Chemie Diplomarbeit / Fakultät für Chemie und Pharmazie ...

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
1 Einleitung und Problemstellung 1
0
1.1 Überblick 1
1.2 Kontext 1
1.2.1 Multikontaktierung von Nerven mit Mikroelektrodenstrukturen 2
1.3 Theoretische Grundlagen 4
1.3.1 Nervensignale 4
1.3.2 Charakterisierung der Nervenfaser über Ersatzschaltkreise 9
1.3.3 Elektrodendesigns von Ableitungs- und Stimulationselektroden 11
1.3.4 Arbeitsgruppen, die sich mit „Regeneration-Type-Microelectrodes“ beschäftigen 14
1.3.5 Charakterisierung der Mikroelektroden über Ersatzschaltkreise 16
1.3.5.1 Prozesse an der Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche 19
1.3.5.2 Beschreibung des Spannungsabfalls an der Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche 21
1.3.5.3 Parameter, die die Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche charakterisieren 23
1.3.6 Anforderungen an das Elektrodenmaterial für die Neurostimulation 23
1.3.7 Zusätzliche Anforderungen an die Mikroelektrodenstruktur für die Signalableitung 24
1.3.8 Optimierung von Ableitungs- und Stimulationselektroden 25
2 Experimentelle Ansätze 26
2.1 Eigenschaften von elektrischen Bauelementen und deren Wechselstromverhalten 26
2.2 Impedanzspektroskopie 27
2.2.1 Impedanz und Ersatzschaltkreis einer elektrochemischen Zelle 29
2.3 Verwendete Materialien 32
3 Ergebnisse und Diskussion 34
3.1 Elektrodencharakterisierung über Impedanzspektroskopie 34
3.2 Modifikation der Elektrodenstrukturen 40
3.2.1 Oxidation von Iridium 41
3.2.2 Abscheidung von Iridium und Iridiumoxid über Elektronenstrahlverdampfung 43
3.2.3 Zyklovoltammetrische Metallabscheidung 44
3.3 Peptidbelegungen 55
3.3.1 Zyklovoltammetrische Polymerisation von Lamininteilsequenzen 56
3.3.2 Zukünftige Strategien bei der Peptidbelegung von Mikroelektrodenstrukturen 59
4 Zusammenfassung 60
5 Ausblick 61
6 Literatur 64

1 Einleitung und Problemstellung
1.1
Überblick
Diese Diplomarbeit beschreibt die elektrochemische Oberflächenmodifikation von
Mikroelektrodenstrukturen durch Metallabscheidung und die Belegung mit polymerisierbaren
Peptidsequenzenen aus den Zelladhäsionsmolekülen Laminin und Fibronektin. Es galt, diese
Oberfläche hinsichtlich der Impedanz und Bioverträglichkeit zu optimieren.
1.2
Kontext
Als eines der faszinierendsten Ergebnisse der Evolution steht das Nervensystem mit seiner
heute noch weitgehend unverstandenen Komplexität im Mittelpunkt wissenschaftlichen
Interesses. Die herausragende Eigenschaft des Nervensystems, im Hintergrund Informationen
zu verarbeiten, ohne seinerseits direkt Informationen über den Verarbeitungsprozeß selbst
preiszugeben, hat die Neugierde des Menschen seit Jahrtausenden provoziert. Trotzdem ist
uns das Prinzip der Informationsverarbeitung bis zur Entdeckung von RAMÓN Y CAJAL vor
hundert Jahren (1891), daß das Gehirn aus abgegrenzten Nervenzellen besteht und diese
untereinander zu vielfältigen Schaltkreisen verbunden sind, weitgehend verborgen geblieben.
Vor etwa fünfzig Jahren gelangen die ersten Registrierungen der elektrischen Aktivität von
Nervenzellen (ADRIAN, HARLINE, GRANIT, PFAFFMANN u.a (1930/40)), vor knapp vierzig
Jahren erstmals eine eindeutige Identifizierung der Synapsen, d.h. der Kontaktstellen, an
denen die Kommunikation zwischen Nervenzellen stattfindet (HODGKIN, HUXLEY, KATZ,
ECCLES u.a. (1950/60)). Erst vor etwa fünfzehn Jahren konnten die molekularen Mechanismen
analysiert werden, die die Differenzierung der Nervenzellen und die Expression ihrer
funktionellen Eigenschaften steuern (1970/80) 1 .
Die Zuordnung von Aufgabenbereichen im weithin verzweigten Informationsnetz, das
Verständnis der Übermittlungsmechanismen und -abläufe nimmt sich wie ein Puzzle aus,
dessen Teile sich über interdisziplinäre Forschungsbemühungen nur langsam zu einem
konsistenten Gesamtbild zusammenfügen lassen. Gehirn und Rückenmark des Menschen
enthalten etwa 10 bis 15 Milliarden Nervenzellen, die mit großer Redundanz komplex
verschaltet sind. Gegenwärtig scheint es eine unlösbare Aufgabe, Millionen einzelner
Nervenzellaktivitäten individuell und auch gleichzeitig zu erfassen und ihre Bedeutung für die
1

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
Wahrnehmung oder Bewegungssteuerung in Sekundenbruchteilen zu entschlüsseln. 2 Trotz der
vielen, noch konturlosen Bereiche des Gesamtbildes ermutigten jedoch neugewonnene
Erkenntisse immer wieder zu induktiven Ansätzen, das Nervensystem durch spezifische oder
auch unspezifische Manipulation verstehen zu lernen.
1.2.1
.1 Multikontaktierung von Nerven mit Mikroelektrodenstrukturen
Im Rahmen der Förderung über das Europäische Programm ESPRIT ist es das Ziel des
Forschungsprojektes
INTER (Intelligent Neural InTERfaces), die grundlegenden
Voraussetzungen für die Entwicklung zuverlässiger Mikorelektrodensysteme zu schaffen, die
eine künstliche, nichtinvasive, d.h. extrazelluläre Ankopplung des peripheren Nervensystems
über seine Axone erlauben werden. Mit der Verfügbarkeit von Systemen, über die sich aus
dem motorischen Bereich des peripheren Nervensystems Informationen auslesen und in das
sensorische Netz von außen eingeben lassen, wird es möglich sein, Informationsflüsse in
biologischen Systemen verstehen und lenken zu lernen. Detailliertere Kenntnisse der
Informationsabläufe werden es dann gestatten, z.B. Prothesen zu entwickeln, die über den
Willen steuerbar sind (z. B. eine künstliche Hand) und Signale aus der Umwelt aufnehmen
und an das Nervensystem weiterleiten könnten (z.B. über tasten, riechen, sehen, hören).
Zentrales
Nervensystem
CNS
Sensorisierte
Prothese
Neuronales
Interface
Peripheres
Nervensystem
PNS
Controller
Peripheres
Nervensystem
PNS
Neuronales
Interface:
Mikroelektrodenstruktur
mit
oder ohne
Vorverstärker
Neuronales
Computernetz
mit
Lernalgorithmen
Multiaktivierte
und
sensorisierte
Gliedmaßen
Sensorische
Auswertung
Abbildung 1: Schematische Darstellung der künstlichen Ankopplung an das periphere Nervensystem am Beispiel
der künstlichen Hand: Eine Mikroelektrodeneinheit kontaktiert elektrisch oder optisch direkt die einzelnen
2

Nervenfasern des peripheren Nervensystems am Unterarm. Eine angeschlossene Rechnereinheit wertet die
Signale des Nervensystems aus und setzt sie über eine elektromechanische Einheit in Bewegungsabläufe der
Prothese um. Tast- und Wärmesensoren auf der Prothese speisen Signale in den Computer ein, der sie in für das
Nervensystem verständliche Informationspakete übersetzt und über dieselbe Mikroelektrodenstruktur elektrisch
an die sensorischen Nervenfasern weiterleitet.
Führungskanäle
distaler Nervenstumpf
Mikroelektrodenstruktur (die)
mit kontaktierten Durchgangslöchern
(via-holes)
proximaler Nervenstumpf mit
einzelnen Nervenfasern (Axonen)
einzelne Axone durchwachsen
die Mikroelektrodenstruktur
Abbildung 2: Ausschnittsvergrößerung des im vorliegenden Projekt entwickelten Neuron/Elektroden-
„Interfaces“ 2 : Prinzip der Ankopplung des peripheren Nervensystems über Mikroelektrodenstrukturen: Die
Enden eines durchtrennten peripheren Nervenfaserbündels werden in einem chirurgischen Eingriff in zwei
Führungskanäle eingebettet und nahe an die dazwischenliegende Elektrodenstruktur herangeführt. Die einzelnen
Nervenfasern des proximalen, d.h. des aus der Richtung des Gehirns her kommenden Nervenstumpfes,
regenerieren im Laufe der Zeit (Wachstum in der Größenordnung von 1mm pro Tag) und wachsen durch die
kontaktierten Löcher der perforierten Siliziumstruktur auf das distale Ende der Nervenfaser im
gegenüberliegenden Führungskanal zu. Durch die Nervenfaser kommende Informationsflüsse
(Potentialschwankungen) können damit kapazitiv an den Elektroden ausgelesen und über Computeralgorithmen
in Steuerungssignale für Prothesen umgesetzt werden. Umgekehrt lassen sich damit auch einzelne Nervenfasern
oder Faserbündel anregen. Sensorische Signale von Druck- oder Wärmesensoren in der Prothese ließen sich
beispielsweise kapazitiv an die sensorischen Nervenfasern übermitteln. Das Gehirn würde die Signale in die
entsprechenden Berührungs- oder Wärmeempfindungen umsetzen.
Wichtige Kriterien für diesen Ansatz sind 3 :
1. Zum einen müssen geeignete, langzeitstabile und biokompatible extrazelluläre
Elektroden entwickelt werden, in die die Nervenendigungen einwachsen können,
ohne das umgebende Gewebe zu reizen (Narbenbildung) oder zu zerstören (Bildung
toxischer Produkte durch Lösungsprozesse oder an der Elektrode ablaufende
elektrochemische Reaktionen). Es soll anschließend möglich sein, die an den
Nervenendigungen eintreffenden Signale, ausgelöst durch die Änderungen der
Potentialdifferenz über der Zellmembran, mit einer hohen örtlichen und zeitlichen
Auflösung und hoher Signalamplitude selektiv auslesen zu können. Über dieselben
3

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
Elektroden sollten sich externe Signale an die Nervenendigungen ebenso selektiv
übermitteln lassen. 4, 5
2. Die geometrische Anordnung sollte so ausgelegt sein, daß es zu keiner
Signalinterferenz (crosstalk) zwischen den einzelnen Elektroden und zu keinen
Leckströmen an dem Zellgewebe vorbei in das die Zellen umgebende Medium
hinein kommen kann.
3. Die physikalischen und elektrischen Eigenschaften der Multielektrodenstruktur
müssen reproduzierbar sein. Die Ausgangsmaterialien sollen billig sein und sich in
einen zuverlässigen, reproduzierbaren und nach Möglichkeit schon erprobten
Fertigungsprozeß (z.B. CMOS-Technologie) eingliedern lassen. Weiterhin soll die
Steuerungs- und Verstärkungselektronik klein und möglichst in die Elektrode
integriert sein, um durch den Einsatz von implantierten Sendern die transkutane
Ableitung umgehen zu können.
4. Die Ent- und Verschlüsselungsalgorithmen müssen sich auf veränderte Situationen
selbstlernend einstellen können.
1.3
Theoretische Grundlagen
1.3.1
.1 Nervensignale
Informationen werden in allen bekannten Nervensystemen tierischer Organismen mithilfe
zweier universaler Signaltypen übermittelt.
Das Gehirn als dichtes Netz von ca. 10 12 komplex miteinander verknüpfter Nervenzellen
benutzt stereotype elektrische Signale, um alle Informationen zu verarbeiten, die es über die
Nervenzuleitungen (Axone) erhält und daraufhin analysiert. Die Signale sind über ihre
Frequenz, ihre Herkunft im Körper und ihren Bestimmungsort im Gehirn eindeutig codiert,
aber isoliert gesehen noch kein Abbild der äußeren Welt. Die Verknüpfung einzelner Signale
auf ihrem Weg zum und am Bestimmungsort selbst entscheiden über die Interpretation der
Information. Erst die spezifischen Verschaltungen der Nervenzellen erlauben damit eine
Entschlüsselung der Nachricht.
4

Apicale
Dendriten
Nucleus
(Zellkern)
Basale
Dendriten
Synaptischer
Spalt
Präsynaptisches
Axonende
Dendrit
Axon
Myelinscheide
RANVIERscher
Apicale
Dendriten
Schnürring
Inhibitorisches
Axonende
Excitatorisches
Axonende
Präsynaptische
Zelle
Postsynaptische
Zelle
Abbildung 3: Typisches Neuron eines Wirbeltieres. Der Zellkörper mit einem Durchmesser von ca. 50µm enthält
den Zellkern und macht etwa 1/10 des gesamten Neuronvolumens aus. 6,11 Zwei Funktionseinheiten entwachsen
dem Zellkörper, die Dendriten und ein meist längeres Axon mit einer Länge von bis zu einem Meter bei einem
Durchmesser zwischen 0,2 und 20µm. Die meisten Axone der Wirbeltiere sind von einer lipidhaltigen
Isolationsschicht, der sog. Myelinscheide umgeben, die in regelmäßigen Abständen von den sog. RANVIERschen
Schnürringen über eine Länge von ca. 0,5µm unterbrochen wird. Im Bereich dieser Schnürringe sind mehrere
hundert Ionenkanäle in die Membran eingebettet. Am Axonende verzweigt sich das Axon und koppelt über
synaptische Endigungen an die Dendriten, Zellkörper oder auch Axone anderer Neurone an. Ein typisches
Neuron kann an der Ausbildung von zwischen 100 und 10000 Synapsen beteiligt sein.
Der Informationsfluß innerhalb und zwischen den einzelnen Neuronen verläuft über
elektrische und chemische Signale. Ursache der elektrischen Signale sind Potentialänderungen
zwischen dem Axoplasma im Inneren eines Axons und der durch eine Plasmamembran davon
getrennten extrazellulären Lösung; sie werden in der Regel von Ionenströmen erzeugt (z.B.
Natrium-, Kalium- und Chloridionen, aber auch Magnesium- und Calciumionen), die durch
spannungsaktivierte, in der dazwischenliegenden Plasmamembran eingebettete Ionenkanäle
fließen. Neben den elektrischen Reizen vermögen auch andere Mechanismen, wie chemische
oder mechanische Reize (Ligandenankopplung oder Streckung der Membran), die
verschiedenen Kanäle zu öffnen oder zu schließen. Die Lösungen innerhalb und außerhalb des
Axons weisen dieselbe Ionenstärke, aber eine unterschiedliche Ionenzusammensetzung auf.
5

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
Abbildung 4: Riesenaxon eines Tintenfisches mit
Verteilung der für das Membranpotential wichtigen
Ionen [mmol·l -1 ]. Das Innere der Nervenfaser ist
durch diese ungleiche Ionenverteilung um ca. 60mV
negativ gegenüber dem Außenmedium geladen.
Dieses Membranruhepotential wird durch eine
energieumsetzende Ionenpumpe aufrechterhalten,
die ständig (durch die Membran) in das Zellinnere
diffundierte Na -Ionen in den Außenraum und in
den Außenraum diffundierte K -Ionen in das
Zellinnere zurück befördert. Wird die Nervenfaser
durch einen ausreichend starken Reiz erregt, so
nimmt die Permeabilität der Membran für Na -
Ionen kurzzeitig um das etwa 500fache zu. Es
kommt zu einem starken Na -Einstrom in das
Zellinnere, das sich dadurch positiv gegenüber dem
Außenmedium auflädt, d.h. das Membranpotential
ändert kurzzeitig seine Polarität. Unmittelbar darauf
nimmt die Na -Permeabilität der Membran spontan
wieder ab; etwa gleichzeitig wächst vorübergehend
die K -Permeabilität etwas an, Kaliumionen
strömen aus dem Zellinneren aus und senken damit
die Potentialdifferenz über der Membran in
Richtung auf und sogar unter das Ruhepotential ab.
Das Membranruhepotential wird letztlich durch die
Ionenpumpe wiederhergestellt. 7
Das Axoplasma leitet den Strom aufgrund seiner geringen Ladungsträgerdichte und der
geringen Ionenbeweglichkeit etwa 10 7 mal schlechter als ein Metalldraht. Der geringe
Durchmesser der Nervenfaser (ca. 0,1 bis 20µm bei Wirbeltieren) begrenzt zusätzlich die
transportierbare Strommenge. Ein geringer Teil des Leitungsstromes geht aufgrund der nichtperfekten
Isolatoreigenschaften der Membran nach außen hin als Leckstrom verloren. Viele
Axone in den Nervensystemen von Wirbeltieren werden von einer lipidhaltigen, weißen, etwa
8-10µm dicken Myelinscheide umgeben, die aus sog. Gliazellen besteht. Jede Gliazelle
umhüllt ein axonales Segment von etwa 1mm Länge, in dem die Ionenkanäle in der
Axonmembran fast vollständig fehlen. Zwischen den einzelnen Segmenten liegen kleine
Bereiche der Axonmembran (ca. 0,5 µm), die sog. RANVIERschen Schnürringe, frei. Auf ihnen
sind fast alle Ionenkanäle der Axonmembran anzutreffen (ca. 1000Kanäle/µm 2 ). In der Regel
finden sich zwischen 300 und 500 dieser Schnürringe auf einer Nervenfaser. Die
Myelinscheide hat gute elektrische Isolatoreigenschaften. Sie bewirkt eine Erhöhung des
Membranwiderstands der Axone und eine Erniedrigung der Membrankapazität in den
Bereichen der Schnürringe.
6

RANVIERsche Schnürringe
Myelinscheide
anzutreffen. Jede SCHWANNsche Zelle bildet auf
eine Länge von etwa 1mm die sog. Myelinscheide
um ein einzelnes Axon aus, indem sie sich in
mehreren Lagen konzentrisch um das Axon wickelt.
Zwischen den umhüllten Segmenten liegen die
RANVIERschen Schnürringe. 500 SCHWANNsche
Zellen sind an der Myelinisierung eines einzelnen
sensorischen Axons beteiligt. 11 In Wirklichkeit sind
die Myelinlagen weitaus kompakter als hier
dargestellt.
SCHWANNsche
Zelle
Zellkern
innere Zunge
einzelnes Axon
Abbildung 5: SCHWANNsche Zellen (oder auch
Gliazellen) sind im peripheren Nervensystem
Nervenfasern verwenden nur zwei Typen von Signalen: „Passive“, d.h. lokale, graduierte
Potentiale, und „alles-oder-nichts“ Aktionspotentiale. Die lokalen Potentiale können sich nur
über kurze Strecken ausbreiten; ihre Reichweite beträgt gewöhnlich nur 1 bis 2 Millimeter.
Sie ermöglichen es den Nervenzellen, an sensorischen Nervenendigungen über sog. Rezeptoroder
Generatorpotentiale oder an den Verbindungen zwischen den Zellen, an den Synapsen,
über sog. (post-)synaptische Potentiale Aktionspotentiale auszulösen. Synaptische Potentiale
können exzitatorisch (EPSP) oder inhibitorisch (IPSP) sein. Das Hauptmerkmal von lokalen
Potentialen liegt darin, daß sie, integrativ über die Impulsfrequenz, die proportional zur
Reizstärke ist, kontinuierlich in ihrer Größe abgestuft werden können. 8 Aktionspotentiale sind
stereotypische regenerative Impulse, die rasch und ohne Abschwächung, d.h. mit konstanter
Amplitude (ca. 0,1V), konstanter Dauer (ca. 1ms) und charakteristischer Form mit einer
Geschwindigkeit von bis zu 120m/s über weite Strecken geleitet werden. Die Kombination
dieser beiden Signaltypen codiert die universelle Sprache aller bisher bekannten tierischen
Nervenzellen. 9 In einer ruhenden Nervenfaser eines Wirbeltieres beträgt die Potentialdifferenz
über die Axonmembran ca. 70mV (Ruhepotential), wobei der Innenraum gegenüber dem
Außenraum negativ geladen ist. Die unterschiedlichen Permeabilitäten P der Membran für die
einzelnen Ionensorten und die momentanen Ionenkonzentrationen zwischen Axoninnenraum i
und Axonaußenraum a bestimmen das Membranpotential V M . Es läßt sich über die von der
NERNSTschen Gleichung abgeleitete, hier um den kapazitiven Anteil der Membran selbst
erweiterte GOLDMAN-Gleichung (1-1) berechnen: 11
7

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
V
M
RT
= ⋅
F
[
⊕] + [
⊕] + [
−]
[
⊕] + [
⊕] + [
−]
P K P Na P Cl
K a Na a Cl i
P K P Na P Cl
K i Na i Cl a
Q
+
C
ln
(1-1)
R: Allgemeine Gaskonstante 8,31451 J·mol -1·K -1 ; T: absolute Temperatur [K]; F: FARADAY-Konstante 96484,56
C·mol -1 ; P: Permeabilitätskoeffizient der Membran für die benannte Ionensorte [cm·s -1 ]; Q: Ladung auf der
10
Membranoberfläche [C]; C: Membrankapazität [F = A·s/V = C·A·s/J].
Das Ruhepotential wird einerseits durch ein elektrostatisches Gleichgewicht zwischen
organischen Anionen innerhalb des Axons und Kaliumkationen, die durch einen Typ stets
geöffneter, nicht regulierbarer Kaliumkanäle in der Axonmembran frei diffundieren können,
aufrechterhalten. Der osmotische Druck und das Potentialgefälle über die Membran hinweg
halten sich dabei die Waage. Andererseits verhindern im Ruhezustand geschlossene
Natriumkanäle (Molekulargewicht etwa 260kDa) das Eindiffundieren von Natriumkationen
entlang des Konzentrationsgradienten in das Axoplasma. Ein Spannungsreiz, dessen Potential
eine bestimmte positive Schwelle überschreiten muß, verursacht die sog. Depolarisation der
Axonmembran: Weicht die Potentialdifferenz über der Axonmembran um etwa 20mV in
positive Richtung von ihrem Ruhewert ab, dann öffnen sich spannungskontrollierte
Natriumkanäle in der Membran und gestatten den Einstrom von Na -Ionen in das Axoplasma
(positiver Stromfluß). Diese Polarisation trägt zur weiteren Depolarisation der Axonmembran
bei, indem sie sukzessive weitere benachbarte Natriumkanäle öffnet. Der Na -Einstrom in das
Axon übersteigt nach kurzer Zeit den K -Ausstrom aus dem Axon. Der Innenraum der
Nervenfaser wird vorübergehend auf +40mV positiv polarisiert. Andererseits triggert die
Potentialänderung ihrerseits die Repolarisation durch verzögertes Öffnen von
spannungsgesteuerten Kaliumkanälen. Vermehrter Ausstrom von K -Ionen aus dem Axon
und spontanes Schließen der Natrium-Kanäle wiegen den Na -Ionen-Einstrom auf und stellen
schließlich das Ruhepotential nach kurzfristiger Hyperpolarisation (Unterschreitung des
Ruhepotentials) wieder her. Der beschriebene Prozeß läuft meist innerhalb einer Millisekunde
ab. Eine erneute Depolarisation des Axonabschnitts ist erst nach einer gewissen Ruhezeit im
Millisekundenbereich, der sog. Refraktärzeit möglich, während der die Ionenkanäle gegenüber
Schwellpotentialen unempfindlich sind und verschlossen bleiben. Aus diesem Grund pflanzt
sich das Aktionspotential auch nur in die Richtung der noch depolarisierbaren Ionenkanäle
fort, nicht dagegen rückwärts zum Ursprung. Energieumsetzende Transportmechanismen
(Na -K -Pumpe) erzeugen anschließend den ursprünglichen Konzentrationsgradienten.
8

Ruhepotential
(ca. -70 mV)
Aktionspotential
Zeit (ms)
Abbildung 6: g Na =1/R Na [1/Ω]: Leitfähigkeit des
Natriumionenkanals; g K =1/R K [1/Ω]: Leitfähigkeit
des Kaliumionenkanals; V M : Gesamtpotential über
der Zellmembran [V]; Mit dem Öffnen eines
Ionenkanals durch die Depolarisation ändert sich
auch dessen Leitfähigkeit für die entsprechende
Ionensorte. Relativ schnell öffnen sich nach der
Depolarisation die vorhandenen Natrium-
Ionenkanäle, d.h. die Gesamtleitfähigkeit g Na der
Membran für Natrium als Summe über die
Leitfähigkeiten der einzelnen Natriumionenkanäle
steigt steil an. Etwas langsamer öffnen sich die
Kalium-Ionenkanäle; die Gesamtleitfähigkeit g K für
Kalium steigt damit etwas flacher an. Aus dem
plötzlichen Natriumeinstrom in das Axoplasma und
dem darauffolgenden Kaliumausstrom aus dem
Axoplasma resultiert das Aktionspotential V m , das
sich statt über die Konzentrationsgradienten und die
Permeabilitätskoeffizienten auch, wie weiter unten
ausgeführt, über die Leitfähigkeiten und die
Gleichgewichtspotentiale für die einzelnen
Ionensorten beschreiben läßt.
1.3.2
.2 Charakterisierung der Nervenfaser über Ersatzschaltkreise
Eine mit Gliazellen myelinisierte Axonmembran hat Isolatoreigenschaften. Im
Ersatzschaltbild entspricht sie einem leckenden Kondensator mit einer Kapazität von ca.
1µF/cm 2 , da geringe Ströme durch die relativ wenigen eingebetteten Ionenkanäle fließen
können. Die Leitfähigkeit g durch die Axonmembran ist proportional zur Anzahl der
geöffneten Ionenkanäle; sie läßt sich im Ersatzschaltbild für eine Nervenfaser über parallel
verschaltete Widerstände R beschreiben, wenn man die Beziehung g Kanal =1/R Kanal
berücksichtigt. Betrachtet man ein typisches Motor-Neuron mit einer Membranfläche von
etwa 10 -4 cm 2 , so liegt dessen Leitfähigkeit aufgrund der nicht schaltbaren, d.h. allzeit offenen
Kalium-Ionenkanäle bei 40nS. Gäbe es keine Kanäle in der Membran, läge die Leitfähigkeit
des reinen Lipid-Bilayers bei nur 1pS. Die im Ruhezustand aus den Konzentrationsgradienten
der einzelnen Ionensorten erwachsenden Potentialdifferenzen zwischen Axoninnenraum und
extrazellulärer Flüssigkeit repräsentieren Batterien im Ersatzschaltkreis.
9

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
Na + K +
Cl -
Na +
Cl -
Na + Cl -
Na + Na
Cl - +
Cl -
Na +
Extrazelluläre Matrix
+ + + + + +
A -
K +
+ + + + + + + + + + + + + + +
Na + g g g
-
+
E E E
Na +
K +
ATP ADP + Pi
K +
K
K + +
K + K +
A - A- A -
Na K Cl
Na K Cl
Na
Ionenpumpe
Axoplasma
K
C M
Abbildung 7: Jede Population an Ionenkanälen, selektiv für Na , K oder Cl , kann als Batterie (E X ) in Serie mit
einem Widerstand (hier Leitfähigkeit g X =1/R X mit X: Ionensorte) dargestellt werden. 11 Im unteren Teil der
Abbildung ist das Axoplasma zu sehen, das im Ruhezustand relativ zum Außenraum der Nervenfaser negativ
geladen ist. Rechts im Ersatzschaltkreis ist die Kapazität der Membran gezeigt mit dem Axoplasma und dem
Außenmedium als Kondensatorplatten und der Membran selbst als Dielektrikum.
Nach der 1. KIRCHHOFFschen (Knoten-)Regel ist der Nettostrom I Ges gleich null. Außerdem ist
der Spannungsabfall über die einzelnen parallel verlaufenden Zweige immer gleich groß.
Unter der vereinfachenden Annahme einer elektroneutralen Na - K - Pumpe (in Wirklichkeit
trägt die Ionenpumpe zur Erzeugung des Potentialgradienten bei, indem für drei Na -Ionen aus dem Axoplasma
in den extrazellulären Bereich nur zwei K -Ionen aus dem extrazellulären Bereich in das Axoplasma hinein
transportiert werden) berechnet sich damit das im Ruhezustand der Zelle herrschende
Membranpotential V M , das sich aus den resistiven Elementen der Ionenkanäle sowie dem
11
kapazitiven Element der Zellmembran an sich zusammensetzt, wie folgt:
V g ⋅ E + g ⋅ E + g ⋅ E
M
=
g + g + g
Na Na K K Cl Cl
Na K Cl
Q
+
C
M
M
(1-2)
g x : Leitfähigkeit des Ionenkanals für die genannte Ionensorte [S=1/Ω]; E: Gleichgewichtspotential für die
genannte Ionensorte bei gegebenem Konzentrationsgradienten über die Membran [V], das in voranstehender
Abbildung als Batterie betrachtet wird; Q M : Ladungen, die sich auf der Membranoberfläche befinden [C]; C M :
Kapazität der Membran [F].
Aus den Gleichungen(1-1) und (1-2) wird ersichtlich, daß das Membranpotential V M von der
Ionensorte bestimmt wird, für die die Permeabilität P der Membran am höchsten ist bzw.
deren Ionenkanäle im betrachteten Augenblick die größte Leitfähigkeit g durch die
Axonmembran, d.h. den kleinsten Widerstand haben.
10

1.3.3
Elektrodendesigns von Ableitungs- und Stimulationselektroden
Erste Signalableitungen an lebenden Neuronen wurden mit feinen Metallmikroelektroden
(Nadeln) vorgenommen, die in die Nervenzelle eingestochen werden. In einer bipolaren
Anordnung wurde direkt die Potentialdifferenz zwischen Axoplasma und extrazellulärer
Umgebung, deren Potential willkürlich null gesetzt wird, gemessen. Aufgrund der
Zellschädigung können nur Kurzzeitexperimente durchgeführt werden Abbildung ( 8A).
Neben dieser invasiven Technik unterscheidet man noch folgende nichtinvasive Methoden:
starre Schaft-Mikroelektroden können neben dem intakten oder auch durchtrennten Axon
plaziert werden und dessen Aktivität registrieren oder auch beeinflussen ( Abbildung 8B und
Abbildung 9). Zellen lassen sich für sensorische Anwendungen auf Mikroelektrodenstrukturen
plazieren. Kommen Membranabschnitte mit Ionenkanälen auf den Ableitelektroden zu liegen,
so lassen sich die Ionenströme über die Ableitungen kapazitiv registrieren ( Abbildung 8C).
Ein ähnlicher Weg kann auch für Axonenden nach dem Durchtrennen der Nervenfaser
beschritten werden. Die im Rahmen von INTER zum Einsatz kommenden „die“-Elektroden
mit kontaktierten Durchgangslöchern (via holes), durch die die Axone durchwachsen,
gestatten das Registrieren und Stimulieren der angrenzenden Axonstränge über kapazitive
Ströme (Abbildung 2). Für die Kontaktierung einer Nervenfaser mit mehreren Axonsträngen
eignen sich auch flexible „Cuff“-Elektroden, auf deren einzelnen Fingern Mikroelektroden
aufgebracht sein können. Die nur drei bis fünf Millimeter großen Systeme lassen sich durch
leichte Zugspannung manschettenartig um einen Nervenstrang, den sie kontaktieren sollen,
herumlegen (Abbildung 8D und Abbildung 10). Die Aktivität einzelner Ionenkanäle läßt sich
direkt über die sog. „patch-clamp“-Technik erfassen, bei der ein Ionenkanal elektrisch von der
übrigen Zelle isoliert wird. Eine direkt über einen Ionenkanal gestülpte Glaspipette dichtet an
ihrem Ende mit der Zellmembran ab. Gemessen werden bei konstant vorgegebener Spannung
die (Ionen-) Stromschwankungen über der Membran beim Öffnen bzw. Schließen des
Ionenkanals (Abbildung 8E). Schließlich kann die Zellaktivität auch über spannungssensitive
Farbstoffe verfolgt werden, die in das extrazelluläre Medium eingeführt werden.
Spannungsabhängige Farbänderungen lassen sich über einen Photodetektor registrieren
(Abbildung 8F).
11

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
offen
geschlossen
pA
0
mV
50
0
Ruhepotential
2 4 ms
2 4
ms
µV
relative
Absorption
0
2
4
s
B
E
A
F
2
4
ms
Gegenelektrode
Referenzelektrode
D
C
mV
1
mV
10
0
Ruhepotential
0
Ruhepotential
2
4
ms
2
4
ms
Abbildung 8: Schematische Darstellung der prinzipiellen Möglichkeiten der Signalerfassung an (Nerven-) Zellen
und der zu erwartenden Signaltypen: A: Intrazelluläre Ableitung über eine Mikroelektrode, mit der die Zelle
punktiert wird; B: Kapazitive elektrische Ableitung über eine feine Draht- oder Schaftelektrode, die nahe am
Zellkörper plaziert wird; C: Kapazitive elektrische Ableitung über eine Metallelektrode einer
Mikroelektrodenstruktur, auf der die Zelle zu liegen kommt; D: Manschettenelektrode (cuff-Elektrode), die um
ein einzelnes Axon oder eine Axongruppe gelegt wird; E: "patch-clamp"-Technik: Registrierung der Ionenströme
durch die einzelnen Ionenkanäle in der Zellmembran bei vorgegebener Spannung. Eine Pipette mit ausgezogener
Kapillare wird über einem Ionenkanal so auf die Zellmembran aufgesetzt, daß sie rundum dicht abschließt; F:
Einstrahlen von monochromatischem Licht (Laser, Lampe mit Prisma, Gitter oder Farbfilter,) und Detektion der
Farbveränderung spannungssensitiver Farbstoffe bei verschiedenen Wellenlängen im extrazellulären Medium
über einen Photodetektor. Bei den elektrischen Methoden ist zu berücksichtigen, daß zur Signalerfassung eine
Gegenelektrode und zur Signalstabilisierung eine Referenzelektrode erforderlich sind.
12

Abbildung 9 (oben) und Abbildung 10 (rechts): 2
Starre Schaft-Mikroelektrode auf Siliziumbasis
(Universität Michigan, Ann Arbor) und Konzept
einer flexiblen Manschetten-Elektrode (cuff-
Elektrode), auf deren Finger Mikroelektroden
aufgebracht sind. Durch leichten Zug schließt sich
das drei bis fünf Millimeter große System von selbst
ringförmig um den Nervenstrang, den es
kontaktieren soll. Manschetten-Elektroden lassen
sich auch wie helixartige Sprungfedern realisieren,
die sich von selbst an die Nervenfaseroberfläche
anschmiegen
Abbildung 11 (links): Beschichtetes dreidimensionales
Elektrodenfeld aus Siliziumnadeln, das nach Säge- und
„Schärfungs“-prozessen mittels RIE (Reactive Ion
Etching) hergestellt wurde (Universität Twente,
Enschede) 12 : Jede Nadel ist mit einer Nickelschicht als
Ableitung belegt und kann an der Rückseite kontaktiert
werden. Die Nickelschicht ist an der Oberfläche mit
Siliziumnitrid passiviert. An den Nadelspitzen wurde
diese Passivierungsschicht wieder entfernt, um gegen
eine Iridumoxidschicht ausgetauscht zu werden. Die
Nadeln werden an ihrem Schaft über einen „Glassee“
untereinander zusammengehalten.
Elektrodentyp
Metallnadeln
Eignung
Selektive Punktierung einer Nervenzelle
und / oder ihrer Fortsätze für kurzfristige
Signalankopplung.
Signalamplitude

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
Manschetten-Elektrode
Summensignale mehrerer Axone eines
Nervenstrangs oder Signalaktivität
einzelner Axone über elektrische
Feldsteuerung. Eine dauerhafte
Implantation ist möglich, die Stimulation
denkbar.

1978 T. Matsuo, A. Yamajuchi, Löcher eines Durchmessers von 200µm in
M. Esashi 19 einem 200µm starken Siliziumwafer. Die
Löcher sind mit einer vertikalen MOSFET-
Struktur umgeben
Keine Signale aufgrund des hohen
thermischen Rauschens in den
Transistoren
1980
Hoffer und Loeb 20
Dreischichtige Schlauchelektrode mit
Muskel oder Nervengewebe
1991
jeweils 12 Elektroden. Außerdem kürzlich
Mikrostimulator mit telemetrischer
Signalankopplung für die Implantation
unter die Haut: 10mm Länge, 2mm
Durchmesser
1981 D. T. Joblin, J. G. Smith,
H. V. Wheal 21 FET mit metallisierter Basis
1985
1991
T. Akin, K. Najafi 22 Bor-dotierte Siliziumwafer; die
tiefdiffundierende Bordotierung diente als
Ätzbarriere
Glossopharyngealer Nerv der Ratte
1986 D. J. Edell 23 Silizium (110) mit photolithographisch
aufgebrachten Goldelektroden und
0,1·1mm Schlitzen über KOH-Ätzung;
800µm 2 Gesamtfeld
Tibialer Nerv von Hasen
1988 W. G. Regehr, J. Pine, D.
B. Rutledge 24 Metallisiertes Silizium Neuron
1990
G. T. A. Kovacs, C. W.
Silizium (100) mit 40-100µm
Peroneal-Nerv der Ratte
1992
Storment, T. K.
plasmageätzten Vertiefungen, die
1994
Withehurst, C. R.
anschließend mechanisch zu Löchern
Belczynski; Standford
durchbrochen wurden
University 25
p-Kanal (Bor-Diffusionsdotierung)
1991 P. Frommherz, A.
Weis, Uni Ulm 26 dünnen Isolationsschicht (20nm) eines
Offenhäusser, T. Vetter, J. isolierte FETs: Das Neuron liegt auf einer
Oxids als Basis auf n-dotiertem Silizium
(100). Der Abstand zwischen Kollektor
und Emitter beträgt 6µm, die Breite 30µm.
Die Neuronen übernehmen damit auf
diesen FET-Strukturen die Funktion der
Basis
Dissoziierte RETZIUS-Zellen
(Durchmesser ca. 60µm).
Spannungsamplituden
des
Aktionspotentials in (enzymatisch)
frisch dissoziierten Zellen: 40-60mV
15

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
1991 T. Lefurge, E. Goodall, K.
Horch, L. Stensaas, A.
Schoenberg 27
1994 G. Santina; Stanford
University 28
Intrafaszikuläre bipolare Drahtelektroden,
die sowohl das elektrische Potential im
Nervenfaszikel als auch das Potential an
der Nervenoberfläche ableiten:
differentielle Meßmethode; teflonisolierte
Platin-Iridium Drähte, Durchmesser 25-
50µm
Mikroelektrodenarray mit
Durchgangslöchern
Signale sensorischer Tastnerven von
Katzenvorderpfoten; Stimulation
motorischer Nerven
American Bullfrog: anuran eighth
nerve
1995 R. Eckmiller; Uni Bonn 29 Simulation biologischer Nervenzellen;
lernfähige neuronale Netze
1995 J.-U. Meyer 2 Mikroelektrodenarrays aus Silizium (100)
mit platinkontaktierten Durchgangslöchern
Taschenkrebs
1.3.5
.5 Charakterisierung der Mikroelektroden über Ersatzschaltkreise
Aufgabe der Elektrode ist es, bioelektrische Signale in elektronische Signale zu überführen
und/oder aus elektronischen Signalen bioelektrische zu erzeugen. Diese Überführung schließt
die Übertragung von Energie ein, die in Form von räumlich getrennten ionischen und
elektronischen Ladungsträgern (Elektronen und Löcher) vorliegt. Die Überführung kann durch
kapazitive Kopplung ohne effektiven Ladungsdurchtritt (Netto-Ladungstransfer) und/oder
auch Ladungsübertragungsreaktionen stattfinden, bei denen Elektronen zwischen der
Elektrode und den Ionen in der umgebenden Lösung über Redoxprozesse ausgetauscht
werden. Die Beweglichkeit der ionischen Ladungsträger liegt um ca. 6 bis 7 Größenordnungen
unter der von Elektronen oder Löchern in Metallen.
Beweglichkeit elektronischer und einiger ionischer Ladungsträger in vivo
Ladungsträger Beweglichkeit [cm 2·s -1·V -1 ]
Elektron e 1,350 10 3
Loch p 0,480 10 3
H 3,625 10 -3
OH 2,050 10 -3
Cl 7,912 10 -4
K 7,619 10 -4
16

NH4 7,610 10 -4
ClO 4 7,050 10 -4
Na 5,193 10 -4
HCO 3 4,610 10 -4
Li 4,010 10 -4
Die Zeitkonstanten beider Ladungsträgersysteme liegen ebenfalls um mehrere
Größenordnungen auseinander: Elektronen in elektrischen Schaltkreisen vermögen Signale
mit einer Frequenz von bis zu mehreren hundert Megahertz zu übertragen, Elektroden/Ionen-
Grenzflächensysteme arbeiten dagegen nur in einem Frequenzbereich von bis zu zehn
Kilohertz noch zuverlässig.
Sind die Spannungsamplituden über der betrachteten Grenzfläche klein, so treten in erster
Linie kapazitive Feldeffekte ohne Ladungsübertritt auf (Nervensignal-Aufnahme und im
günstigen Fall auch Stimulation: small-signal operation: die Elektroden verhalten sich in
diesem Modus in der Regel als Netzwerk linearer Schaltkreiselemente); kommt es zu einem
Ladungsübertritt an der Grenzfläche Elektrode/Elektrolyt, fließen also signifikante Ströme
über diese Grenzfläche, dominieren resistive und/oder nichtlineare Effekte (nur bei der
Stimulation von Bedeutung: large-signal operation). Kapazitiv gekoppelte Elektroden werden
z.B. von FROMMHERTZ ET AL. eingesetzt, bei denen die Signale an MOSFET-Strukturen direkt
von den Neuronen, die als Basis der FETs fungieren, ausgelesen werden können.
Wie aus Abbildung 12 hervorgeht, müssen im Ersatzschaltkreis folgende Elemente enthalten
sein:
1. die Doppelschichtkapazität der Elektroden/Elektrolyt-Grenzschicht,
2. der Durchtrittswiderstand der Ladungen aus der Elektrode in den Elektrolyten unter
Beachtung der Polarisierbarkeit der Elektrode,
3. Elemente, die die diffusionskontrollierten Prozesse (WARBURG-Impedanz)
berücksichtigen und
17

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
4. der Widerstand, den eine aus der Elektrode definierter geometrischer Größe
ausgetretene Ladung im Elektrolyten erfährt spreading ( resistance).
Elektrolyt/Elektroden-Grenzfläche
C
DS
Parasitäre Elemente auf der Mikroelektrodenstruktur
R
M
R
E
R
Dt
Z
W
zum verarbeitenden
Schaltkreis (Verstärker)
Z
P
C C C
P K S
R Dicht
R E
C
R
Ds
Ds
R
M
C Streu
R
V
C V
Referenzelektrode
Abbildung 12: Erweiterter Ersatzschaltkreis nach ROBINSON 30 (1968, unten) und in seine Anteile zerlegt nach
KOVACS 31 (1995, oben): links liegt der Elektrolyt und das Neuron (nicht gezeigt), rechts die
Meßdatenerfassungseinheit bzw. der Computer (beide nicht gezeigt), die/der über die angedeutete
Verstärkereinheit die Signale auswertet. R E : Elektrolytwiderstand oder auch Ausbreitungswiderstand, dessen
Wert sich durch Integration über die Serienwiderstände der einzelnen Elektrolytschichten, deren
Zusammensetzung nicht gleich sein muß, berechnet; C Ds : Doppelschichtkapazität des aus der Elektrode und der
angrenzenden Wasser- und Ionenschicht gebildeten „Kondensators“; R Ds : Doppelschichtwiderstand, den eine
Ladung beim Austritt aus der Elektrode in den Elektrolyten erfährt. Dieser Widerstand setzt sich bei genauerer
Betrachtung aus folgenden Elementen zusammen: R Dt : Durchtrittswiderstand, den eine Ladung beim Austritt aus
einer Elektrode mit einer ideal glatten Oberfläche in den Elektrolyten erfährt. Für ein ideales, nichtpolarisierbares
Grenzflächensystem sollte sein Wert gegen null streben; Z P : aus der Porosität einer realen
Elektrodenoberfläche resultierende Impedanz; Z W : WARBURG-Impedanz: Wechselstromwiderstand, der aus an
der Elektrode ablaufenden, diffusionskontrollierten Redox-Prozessen resultiert; R M : Widerstand des metallischen
Leiters, also des Elektrodenmaterials an sich; C Streu : Allgemeine Streukapazität, die sich aus folgenden Anteilen
zusammensetzen kann: C P : Passivierungs-Streukapazität zwischen Elektrodenableitungen und dem Elektrolyten
über das Isolationsmaterial (Passivierung) als Dielektrikum; C K : Kopplungs-Streukapazität zwischen den
einzelnen Elektrodenableitungen über das zwischen ihnen liegende Substrat; C S : Substrat-Streukapazität aus
Elektrodenableitungen und dem darunterliegenden Substrat. R Dicht : Widerstand zwischen Elektrode und
Gegenelektrode, der sehr hoch sein sollte, da es ansonsten bei der Stimulation zu immensen Leckströmen an der
Zelle vorbei zur Gegenelektrode kommen wird. Der Dichtwiderstand wird in erster Linie dadurch bestimmt, wie
gut der Zellkörper die Elektrode gegen den Elektrolyten abdichtet; R V : Widerstand des Verstärkers; C V :
18

Kapazität des Verstärkers; Ähnliche Ersatzschaltkreise sind u.a. auch von M. GRATTAROLA et al. 32 und G. W.
GROSS 33 vorgeschlagen worden.
1.3.5.1
.1 Prozesse an der Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche
Taucht eine Metallelektrode in eine Lösung ein, so werden einige der Oberflächenmetallatome
als Ionen in Lösung gehen und negative Ladungen in der Elektrode zurücklassen, die sich
aufgrund der elektrostatischen Anziehung zwischen positiven Ionen und zurückgebliebenen
Elektronen an der Metalloberfläche, der Grenzfläche Elektrode/Elektrolyt, ansammeln
werden:
Donor Akzeptor + e .
Die Energiebarriere für die beschriebene Reaktion wird anfangs niedriger sein als für die
denkbare Rückreaktion,
Akzeptor + e
Donor,
der Abscheidung des Metallions an der Metalloberfläche unter Aufnahme eines Elektrons aus
dem Metall. Während des Lösungsvorgangs wird sich mit zunehmender Ionenbildung ein
elektrostatisches Feld aufbauen, das die Energiebarriere für den Lösungsvorgang langsam
anhebt, die Energiebarriere für den Abscheidungsprozeß, d.h. die Rückreaktion, dagegen
herabsetzt. Die Oberflächenkonzentration an Elektronen und Metallionen wird also nur so
lange anwachsen, bis das durch das elektrostatische Feld gebildete Potential eine weitere
Ionenbildung verhindert. Erst nach Ausbildung des gleichen elektrochemischen Potentials µ el
in den beiden Phasen wird sich also ein echtes Gleichgewicht einstellen, in dem gleich viele
Metallatome in Lösung gehen wie sich Metallionen aus der Lösung wieder an der
Metallelektrode abscheiden. In diesem Fall ist die Energiebarriere der Hinreaktion, der
chemisch motivierten Metallatomoxidation (osmotischer Druck), ebenso hoch wie die der
Rückreaktion, der elektrochemisch initiierten Metallionenreduktion (elektrisches Feld;
Potentialsprung). Der Absolutwert des dabei fließenden Stroms wird bei gegebener
Oberfläche als Austauschstromdichte J 0 [A/cm 2 ] angegeben. Ihr Wert ist in einer gegebenen
Situation charakteristisch für das Elektrodenmaterial und der daran ablaufenden
elektrochemischen Reaktion. Kleine Werte für J 0 gehen mit großen
Durchtrittsüberspannungen η t (s.u.) einher. Schickt man einen zusätzlichen äußeren Strom
19

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
durch die Elektrode, so ist das I/U-Verhalten, insbesondere die Überspannung η abhängig von
seiner Größe in Relation zur Austauschstromdichte J 0 . Ist der applizierte Strom kleiner als J 0 ,
dann wird das an der Elektrode herrschende elektrochemische Gleichgewicht nicht merklich
verschoben. Der resistive Anteil der Grenzfläche verhält sich dann in erster Näherung linear.
Übersteigt die Spannung einen Grenzwert, zeigt dieser Anteil exponentielles Verhalten.
Werden Edelmetalle (Gold, Platin, Iridium) als Ableitungs- oder Stimulationselektroden
eingesetzt, so herrschen Redoxprozesse vor, in denen das Metall Elektronen abgibt oder
aufnimmt, selbst aber nicht direkt an Lösungs- oder Abscheidungsprozessen teilnimmt. Für
die Signalaufnahme, bei der sich die Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche wegen der geringen
Spannungen wie ein Kondensator verhält, trifft diese Annahme zu. Für die
Neuronenstimulation ist sie ein Anliegen, damit sich bei steigenden Spannungen in
irreversiblen Redoxprozessen keine toxischen Nebenprodukte bilden, die das Zellsystem
vergiften könnten (z.B.: Pt + 4Cl [PtCl 4 ] 2- + 2e ; aber auch 2H 2 O + 2e - H 2 + 2OH ;
2Cl Cl 2 + 2e ). Um die Bildung solcher Produkte zu minimieren (falls sie sich nicht
gänzlich ausschließen lassen) läßt sich mit ladungsausgeglichenen biphasischen Strompulsen
(LILLY-Pulse nach J. C. LILLY) 34 arbeiten, deren Erzeugung allerdings eine höhere
Anforderung an den elektronischen Stimulationsschaltkreis stellt.
anodisch
Abbildung 13: LILLY-Pulse: Illustration der
anodischen und kathodischen,
ladungsausgeglichenen biphasischen Strompulse,
wie sie häufig für die Neurostimulation eingesetzt
werden.
kathodisch
Quantitativ wird die „Inertheit“ eines Materials gegenüber möglichen Redoxprozessen über
das sog. reversible Ladungsübertragungslimit (reversible charge injection limit oder auch save
charge injection limit) beschrieben [mC/cm 2 ] (es muß von dem im Englischen ebenfalls
häufig verwendeten Begriff des Ladungsabgabevermögens, der charge delivery capacity,
unterschieden werden, das lediglich die theoretisch maximal mögliche Ladungsakkumulation
auf einer Elektrodenoberfläche beschreibt und durch Integration über die Fläche unter der
Strom/Spannungkurve im Zyklovoltammogramm bestimmt werden kann. Es wird zwar in der
20

selben Einheit [mC/cm 2 ] angegeben, berücksichtigt jedoch nicht die im physiologischen
System bei der Stimulation an der Elektrode wirklich ablaufenden Prozesse). Je größer das
reversible Ladungsübertragungslimit eines Elektrodenmaterials in einer gegebenen Umgebung
ist, desto mehr Ladungen können reversibel an der Elektroden/Elektrolyt-Grenzschicht
ausgetauscht werden, ohne irreversible Nebenprodukte in einem Redoxprozeß zu erzeugen.
Für eine kapazitive Neurostimulation ist ein hohes reversibles Ladungsübertragungslimit
wünschenswert, um Leckströme in den Elektrolyten und einhergehende denkbare
Redoxprozesse an der Elektrode zu vermeiden.
1.3.5.2
.2 Beschreibung des Spannungsabfalls an der Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche
Folgende Modelle haben sich etabliert:
HELMHOLTZ-PERRIN (ca.1900): Zweidimensionale hydratisierte Ladungen in der Lösung
befinden sich am Ort der äußeren HELMHOLTZschicht. Dies entspricht einem parallelen
Plattenkondensator mit linearem Spannungsabfall zwischen Elektrode und äußerer
HELMHOLTZschicht.
GOUY-CHAPMAN: Modell der diffusen Raumladung: Es existiert weder eine immobile Schicht
hydratisierter Ionen am Ort der äußeren HELMHOLTZschicht noch ein linearer Spannungsabfall
zwischen Elektrode und äußerer HELMHOLTZschicht. Stattdessen wird ein exponentieller
Spannungsabfall hinter der Elektrodenoberfläche in die Lösung hinein angenommen. Das
Modell liefert Kapazitätswerte, die sich mit angelegter Spannung stärker verändern, als es
Messungen zeigen. Außerdem wird kein Plateauwert vorhergesagt, wie ihn reale Systeme mit
zunehmender angelegter Spannung aufweisen.
STERN-Modell: Kombination aus den HELMHOLTZ-PERRIN- und GOUY-CHAPMAN-Modellen:
Annahme eines linearen Spannungsabfalls zwischen innerer und äußerer HELMHOLTZschicht
und eines exponentiellen Spannungsabfalls jenseits davon.
Die gebildete Ladungsdoppelschicht aus Elektronen auf der Metalloberfläche und der durch
die innere HELMHOLTZschicht aus orientierten Wassermolekülen davon getrennten Schicht
aus hydratisierten positiven Metallionen in der Lösung repräsentiert eine Kapazität mit der
Fläche der Elektrodenoberfläche, dem Abstand der Dicke der inneren HELMHOLTZschicht
einschließlich der Hydrathülle der hydratisierten Metallionen, deren erste Lage die äußere
21

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
HELMHOLTZschicht bildet, und der Dielektrizitätskonstanten des Wassers, das als
Dielektrikum in der inneren HELMHOLTZschicht zwischen den „Kondensatorplatten“
Elektrodenoberfläche und Ionenschicht liegt. Annahme ist dabei ein linearer Potentialabfall
zwischen den Kondensatorplatten wie im elektrischen Fall eines idealen parallelen
Plattenkondensators.
C =
Q V
(1-3)
A
C = ε ε r
d
0
(1-4)
Q: effektive Ladung auf den „Kondensatorplatten“ [C]; V: Spannung zwischen den Kondensatorplatten [V=J·C -
1 ]; ε o : elektrische Feldkonstante: 8.854·10 -12 F·m -1 ; ε r : Dielektrizitätskonstante des Wassers: 81; A: geometrische
Elektrodenoberfläche [m 2 ]; d: Dicke der inneren HELMHOLTZschicht incl. der hydratisierten Metallionen [m].
Im Experiment zeigt sich, daß die Kapazität potentialabhängig ist, was das HELMHOLTZ-
PERRIN-Modell nicht voraussagt. Beim Anlegen eines dem sich natürlich ausbildenden
elektrochemischen Potential entgegengesetzten Potentials (V in Gleichung (1-3) wird kleiner,
C damit größer) wird sich die Elektronenkonzentration in der Elektrode erhöhen, d.h. es
können weniger Metallatome als Ionen in Lösung gehen, da sich bildende Ionen stärker von
den negativen Überschußladungen in und auf der Elektrode zurückgezogen werden; der
Plattenabstand wird also abnehmen und damit die Kapazität zunehmen; die Spannung über
der inneren HELMHOLTZschicht nimmt damit schließlich auch ab.
+ + + + +
V = V
V = V + V
ges nat ges nat äuß
+
+
- - - - - - - - - - - - - -
Abbildung 14: Vergleich der Metallionenverteilung an einer Metallelektrode/Elektrolyt-Grenzschicht, wenn nur
das sich durch Dissoziation einstellende Gleichgewichtspotential V nat zwischen positiven Ionen in der Lösung
und zurückgebliebenen Elektronen in der Elektrode wirkt (links), und Verschiebung der Ionen in Richtung der
Elektrodenoberfläche, sobald ein äußeres Potential V äuß entgegengesetzt zum Gleichgewichtspotential V nat wirkt.
22

1.3.5.3
Parameter, die die Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche charakterisieren
Überspannung: Die Überspannung läßt sich nach VETTER 35 in folgende Anteile aufspalten:
η = η t + η d + η r + η c
η t Ladungsübertrittprozesse durch die Elektrodendoppelschicht (Hauptanteil). Der Wert für η t
in einer einfachen Redoxreaktion O + z·e
Gleichung beschreiben.
R läßt sich über die BUTLER-VOLMER-
η d: Diffusion von Reaktanden zur Elektrode hin und von ihr weg (bei höheren Stromdichten).
η r: Chemische Reaktionen an der Elektrode (nur für kinetisch gehemmte chemische
Reaktionen an der Elektrode relevant).
η c: Kristallisation oder Austausch von Metallatomen mit korrespondierenden Ionen.
Polarisierbarkeit: Die Polarisierbarkeit eines Materials äußert sich in der Stärke der
Abweichung vom Gleichgewichtspotential in Abhängigkeit der es durchfließenden
Strommenge. Anders ausgedrückt ist eine Elektrode umso leichter polarisierbar, je schneller
sie sich bei konstantem äußeren Potential aus ihrem elektrochemischen Gleichgewicht bringen
läßt. In einem parallelen RC Schaltkreis äußert sich eine hohe Polarisierbarkeit bei gegebener
Kapazität in einem großen Durchtrittswiderstand. Für vernachlässigbare Polarisierbarkeit geht
der Widerstandswert gegen null.
1.3.6
.6 Anforderungen an das Elektrodenmaterial für die Neurostimulation
Aus den vorangegangenen Überlegungen läßt sich folgender Schluß ziehen: Zur
Neuronenstimulation ist es erforderlich, Materialien mit hohen Austauschstromdichten
(exchange current densities) einzusetzen, um die Stimulationsspannungen, bei denen es zu
einem ausreichenden Ladungstransfer über die Elektrodengrenzschicht kommt, gering zu
halten. Hohe Spannungen führen normalerweise zu unerwünschten irreversiblen
23

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
elektrochemischen Reaktionen an der Grenzschicht Elektrode/Elektrolyt. Ein ideales
Elektrodenmaterial für neurowissenschaftliche Anwendungen wäre nichtpolarisierbar (kleiner
Durchtrittswiderstand R Dt ), hätte eine unendlich große Austauschstromdichte (und damit
geringe Überspannung) und ein entsprechend hohes reversible charge injection limit. Es
bliebe damit immer nahe seines Gleichgewichtspotentials unabhängig von der
durchfließenden Strommenge. Solche Elektroden änderten das Potential über den Elektrolyten
(die Nervenfaser und ihrer Matrix), nicht dagegen an der Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche
selbst.
1.3.7
.7 Zusätzliche Anforderungen an die Mikroelektrodenstruktur für die
Signalableitung
Für die Nervensignalableitung sind neben den für die Neurostimulation geltenden Kriterien
noch zusätzliche Gesichtspunkte zu beachten: Generell verhalten sich Selektivität und
Signalintensität antagonistisch zueinander. Aus der folgenden Tabelle wird ersichtlich, daß
sich diesen beiden von der Elektrodengröße und ihrer Struktur abhängigen Anforderungen nur
durch einen Kompromiß angenähert werden kann.
kleine kontaktierte
Löcher oder
kleine Elektroden
pro
• erhöhte Selektivität, da nur wenige Axone
gleichzeitig durch ein Loch bzw. über eine
Elektrode wachsen können
contra
• geringe Chance, daß ein RANVIERscher
Schnürring nahe der Elektrode zu liegen
kommt, d.h. geringe Sensitivität, also relativ
geringe Signalamplitude
• zusätzliche Signalabschwächung infolge der
shunt-Impedanz zwischen Ableitung und Erde
(d.h. in diesem Fall dem Organismus)
• Zunahme der Impedanz der Elektroden mit der
Abnahme ihrer Oberfläche, d.h. Zunahme der
thermischen Störpotentialbildung in der
Elektrode (JOHNSON Rauschen)
24

große kontaktierte
Löcher oder große
Elektroden
• viel Platz für die Elektroden und Ableitungen,
d.h. geringe Impedanzen der breiten,
zuleitenden Leiterbahnen und Elektrodenringe
um die Löcher bzw. Elektrodenflächen; damit
geringeres thermisches Rauschen in den
Ableitungen
• wachsen die Axone durch die kontaktierten
Löcher , so ist mit einem größeren mittleren
Abstand der RANVIERschen Schnürringe zum
Elektrodenkontakt zu rechnen, d.h. geringe
Sensitivität, also auch hier relativ geringe
Signalamplitude
• gemittelte Signale über mehrere Axone, d.h.
geringere Selektivität
• größeres bioelektrisches Rauschen als Störung
durch benachbarte Axone
• nur schlechtes Abdichten der
Elektrodenflächen gegen die äußere Lösung
über die relativ kleinen Zellkörper möglich,
d.h. geringer Dichtwiderstand R dicht und damit
hohe Leckströme insbesondere bei der
Stimulation
1.3.8
.8 Optimierung von Ableitungs- und Stimulationselektroden
Für die vorliegenden Mikroelektrodenstrukturen lassen sich die folgenden Parameter noch
nachträglich optimieren:
• Die Austauschstromdichte durch Aufbringen eines geeigneten Elektrodenmaterials mit
höherer „charge-delivery-capacity“ (CDC), d.h. Auffinden von Materialien mit einer hohen
CDC. Iridiumoxid in der Oxidationsstufe +4 (IrO 2 ) hat eine hohe CDC von 3000µC/cm 2
im Vergleich zu Platin mit einer CDC von 75µC/cm 2 . Erst nach Elektrodenmodifikation
kann allerdings bestimmt werden, ob ein Material mit theoretisch hoher CDC auch ein
hohes reversibles Ladungsübertragungsvermögen in der spezifischen physiologischen
Umgebung hat.
• Das Impedanzverhalten durch die Wahl des Elektrodenmaterials und seiner
Oberflächenbeschaffenheit: Vergrößerung der Leiterbahnoberfläche durch Aufrauhen der
Elektroden und/oder Erhöhung deren Porosität und damit Verringerung von Z’’ = f(1/C).
25

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
2 Experimentelle Ansätze
2.1
Eigenschaften von elektrischen Bauelementen und deren
Wechselstromverhalten
Ein einfacher ohmscher Widerstand zeigt keine
Amplitude
Spannung
Frequenzabhängigkeit. Die Stromantwort auf eine
Wechselspannung ist zu dieser also nicht
phasenverschoben (Abbildung 15A). Sein Wert
A
Strom
Zeit
ist damit sowohl für Gleich- als auch für
Wechselspannungen konstant. Ein Widerstand ist
nicht in der Lage, Energie zu speichern. Er setzt
sie stattdessen in Wärme, Licht,
elektromagnetische Strahlung oder Schall um.
Amplitude
B
Spannung
Strom
90°
Zeit
In einer Spule baut sich der Strom beim Anlegen
einer Spannung nur langsam zu seinem Peakwert
auf. Daher hinkt er der Spannung immer
hinterher. Diese positive Phasenverschiebung θ
zwischen Spannung und Strom variiert beim
Anlegen einer Wechselspannung. Bei sehr hohen
Wechselspannungsfrequenzen erreicht sie ihren
Maximalwert von θ=90° (Abbildung 15B). Dieses
Amplitude
Verhalten der Spule bezeichnet man als induktive Reaktanz Z L . Ihr Wert ist eine positive
imaginäre Zahl. Je höher die Frequenz der Wechselspannung, desto größer ist Z L . Eine Spule
ist in der Lage, elektrische Energie als Magnetfeld zu speichern.
C
Spannung
90°
Strom
Zeit
Abbildung 15: Spannungssignal- und
Stromantwortverhalten eines reinen linearen
ohmschen Widerstandes R (A), einer reinen
Spule mit der Induktivität L (B) und eines reinen
Kondensators mit der Kapazität C (C).
In einem Kondensator baut sich dagegen die Spannung zwischen den Kondensatorplatten bei
Stromfluß langsam auf, da sich die Ladungsträger nur mit endlicher Geschwindigkeit auf den
Platten verteilen können. Die Spannung hinkt in diesem Fall dem Strom hinterher. Die
negative Phasenverschiebung θ zwischen Spannung und Strom variiert ebenfalls beim
Anlegen einer Wechselspannung. Bei sehr hohen Wechselspannungsfrequenzen erreicht sie
ihren Maximalwert von θ=90° (Abbildung 15C). Dieses Verhalten eines Kondensators
bezeichnet man als kapazitive Reaktanz Z C . Ihr Wert ist eine negative imaginäre Zahl. Je
26

höher die Frequenz der Wechselspannung, desto negativer ist Z C . Da die Aufladezeit für einen
Kondensator immer gleich bleibt, die Auf- und Entladeperiodizitäten mit steigender Frequenz
jedoch kürzer werden, verhält sich ein Kondensator bei sehr hohen Frequenzen wie ein
Kurzschluß. Der Kondensator speichert elektrische Energie als elektrisches Feld.
2.2
Impedanzspektroskopie
Neben den klassischen Methoden der Elektrochemie, die mit konstanter Spannung (z.B.
Chronoamperometrie) oder mit Wechselspannungen definierter niedriger Frequenz und großer
Amplitude (z.B. Zyklovoltammetrie) arbeiten und für die der mathematische Zusammenhang
zwischen Spannung und Strom nach Gleichung (2-1) beschrieben werden kann, verwendet
man bei der Impedanzspektroskopie IS sinusförmige Wechselspannungen kleiner Amplituden
und variiert diese über einen weiten Frequenzbereich. Gemessen werden die Amplitude der
Stromantwort und deren Phasenverschiebung θ (mittels Frequenzganganalysator) zur an das
zu charakterisierende System angelegten Wechselspannung (mittels Potentiostat). Aus dem
Verhältnis von angelegter Spannung und gemessenem Strom ergibt sich der
frequenzabhängige Wechselstromwiderstand des Systems, die Impedanz Z Ges (Gleichung (2-7)
hier für den Fall der seriellen Anordnung der Schaltkreiselemente). Sie setzt sich aus einem
Realteil Z’, d.h. dem frequenzunabhängigen ohmschen Widerstand R (Gleichung (2-4)), und
einem frequenzabhängigen Imaginärteil Z’’, der Summe aus induktiver und kapazitiver
Reaktanz, Z L und Z C , zusammen (Gleichungen (2-4) und (2-5)). Im allgemeinen Fall lassen
sich die Schaltkreiselemente auch über Gleichung (2-6) beschreiben. Jeder Impedanztyp Z X
wird über die systemempirische Variable A und den Exponenten n eindeutig charakterisiert.
Der Zusammenhang zwischen Spannung und Strom wird im Wechselstromkreis über
Gleichung (2-2) formuliert.
U
= R⋅
I
~ ~
U = Z ⋅ I
Ges
Z = R
R
ZL = i ⋅ω
⋅ L
(2-1)
(2-2)
(2-3)
(2-4)
27

1
ZC = −
i ⋅ ω ⋅ C
(2-5)
Z
X
= A⋅( i ⋅ω)
−n
(2-6)
Z = Z′+ i ⋅ Z
Ges
( )
= R + i ⋅ Z + Z
" (2-7)
L
C
ω=2πν: Kreisfrequenz der angelegten Wechselspannung mit der Frequenz ν [s -1 ]; U: Spannung [V]; I: Strom [A];
L: Induktivität der Spule [H=V·s/A]; C: Kapazität des Kondensators [F=C/V]. A: systemempirische Variable; n:
Korrelationsfaktor, der allgemein zwischen -1 und 1 liegen kann. Ist n=1, dann geht Z CPE für A=1/C in die
kapazitive Reaktanz Z C über, d.h. das konstante Phasenelement repräsentiert einen reinen Kondensator; für n=0
und A=R ist Z CPE ein reiner Widerstand; für n=0,5 geht Z CPE in eine WARBURG-Impedanz über, die nachfolgend
beschrieben wird; für n=-1 und A=L liegt schließlich eine induktive Reaktanz Z L vor.
iZL
iZC
ZGes(ωt) = R1
ZGes(ω0) = R1+R2
ωt ∞ ω0 = 0
ZGes(ω1)
ZGes(ω2)
ZGes(ω3)
R2
R1
C
ZR
Abbildung 16: Typisches Vektordiagramm zur Darstellung der
Impedanz in einem KARTHESISCHEN Koordinatensystem mit
imaginären Einheiten in y-Achsenrichtung, hier für einen
R 1 (R 2 C)-Schaltkreis, wie er häufig für Grenzflächensysteme zu
finden ist. In positiver x-Richtung ist der Realteil Z R der
Gesamtimpedanz Z Ges , ein rein ohmscher Widerstand R,
aufgetragen. In y-Richtung wird der imaginäre Anteil der
Gesamtimpedanz, der sich aus der positiven induktiven
Reaktanz Z L und der negativen kapazitiven Reaktanz Z C additiv
zusammensetzt, aufgetragen. Bei niedrigen
Wechselspannungsfrequenzen (ω nahe 0) ist die
Gesamtimpedanz des betrachteten R 1 (R 2 C)-Schaltkreises allein
die Summe der beiden Widerstände, da sich dann die Kapazität
wie eine durchtrennte Leitung verhält und der Strom daher nur
über die beiden Widerstände abfließen kann. Im
Vektordiagramm liegt der für die Gesamtimpedanz
resultierende Vektor auf der x-Achse. Seine Länge entspricht
der Summe aus den Werten für R 1 und R 2 . Für sehr hohe
Frequenzen verhält sich der Kondensator dagegen wie ein
Kurzschluß und läßt den gesamten Strom durch. Der Vektor für
die Gesamtimpedanz liegt dann wieder auf der x-Achse. Seine
Länge entspricht diesmal aber nur dem Wert für R 1 . Wäre
R 1 =0, so wäre der Vektor für die Gesamtimpedanz auf einen
Punkt im Ursprung geschrumpft. Für alle übrigen Frequenzen
tragen sowohl die resistiven als auch die kapazitiven Anteile
des Schaltkreises zur Gesamtimpedanz bei. Die Vektoren
kommen dann auf einem Halbkreis zu liegen. (Weil häufig
keine induktiven Anteile in Schaltkreisen auftreten, wird der
Betrag von iZ C gegen den Realteil aufgetragen. Der Halbkreis
kommt dann oberhalb der x-Achse zu liegen.)
Die Aussagekraft dieser elektrochemischen Spektroskopieart beruht auf der Annahme, daß
sich jedes System (z.B. Festkörperelektrolyte, gelöste Substanzen, Oberflächenbeschichtungen
etc.) wie ein elektrischer Schaltkreis aus seriell und parallel angeordneten Impedanzelementen

(Widerständen, Spulen und Kondensatoren, aber auch konstanten Phasenelementen und
WARBURG-Impedanzen) verhält und sich daher über einen Ersatzschaltkreis beschreiben läßt.
Die das System aufbauenden Materialien, ihre Struktur und insbesondere ihre physikalischen
Eigenschaften (z.B. Oberflächenrauhigkeit, Porosität) und Wechselwirkungen (z.B. an
Phasengrenzen) bestimmen die Art, Größe und Anordnung der elektrischen
Impedanzelemente. Voraussetzung für die Auswertbarkeit der Ergebnisse ist ein lineares
Strom-Spannungs-Verhalten des (Redox-) Systems und der darin ablaufenden Prozesse, da
ansonsten Wechselstromkurven auftreten, deren positive und negative Halbwellen differieren
(und sich als eine Art Gleichrichtereffekt bemerkbar machen). Wählt man die Amplitude U 0
des Erregungssignals jedoch klein genug (ca. 2 bis 10mV), kann mit linearen Näherungen
gearbeitet werden. Während der Aufnahme eines Impedanzspektrums muß das (mittlere)
Potential konstant gehalten werden, da die Impedanz eines elektrochemischen Systems
potentialabhängig ist. Die Konstanz des Potentials kann entweder durch eine
Referenzelektrode oder durch die Einführung eines reversiblen Redoxpaares, das als innere
Referenz zwischen zwei Elektroden fungiert, gewährleistet werden. Die angelegte
Wechselspannung variiert dann bei äquimolaren Konzentrationen des Redoxpaares um das
Standardpotential E 0 , das sich spontan an den Elektroden einstellt. Diese Vorgehensweise
gestattet es, Materialien sowie innere Grenzflächen eines elektrochemischen Systems im
Gleichgewichtszustand zu charakterisieren.
2.2.1
.1 Impedanz und Ersatzschaltkreis einer elektrochemischen Zelle
In eine physiologische Kochsalzlösung (0,9% NaCl) tauchen drei Elektroden (Arbeits-,
Gegen- und Referenzelektrode) parallel zueinander und in hinreichend großem Abstand
voneinander ein (Verhinderung, daß die elektrochemische Zelle als Ganzes im meßbaren
Frequenzbereich als Kondensator wirkt, beschreibbar über die sog. geometrische Kapazität).
An der jeweiligen Elektrodenoberfläche bildet sich aufgrund elektrostatischer Anziehungen
zwischen der Elektrode und den Wassermolekülen bzw. den hydratisierten Ionen in der
angrenzenden Lösung die sog. STERN-Schicht bzw. HELMHOLTZ-Doppelschicht aus. Dieses
elektrochemische Verhalten wird durch einen Plattenkondensator mit der
Doppelschichtkapazität C Ds beschrieben. Zeigt dieser Kondensator eine frequenzabhängige
Phasenverschiebung mit dem Verlustwinkel θ zwischen angelegter Wechselspannung und
dem gemessenen Wechselstrom, wird er als konstantes Phasenelement CPE bezeichnet. Diese
29

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
Frequenzabhängigkeit wird über die mikroskopische (fraktale) Rauhigkeit der
Elektrodenfläche erklärt, die je nach Frequenz eine andereffektive Oberfläche hat. 36
30

Z
CPE
−n
= A⋅ ( i ⋅ω ) mit 0,5 < n < 1
(2-8)
A: systemempirische Variable; ω: Kreisfrequenz der angelegten Wechselspannung [s -1 ]; n: Korrelationsfaktor,
der allgemein zwischen -1 und 1 liegen kann. Ist n=1, dann geht Z CPE für A=1/C in die kapazitive Reaktanz Z C
über, d.h. das konstante Phasenelement repräsentiert einen reinen Kondensator; für n=0 und A=R ist Z CPE ein
reiner Widerstand; für n=0,5 geht Z CPE in eine WARBURG-Impedanz über, die nachfolgend beschrieben wird; für
n=-1 und A=L liegt schließlich eine induktive Reaktanz Z L vor.
Kommt es durch Anlegen einer Wechselspannung zu einem Ladungsdurchtritt aus der
Elektrode in oder durch die Doppelschicht, so läßt sich der Elektronenaustausch über einen
Durchtrittswiderstand R Dt beschreiben. Käme es an der Elektrodenoberfläche aufgrund des
Ladungsdurchtritts schließlich zu einem Redoxprozeß, der die Ionenkonzentrationen in
diesem Bereich veränderte, so führte dies zu einer Diffusion von Ionen, je nach
Spannungshalbwelle von der Elektrode weg bzw. zur Elektrode hin. Die resultierenden
Konzentrationsschwankungen setzen sich als gedämpfte Wellen bis zu einer gewissen
Eindringtiefe in den Elektrolyten hinein fort. Dieses diffusionsbestimmte Verhalten läßt sich
mit keinem aus der Elektrodynamik bekannten Impedanzelement beschreiben. Im
Ersatzschaltbild wird dafür die WARBURG-Impedanz Z W verwendet, die als Reihenschaltung
eines Verlustkondensators und eines frequenzabhängigen Widerstandes betrachtet werden
kann: 37 ( )
σ
R⋅T
⎛ 1 1 ⎞
ZW
= 1− i ⋅ mit σ =
⋅ +
2 2
⎜ ⎟
ω n ⋅ F ⋅ A⋅ 2 ⋅ D ⎝ c c ⎠
O
R
(2-9)
ω: Kreisfrequenz [s -1 ]; R: Allgemeine Gaskonstante 8,31451 [J·mol -1·K -1 ]; T: absolute Temperatur [K]; n: Zahl
der am Redoxprozeß beteiligten Elektronen; F: FARADAY- Konstante 964853·10 4 [C·mol -1 ]; A: Elektrodenfläche
[cm 2 ]; D: Diffusionskoeffizient der Verbindung [cm 2·s -1 ]; c O , c R : Konzentration der Verbindung in oxidierter und
reduzierter Form [mol·l -1 ]
Schließlich werden aus dem Inneren der Lösung weitere solvatisierte Ionen zu den Elektroden
transportiert. Der dabei zu überwindende Widerstand der Lösung ( STOKEsche Reibungskräfte,
elektrostatische Wechselwirkungen) ist dem eines ohmschen Widerstandes R E vergleichbar.
Diese Elemente setzen sich in dem das Gesamtsystem beschreibenden Ersatzschaltbild
zusammen, wobei die Referenzelektrode nicht berücksichtigt wurde. Abbildung ( 17)
31

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
Elektrolyt/Arbeitselektroden-Grenzfläche
Elektrolyt/Gegenelektroden-Grenzfläche
C DS
C DS
R
E
R
Dt
Z
W
R
Dt
Abbildung 17: Ersatzschaltbild für das Gesamtsystem (Berücksichtigung des schraffierten Ersatzschaltkreises) und
Ersatzschaltbild für das Gesamtsystem unter Vernachlässigung des Impedanzanteils der Gegenelektrode: RANDELS-
Ersatzschaltkreis (Vernachlässigung des schraffierten Bereiches) .
Wählt man die Gegenelektrode groß genug, so läßt sich ihr Impedanzanteil vernachlässigen.
Das Ersatzschaltbild vereinfacht sich dann zu dem nach RANDELS benannten Ersatzschaltbild,
das die geometrische Kapazität, die sich zwischen gegenüber angeordneten Metallelektroden
ergibt, die endliche Aufladungsgeschwindigkeit der Doppelschichtkapazitäten und die
endliche Zellgeometrie vernachlässigt.
2.3
Verwendete Materialien
Die vom Institut für Biomedizinische Technik (IBMT), Abteilung Sensor
Systeme/Mikrosysteme, der Fraunhofer-Gesellschaft in St. Ingbert, Saarland, zur Verfügung
gestellten Mikroelektrodenstrukturen (dice, Einzahl: die) sind auf gepreßten Al 2 O 3 -
Keramikträgern aufgebracht (Widerstand: 10 12 Ω). Der Träger ist mit 10 in
Dickschichttechnik hergestellten Leiterbahnen aus einer Silber/Palladiumlegierung versehen,
die am Ende mit aufgelöteten Mikrosteckern kontaktiert werden können. Zwischen den
Leiterbahnen befindet sich ein Dielektrikum. Die dice selbst sind über Golddrähte (wedgebond-Technik)
mit den vergoldeten Leiterbahnenden auf dem Träger kontaktiert.
Silikonkautschuk bedeckt die Kontaktierung, die dadurch auch gegen mechanische Einflüsse
geschützt ist. Die zum Einsatz gekommenen Mikroelektrodenstrukturen haben folgende
Abmessungen:
32

Gesamtabmessungen 1510·1510µm 2
Diaphragmafläche 800·800µm 2
Lötfelder 150·150µm 2
222µm Mittenabstand
50µm Kantenabstand
Elektroden 9·7696µm 2
Leiterbahnen
20µm Breite
Durchgangslöcher
(via-holes)
24·24µm 2
36µm Mittenabstand
Gegenelektrode
81200µm 2 geometrische
Größe, 80µm Breite
Abbildung 18: Rückansicht einer
Mikroelektrodenstruktur. 2 Zu sehen ist das 300µm
starke Substrat aus Silizium, aus dem auf der
Rückseite naßchemisch (KOH) ein Fenster der
Größe 800·800µm 2 auf eine Membranstärke von
10µm heruntergeätzt wurde.
Das Mikroelektrodensubstrat ist p-dotiertes Silizium (100), das mit KOH naßchemisch auf
eine Stärke von 300µm nach dem Zeitätzverfahren heruntergeätzt wird. Eine Schichtfolge aus
Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und Siliziumdioxid dient als Isolation und Passivierung,
hergestellt nach dem PECVD-Verfahren (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition).
Titan als Haftvermittler und Platin als eigentliches Elektrodenmaterial wurden über
Elektronenstrahlverdampfung durch eine Maske auf das Silizium in einer Stärke von
insgesamt 330nm aufgedampft. Eine weitere Passivierungsschicht aus Siliziumnitrid (420nm)
bedeckt die Elektroden, die photolithographisch nach dem RIE-Prozeß (Reactive Ion Etching)
selektiv wieder freigelegt werden. Anschließend werden die Durchgangslöcher von der
Oberseite aus naßchemisch vorgeätzt. In einer Stickstoff durchfluteten Ätzbox wird
33

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
schließlich naßchemisch der Diaphragma-Ausschnitt von 800·800µm 2 aus der Rückseite der
Struktur auf eine Stärke von 10µm heruntergeätzt.
3 Ergebnisse und Diskussion
3.1
Elektrodencharakterisierung über Impedanzspektroskopie
An den Mikroelektrodenstrukturen (dice) des IBMT wurden im unbehandelten Zustand sowie
nach Reinigung und elektrochemischer Modifikation wie metallischer Belegung und
Oxidation Impedanzmessungen vorgenommen, die zu nachfolgend dargestellten Ergebnissen
führten. Als Meßapparatur kam eine Dreielektroden-Anordnung aus Arbeitselektrode
(Mikroelektrodenstruktur), Gegenelektrode (Platin-Blech der Abmessungen 5·20mm) und
Referenzelektrode (Ag/AgCl-Draht) zum Einsatz. Diese Meßzelle war über einen
Potentiostaten bidirektional über einen davorgeschalteten Lock-In-Verstärker der Firma
EG&G Princeton Applied Research mit einem 386´er PC verbunden, auf dem ein
Auswerteprogramm der selben Firma die Impedanzen bestimmte. Der Lock-In-Verstärker
hatte lediglich die Aufgabe, die Meßfrequenz sauber herauszufiltern, um den Phasenwinkel
zwischen angelegter Spannung und gemessener Stromantwort eindeutig bestimmen zu
können. Die Meßparameter waren: Frequenzbereich: 100kHz bis 1 Hz mit 5 Meßpunkten pro
Dekade; Wechselspannungsamplitude: 10mV; automatische Stromregulation; Elektrolyt war
immer eine 0,9%ige, d.h. physiologische Kochsalzlösung.
Dreielektroden-
Meßanordnung mit
Arbeitselektrode
(die), Pt-Gegenelektrode
und
Ag/AgCl-Referenzelektrode
EG&G
Potentiostat /
Galvanostat
Modell 273
Computer mit
EG&G
Impedanzprogramm
Modell 370
Lock-In
Verstärker
Abbildung 19: Schematischer Versuchsaufbau für die Impedanzspektroskopie.
34

Die Gesamtimpedanz der unbehandelten dice stieg linear mit fallender Frequenz von 10 3 Ω
(100kHz) bis 10 8 Ω (1Hz). Der Phasenwinkel bewegte sich wellenförmig im Bereich zwischen
65° und 85°. (Die Wellenform ist ein Meßartefakt: wird eine neue Frequenzdekade erreicht,
muß die Stromamplitude neu an das Spannungssignal angepaßt werden; für kleine Signale
führt das aufgrund der nicht hinreichenden Auflösung des Gerätes zu diesem Wellenverhalten
des Phasenwinkels.) Dieses Ergebnis entspricht nach Simulationsdaten am ehesten einer
Parallelschaltung aus hohem Durchtrittswiderstand (glatte Oberfläche eines polarisierbaren
Materials: 9,51·10 7 Ω) und kleinem konstantem Phasenelement (relativ geringe Oberfläche:
4,57·10 -8 Fs (n-1) , n: 0,90), das in Reihe mit einem Elektrolytwiderstand (4,79·10 2 Ω) geschaltet
ist.
2
4,79·10 Ω
9,51·10 Ω
-8 (n-1)
9,51·10 Fs
7
n: 0,90
Abbildung 20: Simulierter Ersatzschaltkreis für die
unbehandelte Gegenelektrode der eingesetzten
Mikroelektrodenstruktur. Meßergebnisse und
Simulationsdaten sind in Abbildung 24
übereinandergelegt.
35

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
1.00E+09
Z [Ohm] Pin01 [ohm]
Z [Ohm] Pin02 [ohm]
Z [Ohm] Pin03 [ohm]
1.00E+08
Z [Ohm] Pin04 [ohm]
Z [Ohm] Pin05 [ohm]
Z [Ohm] Pin06 [ohm]
Z [Ohm] Pin07 [ohm]
1.00E+07
Z [Ohm] Pin08 [ohm]
Z [Ohm] Pin09 [ohm]
Z [Ohm] Pin10 [ohm]
1.00E+06
Gesamtimpedanz Z [ ]
1.00E+05
1.00E+04
1.00E+03
1.00E+02
1.00E+01
1.00E+00
1.00E+00 2.51E+00 6.31E+00 1.58E+01 3.98E+01 1.00E+02 2.51E+02 6.31E+02 1.58E+03 3.98E+03 1.00E+04 2.51E+04 6.31E+04
Frequenz ν [Hz]
Abbildung 21: BODE-Plot der Gesamtimpedanz der einzelnen Fensterelektroden und der Gegenelektrode der
unbehandelten Mikroelektrodenstruktur. Die Impedanz der auf der Struktur untergebrachten Gegenelektrode liegt
aufgrund ihrer Größe in der Regel um mindestens eine Größenordnung unter der Impedanz eines
Elektrodenfensters. Der Impedanzverlauf ist hier linear und liegt für niedrige Wechselspannungsfrequenzen
relativ hoch.
36

90
80
70
60
Phasenwinkel [°]
50
40
30
20
10
0
1.00E+00
1.58E+00
2.51E+00
3.98E+00
6.31E+00
1.00E+01
1.58E+01
2.51E+01
3.98E+01
6.31E+01
1.00E+02
1.58E+02
2.51E+02
3.98E+02
6.31E+02
1.00E+03
1.58E+03
2.51E+03
3.98E+03
6.31E+03
1.00E+04
1.58E+04
2.51E+04
3.98E+04
6.31E+04
1.00E+05
phi [°] Pin01 [ohm]
phi [°] Pin02 [ohm]
phi [°] Pin03 [ohm]
phi [°] Pin04 [ohm]
phi [°] Pin05 [ohm]
phi [°] Pin06 [ohm]
phi [°] Pin07 [ohm]
phi [°] Pin08 [ohm]
phi [°] Pin09 [ohm]
phi [°] Pin10 [ohm]
Frequenz ν [Hz]
Abbildung 22: Frequenzverlauf des Phasenwinkels für die einzelnen Elektrodenfenster und die Gegenelektrode
auf der Mikroelektrodenstruktur. Die Wellenstruktur ist auf das nicht hinreichende Auflösungsvermögen der
Meßanordnung zurückzuführen. Beim Erreichen jeder neuen Frequenzdekade kommt es daher zu einem
Anwachsen des Phasenwinkels.
37

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
1.00E+09
1.00E+08
1.00E+07
1.00E+06
1.00E+05
- Z´´
1.00E+04
1.00E+03
1.00E+02
1.00E+01
|Z"| Pin01 [ohm]
|Z"| Pin02 [ohm]
|Z"| Pin03 [ohm]
|Z"| Pin04 [ohm]
|Z"| Pin05 [ohm]
|Z"| Pin06 [ohm]
|Z"| Pin07 [ohm]
|Z"| Pin08 [ohm]
|Z"| Pin09 [ohm]
|Z"| Pin10 [ohm]
1.00E+00
1.00E+00 1.00E+01 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06 1.00E+07 1.00E+08
Z´
Abbildung 23: ARGAND- oder NYQUIST- Diagramm, in dem der Imaginärteil der Impedanz, der sich aus
kapazitiven und hier nicht zu erwartenden induktiven Anteilen zusammensetzt, gegen den Realteil der Impedanz,
der einen Widerstand repräsentiert, aufgetragen ist.
38

Gesamtimpedanz Z [Ω]
Phasenwinkel [°]
Frequenz [Hz]
Abbildung 24: Impedanzen und Verlauf des Phasenwinkels der Gegenelektrode auf einer unbehandelten
Mikroelektrodenstruktur: Meßdaten und Simulationsdaten eines Ersatzschaltkreises mit den im Text genannten
Schaltkreiselementen kommen mit geringer relativer Abweichung aufeinander zu liegen.
Die parasitäre Kapazität der Leiterbahnen auf dem Keramikträger fließt offenbar nicht in das
Meßergebnis mit ein. Mit der Simulation eines R(RC)R(RC)- bzw R(RC)(RC)- Schaltkreises
(wobei die Elemente in den runden Klammern immer parallel angeordnet sind) für eine
doppelte Grenzschicht (Elektroden und Leiterbahnen) mit und ohne Zwischenwiderstand
ließen sich die Meßdaten nicht angleichen. Die Annahme, daß die Elektroden mit einer
Passivierungsschicht belegt seien und damit nicht in direktem Kontakt mit der Saline stehen,
konnte ausgeschlossen werden: Zunächst wurden die Strukturen in Aceton, Isopropanol und
Wasser im Ultraschall gereinigt. (Die Reinigung im Ultraschall ist im allgemeinen nicht
ratsam, da die fragile Membran der Mikroelektrodenstruktur leicht zerbricht.) Diese
Reinigungsprozedur führte zu keiner Veränderung des Impedanzverhaltens, wohl aber die
elektrolytische Belegung mit Silber, deren Ablauf und Auswirkung auf das Impedanzverhalten
in den „erwünschten“ Bereich weiter unten diskutiert wird. Nach elektrolytisch-oxidativem
Ablösen der Silberschicht zeigten die Elektroden wieder exakt das ursprünglich hohe, lineare
Impedanzverhalten der unbehandelten Strukturen. Eine Behandlung der Elektroden mit
20%iger HCl-Lösung über drei Stunden führte zu einer reversiblen Herabsetzung der
Impedanzen um eine Größenordnung, wobei der lineare Verlauf erhalten blieb. Allgemein läßt
sich sagen, daß die kontaktierten Elektrodenfenster auf den Mikroelektrodenstrukturen in der
Regel untereinander nahezu gleiches Impedanzverhalten zeigen. Aufgrund der fast 20fach
39

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
größeren Oberfläche der on-chip-Gegenelektrode gegenüber den einzelnen Elektrodenfenstern
um die Durchgangslöcher liegt ihre Impedanz normalerweise mindestens um eine
Größenordnung unterhalb der der Elektrodenfenster.
3.2
Modifikation der Elektrodenstrukturen
Da Iridiumoxid eine hohes Ladungsübertragungsvermögen sowie gute
Biokompatibilitätseigenschaften aufweist, war es ein Anliegen, zunächst Iridium
elektrolytisch auf den vorgegebenen Mikroelektrodenstrukturen abzuscheiden und
anschließend ebenfalls elektrochemisch zum Iridiumoxid zu oxidieren.
In der Literatur werden fünf verschiedene Verfahren zur Erzeugung von Iridiumoxidfilmen
erwähnt. Die elektronischen Eigenschaften der gebildeten Iridiumoxidschichten, die als
„aktiviertes Iridium“ bezeichnet werden, sind z.T. unterschiedlich. Im einzelnen werden
folgende Aktivierungsverfahren unterschieden:
A(E)IROFs (Anodically Electrodeposited Iridium Oxid Films): Oxidative
zyklovoltammetrische Bildung von Iridiumoxid aus Iridium in H 2 SO 4 -saurer, Na 2 SO 4 - oder
Phosphat-gepufferter (PBS) Lösung. [Parameter: 0,5M H 2 SO 4 , -0,25V bis +1,25V, 150mV/s,
130 Zyklen 38, 39, 40 ; 0,5M H 2 SO 4 , 0V bis +1,5V, 100mV/s, 4 Stunden 39 ; PBS, 0,05V bis 1,45V
(RHE: Reversible Hydrogen Electrode), 100mV/s, 10/20/120 min 41 ; 0,5M H 2 SO 4 , -0,64V bis
+0,81V (SCE: Saturated Calomel Electrode), 2V/s 3 ; und nicht genannt 42 ].
SIROFs (Sputtered IRidium Oxide Films): Sputtern von Iridiummetall auf eine
43, 44, 45
Substratunterlage in einer oxidierenden Gasatmosphäre.
TIROFs (Thermally Oxidized IRidium Oxide Films): Abscheidung von Iridiumoxid auf einer
Substratunterlage durch Elektronenstrahlverdampfung von IrCl 3 aus einem Graphitgefäß in
Gegenwart eines oxidierenden Sauerstoffstroms.
46
MODE (Modification by Oxide DEposition) oder Sol-Gel-Prozeß: Auftragen einer in Alkohol
gelösten organischen Iridiumverbindung oder wäßrigen Iridiumchlorid-Lösung auf Pt/Ti-
Kontakte, Eintrocknen der Lösung an Luft und anschließendes Erhitzen auf 350-500°C über
47, 48
einige Minuten bis Stunden.
40

DTA (DifferenzThermoAnalyse): Lineares Hochheizen einer Iridiumprobe unter oxidativen
Bedingungen. 49
3.2.1
.1 Oxidation von Iridium
Zur generellen Beurteilung der zyklovoltammetrischen Aktivierung von Iridium, d.h. der
Bildung einer Iridiumoxidschicht auf Iridium, wurde in Vorversuchen ein 5mm langer
Iridiumdraht mit einem Durchmesser von 0,2mm über zyklisch verlaufende Spannungsrampen
von 0V bis +1,25V in 0,5M H 2 SO 4 , in 1N HClO 4 , in 1N KOH-alkalischer 15%iger H 2 O 2 -
Lösung sowie in 0,5N HNO 3 , wie in der Literatur beschrieben, oxidiert. Diese Prozedur führte
zu keiner mit dem bloßem Auge sichtbaren Veränderung des Drahtes. Allerdings ließ sich das
Aufwachsen einer Oxidschicht über den bei der Oxidation geflossenen Strom im I/U-
Diagramm verfolgen.
Exemplarisch wird dies an einem polierten, freiliegenden Endes eines ansonsten mit
Epoxidharz isolierten Iridiumdrahtes gezeigt. Die effektive Oberfläche des 0,2mm starken
Drahtes betrug 0,0628mm 2 . Wie zu erkennen ist, wachsen in 0,5M H 2 SO 4 zwischen den
Potentialschranken von -0,25V und +1,25V die während der Redoxvorgänge fließenden
positiven wie auch negativen Stöme bis zu einem Grenzwert nach etwa 1500 Zyklen an.
3x10 -6
2x10 -6
3x10 -6
Zyklus 10
Zyklus 2000
Strom [A]
1x10 -6
-1x10 -6 0
Strom [A]
2x10 -6
1x10 -6
0
-2x10 -6
-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
Spannung [V]
-1x10-6
0
5
Zeit [s]
10
15
20
0,60,81,01,2
0,4
0,2
0,0
-0,2
-0,4
Spannung [V]
Abbildung 25: Strom/Spannungskurve der Oxidation eines polierten Iridiumdrahtes mit dem Durchmesser von
0,2mm. In der dreidimensionalen Darstellung rechts, in der nur die Zyklen N°10 und N°2000 der
Übersichtlichkeit halber berücksichtigt sind, ist in der x,y-Ebene die Spannungsrampe zu sehen. In der x,z-
Ebene ist der zeitliche Stromverlauf zu erkennen, in der y,z-Ebene der hier interessierende Strom/Spannungs-
Verlauf, der links davon noch einmal zweidimensional über mehrere Zyklen aufgetragen wurde. Wie in der
Literatur vorgestellte Untersuchungen vorschlagen, wächst mit jedem Oxidationsvorgangs die an der
41

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
Oberfläche gebildete Oxidschicht weiter in den Metalldraht hinein, die während des Reduktionsvorgangs nicht
mehr ganz zum Metall reduziert werden kann. Über die gebildete Oxidschicht mit ihrer größeren
Austauschstromdichte gegenüber dem reinen Iridium können damit in jedem folgenden Zyklus höhere
Oxidationsströme zur parallel verlaufenden Sauerstoffbildung in den Elektrolyten abfließen. Eine alternative
Erklärung des Strom/Spannungsverlaufs ist denkbar und wird im Text diskutiert.
Folgende Erklärungen sind denkbar: Zum einen könnte sich eine Iridiumoxidschicht bilden,
die ein größeres Ladungsabgabevermögen (charge delivery capacity oder reversible charge
injection limit) als reines Iridium hat, wie es der Literatur auch zu entnehmen ist. D.h. über
eine Iridiumoxid/Elektrolyt-Grenzschicht lassen sich mehr Ladungen pro geometrischer
Elektrodenfläche übertragen als über eine Iridium/Elektrolyt-Grenzschicht. Je dicker die
Oxidschicht also wird, desto mehr Ladung kann an ihrer Grenzschicht auch pro geometrischer
Elektrodenoberfläche übertragen werden. Das Ladungsabgabevermögen berechnet sich aus
der Fläche unter dem Oxidationsstrom, geteilt durch die geometrische Oberfläche der
Elektrode, und wird in mC/cm 2 angegeben. (Es ist bei der Berechnung zu berücksichtigen, daß
die Spannungsachse proportional zum Zeitraum ist, über den die Oxidationsspannung
angelegt wird. Da man die Spannungsanstiegsrate (scan rate) vorgibt, muß zur Berechnung
des Ladungsabgabevermögens nur die Spannungsachse in eine Zeitachse umgerechnet
werden; damit ergibt sich dann die Einheit mAs/cm 2 =mC/cm 2 =Fläche unter der
Kurve/geometrische Oberfläche der Elektrode.) Das Anwachsen des Stromes wäre also ein
Indiz für die Zunahme der Oxidschichtdicke. Das hieße, daß sich während des
Oxidationsschrittes mehr Oxid bildet, als während des Reduktionsschrittes wieder reduziert
werden kann, es sich also um einen nicht vollständig reversiblen Vorgang handelt. Dies ist die
gängige, in der Literatur zitierte Meinung. Allerdings scheint der Reduktionsstrom in
gleichem Maße wie der Oxidationsstrom anzuwachsen, was nicht der Fall wäre, wenn die
Reduktion im Vergleich zur Oxidation unvollständig abliefe. Es ist bekannt, daß Iridiumoxid
eine geringere Dichte als reines Iridium hat, sich bei dessen Bildung also automatisch die
Oberfläche vergrößert, d.h. sich die makroskopische Packungsstruktur an der Oberfläche
während der Oxidation verändert. Denkbar wäre also alternativ, daß sich bei der Reduktion
nicht mehr die ursprüngliche Oberflächenstuktur zurückbildet, zumal sich der bei der
Oxidation bildende Sauerstoff als kleine Gasblasen in die Oxidschicht einlagern kann und
damit rein mechanisch die Zunahme der ursprünglichen makroskopischen Dichte des Iridiums
verhindert. Eine reine Vergrößerung der Oberfläche führte in gewissen Grenzen allein auch zu
einer Erhöhung der Anzahl der an der Grenzschicht austauschbaren Ladungen. Es läßt sich an
der Stromliniendichte erkennen, daß der Strom bis zum 1500sten Zyklus anwächst, danach
aber ein Plateauverhalten zeigt, d.h. bei einem bestimmten Redoxmuster stagniert. Dies wiese
42

darauf hin, daß sich nach einer gewissen Anzahl an Redoxzyklen die makroskopische
Oberfläche aufgrund der reversiblen Oxidbildung strukturell derart verändert hat, daß an ihr
die maximal denkbare Anzahl an Ladungen ausgetauscht werden kann. Da das
Ladungsabgabevermögen auf die geometrische und nicht die effektive Oberfläche bezogen
wird, ist im Einzelfall aber nicht direkt zu entscheiden, zu welchem Anteil das Anwachsen des
Stromes von der Vergrößerung der effektiven Elektrodenoberfläche bzw. von der Änderung
des Ladungsabgabevermögens des nicht gänzlich reversibel gebildeten Oxids bestimmt wird.
Daher ist es an dieser Stelle nicht ohne weitere spektroskopische Untersuchungen, die das
Vorhandensein und die Dicke der gebildeten Oxidschicht zu bestimmen vermögen, möglich,
eine eindeutige Aussage zu treffen. Lediglich soviel kann gesagt werden: ab dem 1500sten
Zyklus verändert sich die Dicke der Oxidschicht und/oder die effektive Oberfläche nicht
mehr. Offenbar wird ab einer gewissen Dicke der Oxidschicht während eines Redox-Zyklus
gleich viel Oxid gebildet, wie im Reduktionsschritt wieder reduziert wird, sei es nun bereits
während des ersten Redox-Zyklus oder nach einem bestimmten Grenzzyklus.
3.2.2
Abscheidung von Iridium und Iridiumoxid über Elektronenstrahlverdampfung
Als Alternative zur elektrolytischen Abscheidung von Ir aus einer wässrigen IrCl 3 -Lösung
wurde die Elektronenstrahlverdamfung des IrCl 3 aus einem Bornitrid-Tiegel in einer partiellen
Sauerstoffatmosphäre ausprobiert. Als Target dienten sowohl die Mikroelektrodenstrukturen
als auch ein Platinblech. Der Sauerstoffdruck in der Kammer wurde auf 8·10 -4 mbar
eingestellt. Nach insgesamt 40 Minuten hatte sich bei einer Spannung von 4kV zwischen
Heizfilament und Probe und einem Stromfluß von 50 mA eine blauschimmernde Schicht auf
den Proben abgeschieden, deren Dicke unterhalb von 20nm liegt. (Für eine genaue Verfolgung
des Schichtdickenzuwachses über einen Schwingquarz fehlte der Wert für die akustische
Impedanz des Iridiumoxids.) Eine XPS-Messung an der Schicht ist geplant, aus zeitlichen
Gründen jedoch noch nicht durchgeführt worden. Nachteile dieser Methode sind ihr
Zeitaufwand und die Nachbehandlung. Will man nicht mit einer Maske arbeiten, die die
Abscheidung nur auf den Elektrodenfenstern gestattet, gestaltet sich der lift-off-Prozeß des auf
den Siliziumzwischenräumen abgeschiedenen Iridiumoxids relativ schwierig, da die
Siliziummembran mit den Elektrodenfenstern und den Durchgangslöchern leicht beschädigt
wird oder ganz zerbricht.
43

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
3.2.3
.3 Zyklovoltammetrische Metallabscheidung
Beim Versuch, Iridium aus einer HCl-sauren (ca. 15%), wäßrigen IrCl 3·(HCl) X·(H 2 O) X -
Lösung (0,01M, Fluka Chemikalien) auf den Elektroden zyklovoltammetrisch (Potentiostat
Modell 274 mit zugehöriger Steuersoftware M270 der Firma EG&G Princeton Applied
Research, -0,2V bis -0,56V; 0 Sekunden Peak-Potentialverweilzeit ( vertex-time), 200mV/s
Scan-Rate, 20mV Inkremente, 50 Zyklen, variabler Stromfluß, Ag/AgCl-Draht
Referenzelektrode, Pt-Blech Gegenelektrode) abzuscheiden, wurde statt des Iridiums aus der
Lösung entweder das aus den zuführenden Leiterbahnen (Pd/Ag-Legierung) auf dem
Trägermaterial und/oder möglicherweise sogar das von der Ag/AgCl-Referenzelektrode in
Lösung gegangene Silber auf den Elektroden der Mikroelektrodenstruktur zum Metall
reduziert. (Die Leiterbahnen auf dem Al 2 O 3 -Keramikträger waren nicht hinreichend gegen
Säureangriff geschützt. Die Säure zersetzte nach einer Weile die
Siliziumdioxid/Siliziumnitrid-Deckschicht und löste die Leiterbahnen auf. Eine zusätzliche
Isolationsschicht aus 2-Komponenten-Kleber unterband den Säureangriff. Allerdings ist
dieses Konzept keine zuverlässige Isolationsmethode, da der Kleber zwar lange, aber auch
nicht dauerhaft auf der Keramikunterlage haftet. Die Lösung konnte die Klebestelle teilweise
unterkriechen. Der mit Silberchlorid belegte Silberdraht als Referenzelektrode war nicht durch
eine Glasfritte von dem eigentlichen Elektrolyten getrennt. Daher konnte das Silber überhaupt
ionisch in Lösung gehen, obwohl sich eher erwarten ließ, daß es sich sofort als
Silberchloridniederschlag am Silberdraht selbst oder am Gefäßboden und nicht nach
Reduktion zum Silber auf den Elektrodenfenstern abschied.) Nach Identifizierung dieses
Fehlers durch Nachweis des Silbers im EDX-Spektrum (Energy Dispersive X-rax analysis), in
dem kein Iridium zu sehen war (Abbildung 26), und Ausschluß desselben gelang es in der
verbliebenen Zeit nicht mehr, die für die Iridiumabscheidung geeigneten Bedingungen
ausfindig zu machen, obwohl ein Patent VON C. L. BYERS, P. ZIMMERMAN, P. FEINSTEIN UND
M. SUTTER 50 grundsätzlich diesen Weg der elektrolytischen Iridiumabscheidung als
Möglichkeit beschreibt. Ihre Ergebnisse ließen sich allerdings mit den oben beschriebenen
Geräten, über die sich auch amperostatisch Strompulse erzeugen lassen, im vorgegebenen
Zeitrahmen nicht verifizieren.
44

elative Intensität
Energie [keV]
Abbildung 26: EDX-Spektrum der mit Silber belegten Mikroelektrodenstruktur. Aufgetragen sind die relative
Signalintensität gegen die Energie des emittierten Röntgenquants. Deutlich zu sehen ist der Peak für Silber (OZ:
47), nicht dagegen der für Iridium (OZ: 77).
Als Ursache für die gehemmte Reaktivität des Iridiums in den Oxidationsstufen +III (im
neutralen und basischen) und +IV (in HCl-saurer Lösung) wird die Bildung eines stabilen
Hexaquakomplexes genannt. 51 Die ursprüngliche Idee war es, durch Umkomplexierung
(Hexachlorokomplex) die Reaktivität zu erhöhen. Man muß von einer kinetischen Hemmung
ausgehen, da sich das Iridiumchlorid chemisch leicht zum nachtblauen Iridiumoxid umsetzen
(Oxidation mit H 2 O 2 ) bzw. als Fluorid mit NaF fällen läßt.
45

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
Folgende Lösungen wurden mit dem Iridiumchlorid angesetzt:
Lösungsmittel
IrCl 3 0,01M und HCl (15%): Sherry-braun
klar löslich
neutrale IrCl 3 -Lösung: 0,01M: grünbraun
löslich
IrCl 3 in 97%iger Schwefelsäure: schlecht
löslich
IrCl 3 in wasserfreiem Acetonitril: (etwas)
löslich (rötlich); Leitsalz: Tetrabutylammoniumperchlorat
IrCl 3 in wasserfreiem Ethanol: Sherry-braun
löslich
IrCl 3 in stark ammoniakalischer Lösung: olivklar
löslich
IrCl 3 in stark alkalischer Lösung (KOH) mit
und ohne Wasserstoffperoxid
Erwartungen
Bildung eines Hexachlorokomplexes des
3
Iridiums: Ir(III)Cl 6 oder Ir(IV)Cl 2 6 , der
sich kathodisch leichter als der
Hexaquakomplex reduzieren ließe
Oxidatives Potential zwischen 0 und bis zu
+10V, um gleich IrO 2 auf der Oberfläche
abzuscheiden. (Anhaltspunkt war die einfach
durchzuführende chemische Oxidation einer
wäßrigen IrCl 3 -Lösung mit H 2 O 2 .)
Zerstörung des Hexaquakomplexes aus dem
Restwasseranteil in dem vorliegenden Salz
durch die stark wasserentziehende Wirkung
der konzentrierten Schwefelsäure
Abscheidung aus wasserfreier Umgebung
Abscheidung aus wasserfreier Umgebung
Bildung eines Komplexes mit geringerer
Überspannung
Bildung eines Komplexes mit geringerer
Überspannung; chemische Unterstützung
über das Wasserstoffperoxid
Das Silber schied sich als schwarzer, samtiger Belag (ähnlich dem Platinmoor), wie
gewünscht, genau auf den Fensterstrukturen, nicht aber auf den ableitenden Bahnen der
Mikroelektrodenstruktur ab. Im noch feuchten Zustand haftet das Silber allerdings nicht sehr
fest auf der glatten Platinunterlage und läßt sich mechanisch (Wischen, Kratzen) relativ leicht
wieder von den Elektroden entfernen. Erst in trockenem Zustand unterstützt sich wohl die
46

Schicht zweidimensional von selbst und haftet damit besser auf der Oberfläche. Das
Impedanzverhalten veränderte sich dramatisch in Richtung der erwarteten Werte: 10 2 Ω
(100kHz) bis 10 4 Ω (1Hz) mit einem nichtlinearen Anstieg.
A
B
C
D
E
F
47

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
Abbildung 27: REM-Aufnahmen eines mit Silber nach obigem Prozeß belegten Pt-Elektrodenfensters (Pin N°
07, Bilder A,B,C und D) und der Gegenelektrode (Pin N° 01, Bilder E und F) der Mikroelektrodenstruktur mit
zunehmenden Vergrößerungsfaktoren. Die Aufnahmen zeigen eine relativ gleichmäßige körnige Struktur der
Abscheidung, die damit die Oberfläche um ein Vielfaches vergrößert. Die Impedanz einer Elektroden/Elektrolyt-
Grenzschicht, die sich vereinfacht in erster Näherung aus einem Parallelschaltkreis mit Widerstand und
Kondensator zusammengesetzt denken läßt, wird nach fraktaler Metallabscheidung in erster Linie von dem
kapazitiven Element dominiert, das seinerseits stark abhängig von der effektiven Oberfläche ist.
Mit Platin ließen sich die Elektrodenfenster unter den selben cyclovoltammetrischen
Parametern nach 150 Zyklen aus einer Hexachlorplatinsäure in einer etwas dickeren Schicht
belegen. Auch hier zeigt sich im Rasterelektronenmikroskop eine fraktale feinkörnige
Abscheidung, die der der Silberabscheidung stark ähnelt. Das Gesamtimpedanzverhalten ist in
diesem Fall über einen weiteren Bereich konstant als das der mit Silber belegten Elektroden.
Abbildung 28: REM-Aufnahmen eines mit Platin nach obigem Prozeß belegten, zuvor blanken Pt-
Elektrodenfensters der Mikroelektrodenstruktur mit zunehmenden Vergrößerungsfaktoren. Die Aufnahmen
zeigen auch hier eine relativ gleichmäßige körnige Struktur der Abscheidung, die ebenfalls die Oberfläche um ein
Vielfaches vergrößert. Ein Vergleich der fast identischen Silberabscheidung mit der von Platin läßt vermuten,
daß weniger das Metall selbst als die Abscheidungsparameter die Körnigkeit und Oberflächenstruktur der
gebildeten Metallschicht bestimmen.
Zusammenfassend kann gesagt werden, daß sich Silber und Platin nach Wahl einer schnellen
Spannungsrampe feinkörnig und gleichmäßig abscheiden lassen. Entgegen der intuitiven
Annahme, eine langsame Spannungsrampe und geringe Ströme begünstigten eine
gleichmäßige Abscheidung, zeigte sich, daß schnelle Spannungsänderungen die bei den
angelegten Potentialdifferenzen schon auftretende Bildung größerer Wasserstoffblasen
unterbindet. Kleinste Wasserstoffblasen dagegen tragen zu einer unterstützenden
Mikrostrukturierung der Oberfläche bei, die im ganzen damit sehr groß und gleichmäßig zu
gestalten ist.
Das Impedanzverhalten aller untersuchten, hier exemplarisch ausgewählten Systeme ist in den
folgenden drei Diagrammen vergleichsweise gegenübergestellt. Als Referenz wurden zwei
48

Iridiumdrähte unterschiedlicher Abmessungen hinzugezogen. Einer davon wurde wie die
Mikroelektrodenstrukturen belegt, der andere dagegen zyklovoltammetrisch in 0,5M H 2 SO 4
oxidiert.
1.00E+08
1.00E+07
1.00E+06
Z [ohm] Träger mit Kleber
Z [ohm] Ir-Draht 5mm*0.2mm unbelegt
Z [ohm] Ir-Draht 5mm*0.2mm mit Ag belegt
Z [ohm] Ir-Draht poliert 0.2mm unbelegt
Z [ohm] Ir-Draht 0.2mm oxidiert (2020 Zyklen)
Z [ohm] Gegenelektrode von die 20 unbehandelt
Z [ohm] Elektrode 01 von die 20 unbehandelt
Z [ohm] Gegenelektrode von die 27 mit Ag belegt
Z [ohm] Elektrode 01 von die 27 mit Ag belegt
Z [ohm] Gegenelektrode von die 28 mit Pt belegt
Z [ohm] Elektrode 01 von die 28 mit Pt belegt
Z [ohm] Pt Gegenelektrode oxidiert mit H2SO4
Z [ohm] Pt Elektrode 01 oxidiert mit H2SO4
1.00E+05
Gesamtimpedanz Z [ ]
1.00E+04
1.00E+03
1.00E+02
1.00E+01
1.00E+00
1.00E+00
1.58E+00
2.51E+00
3.98E+00
6.31E+00
1.00E+01
1.58E+01
2.51E+01
3.98E+01
6.31E+01
1.00E+02
1.58E+02
2.51E+02
3.98E+02
6.31E+02
1.00E+03
1.58E+03
2.51E+03
3.98E+03
6.31E+03
1.00E+04
1.58E+04
2.51E+04
3.98E+04
6.31E+04
1.00E+05
Frequenz ν [Hz]
Abbildung 29: Exemplarische Gegenüberstellung der BODE-Plots der Gesamtimpedanzen der untersuchten
Systeme. Die Gesamtimpedanz ist sowohl von dem Elektrodenmaterial als auch insbesondere von der
Oberflächenbeschaffenheit der Elektroden abhängig. Da davon ausgegangen werden kann, daß sich in
biologischen Systemen mit den angelegten Spannungen an den Elektroden/Zellmedium-Grenzflächen keine
Redoxprozesse abspielen werden, sind in diesem Fall keine Impedanzanteile durch Redoxsysteme, d.h.
WARBURG-Impedanzen, zu erwarten. Allerdings wird der verwendete Elektrolyt einen Einfluß auf die
Gesamtimpedanz haben, der aber in dieser vergleichenden Betrachtung nicht berücksichtigt wird. Mit
abnehmender Gesamtimpedanz bei niedrigen Frequenzen sind folgende Systeme dargestellt: höchste Impedanz:
1. Elektrodenfenster einer unbehandelten Mikroelektrodenstruktur; 2. Keramikträger ohne
Mikroelektrodenstruktur; 3. Gegenelektrode einer unbehandelten Mikorelektrodenstruktur; 4. Elektrodenfenster
mit Ag belegt; 5. Elektrodenfenster mit Pt belegt; 6. polierter Ir-Draht mit einer Gesamtoberfläche von
0,063mm 2 ; 7. unbelegter Ir-Draht mit einer Gesamtoberfläche von 0,377mm 2 ; 8. oxidierter Ir-Draht mit der
geometrischen Oberfläche von 0,063mm 2 ; 9. mit Ag belegte Gegenelektrode einer Mikroelektrodenstruktur; 10.
in 0,05M H 2 SO 4 oxidiertes Pt-Elektrodenfenster; 11: in 0,05M H 2 SO 4 oxidierte Pt-Gegenelektrode; 12: mit Ptbelegte
Gegenelektrode; geringste Impedanz: 13. mit Ag belegter Iridiumdraht mit der geometrischen Oberfläche
von 0,377mm 2 .
49

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
90
80
70
60
Phasenwinkel [°]
50
40
30
20
phi [°] Träger mit Kleber
phi [°] Ir-Draht 5mm*0.2mm unbelegt
10phi [°] Ir-Draht 5mm*0.2mm mit Ag belegt
phi [°] Ir-Draht poliert 0.2mm unbelegt
phi [°] Ir-Draht 0.2mm oxidiert (2020 Zyklen)
phi [°] Gegenelektrode von die 20 unbehandelt
phi [°] Elektrode 01 von die 20 unbehandelt
0phi [°] Gegenelektrode von die 27 mit Ag belegt
phi [°] Elektrode 01 von die 27 mit Ag belegt
phi [°] Gegenelektrode von die 28 mit Pt belegt
phi [°] Elektrode 01 von die 28 mit Pt belegt
phi [°] Pt Gegenelektrode oxidiert mit H2SO4
phi [°] Pt Elektrode 01 oxidiert mit H2SO4
1.00E+00
1.58E+00
2.51E+00
3.98E+00
6.31E+00
1.00E+01
1.58E+01
2.51E+01
3.98E+01
6.31E+01
1.00E+02
1.58E+02
2.51E+02
3.98E+02
6.31E+02
Frequenz ν [Hz]
1.00E+03
1.58E+03
2.51E+03
3.98E+03
6.31E+03
1.00E+04
1.58E+04
2.51E+04
3.98E+04
6.31E+04
1.00E+05
Abbildung 30: Frequenzverlauf der Phasenwinkel der verglichenen Systeme
50

1.00E+08
1.00E+07
1.00E+06
1.00E+05
1.00E+04
- Z´´
1.00E+03
1.00E+02
1.00E+01
1.00E+00
|Z"| [ohm] Träger mit Kleber
|Z"| [ohm] Ir-Draht 5mm*0.2mm unbelegt
|Z"| [ohm] Ir-Draht 5mm*0.2mm mit Ag belegt
|Z"| [ohm] Ir-Draht poliert 0.2mm unbelegt
|Z"| [ohm] Ir-Draht 0.2mm oxidiert (2020 Zyklen)
|Z"| [ohm] Gegenelektrode von die 20 unbehandelt
|Z"| [ohm] Elektrode 01 von die 20 unbehandelt
|Z"| [ohm] Gegenelektrode von die 27 mit Ag belegt
|Z"| [ohm] Elektrode 01 von die 27 mit Ag belegt
|Z"| [ohm] Gegenelektrode von die 28 mit Pt belegt
|Z"| [ohm] Elektrode 01 von die 28 mit Pt belegt
|Z"| [ohm] Pt Gegenelektrode oxidiert mit H2SO4
|Z"| [ohm] Pt Elektrode 01 oxidiert mit H2SO4
1.00E-01
1.00E+00 1.00E+01 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06 1.00E+07 1.00E+08
Z´
Abbildung 31: ARGAND- oder NYQUIST- Diagramm der verglichenen Systeme. Interessant ist das Z’’/Z’-
Verhalten des mit Ag belegten 5mm langen Iridiumdrahtes, das auf eine fast reine Kapazität schließen läßt.
Folgende Ersatzschaltkreise lassen sich mit dem Programm „Equivalent Circuit“ von B. A.
BOUKAMP, University of Twente, the Netherlands, an die gemessenen Impedanzen anpassen.
Die relativen Fehler weisen nicht notwendigerweise auf eine schlechte Übereinstimmung von
gemessenen und simulierten Daten hin, da offenbar einzelne Maximalabweichungen
überproportional stark gewichtet werden.
51

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
System
Ersatzschaltkreis
Größe der Elemente relativer Fehler [%]
Mit Silber belegter Iridiumdraht
der geometrischen Oberfläche
QDs
von 0,377mm 2 RE
R E : 1,35·10 2 Ω
Q DS : 1,74·10 -4 Fs (n-1)
n: 0,92
0,63
2,39
0,75
Neben dem Elektrolytwiderstand taucht nur ein konstantes Phasenelement mit relativ hoher
Kapazität auf. Ein Durchtrittswiderstand ist nicht zu finden. Der belegte Draht verhält sich
annähernd wie eine reine Kapazität. Allerdings liegt der kapazitive Anteil so hoch, daß
irreversible chemische Prozesse an der Grenzschicht, die die Ladungen verzehren, nicht
auszuschließen sind. Möglicherweise sind eingelagerte Verunreinigungen dafür
verantwortlich.
Polierter Iridiumdraht mit einer
geometrischen Gesamtoberfläche
von 0,063mm 2
RE
RDt
CDs
R E :
R Dt :
Q DS :
7,03·10 2 Ω
9,98·10 5 Ω
1,34·10 -6 Fs (n-1)
11,22
50,63
10,36
R E (R Dt Q Ds )
n: 0,58
2,46
Im einfachsten, hier auftretenden Fall verhält sich eine Elektroden/Elektrolyt-Grenzschicht
wie eine Kapazität (bzw. ein konstantes Phasenelement) mit einem hohem
Durchtrittswiderstand für die Ladungen beim Übertritt aus dem Material in die Lösung.
Offensichtlich ist die Kapazität von der effektiven Elektrodenoberfläche abhängig, wogegen
der Durchtrittswiderstand in erster Linie eine für das Metall und seine Beschaffenheit
(Körnigkeit) charakteristische Größe ist.
Über 2020 Zyklen oxidierter
Iridiumdraht mit einer
RE ZW
geometrischen Gesamtoberfläche
von 0,063mm 2
R E : 1,04·10 3 Ω
5,24
Z W : 7,59·10 -6 Ωs −½ 3,39
R E Z W
Das Impedanzverhalten wird in diesem Fall neben dem Elektrolytwiderstand allein durch die
WARBURG-Impedanz bestimmt, die aus der Porosität der Oxidschicht resultiert und die eine
offenbar dominierende Diffusionsbarriere darstellt.
52

Unbelegte Gegenelektrode einer
Mikroelektrodenstruktur mit
einer geometrischen Oberfläche
von 81200µm 2
RDt
RE
CDs
R E (R Dt Q Ds )
R E : 4,79·10 2 Ω
R Dt : 9,52·10 7 Ω
Q DS : 4,57·10 -8 Fs (n-1)
n: 0,90
2,70
82,10
2,31
0,34
Unbelegte Fensterelektrode einer
Mikroelektrodenstruktur mit
einer geometrischen Oberfläche
von 7696µm 2
RDt
RE
CDs
R E (R Dt Q Ds )
R E : 2,05·10 3 Ω
R Dt : 1,76·10 8 Ω
Q DS : 3,32·10 -9 Fs (n-1)
n: 0,88
9,60
18,60
3,64
0,51
Nicht unbedingt einsichtig ist das Ansteigen des Elektrolytwiderstands mit abnehmender
Elektrodengröße.
Mit Silber belegte
Gegenelektrode
einer
Mikroelektrodenstruktur
RE
RDt
CDs
R E :
R Dt :
Q DS :
4,05·102Ω
1,69·10 5 Ω
4,41·10 -6 Fs (n-1)
0,75
10,67
2,12
R E (R Dt Q Ds )
n: 0,48
0,48
oder
RDt
RE
CP
QDs
R E (R Dt C P Q Ds )
R E : 4,05·10 2 Ω
R Dt : 1,69·10 5 Ω
C P : 2,53·10 -21 F
Q DS : 4,41·10 -6 Fs (n-1)
n: 0,94
0,87
15,07
/
86,01
7,97
In den einfachen R(RQ)-Schaltkreis läßt sich ohne großen Fehler eine zusätzliche parasitäre
Kapazität einführen, deren Größe allerdings vernachlässigbar ist.
Mit Silber belegte
Fensterelektrode einer
Mikroelektrodenstruktur
RE
RDt
CDs
R E :
R Dt :
Q DS :
2,92·10 3 Ω
2,72·10 6 Ω
3,90·10 -7 Fs (n-1)
2,70
82,10
2,31
R E (R Dt Q Ds )
n: 0,92
0,34
53

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
Mit Platin belegte
Gegenelektrode
einer
Mikroelektrodenstruktur
RE
QSur
RDt
QDs
R E : 2.91·10 3 Ω
Q Sur : 3.32·10 -4 Fs (n-1)
n: 0.79
0,97
9,61
11,38
R E Q Sur (R Dt Q Ds )
R M : 9.07·10 2 Ω
Q Ds :2.91·10 3 Fs (n-1)
n: 0.61
14,80
12,12
3,40
Mit Platin belegte
Fensterelektrode einer
Mikroelektrodenstruktur
RE
QSur
RDt
CDs
R E : 1.89·10 3 Ω
Q Sur : 1.18·10 -6 Fs (n-1)
n: 0.72
2,73
4,87
9,43
R E Q Sur (R Dt C Ds )
R M :
9.75·10 3 Ω
12,55
C Dl :
2.59·10 -7 F
2,33
Wie bei dem mit Silber belegten Iridiumdraht verhält sich die körnig rauhe Oberfläche
weitgehend rein kapazitiv.
Gegenelektrode nach oxidativer
Aufrauhung in H 2 SO 4
Elektrodenfenster nach
oxidativer Aufrauhung in H 2 SO 4
R E : 8,17·10 2 Ω
Q DS : 5,47·10 -5 Fs (n-1)
n: 0,77
QDs
RE
R E : 1,36·10 3 Ω
Q DS : 1,64·10 -5 Fs (n-1)
n: 0,58
QDs
RE
3,61
13,68
5,17
5,62
12,90
5,03
Nach oxidativer Behandlung der Elektroden in 0,5M H 2 SO 4 (0V bis +2V, 500 Zyklen) ließ
sich eine Aufrauhung der Oberflächen im Lichtmikroskop erkennen (besser als im
Elektronenmikroskop). Interessant ist, daß die Kapazität im Vergleich zur unbehandelten
Elektrode um 3 bis 4 Größenordnungen gestiegen ist.
Runde Klammern () weisen auf parallel verschaltete Elemente hin. R E : Elektrolytwiderstand; R Dt :
Durchtrittswiderstand; C Ds : Doppelschichtkapazität; C Sur : Oberflächenkapazität an der äußeren
Elektrodenoberfläche; Q Ds : konstantes Phasenelement für eine Doppelschicht; Q Sur : konstantes Phasenelement für
eine äußere Elektrodenoberfläche; Z W : WARBURG-Impedanz; C P : Parasitäre Kapazität
Wie sich aus den Ergebnissen erkennen läßt, ließ sich kein Ersatzschaltbild direkt an die von
ROBINSON und/oder KOVACS vorgestellten Ersatzschaltkreise anpassen (vgl. Abbildung 12).
54

Die Ursache liegt unter anderem sicherlich an dem außerordentlich kleinen Beitrag der
parasitären Komponenten, die sich aufgrund der nicht hinreichenden Anzahl von Meßpunkten
und dem für genaueste Untersuchungen zu eng gewählten Frequenzbereich noch nicht
erfassen ließen. Außerdem ist es nicht einfach, den Meßaufbau derart zu entwerfen, daß
externe Störungen ausgeschlossen werden können und absolute Reproduzierbarkeit
gewährleistet ist.
3.3
Peptidbelegungen
Um den nachwachsenden Nervenzellen eine geeignete Umgebung anzubieten, in der sie sich
ungehindert regenerieren können, muß die Elektroden- und evtl. die gesamte die-Oberfläche
modifiziert werden. Es bietet sich eine chemische sowie strukturelle Modifikation durch
Peptidbelegung und/oder Aufbringen von Führungskanälen auf den
Mikroelektrodenstrukturen an. Es ist bekannt, daß Zellen im allgemeinen und Nervenzellen
insbesondere im einfachsten Fall hydrophile Oberflächen mit positiven Partialladungen
bevorzugen. Hydrophobe, negativ geladene Oberflächen wirken abstoßend. 52,53 Im Rahmen
dieser Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit dem Naturwissenschaftlichen und Medizinischen
Institut der Universität Tübingen NMI, Reutlingen, zunächst nur die Belegung mit
verschiedenen Peptidteilsequenzen des Laminins verfolgt, die von den Nervenzellen über
spezifische Rezeptoren (Integrine) erkannt und als adhäsive Unterlage akzeptiert werden.
Diese Studie sollte eine grobe Abschätzung gestatten, ob Peptidteilsequenzen aus den
natürlichen Proteinen generell als geeigneter Proteinersatz dienen könnten. Laminin ist ein
Oligopeptid (67kDa), das aus drei kettenförmigen Untereinheiten A (M r : 400000), B1 (M r :
210000) und B2 (M r : 200000) besteht, die in einer kreuzartigen Struktur zusammenliegen. 11
Das Laminin unterstützt die Zelladhäsion aller Zellen im Körper und wird entsprechend auch
in allen Körperregionen gefunden. Es ist eines der ersten Oligopeptide, die der Körper in
seiner Entwicklung überhaupt produziert.
55

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
A
Abbildung 32: Schematische Struktur des Laminins mit
seinen drei funktionellen Untereinheiten und der
Bedeutung verschiedener Abschnitte für die
Zelladhäsion.
B1
Zellankopplung
B2
Zellankopplung
Zellankopplung
Heparinbindung
Neuritenauswuchs
Die Strategie, mit Teilsequenzen zu arbeiten, erscheint aus den folgenden Gründen sinnvoll:
1. Das große Laminin an sich belegt die Substratunterlage großflächig und ungeordnet. Eine
reproduzierbare, selektive Belegung ist aus diesem Grund nicht möglich. Kleinere
Ausschnitte aus dem Molekül lassen sich mit geeigneten funktionellen Gruppen versehen
und damit selektiv und geordnet auf einer bestimmten Materialoberfläche, z.B. über
Polymerisation, definierte Adhäsion oder kovalente Ankopplung, aufbringen.
2. Die Wahrscheinlichkeit, daß ein Axon einer Nervenfaser die unter der Peptidbelegung
liegenden Elektroden kontaktiert, wächst mit abnehmender Dicke der Peptidschicht, da von
einem kapazitiven Stromfluß bei der Signalableitung als auch bei der Neurostimulation
ausgegangen wird und die Kapazität mit abnehmender Doppelschichtdicke zunimmt (vgl.
Gleichung (1-4).
3.3.1
.1 Zyklovoltammetrische Polymerisation von Lamininteilsequenzen
Die vom Arbeitskreis Prof. G. Jung an der Universiät Tübingen freundlicherweise zur
Verfügung gestellten, an ihren N-terminalen Enden modifizierten Laminin-Teilsquenzen
wurden zyklovoltammetrisch oxidativ auf einen Kamm von 100µm Pt-Kammstrukturen auf
Saphir polymerisiert. Untereinander werden die Sequenzen über polymerisierbare Endgruppen
(3-Hydroxyphenylessigsäure: 3Hpa) oxidativ vernetzt.
56

R2
R2
R2
R2
HN
CO
HN
CO
HN
CO
HN
CO
R1
NH
R1
NH
R1
NH
R1
NH
OC
CH2
OC
CH2
H
OC
H
CH2
OC
H
CH2
H
OH
O
Anode:
Oxidation
e
H
- e
O
H
-H
Protonenabspaltung
e
O
Anode:
Oxidation
O
H
Elektrophiler
Angriff
A B C D
- e
CH2C(O)NHR
R2
HN
CO
R1
NH
OC
CH2
CH2C(O)NHRx
CH2C(O)NHRz
H
OH
O
O
-H
O
CH2C(O)NHR
O
CH2C(O)NHRy
O
E
F
Abbildung 33: Polymerisationsablauf: 54 Die phenolische Hydroxygruppe wird zunächst zum Phenol-Kation-
Radikal oxidiert (A), gibt dann ein Proton ab (Phenoxyl-Radikal B) und wird aufgrund des geringeren
Oxidationspotentials des entstandenen Oxoradikals gleich weiter zum Phenoxy-Kation oxidiert, dessen positive
Ladung delokalisiert werden kann (C). Dieses wird bevorzugt in para-Stellung elektrophil an dem aromatischen
Ring einer anderen peptidderivatisierten 3-Hydroxyphenylessigsre angreifen (D) und unter Verdrängung eines
weiteren Protons (E) das eigentliche Polymer bilden (F).
Die so agglomerierten Strukturen legen sich adhäsiv auf die Elektrodenkämme. Die Belegung
nur eines Kammes gestattet einen Vergleich, ob die Zellen wirklich selektiv die mit den
Sequenzen beschichteten Bereiche bevorzugen. Die polymerisierbare Gruppe ist über zwei ε-
Aminocapronsäure-Spacer (-Aca-Aca-) von den eigentlich aktiven Teilsequenzen des
Laminins getrennt. Folgende Parameter wurden eingestellt: Lösungsmittel PBS (Phosphate
Buffered Saline); Startpotential: 0,2V, Spannungsrampe: 100mV/s; Spitzenpotential: 1,2V,
Verweilzeit beim Spitzenpotential: 20 Sekunden, Endpotential: 0,2V, Anzahl der Zyklen: 20.
57

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
Abbildung 34: Schematische Darstellung der Platin-
Kammstruktur auf Saphir. Die 100µm breiten
Kammzinken liegen in 100µm weitem Abstand
nebeneinander. In Wirklichkeit liegen weit mehr
Zinken nebeneinander.
Das Laminin selbst als auch die Teilsequenzen Tyr-Ile-Gly-Ser-Arg (YIGSR) aus der B 1 -Kette
und Ile-Lys-Val-Ala-Val (IKVAV) aus der A-Kette kamen in folgenden Varianten zum
Einsatz:
Laminin
Intention
Laminin
Zelladhäsion und Neuritenwachstum; Test, ob sich
Laminin direkt elektrochemisch auf den Elektroden
abscheiden läßt
Sequenzen aus dem Laminin
3Hpa-Aca-Aca-CDPGYIGSR
3Hpa-βAla-Val-CDPGYIGSR
3Hpa-Aca-Aca-CDPGYIGSR-NH 2
3Hpa-βAla-Val-CDPGYIGSR-NH 2
3Hpa-Aca-Aca-SIKVAV
Intention
Zelladhäsion und Neuritenwachstum
Zelladhäsion und Neuritenwachstum
Zelladhäsion und Neuritenwachstum
Zelladhäsion und Neuritenwachstum
Zelladhäsion und z.T. Neuritenwachstum
3Hpa-Aca-Aca-SRARKQAASIKVAVSADR Zelladhäsion und z.T. Neuritenwachstum
Andere Sequenzen
Intention
3Hpa
3Hpa-Aca-Aca-FFGGGGA
Kontrollbelegung der komplementären Kämme
hydrophobe Sequenz zum Verhindern der Zelladhäsion
Nach Fluoreszenzanfärbung ließ sich lediglich in der ersten Versuchsreihe eine bevorzugte
Zellbelegung von nur einem der beiden Kämme im Verhältnis 5:1 nachweisen. Leider hatten
sich die Zellen auf dem zur Kontrolle mit 3-Hydroxyphenylessigsäure belegten Kamm
angesiedelt, nicht dagegen auf dem Kamm mit den oben genannten Teilsequenzen des
Laminins. In allen anderen Fällen kamen etwa gleich viele Zellen auf beiden Kämmen zu
liegen. Von den mit Laminin belegten Kammstrukturen ließen sich die Zellen außerdem leicht
58

und vollständig abspülen. In letztgenannten Fall kann also nicht von einer Zelladhäsion
gesprochen werden. Offenbar verändern die Sequenzen bei der Ankopplung an die
Abstandshalter oder auch erst bei der Polymerisation ihre für die Zellerkennung wichtige
Tertiärstruktur. Zudem ist anzunehmen, daß eine einzige Erkennungssequenz allein die
Zelladhäsion noch nicht in ausreichendem Maße zu fördern vermag.
Es zeigte sich unter dem Fluoreszensmikroskop, daß die Anfärbung eine qualitative
Beurteilung der Peptidbeschichtung gestattet, da der Farbstoff auch die Polymerschicht leicht
anfärbt, nicht dagegen das Metall darunter. An einigen Stellen ließ sich erkennen, daß sich die
Polymerschicht von dem Metalluntergrund abgelöst hatte und zerissen war. Auf einigen
Strukturen konnte überhaupt keine Peptidschicht ausgemacht werden. Dort ist es
offensichtlich zu keiner hinreichenden elektrochemischen Polymerisation gekommen. Wie die
letzte Versuchsreihe außerdem zeigte, läßt sich das Laminin an sich unter den oben genannten
Versuchsbedingungen elektrochemisch nicht abscheiden, solange keine polymerisierbare
Seitenkette eingeführt wird, die die physiologische Wirkung nicht beeinträchtigt.
3.3.2
.2 Zukünftige Strategien bei der Peptidbelegung von Mikroelektrodenstrukturen
Zur systematischen Untersuchung der Eigenschaften der Teilsequenzen sind folgende Aspekte
zu berücksichtigen:
• Die elektronischen Eigenschaften der zugrunde liegenden Strukturen, elektrochemisch
modifiziert oder nicht, müssen vor der Belegung charakterisiert werden, um identische
Bedingungen einhalten zu können und später eine Aussage über die Qualität der
Peptidabscheidung z.B. mittels Impedanzspektroskopie treffen zu können. Die
Impedanzspektroskopie liefert eine qualitative sowie semiempirisch halbquantitative
(Eichkurven) Information über die Belegung, deren Dicke und Dichte.
• Zur Kontrolle der Wirksamkeit einer Sequenz hinsichtlich der Zelladhäsion sind unbelegte
und/oder unspezifisch belegte Strukturen hinzuzuziehen. Als eine weitere Referenz ließen
sich Zellkulturen untersuchen, die auf einer Elektrodenstruktur angesiedelt werden, an
deren Elektroden ein permanentes positives als auch an anderer Stelle negatives
elektrisches Feld angelegt wird (milder Potentialgradient), um abschätzen zu können,
welchen Einfluß Ladungsschwerpunkte allein auf die Zellorientierung und das Wachstum
59

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
ausüben. Ebenso ließen sich Polymere mit kurzen geladenen Seitenketten auf die Elektrode
aufbringen. Desweiteren ist eine experimentelle Trennung zwischen der Hydrophilie und
der Ladungspräferenz der Zellen vorzunehmen.
• Für eine quantitative Auswertung sind alle übrigen Parameter konstant zu halten: Auf den
belegten Strukturen müssen gleiche Zellkulturtypen angesiedelt werden. Messungen sind
unter identischen Bedingungen durchzuführen.
• Neben der spezifischen elektrochemischen Abscheidung auf den Metallelektroden ist auch
eine spezifische chemische, d.h. kovalente Ankopplung an die Unterlage denkbar. Für
Platin kämen Peptidsequenzen mit endständigen Carboxyl- oder Nitrilgruppen, für Gold
Thiolendgruppen (z.B. aus dem Cystein) in Frage.
• Neben der das Zellwachstum und die Zell- und Axonorientierung fördernden
Oligopeptidbelegung ist eine gleichzeitige oder auch ausschließlich komplementäre
Belegung der Substratunterlage um die Elektroden herum mit abweisenden chemischen
Strukturen denkbar (Inhibitoren oder auch avoidance factors, z.B. modifizierte
Organosilane, die sich auf die Silizium- oder Quarzoberfläche kovalent ankoppeln ließen,
bzw. Proteine, die den Wachstumskegel der Nervenzelle zum Kollabieren bringen) 55 . Die
Nervenzellen wüchsen dann nur auf den weniger abweisenden Elektrodenoberflächen aus.
4 Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit wurden Metalle auf Platinelektroden von
Mikroelektrodenstrukturen für neurowissenschaftliche Anwendungen elektrochemisch
abgeschieden, um die Änderung der resistiven und kapazitiven Eigenschaften der Elektroden
zu untersuchen und zu optimieren. Das in erster Linie interessierende Iridium ließ sich aus
verschiedenen Iridium-(III)-chloridlösungen cyclovoltammetrisch nicht abscheiden,
wahrscheinlich aufgrund der Ausbildung eines stabilen löslichen Komplexes, der kinetisch
gehemmt ist und eine extrem hohe Überspannung aufweist. Silber und Platin ließen sich durch
Wahl einer schnellen Spannungsrampe feinkörnig und gleichmäßig abscheiden. Entgegen der
intuitiven Annahme, daß eine langsame Spannungsrampe und geringe Ströme eine
gleichmäßige Abscheidung begünstigen, zeigte sich, daß schnelle Spannungsänderungen die
bei den angelegten Potentialdifferenzen schon auftretende Bildung größerer Wasserstoffblasen
unterbindet. Kleinste Wasserstoffblasen dagegen tragen zu einer unterstützenden
60

Mikrostrukturierung der Oberfläche bei, deren effektiver Wert damit sehr groß und
gleichmäßig einzustellen ist. Im Impedanzspektrum zeigt sich der Oberflächengewinn in
einem deutlichen Anstieg des kapazitiven Anteils, der die kapazitiv erfolgende Aufnahme von
Nervensignalen sowie die ebenfalls kapazitiv durchführbare Neurostimulation begünstigt.
Einfache Strukturierung durch elektrolytisch oxidatives Herauslösen von Platin aus der
blanken Platinoberfläche der Elektroden in 0,5M H 2 SO 4 führte ebenso zu einer beträchtlichen
gleichmäßigen Oberflächenaufrauhung und einhergehenden Erhöhung der Kapazität. Die aus
den Impedanzspektren formulierbaren Ersatzschaltkreise, die das elektrische Verhalten des
Systems beschreiben, zeigen mit ihren Werten der Bauelemente diesen Trend. Außerdem zeigt
sich, daß gealterte Schichten, aus denen das Lösungsmittel verdampft war, auch weitgehend
mechanisch stabil sind und auf der Unterlage haften bleiben.
Ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von Mikroelektrodenstrukturen, die mit dem
Nervensystem in Wechselwirkung treten sollen, ist die gezielte (bio)chemische und
strukturelle Oberflächenmodifizierung der Elektroden, um gewährleisten zu können, daß die
einzelnen Nervenfasern auf die Struktur aufwachsen und die Stimulations- und
Ableitelektroden möglichst eng kontaktieren. In einem ersten Versuch wurde untersucht, wie
sich eine natürliche Zellumgebung mit einfachen Mitteln simulieren läßt. Dazu wurde
Laminin als Struktur, die in erster Linie der Zelladhäsion dient, sowie Ausschnitte aus diesem
Oligopeptid elektrochemisch auf Kammelektrodenstrukturen aufgebracht. Es zeigte sich, daß
die Ansprüche der Zellen für die erfolgreiche Adhäsion an die angebotene Oberfläche
offenbar sehr hoch sind, da sie sich in keinem Fall auf den angebotenen Oligopeptidschichten
ansiedelten, wohl aber auf der unspezifisch belegten Oberfläche aus polymerisierter 3-
Hydroxyphenylessigsäure.
5 Ausblick
Wesentlich für einen guten physikalischen und elektrischen Elektroden/Gewebekontakt
scheint eine große fraktale Oberfläche zu sein, die mit niedermolekularen Erkennungs- und
Adhäsionsstrukturen für die Zellmembranankopplung belegt ist. Die Elektrodenoberfläche
ließe sich in die dritte Dimension hinein strukturieren, wenn man „Graben“- oder auch
„Turm“- oder „Nadelstrukturen“ berücksichtigt. Die resultierende Oberfläche könnte
anschließend zusätzlich elektrochemisch durch Metallabscheidung oder gezieltes Herauslösen
61

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
von Elektrodenmaterial aufgerauht werden. Da die natürlich vorkommenden, für die
Zelladhäsion verantwortlichen Oligopeptide relativ groß und vermutlich auch für andere
Aufgaben verantwortlich sind, gilt es, die relevanten Erkennungsstrukturen aus diesen
Oligopeptiden zu isolieren und über geeignete „chemische Klammern“ annähernd in ihre
ursprüngliche Tertiärstruktur zu zwingen. Dies kann über untereinander verbrückte Spacer an
beiden Enden der Erkennungssequenz geschehen, die sich über chemische oder
elektrochemische Methoden an eine Elektrodenoberfläche ankoppeln lassen. Zusätzlich sollte
in Zukunft berücksichtigt werden, daß nicht eine einzelne Erkennungsstruktur im Organismus
die Zelladhäsion fördert, sondern eine ganze Reihe unterschiedlicher Substanzen erst im
Wechselspiel eine optimale Zellentwicklung gewährleisten.
62

Danksagung
Die vorliegende Arbeit wurde in der Zeit von Juni bis Dezember 1995 unter der Leitung von
Prof. Dr. Wolfgang Göpel am Institut für Pyskalische und Theoretische Chemie an der
Eberhard-Karls-Universität Tübingen durchgeführt.
Herrn Prof. Dr. Wolfgang Göpel möchte ich für die Anregung und Überlassung des Themas
sowie für die Bereitstellung der ausgezeichneten Arbeitsbedingungen danken.
Mein besonderer Dank gilt Frau Dr. Christiane Ziegler für die gute Betreuung, Unterstützung
und stete Diskussionsbereitschaft bei allen Fragen. Ich danke ihr für die guten Anregungen
und die Gewährung eines großen Aktionsfreiraumes.
Danken möchte ich auch Herrn Dr. Peter Heiduschka für die unkomplizierte Einführung in die
Impedanzspektroskopie.
Dem Arbeitskreis Prof. Dr. Günther Jung, insbesondere Herrn Dipl. Chem. Stefan Kienle,
danke ich für die Bereitstellung der Peptidsequenzen.
Den Herren Dr. Hugo Hämmerle und Dr. Karl Josef Föhr sowie ihren Mitarbeitern am NMI
danke ich für die Zellbelegung.
Insbesondere möchte ich mich auch bei Frau Elke Nadler für die ausgezeichneten REM-
Aufnahmen und EDX-Messungen bedanken, die sie mit außerodentlichem Geschick und
erfahrenem Auge angefertigt hat.
Desweiteren danke ich Herrn Dr. Gerd Noetzel für manche Hilfe und Beratung bei
elektronischen Fragen und Schaltkreisentwürfen. Mit seinem Erfahrungsschatz in der
Impedanzspektroskopie konnte er mir darüberhinaus bei der Auswertung der Spektren
hilfreich zur Seite stehen.
Besonders bedanke ich mich bei Herrn Dipl. Chem. Jan Rickert und Herrn Dipl. Chem. Ralph
Burckardt für ihre Unterstützung, unsere Diskussionen und das gute Arbeitsklima. Besonders
möchte ich Ralph Burckardt für seine guten Ideen und die hilfreiche Hand bei der Zyklischen
Voltammetrie danken. Jan Rickert hat mir bei mancher Frage hinsichtlich der
Impedanzspektroskopie guten Rat gegeben und schnell weiterhelfen können.
Mein Dank gilt auch den Projektpartnern vom IBMT, insbesondere Herrn Dipl. Ing. Thomas
Stieglitz, für die Bereitstellung der Mikroelektrodenstrukturen und die Diskussion der ersten
Meßergebnisse.
Herrn Dipl. Chem. Markus Schweizer-Berberich danke ich für die Einweisung in die
Elektronenstrahlverdampfer-Anlage.
Allen nicht namentlich erwähnten Mitarbeitern danke ich für die gute Zusammenarbeit und
die außerordentlich gute Arbeitskreisatmosphäre.
Schließlich sei meinen Eltern herzlicher Dank für ihre finanzielle und familiäre
Unterstützung, die es mir gestattete, unbeschwert dem Studium nachzugehen.
63

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
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