CMOS-Nanoelektrodenarray

In dem interdisziplinären Fraunhofer-Max-Planck-Kooperationsprojekt ZellMOS entwickeln Chipdesigner, Prozessingenieure und Biophysiker ein CMOS-Nanoelektrodenarray.

CMOS-Nanoelektrodenarray für Zellkontakte

Bidirektionales Nanoelektrodenarray für die intrazelluläre Kontaktierung biologischen Gewebes auf einem CMOS-Schaltkreis

Für die Vermessung biologischer Zellen wird das CMOS-Nanoelektrodenarray elektrisch angeschlossen und in ein abgedichtetes Flüssigkeitsreservoir getaucht.
© Fraunhofer IMS
Für die Vermessung biologischer Zellen wird das CMOS-Nanoelektrodenarray elektrisch angeschlossen und in ein abgedichtetes Flüssigkeitsreservoir getaucht.
Die integrierte CMOS-Schaltung enthält 16x16 Elektroden, welche über Verstärker und Analog-Digital-Wandler direkt angesteuert werden.
© Fraunhofer IMS
Die integrierte CMOS-Schaltung enthält 16x16 Elektroden, welche über Verstärker und Analog-Digital-Wandler direkt angesteuert werden.
Dreidimensionale Nano-Hohlnadeln sind von einem Passivierungsmantel umgeben.
© Fraunhofer IMS
Dreidimensionale Nano-Hohlnadeln sind von einem Passivierungsmantel umgeben.

Interzelluläre Kommunikationsprozesse in gesunden Organismen sowie in Tumorgewebe werden seit Jahrzehnten untersucht und sind dennoch nicht im Detail verstanden. Um neue Erkenntnisse in der elektrischen Signalverarbeitung von einzelnen Zellen und von Zellnetzen zu gewinnen, wird ein Mikrochip entwickelt, der biologische Signale mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis verarbeiten kann.

Im Fraunhofer-Max-Planck-Kooperationsprojekt ZellMOS arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer IMS, des Max-Planck-Instituts für medizinische Forschung und der Universitätsklinik Heidelberg gemeinsam an der Entwicklung und Evaluation eines Bauteils für den bidirektionalen, elektrischen Zellkontakt. Ein CMOS-Nanoelektrodenarray – eine Kombination aus integrierter CMOS-Schaltung und dreidimensionalen Nanostrukturen – ermöglicht eine hoch-sensitive Signalaufnahme elektrischer Bio-Signale.

Für die Auswertung von Zellsignalen wurde ein CMOS-Chip entworfen, welche ein Array aus 16 x 16 Elektroden ansteuert. Im Chip sind Schaltkreise für die Stimulation und Aufnahme von elektrischen Signalen, ein Digitalteil und ein Speicher integriert. Die Verstärkung und Digitalisierung der Signale findet in unmittelbarer Nähe zur Signalentstehung statt, sodass auch kleinste Signale verarbeitet werden können. 

Auf jede Elektrode des Chips werden in einem Post-CMOS-Prozess Nanoelektroden gezielt aufgebracht. Vertikale Nano-Hohlnadeln durchstoßen die Zellmembran. So können selbst kleinste Signale im Innern der Zelle durch das CMOS-Nanoelektrodenarray aufgenommen werden. Form und Größe der Nanoelektroden sind einstellbar, sodass der Zellkontakt optimiert werden kann. 

Das CMOS-Nanoelektrodenarray wird zur Untersuchung des mechanischen und elektrischen Kontakts verschiedener elektrogener Zellen eingesetzt. Die Oberfläche des Gesamtsystems wird biofunktionalisiert und Zellkulturen darauf appliziert. Die Kommunikationsprozesse der Zellen werden detailliert analysiert. Dazu gehört z. B. die Untersuchung neu entdeckter interzellulärer Kommunikationswege, der so genannten Tunneling Nanotubes (TNT).

Ferner könnten künftig innovative Sensoren und Implantate auf Basis der CMOS-Nanoelektrodenarrays entwickelt werden.

Förderung

Gefördert im Rahmen des Fraunhofer-Max-Planck-Kooperationsprogramms.

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