WO2008131714A2 - Verfahren und anordnung zum elektrischen kontaktieren eines membranumhüllten objekts mit einer elektrode - Google Patents

Verfahren und anordnung zum elektrischen kontaktieren eines membranumhüllten objekts mit einer elektrode Download PDF

Info

Publication number
WO2008131714A2
WO2008131714A2 PCT/DE2008/000568 DE2008000568W WO2008131714A2 WO 2008131714 A2 WO2008131714 A2 WO 2008131714A2 DE 2008000568 W DE2008000568 W DE 2008000568W WO 2008131714 A2 WO2008131714 A2 WO 2008131714A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
nanotubes
membrane
conductive
carrier
Prior art date
Application number
PCT/DE2008/000568
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2008131714A3 (de
Inventor
Jan Gimsa
Ulrike Gimsa
Stefan Fiedler
Torsten Müller
Wolfgang Scheel
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Universität Rostock
Forschungsinstitut Für Die Biologie Landwirtschaftlicher Nutztiere
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., Universität Rostock, Forschungsinstitut Für Die Biologie Landwirtschaftlicher Nutztiere filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority to US12/451,059 priority Critical patent/US20100140111A1/en
Priority to EP08734457A priority patent/EP2140262A2/de
Publication of WO2008131714A2 publication Critical patent/WO2008131714A2/de
Publication of WO2008131714A3 publication Critical patent/WO2008131714A3/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/487—Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • G01N33/48707—Physical analysis of biological material of liquid biological material by electrical means
    • G01N33/48728—Investigating individual cells, e.g. by patch clamp, voltage clamp

Definitions

  • the aim is to achieve a low-impedance coupling between the cell or the tissue and a conductive electrode.
  • a generally poor electrical and mechanical coupling between electrode and cell or tissue results in a purely external discharge, for example in multi-electrode arrays (MEAs) by the generally relatively large distance of on average over 40 nm between electrode and cell and the influence of electric double layers in the aqueous phase both on the electrode surface and on the cell membrane.
  • MEAs multi-electrode arrays
  • DC or frequency components to adverse electrochemical processes on the surfaces and in the aqueous phase Such electrochemical processes lead to distortions of applied or derived electrical signals.
  • the present invention seeks to provide a method for electrically contacting a membranumhüllten object, such as a biological cell, in which the lowest possible coupling impedance between the membrane-coated object and the electrode is achieved.
  • the invention provides that for contacting at least one electrode is used with a conductive support on which a plurality of nanowires is arranged and on the adjacent nanopiples to each other have a distance which is smaller than the size of the membranumhüllten object, and that the membrane-coated Object is brought into contact with the Nanonadeln.
  • the membrane-enveloped object may be, for example, a biological (human, animal, or plant) cell, a liposome, a lipid film (eg, black-lipid membrane), or a multilamellar structure.
  • the shape design of the nanopipes is arbitrary;
  • the nanopipes can have any cross-section (round, square, oval, etc.) as well as any ratio between length and width.
  • the nanotubes can be longer than they are wide or, alternatively, wider than they can be long.
  • they may be columnar or club shaped and form nanorods or nanowires.
  • the shape of the "needle tip" or the needle end face can be very different be configured: For example, the needle face may have a burr or taper.
  • An essential advantage of the method according to the invention is that due to the nanopipes arranged on the surface of the electrode, a very intimate contact between the electrode and the object and thus a very low contact resistance or contact impedance are achieved. While cells generally settle on smooth planar surfaces with a distance of at least 40 nm from the surface, a significantly smaller distance is achieved with the electrode used according to the invention, as a result of which the electrical transition resistance or transition impedance is reduced and the discharge or read-out electrical measuring signals can be carried out with higher accuracy than in previous contacting procedures.
  • Another significant advantage of the method according to the invention is the fact that, despite the presence of needles, the contacting is not invasive; this is u. a. due to the fact that the needles are designed as nanotubes and also have a distance between them that is smaller than the size of the object. This arrangement also causes the object to sink in between the nanoparticles without damaging or penetrating the membrane of the membrane-encased object.
  • a third advantage of the method according to the invention can be seen in the fact that the use of the "needle-decorated" electrode described allows the mapping of the electrical cell activity or stimulation to be very error-free, spatially resolved as well as time-resolved.In addition, impedance characteristics of adherently growing cells be detected very accurately under physiological conditions.
  • the needle tips of the nanorods formed by the nanorods represent focal contact points at which the distance between the membrane and the needle surface is less than 10 nm, without penetrating the membrane.
  • the membrane contact surfaces to the nano- needle tip Due to the small size of the membrane contact surfaces to the nano- needle tip, special molecular structures are formed, in particular in cells in the membrane or in the immediate vicinity of the membrane, which support the intimate contact of the membrane with the needle surface. Due to the high attractive interaction forces due to the small distance (eg Van der Waals force), the contact reliability is further improved. This can lead to the formation of anisotropic membrane areas.
  • an electrode in which the needle needles are at least partially distributed irregularly, in particular stochastically, on the carrier.
  • the nanotubes are distributed irregularly or stochastically on the support and thus form at least partially areas of needles or needle groups adjacent to each other at different distances, cell-physiologically beneficial effects are additionally induced: in contrast to strictly symmetrical nanoneedle arrays, irregularly spaced nanoneedle arrays
  • the stochastically arranged nanopipes generally avoid overstimulation, which can lead to a stress situation (eg phagocytosis induction by carbon nanotubes) and thus to unphysiological conditions.
  • an electrode in which the nanopipes on the support are distributed irregularly, in particular stochastically, in at least one section and are regularly distributed in at least one other section.
  • a change between areas with regular needle arrangement and those with irregular needle arrangement ensures a good nestling of the object to the carrier and also simplifies an automatic, for example, computer-assisted recognition of the electrode areas and thus an automatic, in particular optical characterization of the cells.
  • the electrode may be formed solely by a substrate on which cells can grow.
  • the nanotubes may be metallic (mono- or polycrystalline), for example.
  • the nanopipes and the carrier may consist of the same or different materials, for example, the carrier and / or the nanotubes of a noble metal, preferably gold or platinum, a base metal, preferably titanium, from a conductive, non-conductive or poorly conductive polymer or a semiconductor material or comprise such a material.
  • a nano-needle-bearing surface needles of a limited area are electrically connected to the surface and form an electrode, adjacent needles either being associated with another electrode or not electrically contacted to the outside.
  • at least one needle section which is electrically contactable and at least one needle section which is not electrically contactable are combined with one another.
  • the nanotubes consist of a conductive material, it is considered advantageous if the radii of curvature of the needle end faces or needle points are so small that they can function as field emitters; Suitable needle tip diameters are between 10-25nm and 1-2 ⁇ m.
  • a particularly good nestling of the object against the carrier and thus a particularly small distance between carrier and membrane-enveloped ⁇ object can be achieved if an electrode is used in which the nanotubes are nonconductive or at least less conductive than the conductive carrier.
  • the electrode there is a very low contact resistance, even though the nanotubes themselves are not or only poorly conductive;
  • the nanopipes in this case nevertheless contribute to the reduction of the contact resistance because they promote the nestling of the cell to the conductive carrier and thus reduce the distance between carrier and cell.
  • an electrode is used in which the distance of adjacent nanodinches from each other on average (averaged over the number of nanone needles) is less than 10 ⁇ m and / or on average less than one hundred times the nanodiode diameter.
  • the size refers to average sized biological cells with a diameter of 3-50 microns. For larger cells, the distance can also be increased accordingly.
  • the nanowires preferably have one
  • the length of the nanotubes is preferably between 100 nm and 20 microns, more preferably between 300 nm and 10 microns.
  • the nanopipes can also have a coating in order to improve the contact with the object or to achieve a local assignment.
  • the coating of the nanotubes with molecules can additionally improve the mechanical and electrical coupling of the membrane to the needles.
  • the molecules can reach into the membrane or through it.
  • the described contacting method is preferably used within the scope of a method for carrying out electrical measurements on a membrane-encased object and / or for stimulating a membrane-encased object, wherein the object is contacted as described and subsequently electrical measurement signals of the object with the electrode are measured and / or by application an electrical voltage or through electrical current a stimulation of the object is performed.
  • the described methods can be used, for example, for signal-derivation - and / or for electrical stimulation, i. be used bidirectionally:
  • muscle cells and / or cells of the nervous system such as neurons, neuronal networks, microglial cells, oligodendrocytes, and / or astrocytes,
  • a phospholipid membrane which is not intended to be injured, such as liposomes, vesicles or more complex compartments enveloped by a single or multi-layer molecular layer (eg block copolymer membranes), or lipid protein layers (eg. Black-lipid membranes),
  • e- lektrischen signals different frequencies, in particular pulsed and RF signals
  • neurosensor chips for cell biological and / or basic medical research; e.g. in so-called neurosensor chips.
  • the invention also relates to an electrode which is suitable for electrically contacting a membrane-encased object, in particular a biological cell (human, animal or plant cell).
  • a biological cell human, animal or plant cell
  • the electrode has a conductive carrier on which a large number of nano-needles is arranged and on which neighboring nanotubes have a distance from each other which is smaller than the size of the membrane-encased object, in particular smaller than a biological cell.
  • the invention also relates to an arrangement with a plurality of electrodes, for example a multi-electrode array, in which a plurality of electrodes of the described type are arranged two-dimensionally or three-dimensionally, for example in an array-like manner.
  • a cell may be contacted by a plurality of electrodes or multiple cells through an electrode or just one cell through an electrode. This further facilitates an individual assignment of the signals to a cell.
  • a device for carrying out electrical measurements on a membrane-encased object and / or for electrically stimulating a membrane-encased object is also considered to be an invention insofar as it has one or more electrodes of the type described.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of an electrode according to the invention with nanopipes
  • FIG. 3 shows an embodiment for the production of
  • FIG. 4 shows, by way of example, an electron micrograph of an electrode according to the invention with carrier and nanone needles
  • FIG. 5 schematically shows an exemplary embodiment of an electrode according to the invention with a regular or symmetrical nanoneedle distribution
  • FIG. 6 schematically shows an exemplary embodiment of an electrode according to the invention with an irregular or stochastic nanoneedle distribution
  • FIG. 7 schematically shows an exemplary embodiment of an electrode according to the invention with nanoneedle sections with an irregular or stochastic nanoneedle distribution and nanoneedle sections with a regular or symmetrical nanoneedle distribution and
  • FIG. 8 shows a transmission electron micrograph of a cell, which is arranged on an embodiment of an electrode according to the invention.
  • FIGS. 1 to 8 the same reference numerals are always used for identical or comparable components.
  • FIG. 1 shows, for general explanation, an electrode 10 with a smooth electrode surface 20 without nanopipes.
  • a biological (human, animal or plant) cell 30 contacted with the electrode 10 forms focal contact points 50 with the electrode 10 via membrane protuberances 40.
  • the distance between the membrane 60 of the cell 30 and the smooth electrode surface 20 is on average (approx. averaged over the membrane surface facing the electrode 10) typically greater than 40 nm.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of an electrode 100 according to the invention.
  • the nanotubes 120 form on the support a "nano-lawn" *, which has been produced for example by using nanoimprint techniques, semiconductor technology or / and by electrolytic deposition.
  • the spacing between immediately adjacent nanorods is preferably smaller than the size of the cell 30.
  • Focal contact points 140 between the cell 30 and the electrode 100 are formed at the needle tips 150. Due to the needle needles 120, the cell is conformed to the outer surface 130 of the carrier 110 and thus on average a smaller distance between the membrane 60 of the cell 30 and the electrode surface 20 than in the case of the electrode 10 without nanotubes according to FIG Typically, the distance between the membrane 60 of the cell 30 and the surface 130 of the carrier 110 in an electrode such as that according to FIG.
  • the angular orientation of the nanotipes 120 is preferably set such that the nanopiples have similar angles ⁇ to the surface 130 of the carrier 110 in sections or in populations
  • the angle deviation of the angles in one and the same section of the carrier 110 is less than 20 degrees, preferably less than 10 degrees.
  • FIG. 8 shows a transmission electron micrograph of a cell 30, which is arranged on an electrode 100. It can be seen the intimate contact between the surface 130 of the carrier 110 and the membrane 60 of the cell 30th
  • FIG. 3 shows by way of example with reference to five images A to E how the electrode 100 according to FIG. 2 can be produced.
  • the top picture A one can see a nanoporous polymer film 200 sputtered on one side on one side and with a thin electrically conductive film
  • Layer 210 is coated (see Figure B). Subsequently, a galvanic deposition of a serving as working electrode 220 layer is performed ( Figure C). During the electrodeposition, not only is deposition on the lower side 230 of the layer 210, but also on the upper side 240 on which the nanoporous polymer film 200 rests. The growth takes place through the pores 250 of the nanoporous polymer film 200, whereby the nanopipes 120 are formed (FIG. D).
  • the nanoporous polymer film 200 is removed, for example by a solvent or by etching, whereby the electrode 100 is finished with the nanotubes 120 (FIG. E).
  • the nanoporous polymer film 200 may be, for example, a nanoporous polymer template, also called a "nuclear track membrane” or “track etched membranes".
  • the nanoporous polymer film 200 can be produced by irradiating a polymer film with high-energy particles and expanding the latent defects in the polymer film with suitable etchants to the continuous pores 250 after irradiation.
  • Parameters can be generated very defined pore sizes in the range between 10 nm to about 5 microns, even up to 10 microns.
  • the density of the pores per unit area can be made different by the conditions of the primary particle bombardment.
  • the polymer film 200 is irradiated, for example, sequentially several times at different angles and only then etched in one step.
  • FIG. 4 shows, by way of example, an electron micrograph of an electrode with carrier and with nanotubes.
  • FIG. 5 schematically shows an exemplary embodiment with a regular or symmetrical nanoneedle distribution. It can be seen that the symmetrical distribution of the nanotubes induces a symmetrical formation of the cell 30, which usually does not correspond to the physiological situation in vivo.
  • an irregular or stochastic distribution of the nanopipes is better than a regular or symmetrical nanoneedle distribution, as shown in FIG. 6 as a further exemplary embodiment. It can be seen that the cell 30 adapts to the nanoneedle distribution, thereby achieving even better conforming to the carrier 110 and further reducing the distance between the cell 30 and the carrier 110.
  • nanoneedle sections with an irregular or stochastic distribution of the nanotubes and one or more nanoneedle sections with a regular or symmetrical nanoneedle distribution present or combined with each other Such an embodiment is shown in FIG.
  • the cells will conform well to the carrier 110 in the nanoneedle portions 300 with the irregular or stochastic distribution of the nanorods 120, and the nanoneedle portions 310 with the regular or symmetrical distribution of the nanorods 120 facilitate automatic image processing.

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Immobilizing And Processing Of Enzymes And Microorganisms (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich u. a. auf ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren eines membranumhüllten Objekts (30) mit einer Elektrode (10, 100). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zum Kontaktieren mindestens eine Elektrode (100) mit einem leitfähigen Träger (110) verwendet wird, auf dem eine Vielzahl an Nanonadeln (120) angeordnet ist und auf dem benachbarte Nanonadeln zueinander einen Abstand aufweisen, der kleiner als die Größe des Objekts ist, und dass das Objekt mit den Nanonadel in Kontakt gebracht wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anordnung zum elektrischen Kontaktieren eines membranumhüllten Objekts mit einer Elektrode
Gegenwärtig wird intensiv an Möglichkeiten zur elektrischen Stimulation und/oder Ableitung elektrischer Signale aus biologischen Zellen oder Geweben geforscht. Ziel ist, eine möglichst impedanzarme Kopplung zwischen der Zelle bzw. dem Ge- webe und einer leitfähigen Elektrode zu erreichen.
Während traditionelle Patch-Clamp-Messtechniken Messsignale nur über einzelne Membranfragmente (so genannte Patches) und darin befindliche Kanäle erfassen und so nur bedingt Aussagen über intakte Zellen im physiologischen Zustand erlauben, sind weiter entwickelte Ganz-Zell-Clamp-Techniken (engl.: whole cell voltage clamping, whole cell patch clamp) insofern von Nachteil, als sie stets mit der Zeil-Penetration (durch eine Kapillare oder direkt durch eine Elektrode) und damit der Verletzung der Zellmembran einhergehen. Die impedanzarme Verbindung zur Kapillare oder ihrer Entsprechung erfordert besondere Vorkehrungen, welche die Automatisierung oder Messungen über längere Zeiträume häufig zumindest erschweren. Die ausschließlich kapazitive Erfassung elektrophysiologischer Signale von Einzelzellen, Zellverbünden (Gewebeschnitten) o- der Geweben wird bekanntermaßen durch hohe Leckstromanteile und unzureichende Signaleinkopplung erschwert.
Eine im allgemeinen schlechte elektrische und mechanische Kopplung zwischen Elektrode und Zelle bzw. Gewebe ergibt sich bei einer rein externen Ableitung z.B. in Multielektrodenar- rays (MEAs) durch den im Allgemeinen relativ großen Abstand von durchschnittlich über 40 nm zwischen Elektrode und Zelle und den Einfluss der elektrischen Doppelschichten in der wässrigen Phase sowohl auf der Elektrodenoberfläche als auch auf der Zellmembran. Bei dem für die elektrische Signalübertragung notwendigen Stromfluss führen Gleichstrom- oder nie- derfrequente Anteile zu nachteiligen elektrochemischen Prozessen an den Oberflächen und in der wässrigen Phase; solche elektrochemischen Prozesse führen zu Verzerrungen applizierter oder abgeleiteter elektrischer Signale.
Ausgehend von dem oben skizzierten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren eines membranumhüllten Objekts, wie beispielsweise einer biologischen Zelle, anzugeben, bei dem eine möglichst geringe Kopplungsimpedanz zwischen dem membranumhüllten Objekt und der Elektrode erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausge- staltungen des Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zum Kontaktieren mindestens eine Elektrode mit einem leitfähigen Träger verwendet wird, auf dem eine Vielzahl an Nanonadeln angeordnet ist und auf dem benachbarte Nanonadeln zueinander einen Abstand aufweisen, der kleiner als die Größe des membranumhüllten Objekts ist, und dass das membranumhüllte Objekt in Kontakt mit den Nanonadeln gebracht wird. Bei dem membranumhüllten Objekt kann es sich beispielsweise um eine biologische (menschliche, tierische oder pflanzliche) Zelle, ein Liposom, einen Lipidfilm (z. B. Black-Lipid-Membran) oder ein Gebilde mit multilamellarem Aufbau handeln.
Die Formgestaltung der Nanonadeln ist im Übrigen beliebig; die Nanonadeln können einen beliebigen Querschnitt (rund, e- ckig, oval, usw.) sowie ein beliebiges Verhältnis zwischen Länge und Breite aufweisen: So können die Nanonadeln länger als breit oder alternativ auch breiter als lang sein. Beispielsweise können sie Säulen- oder keulenförmig sein und Na- nostäbchen oder Nanodrähte bilden. Auch die Form der „Nadelspitze" bzw. der Nadelstirnfläche kann sehr unterschiedlich ausgestaltet sein: Beispielsweise kann die Nadelstirnfläche einen Grat aufweisen oder spitz zulaufen.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be- steht darin, dass aufgrund der an der Oberfläche der Elektrode angeordneten Nanonadeln ein sehr inniger Kontakt zwischen Elektrode und Objekt und damit ein sehr niedriger Kontaktwiderstand bzw. Kontaktimpedanz erreicht werden. Während sich Zellen auf glatten planaren Oberflächen im Allgemeinen mit einem Abstand von mindestens 40 nm zur Oberfläche ansiedeln, wird bei der erfindungsgemäß eingesetzten Elektrode ein deutlich kleinerer Abstand erreicht, wodurch der elektrische (J- bergangswiderstand bzw. Übergangsimpedanz reduziert und das Ableiten bzw. das Auslesen elektrischer Messsignale mit höhe- rer Genauigkeit erfolgen kann als bei bisherigen Kontaktie- rungsverfahren .
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass trotz des Vorhandenseins von Nadeln die Kontaktierung nicht invasiv ist; dies ist u. a. darauf zurückzuführen, dass die Nadeln als Nanonadeln ausgestaltet sind und außerdem einen Abstand untereinander aufweisen, der kleiner als die Größe des Objekts ist. Diese Anordnung führt außerdem dazu, dass das Objekt zwischen den Nanon- adeln einsinkt, ohne dass dabei die Membran des membranumhüllten Objekts beschädigt oder penetriert wird.
Ein dritter Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass durch die Verwendung der beschriebenen „na- nodadeldekorierten" Elektrode das Mapping der elektrischen Zellaktivität bzw. die Stimulation sehr fehlerarm sowohl orts- als auch zeitaufgelöst möglich ist. Darüber hinaus können Impedanzcharakteristika adhärent wachsender Zellen unter physiologischen Bedingungen sehr genau erfasst werden.
Bevorzugt stellen die Nadelspitzen des durch die Nanonadeln gebildeten „Nanorasens" fokale Kontaktpunkte dar, an denen der Abstand zwischen Membran und Nadeloberfläche kleiner als 10 nm ist, und zwar ohne dass die Membran penetriert wird. Durch die Kleinheit der Membran-Kontaktflächen zur Nano- nadelspitze werden, insbesondere in Zellen in der Membran o- der in unmittelbarer Membrannähe, besondere molekulare Strukturen formiert, diese unterstützen den inniglichen Kontakt der Membran zur Nadeloberfläche. Aufgrund der hohen attraktiven Wechselwirkungskräfte durch den kleinen Abstand (z. B. Van der Waals-Kraft) wird die Kontaktsicherheit weiter ver- bessert. Dies kann zur Ausbildung von anisotropen Membranbereichen führen.
Vorzugsweise wird eine Elektrode verwendet, bei der die Na- nonadeln auf dem Träger zumindest abschnittsweise unregelmä- ßig, insbesondere stochastisch, verteilt sind. Sind nämlich die Nanonadeln auf dem Träger unregelmäßig oder stochastisch verteilt und bilden sie somit zumindest teilweise Areale von in unterschiedlichem Abstand zueinander benachbarten Nadeln oder Nadelgruppen, so werden zusätzlich zellphysiologisch förderliche Effekte induziert: Im Unterschied zu streng symmetrischen Nanonadel-Arrays wird nämlich bei unregelmäßig o- der stochastisch angeordneten Nanonadeln eine Überstimulation, die zu einer Stresssituation (z. B. Phagozytose-Induktion durch Carbon Nano Tubes) und damit zu unphysiologischen Be- dingungen führen kann, im Allgemeinen vermieden.
Besonders bevorzugt wird eine Elektrode verwendet, bei der die Nanonadeln auf dem Träger in zumindest einem Abschnitt unregelmäßig, insbesondere stochastisch, verteilt sind und in zumindest einem anderen Abschnitt regelmäßig verteilt sind. Ein Wechsel zwischen Bereichen mit regelmäßiger Nadelanordnung und solchen mit unregelmäßiger Nadelanordnung stellt ein gutes Anschmiegen des Objekts an den Träger sicher und vereinfacht außerdem eine automatische, beispielsweise computer- gestützte Wiedererkennung der Elektrodenbereiche und damit eine automatische, insbesondere optische Charakterisierung der Zellen. Auch kann die Elektrode allein durch ein Substrat gebildet sein, auf dem Zellen anwachsen können.
Die Nanonadeln können beispielsweise metallisch (mono- oder polykristallin) sein. Die Nanonadeln und der Träger können dabei aus demselben oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen, beispielsweise können der Träger und/oder die Nanonadeln aus einem Edelmetall, vorzugsweise Gold oder Platin, einem unedlen Metall, vorzugsweise Titan, aus einem leitfähigen, nichtleitfähigen oder schlecht leitfähigen Polymer oder einem Halbleitermaterial bestehen oder ein solches Material aufweisen.
Im Übrigen wird es als vorteilhaft angesehen, wenn eine nano- nadeltrangende Oberfläche Nadeln eines begrenzten Gebietes elektrisch an der Oberfläche verbunden sind und eine Elektrode bilden, wobei benachbarte Nadeln entweder einer anderen Elektrode zugeordnet sein können oder elektrisch nach außen nicht kontaktiert sind. Bei der letztgenannten Ausführungsform werden also beispielsweise mindestens ein Nadelabschnitt, der elektrisch kontaktierbar ist, und mindestens ein Nadelabschnitt, der elektrisch nicht kontaktierbar ist, miteinander kombiniert .
Bestehen die Nanonadeln aus einem leitfähigen Material, so wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Krümmungsradien der Nadelstirnflächen bzw. Nadelspitzen so klein sind, dass sie als Feldemitter arbeiten können; geeignete Nadelspitzen- durchmesser liegen in der Größe zwischen 10-25nm und 1-2 um.
Ein besonders gutes Anschmiegen des Objekts an den Träger und damit einen besonders geringer Abstand zwischen Träger und membranumhülltenα Objekt lässt sich erreichen, wenn eine Elektrode verwendet wird, bei der die Nanonadeln nichtleitfä- hig oder zumindest schlechter leitfähig als der leitfähige Träger sind. Bei einer solchen Ausgestaltung der Elektrode kommt es zu einem sehr geringen Kontaktwiderstand, obwohl die Nanonadeln selbst nicht oder nur schlecht leitfähig sind; die Nanonadeln tragen in diesem Fall zur Reduktion des Kontaktwiderstands dennoch bei, weil sie das Anschmiegen der Zelle an den leitfähigen Träger fördern und damit den Abstand zwischen Träger und Zelle reduzieren.
Vorzugsweise wird eine Elektrode verwendet, bei der der Abstand benachbarter Nanonadeln zueinander im Mittel (über die Anzahl der Nanonadeln gemittelt) kleiner als 10 μm_und/oder im Mittel kleiner als das Einhundertfache des Nanonadeldurch- messers ist. Die Größenangabe bezieht sich auf durchschnittlich große biologische Zellen mit einem Durchmesser von 3-50 μm. Bei größeren Zellen kann der Abstand auch entsprechend vergrößert sein. Die Nanonadeln besitzen bevorzugt einen
Durchmesser zwischen 10 nm und 1200 nm, vorzugsweise zwischen 50 und 800 nm. Die Länge der Nanonadeln liegt vorzugsweise zwischen 100 nm und 20 Mikrometern, besonders bevorzugt zwischen 300 nm und 10 Mikrometern.
Auch können die Nanonadeln eine Beschichtung aufweisen, um den Kontakt zu dem Objekt noch zu verbessern bzw. eine lokale Zuordnung zu erreichen. Die Beschichtung der Nanonadeln mit Molekülen (unspezifisch z. B. Polylysin, spezifisch mit Re- zeptoren bzw. Liganden) kann die mechanische und elektrische Kopplung der Membran an die Nadeln zusätzlich verbessern. Dabei können die Moleküle in die Membran bzw. durch sie hindurch reichen.
Das beschriebene Kontaktierungsverfahren wird vorzugsweise im Rahmen eines Verfahrens zum Durchführen elektrischer Messungen an einem membranumhüllten Objekt und/oder zur Stimulation eines membranumhüllten Objekts eingesetzt, wobei das Objekt wie beschrieben kontaktiert wird und anschließend elektrische Messsignale des Objekts mit der Elektrode gemessen werden und/oder durch Anlegen einer elektrischen Spannung bzw. durch elektrischen Strom eine Stimulation des Objekts durchgeführt wird.
Die beschriebenen Verfahren können beispielsweise zur Signal- ableitung - und/oder zur elektrischen Stimulation, d.h. bidirektional eingesetzt werden:
- an Zellen des Nervensystems oder elektrisch erregbaren Zellen, wie z.B. Muskelzellen, Muskelpartien, Gewebe, wobei Nervenzellen und dem Myocard besondere Bedeutung zukommt,
- bei biohybriden Systemen,
- bei Interfaces von Mikroelektronikkomponenten zu lebenden Zellen und Geweben,
- zwecks Signal-Ableitung an elektrisch aktiven Zellen oder elektrisch stimulierbaren oder erregbaren Zellen oder MuI- tizellsystemen, z.B. Muskelzellen und/oder Zellen des Nervensystems wie Neuronen, neuronale Netzwerke, Mikrogliazel- len, Oligodendrozyten, und/oder Astrozyten,
- zwecks Messungen an und/oder mit künstlichen zellähnlichen Gebilden, die z.B. von einer Phospholipid-Membran umhüllt sind, die nicht verletzt werden soll, etwa an Liposomen, Vesikeln oder komplexer geformten, von einer ein- oder mehrschichtigen Molekülschicht (z.B. Block-Copolymer- Membranen) umhüllten Kompartimenten, oder Lipid- Proteinschichten (z. B. Black-Lipid-Membranen) ,
- zur Beaufschlagung von lebenden Zellen und Geweben mit e- lektrischen Signalen (unterschiedliche Frequenzen, insbesondere gepulste und HF-Signale) , und
- bei Mensch-Maschine-Schnittstellen.
Angewandt werden können die beschriebenen Verfahren beispielsweise auch:
- zur erleichterten Elektrofusion von lebenden Zellen unter „milderen" Bedingungen, insbesondere von Zellen, die sonst nur schwer oder mit unzureichender Ausbeute Hybride bilden, oder von gemischten Zellarten (z.B. adhärente Feederlayer und Suspensionszellen) , von denen eine oder beide adhärent wachsend ist,
- zur erleichterten Elektroporation von Zellen zur verbesserten Ausbeute an transfizierten Zellen, - zur verlustarmen (z. B. kapazitiven) Kopplung von Zellkörper und Elektrodenoberfläche mit verringertem Leckstroman- teil, ohne dabei die Zellmembran zu verletzen oder zu pe- netrieren
-zur verbesserten integralen Impedanzmessung an Zellen, z.B. in 96-Well-Platten, wie sie kommerziell zum Beispiel durch die Firma Applied Biophysics, USA angeboten werden,
- zur Vermeidung der Beeinflussung des Messsignals durch E- lektrodenprozesse (Minimierung elektrochemischer Oberflächenreaktionen auf der Elektrode und auf der angekoppelten biologischen Membran oder Oberfläche) ,
- zur Prothetik: Steuerung von Prothesen oder Muskeln mit Hilfe neuronaler Signale,
-für Implantate: verbesserte Bioverträglichkeit von Elektrodenflächen und Oberflächen sensorischer Komponenten, -für zell-basierte Biosensoren, z.B. in Zellsensorchips,
- für elektrisch induzierte Zeil-Zeil, Zell-Vesikel, Vesikel- Vesikel-Fusion (Elektrofusion) und
- für zellbiologische und/oder medizinische Grundlagenforschung; z.B. in so genannten Neurosensorchips .
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Elektrode, die zum elektrischen Kontaktieren eines membranumhüllten Objekts, insbesondere einer biologischen Zelle (menschliche, tierische oder pflanzliche Zelle), geeignet ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Elektrode einen leitfähigen Träger aufweist, auf dem eine Vielzahl an Nano- nadeln angeordnet ist und auf dem benachbarte Nanonadeln zueinander einen Abstand aufweisen, der kleiner als die Größe des membranumhüllten Objekts, insbesondere kleiner als eine biologische Zelle ist. Bezüglich der Vorteile der erfindungsgemäßen Elektrode und bezüglich der Vorteile vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Elektrode sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Anordnung mit mehreren Elektroden, beispielsweise auf ein Multielektroden- array, bei der bzw. bei dem mehrere Elektroden der beschriebenen Art zweidimensional oder dreidimensional, beispielswei- se arrayartig, angeordnet sind.
Beispielsweise gilt, dass eine Zelle durch mehrere Elektroden oder mehrere Zellen durch eine Elektrode oder genau eine Zelle durch eine Elektrode kontaktiert werden kann. Dies er- leichtert weiterhin eine individuelle Zuordnung der Signale zu einer Zelle.
Auch eine Vorrichtung zum Durchführen elektrischer Messungen an einem membranumhüllten Objekt und/oder zum elektrischen Stimulieren eines membranumhüllten Objekts wird als Erfindung angesehen, soweit diese eine oder mehrere Elektrode (n) der beschriebenen Art aufweist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie- len näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
Figur 1 zur allgemein Erläuterung eine Elektrode ohne
Nanonadeln mit aufsitzender biologischer Zelle,
Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Elektrode mit Nanonadeln,
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel für die Herstellung der
Elektrode gemäß der Figur 2, Figur 4 beispielhaft eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer erfindungsgemäßen Elektrode mit Träger und Nanonadeln,
Figur 5 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektrode mit einer regelmäßigen bzw. symmetrischen Nanonadel-Verteilung,
Figur 6 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfin- dungsgemäßen Elektrode mit einer unregelmäßigen bzw. stochastischen Nanonadel-Verteilung,
Figur 7 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektrode mit Nanonadelabschnitten mit einer unregelmäßigen bzw. stochastischen Nanonadel-Verteilung und Nanonadelabschnitten mit einer regelmäßigen bzw. symmetrischen Nanonadel- Verteilung und
Figur 8 eine Transmissionselektronenmikroskopieaufnähme einer Zelle, die auf einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektrode angeordnet ist.
In den Figuren 1 bis 8 werden für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
In der Figur 1 ist zur allgemeinen Erläuterung eine Elektrode 10 mit einer glatten Elektrodenoberfläche 20 ohne Nanonadeln gezeigt. Eine mit der Elektrode 10 kontaktierte biologische (menschliche, tierische oder pflanzliche) Zelle 30 bildet ü- ber Membranausstülpungen 40 fokale Kontaktpunkte 50 mit der Elektrode 10. Der Abstand zwischen der Membran 60 der Zelle 30 und der glatten Elektrodenoberfläche 20 ist im Mittel (ü- ber die der Elektrode 10 zugewandten Membranfläche gemittelt) typischerweise größer als 40 nm. In der Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Elektrode 100 gezeigt. Die Elektrode 100 weist einen Träger 110 und Nanonadeln 120 auf, die zum Teil senkrecht (Winkel ß = 90°) und zum Teil winklig (Winkel ß < 90°) zu der Oberfläche 130 des Trägers 110 ausgerichtet sind. Die Nanonadeln 120 bilden auf dem Träger einen „Nano-Rasen"*, der beispielsweise unter Nutzung von Nanoimprint-Techniken, halbleitertechnisch oder/und durch elektrolytische Abscheidung erzeugt worden ist.
Der Abstand zwischen unmittelbar benachbarten Nanonadeln ist vorzugsweise kleiner als die Größe der Zelle 30. Fokale Kontaktpunkte 140 zwischen der Zelle 30 und der Elektrode 100 werden an den Nadelspitzen 150 ausgebildet. Aufgrund der Na- nonadeln 120 ergibt sich ein Anschmiegen der Zelle an die O- berfläche 130 des Trägers 110 und damit im Mittel ein geringerer Abstand zwischen der Membran 60 der Zelle 30 und der Elektrodenoberfläche 20 als bei der Elektrode 10 ohne Nanonadeln gemäß der Figur 1. Typischerweise ist der Abstand zwi- sehen der Membran 60 der Zelle 30 und der Oberfläche 130 des Trägers 110 bei einer Elektrode wie der gemäß der Figur 2 im Mittel kleiner als 5 ran.
Die Winkelausrichtung der Nanonadeln 120 ist vorzugsweise derart eingestellt, dass die Nanonadeln abschnittsweise bzw. „populationsweise" ähnliche Winkel ß zur Oberfläche 130 des Trägers 110 aufweisen. Vorzugsweise ist die Winkelabweichung der Winkel in ein und demselben Abschnitt des Trägers 110 kleiner als 20 Grad, vorzugsweise kleiner als 10 Grad.
In der Figur 8 ist eine Transmissionselektronenmikroskopie- aufnahme einer Zelle 30 gezeigt, die auf einer Elektrode 100 angeordnet ist. Man erkennt den innigen Kontakt zwischen der Oberfläche 130 des Trägers 110 und der Membran 60 der Zelle 30. In der Figur 3 ist anhand von fünf Bildern A bis E beispielhaft dargestellt, wie sich die Elektrode 100 gemäß der Figur 2 herstellen lässt. Im obersten Bild A sieht man eine nanopo- röse Polymer-Folie 200, die auf der Unterseite einseitig besputtert und mit einer dünnen elektrisch leitfähigen
Schicht 210 beschichtet wird (vgl. Bild B) . Anschließend wird eine galvanische Abscheidung einer als Arbeits-Elektrode 220 dienenden Schicht durchgeführt (Bild C) . Während der galvanischen Abscheidung kommt es nicht nur zu einer Abscheidung auf der Unterseite 230 der Schicht 210, sondern auch auf der O- berseite 240, auf der die nanoporöse Polymer-Folie 200 aufliegt. Das Wachstum erfolgt dabei durch die Poren 250 der na- noporösen Polymer-Folie 200 hindurch, wodurch die Nanonadeln 120 gebildet werden (Bild D) .
Nach Abschluss des Nadelwachstums wird die nanoporöse Polymer-Folie 200 entfernt, beispielsweise durch ein Lösungsmittel oder durch Ätzen, wodurch die Elektrode 100 mit den Nanonadeln 120 fertig gestellt ist (Bild E) .
Bei der nanoporösen Polymer-Folie 200 kann es beispielsweise um ein nanoporöses Polymertemplate, auch "Kernspurmembran" oder "track etched membranes" genannt, handeln. Hergestellt werden kann die nanoporöse Polymer-Folie 200, indem eine Po- lymer-Folie mit hochenergetischen Teilchen bestrahlt wird und die nach der Bestrahlung latent vorliegenden Störungen in der Polymer-Folie mit geeigneten Ätzmitteln zu den durchgängigen Poren 250 aufgeweitet werden.
In Abhängigkeit von der Ätzzeit, den Ätzmedien und weiteren
Parametern können sehr definierte Porenweiten im Bereich zwischen 10 nm bis über 5 um, sogar bis zu 10 μm, erzeugt werden. Die Dichte der Poren je Flächeneinheit kann durch die Bedingungen des primären Teilchen-Beschüsses unterschiedlich gestaltet werden. Um unterschiedliche Nadelwinkel ß zu erreichen, wird die Polymer-Folie 200 beispielsweise sequentiell mehrfach unter verschiedenen Winkeln bestrahlt und erst dann in einem Schritt geätzt.
Die Figur 4 zeigt beispielhaft eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer Elektrode mit Träger und mit Nanonadeln.
In der Figur 5 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel mit einer regelmäßigen bzw. symmetrischen Nanonadel-Verteilung dargestellt. Es lässt sich erkennen, dass die symmetrische Verteilung der Nanonadeln eine symmetrische Ausformung der Zelle 30 induziert, was üblicherweise nicht der physiologischen Situation in vivo entspricht.
Besser als eine regelmäßige bzw. symmetrische Nanonadel- Verteilung ist daher eine unregelmäßige oder stochastische Verteilung der Nanonadeln, wie sie als weiteres Ausführungs- beispiel in der Figur 6 dargestellt ist. Man erkennt, dass sich die Zelle 30 der Nanonadelverteilung anpasst, wodurch ein noch besseres Anschmiegen an den Träger 110 erreicht wird und der Abstand zwischen der Zelle 30 und dem Träger 110 noch weiter reduziert wird.
Um eine automatische Ortung auf dem Träger 110 für eine automatisierte Zellerkennung zu vereinfachen, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn ein oder mehrere Nanonadelabschnitte mit einer unregelmäßigen oder stochastischen Verteilung der Nanonadeln sowie ein oder mehrere Nanonadelabschnitte mit ei- ner regelmäßigen bzw. symmetrischen Nanonadel-Verteilung vorhanden bzw. miteinander kombiniert sind; ein solches Ausführungsbeispiel ist in der Figur 7 gezeigt. Die Zellen werden sich in den Nanonadelabschnitten 300 mit der unregelmäßigen oder stochastischen Verteilung der Nanonadeln 120 gut an den Träger 110 anschmiegen, und die Nanonadelabschnitte 310 mit der regelmäßigen oder symmetrischen Verteilung der Nanonadeln 120 vereinfachen eine automatische Bildverarbeitung. Bezugszeichen
10 Elektrode
20 Elektrodenoberfläche 30 biologische Zelle
40 Membranausstülpungen
50 Kontaktpunkte
60 Membran
100 Elektrode 110 Träger
120 Nanonadeln
130 Oberfläche des Trägers
140 fokale Kontaktpunkte
150 Nadelspitzen 200 Polymer-Folie
210 elektrisch leitfähige Schicht
220 leitfähige Schicht
230 Unterseite
240 Oberseite 250 Poren
300 Nanonadelabschnitt mit unregelmäßiger oder sto- chastischer Verteilung der Nanonadeln
310 Nanonadelabschnitt mit regelmäßiger oder symmetrischer Verteilung der Nanonadeln ß Winkel zwischen Nanonadel und Oberfläche des Trägers

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum elektrischen Kontaktieren eines membranum- hüllten Objekts (30) mit einer Elektrode (10, 100),
dadurch gekennzeichnet,
-dass zum Kontaktieren mindestens eine Elektrode (100) mit einem leitfähigen Träger (110) verwendet wird, auf dem eine Vielzahl an Nanonadeln (120) angeordnet ist und auf dem benachbarte Nanonadeln zueinander einen Abstand aufweisen, der kleiner als die Größe des Objekts ist, und - dass das Objekt mit den Nanonadeln in Kontakt gebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Objekt eine biologische Zelle, ein biologisches Gewebe, ein Liposom, ein Lipidfilm oder ein Gebilde mit multilamella- rem Aufbau kontaktiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode verwendet wird, bei der die Nanonadeln auf dem Träger zumindest abschnittsweise (300) unregelmäßig, insbesondere stochastisch, verteilt sind.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode verwendet wird, bei der die Nanonadeln auf dem Träger in zumindest einem Abschnitt (300) unregelmäßig, insbesondere stochastisch, verteilt sind und in zumindest einem anderen Abschnitt (310) regelmäßig verteilt sind.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode verwendet wird, bei der die Nanonadeln nichtleitfähig oder schlechter leitfähig als der Träger sind.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode verwendet wird, bei der der Abstand benachbarter Nanonadeln zueinander im Mittel kleiner ist als das Einhundertfache des Nanonadeldurchmes- sers .
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode verwendet wird, bei der die Nanonadeln einen Durchmesser zwischen 10 nm und 1200 nm besitzen.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode verwendet wird, bei der die Nanonadeln eine Länge zwischen 100 nm und 20 Mikrometern besitzen.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger und/oder die Nanonadeln aus einem Edelmetall, vorzugsweise Gold oder Platin, einem uned- len Metall, vorzugsweise Titan, aus einem leitfähigen, nicht- leitfähigen oder schlechtleitfähigen Polymer oder einem Halbleitermaterial bestehen oder ein solches Material aufweisen.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass als Elektrode eine Tastspitze mit einer Mehrzahl an Nanonadelarrays verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt an zumindest zwei mit Nano- nadeln versehene Elektroden angekoppelt wird.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Kontaktierens die Zellen auf der Elektrode aufgewachsen werden.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode eines Neurosensorchips verwendet wird.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanonadeln auf dem Träger einen Na- norasen bilden, der unter Nutzung von Nanoimprint-Techniken, halbleitertechnisch oder/und durch elektrolytische Abscheidung erzeugt worden ist.
15. Verfahren zum Durchführen elektrischer Messungen an einem membranumhüllten Objekt und/oder zur Stimulation eines membranumhüllten Objekts, wobei das Objekt gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 14 kontaktiert wird und anschlie- ßend elektrische Messsignale des Objekts mit der Elektrode gemessen werden und/oder durch Anlegen einer elektrischen Spannung oder durch elektrischen Strom eine Stimulation des Objekts durchgeführt wird.
16. Elektrode (100), die zum elektrischen Kontaktieren eines membranumhüllten Objekts geeignet ist,
dadurch gekennzeichnet,
die Elektrode einen leitfähigen Träger (110) aufweist,
- auf dem eine Vielzahl an Nanonadeln (120) angeordnet ist und
- auf dem benachbarte Nanonadeln zueinander einen Abstand aufweisen, der kleiner als die Größe des Objekts (30) ist.
17. Elektrode nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanonadeln auf dem Träger zumindest abschnittsweise (300) unregelmäßig, insbesondere stochastisch, verteilt sind.
18. Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche 16-17, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanonadeln auf dem Träger in zumindest einem Abschnitt (300) unregelmäßig, insbesondere stochastisch, verteilt sind und in zumindest einem anderen Abschnitt (310) regelmäßig verteilt sind.
19. Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche 16-18, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanonadeln nichtleitfähig oder schlechter leitfähig als der Träger sind.
20. Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche 16-19, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand benachbarter Nano- nadeln zueinander im Mittel kleiner ist als das Einhundertfache des Nanonadeldurchmessers .
21. Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche 16-20, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanonadeln einen Durchmesser zwischen 10 nm und 1200 nm besitzen.
22. Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche 16-21, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanonadeln eine Länge zwischen 100 nm und 20 Mikrometern besitzen.
23. Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche 16-22, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger und/oder die Nanonadeln aus einem Edelmetall, vorzugsweise Gold oder Platin, einem unedlen Metall, vorzugsweise Titan, aus einem leitfähi- gen, nichtleitfähigen oder schlechtleitfähigen Polymer oder einem Halbleitermaterial bestehen oder ein solches Material aufweisen .
24. Elektrode nach einem der vorangehenden Ansprüche 16-23, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode eine Tastspitze mit einer Mehrzahl an Nanonadelarrays bildet.
25. Elektrode nach einem der vorangehenden Ansprüche 16-24, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode einen Bestandteil eines Neurosensorchips bildet.
26. Elektrode nach einem der vorangehenden Ansprüche 16-25, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanonadeln auf dem Träger einen Nanorasen bilden.
27. Multielektrodenanordnung mit einer Mehrzahl an Elektroden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Elektrode, vorzugsweise alle Elektroden, gemäß den Ansprüchen 1 bis 26 ausgebildet sind.
28. Vorrichtung zum Durchführen elektrischer Messungen an einem membranumhüllten Objekt und/oder zum elektrischen Stimulieren des Objekts mit einer elektrischen Ansteuer- und/oder Messeinrichtung sowie mit einer mit der Ansteuer- und/oder Messeinrichtung verbundenen Elektrode nach einem der voran- stehenden Ansprüche 16-26.
29. Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 26 oder Multielektrodenanordnung nach Anspruch 27, wobei die Nanonadeln, insbesondere der Nanorasen, mit Molekülen oder Partikeln beschichtet sind, die den mechanischen und/oder e- lektrischen Kontakt zum membranumhüllten Objekt verbessern.
PCT/DE2008/000568 2007-04-25 2008-03-31 Verfahren und anordnung zum elektrischen kontaktieren eines membranumhüllten objekts mit einer elektrode WO2008131714A2 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/451,059 US20100140111A1 (en) 2007-04-25 2008-03-31 Method and arrangement for electrically contacting an object surrounded by a membrane, using an electrode
EP08734457A EP2140262A2 (de) 2007-04-25 2008-03-31 Verfahren und anordnung zum elektrischen kontaktieren eines membranumhüllten objekts mit einer elektrode

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102007019842A DE102007019842A1 (de) 2007-04-25 2007-04-25 Verfahren und Anordnung zum elektrischen Kontaktieren eines membranumhüllten Objekts mit einer Elektrode
DE102007019842.8 2007-04-25

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2008131714A2 true WO2008131714A2 (de) 2008-11-06
WO2008131714A3 WO2008131714A3 (de) 2009-01-08

Family

ID=39708613

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2008/000568 WO2008131714A2 (de) 2007-04-25 2008-03-31 Verfahren und anordnung zum elektrischen kontaktieren eines membranumhüllten objekts mit einer elektrode

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20100140111A1 (de)
EP (1) EP2140262A2 (de)
DE (1) DE102007019842A1 (de)
WO (1) WO2008131714A2 (de)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010121130A2 (en) 2009-04-16 2010-10-21 President And Fellows Of Harvard College Molecular delivery with nanowires
US8834794B2 (en) * 2010-11-22 2014-09-16 Mehdi M Yazdanpanah Apparatus and methods for detection of tumor cells in blood
US9856448B2 (en) * 2011-03-04 2018-01-02 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior Univesity Devices and methods for long-term intracellular access
US9266725B2 (en) 2011-04-27 2016-02-23 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Nanotube structures, methods of making nanotube structures, and methods of accessing intracellular space
WO2016112315A2 (en) 2015-01-09 2016-07-14 President And Fellows Of Harvard College Nanowire arrays for neurotechnology and other applications
KR20190019129A (ko) 2016-06-09 2019-02-26 더 보드 어브 트러스티스 어브 더 리랜드 스탠포드 주니어 유니버시티 개선된 세포 트랜스펙션 및 생존율을 위한 나노스트로 웰 인서트 디바이스
US11149266B2 (en) 2016-09-13 2021-10-19 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Methods of non-destructive nanostraw intracellular sampling for longitudinal cell monitoring
WO2019018415A1 (en) 2017-07-19 2019-01-24 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University APPARATUSES AND METHODS USING NANOPAILS TO DELIVER BIOLOGICALLY RELEVANT CARGO IN NON-ADHERENT CELLS

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5215088A (en) * 1989-11-07 1993-06-01 The University Of Utah Three-dimensional electrode device
US6123819A (en) * 1997-11-12 2000-09-26 Protiveris, Inc. Nanoelectrode arrays
US6703819B2 (en) * 2001-12-03 2004-03-09 Board Of Regents, The University Of Texas System Particle impedance sensor
US20040063100A1 (en) * 2002-09-30 2004-04-01 Wang Chung Lin Nanoneedle chips and the production thereof
US7048889B2 (en) * 2004-03-23 2006-05-23 Lucent Technologies Inc. Dynamically controllable biological/chemical detectors having nanostructured surfaces
US7608446B2 (en) * 2004-09-30 2009-10-27 Alcatel-Lucent Usa Inc. Nanostructured surface for microparticle analysis and manipulation
DE102005030858A1 (de) * 2005-07-01 2007-01-04 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Elektrodenanordnung, deren Verwendung sowie Verfahren zu deren Herstellung

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ABRAHAM J K ET AL: "Development of nanowire arrays for neural probe" PROCEEDINGS OF THE SPIE - THE INTERNATIONAL SOCIETY FOR OPTICAL ENGINEERING SPIE-INT. SOC. OPT. ENG USA, Bd. 5763, Nr. 1, 2005, Seiten 133-138, XP007906002 ISSN: 0277-786X *
ANANDAN VENKATARAMANI ET AL: "Nanopillar array structures for enhancing biosensing performance." INTERNATIONAL JOURNAL OF NANOMEDICINE 2006, Bd. 1, Nr. 1, 2006, Seiten 73-79, XP007905999 ISSN: 1176-9114 *
JOSE K ABRAHAM ET AL: "Nanowire Integrated Microelectrode Arrays for Neuroelectronic Applications" REGION 5 TECHNICAL CONFERENCE, 2007 IEEE, IEEE, PI, 21. April 2007 (2007-04-21), Seiten 185-188, XP031159006 ISBN: 978-1-4244-1279-2 *
MCKNIGHT TIMOTHY E ET AL: "Resident neuroelectrochemical interfacing using carbon nanofiber arrays." THE JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY. B 10 AUG 2006, Bd. 110, Nr. 31, 10. August 2006 (2006-08-10), Seiten 15317-15327, XP007906001 ISSN: 1520-6106 *
NGUYEN-VU T D BARBARA ET AL: "Vertically aligned carbon nanofiber arrays: an advance toward electrical-neural interfaces." SMALL (WEINHEIM AN DER BERGSTRASSE, GERMANY) JAN 2006, Bd. 2, Nr. 1, Januar 2006 (2006-01), Seiten 89-94, XP007906006 ISSN: 1613-6829 *

Also Published As

Publication number Publication date
US20100140111A1 (en) 2010-06-10
WO2008131714A3 (de) 2009-01-08
DE102007019842A1 (de) 2008-10-30
EP2140262A2 (de) 2010-01-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2008131714A2 (de) Verfahren und anordnung zum elektrischen kontaktieren eines membranumhüllten objekts mit einer elektrode
Chen et al. Neural interfaces engineered via micro-and nanostructured coatings
Deku et al. Amorphous silicon carbide ultramicroelectrode arrays for neural stimulation and recording
Aqrawe et al. The influence of macropores on PEDOT/PSS microelectrode coatings for neuronal recording and stimulation
Ganji et al. Selective formation of porous Pt nanorods for highly electrochemically efficient neural electrode interfaces
Wark et al. A new high-density (25 electrodes/mm2) penetrating microelectrode array for recording and stimulating sub-millimeter neuroanatomical structures
Guitchounts et al. A carbon-fiber electrode array for long-term neural recording
DE102008015333B4 (de) Nanodraht-Strukturelement, Verfahren zu dessen Herstellung, Mikroreaktorsystem und Katalysatorsystem
WO2006116968A2 (de) Biostabile neuroelektrode
DE60220947T2 (de) Vorrichtung zur stimulierung einer tierischen zelle und zur aufzeichnung ihres physiologischen signals sowie herstellung davon und verwendungsverfahren dafür
EP1986733B2 (de) Vorrichtung mit flexiblem mehrschichtsystem zur kontaktierung oder elektrostimulation von lebenden gewebezellen oder nerven
Kim et al. Gold nanograin microelectrodes for neuroelectronic interfaces
DE202012012950U1 (de) Sonde für Brainmapping
EP1899724A2 (de) Elektrodenanordnung, deren verwendung sowie verfahren zu deren herstellung
Kim et al. Iridium oxide–electrodeposited nanoporous gold multielectrode array with enhanced stimulus efficacy
US10602950B2 (en) Multimodal probe array
Leccardi et al. Multilayer 3D electrodes for neural implants
Kim et al. Iridium oxide on indium-tin oxide nanowires: An all metal oxide heterostructured multi-electrode array for neuronal interfacing
Brown et al. Direct laser writing of 3D electrodes on flexible substrates
EP2322925B1 (de) Vorrichtung zur Bestimmung der Impedanz von Zellschichten
DE102005030858A1 (de) Elektrodenanordnung, deren Verwendung sowie Verfahren zu deren Herstellung
Vajrala et al. Nanofibrous PEDOT-Carbon Composite on Flexible Probes for Soft Neural Interfacing
Wang et al. Superior galvanostatic electrochemical deposition of platinum nanograss provides high performance planar microelectrodes for in vitro neural recording
DE102015209513A1 (de) Messelektrode zum Messen einer Konzentration einer Substanz in einer Gewebsflüssigkeit, Messeinrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Messelektrode zum Messen einer Konzentration einer Substanz in einer Gewebsflüssigkeit
EP2394696A1 (de) Vorrichtung zur Stimulierung oder Aufzeichnung eines Signals an oder von einem lebenden Gewebe

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08734457

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2008734457

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 12451059

Country of ref document: US