Diamantbasierte Plattformen für die Langzeitkultivierungen und -untersuchung von Nervenzellen

• Antragsteller: Professor Dr. Cyril Popov
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 251234513

Die neuesten Entwicklungen in den Neurowissenschaften stellen immer anspruchsvollere Anforderungen an die Eigenschaften und Funktionalitäten von Materialien und Geräten, die das Studium umfangreicher neuronaler Netzwerke und deren Aktivität ermöglichen sollen. Diese müssen die schnelle und effiziente Anhaftung von Neuro-nen unterstützen, ohne auf zusätzliche Proteinbeschichtungen zurückzugreifen, und gleichzeitig unter physiologischen Bedingungen chemisch stabil sein, um Langzeit-messungen zu ermöglichen. Diamant in Form von dünnen Schichten ist dank seiner hervorragenden mechanischen, optischen, elektrischen, chemischen und biologischen Eigenschaften ein vielversprechender Kandidat für diese Anwendungen. Dieser For-schungsantrag zielt auf die Herstellung von Plattformen für die Langzeit-Kultivierung von funktionalen neuronalen Netzwerken und deren elektrophysiologischer Untersu-chung ab, die auf ultrananokristallinen Diamantschichten basieren. Die UNCD-Schichten bestehen aus Diamantnanokristalliten (ca. 5 nm Durchmesser), die in eine Matrix aus amorphem Kohlenstoff eingebettet sind. Damit vereinen sie die außeror-dentlichen Eigenschaften von Diamant mit einer relativ glatten, nanostrukturierten Topographie, die die Kontaktfläche erhöht und somit die Adhäsion von Neuronen verbessert. Im Zuge des Forschungsprojektes sollen Mehrschichtsysteme aus UNCD und Metallen auf Glassubstraten aufgebracht werden, deren Transparenz die Beobach-tung der Neuronenmorphologie von der Schichtrückseite, gleichzeitig aber auch Fluoreszenzuntersuchungen von oben ermöglicht. Im nächsten Schritt werden die Metall- und UNCD-Schichten mithilfe von Lithographie und Ätzprozessen struktu-riert, um Leiterbahnen sowie Kontaktstellen für Neuronen zu schaffen. Da die Natur der Oberfläche eine wichtige Rolle bei der Wechselwirkung mit Zellen spielt, werden die UNCD Schichten mit Hilfe von plasma- oder photochemischen Prozessen ver-schiedenen Modifikationen unterzogen, wobei auch eine Strukturierung der Oberflä-chenterminierung erzielt werden soll. Für die Untersuchung der Biokompatibilität und der Funktionalität der Schichtsysteme werden zwei Arten von Neuronen genutzt; Schrittmacherzellen der Schabe Rhypharobia maderae und olfaktorische Rezeptor-neuronen vom Tabakschwärmer Manduca sexta, die als Modelorganismen für die Beobachtung der spontanen elektrischen Aktivität bzw. des gerichteten Wachstums vollständiger neuronaler Netzwerke dienen. In beiden Fällen werden Langzeitstudien angestrebt, die mit anderen Materialien nicht erreicht werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Italien
• Beteiligte Personen: Dr. Giacomo Ceccone; Professorin Dr. Monika Stengl