View - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

2 Einleitung
Bioelektronische Systeme ermöglichen Studien über die Entwicklung neuronalen Gewebes
sowie zu dessen synaptischer Verschaltung und den Netzwerkeigenschaften. Im Vordergrund
dieser Studien steht das Streben nach einem besseren Verständnis der Mechanismen
bioelektronischer Signalprozesse. Auf der Basis dieses Wissens werden die durch Evolution
optimierten, hochempfindlichen und selektiven biologischen Erkennungssysteme und
Signalverstärkungskaskaden mit technischen Signalerkennungs- und Signalwandlungssystemen
gekoppelt. Hierdurch eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten für die Entwicklung
von Biosensoren und bioelektronischen Bauelementen in den Anwendungsbereichen Informationstechnologie,
Biologie und Medizin.
Eine Voraussetzung für die Entwicklung solcher Systeme ist die gleichzeitige Signalableitung
von mehreren einzelnen neuronalen Zellen im Netzwerk durch nicht-invasive Kontakte
mit den einzelnen Elektroden. Insbesondere Metallelektroden-Arrays (MEAs) eignen
sich für die Mittel- bis Langzeiterfassung sowohl der spontanen als auch der induzierten
Aktivität in neuronalen Netzwerken und ihrer räumlich-zeitlichen Entwicklung (Dynamik).
Besonders wichtig für die Signalableitung in solchen bioelektronischen Systemen
sind die Eigenschaften der Grenzfläche zwischen individueller Zelle und Elektrode.
Bisherige experimentelle Daten und theoretische Überlegungen haben gezeigt, dass die
räumliche Distanz zwischen Zellmembran und Elektrode ein Haupthindernis in allen elektronischen
Biochips darstellt, die auf planarem Elektrodendesign basieren [1–5] . Der hohe
Abstand im Zell-Elektroden-Interface ist schematisch in Abb. 2.1 für ein Neuron auf einer
planaren Elektrode dargestellt. Die Folge hiervon ist ein geringes Verhältnis von Signalamplitude
zu Signalrauschen.
Einen viel versprechenden Lösungsansatz für dieses Problem stellt die dreidimensionale
(3D)-Nanostrukturierung der Elektroden dar, wodurch die effektive Elektrodenoberfläche
erhöht wird. Dies resultiert in einer höheren Kapazität bzw. einer geringeren Elektro-
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