Mikroelektronische Bauelemente für extrazelluläre Stimulation und Ableitung von Neuronen

• Applicants: Professor Dr. Peter Bräunig; Professor Dr. Andreas Offenhäusser; Professor Dr.-Ing. Uwe Schnakenberg
• Subject Area: Molecular Biology and Physiology of Neurons and Glial Cells
• Term: from 2006 to 2010
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 16277707

• Final Report Year: 2010

Final Report Abstract

Für die Entwicklung biohybrider Schaltkreise aus Halbleitern und Nervenzellen wurden mikrostrukturierte Multi-Elektroden-Arrays (MEAs) entwickelt. Mit diesen Arrays konnte erfolgreich gezeigt werden, dass kultivierte Nervenzellen von Insekten und Wirbeltieren extrazellulär stimuliert und deren Aktivitäten registriert werden konnten. Als Stimulationselektrodenmaterial wurde gesputtertes Iridiumoxid eingesetzt, das gegenüber dem üblicherweise verwendeten Gold oder Platin sehr viel bessere Eigenschaften aufwies. Als Ableitelektroden wurden erfolgreich Nanowire-Feld-Effekt-Transistoren (NWFETs) entwickelt und an HL-1-Zellen charakterisiert. Die Kultivierung von Insektenzellen im Hinblick auf ein gerichtetes Neuronenwachstum wurde erfolgreich durch zellabweisende und zellbindende strukturierte Beschichtungen und dem Aufbau von mikrofluidischen Kammersystemen gezeigt.

Publications

• Evaluation of SIROF microelectrodes for single neuron stimulation in hybrid circuits. 14th Int. Conf. Solid-State Sensors, Actuators and Systems 2007, Transducers 2007, Lyon, France, June 10-14, 2007, pp. 1227-1230
  A. van Ooyen, B. Wessling, E. Slavcheva, U. Schnakenberg
  (See online at https://doi.org/10.1109/SENSOR.2007.4300358)
• Towards the development of neuronal biohybrid systems. Deutsche Zoologische Gesellschaft 100th Annual Meeting (2007)
  K. Göbbels, B. Wessling, A. van Ooyen, U. Schnakenberg, W. Mokwa, P. Bräunig
  
• Combination of Field-Effect Transistors and Microelectrodes for the Bi-Directional Coupling of Neuronal Cells. Techn. Dig. 19th MicroMechanics Europe Workshop 2008, MME 2008, September 28-30, 2008, Aachen, Germany, pp. 389-392, ISBN: 978-3-00-25529-8
  S. Eick, N. Kotman, M. Prömpers, A. van Ooyen, U. Schnakenberg, S. Ingebrandt, A. Offenhäusser
  
• Iridium oxide deposited by pulsed DC-sputtering for stimulation electrodes. Techn. Dig. 19th MicroMechanics Europe Workshop 2008, MME 2008, September 28-30, 2008, Aachen, Germany, pp. 117-120, ISBN: 978-3-00-25529-8
  A. van Ooyen, G. Topalov, U. Schnakenberg
  
• Mi-Besan – development of neuronal biohybrid systems. Stett, A. (ed.), Proceedings MEA Meeting 2008. BIOPRO edition Stuttgart: BIOPRO Baden-Württemberg GmbH, 2008, Vol. 5, pp. 162-163
  K. Göbbels, T. Künzel, A. van Ooyen, J. Wallys, A. Reska, W. Baumgartner, S. Ingebrandt, U. Schnakenberg, A. Offenhäusser, P. Bräunig
  
• Substrate modifications for network formation in insect neuronal cell cultures. Proceedings 38th Meeting of the Society for Neuroscience. Washington, DC, (2008)
  K. Göbbels, M.J. Wirth, P. Bräunig
  
• Action Potentials of HL-1 cells recorded with silicon nanowire transistors. Applied Physics Letters 95 083709 (2009)
  J.F. Eschermann, R. Stockmann, M. Hueske, X.T. Vu, S. Ingebrandt, A. Offenhäusser
  
• Insect neuronal cell culture on multi electrode arrays. Proceedings Eighth Göttingen Meeting of the German Neuroscience Society (2009), pp. T23-4B
  K. Göbbels, V. Buck, A. van Ooyen, U. Schnakenberg, A. Offenhäusser, P. Bräunig
  
• Iridium oxide deposited by pulsed dc-sputtering for stimulation electrodes. J. Micromech. Microeng. 19 (2009) 074009
  A. van Ooyen, G. Topalov, G. Ganske, W. Mokwa, U. Schnakenberg
  (See online at https://doi.org/10.1088/0960-1317/19/7/074009)
• Iridium oxide microelectrode arrays for in vitro stimulation of individual rat neurons from dissociated cultures. Frontiers in Neuroeng. 2 Article 16 (2009)
  S. Eick, J. Wallys, B. Hofmann, A. van Ooyen, U. Schnakenberg, S. Ingebrandt, A. Offenhäusser
  (See online at https://doi.org/10.3389/neuro.16.016.2009)
• Puls-Clamp Technique for Single Neuron Stimulation Electrode Characterisation. Proc. 31st Annual Int. IEEE EMBS Special Topic Conf. on Microtechnologies in Medicine and Biology Society 2009, Sept. 2-9, 2009, Minneapolis, Minnesota, USA, pp. 1635-1638 (2009)
  A. van Ooyen, V.G. Zagolla, C. Ulrich, U. Schnakenberg
  
• Pulse-clamp method applied to SIROF stimulation electrodes. Sensors and Actuators B
  A. van Ooyen, C. Ulrich, U. Schnakenberg
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.snb.2009.12.015)
• Simulation of pulse-clamp experiments for characterisation of SIROF electrodes. Techn. Dig. 20th MicroMechanics Europe Workshop 2009, MME 2009, September 20-22, 2009, Toulouse, France, D24, ISBN 2-9078-01-08-2
  A. van Ooyen, C. Ulrich, U. Schnakenberg
  
• SIROF stimulation electrodes using the pulse-clamp-technique. Eurosensors XXIII, September 6-9, 2009, Lausanne, Switzerland, p. 123
  A. van Ooyen, V.G. Zagolla, C. Ulrich, U. Schnakenberg
  
• Top-down processed silicon nanowire transistor arrays for biosensing. Phys. Status Solidi A 206 (3) 426-434 (2009)
  X.T. Vu, J. F. Eschermann, R. Stockmann, R. GoshMoulick, A. Offenhäusser, S. Ingebrandt
  (See online at https://doi.org/10.1002/pssa.200880475)
• Fabrication and application of silicon naowire transitor arrays for biomolecular detection. Sensors and Actuators B 144 354-360 (2010)
  X.T. Vu, R. GoshMoulik, J.F. Eschermann, R. Stockmann, A. Offenhäusser, S. Ingebrandt
  
• Neuronal cell growth on iridium oxide. Biomaterials 31 1055-1067 (2010)
  K. Göbbels, Th. Künzel, A. van Ooyen, W. Baumgartner, U. Schnakenberg, P. Bräunig
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2009.10.029)