Abstract in German:

In der vorliegenden Dissertation werden partiell passivierte, dreidimensionale Nanohohlnadeln zur elektrischen Kontaktierung des Zytosoma entwickelt und evaluiert. Die Stimulation und Ableitung bioelektronischer Signale über einen derartigen Kontakt liefern Informationen über die elektrische Aktivität von einzelnen Zellen und Zellnetzwerken. Dies ermöglicht neuartige Analysen in der Grundlagenforschung - beispielsweise über zelluläre Kommunikationsprozesse - und in der anwendungsorientierten Forschung - z.B. über pharmakologische Effekte.</br> Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Herstellung und Charakterisierung von Nanohohlnadeln, welche eine Implementierung auf CMOS-Substraten sowie einen intrazellulären Zellkontakt passiv, d.h. ohne Elektroporation, ermöglichen.</br> Zur Erzeugung einer vertikalen und hohlzylinderförmigen Nanoelektrodengeometrie wird eine Opferschichttechnologie entwickelt, welche reaktives Ionentiefenätzen und Atomlagenabscheidung kombiniert. Eine partielle Einkapselung mit einem Passivierungsmantel entkoppelt die Nanoelektroden vom extrazellulären Milieu, was die parasitären Signalanteile minimiert. Das evaluierte Herstellungsverfahren zeichnet sich durch eine hohe Flexibilität aus, welche Anpassungen in Höhe, Breite, Form und Einkapselung der Nanoelektroden ermöglicht.</br> Die entwickelten Nanohohlnadeln werden auf einem diskreten Array fabriziert, welches für die elektrische und elektrochemische Charakterisierung der Nanoelektroden entworfen wurde. Teststrukturen, wie Widerstandsketten, zeigen einen reproduzierbaren elektrischen Kontakt der Nanoelektroden. Eine geringe Elektrodenimpedanz sowie eine hohe Ladungsspeicherkapazität werden mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie und Zyklovoltammetrie gemessen. Die Nanohohlnadeln werden erstmalig auf einem integrierten Schaltkreis implementiert, was die CMOS-Kompatibilität der Technologie bestätigt.</br> Der Nanoelektroden-Zell-Kontakt wird mittels der Kultivierung von Neuronen, Gliazellen und Epithelzellen auf dem diskreten Array analysiert. Konfokalmikroskopische Aufnahmen deuten auf Biostabilität und Biokompatibilität hin. Sowohl extrazellulär als auch intrazellulär gemessene Aktionspotentiale einzelner Neuronen auf den dreidimensionalen Nanoelektroden werden aufgezeichnet.</br> Als passive Schnittstelle zwischen Biologie und CMOS-Schaltungen können die entwickelten dreidimensionalen, partiell passivierten Nanohohlnadeln eine Basis für künftige Entwicklungen in der Bioelektronik bilden.