Nanoscale 3D structures towards improved cell-chip coupling on microelectrode arrays

The human brain is a highly interconnected system, consisting of about 86 billion neurons, [1] each forming on average 7,000 connections to neighboring cells. [2]While neuroscientists have achieved various breakthroughs elucidating the underlying principles of neuronal communication in the past decades, the goal of an in-depth understanding of the complex events involved in network communication and processes such as learning remains unattained. One approach often employed to reduce the complexity and thereby facilitate high-resolution studies of the cellular interaction is the application of microelectrode arrays (MEAs). They enable the in vitro investigation of small neuronal networks, yielding correlated data of the cellular activity with high temporal resolution. However, MEAs suffer from inherently low signal amplitudes due to a loose cell-chip contact and thus insufficient coupling between the cellular signals and the electrode. In the past decade, threedimensional electrode designs have been extensively studied as possible solution for the problem of low signal amplitudes during MEA-based investigations of electrogenic cells. They improve the cell-chip coupling through the establishment of a tighter interface between biology and electronics. However, while many different 3D designs have been suggested in the literature, the requirements for a direct comparison of the recording capabilities yielded by the different structures have so far not been met. The aim of this body of work therefore is the development of an approach allowing for the parallel fabrication of multiple different 3D designs on a single chip and thus parallel testing on the biological system. In the first part of this thesis, electron-beam lithography is employed in conjunction with electrodeposition for a parallelized preparation of thousands of 3D structures on gold-onsilicon substrates. In this manner, the common 3D geometries as reported in the literature pillars, hollow pillars, and mushroom-shaped structures are produced. Furthermore, hollow mushrooms are developed as novel 3D design. The interaction of the structures with both cardiomyocyte-like HL-1 cells as well as rat cortical neurons is investigated. In the second part of this thesis, the developed 3D structures are transferred onto MEAs. A thorough investigation of the galvanization procedure yields parameters that enable the real-time control of the nanoscale structure size during the electrodeposition process. In this way, 3D electrodes of different shape and size can be prepared on a single MEA and thus be investigated simultaneously with respect to their interaction with electrogenic cells. Electrophysiological studies are performed employing cardiomyocyte-like HL-1 cells as model system. Furthermore, various modifications of the 3D structures are discussed, aiming at improved electrical characteristics for future investigations. In conclusion, this body of work presents a well-controlled process for the preparation of 3D structures onMEAs, thereby facilitating the preparation of multiple different three-dimensional designs on a single chip. This forms the basis for an in-depth characterization of the improvement of the cell-chip coupling yielded by the different 3D designs. Zusammenfassung Das menschliche Gehirn besteht aus ca. 86 Milliarden Nervenzellen, [1] welche jeweils rund 7.000 Verbindungen zu benachbartenNeuronen bilden. [2]Während die Neurowissenschaften in den letzten Jahrzehnten bedeutende Fortschritte im Bereich der Grundlagen neuronaler Kommunikation erzielt haben, bleibt das detaillierte Verständnis der Aktivität und Interaktion dieses komplexen Systems ein unerreichtes Ziel. Ein häufig verwendeter Ansatz zur Reduktion der Komplexität und somit der Untersuchung grundsätzlicher Mechanismen, ist die Verwendung von Mikroelektrodenarrays (MEAs), welche es ermöglichen, kleinere neuronale Netzwerke in vitro zu untersuchen und korrelierte Daten bezüglich der zellulären Aktivität zu erhalten. Ein inhärentes Problem dieses Ansatzes ist jedoch die geringe Effizienz der Signaltransduktion aufgrund des schlechten Kontaktes zwischen Zelle und Elektrode und der daraus folgenden schlechten Zell-Chip Kopplung. Als mögliche Lösung dieses Problems wurden dreidimensionale Elektrodenstrukturen im letzten Jahrzehnt intensiv erforscht, da sie aufgrund eines engen Kontaktes zur Zelle das biologische Signal besser erfassen. Während die Zahl der wissenschaftlichen Studien in diesem Bereich stetig wächst, fehlt jedoch bislang eine Methodik, welche die Voraussetzungen für einen direkten Vergleich der verschiedenen Strukturen schafft. Ziel dieser Dissertation ist somit die Entwicklung eines Fabrikationsweges, der eine gut kontrollierbare Herstellung verschiedenster 3D Strukturen auf MEAs ermöglicht. Dazu werden mittels Elektrodeposition zunächst tausende Strukturen in einem parallelisierten Ansatz hergestellt und somit die nötigen Parameter für die Fabrikation ermittelt. Neben den in der Literatur bekannten pilz-, zylinderund hohlzylinder-förmigen 3D Designs werden hohle Pilze als neuartige 3D Elektrode entwickelt. Ferner wird die Interaktion einer kardiomyozytenartigen Zelllinie sowie kortikaler Neuronen mit den entwickelten Strukturen untersucht. Im Folgenden werden die Strukturen auf MEAs übertragen. Eine genaue Charakterisierung der Strukturherstellung ermöglicht die Etablierung eines gut kontrollierbaren Prozesses, durch den die Größe der Nanostrukturen während der Fabrikation in Echtzeit angepasst werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, Strukturen verschiedenster Form und Größe auf einem einzelnen MEA darzustellen und somit simultan am biologischen System zu untersuchen. Anschließend wird die Verbesserung der Signaltransduktion zwischen Elektronik und elektrisch erregbaren Herzmuskelzellen aufgrund der entwickelten 3D Strukturen erforscht. Abschließend werden diverse Modifikationen thematisiert, welche zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften der 3D Strukturen herangezogen werden können. Zusammenfassend ermöglicht die hier entwickelte, gut kontrollierbare Darstellung verschiedenster 3D Strukturen auf einem einzelnen MEA eine parallelisierte Untersuchung der Strukturen. Damit legt diese Arbeit den Grundstein für eine bessere Untersuchung des Einflusses dreidimensionaler Elektrodenstrukturen auf die Signaltransduktion von Mikroelektrodenarrays.