Universität zu Köln

Markov, Aleksandr (2017). Tailoring and characterisation of bioelectronic interfaces. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

An in-depth understanding of the interface between cells and implantable surfaces is one of the keys for coupling electrically excitable cells and bioelectronics devices. Recently, different approaches for the tailoring of surface properties to enhance the cell adhesion or create bio-compatible surfaces have been introduced. These approaches aim for instance to control the cell growth or stimulate and record electrical signals emanating from the cell. Nevertheless, it still remains an open question how to create an ideal surface in a precisely controllable way for cells to couple mechanically or/and electronically to various materials or electronics. Here, we first present a novel in situ and extremely sensitive detection method for the analysis of the electronic properties of molecular layer during the molecular layer deposition using an in-house engineered and automatized molecular layer deposition (MLD) setup that allows to perform all process steps including surface activation, deposition of different molecules from the gas phase, and the desorption of superfluous molecules, resulting in the formation of a molecular self-assembled monolayer (SAM) without braking the vacuum. The method not only allows monitoring and optimizing the deposition of organic layers but also demonstrates the high potential of organic SAMs for instance in form of organic high-k layers in electronic devices (e.g.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Das Verständnis der Grenzschichten zwischen Zellen und implantierbaren Oberflächen ist einer der Schlüssel für die elektronische Ankopplung von anregbaren Zellen und bioelektronischen Bauelementen. Unterschiedliche Vorgehensweisen zur Modifizierung von Oberflächen-eigenschaften mit dem Ziel der Verbesserung der Zelladhäsion oder Biokompatibilität sind in der jüngeren Vergangenheit eingeführt worden. Diese Verfahren haben z.B. zum Ziel, das Zellwachstum zu kontrollieren oder zu stimulierten und die elektronischen Signale der Zellen aufzunehmen. Trotz all dieser Ansätze ist immer noch nicht wirklich geklärt, wie man eine ideale Oberfläche in kontrollierter Weise für die mechanische und auch elektronische Kopplung optimieren kann. In dieser Arbeit präsentieren wir daher eine neuartige Methode, die es erlaubt, die Abscheidung von molekularen Schichten in einer von uns konstruierten und aufgebauten MLD-Anlage (Molecular layer deposition) zum einen in-situ zu kontrollieren und zum anderen alle Prozessschritte beginnend mit der Aktivierung der Oberflächen, der eigentlichen Deposition der Moleküle und der anschließenden Desorption der überflüssigen Moleküle ohne Unterbrechung des Vakuums durchzuführen. Die so generierten selbstanordnenden Monolagen (SAM) können nicht nur online überwacht werden, die in-situ Vermessung der elektronischen Eigenschaften der Lagen zeigt auch das Potential dieser SAMs z.B. als sog. hochpermittives Material für die organische Elektronik (z.B. zeigen SAMs aus APTES eine Permittivität von 51). Als zweites wird gezeigt, dass mit dieser Methode die Oberflächen und deren Eigenschaften gezielt modifiziert werden können. Dies wird am Beispiel von Silikonoxid und Polyimid gezeigt, das mit SAM aus APTES und GLYMO mit unterschiedlichem Mischungsverhältnis beschichtet wird. Die Eigenschaften der resultierenden molekularen Monolagen (z.B. effektive Dicke, Hydrophobizität oder Oberflächenpotential) zeigen eine perfekt lineare Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Schicht. Mit Hilfe des Mischungsverhältnisses der molekularen SAMs kann des weitern auch die Dichte von zusätzlichem Polylysine, das üblicherweise als Zwischenschicht für Zellexperimente und Wachstum verwandt werden kann, kontrolliert werden. Dies weist darauf hin, dass die Verwendung der gemischten molekularen Lagen auch eine ideale Möglichkeit darstellt, anorganische Oberflächen für bioelektronisch Anwendungen zu optimieren. Schließlich konnten gezeigt werden, dass mit Hilfe der gemischten molekularen SAMS auch das Wachstum von neuronalen Zellen beeinflusst und die elektronische Zell-Chip-Kommunikation verbessert werden kann. Wir konnten demonstrieren, dass die Verwendung der molekularen Schichten die Zellkopplung stark verbessern konnte, elektronische Signale von bis zu 10mV konnten für das Aktionspotential von HL-1 Zellen mittels Multielektrodenarrays gemessen werden. Die so mit SAMs präparierten Arrays konnten zu dem wiederverwandt werden, was die Produktivität steigen und die Kosten für Zellexperimente verringern kann. Die neue MLD-Technologie mit der in-situ Depositionskontrolle könnte ein sehr gutes Instrument darstellen, das den Weg zu verbesserter oder sogar neuen bioelektronischen Anwendungen von der Bio- oder Molekülarsensorik, bioelektronischen Plattformen bis hin zu elektronischen Zwischenschichten zwischen biologischen Objekten und Elektronik verbessern helfen kann. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Markov, Aleksandr kybukrybuk@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-80020
Date:	19 October 2017
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics II
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language self-assembled monolayer, APTES, GLYMO, molecular layer deposition, in situ characterization, mixed molecular monolayers, neuron, HL-1 cell English
Date of oral exam:	21 December 2017
Referee:	Name Academic Title Wördenweber, Roger Prof. Dr. Maier, Berenike Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/8002