Universität zu Köln

Die Schnittstelle zwischen elektronischen Komponenten und biologischen Objekten spielt eine entscheidende Rolle für den Erfolg bioelektronischer Geräte. Da die Elektronik typischerweise verschiedene Elemente, wie z.B. ein isolierendes Substrat in Kombination mit leitenden Elektroden, umfasst, stellt das Trimmen und Optimieren des Interfaces zwischen der Elektronik und dem biologischen Objekt eine der wichtigsten Herausforderungen der Bioelektronik dar. In dieser Arbeit stellen wir eine Methode für die zeitgleiche Funktionalisierung von isolierenden Substraten (SiO2) mit integrierten metallischen Elektroden (Pt) mittels einer stabilen Monolage aus organischen Molekülen ((3-Aminopropyl)triethoxysilan (APTES)) vor. Diese Monolage wird durch unterschiedlichste Techniken wie Rasterkraftmikroskopie (AFM), Ellipsometrie, FlugzeitSekundärionenmassenspektrometrie (ToF-SIMS), Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) und Strömungspotentialmessungen charakterisiert. Die Molekülschichten aus APTES weisen sowohl auf Pt als auch auf SiO2 eine hohe Moleküldichte, eine Bedeckung von ~ 50 %, Langzeitstabilität (mindestens ein Jahr), eine positive Oberflächen-Nettoladung und die Eigenschaften einer selbstorganisierten Monoschicht (SAM) auf. Bei der elektrischen Charakterisierung mittels impedanzspektroskopischer Messungen konnten die statischen Eigenschaften der elektronischen Doppelschicht durch ein speziell entwickeltes Modell vom Diffusionsteil getrennt werden. Es konnte gezeigt werden, dass im Vergleich zu reinen Pt-Elektroden die Doppelschichtkapazität durch eine APTES-Beschichtung erhöht und der Ladungsübertragungswiderstand verringert wird, was zu einer Erhöhung des elektronischen Signaltransfers um ~13 % führt. In den abschließenden Zellkulturmessungen konnte nachgewiesen werden, dass eine APTES-Beschichtung eine Umwandlung der ursprünglich biounfreundlichen Pt-Oberflächen in biokompatible Oberflächen ermöglicht, die ein Zellwachstum (Neuronen) auf beiden funktionalisierten Komponenten, SiO2 und Pt, ermöglicht, das mit dem von mit Poly-L-Lysin beschichteten Referenzproben vergleichbar ist. Darüber hinaus führt die APTES-Beschichtung zu einer verbesserten mechanischen Kopplung, die den elektronischen Dichtwiderstand zwischen Zellen und Chip erhöht und damit elektronische Verluste reduziert. Diese Erhöhungen wurden abschließend durch elektrische Messungen an Neuronen bestätigt, die Aktionspotentiale im mV-Regime zeigten, im Vergleich zu den üblichen Signalstärken von 200 – 400 µV für konventionelle PLL-beschichtete Elektroden. Die Funktionalisierung mit APTESMolekülen scheint somit die elektronische Zell-Chip-Kopplung signifikant zu verbessern, hier um ~1 500 %. Diese signifikante Verbesserung der mechanischen und elektronischen Zell-Chip-Kopplung könnte ein wichtiger Beitrag zur Verbesserung neuroelektronischer Sensor- und Aktuatorbauelemente darstellen.

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