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6.3 Signalableitung mit nanostrukturierten Gold-MEAs 141
Pinholes, die während der Nanostrukturierung der MEAs oder auch während der Reinigung
nach der Zellkultur entstanden sein können. Trotz der beobachteten Schwankungen
und des starken Einflusses der Passivierung auf die Elektrodenkapazität war insgesamt
ein leicht ansteigender Trend der Kapazitäten von 8 μm hin zu 20 μm großen MEAs zu
verzeichnen, der auf die zunehmende Elektrodenfläche zurückzuführen ist.
Nach der Bestimmung der Kapazitäten von nanostrukturierten und planaren MEAs mittels
Impedanzspektroskopie wurden mit einem Lock-In-Verstärker die Transfercharakteristika
untersucht. Am Beispiel ausgewählter Datensätze von 10 μm großen Elektroden
wurden über die Gleichungen 4.4 und 4.5 die Zusammenhänge zwischen der Impedanz
Zleak der Passivierungsschicht, der Elektrodenimpedanz Zel und den vorher gemessenen
Aktionspotenzialen analysiert. Mit dieser Auswertung sollten Erklärungsansätze für die
stark streuenden Amplituden und Kapazitäten aus den vorhergehenden Versuchsteilen
gefunden werden.
Für zwei Pillar-Proben wurden Elektrodenimpedanzen gefunden, die das Verhältnis der
gemessenen Amplituden belegen konnten. Für vergleichende planare MEAs konnte diese
Beobachtung allerdings nicht gemacht werden. Für beide MEA-Typen wurde aus dieser
Analyse ersichtlich, dass die Impedanz der Passivierung eine wesentliche Rolle bei der
Ableitung extrazellulärer Signale spielt. Wird das in Abb. 4.11 gezeigte Modell zur Zellkopplung
noch um die Kopplungsimpedanz ZK zwischen Zelle und Elektrode erweitert,
ergibt sich die Anordnung, die in Abb. 6.1 dargestellt ist. In diesem Modell gilt für die
Spannung Ui die Relation
ZK · Zleak
Ui = I0 ·
Zleak + Zel + ZK
(6.1)
Aus dieser Gleichung lässt sich ablesen, dass für den Idealfall von starker Zellkopplung und
dichter Passivierung, d.h. für hohe ZK und Zleak, die Elektrodenimpedanz Zel vernachlässigbar
ist, da sie die resultierende Amplitude dann nicht merklich beeinflusst. Allerdings
kommt es unter realen Bedingungen häufig zu Schwankungen in der Zellkultur, die mit
einer geringen Zellkopplung einhergehen. Auch die isolierenden Eigenschaften der Passivierung
sind nicht immer gewährleistet. In diesem Fall sind Kopplungsimpedanz ZK und
Passivierungsimpedanz Zleak besonders klein, wodurch die Impedanz Zel zunehmend an
Bedeutung für die Qualität der Signalableitung gewinnt.
Gerade die starke Variation von ZK aufgrund von Schwankungen in der Zellkultur macht
es erforderlich, dass Zel und Zleak optimiert werden. Idealerweise sollte Zel um eine Größenordnung
niedriger sein als Zleak, um eine verlässliche Signalableitung mit hohem Signal-