably comprising a frame and optionally at least one web,
  • Step D) changed to
  • the method according to the invention may comprise:
  • steps C) and D) change, i.e. they are extended to include the contact pressure and its use, as follows:
  • the materials for the pressing layer can be selected from the same materials that are mentioned for the shaping layer.
  • the pressing layer and the shaping layer are made of the same material.
  • the base plane of the pressing layer itself has a thickness of 10 pm to 40 pm, for example 20 pm.
  • the protruding elements, i.e. edges, webs, etc. have heights (starting from the plane) depending on the respective n-side electrode structures to be raised and can, in some preferred variants, be between 200 pm and 1200 pm, preferably between 300 pm and 1100 pm.
  • the electrode structure layer comprises or consists of Parylene C, apart from the metals of the conductor tracks and electrode surfaces, and the shaping layer comprises or consists of IP-S, and, if present, the pressing layer comprises or consists of IP-S.
  • the electrodes are further coated with materials such as PEDOT:PSS or iridium oxide (IrO x ) to improve their electrochemical properties.
  • these can be sputtered iridium oxide (SIROFs), electrodeposited PEDOT:PSS or electrodeposited IrO x .
  • SIROFs sputtered iridium oxide
  • electrodeposited PEDOT:PSS electrodeposited PEDOT:PSS
  • electrodeposited IrO x electrodeposited IrO x
  • spin coating of PEDOT:PSS in which for example a stencil process (lift-off technique with sacrificial layer) or a dry etching process can be used.
  • the electrodes are completely or partially coated with conductive materials, preferably selected from the group consisting of PEDOT:PSS, iridium oxide and mixtures thereof.
  • electrodes or connections are provided on at least one edge of the 2D electrode structure layer in order to enable the connection of the three-dimensionally structured electrode layer obtainable/obtained according to the invention to other instruments. These can be applied during the manufacture of the 2D electrode structure layer as part of the metallization, or also later in addition, for example by soldering, clamping or the like.
  • the n-sided electrode structures each independently comprise one or more individual electrode surfaces, for example point-shaped ones. It is preferred if several electrode surfaces are present in each case. In preferred variants, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 or 32 or even more electrode surfaces per electrode structure (each independently of one another) can be present, preferably 2 to 32, particularly preferably 3 to 20 and in particular 4 or 16.
  • the three-dimensionally structured electrode layers have 32 4-sided electrode structures of 225 pm length and 50 pm width, each having 4 electrode surfaces, the lowest of the four having a diameter of 25 pm and the remaining three having a diameter of 15 pm.
  • the three-dimensionally structured electrode layers have up to 128 n-sided electrode structures.
  • the three-dimensionally structured electrode layers have 4-sided electrode structures of 1000 pm to 1500 pm in length, each having 16 electrode surfaces with a diameter of 15 pm.
  • the present invention further relates to three-dimensionally structured electrode layers produced by a method according to the invention as described above.
  • implants or neuroimplants comprising three-dimensionally structured electrode layers according to the present invention or consisting of these.
  • the present invention relates to the use of three-dimensionally structured electrode layers according to the present invention as or for implants or neuroimplants, in particular intraretinal 3D implants or intracortical/cortical 3D implants, for measuring electrochemical properties, for measuring physical properties, in biosensing, or for impedance measurement.
  • the method according to the invention can be used (and has already been used) to produce three-dimensional, flexible neural implants (neuroimplants) for the three-dimensional space of the retina (KiriRet) or the cortex (KiriCor).
  • Parylene C (PaC) is a material which in some variants can preferably be used as a substrate and for encapsulation in this context.
  • the structured base metal layer is structured with Ti/Au/Ti conductor tracks and up to 128 Ti/Au electrodes, which are coated with PEDOT:PSS or iridium oxide at their openings.
  • neuroimplants With the implants according to the invention (neuroimplants), signals from neuronal cells can be measured in vitro and, in some cases, in vivo and at the same time, cells can be stimulated in a targeted manner.
  • the design of the KiriRet implant consists in preferred variants of 32 shafts, each 50 pm wide and 225 pm long.
  • each shaft has four electrodes; with a diameter of 25 pm for the electrode that is furthest away from the electrode structure layer used for electrical stimulation, or 15 pm for the other electrodes.
  • the width, length and electrode diameter as well as the number of electrodes can be varied within the scope of the present invention within a wide range.
  • KiriCor implants are 1000 pm to 1500 pm long and the electrodes have a diameter of 15 pm, so that up to 16 electrodes fit on each shaft.
  • the implants may contain at least one, preferably exactly one, internal reference electrode to perform electrophysiological or electrochemical measurements.
  • the implants are preferably manufactured by surface micromachining and microelectromechanical systems (MEMS) to create the 2D shape and the cutouts for folding.
  • MEMS microelectromechanical systems
  • a 5 pm thick PaC layer is first applied to a Si wafer and structured with a Ti/Au/Ti layer for conductor tracks, electrodes and contact surfaces. Then a second 5 pm thick PaC layer is applied for encapsulation. In the next step, the folding cutouts as well as the electrodes and contact surfaces are opened. The 2D sample is then detached from the Si substrate and soldered/fixed to a circuit board; in some preferred variants by flip assembly. An example of this is the flip- Chip method.
  • the flip-chip method can be carried out in such a way that the circuit board is first heated using a heating plate (to 180°C) and low-temperature solder alloy is applied; the 2D samples are then detached from the Si substrate using water; while the heating plate is cooled (to 160°C) and then the 2D probe is fixed with its contact surfaces on the circuit board.
  • a heating plate to 180°C
  • low-temperature solder alloy is applied
  • the 2D samples are then detached from the Si substrate using water
  • the heating plate is cooled (to 160°C) and then the 2D probe is fixed with its contact surfaces on the circuit board.
  • the folding mold is preferably 3D printed using a 2-photon polymerization technique.
  • the mold consists of two parts.
  • the lower part is then an array of protruding structures, in particular rectangular blocks with a pyramidal end; this is the shaping layer.
  • the protruding structures are further preferably at least half as high as the length of the shafts in order to lift them; a lower height is also possible in principle, but is less reliable depending on the material of the shafts.
  • the individual protruding structures are placed in such a way that they are arranged analogously to the corresponding point on the flexible 2D design (the electrode structure layer) (in order to be able to push the shafts up in the first place).
  • the lower part preferably has a frame on the edges that exactly corresponds to the size of the 2D structure (electrode structure layer) and is used for alignment/adjustment.
  • the upper part of the 3D mold in this variant of the present invention is a structure made up of a frame and walls (webs) in the middle, which, when placed on the lower part and flexible 2D structure, results in the shafts of the electrode structures being folded evenly (as the upper mold ensures even pressing/pressing). This is the optional pressing layer.
  • the frames of the lower and upper sections fit together like the key-lock principle, so the inner and outer dimensions of the frames of the shaping layer and the pressing layer are preferably coordinated with one another in such a way that the outer dimensions of one frame fit exactly into the inner dimensions of the other.
  • a one-piece mold that corresponds to the lower part of the mold (i.e. the molding layer) just described.
  • the upper part just described, which serves for pressing can then be replaced by other means and devices, for example stamp-like devices with only an outer frame or one or more protruding elements - in each case to press the electrode structure layer onto the shaping layer - or also laterally attached (to be attached) (tension) clamps or other devices which are suitable for pressing the electrode structure layer and the shaping layer together in such a way that the n-side electrode structures can be erected by the protruding structures.
  • the individual parts are brought together.
  • the 2D sample is placed on the 3D mold to fold all n-sided electrode structures simultaneously.
  • the upper part of the 3D mold (pressing layer) or another device for pressing/compressing helps to fold the shafts in a controlled manner.
  • frames/protruding edges of the 3D mold are used in preferred embodiments.
  • the assembled layers are then heated together so that the n-side electrode structures are thermally fixed.
  • This can essentially be done by using a thermoplastic material for the base of the electrode structure layer, which accordingly undergoes a thermoplastic deformation that is retained after cooling.
  • a not yet cured thermoset or not yet cured thermoset mixture can be used for the base of the electrode structure layer, so that it hardens when heated and then retains its shape after cooling.
  • a combination is also conceivable.
  • the electrodes can be coated with electrolytically deposited conductive substances, particularly preferably PEDOT:PSS or iridium oxide (IrO x ), in a further production step in order to improve the electrical properties.
  • electrolytically deposited conductive substances particularly preferably PEDOT:PSS or iridium oxide (IrO x )
  • the finished three-dimensionally structured Electrode layer can be used as a (neuro-)implant in, for example, electrophysiological experiments.
  • the method according to the invention allows the use of various materials. These include polyimide (PI) and parylene C (PaC) as examples of thermoplastic materials for the production of the electrode structure layer (2D structure).
  • PI polyimide
  • PaC parylene C
  • thermoplastic materials for the production of the electrode structure layer (2D structure).
  • the exact designs/configurations of the electrode structure layer, the shaping layer and thus the resulting three-dimensionally structured electrode layer are also flexible. For example, in some preferred embodiments of the present invention, diameters of 10 pm to 25 pm can be used for the electrodes in order to ensure the resolution of individual cells. When using small electrodes and optimized manufacturing processes, however, thinner shafts of less than 50 pm are also possible and are therefore preferred in some other embodiments of the present invention.
  • the method according to the invention for producing three-dimensionally structured electrode layers can be used to produce three-dimensional Kirigami structures simply, quickly, reliably and at low cost.
  • self-adjusting structures i.e. the electrode structures are brought into defined positions by pressing the various layers together, in particular by precisely coordinated dimensions and frames, it is possible to produce several 3D probes at the same time.
  • Such 3D probes can be used, for example, in electrophysiological experiments for deriving cell signals from various nerve tissues such as the brain, peripheral nerves or retina, and for electrically stimulating the corresponding nerve cells.
  • the structures produced according to the invention can be used, for example, in/for/in 3D cell cultures and organoids.
  • the application is advantageously not limited to electrophysiological applications, but can also be used, for example, if it is desired to measure the electrical properties of a three-dimensional space in the mm or pm range.
  • flexible substrate layer can mean in preferred variants of the present invention: "Substrate layer comprising or consisting of Parylene C or polyimide, optionally with Ti/Au, Ti/Au/Ti, Ti/Pt/Ti, Ti/Au/Pt, Ti/Au/Ti/Pt/Ti, PEDOT:PSS conductor tracks, in particular Ti/Au or Ti/Au/Ti conductor tracks, and electrode surfaces, in particular consisting of Parylene C with Ti/Au or Ti/Au/Ti conductor tracks and electrode surfaces", "intermediate layer comprising or consisting of Parylene C or polyimide, in particular consisting of Parylene C", "2D electrode structure layer comprising or consisting of Parylene C or polyimide with Ti/Au or Ti/Au/Ti conductor tracks and electrode surfaces, in particular consisting of Parylene C with Ti/Au or Ti/Au/Ti conductor tracks and electrode surfaces, in particular consisting of Parylene C with Ti/Au
  • the three-dimensionally structured electrode layers produced according to the invention could be successfully used as intraretinal 3D implants in in vitro experiments and experiments with cadavers, whereby the functionality was extensively validated.
  • the method according to the invention advantageously uses neither cytotoxic materials nor high-energy equipment, which could endanger the manufacturer or end user.
  • the purely mechanical forming method according to the invention is fast and reliable because, in contrast to other methods, it folds all (desired) shafts simultaneously and reliably, preferably at an angle of 90°.
  • the highlighted structures of the forming layer and the folded MEA or the folded 3D probe can be placed together in a heating environment in order to fix the positions of the electrode structures using thermoforming.
  • any electrode structures for three-dimensional electrode layers can be produced in a very simple, reliable and reproducible manner.
  • electrode structure layers can be produced in which the respective electrode structures can be arranged in any desired position, and the respective dimensions of the individual n-sided electrode structures can be easily changed or adapted to the respective requirements.
  • electrode layers can be produced that contain n-sided electrode structures different dimensions, for example with regard to the length and/or width of the shafts.
  • the method according to the invention and the three-dimensionally structured electrode layers produced thereby are therefore particularly versatile.
  • the individual parts of the devices/systems according to the invention are operatively connected to one another in a conventional and known manner.
  • this does not relate to the therapeutic treatment of humans or animals.
  • flexible 2D electrode structure layer with kirigami design involved the sequential deposition of flexible thin film layer, a metal layer, another flexible thin film layer and an electrode coating. Depending on the electrode coating, six to seven steps were performed as follows. All steps (except PaC deposition) were performed in a certified clean room environment to ensure stable manufacturing.
  • a first 5 pm thick layer of parylene C (poly(2-chloro-p-xylylene); PaC) was applied with a PDS 2010 Labcoater 2 (Specialty Coating Systems Inc., USA) using of 10 g PaC dimer and a process vacuum pressure of 3.33 Pa (about 25 mTorr) on a silicon wafer by chemical vapor deposition.
  • metallization was carried out using a lift-off process.
  • the metal base layer for contact areas, leads and electrodes was structured.
  • a negative photoresist AZ LNR-003 (containing, among other things, 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. This was followed by baking at 120°C for 2 minutes on a direct contact hotplate.
  • the photoresist was then exposed at 320 mJ/cm 2 with a Defoc setting of 2 and a CDB (critical dimension bias) of 800 with UV light of a wavelength of 375 nm using a maskless exposure system (MLA 150, Heidelberg Instruments, Germany). After exposure, a heating step at 100°C for 1.5 minutes on a direct contact hot plate, a development step in AZ 326 MIF (MicroChemicals GmbH, Germany) as a developer (a developer based on tetramethylammonium hydroxide) for 1.5 minutes and a cleaning step in deionized water were performed.
  • AZ 326 MIF MicroChemicals GmbH, Germany
  • the wafer was then vapor-deposited with a metal, whereby 20 nm Ti, 100 nm Au and 10 nm Ti were deposited layer by layer in an electron beam assisted evaporation system (Balzer PLS 570, Pfeiffer, Germany) (resulting in a metal layer sequence Ti/Au/Ti).
  • a tungsten crucible and deposition rates of 0.1 nm/s for Ti and 0.5 nm/s for Au were used.
  • a lift-off process in an acetone bath was then carried out for 2.5 hours to wash off the sacrificial material and the photoresist. After lift-off, the wafer was rinsed in isopropanol for 2 minutes and dried with a nitrogen gun.
  • the UV exposure step was alternatively performed by standard UV photolithography using a broadband exposure system with mask alignment (Süss MA8/BA8, Germany) with a dose of 100 mJ/cm 2 .
  • step 3 was performed, in others it was not. In cases where it was not performed, step 4 was continued.
  • a second flexible PaC layer (PaC interlayer) with a thickness of 0.5 pm to 1 ⁇ m (1-2 g PaC dimer) was deposited as described in step 1.
  • the PaC was then etched at the electrode openings by reactive ion etching (RIE). This process is described in detail in step 5 below.
  • RIE reactive ion etching
  • a second metallization step was performed to directly add an electrode coating.
  • a resist stack of LOR3B (MicroChem Corp, USA; a resist based on polydimethylglutarimide) and negative photoresist nLOF 2020 (MicroChemicals GmbH, Germany; a negative photoresist containing PGMEA (l-methoxy-2-propanol acetate)) was used to pattern a deposition mask for the electrode openings by photolithography.
  • LOR3B was spin-coated at 2000 rpm for 30 seconds with a ramp of 500 rpm/s, followed by a bake-out step at 150°C for 5 minutes on a direct contact hotplate, followed by spin-coating of nLOF 2020 at 2000 rpm for 30 seconds with a ramp of 500 rpm/s and a bake-out step at 110°C for 1 minute on a direct contact hotplate.
  • the further steps depended on the choice of exposure device.
  • the photoresist was exposed to UV light with a wavelength of 375 nm at 670 mJ/cm 2 with a Defoc setting of 0.
  • Post-exposure baking was then performed at 102°C for 2 minutes on a direct contact hotplate, followed by development in AZ326 MIF for 45 seconds and cleaning in deionized water.
  • Exposure was performed at 40 mJ/cm 2 followed by a post-exposure bake at 110°C for 1 minute, development in AZ325 MIF for 33 seconds to 35 seconds and cleaning in deionized water.
  • an additional Ti layer of 10 nm thickness and a Pt layer of 100 nm thickness were evaporated (resulting in a metal layer sequence Ti/Pt), followed by 250 nm to 500 nm sputtered iridium oxide layers (SIROFs), which were deposited by sputtering with an Ar/Ch gas mixture of 100/6 sccm (standard cubic centimeters per minute) and a DC power of 100 W.
  • SIROFs sputtered iridium oxide layers
  • the flexible polymer was structured. This includes the cuts of the kirigami structures (recesses of the n-side electrode structures), the outlines of the shape of the complete probe as well as the openings of the contact surfaces and those of the electrodes.
  • an etching mask was structured with a thick positive photoresist of at least 1.5 times the thickness of the polymer to be etched.
  • an etch mask was patterned on the last PaC layer by spin coating the photoresist AZ 12XT (MicroChemicals GmbH, Germany; a photoresist containing PGMEA) at 1000 rpm for 180 seconds with a ramp of 200 rpm/s, baking with a hot plate at 110°C for 4 minutes and exposing with UV light of a wavelength of 375 nm using a maskless exposure system with a dose of 350 mJ/cm 2 , a defoc setting of 2 and a CDB of -800. Subsequently, after exposure, the wafer was subjected to heating using a hot plate at 90°C for 1 minute, followed by a development step of 2 minutes with AZ 326 MIF.
  • RF capacitively coupled radio frequency
  • ICP inductively coupled plasma
  • a second RIE step was performed to etch the top 10 nm thick Ti layer with an O2/Ar gas mixture of 20/20 sccm and an RF power of 150 W.
  • the etch mask was removed with AZ 100 remover (MicroChemicals GmbH, Germany; ethanolamine-based solvent) in a two-bath system. In the first bath, a low-power ultrasonic bath is used for 5 minutes, followed by a second bath with fresh AZ 100 remover without ultrasound. The wafer was then rinsed in three baths with isopropanol.
  • the 2D electrode structure layer was separated from the silicon wafer using water drops and tweezers. These were then mounted on a circuit board using the flip-chip method.
  • the circuit board was preheated to 180°C on a direct contact heating plate, and the low-temperature Solder alloy Sn42/Bi58 (AMTECH, USA) was applied to the contact areas of the PCB, allowing the formation of liquid bumps on each contact area.
  • the flexible probes were aligned and placed on the liquid solder paste accumulations that solidified after the new chip was quickly removed from the hot plate and cooled to room temperature.
  • the freshly soldered area was sealed with a polydimethylsiloxane (PDMS) coating in a mixing ratio of 1:10 curing agent to prepolymer (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 layer.
  • step 3 electrode coating was performed to improve the electrochemical properties of the Au electrodes.
  • conductive materials such as PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene:poly(4-styrenesulfonate)) will be electrodeposited.
  • an EDOT:PSS solution was prepared from 0.1% (w/v) 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) and 0.7% (w/v) poly(sodium 4-styrenesulfonate) (PSS) in deionized water.
  • EDOT 3,4-ethylenedioxythiophene
  • PSS poly(sodium 4-styrenesulfonate)
  • the electrode layers were first subjected to electrochemical cleaning in lx PBS (phosphate buffered saline) at room temperature by performing 10 cycles of cyclic voltammetry on all electrodes with a sweep rate of 100 mV/s and potential limits between -0.6 V and -0.9 V against a Ag/AgCl reference electrode. Then, the surface of the 2D electrode structure layer (can also be called 2D kirigami device) was activated with Oz plasma at a pressure of 0.8 mbar and a power of 80 W for 3 min. Electrochemical polymerization of EDOT:PSS on the Au-based electrodes was then performed by chronoamperometry using a constant potential of 1 V for 20 s.
  • lx PBS phosphate buffered saline
  • conductive materials could also be deposited electrochemically using cyclic voltammetry or chronoamperometry, such as IrOx.
  • an electrolyte solution based on iridium chloride hydrate was used instead of the EDOT:PSS solution.
  • a two-photon polymerization 3D printer Photonic Professional GT2 from NanoScribe GmbH was used to produce the molds.
  • the process used focuses an erbium-doped femtosecond laser source (central wavelength 780 nm) into a liquid drop of photo resin. If the laser power exceeds a certain threshold, the photo resin only polymerizes at the focal point of the laser, making it possible to create really complex structures with high resolution.
  • the shapes were designed using CAD software and converted into printing instructions using Describe (software from NanoScribe GmbH).
  • a Zeiss 25X NA0.8 objective was used and IP-S (NanoScribe GmbH, Germany) was used as photopolymer material.
  • IP-S NanoScribe GmbH, Germany
  • the slicing distance was set to 1 pm and the hatching distance to 500 nm.
  • the settings Scan Speed 100000 pm/s, LaserPower 100% and Power Scaling 1.2 resulted in the best printing result with sufficient resolution and stability of the printed structure. Since the shape is much larger than a single printed block defined by the print field of the objective used (400 pm x 400 pm x 400 pm for the 25X objective) without table movement, many blocks were printed next to each other to build the entire structure.
  • the block overlay was set to 2 pm in all dimensions.
  • the height of the individual Blocks were set to 200 pm to ensure that the objective lens, which has a working distance of 380 pm, did not enter the structure.
  • the shapes were printed on a 2.5 cm x 2.5 cm glass substrate that had been previously coated with 3 pm PaC as described in step 2 of Example 1 (production of flexible 2D electrode layers). The PaC coating ensured a high adhesion of the print to the glass substrate.
  • a post-print development step was used to wash away any remaining photopolymer that had not polymerized.
  • the samples were placed in a bath of fresh Mr-Dev 600 developer (Micro Resist Technology's solvent-based developer for epoxy-based photoresists) for 15 minutes, followed by another 5-minute bath in fresh Mr-Dev 600. Finally, the molds were placed in fresh isopropanol for another 5 minutes and then air dried. All of the above steps were performed in a certified cleanroom environment to ensure a stable manufacturing environment.
  • This second mold was produced according to Example 2, except that no individual highlights in the form of blocks (which would have been coordinated with the shafts of the 2D electrode layers) were printed, but outer edges that were dimensioned in such a way that the mold with the outside of its edges (frame) fit exactly inside the edges (frame) of the lower, first mold (i.e. the forming layer).
  • the further, second molds (pressing layers) could optionally have further elevations, for example webs or other elevations of any shape. Ideally, and therefore preferred within the scope of the present invention, all elevations of the pressing layers, including the edges, have the same height so that the pressure can be applied as evenly as possible.
  • the elevations of the pressing layer are arranged in such a way that when the various layers are pressed together, they do not lie above the elevations of the shaping layer or the shafts of the 2D probes, because otherwise the shafts of the 2D probes could not be folded up.
  • the additional, second molds pressing layers
  • the upper mold was lowered slowly to facilitate more precise placement. Since the edges of the upper mold fit snugly into the lower mold, alignment was made easier (as explained).
  • a 2D electrode layer was produced according to Example 1. This layer was then inserted into a prefabricated frame, which fixed the layer in place (Fig. 4A). In addition, the frame had cross braces to ensure even pressure distribution during the subsequent folding.
  • the frame was placed on an assembly table (with a recess in the middle) to make room for the shafts to be folded; alternatively, the frame can of course also be designed in such a way that it leaves enough space for the shafts to be unfolded, for example by having appropriately high edges.
  • the mold (forming layer) produced according to example 2 was placed with the elevations facing forward on the 2D electrode layers (Fig. 4B). Here too, the edges of the frame helped to improve the alignment.
  • the mold When the mold (forming layer) is correctly placed, it is pressed down onto the 2D electrode layers so that the elevations of the forming layer push the shafts out of the plane of the 2D probe and all shafts are folded at the same time.
  • the prefabricated frame replaces the pressing layer from the first variant; the prefabricated frame can therefore be seen as a special case of the pressing layer.
  • the joined layers were then heated to fix the erected shafts in position.
  • the layers were heated at a ramp as slow as possible of about 5°C/min.
  • the temperature was then held at 150°C to 160°C for 60 minutes.
  • the layers were completely cooled (about 120 minutes) before they were taken apart.
  • the layers were separated from each other and the former 2D electrode structure layer was obtained as a new, three-dimensionally structured electrode layer with upright electrode shafts positioned approximately at a 90° angle to the layer plane.
  • Figure 1 shows a schematic of the sequence of production of 2D electrode structure layers 2DE, as described above.
  • the layering is shown in a view parallel to the 2D electrode structure layer 2DE after the respective process step.
  • the numbers 1), 2), 4), 5), 6) and 7) shown on the far left represent the process steps described above with the corresponding numbering.
  • the first substrate layer IS is applied to a carrier substrate T.
  • an optional intermediate layer oZ which is preferably only used if polyimides are used as the substrate.
  • step 2) the first, structured metal layer (base metal layer) IM is then applied to this.
  • this layer only consists of conductor tracks L and electrode surfaces EF (regardless of whether a complete metal layer is first applied and then excess metal is removed, or metal is only applied to selected, e.g. exposed areas and the remaining areas are then freed of, e.g., protective polymer; L and EF are not shown separately in this figure for the sake of clarity).
  • the layer sequence after step 4) is shown, in which the passivation layer P remains.
  • step 5) only the first metal layer IM is then exposed at selected locations, and in step 6) the carrier substrate T is removed.
  • step 7) the exposed electrode surfaces are then coated with electrically conductive substances (polymers), resulting in an electrically conductive coating eB, which then remains.
  • electrically conductive substances polymers
  • step 7) the exposed electrode surfaces are then coated with electrically conductive substances (polymers), resulting in an electrically conductive coating eB, which then remains.
  • the product thus obtained, the 2D electrode structure layer 2DE can then be subjected to a "kirigami process" (i.e. the process steps A) to F)) according to the invention, for example as shown in Figures 3 or 4.
  • a "kirigami process” i.e. the process steps A) to F
  • FIG. 2 illustrates the same as Fig. 1, but with the difference that here a second procedure is shown in which step 3) is carried out, but not step 7).
  • step 3 it is shown that here the intermediate layer Z is first applied, with the first metal layer IM remaining partially exposed, or being exposed again, so that at the end of step 3) a partially exposed first metal layer IM results.
  • step 3d a second metal layer 2M is then applied, which then remains.
  • the second metal layer 2M partially rests on the intermediate layer Z, but this is not necessarily the case.
  • the 2D electrode structure layer 2DE can then be subjected to a "kirigami process" (i.e. the process steps A) to F) according to the invention, for example as shown in Figures 3 or 4.
  • Figures 3 to 5 illustrate the method according to the invention for producing three-dimensionally structured electrode layers (i.e. a type of Kirigami process).
  • Figure 3 shows a first possible variant of positioning and bringing together the 2D electrode structure layer 2DE, shaping layer F and pressing layer A.
  • the left half of the figure shows how a 2D electrode structure layer 2DE comprising a plurality (four are shown) of n-sided electrode structures n-ES is brought together with a shaping layer F, here placed from above.
  • the shaping layer F comprises a plurality (four are shown) of protruding structures hS.
  • the right half also shows a pressing layer A, which comprises an edge and an additional wall or a web on three sides (of course, several walls or webs or other structures as well as edges on all four sides or only on two sides or one are possible).
  • FIG 4 shows a second possible variant of positioning and bringing together the 2D electrode structure layer 2DE, shaping layer F and - instead of the pressing layer A - prefabricated holder vF, which is a special embodiment of the pressing layer.
  • a prefabricated holder vF is shown here, which is designed here in the form of a frame into which the 2D electrode structure layer 2DE can be inserted.
  • the shaping layer F does not have an edge and in this illustration is inserted from above into the frame of the prefabricated holder vF and placed on the 2D electrode structure layer 2DE.
  • Fig. 4 shows the same as Fig. 3.
  • Fig. 5 shows schematically the complete method according to the invention - for the sake of simplicity only illustrated using the variant of Fig. 3, which is also preferred in some variants of the present invention.
  • the middle upper part of the figure illustrates that according to Fig. 3 the three layers, 2D electrode structure layer 2DE, shaping layer F and pressing layer A, are joined together. If the pressing layer A is removed after pressing together, the 2D electrode structure layer 2DE is obtained and the shaping layer F is assembled, as shown in the right-hand part.
  • the n-sided electrode structures n-ES have been pressed out of the plane of the 2D electrode structure layer 2DE and erected by pressing through the protruding structures hS of the shaping layer F upwards.
  • FIG. 6 shows, by way of example, three different illustrations for n-sided electrode structures, each seen parallel to the corresponding 2D electrode structure layers.
  • Figure 6a shows a 3-sided electrode structure 3n which is folded out from the plane of the 2D electrode structure layer 2DE.
  • the 3-sided electrode structure 3n has three electrode surfaces EF and correspondingly three conductor tracks L which lead away from the electrode surfaces EF.
  • Figure 6b shows a 4-sided electrode structure 4n (with a pointed short side; this electrode structure could therefore also be referred to as 5-sided or 4-sided with a point) which is folded out from the plane of the 2D electrode structure layer 2DE.
  • the 4-sided electrode structure 4n has four electrode surfaces EF and correspondingly four conductor tracks L which lead away from the electrode surfaces EF.
  • Figure 6c shows a 5-sided electrode structure 5n that is folded out of the plane of the 2D electrode structure layer 2DE.
  • the 5-sided electrode structure 5n has four electrode surfaces EF and correspondingly four conductor tracks L that continue from the electrode surfaces EF.
  • a contact pressure position hS protruding structures vF prefabricated frame (special case of the contact pressure position)
  • Conductor track oZ optional intermediate layer (Cr/AU/Cr, especially if IS is PaC)

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft dreidimensional strukturierten Elektrodenlagen, Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung, wobei die Herstellung bevorzugt nach dem Kirigami-Prinzip erfolgt.

Description

Herstellung dreidimensional strukturierter Elektrodenlagen, insbesondere im Kirigami-Prinzip
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 dreidimensional strukturierte Elektrodenlagen, Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung, wobei die Herstellung bevorzugt nach dem Kirigami-Prinzip erfolgt.
Stand der Technik:
Flexible Neuroimplantate sind implantierbare elektronische Geräte, die die neuronale Aktivität von Nervengewebe im peripheren und zentralen Nervensystem messen und stimulieren können. Neuroimplantate bestehen größtenteils aus einer Matrix von Mikroelektroden, bei denen es sich in der Regel um leitende Schichten handelt, die zwischen dünnen isolierenden Polymerschichten eingebettet und eingekapselt sind. Die meist ein- (ID) oder zweidimensionale (2D) Elektrodenmatrix wird entweder auf dem Nervengewebe aufgelegt oder penetriert das Gewebe, um verschiedene neuronale Aktivitäten, z.B. des Gehirns, der Retina oder von peripheren Nerven, zu messen und/oder zu kontrollieren. Flexible neuronale Implantate können Oberflächenimplantate sein, die aus einer 2D-Matrix bestehen, um die x-y-Positionen an der Oberfläche des neuronalen Gewebes abzubilden. Um Zellen auch innerhalb des Nervengewebes an beliebigen x- und y-Positionen ansprechen zu können, existieren penetrierende Fäden oder Schäfte, die jeweils aus einer ID- oder 2D-Elektrodenmatrix bestehen. Dabei entspricht eine ID-Matrix einem einzelnen Schaft, um die z-Achse mit abzubilden, und eine 2D-Matrix entspricht einer Gruppe von Schäften mit festen Abständen zwischen den Schäften, um x - z- oder y - z-Positionen abzubilden. Ein Standardansatz für Multielektroden-Arrays ist das Utah-Array, das aus Silizium (Si)- Nadeln mit metallbasierten oder leitfähigen Polymerspitzen und einer biokompatiblen Polymerverkapselung besteht. Daher erlaubt das Utah-Array nur eine Ableitung je Nadel (x - y-Positionen bei fester z-Position). Ein anderer Ansatz ist das Standarddesign von Michigan, welches aus Goldelektroden auf Si-Schäften besteht. Hier können zwar mehrere Ableitungen je Schaft erfolgen (mehrere z-Positionen), aber das Design ist planar, sodass nur Ableitungen in x - z- oder y - z- möglich sind. Um mit dem dreidimensionalen Raum von Nervengewebe interagieren zu können, werden dreidimensionale (3D) Neuroimplantate mit möglichst vielen Elektroden zur Ableitung benötigt. Diese Implantate sollten dann in verschiedene Schichten des Gewebes eindringen, um Zellen von unterschiedlichen Schichten zu stimulieren und ihre Signale abzuleiten. Die vorhandenen Arbeiten mit Mehrfachableitung in drei Dimensionen konzentrieren sich zurzeit hauptsächlich auf in-vitro, ex-vivo, oder in- vivo Experimente, zum Beispiel im Kortex. Wenn mehrere ID- oder 2D-Matrizen an verschiedenen x - y-Positionen implantiert werden, kann der Zugang zum 3D-Raum gewährleistet werden. Jedoch ergeben sich dabei die folgenden technischen Probleme: i. Jede Probe muss einzeln implantiert werden, wodurch sich die Implantationszeit und der Platzbedarf für die Front-End-Verbindungen erhöhen. ii. Beliebige Positionen einzelner ID- oder 2D-Sonden erhöhen die Komplexität der Rekonstruktion und Analyse des 3D-Raums, insbesondere, weil die implantierte Position einzelner Sonden anfällig für Veränderungen aufgrund von Mikrobewegungen (z. B. durch die Atmung oder des Herz-Kreislauf-Systems) ist. iii. Es kann kein simultaner Zugriff auf den vollständigen 3D-Raum erfolgen.
Verschiedene dreidimensionale Neuroimplantate im mm- und pm- Größenbereich wurden bereits mit unterschiedlichen Methoden hergestellt. Die zwei hauptsächlich genutzten Methoden sind zum einen die Stapelung von mehreren 2D-Implantaten oder Kirigami-Technik. i. Stapelung von 2D-Implantaten: Hier werden mehrere 2D-Implantate aufeinandergestapelt, um ein 3D-Implantat zu generieren. Üblicherweise befinden sich zwischen den 2D-Implantaten Platzhalter, um einen genauen Abstand zu definieren (zum Beispiel in Shin, H. et al. : „3D high-density microelectrode array with optical stimulation and drug delivery for investigating neural circuit dynamics", Nat. Commun. 12, 492 (2021), https://doi.org/10.1038/s41467-020-20763-3). ii. Kirigami-Technik: Hier werden 2D-Strukturen (aus-)geschnitten und anschließend so gefaltet, dass ein 3D-Implantat entsteht (zum Beispiel in Socia et al. : „A flexible 3-dimensional microelectrode array for in vitro brain models", Lab Chip., 2020, 20, 901-911. DOI https://doi.org/10.1039/C9LC01148J). Für das Falten an sich existieren in der Literatur verschiedene Methoden: a. Nutzen von ferromagnetischen Folien auf der Rückseite der Schäfte, um das 2D-Design mithilfe eines magnetischen Feldes zu falten. b. Die Schäfte falten sich von selbst (z.B. durch elektrostatische Einwirkungen). c. Manuelles, mechanisches Falten der einzelnen 2D-Schäfte oder mehrerer zur gleichen Zeit.
Die Lösungen des Standes der Technik sind entweder manuelle und zum Teil sehr zeitaufwändige Prozesse, die das individuelle Falten von einzelnen Schäften oder das einzelne Übereinanderstapeln von 2D-Proben verlangen. Diese Prozesse sind nicht oder nur schwer parallelisierbar. Außerdem werden zytotoxische Materialen, z.B. ferromagnetische Metalle wie Nickel, in Kombination mit energiereichen magnetischen Feldern (100 - 400 mT), die als gefährlich gelten, verwendet. Zum Teil falten sich Schäfte wieder zurück oder der Faltwinkel liegt nicht immer bei 90° (unzuverlässige Ergebnisse).
Daher wird nach wie vor nach einer Methode gesucht, die eine schnelle, parallelisierbare und zuverlässige Herstellung von dreidimensionalen (Neuro-)Implantaten erlaubt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher im Hinblick auf den Stand der Technik Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen (Neuro-)Implantaten beziehungsweise dafür geeigneten dreidimensional strukturierten Elektrodenanordnungen, welche die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweisen und insbesondere schnell, parallelisierbar und zuverlässig sind, sowie diese Implantate und Anordnungen selbst 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 bedeutet der Ausdruck „flexibel", dass die betreffenden Elemente, insbesondere die 2D-Elektrodenstrukturlage und die n- seitigen Elektrodenstrukturen, um 90° gebogen werden können, ohne dass sie dabei zerstört werden oder ihre Funktionalität verlieren, was dadurch erreicht wird, dass Materialien mit einer entsprechenden Biegesteifigkeit (die abhängt vom Elastizitätsmodul der eingesetzten Materialien und der jeweiligen Materialdicke) eingesetzt werden. Die Elastizitätsmoduln der Materialien sind dem Fachmann bekannt beziehungsweise können nachgeschlagen werden, so dass der Fachmann die notwendige Biegesteifigkeit ohne weiteres bestimmen kann. Insbesondere sind Beispiele Parylene C oder Polyimid mit Ti/Au- oder Ti/Au/Ti-Leiterbahnen darauf.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind alle Mengenangaben, sofern nicht anders angegeben, als Gewichtsangaben zu verstehen.
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.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensional strukturierten Elektrodenlagen beziehungsweise von 3D-Mikroelektrodenarrays (MEA). Diese können als neuronale 3D-Implantate auf der Grundlage flexibler, polymerer und gegebenenfalls thermoplastischer Materialien (z. B. Parylene C oder Polyimide) verwendet werden. Dabei bestehen die Implantate aus einer 3D- Mikroelektrodenmatrix aus flexiblen Schäften, von denen jeder mindestens eine, bevorzugt aber mehrere Elektrodenstellen enthält, um bei der Implantation eine elektrische Kopplung, insbesondere mit neuralen Gewebe, herstellen zu können. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, planare Elektroden auf der Oberfläche der 2D- Struktur des 3D-Mikroelektrodenarrays anzuordnen, insbesondere kann dies erreicht werden, indem die betreffenden Elektrodenstrukturen im Rahmen des Herstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung nicht angehoben werden, also in der zu verwendenden Formgebungslage an deren Stellen keine Erhebungen vorgesehen werden.
Zur Herstellung werden zunächst Reinraumtechnologien der Halbleitertechnik eingesetzt, um die 2D-Form (x-y) und Ausschnitte für das Falten des MEA/Implantats zu erzeugen. Dann folgt das Falten der Kirigami-Strukturen. Die Bezeichnung Kirigami - Strukturen kommt aus der japanischen Papierfaltkunst, wo Kirigami eine Variante von Origami ist. Um Kirigami-Strukturen zu erzeugen, wird das zweidimensionale Material sowohl geschnitten als auch gefaltet. Dies führt zu einem dreidimensionalen Design, das sich von der zweidimensionalen Struktur abhebt. Die Bezeichnung „Kirigami- Strukturen" ist im Stand der Technik gebräuchlich und dem Fachmann bekannt (vgl. zum Beispiel die Abstracts von Liu et al. „Self-Healing Kirigami Assembly Strategy for Conformal Electronics", Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2109214 oder von Guo et al. „A flexible and stretchable Kirigami-inspired implantable neural probe with floating microsites for electrophysiology recordings", 2020 IEEE 33rd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Vancouver, BC, Canada, 2020, pp. 350- 353). Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein mechanisches Formgebungsverfahren verwendet, um alle 2D-Schäfte gleichzeitig anzuheben und so ein MEA beziehungsweise eine 3D-Sonde mit vordefinierten Abständen zwischen den einzelnen Schäften zu bilden. Dazu wird die 2D-Elektrodenstrukturlage zu einer Art Selbstjustierung (Schlüssel-Schloss-Prinzip) auf ein Array aus Blöcken und Strukturen (die Formgebungslage) gelegt, um die jeweiligen Elektrodenschäfte gleichzeitig in einem vorher frei definierten Winkel (je nach Anwendung) nach oben zu falten. Im Prinzip sind alle Winkel technisch möglich. Erfindungsgemäß bevorzugt sind aber Winkel zwischen 45° und 135°, besonders bevorzugt 70 bis 110°, insbesondere 90°, jeweils bezogen auf die Ebene der ursprünglichen 2D-Elektrodenstrukturlage.
Falls die Strukturen (Elektrodenstrukturen, beziehungsweise deren Schäfte) ein hohes Seitenverhältnis haben, können Sollbruchstellen in den Schnittstellen genutzt werden, um die Strukturen während der Herstellung und vor dem Falten zu stabilisieren. Danach wird das MEA beziehungsweise die 3D-Sonde in einer Umgebung mit Hitze (Ofen) platziert, um die 3D-Strukturen zu stabilisieren (Thermoverformung).
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die 2D-Strukturen der Elektrodenstrukturlagen und die Formen zum Falten (Formgebungslagen) in bevorzugten Varianten im Mikrometer-Bereich gefertigt. Dafür ist es vorteilhaft und mithin bevorzugt, wenn die Herstellung unter Verwendung von Reinraumtechnologie, Mikrofabrikationsprozessen, Dünnfilmtechniken sowie 3D-Druck mit Auflösung im pm- Bereich erfolgt. Das Falten der 2D-Strukturen im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ein sehr präziser, selbstjustierender Vorgang (Schlüssel-Schloss-Prinzip), der bevorzugt mit pm-Genauigkeit ausgeführt wird, insbesondere, wenn die 2D- Elektrodenstrukturlage zwischen Formgebungslage und Anpresslage gepresst wird .
Zunächst ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensional strukturierten Elektrodenlagen, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst oder hieraus besteht:
A) Bereitstellen einer flexiblen 2D-Elektrodenstrukturlage umfassend n-seitige Elektrodenstrukturen, von denen eine Seite an der Strukturlage fest ist und die übrigen Seiten ganz oder teilweise von der Strukturlage abgetrennt sind, bevorzugt durch ein- oder durchschneiden sind;
B) Bereitstellen einer dreidimensionalen Formgebungslage umfassend hervorstehende Strukturen;
C) Ausrichten der flexiblen 2D-Elektrodenstrukturlage und der Formgebungslage, so dass die jeweiligen hervorstehenden Strukturen jeweiligen n-seitigen Elektrodenstrukturen zugeordnet sind;
D) Zusammenpressen der 2D-Elektrodenstrukturlage und der Formgebungslage, wobei die n-seitigen Elektrodenstrukturen durch die jeweiligen hervorstehenden Strukturen der Formgebungslage aus der Ebene der 2D- Elektrodenstrukturlage um eine an der 2D-Elektrodenstrukturlage festen Seite rotierend herausgedrückt und angehoben werden (also bis auf die feste Seite);
E) Erhitzen der zusammengefügten Lagen, so dass die n-seitigen Elektrodenstrukturen der Elektrodenstrukturlage in der durch die hervorstehenden Strukturen der Formgebungslage vorgegebenen (hervorgerufenen) Lage fixiert werden;
F) Trennen der Lagen voneinander.
In bevorzugten Ausführungsformen sind die n-seitige Elektrodenstrukturen (n-ES), mit einer Seite an der Strukturlage fest und die übrigen Seiten teilweise von der Strukturlage abgetrennt und weisen mindestens zwei, bevorzugt zwei, Sollbruchstellen auf, besonders bevorzugt bei 5-seitigen Elektrodenstrukturen, die die Form eines Obeliskenlängsschnittes aufweisen, zwei oder drei Sollbruchstellen, jeweils eine an den langen Seitenflächen und optional eine an der Spitze. Da das Material flexibel ist, biegen sich die n-seitigen Strukturen sobald die 2D- Elektrodenstrukturlage in die Formgebungslage platziert wird. Durch das Erhitzen wird die Molekülstruktur des Materials der 2D-Elektrodenstrukturlage dann so verändert, dass die Form nach der Abkühlung erhalten bleibt (je nach Material thermoplastisch oder duroplastisch).
In bevorzugten Ausführungsformen sind die 2D-Elektrodenstrukturlagen freitragend und benötigen daher während der Herstellung bzw. der späteren Anwendung keine Stützlagen. Dies gilt besonders bevorzugt für 2D-Elektrodenstrukturlagen mit den weiter unten angegebenen Dimensionen und insbesondere für solche basierend auf/aus Parylene C.
Es sei angemerkt, dass neben Parylene C im Rahmen der vorliegenden Erfindung in Ausführungsformen zusätzlich oder alternativ zu Parylene C andere Parylene (z.B. Parylene N, Parylene D) verwendet werden können.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet n-seitige Elektrodenstruktur, dass die jeweilige Struktur n Seiten hat, wobei n eine ganze natürliche Zahl und 3 oder größer ist. Im Prinzip besteht kein oberes Ende für n, jedoch wird ab einer gewissen Größe von n die an der Strukturlage feste Seite zu kurz um stabil zu sein. Insofern ist n bevorzugt 3 und 12, besonders bevorzugt 3 bis 8, insbesondere bevorzugt 3 bis 6 und noch weiter bevorzugt 3 bis 5. Am meisten bevorzugt ist n = 4 oder n=5.
Das der festen Seite abgewandte Ende muss nicht zwangsläufig eine gerade Seite sein, sondern kann auch als Spitze ausgeformt sein. Zum Beispiel könnte bei n=4 die Elektrodenstruktur länglich und rechteckig sein und die dem festen Ende am weitesten entfernte Seite (kurze Seite) könnte als Spitze ausgeformt sein, die Elektrodenstruktur hätte dann die Form eines Obeliskenlängsschnittes. Dies ist erfindungsgemäß eine besonders bevorzugte Ausgestaltung. Diese Variante könnte auch als 5-seitig bezeichnet werden, wenn man die Kanten der Spitze als Seiten ansieht.
Erfindungsgemäß ist eine der n Seiten fest an der Strukturlage. Um diese Seite herum als Drehachse, in Art eines Scharniers wirkenden Gelenks, also mit Freiheitgrad f= l, wird die jeweilige n-seitige Elektrodenstruktur in Schritt D) durch Einwirkung der hervorstehenden Strukturen der Formgebungslage heraus aus der Ebene der Elektrodenstrukturlage aufgerichtet werden, wodurch aus der 2D- Elektrodenstrukturlage eine Lage mit dreidimensionaler Struktur der Elektrodenstrukturen wird.
Die übrigen Seiten sind ganz oder teilweise von der Strukturlage abgetrennt, damit sie dem Aufrichten nicht entgegenwirken. Abhängig von der Größe der n-seitigen Elektrodenstruktur kann es nötig sein, dass die Seiten nur teilweise abgetrennt sind, damit die n-seitigen Elektrodenstrukturen noch ausreichend stabil sind und nicht zum Beispiel einfach „herunterhängen", denn dies würde die Genauigkeit der weiteren Verarbeitung erschweren. Für diesen Fall sind die Seiten möglichst weitgehend abgetrennt und die nicht getrennten Bereiche verbleiben als Sollbruchstellen. durch die teilweise Durchtrennung mindestens zwei Sollbruchstellen verbleiben, besonders bevorzugt bei 5-seitigen Elektrodenstrukturen, die die Form eines Obeliskenlängsschnittes aufweisen, zwei oder drei Sollbruchstellen, jeweils eine an den langen Seitenflächen und optional eine an der Spitze
In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung verbleiben durch die teilweise Durchtrennung mindestens zwei Sollbruchstellen, besonders bevorzugt bei 5-seitigen Elektrodenstrukturen, die die Form eines Obeliskenlängsschnittes aufweisen, zwei oder drei Sollbruchstellen, jeweils eine an den langen Seitenflächen und optional eine an der Spitze.
Die Abtrennung der Seiten von der übrigen 2D-Elektrodenstrukturplatte erfolgt bevorzugt während der Herstellung der 2D-Elektrodenstrukturlage. Es handelt sich bevorzugt nicht um einen herkömmlichen Schneidvorgang, sondern einen Trockenätzschritt (reactive ion etching), bei dem mindestens 3 pm breite Aussparungen um die Seiten herum geätzt werden (außer um die Seite, die mit der 2D-Elektrodenstrukturlage verbunden bleiben und als „scharnierartige" Drehachse dienen soll). Bei hohen Seitenverhältnissen befinden sich in den Aussparungen Sollbruchstellen zwischen der n-seitigen Elektrodenstruktur und der 2D- Elektrodenstrukturlage. Die Sollbruchstellen sind in diesen Fällen bevorzugt so gestaltet, dass sie durch mechanische Belastung aufgrund der hervorstehenden Strukturen der Formgebungslage aufbrechen, sobald die 2D-Elektrodenstrukurlage und die Formgebungslage zusammengepresst werden.
Wenn die n-seitigen Elektrodenstrukturen lang sind, zum Beispiel länger als 300 pm, oder wenn dünne Schichten verwendet werden, zum Beispiel eine Gesamtdicke von 6 pm, ist es erfindungsgemäß in einigen Varianten bevorzugt, Sollbruchstellen an den Seiten der n-seitigen Elektrodenstrukturen zu befestigen, welche für Stabilität sorgen, die aber beim Zusammenführen der n-seitigen Elektrodenstrukturen und der Formgebungslage und dem Herausdrücken der n-seitigen Elektrodenstrukturen aus der Ebene aufbrechen.
Sollbruchstellen sind zwar zum Beispiel im Maschinenbau übliche Maßnahmen aber nicht in der Dünnschichtverarbeitung oder in der Neurotechnologie/Mikrotechnologie. Die Verwendung von Sollbruchstellen für die Herstellung von neuronalen Implantaten sind neu und n-seitige Elektrodenstrukturen in einer 2D-Elektrodenstrukturlage, die neben der einen Seite, mit der sie an der Strukturlage fest sind, zusätzlich noch mit mindestens zwei Sollbruchstellen mit der 2D-Elektrodenstrukturlage verbunden sind, ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung . Diese Strukturen sind in bevorzugten Varianten ein wichtiges Merkmal, da sie die 2D-Elektrodenlage stabilisieren (bevor sie im Rahmen der zusammengefügten Lagen fixiert/in Form gebracht und anschließend erhitzt werden) und so eine erfolgreiche Herstellung ermöglichen. Die Sollbruchstellen sind dabei bei der Abtrennung der Seiten der n-seitigen Elektrodenstrukturen von der übrigen 2D-Elektrodenstrukturplatte absichtlich nicht abgetrennte Stellen.
In einigen bevorzugten Varianten mit 5-seitigen Elektrodenstrukturen, die die Form eines Obeliskenlängsschnittes aufweisen, sind zwei oder drei Sollbruchstellen vorhanden, jeweils eine an den langen Seitenflächen und optional eine an der Spitze. Diese Sollbruchstellen haben in bevorzugten Varianten eine Breite, in Richtung der Seitenfläche, an der sie sich befinden, von 0,2 bis 5 pm, bevorzugt 1 bis 2 pm.
Die n-seitigen Elektrodenstrukturen weisen Elektrodenflächen und Leiterbahnen auf, wobei diese leitend mit weiteren Leiterbahnen und/oder Elektroden auf der 2D- Elektrodenstrukturlage verbunden sind. Die Leiterbahnen sind dabei so konfiguriert, dass sie das Aufrichten ohne Beschädigung überstehen. Da das Aufrichten in Richtung der Leiterbahnen erfolgt, ist dies üblicherweise nicht problematisch und in manchen Varianten der vorliegenden Erfindung bedarf es keiner besonderen Maßnahmen diesbezüglich; in anderen Varianten der vorliegenden Erfindung werden die Leiterbahnen an den Stellen, bei denen beim Aufrichten die größten Winkel entstehen, bevorzugt in Form von Mäanderstrukturen ausgeführt, sodass die mechanische Belastung verringert wird. Eine andere Möglichkeit weiterer erfindungsgemäßer Varianten ist es, die Schichtdicke der Leiterbahnen zu verringern.
In Varianten der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, wenn die n-seitigen Elektrodenstrukturen regelmäßige n-Ecke bilden, zum Beispiel gleichseitige.
Das Aspektverhältnis der n-seitigen Elektrodenstrukturen ist Länge: Breite, wobei die Länge die längste Strecke orthogonal zu der festen Seite und die Breite die längste Strecke parallel zu der festen Seite ist.
In manchen bevorzugten Ausführungsformen beträgt das Aspektverhältnis 250: 1 bis 1: 1, bevorzugter 100: 1 bis 1: 1, mehr bevorzugt 50: 1 bis 1: 1, weiter bevorzugt 10: 1 bis 1: 1, noch weiter bevorzugt 8: 1 bis 2: 1, besonders bevorzugt 6: 1 bis 3.1 und insbesondere 5: 1 bis 4: 1. In einer bevorzugten Variante beträgt das Aspektverhältnis einer 4-seitigen Elektrodenstruktur 5: 1 bis 4: 1.
In weiteren Ausführungsformen können die Aspektverhältnisse wie folgt ausgewählt werden: für KiriCors (siehe dazu weiter unten) 250: 1 bis 15: 1, zum Beispiel 20: 1, etwa 33: 1, 40: 1, etwa 67: 1, 100: 1 oder 200: 1; für KiriRets (siehe dazu weiter unten) 50: 1 bis 3: 1, zum Beispiel 4: 1, etwa 5: 1, 6: 1, etwa 8: 1, 23: 1 oder 45: 1.
Die hervorstehenden Strukturen der Formgebungslage können im Prinzip beliebige Formen aufweisen. Es muss lediglich gewährleistet sein, dass durch diese Strukturen beim Zusammendrücken/Anpressen der Formgebungslage mit der Elektrodenstrukturlage die n-seitigen Elektrodenstrukturen weggedrückt werden können, ohne dabei zerstört zu werden. Insofern ist es bevorzugt, wenn die hervorstehenden Strukturen nicht zu spitz und zu hart sind, so dass sie die n-seitigen Elektrodenstrukturen nicht beschädigen.
In bevorzugten Ausgestaltungen sind die hervorstehenden Strukturen rechteckige Blöcke mit einem pyramidalen oberen Ende, oder mit einem viereckig prismatischen oberen Ende. In der Anwendung wird die Formgebungslage dann bevorzugt so angeordnet, dass die Neigung der oberen Fläche des viereckig prismatischen oberen Endes von der vollständig festen Seite der n-seitige Elektrodenstruktur aus gesehen ansteigen.
Weiterhin sollten die jeweiligen hervorstehenden Strukturen in Ihren Dimensionen so angepasst sein, dass sie genügend Druck auf die n-seitigen Elektrodenstrukturen ausüben können, wobei die hervorstehenden Strukturen der Formgebungsanlage so gewählt sein sollten, dass sie einerseits den n-seitigen Elektrodenstrukturen möglichst wenig Kontaktfläche bieten, jedoch andererseits so, dass sie das korrekte Falten der n-seitigen-Elektrodenstrukturen ermöglichen.
Bevorzugt ist es, wenn die Breite und Länge der jeweiligen hervorstehenden Struktur auf der Formgebungslage geringer ist als die Breite und Länge der jeweils zugeordneten n-seitigen Elektrodenstruktur. Die hervorstehenden Strukturen sollten also insbesondere eine nicht zu große Breite und eine zumindest nicht zu geringe Länge haben.
Dabei bedeutet nicht zu große Breite, dass die Breite bevorzugt zwischen 30% und 90%, mehr bevorzugt zwischen 35% und 80%, besonders bevorzugt zwischen und 40% und 70%, insbesondere bevorzugt zwischen 45% und 60% der Breite der jeweiligen (zugeordneten) n-seitigen Elektrodenstruktur beträgt. Nicht zu geringe Länge bedeutet, dass sie gleich lang oder weniger lang wie die jeweiligen (zugeordneten) n-seitigen Elektrodenstrukturen sind, aber zumindest ausreichend lang, um die jeweiligen n-seitige Elektrodenstrukturen anzuheben, wobei idealerweise die Länge wenigstens 50%, bevorzugt wenigstens 70%, besonders bevorzugt wenigstens 85% aber weniger als 100% der Länge bevorzugt weniger als 95% der Länge der jeweiligen n-seitigen Elektrodenstruktur beträgt.
In einigen Varianten der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, wenn die Länge der hervorstehenden Strukturen 90% der n-seitigen-Elektrodenstruktur entspricht und die Breite 50%. Um die Kontaktflächen zu verringern, können die hervorstehenden Strukturen als Quader mit Unterschnitt konstruiert werden .
Die Höhe jeder der jeweiligen hervorstehenden Struktur ist bevorzugt mindestens halb so hoch, bevorzugt zwischen 55% und 80% so hoch, wie die Länge der jeweiligen zugeordneten n-seitigen Elektrodenstruktur.
In manchen bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung haben alle n- seitigen Elektrodenstrukturen eine Elektrodenstrukturlage die gleichen Abmessungen und ebenfalls alle hervorstehenden Strukturen der Formgebungslage die gleichen Abmessungen, die in Ihren Abmessungen und Ihren Positionen auf die Abmessungen und Positionen der n-seitigen Elektrodenstrukturen adaptiert sind.
In Schritt E) werden die zusammengefügten Lagen auf eine Temperatur erhitzt, die eine dauerhafte Formgebung der aufgerichteten n-seitigen Elektrodenstrukturen bewirkt. Für den Fall, dass die 2D-Elektrodenstrukturlage auf einen thermoplastischen Material, wie bevorzugt Parylene C oder Polyimid, insbesondere Parylene C, beruhen, wird auf eine Temperatur erhöht, die über der Glastemperatur der Polymermaterialien aber unter deren Schmelzpunkt liegt.
Für den Fall, dass Duroplasten eingesetzt werden, also noch eine Aushärtung erfolgen soll, wird auf eine Temperatur erhöht, bei der die enthaltenen Initiatoren spalten, oder bei der die Vernetzungsreaktion abläuft.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist bevorzugt auch ei n Gegenstand die Herstellung der 2D-Elektrodenstrukturlage bevorzugt umfassend folgende Verfahrensschritte oder hieraus bestehend:
1) Bereitstellung einer ersten flexiblen Substratschicht, bevorzugt aus einem thermoplastischen Material, auf einem Trägersubstrat;
2) Aufbringen einer strukturierten Basismetallschicht umfassend Leiterbahnen und Elektrodenflächen auf die erste flexible Substratschicht;
3) optional Aufbringen einer flexiblen Zwischenschicht, bevorzugt aus einem thermoplastischen Material, auf die strukturierte Basismetallschicht, umfassend die Unterschritte:
3a) Aufbringen einer Maske, bevorzugt Ätzmaske, auf die flexible Zwischenschicht,
3b) Freilegen definierter Bereiche der Basismetallschicht, bevorzugt über reaktives lonenätzen, der durch die Maske definierten, zu entfernenden Bereiche,
3c) Entfernen der Maske, bevorzugt Ätzmaske, 3d) Einbringen einer zweiten Metallschicht in die freigelegten Stellen der flexiblen Zwischenschicht;
4) Aufbringen einer Passivierungsschicht, bevorzugt aus einem thermoplastischen Material, auf die strukturierte Basismetallschicht oder die flexible Zwischenschicht;
5) Strukturierung der Passivierungsschicht umfassend die Unterschritte:
5a) Aufbringen einer Maske, bevorzugt Ätzmaske, auf die Passivierungsschicht,
5b) Freilegen definierter Bereiche der Passivierungsschicht, bevorzugt über reaktives lonenätzen, der durch die Maske definierten, zu entfernenden Bereiche, optional, insbesondere falls Schritt 3) nicht durchgeführt wurde, mehrmalig,
5c) Entfernen der Maske, bevorzugt Ätzmaske;
6) Entfernen des Trägersubstrats;
7) falls kein Schritt 3) vollführt wurde, Einbringen eines Beschichtungsmaterials in die freigelegten Bereiche der Passivierungsschicht und auf die freigelegten Bereiche der Elektrodenoberflächen.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Herstellung der 2D-Elektrodenstrukturlage Teil des Verfahrens zur Herstellung der dreidimensional strukturierten Elektrodenlagen ist.
Schritt 2) erfolgt bevorzugt durch
2a) Aufbringen und anschließendes selektives Belichten eines Fotolacks, zum Beispiel mithilfe einer Belichtungsmaske,
2b) Entfernen der belichteten oder nichtbelichteten Bereiche, abhängig davon, ob ein positiver oder negativer Fotolack eingesetzt wird, 2c) Metallabscheidung in den freigelegten Bereichen.
Dies sind fachübliche Schritte, die dem Fachmann ohne weiteres geläufig sind und daher nicht weiter beschrieben werden müssen.
Die Basismetallschicht, also die strukturierte leitende Schicht kann dabei auf verschiedene Art und Wise strukturiert sein. Meist sind es (mehr oder weniger) gerade Leiterbahnen, die mit den Elektrodenflächen verbunden sind. Wie bereits angedeutet, können es aber auch mäandernde Strukturen sein, um zum Beispiel den Stress während des Biegens besser aushalten zu können. Andere erfindungsgemäß mögliche Strukturen sind gitterförmige Ausführungen.
In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist die erste Substratschicht eine Dicke von 0,5 pm bis 10 pm, besonders bevorzugt 2 pm bis 8 pm, weiter bevorzugt 4 pm bis 6 pm und insbesondere 5 pm, auf. In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist die Zwischenschicht eine Dicke von 0,1 pm bis 4 pm, besonders bevorzugt 0,2 pm bis 3 pm, weiter bevorzugt 0,3 pm bis 2 pm und insbesondere 0,5 pm bis 1 pm, auf.
In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist die Passivierungsschicht eine Dicke von 0,5 pm bis 10 pm, besonders bevorzugt 2 pm bis 8 pm, weiter bevorzugt 4 pm bis 6 pm und insbesondere 5 pm, auf.
In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist erste Basismetallschicht eine Gesamtdicke von 50 nm bis 170 nm, besonders bevorzugt 100 nm bis 150 nm, weiter bevorzugt 110 nm bis 140 nm und insbesondere 120 nm bis 130 nm, auf.
In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist zweite Metallschicht eine Dicke von 80 nm bis 140 nm, besonders bevorzugt 90 nm bis 130 nm, weiter bevorzugt 100 nm bis 120 nm und insbesondere 110 nm, auf.
In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist die aufgetragene Elektrodenbeschichtung eine Dicke zwischen 50 nm und 1000 nm auf. Dabei ist es weiter bevorzugt, wenn die tatsächliche Dicke insbesondere in Abhängigkeit von gewünschter Leitfähigkeit und vom gewählten Material (sowie weitern gewünschten Eigenschaften, wie zum Beispiel Materialfestigkeit o.ä.) ausgewählt wird.
In manchen bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist die über Rotationsbeschichtung aufgetragene Elektrodenbeschichtung, insbesondere, wenn dies PEDOT: PSS ist, eine Dicke zwischen 350 nm und 1000 nm, bevorzugt zwischen 400 nm und 950 nm, auf.
In anderen bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist die über galvanische Abscheidung aufgetragene Elektrodenbeschichtung, insbesondere, wenn dies PEDOT: PSS ist, eine Dicke zwischen 100 nm und 700 nm, bevorzugt zwischen 130 nm und 600 nm, auf.
In weiteren bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist die über galvanische Abscheidung aufgetragene Elektrodenbeschichtung, insbesondere, wenn dies Iridiumoxid ist, eine Dicke zwischen 80 nm und 140 nm, bevorzugt zwischen 98 nm und 118 nm, auf.
In noch weiteren bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist die mittels Sputtern aufgetragen Elektrodenbeschichtung, insbesondere, wenn dies SIROF (aufgesputterte Iridiumoxidfilme) sind, eine Dicke zwischen 200 nm und 550 nm, bevorzugt zwischen 250 nm und 500 nm, auf. In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung wird das Material der 2D- Elektrodenstrukturlage vor oder nach den Schritten 1) bis 8) an n-1 Seiten der jeweiligen n-seitigen Elektrodenstrukturen das Material der 2D-Elektrodenstrukturlage ganz oder teilweise durchtrennt, bevorzugt wie oben beschrieben.
In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung wird umfasst die erste Substratschicht der Elektrodenstrukturlage einen dünnen Metallfilm oder ein thermoplastisches Material oder besteht daraus. Wesentlich ist hierbei, dass diese Materialien formbar sind, wenn sie auf Temperaturen oberhalb ihrer Glastemperatur erhitzt werden. Aufgrund der hohen Temperaturen ordnen sich die Kettenstrukturen der amorphen Regionen des PaC um, wodurch sich das Material erweicht und eine Umformung ermöglicht wird. Das polymere Material wird dann die neue Form beim Abkühlen und Entfernen der Form (Formgebungslage und gegebenenfalls Anpresslage) die neue Form beibehalten. Abhängig vom genau eingesetzten Material kann es sein, dass beim Abkühlen eine langsame Temperaturrampe nötig ist, um Schäden des thermoplastischen Materials aufgrund von thermischem und mechanischem Stress zu vermeiden. Es ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung wichtig, dass das thermoplastische Material eine niedrigere Schmelztemperatur hat als die Glasübergangstemperatur des Materials der Formgebungslage.
Die Materialien für die Metallfilme der Elektrodenstrukturlage werden in manchen bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gold, Platin, Titan, Lauminium, und Mischungen und Legierungen davon.
In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass in verschiedenen Varianten der vorliegenden Erfindung zur Unterstützung der Herstellung die Oberflächen der Formgebungslagen mit einem dünnen Metallfilm, Wasser oder einer Seife, einem Detergens, wie zum Beispiel micro90, oder Silanen als Antihaftbeschichtung beschichtet werden können, damit die an die Formgebung anschließende Trennung von Formgebungslage und Elektrodenstrukturlage effektiver und sicherer (also insbesondere ohne, dass sie aneinander haften/kleben) erfolgen kann.
Weiterhin wird das thermoplastische Material bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Parylene C (PaC), Polyimid (PI), Polyethylenterephthalat (PET), Polymilchsäure (PLA), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polystyrol (PS) und Mischungen davon, besonders bevorzugt Parylene C oder Polyimid, insbesondere Parylene C. Beispiele für kommerziell erhältliche, im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbare Produkte sind Parylene Dimer DPX-C der Firma Specialty Coating Systems, Inc., sowie PI-2611 und PI-2610 der Firma HD Microsystems.
Bei Aussicht auf biomedizinische Anwendungen ist es bevorzugt die genannten thermoplastischen Materialien, insbesondere PaC und PI wegen geprüfter Biokompatibilität für invasive medizinische Produkte, einzusetzen.
In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahren werden keine Stützlagen für die 2D-Elektrodenstrukturlage eingesetzt. Weiter bevorzugt sind die 2D-Elektrodenstrukturlage freitragend.
Die Materialien der Formgebungslage, im Falle von Polymeren, weisen eine Glasübergangstemperatur und einem Schmelzpunkt auf, die höher sind als diejenigen des für die 2D-Elektrodenstrukturlage (das Kirigami-Design) verwendeten Materials. Weitere alternative Materialien für die Formgebungslage sind fotostrukturierbare Lacke auf Epoxidbasis, wie zum Beispiel SU-8. Außerdem kann auch eine metallene Formgebungslage verwendet werden. Weitere alternative Methoden zur Strukturierung der Formgebungslage sind Fotolithographie, Stepperlithographie, maskenlose Lithographie wie Elektronenstrahllithographie oder direkte Laserschreiblithographie, Nanoimprinting, Heißprägen, chemisches/photochemisches Fräsen oder Ätzen mit hohem Aspektverhältnis (trocken und nass).
Gleichwohl sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch andere Materialien einsetzbar, solange diese keine giftigen Inhaltsstoffe enthalten. Beispiele für weitere verwendbare Materialien sind Quarz, Keramik, Metalle.
In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung umfasst die Formgebungslage Metall, Kunststoff oder 3D-gedrucktes Material oder besteht daraus, bevorzugt ausgehend von mittels 2-Photonenpolymerisation druckbarem Material, besonders bevorzugt auf Basis von über radikalische Polymerisation härtenden (Meth)acrylaten oder auf Basis von fotostrukturierbaren Epoxidharzen, besonders Bisphenol A- Novolak-Epoxide, oder auch auf Basis von Mischungen davon.
Kommerziell erhältliche Beispiele sind die unter der Bezeichnung IP-S (von der Firma NanoScribe GmbH) erhältlichen Fotopolymere, zum Beispiel IP-S 780, oder SU-8 der Firma Microchem Corp. In weiteren Varianten der vorliegenden Erfindung kann die Formgebungslage Materialien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metall, Kunststoff, Quarz, Keramik und Mischungen davon umfassen oder daraus bestehen.
Für die Formgebungslage kann in weiter bevorzugten Varianten insbesondere das Photopolymer IP-S verwendet und mittels Zwei-Photonen-Polymerisation fotostrukturiert werden.
Die Grundebene der Formgebungslage an sich hat in bevorzugten Ausführungsformen eine Dicke von 10 pm bis 40 pm, zum Beispiel 20 pm. Die hervorstehenden Strukturen haben Höhen (ausgehend von der Ebene) abhängig von den jeweiligen anzuhebenden n-seitigen Elektrodenstrukturen und können in einigen bevorzugten Varianten zwischen 200 pm und 1200 pm, bevorzugt zwischen 300 pm und 1100 pm liegen.
In bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung weist die Formgebungslage einen Rahmen auf, der in seinen inneren Dimensionen auf die äußeren Dimensionen der 2D-Elektrodenstrukturlage abgestimmt ist, bevorzugt exakt, und das Ausrichten in Schritt C) erfolgt an diesem Rahmen.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist in dem erfindungsgemäßen Verfahren
Schritt C) unterteilt in die Schritte
C) Ausrichten der flexiblen 2D-Elektrodenstrukturlage und der Formgebungslage, so dass die jeweiligen hervorstehenden Strukturen jeweiligen n-seitigen Elektrodenstrukturen zugeordnet sind,
CI) Bereitstellen einer dreidimensionalen Anpresslage, bevorzugt umfassend Erhebungen, besonders bevorzugt umfassend einen Rahmen und gegebenenfalls mindestens einen Steg,
C2) Ausrichten der flexiblen 2D-Elektrodenstrukturlage zwischen der Formgebungslage und der Anpresslage, so dass die jeweiligen hervorstehenden Strukturen er Formgebungslage jeweiligen n-seitigen Elektrodenstrukturen zugeordnet sind, und dass die Erhebungen der Anpresslage jeweiligen Bereichen der 2D- Elektrodenstrukturlage zugeordnet sind, die keine Elektrodenstrukturen sind, und wobei bevorzugt der Rahmen der Anpresslage, falls vorhanden, äußere Dimensionen aufweist, die den inneren Dimensionen eines Rahmens der Formgebungslage, falls vorhanden, entsprechen, insbesondere exakt entsprechen, und/oder den äußeren Dimensionen der 2D-Elektrodenstrukturlage entsprechen, insbesondere exakt entsprechen; und
Schritt D) geändert zu
D) Zusammenpressen der 2D-Elektrodenstrukturlage, der Formgebungslage und der Anpresslage, wobei die n-seitigen Elektrodenstrukturen durch die jeweiligen hervorstehenden Strukturen der Formgebungslage aus der Ebene der 2D- Elektrodenstrukturlage um eine an der 2D-Elektrodenstrukturlage feste Seite rotierend herausgedrückt und angehoben werden.
Alternativ kann das erfindungsgemäße Verfahren umfassen:
Bl) Bereitstellen einer Anpresslage.
In diesem Fall ändern sich die Schritte C) und D), d.h. erweitern sich um die Anpresslage und ihren Einsatz, wie folgt:
CI) Ausrichten der flexiblen 2D-Elektrodenstrukturlage und der Formgebungslage sowie der Anpresslage, so dass die jeweiligen hervorstehenden Strukturen der Formgebungslage jeweiligen n-seitigen Elektrodenstrukturen der 2D- Elektrodenstrukturlage zugeordnet sind und so, dass 2D- Elektrodenstrukturlage zwischen Formgebungslage und Anpresslage angeordnet ist;
Dl) Zusammenpressen der 2D-Elektrodenstrukturlage, der Formgebungslage und der Anpresslage, wobei die n-seitigen Elektrodenstrukturen durch die jeweiligen hervorstehenden Strukturen der Formgebungslage aus der Ebene der 2D-Elektrodenstrukturlage herausgedrückt und angehoben werden.
Die Materialien für die Anpresslage können im Rahmen der vorliegenden Erfindung aus den gleichen Materialien ausgewählt werden, die für die Formgebungslage genannt sind. In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung bestehen Anpresslage und Formgebungslage aus dem gleichen Material.
Die Grundebene der Anpresslage an sich hat in bevorzugten Ausführungsformen eine Dicke von 10 pm bis 40 pm, zum Beispiel 20 pm. Die herausragenden Elemente, also Rand, Stege, etc., haben Höhen (ausgehend von der Ebene) abhängig von den jeweiligen anzuhebenden n-seitigen Elektrodenstrukturen und können in einigen bevorzugten Varianten zwischen 200 pm und 1200 pm, bevorzugt zwischen 300 pm und 1100 pm liegen. In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung umfasst die Elektrodenstrukturlage Parylene C oder besteht, abgesehen von den Metallen der Leiterbahnen und Elektrodenflächen, daraus und umfasst die Formgebungslage IP-S oder besteht daraus, und, falls vorhanden, umfasst die Anpresslage IP-S oder besteht daraus.
In Varianten der vorliegenden Erfindung werden die Elektroden noch mit Materialien wie PEDOT:PSS oder Iridiumoxid (IrOx) beschichtet, um ihre elektrochemischen Eigenschaften zu verbessern. Zum Beispiel, und in manchen Ausführungsformen bevorzugt, können dies gesputtertes Iridiumoxid (SIROFs), elektrolytisch abgeschiedenes PEDOT:PSS oder elektrolytisch abgeschiedenes IrOx sein. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Herstellungsmethoden beschränkt und viele weitere sind möglich, beispielsweise, und in manchen Ausführungsformen ebenfalls bevorzugt, Spin-Beschichtung von PEDOT: PSS, bei dem zum Beispiel ein Schablonenverfahren (Lift-off-Technik mit Opferschicht) oder ein Trockenätzverfahren verwendet werden kann.
In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung sind die Elektroden ganz oder teilweise mit leitfähigen Materialien beschichtet, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus PEDOT:PSS, Iridiumoxid und Mischungen davon.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es in Varianten bevorzugt, dass an mindestens einem Rand der 2D-Elektrodenstrukturlage Elektroden oder Anschlüsse vorgesehen sind, um die Verbindung der erfindungsgemäß erhältlichen/erhaltenen dreidimensional strukturierten Elektrodenlage mit weiteren Instrumenten zu ermöglichen. Diese können bei der Herstellung der 2D-Elektrodensstrukturlage im Rahmen der Metallisierung angelegt werden, oder auch später zusätzlich, zum Beispiel durch auflöten, anklemmen oder ähnliches.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es in Varianten bevorzugt, dass die n- seitigen Elektrodenstrukturen jeweils unabhängig voneinander eine oder mehrere Einzelelektrodenflächen, zum Beispiel punktförmige, umfassen. Bevorzugt ist es, wenn jeweils mehrere Elektrodenflächen vorhanden sind. In bevorzugten Varianten können 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 oder 32 oder noch mehr Elektrodenflächen pro Elektrodenstruktur (jeweils unabhängig voneinander) vorhanden sein, bevorzugt 2 bis 32, besonders bevorzugt 3 bis 20 und insbesondere 4 oder 16.
In besonders bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weisen die dreidimensional strukturierten Elektrodenlagen 32 4-seitige Elektrodenstrukturen von 225 pm Länge und 50 pm Breite auf, die jeweils 4 Elektrodenflächen aufweisen, wobei die unterste der vier einen Durchmesser von 25 pm aufweist und die übrigen drei einen Durchmesser von 15 pm.
In weiteren Varianten der vorliegenden Erfindung weisen die dreidimensional strukturierten Elektrodenlagen bis zu 128 n-seitige Elektrodenstrukturen auf.
In anderen besonders bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weisen die dreidimensional strukturierten Elektrodenlagen 4-seitige Elektrodenstrukturen von 1000 pm bis 1500 pm Länge auf, die jeweils 16 Elektrodenflächen mit einem Durchmesser von 15 pm aufweisen.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind dreidimensional strukturierte Elektrodenlagen hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, wie es oben beschrieben ist.
Noch ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Implantate oder Neuroimplantate umfassend dreidimensional strukturierte Elektrodenlagen gemäß der vorliegenden Erfindung oder bestehend aus diesen.
Nicht zuletzt Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung dreidimensional strukturierter Elektrodenlagen gemäß vorliegender Erfindung als oder für Implantate oder Neuroimplantate, insbesondere intraretinale 3D-Implantate oder intrakortikale/korti kale 3D-Implantate, zur Messung elektrochemischer Eigenschaften, zur Messung physikalischer Eigenschaften, beim Biosensing, oder zur Impedanzmessung. Das erfindungsgemäße Verfahren kann genutzt werden (und wurde schon dazu genutzt), um dreidimensionale, flexible neuronale Implantate (Neuroimplantate) für den dreidimensionalen Raum der Retina (KiriRet) oder des Cortex (KiriCor) herzustellen. Parylene C (PaC) ist ein Material, welches in diesem Zusammenhang in manchen Varianten bevorzugt als Substrat und zur Einkapselung dienen kann. Die strukturierte Basismetallschicht ist in manchen bevorzugten Varianten mit Ti/Au/Ti- Leiterbahnen und bis zu 128 Ti/Au-Elektroden, die an ihren Öffnungen mit PEDOT:PSS oder Iridiumoxid beschichtet sind, strukturiert.
Mit den erfindungsgemäßen Implantaten (Neuroimplantaten) können in-vitro sowie in manchen Fällen in-vivo Signale von neuronalen Zellen gemessen und gleichzeitig gezielt Zellen stimuliert werden.
Das Design des KiriRet-Implantats besteht in bevorzugten Varianten aus 32 Schäften, die jeweils 50 pm breit und 225 pm lang sind. Ein Schaft besitzt in bevorzugten Varianten jeweils vier Elektroden; mit einem Durchmesser von 25 pm für die Elektrode, die am weitesten von der Elektrodenstrukturlage entfernt ist, welche die zur elektrischen Stimulation genutzt wird, beziehungsweise von 15 pm für die übrigen Elektroden. Je nach Anwendung des Implantats kann die Breite, Länge und der Elektrodendurchmesser sowie die Elektrodenanzahl im Rahmen der vorliegenden Erfindung in weiten Bereichen variiert werden. So sind KiriCor-Implantate in bevorzugten Varianten 1000 pm bis 1500 pm lang und die Elektroden haben einen Durchmesser von 15 pm, so dass auf jeden Schaft bis zu 16 Elektroden passen.
Zusätzlich können die Implantate in einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mindestens eine, bevorzugte genau eine, interne Referenzelektrode, um elektrophysiologischer oder elektrochemischer Messungen durchzuführen, enthalten.
Die Implantate werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt durch Oberflächenmikrobearbeitung und mikroelektromechanische Systeme (MEMS) hergestellt, um die 2D-Form und die Ausschnitte für das Falten zu erzeugen.
In solchen bevorzugten Ausgestaltungen wird insbesondere zunächst eine 5 pm dicke PaC-Schicht auf einem Si-Wafer aufgebracht und mit einer Ti/Au/Ti-Schicht für Leiterbahnen, Elektroden und Kontaktflächen strukturiert. Dann wird eine zweite 5 pm dicke PaC-Schicht zur Einkapselung aufgebracht. Im nächsten Schritt werden die Faltungsausschnitte sowie die Elektroden und Kontaktflächen geöffnet. Anschließend wird die 2D-Probe vom Si-Substrat gelöst und auf eine Leiterplatte gelötet/fixiert; in manchen bevorzugten Varianten per Wende-Montage. Ein Beispiel hierfür ist das Flip- Chip-Verfahren. In diesen Varianten kann das Flip-Chip-Verfahren so ablaufen, dass zunächst die Leiterplatte mithilfe einer Heizplatte (auf 180°C) erhitzt und Niedertemperatur-Lötlegierung aufgebracht wird; die 2D-Proben dann vom Si- Substrat mithilfe von Wasser gelöst werden; währenddessen die Heizplatte (auf 160°C) abgekühlt wird und dann die 2D-Sonde mit ihren Kontaktflächen auf der Leiterplatte fixiert wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können statt dieses speziellen Flip-Chip-Verfahrens aber auch abgewandelte oder andere ähnliche, dem Fachmann bekannte Verfahren angewendet werden.
Die Form zum Falten wird bevorzugt mit Hilfe einer 2-Photon-Polimerisation-Technik 3D gedruckt.
Die Form besteht dabei in machen bevorzugten Varianten aus zwei Teilen. Der untere Teil ist dann ein Array aus hervorstehenden Strukturen, insbesondere rechteckigen Blöcken mit einem pyramidalen Ende; dies ist die Formgebungslage. Die hervorstehenden Strukturen sind weiter bevorzugt zumindest halb so hoch wie die Länge der Schäfte, um diese anzuheben; eine geringere Höhe geht zwar prinzipiell auch, ist jedoch je nach Material der Schäfte weniger zuverlässig . Die einzelnen hervorstehenden Strukturen werden dabei so platziert, dass sie analog der entsprechenden Stelle des flexiblen 2D-Designs (der Elektrodenstrukturlage) angeordnet sind (um die Schäfte überhaupt erst hochdrücken zu können). Außerdem besitzt der untere Teil bevorzugt an den Rändern einen Rahmen, der genau der Größe der 2D-Struktur (Elektrodenstrukturlage) entspricht und so zur Ausrichtung/Justierung verwendet wird. Der obere Teil der 3D-Form in dieser Variante der vorliegenden Erfindung ist eine Struktur aus einem Rahmen und Wänden (Stegen) in der Mitte, die bei der Platzierung auf den unteren Teil und flexiblen 2D-Struktur dazu führt, dass die Schäfte der Elektrodenstrukturen gleichmäßig gefaltet werden (indem die obere Form für ein gleichmäßiges Andrücken/Anpressen sorgt) Dies ist die optionale Anpresslage. Die Rahmen des unteren und oberen Teilstücks passen in weiter bevorzugten Ausgestaltungen wie beim Schlüssel-Schloss-Prinzip zusammen, bevorzugt sind also die inneren und äußeren Dimensionen der Rahmen der Formgebungslage und der Anpresslage so aufeinander abgestimmt, dass der eine Rahmen mit seinen äußeren Dimensionen exakt in die inneren Dimensionen des anderen passt.
Alternativ und in anderen Varianten der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist es aber genausogut möglich, lediglich eine einteilige Form zu verwenden, die dem eben beschriebenen unteren Teil der Form (also der Formgebungslage) entspricht. Der eben beschriebene obere Teil, welcher der Anpressung dient, kann dann durch andere Mittel und Vorrichtungen ersetzt sein, zum Beispiel stempelartige Vorrichtungen mit lediglich eine äußeren Rahmen oder einem oder mehreren vorstehenden Elementen - jeweils um die Elektrodenstrukturlage auf die Formgebungslage zu pressen - oder auch seitlich angebrachte (anzubringende) (Zug-)Klemmen oder andere Vorrichtungen, welche geeignet sind, die Elektrodenstrukturlage und die Formgebungslage so zusammen zu pressen, dass die n-seitigen Elektrodenstrukturen durch die hervorstehenden Strukturen aufgerichtet werden können.
Nach der Herstellung der 3D-Struktur (Formgebungslage) und der 2D-Probe (Elektrodenstrukturlage), werden die einzelnen Teile zusammengebracht. Die 2D- Probe wird auf die 3D-Form gelegt, um alle n-seitigen Elektrodenstrukturen gleichzeitig zu falten. Der obere Teil der 3D-Form (Anpresslage) oder eine andere Vorrichtung zum Anpressen/Zusammenpressen, helfen hier dabei, die Schäfte kontrolliert zu falten. Um die genaue Ausrichtung/Justierung der 2D-Struktur und der 3D-Form zu vereinfachen, werden in bevorzugten Ausgestaltungen Rahmen/hervorstehende Ränder der 3D-Form genutzt.
Anschließend werden die zusammengesetzten Lagen zusammen erhitzt, so dass eine thermische Fixierung der n-seitigen Elektrodenstrukturen erfolgt. Dies kann im Wesentlichen erfolgen, indem für die Basis der Elektrodenstrukturlage ein thermoplastisches Material verwendet wurde, das entsprechend eine thermoplastische Verformung erfährt, die nach dem Abkühlen erhalten bleibt. Oder es kann für die Basis der Elektrodenstrukturlage ein noch nicht ausgehärteter Duroplast beziehungsweise eine noch nicht ausgehärtete duroplastische Mischung verwendet worden sein, sodass diese beim Erhitzen aushärtet und dann nach dem Abkühlen die Form erhalten bleibt. Eine Kombination ist ebenfalls denkbar. Bevorzugt ist es in manchen Varianten der vorliegenden Erfindung, wenn für die Basis der Elektrodenstrukturlage ein thermoplastisches Material genutzt wird.
Nachdem die geformte, dreidimensional strukturierte Elektrodenlage von der 3D-Form getrennt ist, können in weiteren bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung die Elektroden im einem weiteren Herstellungsschritt mit elektrolytisch abgeschiedenen leitfähigen Substanzen, insbesondere bevorzugt PEDOT:PSS oder Iridiumoxid (IrOx), überzogen werden, um die elektrischen Eigenschaften zu verbessern. Anschließend kann die fertige dreidimensional strukturierte Elektrodenlage als (Neuro-)Implantat in zum Beispiel elektrophysiologischen Experimenten genutzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Nutzung verschiedener Materialien. Dazu gehören für die Herstellung der Elektrodenstrukturlage (2D-Struktur) Polyimide (PI) und Parylene C (PaC) als Beispiele für thermoplastische Materialien. Auch für die Elektroden sind verschiedene durch Elektrodeposition oder physikalische Deposition abscheidebare leitende Materialien wie zum Beispiel PEDOT:PSS oder IrOx denkbar. Die genauen Designs/Ausgestaltungen der Elektrodenstrukturlage, der Formgebungslage und mithin der resultierenden dreidimensional strukturierten Elektrodenlage sind ebenfalls flexibel. So können für die Elektroden zum Beispiel in manchen bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung Durchmesser von 10 pm bis 25 pm genutzt werden, um die Auflösung einzelner Zellen zu gewährleisten. Bei der Verwendung von kleinen Elektroden und optimierten Herstellungsprozessen sind aber auch dünnere Schäfte von weniger als 50 pm möglich und mithin in manchen anderen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung bevorzugt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von dreidimensional strukturierten Elektrodenlagen kann genutzt werden, um dreidimensionale Kirigami-Strukturen einfach, schnell, zuverlässig und mit nur geringen Kosten herzustellen. Durch das Nutzen von selbstjustierenden Strukturen, d.h. dass die Elektrodenstrukturen durch Zusammenpressen der verschiedenen Lagen, insbesondere durch exakt aufeinander abgestimmte Dimensionen und Rahmen, in definierte Positionen gebracht werden, ist es möglich, mehrere 3D-Sonden gleichzeitig herzustellen. Solche 3D-Sonden können zum Beispiel in elektrophysiologischen Experimenten für die Ableitung von Zellsignalen von verschiedenem Nervengewebe wie Gehirn, peripheren Nerven oder Retina, und zur elektrischen Stimulation der entsprechenden Nervenzellen genutzt werden. Ähnlich können die erfindungsgemäß hergestellten Strukturen beispielsweise Anwendung finden in/bei/für 3D-Zellkulturen und Organoide. Die Applikation ist vorteilhafter Weise nicht limitiert auf elektrophysiologische Anwendungen, sondern kann zum Beispiel auch genutzt werden, wenn es gewünscht ist, die elektrischen Eigenschaften eines dreidimensionalen-Raums im mm- oder pm-Bereich zu messen.
Die Begriffe „flexible Substratschicht", „flexible Zwischenschicht", sowie „flexible 2D- Elektrodenstrukturlage" können im bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung bedeuten: „Substratschicht umfassend oder bestehend aus Parylene C oder Polyimid, gegebenenfalls mit Ti/Au-, Ti/Au/Ti-, Ti/Pt/Ti-, Ti/Au/Pt-, Ti/Au/Ti/Pt/Ti-, PEDOT:PSS- Leiterbahnen, insbesondere Ti/Au- oder Ti/Au/Ti-Leiterbahnen, und Elektrodenflächen, insbesondere bestehend aus Parylene C mit Ti/Au- oder Ti/Au/Ti- Leiterbahnen und -Elektrodenflächen", „Zwischenschicht umfassend oder bestehend aus Parylene C oder Polyimid, insbesondere bestehend aus Parylene C", „2D- Elektrodenstrukturlage umfassend oder bestehend aus Parylene C oder Polyimid mit Ti/Au- oder Ti/Au/Ti-Leiterbahnen und -Elektrodenflächen, insbesondere bestehend aus Parylene C mit Ti/Au- oder Ti/Au/Ti-Leiterbahnen und -Elektrodenflächen". Ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar sind Leiterbahnschichtungen entsprechend Cr/Au, Cr/Ti, Cr/Au/Cr, oder Cr/Pt/Cr.
Die erfindungsgemäß hergestellten dreidimensional strukturierten Elektrodenlagen konnten erfolgreich als intraretinale 3D-Implantate in in-vitro Experimenten und Experimenten mit Kadavern eingesetzt werden, wodurch die Funktionalität umfänglich validiert wurde.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt vorteilhafter Weise weder zytotoxische Materialien noch energiereiches Equipment, welches den Hersteller oder Endverbraucher gefährden könnten. Das erfindungsgemäße rein mechanische Formgebungsverfahren ist schnell und zuverlässig, da es im Gegensatz zu anderen Methoden alle (gewünschten) Schäfte gleichzeitig und zuverlässig, bevorzugt mit einem Winkel von 90°, faltet. Die hervorgehobenen Strukturen der Formgebungslage und das gefaltete MEA beziehungsweise die gefaltete 3D-Sonde können zusammen in eine Heizumgebung gestellt werden, um die Positionen der Elektrodenstrukturen mithilfe von Thermoverformung zu fixieren.
Besonders vorteilhaft im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es ferner, das auf sehr einfache Art und Weise, verlässlich und reproduzierbar beliebige Elektrodenstrukturen für dreidimensionale Elektrodenlagen hergestellt werden können. Durch einfach Anpassungen der ursprünglichen Designs, zum Beispiel CAD- Dateien, können Elektrodenstrukturlagen hergestellt werden, bei denen die jeweiligen Elektrodenstrukturen an beliebigen, gewünschten Positionen arrangierbar sind, zudem können die jeweiligen Dimensionen der einzelnen n-seitigen Elektrodenstrukturen leicht geändert beziehungswiese den jeweiligen Bedürfnissen angepasst werden. So lassen sich Elektrodenlagen herstellen, die n-seitige Elektrodenstrukturen unterschiedlicher Dimensionen, zum Beispiel hinsichtlich der Länge und/oder Breite der Schäfte, aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise die damit hergestellten dreidimensional strukturierten Elektrodenlagen sind mithin besonders vielseitig einsetzbar.
Die einzelnen Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtungen/Anlagen stehen in fachüblicher und bekannter Art und Weise miteinander in Wirkverbindung.
In bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung bezieht sich diese nicht auf 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.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden, nicht-limitierenden Beispiele weiter erläutert.
1 - Herstellung von flexiblen 2D-Elektrodenstrukturlaqen:
Die Herstellung von flexiblen 2D-Elektrodenstrukturlage mit Kirigami-Design (mit Aussparungen aber nicht gefaltet) umfasste die aufeinanderfolgende Abscheidung von flexibler Dünnfilmschicht, einer Metallschicht, einer weiteren flexiblen Dünnfilmschicht und einer Elektrodenbeschichtung. Je nach Elektrodenbeschichtung wurden sechs bis sieben Schritte wie folgt durchgeführt. Alle Schritte (außer der PaC-Abscheidung) wurden in einer zertifizierten Reinraumumgebung durchgeführt, um eine stabile Herstellung zu gewährleisten.
1. Abscheidung der ersten flexiblen Substratschicht
Eine erste 5 pm dicke Schicht Parylen C (Poly(2-chlor-p-Xylylen); PaC) wurde mit einem PDS 2010 Labcoater 2 (Specialty Coating Systems Inc., USA) unter Verwendung von 10 g PaC-Dimer und einem Prozessvakuumdruck von 3,33 Pa (etwa 25 mTorr) auf einem Silizium-Wafer durch chemische Gasphasenabscheidung abgeschieden.
2. erste Metallisierung
In einem zweiten Schritt wurde eine Metallisierung mit einem Lift-off-Verfahren durchgeführt. Dabei wurde die Metallbasisschicht für Kontaktflächen, Zuleitungen und Elektroden strukturiert. Zunächst wurde ein negativer 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. Gefolgt wurde dies von einem Ausbacken bei 120°C für 2 Minuten auf einer Direktkontakt-Heizplatte. Der Fotolack wurde dann bei 320 mJ/cm2 mit einer Defoc-Einstellung von 2 und einem CDB (critical dimension bias) von 800 mit UV-Licht einer Wellenlänge von 375 nm unter Verwendung einer maskenlosen Belichtungsanlage (MLA 150, Heidelberg Instruments, Deutschland) belichtet. Anschließend wurde nach der Belichtung ein Heizschritt bei 100°C für 1,5 Minuten auf einer Direktkontakt-Heizplatte durchgeführt, ein Entwicklungsschritt in AZ 326 MIF (MicroChemicals GmbH, Deutschland) als Entwickler (ein Entwickler basierend auf Tetramethylammoniumhydroxid) für 1,5 Minuten und ein Reinigungsschritt in deionisiertem Wasser durchgeführt. Anschließend wurde der Wafer mit einem Metall bedampft, wobei schichtweise 20 nm Ti, 100 nm Au und 10 nm Ti in einer elektronenstrahlunterstützten Verdampfungsanlage (Balzer PLS 570, Pfeiffer, Deutschland) aufgedampft wurden (resultierend in einer Metallschichtfolge Ti/Au/Ti). Dabei wurden ein Wolfram-Tiegel und Abscheideraten von 0,1 nm/s für Ti bzw. 0,5 nm/s für Au verwendet. Anschließend wurde ein Lift-off-Prozess in einem Acetonbad für 2,5 Stunden durchgeführt, um das Opfermaterial und den Fotolack abzuwaschen. Nach dem Lift- Off wurde der Wafer 2 Minuten lang in Isopropanol gespült und mit einer Stickstoffpistole getrocknet.
In anderen Ausführungen wurde der UV-Belichtungsschritt alternativ mittels Standard-UV-Fotolithographie unter Verwendung einer Breitbandbelichtungsanlage mit Maskenausrichtung (Süss MA8/BA8, Deutschland) mit einer Dosis von 100 mJ/cm2 durchgeführt.
3. flexible Zwischenschicht (optional) In einigen Ausführungen wurde Schritt 3 ausgeführt, in anderen nicht. In den Fällen, in denen er nicht durchgeführt wurde, ist mit Schritt 4 fortgefahren worden.
Eine zweite flexible PaC-Schicht (PaC-Zwischenschicht) mit einer Dicke von 0,5 pm bis 1 |jm (1-2 g PaC-Dimer) wurde wie in Schritt 1 beschrieben abgeschieden. Anschließend wurde das PaC an den Elektrodenöffnungen durch reaktives lonenätzen (RIE) geätzt. Dieser Prozess wird weiter unten in Schritt 5 detailliert beschrieben.
Danach wurde ein zweiter Metallisierungsschritt durchgeführt, um direkt eine Elektrodenbeschichtung hinzuzufügen. Hierbei wurde ein Resiststapel aus LOR3B (MicroChem Corp, USA; ein Lack basierend auf Polydimethylglutarimid) und negativem Fotolack nLOF 2020 (MicroChemicals GmbH, Deutschland; ein negativer Fotolack enthaltend PGMEA (l-Methoxy-2-propanol-Acetat)) verwendet, um eine Abscheidungsmaske für die Elektrodenöffnungen durch Fotolithografie zu strukturieren. Dabei wurde zunächst LOR3B bei 2000 U/min für 30 Sekunden mit einer Rampe von 500 U/min/s rotationsbeschichtet, anschließend ein Ausback-Schritt bei 150°C für 5 Minuten auf einer Direktkontakt-Heizplatte durchgeführt, gefolgt von der Rotationsbeschichtung von nLOF 2020 bei 2000 U/min für 30 Sekunden mit einer Rampe von 500 U/min/s und einem Ausback-Schritt bei 110°C für 1 Minute auf einer Direktkontakt-Heizplatte. Die weiteren Schritte hingen von der Wahl des Belichtungsgeräts ab. Bei der maskenlosen Belichtungsanlage MLA150 wurde der Fotolack bei 670 mJ/cm2 mit einer Defoc-Einstellung von 0 mit UV-Licht einer Wellenlänge von 375 nm belichtet. Die nach der Belichtung stattfindende Erhitzung erfolgte dann bei 102°C für 2 Minuten auf einer Direktkontakt-Heizplatte, gefolgt von einem Entwicklungsschritt in AZ326 MIF für 45 Sekunden und einem Reinigungsschritt in deionisiertem Wasser. Bei Verwendung einer Breitbandbelichtungsanlage mit Maskenausrichtung erfolgte die Belichtung mit 40 mJ/cm2, gefolgt von einem Nachbelichtungs-Backvorgang bei 110°C für 1 Minute, einer Entwicklung in AZ325 MIF für 33 Sekunden bis 35 Sekunden und einer Reinigung in deionisiertem Wasser.
Anschließend wurden zusätzlich eine Ti-Schicht einer Dicke von 10 nm und eine Pt- Schicht einer Dicke von 100 nm aufgedampft (resultierend in einer Metallschichtfolge Ti/Pt), gefolgt von 250 nm bis 500 nm gesputterten Iridiumoxidschichten (SIROFs), die durch Sputtern mit einem Ar/Ch-Gasgemisch von 100/6 sccm (Standardkubikzentimer pro Minute) und einer Gleichstromleistung von 100 W abgeschieden wurden.
4. Abscheidung einer flexiblen Passivierunqsschicht Eine flexible PaC-Passivierungsschicht mit einer Dicke von 5 pm wurde analog wie in Schritt 1 beschrieben abgeschieden.
5. Aussparungen, Form und Passivierungsöffnungen
In diesem Schritt wurde das flexible Polymer strukturiert. Dazu gehören die Schnitte der Kirigami-Strukturen (Aussparungen der n-seitigen Elektrodenstrukturen), die Umrisse der Form der kompletten Sonde sowie die Öffnungen der Kontaktflächen und die der Elektroden. Zunächst wurde eine Ätzmaske mit einem dicken Positiv-Fotolack von mindestens der 1,5-fachen Dicke des zu ätzenden Polymers strukturiert. Hierbei wurde eine Ätzmaske auf der letzten PaC-Schicht strukturiert, indem der Fotolack AZ 12XT (MicroChemicals GmbH, Deutschland; ein Fotolack enthaltend PGMEA) bei 1000 U/min für 180 Sekunden mit einer Rampe von 200 U/min/s rotationsbeschichtet wurde, ein Ausbacken mit einer Heizplatte bei 110°C für 4 Minuten durchgeführt wurde und mit einer maskenlosen Belichtungsanlage mit einer Dosis von 350 mJ/cm2, einer Defoc-Einstellung von 2 und einem CDB von -800 mit UV-Licht einer Wellenlänge von 375 nm belichtet wurde. Anschließend wurde der Wafer nach der Belichtung einer Erhitzung unter Verwendung einer Heizplatte bei 90°C 1 Minute lang unterworfen, gefolgt von einem Entwicklungsschritt von 2 Minuten mit AZ 326 MIF. Nach der Strukturierung der Ätzmaske wurde ein RIE-Schritt mit einem O2/CF4-Gasgemisch von 36/4 sccm mit RF/ICP-Leistungen (RF = kapazitiv gekoppelte Radiofreguenz und ICP = induktiv gekoppeltes Plasma) von 50/500 W durchgeführt, um PaC zu ätzen. Wenn Schritt 3 nicht durchgeführt wurde, erfolgte ein zweiter RIE-Schritt zum Ätzen der obersten 10 nm dicken Ti-Schicht mit einem Oz/Ar-Gasgemisch von 20/20 sccm und einer HF-Leistung von 150 W. Nach dem RIE wurde die Ätzmaske mit AZ 100 Entferner (MicroChemicals GmbH, Deutschland; Lösungsmittel auf Basis von Ethanolamin) in einem Zweibadsystem entfernt. Im ersten Bad wird 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.
6. Ablösung und Chip-Montage
Die 2D-Elektrodenstrukturlage wurde mit Hilfe von Wassertropfen und einer Pinzette vom Silizium-Wafer gelöst. Diese wurden dann per Wende-Montage (Flip-Chip- Verfahren) auf eine Leiterplatte montiert. Zunächst wurde die Leiterplatte auf einer Direktkontakt-Heizplatte auf 180°C vorgeheizt, und die Niedertemperatur- Lötlegierung Sn42/Bi58 (AMTECH, USA) wurde auf die Kontaktflächen der Leiterplatte aufgetragen, was die Bildung flüssiger Buckel auf jeder Kontaktfläche ermöglichte. Durch Absenken der Temperatur auf 160°C wurden die flexiblen Sonden ausgerichtet und auf die flüssigen Lötpastenakkumulationen, die sich verfestigten, nachdem der neue Chip schnell von der Heizplatte genommen und auf Raumtemperatur abgekühlt wurde, angeordnet. Der frisch gelötete Bereich wurde z.B. mit einer Polydimethylsiloxan (PDMS)-Beschichtung im Mischungsverhältnis 1: 10 Aushärtemittel zu Vorpolymer (zum Beispiel Sylgard 184, Dow Corning, USA) versiegelt und bei 120°C für 30 Minuten in einem Ofen ausgehärtet. Als Versiegelungsschicht konnten und können auch andere Polymere auf Epoxidbasis verwendet werden.
7. Aufbrinqen der Elektrodenbeschichtunq (optional)
In den Fällen, bei denen Schritt 3 nicht durchgeführt wurde, wurde eine Elektrodenbeschichtung zur Verbesserung der elektrochemischen Eigenschaften der Au-Elektroden durchgeführt. In diesem Fall werden leitfähige Materialien wie PEDOT : PSS (Poly(3,4-ethylendioxythiophen: Poly(4-styrolsulfonat)) galvanisch abgeschieden werden.
Dazu wurde eine EDOT:PSS-Lösung aus 0,1 % (w/v) 3,4-Ethylendioxythiophen (EDOT) und 0,7 % (w/v) Poly(natrium-4-styrolsulfonat) (PSS) in deionisiertem Wasser hergestellt.
Nach der Montage wurden die Elektrodenlagen zunächst einer elektrochemischen Reinigung in lx PBS (phosphatgepufferte Salzlösung) bei Raumtemperatur unterzogen, indem 10 Zyklen zyklischer Voltammetrie an allen Elektroden mit einer Sweep-Rate von 100 mV/s und Potenzialgrenzen zwischen -0,6 V und -0,9 V gegen eine Ag/AgCI-Referenzelektrode durchgeführt wurden. Dann wurde die Oberfläche der 2D-Elektrodenstrukturlage (kann auch als 2D-Kirigami-Vorrichtung bezeichnet werden) mit Oz-Plasma bei einem Druck von 0,8 mbar und einer Leistung von 80 W für 3 Minuten aktiviert. Die elektrochemische Polymerisation von EDOT: PSS auf den Au-basierten Elektroden wurde dann mittels Chronoamperometrie unter Verwendung eines konstanten Potentials von 1 V für 20 Sekunden durchgeführt.
Auch andere leitende Materialien konnten (können) mittels zyklischer Voltammetrie oder Chronoamperometrie elektrochemisch abgeschieden werden, wie zum Beispiel IrOx. In diesen Fällen wurde anstelle der EDOT:PSS-Lösung eine Elektrolytlösung auf der Basis von Iridiumchloridhydrat verwendet. Dabei wurde eine erste Adhäsionsschicht aus IrOx nach 200 bis 400 Zyklen zyklischer Voltammetrie mit einer Sweep-Rate von 50 mV/s und Potenzialgrenzen zwischen 0 V und 0,55 V gegen eine Ag/AgCI-Referenzelektrode aufgewachsen, gefolgt von der Bildung einer dickeren Schicht, die mit Chronoamperometrie bei einem konstanten Potenzial von 0,55 V gegen eine Ag/AgCI -Referenzelektrode für 60 Minuten bis 100 Minuten aufgewachsen wurde.
Beispiel 2 - Herstellung der Formen (Formgebungslagen’):
Für die Herstellung der Formen wurde ein Zwei-Photonen-Polymerisations-3D-Drucker Photonic Professional GT2 der NanoScribe GmbH verwendet. Bei dem angewendeten Verfahren wird eine Erbium-dotierte Femtosekunden-Laserguelle (Zentralwellenlänge 780 nm) in einen Flüssigkeitstropfen eines Fotoharzes fokussiert. Übersteigt die Laserleistung einen bestimmten Schwellenwert, so polymerisiert das Fotoharz nur im Brennpunkt des Lasers und es lassen sich so wirklich komplexe Strukturen mit hoher Auflösung erzeugen.
Um solche Formen zu erhalten, wurden vorliegend drei Hauptschritte durchgeführt:
1. 3D-Entwurf:
Die Formen wurden mit einer CAD-Software entworfen und mit Describe (Software der NanoScribe GmbH) in Druckanweisungen umgewandelt.
2. 3D-Druck:
Ein Zeiss 25X NA0.8 Objektiv wurde verwendet und IP-S (NanoScribe GmbH, Deutschland) wurde als Photopolymer-Material verwendet. Mit dem vorgegebenen Druckrezept von NanoScribe, das für die Kombination von 25X-Objektiv und IP-S ausgelegt ist, wurde der Slicing-Abstand auf 1 pm und der Hatching-Abstand auf 500 nm eingestellt. Die Einstellungen Scangeschwindigkeit 100000 pm/s, LaserPower 100% und Power Scaling 1,2 führten zum besten Druckergebnis mit ausreichender Auflösung und Stabilität der gedruckten Struktur. Da die Form viel größer ist als ein einzelner gedruckter Block, der durch das Druckfeld des verwendeten Objektivs (400 pm x 400 pm x 400 pm für das 25X-Objektiv) ohne Tischbewegung definiert ist, wurden viele Blöcke nebeneinander gedruckt, um die gesamte Struktur aufzubauen. Um die Adhäsion zwischen den einzelnen Blöcken zu gewährleisten, wurde die Blocküberlagerung in allen Dimensionen auf 2 pm eingestellt. Die Höhe der einzelnen Blöcke wurde auf 200 pm eingestellt, um zu gewährleisten, dass das Objektiv, welches einen Arbeitsabstand von 380 pm hat, nicht in die Struktur hineinfuhr. Die Formen wurden auf ein 2,5 cm x 2,5 cm großes Glassubstrat gedruckt, das zuvor mit 3 pm PaC beschichtet wurde, wie in Schritt 2 von Beispiel 1 (Herstellung von flexiblen 2D- Elektrodenlagen) beschrieben. Die PaC-Beschichtung gewährleistete eine hohe Haftung des Drucks auf dem Glassubstrat.
In diesem Schritt wurde weiterhin ein umlaufender erhöhter Rand gedruckt, der später für die Ausrichtung der verschiedenen Lagen aneinander wichtig ist.
3. Entwicklung:
Mit einem Entwicklungsschritt nach dem Druckvorgang wurde das restliche Photopolymer, das nicht polymerisiert ist, fortgewaschen. Die Proben wurden 15 Minuten lang in ein Bad mit frischem Mr-Dev 600 Entwickler (Lösungsmittelbasierter Entwickler der Firma Micro Resist Technology für auf Epoxidharzen basierende Fotolacke) gelegt, gefolgt von einem weiteren 5-minütigen Bad in frischem Mr-Dev 600. Schließlich wurden die Formen für weitere 5 Minuten in frisches Isopropanol gelegt und dann an der Luft getrocknet. Alle genannten Schritte wurden in einer zertifizierten Reinraumumgebung durchgeführt, um eine stabile Herstellungsumgebung zu gewährleisten.
Beispiel 3 - Fertigstellung der flexiblen dreidimensionalen strukturierten Elektrodenlagen
Nach der Herstellung der flexiblen 2D-Elektrodenlagen und der Formen (Formgebungslagen und Anpresslagen) folgte der Zusammenbau, um eine dreidimensional strukturierte Elektrodenlage herzustellen. Um die Schäfte in einem 90°-Winkel falten zu können, wurden in diesem Beispiel zwei Formen verwendet (es reicht jedoch auch die in Beispiel 2 hergestellte Form, also die Formgebungslage, allein). Zunächst wurden gemäß Beispiel 1 hergestellte 2D-Elektrodenlagen auf gemäß Beispiel 2 hergestellte Formen gelegt (Fig. 3A). Dies wurde entweder mit Hilfe eines Mikromanipulators oder von Hand durchgeführt (bei letzterem war es hilfreich unter einem geeigneten Mikroskop zu arbeiten). Es war dabei ferner hilfreich, eine zweite Pinzette zu verwenden, um die 2D-Elektrodenlagen an der unteren Form auszurichten. Dabei half es, dass bei der Herstellung der Form gemäß Beispiel 2 äußere Ränder ausgebildet worden waren, an denen die Ausrichtung erfolgen konnte, denn die Form wurde so hergestellt, dass die 2D-Elektrodenlagen perfekt in die eine Art Rahmen bildenden Ränder der Form (Formgebungslage) passte, wodurch die 2D- Elektrodenlagen von den Rändern gehalten wurde. Im nächsten Schritt wurde eine Pinzette verwendet, um eine weitere, zweite Form (Anpresslage) zu greifen, die mit ihren Rändern nach unten zeigend von oben auf die 2D-Elektrodenlagen aufgelegt wurde (Fig. 3B). Diese zweite Form wurde gemäß Beispiel 2 hergestellt, nur dass keine einzelnen Hervorhebungen in Form von Blöcken (die auf die Schäfte der 2D- Elektrodenlagen abgestimmt gewesen wären) gedruckt wurden, sondern äußere Ränder, die so dimensioniert waren, dass die Form mit dem Äußeren ihrer Ränder (Rahmen) exakt innen in die Ränder (Rahmen) der unteren, ersten Form (also der Formgebungslage) passte. Zudem, konnten die weiteren, zweiten Formen (Anpresslagen) optional weitere Erhebungen, beispielsweise Stege oder beliebig geformte andere Erhebungen, aufweisen. Idealerweise und daher bevorzugt im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es, wenn alle Erhebungen der Anpresslagen, einschließlich der Ränder, die gleiche Höhe aufweisen, damit der Andruck möglichst gleichmäßig erfolgen kann. Wesentlich ist es nur, dass die Erhebungen der Anpresslage derart angeordnet sind, dass sie beim Zusammendrücken der verschiedenen Lagen nicht über den Erhebungen der Formgebungslage oder den Schäften der 2D-Sonden liegen, denn sonst könnte die Auffaltung der Schäfte der 2D- Sonden nicht erfolgen.
Das Auflegen der weiteren, zweiten Formen (Anpresslagen) wurde in manchen Fällen mit Hilfe eines Mikromanipulators und in anderen Fällen mit ruhigen Händen (gegebenenfalls unter Zuhilfenahme eines Mikroskops) durchgeführt. In jedem Fall wurde die obere Form langsam abgesenkt, um genaueres platzieren zu erleichtern. Da die Ränder der oberen Form genau in die untere Form passten, wurde die Ausrichtung erleichtert (wie erläutert). Sobald die weitere, zweite Form (Anpresslage) an der richtigen Stelle platziert war, wurde sie abgesenkt und alle drei Lagen zusammengedrückt, bis sich alle Schäfte gleichzeitig hoben.
In allen Fällen wurden die verschiedenen Lagen parallel zueinander angeordnet und auch beim Zusammendrücken deren Parallelität beibehalten.
In weiteren Experimenten wurde eine umgekehrte Vorgehensweise verfolgt. Dabei wurde eine 2D-Elektrodenlagen gemäß Beispiel 1 hergestellt. Diese Lage wurde dann in eine vorgefertigte Fassung eingesetzt, welche die Lage an Ort und Stelle fixierte (Fig. 4A). Zusätzlich verfügte die Fassung über Querstreben, um eine gleichmäßige Druckverteilung beim folgenden Falten zu gewährleisten. Die Fassung wurde auf einem Montagetisch (mit Aussparung in der Mitte) angeordnet, um Platz für die zu faltenden Schäfte zu schaffen; alternativ kann natürlich auch bereits die Fassung so ausgestaltet werden, dass sie genügend Platz für die aufzufaltenden Schäfte lässt, zum Beispiel durch entsprechend hohe Ränder. Im nächsten Schritt wurde die gemäß Beispiel 2 hergestellte Form (Formgebungslage) mit den Erhebungen nach voran auf die 2D-Elektrodenlagen gelegt (Fig. 4B). Auch hier halfen die Ränder der Fassung, die Ausrichtung zu verbessern. Wenn die Form (Formgebungslage) korrekt platziert ist, wird sie nach unten auf die 2D-Elektrodenlagen gedrückt, so dass die Erhebungen der Formgebungslage die Schäfte aus der Ebene der 2D-Sonde drückten und alle Schäfte gleichzeitig gefaltet wurden. In dieser Variante ersetzt demgemäß die vorgefertigte Fassung die Anpresslage aus der ersten Variante; die vorgefertigte Fassung kann demgemäß als Spezialfall der Anpresslage angesehen werden.
Danach wurden die jeweils zusammengefügten Lagen erhitzt, um die aufgerichteten Schäfte in ihrer Position zu fixieren. Dabei erfolgte das Erhitzen der Lagen mit einer möglichst langsamen Rampe von ca. 5°C/min. Dann wurde die Temperatur für 60 Minuten bei 150°C bis 160°C gehalten. Die Lagen waren vollständig (ca. 120 Minuten) abgekühlt bevor sie auseinander genommen wurden.
Schließlich wurden die Lagen voneinander getrennt und die vormalige 2D- Elektrodenstrukturlage als neue, dreidimensional strukturierte Elektrodenlage mit aufgerichteten, annähernd im 90°-Winkel zu der Lagenebene aufgestellten, Elektrodenschäften erhalten.
Diese konnte dann zum Beispiel als Neuroimplantat verwendet werden. Für in vitro und ex-vivo-Anwendungen konnten diese, wie hergestellt, direkt verwendet werden, für in-vivo-Anwendungen mussten sie noch sterilisiert werden (zum Beispiel mittels Ethanol, UV-Bestrahlung, Ethylenoxid, Wasserstoffperoxid Plasma, Autoklavieren).
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 die Abfolge der Herstellung von 2D-Elektrodenstrukturlagen 2DE, wie sie auch oben beschrieben sind. Dabei wird die Schichtung in einer Sicht parallel zu der 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE nach dem jeweiligen Verfahrensschritt dargestellt. Exemplarisch ist der Einfachheit halber hier jeweils nur ein Ausschnitt mit einer Elektrodenstruktur gezeigt; die 2D-Elektrodenstrukturlage weist aber (in der Regel) eine Vielzahl dieser auf. Die ganz links gezeigten Ziffern 1), 2), 4), 5), 6) und 7) repräsentieren dabei die oben beschriebenen Verfahrensschritte entsprechender Bezifferung. Wie man sieht wird in Schritt 1) die erste Substratschicht IS auf ein Trägersubstrat T aufgetragen. Gezeigt ist ferner eine optionale Zwischenschicht oZ, die bevorzugt nur zur Anwendung kommt, falls als Substrat Polyimide verwendet werden. In Schritt 2) wird dann darauf die erste, strukturierte Metallschicht (Basismetallschicht) IM aufgetragen. Entsprechend der obigen Beschreibung besteht diese Schicht am Ende von Schritt 2) nur noch aus Leiterbahnen L und Elektrodenflächen EF (unabhängig davon, ob erst eine vollständige Metallschicht aufgetragen und dann überschüssiges Metall entfernt wird, oder Metall nur auf selektierte, zum Beispiel freigelassen Bereiche aufgetragen wird und die übrigen Bereiche dann von zum Beispiel Schutzpolymer befreit werden; L und EF in dieser Figur der Übersichtlichkeit halber nicht getrennt dargestellt). Als nächstes wird die Schichtfolge nach Schritt 4) dargestellt, bei der die Passivierungsschicht P verbleibt. In Schritt 5) wird dann nur die erste Metallschicht IM an selektierten Stellen freigelegt, und in Schritt 6) das Trägersubstrat T entfernt. In Schritt 7) werden dann die freigelegten Elektrodenflächen mit elektrisch leitfähigen Substanzen (Polymeren) beschichtet, was in einer elektrisch leitfähigen Beschichtung eB resultiert, die dann verbleibt. Das so erhaltene Produkt, die 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE, kann dann einem „Kirigami-Prozess" (also den erfindungsgemäßen Verfahrensschritten A) bis F)) unterworfen werden, zum Beispiel wie in den Figuren 3 oder 4 gezeigt. Der Übersichtlichkeit halber sind in dieser Figur, wie auch den übrigen Figuren, die einzelnen Bestandteile nicht in allen Schritten beschriftet, sondern nur in einzelnen; gleiche Darstellungen zeigen aber gleiche Elemente.
Figur 2 illustriert das gleiche wie Fig. 1, jedoch mit dem Unterschied, dass hier eine zweite Vorgehensweise dargestellt ist, bei der Schritt 3) durchgeführt wird, dafür aber nicht Schritt 7). Entsprechend wird für Schritt 3) dargestellt, dass hier zunächst die Zwischenschicht Z aufgetragen wird, wobei die erste Metallschicht IM teilweise freibleibt, oder wieder freigelegt wird, so dass am Ende des Schrittes 3) teilweise freiliegende erste Metallschicht IM resultiert. Gemäß Schritt 3d) erfolgt dann Auftragung einer zweiten Metallschicht 2M, die anschließend verbleibt. Hier ist es so dargestellt, dass die zweite Metallschicht 2M zum Teil auf der Zwischenschicht Z aufliegt, dies ist aber nicht zwingend der Fall. Es ist auch möglich, diesen Schritt so auszuführen, dass an seinem Ende die Zwischenschicht Z und die zweite Metallschicht 2M plan ineinander übergehen oder so, dass das obere Ende der Metallschicht 2M etwas tiefer liegt. Die übrigen Schritte entsprechen den in Fig. 1 gezeigten. Das so erhaltene Produkt, die 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE, kann dann einem „Kirigami- Prozess" (also den erfindungsgemäßen Verfahrensschritten A) bis F)) unterworfen werden, zum Beispiel wie in den Figuren 3 oder 4 gezeigt.
Die Figuren 3 bis 5 zeigen illustrativ das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung dreidimensional strukturierter Elektrodenlagen (also einer Art Kirigami-Prozess).
Figur 3 zeigt dabei eine erste mögliche Variante der Positionierung und des Zusammenbringens von 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE, Formgebungslage F und Anpresslage A. In der linken Hälfte der Figur wird dargestellt, wie eine 2D- Elektrodenstrukturlage 2DE umfassend eine Vielzahl (gezeigt sind vier) n-seitiger Elektrodenstrukturen n-ES mit eine Formgebungslage F zusammengebracht, hier von oben aufgelegt, wird. Wie man sieht umfasst die Formgebungslage F eine Vielzahl (gezeigt sind vier) hervorstehende Strukturen hS. In der rechten Hälfte ist zusätzlich eine Anpresslage A gezeigt, die an drei Seiten einen Rand eine zusätzliche Wand bzw. einen Steg umfasst (selbstverständlich sind mehrere Wände beziehungsweise Stege oder auch andere Strukturen sowie Ränder an allen vier Seiten oder auch nur an zwei Seiten oder einer möglich). Die Anpresslage A wird dann mit den Rändern und dem Steg in Richtung 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE und Formgebungslage F gedreht und alle drei Lagen zusammengebracht. Figur 4 zeigt eine zweite mögliche Variante der Positionierung und des Zusammenbringens von 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE, Formgebungslage F und - anstelle der Anpresslage A - vorgefertigter Fassung vF, die eine spezielle Ausführungsform der Anpresslage ist. Wie man sieht ist hier anstelle der Formgebungslage F eine vorgefertigte Fassung vF gezeigt, die hier in Form eines Rahmens ausgestaltet ist, in den die 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE eingeschoben werden kann. Die Formgebungslage F umfasst in diesem Beispiel keinen Rand und wird in dieser Darstellung von oben in den Rahmen der vorgefertigten Fassung vF ein- und auf die 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE aufgelegt. Um ausreichend Spielraum zur Auffaltung/Aufstellung für die n-seitigen Elektrodenstrukturen n-ES zu ermöglichen, ist hier ein Montagetisch gezeigt, der aber - je nach Höhe des Rahmens der vorgefertigten Fassung vF - nicht immer nötig ist. Im Übrigen zeigt Fig. 4 sinngemäß das Gleiche wie Fig. 3.
Weitere, von den Darstellungen in Fig. 3 und 4 abweichende Varianten sind möglich.
Fig. 5 zeigt dann schematisch das vollständige erfindungsgemäße Verfahren - der Einfachheit halber illustriert nur anhand der Variante von Fig. 3, die in einigen Varianten der vorliegenden Erfindung auch bevorzugt ist. Demgemäß ist im mittleren oberen Teil der Figur illustriert, dass gemäß Fig. 3 die drei Lagen, 2D- Elektrodenstrukturlage 2DE, Formgebungslage F und Anpresslage A, zusammengefügt werden. Entfernt man nach dem Zusammenpressen die Anpresslage A, erhält man die 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE und die Formgebungslage F zusammensetzt, wie im rechten Teil dargestellt. Wie man dort sieht, sind die n- seitigen Elektrodenstrukturen n-ES durch das Durchdrücken der hervorstehenden Strukturen hS der Formgebungslage F nach oben aus der Ebene der 2D- Elektrodenstrukturlage 2DE herausgedrückt und aufgerichtet worden. Im rechten unteren Teil der Figur ist anhand des gewinkelten Pfeiles mit Thermometersymbol und °C-Angabe illustriert, dass diese zwei zusammengesetzten Lagen zusammen erhitzt werden, um die aufgerichteten n-seitigen Elektrodenstrukturen n-ES in Ihrer aufgerichteten Position zu fixieren. Nach Entfernung der Formgebungslage F erhält man dann die fertige dreidimensional strukturierte Elektrodenlage 3DE, wie sie in der Mitte, unten der Fig.5 zu sehen ist. Figur 6 zeigt beispielhaft drei verschiedene Illustrationen für n-seitige Elektrodenstrukturen jeweils parallel zu den entsprechenden 2D- Elektrodenstrukturlagen gesehen. Figur 6a zeigt dabei eine 3-seitige Elektrodenstruktur 3n, die aus der Ebene der 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE herausgeklappt ist. die 3-seitige Elektrodenstruktur 3n hat in dieser Illustration drei Elektrodenflächen EF und entsprechend drei Leiterbahnen L, die von den Elektrodenflächen EF fortführen. Figur 6b zeigt dabei eine 4-seitige Elektrodenstruktur 4n, (mit spitz ausgeführter kurzer Seite; man könnte diese Elektrodenstruktur also auch als 5-seitig bezeichnen oder als 4-seitig mit Spitze) die aus der Ebene der 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE herausgeklappt ist. Die 4-seitige Elektrodenstruktur 4n hat in dieser Illustration vier Elektrodenflächen EF und entsprechend vier Leiterbahnen L, die von den Elektrodenflächen EF fortführen. Figur 6c zeigt dabei eine 5-seitige Elektrodenstruktur 5n, die aus der Ebene der 2D- Elektrodenstrukturlage 2DE herausgeklappt ist. Die 5-seiteige Elektrodenstruktur 5n hat in dieser Illustration vier Elektrodenflächen EF und entsprechend vier Leiterbahnen L, die von den Elektrodenflächen EF fortführen.
Bezugszeichenliste:
2DE 2D-Elektrodenstrukturlage
3DE dreidimensional strukturierte Elektrodenlage n-ES n-seitige Elektrodenstruktur F Formgebungslage
A Anpresslage hS hervorstehende Strukturen vF vorgefertigte Fassung (Spezialfall der Anpresslage)
M Montagetisch
T Trägersubstrat
IS erste Substratschicht
IM erste, strukturierte Basismetallschicht (Leiterbahnen und Elektrodenflächen) 2M zweite Metallschicht (optional)
P Passivierungsschicht
Z Zwischenschicht (optional) eB elektrisch leitfähige Beschichtung
EF Elektrodenfläche L Leiterbahn oZ optionale Zwischenschicht (Cr/AU/Cr, insbesondere falls IS PaC ist)
3n 3-seiteige Elektrodenstruktur
4n 4-seiteige Elektrodenstruktur 5n 5-seiteige Elektrodenstruktur

Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von dreidimensional strukturierten Elektrodenlagen (3DE), das die folgenden Verfahrensschritte umfasst oder hieraus besteht:
A) Bereitstellen einer flexiblen 2D-Elektrodenstrukturlage (2DE) umfassend n-seitige Elektrodenstrukturen (n-ES), von denen eine Seite an der Strukturlage fest ist und die übrigen Seiten ganz oder teilweise von der Strukturlage abgetrennt sind;
B) Bereitstellen einer dreidimensionalen Formgebungslage (F) umfassend hervorstehende Strukturen (hS);
C) Ausrichten der flexiblen 2D-Elektrodenstrukturlage (2DE) und der Formgebungslage (F), so dass die jeweiligen hervorstehenden Strukturen (hS) jeweiligen n-seitigen Elektrodenstrukturen (n-ES) zugeordnet sind;
D) Zusammenpressen der 2D-Elektrodenstrukturlage (2DE) und der Formgebungslage (F), wobei die n-seitigen Elektrodenstrukturen (n-ES) durch die jeweiligen hervorstehenden Strukturen (hS) der Formgebungslage (F) aus der Ebene der 2D-Elektrodenstrukturlage (2DE) um eine an der 2D-Elektrodenstrukturlage (2DE) feste Seite rotierend herausgedrückt und angehoben werden;
E) Erhitzen der zusammengefügten Lagen, so dass die Elektrodenstrukturen (ES) der Elektrodenstrukturlage (2DE) in der durch die hervorstehenden Strukturen (hS) der Formgebungslage (F) vorgegebenen Lage fixiert werden;
F) Trennen der Lagen voneinander,
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die n-seitige Elektrodenstrukturen (n-ES), mit einer Seite an der Strukturlage fest sind und die übrigen Seiten teilweise von der Strukturlage abgetrennt sind und mindestens zwei, bevorzugt zwei, Sollbruchstellen aufweisen, besonders bevorzugt bei 5-seitigen Elektrodenstrukturen, die die Form eines Obeliskenlängsschnittes aufweisen, zwei oder drei Sollbruchstellen, jeweils eine an den langen Seitenflächen und optional eine an der Spitze.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebungslage (F) einen Rahmen aufweist, der in seinen inneren Dimensionen auf die äußeren Dimensionen der 2D- Elektrodenstrukturlage (2DE) abgestimmt ist, bevorzugt exakt, und das Ausrichten in Schritt C) an diesem Rahmen erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Schritt C) unterteilt ist in die Schritte
C) Ausrichten der flexiblen 2D-Elektrodenstrukturlage (2DE) und der Formgebungslage (F), so dass die jeweiligen hervorstehenden Strukturen (hS) jeweiligen n-seitigen Elektrodenstrukturen (n-ES) zugeordnet sind,
CI) Bereitstellen einer dreidimensionalen Anpresslage (A), bevorzugt umfassend Erhebungen, besonders bevorzugt umfassend einen Rahmen und gegebenenfalls mindestens einen Steg,
C2) Ausrichten der flexiblen 2D-Elektrodenstrukturlage (2DE) zwischen der Formgebungslage (F) und der Anpresslage (A), so dass die jeweiligen hervorstehenden Strukturen (hS) der Formgebungslage (F) jeweiligen n-seitigen Elektrodenstrukturen (n-ES) zugeordnet sind, und dass die Erhebungen der Anpresslage (A) jeweiligen Bereichen der 2D-Elektrodenstrukturlage (2DE) zugeordnet sind, die keine Elektrodenstrukturen (n-ES) sind, und wobei bevorzugt der Rahmen der Anpresslage (A), falls vorhanden, äußere Dimensionen aufweist, die den inneren Dimensionen eines Rahmens der Formgebungslage (F), falls vorhanden, entsprechen, insbesondere exakt entsprechen, und/oder den äußeren Dimensionen der 2D- Elektrodenstrukturlage (2DE) entsprechen, insbesondere exakt entsprechen; und
Schritt D) geändert ist zu
D) Zusammenpressen der 2D-Elektrodenstrukturlage (2DE), der Formgebungslage (F) und der Anpresslage (A), wobei die n- seitigen Elektrodenstrukturen (n-ES) durch die jeweiligen hervorstehenden Strukturen (hS) der Formgebungslage (F) aus der Ebene der 2D-Elektrodenstrukturlage (2DE) um eine an der 2D-Elektrodenstrukturlage (2DE) feste Seite rotierend herausgedrückt und angehoben werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend zusätzlich
Bl) Bereitstellen einer Anpresslage und Änderung der Schritte C) und D) in:
CI) Ausrichten der flexiblen 2D-Elektrodenstrukturlage und der Formgebungslage sowie der Anpresslage, so dass die jeweiligen hervorstehenden Strukturen der Formgebungslage jeweiligen n-seitigen Elektrodenstrukturen der 2D-Elektrodenstrukturlage zugeordnet sind und so, dass 2D-Elektrodenstrukturlage zwischen Formgebungslage und Anpresslage angeordnet ist;
Dl) Zusammenpressen der 2D-Elektrodenstrukturlage, der Formgebungslage und der Anpresslage, wobei die n-seitigen Elektrodenstrukturen durch die jeweiligen hervorstehenden Strukturen der Formgebungslage aus der Ebene der 2D-Elektrodenstrukturlage herausgedrückt und angehoben werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der flexiblen 2D-Elektrodenstrukturlage (2DE) die folgenden Verfahrensschritte umfasst oder hieraus besteht:
1) Bereitstellung einer ersten flexiblen Substratschicht (IS), bevorzugt aus einem dünnen Metallfilm oder einem thermoplastischen Material, auf einem Trägersubstrat (T);
2) Aufbringen einer strukturierten Basismetallschicht (IM) umfassend Leiterbahnen (L) und Elektrodenflächen (EF) auf die erste flexible Substratschicht (IS);
3) optional Aufbringen einer flexiblen Zwischenschicht (Z), bevorzugt aus einem thermoplastischen Material, auf die strukturierte Basismetallschicht (IM), umfassend die Unterschritte:
3a) Aufbringen einer Maske, bevorzugt Ätzmaske, auf die flexible Zwischenschicht (Z),
3b) Freilegen definierter Bereiche der Basismetallschicht (IM), bevorzugt über reaktives lonenätzen, der durch die Maske definierten, zu entfernenden Bereiche,
3c) Entfernen der Maske, bevorzugt Ätzmaske,
3d) Einbringen einer zweiten Metallschicht (2M) in die freigelegten Stellen der flexiblen Zwischenschicht (Z); 4) Aufbringen einer Passivierungsschicht (P), bevorzugt aus einem thermoplastischen Material, auf die strukturierte Basismetal lschicht oder die flexible Zwischenschicht (Z);
5) Strukturierung der Passivierungsschicht (P) umfassend die Unterschritte:
5a) Aufbringen einer Maske, bevorzugt Ätzmaske, auf die
Passivierungsschicht (P),
5b) Freilegen definierter Bereiche der Passivierungsschicht (P), bevorzugt über reaktives lonenätzen, der durch die Maske definierten, zu entfernenden Bereiche, optional, insbesondere falls Schritt 3) nicht durchgeführt wurde, mehrmalig,
5c) Entfernen der Maske, bevorzugt Ätzmaske;
6) Entfernen des Trägersubstrats (T);
7) falls kein Schritt 3) vollführt wurde, Einbringen eines
Beschichtungsmaterials in die freigelegten Bereiche der
Passivierungsschicht (P) und auf die freigelegten Bereiche der Elektrodenoberflächen (EF).
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der 2D- Elektrodenstrukturlage (2DE) vor oder nach den Schritten 1) bis 8) an n-1 Seiten der jeweiligen n-seitigen Elektrodenstrukturen (n-ES) das Material der 2D-Elektrodenstrukturlage (2DE) ganz oder teilweise durchtrennt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die teilweise Durchtrennung mindestens zwei Sollbruchstellen verbleiben, besonders bevorzugt bei 5-seitigen Elektrodenstrukturen, die die Form eines Obeliskenlängsschnittes aufweisen, zwei oder drei Sollbruchstellen, jeweils eine an den langen Seitenflächen und optional eine an der Spitze.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite und Länge der jeweiligen hervorstehenden Struktur (hS) auf der Formgebungslage (F) geringer ist als die Breite und Länge der jeweils zugeordneten n-seitigen Elektrodenstruktur (n-ES), und wobei die Höhe jeder der jeweiligen hervorstehenden Struktur (hS) insbesondere halb so hoch ist, wie die Länge der jeweiligen zugeordneten n-seitigen Elektrodenstruktur (n- ES).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Substratschicht (IS) der Elektrodenstrukturlage einen dünnen Metallfilm oder ein thermoplastisches Material umfasst oder daraus besteht, bevorzugt ein thermoplastisches Material, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Parylene C, Polyimid, Polyethylenterephthalat, Polymilchsäure, Polytetrafluorethylen, Polystyrol und Mischungen davon, besonders bevorzugt Parylene C oder Polyimid, insbesondere Parylene C.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebungslage (F) Metall, Kunststoff oder 3D-druckbares Material umfasst oder daraus besteht, bevorzugt mittels 2-Photonenpolymerisation druckbares Material, besonders bevorzugt auf Basis von über radikalische Polymerisation härtenden (Meth)acrylaten oder auf Basis von fotostrukturierbaren Epoxidharzen, insbesondere Bisphenol A-Novolak- Epoxidharz, oder auch auf Basis von Mischungen davon.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstrukturlage Parylene C umfasst oder daraus, abgesehen von den Metallen der Leiterbahnen (L) und Elektrodenflächen (EF), besteht und die Formgebungslage Material auf Basis von über radikalische Polymerisation härtenden (Meth)acrylaten umfasst oder daraus besteht.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden ganz oder teilweise mit leitfähigen Materialien beschichtet sind, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus PEDOT:PSS, Iridiumoxid und Mischungen davon.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass keine Stützlagen für die 2D-Elektrodenstrukturlage (2DE) eingesetzt werden, bevorzugt die 2D-Elektrodenstrukturlage (2DE) freitragend sind.
15. Dreidimensional strukturierten Elektrodenlagen (3DE) hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 oder 1 bis 14.
16. Implantate oder Neuroimplantate umfassend dreidimensional strukturierte Elektrodenlagen (3DE) gemäß Anspruch 15 oder bestehend aus diesen.
17. Verwendung dreidimensional strukturierter Elektrodenlagen (3DE) gemäß Anspruch 15 oder hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als oder für Implantate, Neuroimplantate, zur Messung elektrochemischer Eigenschaften, zur Messung physikalischer Eigenschaften, beim Biosensing, oder zur Impedanzmessung.
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