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Graphene Devices for Extracellular Measurements
2017
Dissertation, RWTH Aachen University, 2017
Druckausgabe: 2017. - Onlineausgabe: 2017. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-07-12
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-09706
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/709103/files/709103.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
GFET (frei) ; GMEA (frei) ; graphene (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
Kurzfassung
Messungen extrazellulärer Aktionspotentiale von elektrisch aktiven Zellen (insbesondere Neuronen) ist einer der Meilensteine der modernen Bioelektronik. Graphen ist ein Material mit vielen vielversprechenden Eigenschaften, relevant für diverse bioelektronische Anwedungen. Graphen-basierende Mikroelektroden Arrays (GMEAs) und die komplizierteren Graphen Feldeffekt Transistoren (GFETs) umfassen eine neue Art von bioelektronischen Bauelementen. Biokompatibilität, Stabilität, ausgezeichnete und einzigartige elektronische Eigenschaften, Skalierbarkeit und seine reine zweidimensionale Struktur machen Graphen zu einem perfekten Material für bioelektronische Anwedungen. Die Vorteile von Graphen als Teil dieser Bauelemente sind vielzählig: von einer generellen Flexibilität und Biokompatibilität zu den einzigartigen elektrischen Eigenschaften von Graphen.Die GMEAs und GFETs in dieser Arbeit wurden mit CVD-gewachsenem Graphen und mittels einem skalierbaren Reinraum Prozess hergestellt. Dabei wurden sowohl rigide als auch flexible Substrate verwendet.Um eine skalierbare Wafer-basierte Fabrikation der Bauelemente sicher zu stellen wurde eine Hochdurchsatz-Graphentransfer Technik entwickelt. Die Technik ermöglicht es, ein nur 4 cm2 großes Stück von CVD-gewachsenem Graphen für die gesamte Fabrikation eines 4-zoll Wafers mit 52 Chips zu benutzen.Die rigiden GFETs, hergestellt auf verschieden Substraten, mit einer Vielzahl verschiedener Kanalgeometrien (Breite/Länge) zeigen einen linearen Zusammenhang zwischen der Transkonduktanz und dem Verhältnis von Kanalbreite zu Länge. Die flächennormierte elektrolyt-gesteuerte Transkonduktanz befindet sich in einem Bereich von 1-2 mS·V-1·□ und ist nicht stark abhängig von dem Substrat. Der Einfluss der Ionenstärke auf die Leistung der Transistoren wurde als Teil dieser Arbeit untersucht. Doppelkontakte zeigten einen reduzierten effektiven Widerstand sowie Transferlänge, jedoch keine Verbesserung der Transkonduktanz. Ein elektrochemischer Glüh-/Reinigungseffekt wurde untersucht und es wird vorgeschlagen, dass dieser durch den Gate-Leckstrom hervorgerufen wird. Die Bauelemente werden als Marbarkeitsnachweis für bioelektronische Sensoren zur Aufnahme von extrazellulären Potentialen von ex vivo Herzmuskelgewebe und in vitro kardiomyozyt ähnlichen Zellen (HL-1) benutzt. Mit Hilfe von multikanal Messungen können die unterschiedlichen individuellen Aktionspotentiale, sowie ihre örtliche Ausbreitung über den Chip gemessen und analysiert werden. Die Aufnahmen zeigen unterscheidbare Aktionspotentiale mit einem Signal-zu-Rausch Verhältnis von über 14 für ex vivo Gewebe und über 6 für die kardiomyozyt-ähnliche Zelllinie in vitro. Desweiteren gelang es uns zum ersten Mal in vitro Aufnahmen von neuronalen Signalen mit unterscheidbaren Entladungssalven zu machen.Flexible GFETs wurden auf Polyimidsubstraten hergestellt und weisen extrem große Transkonduktanzen von bis zu 11 mS/V und Mobilitäten von bis zu 1750 cm2·V-1·s-1 auf. Weitergehend waren kontrollierbar flexible Polyimid-auf-Stahl (engl. Polyimide-on-steel: PIonS) Substrate in der Lage elektrische Signale ex vivo von primärem embrionalen Rattenherzgewebe aufzunehmen.Rigide GMEAs wurden für umfangreiche in vitro Studien von herzähnlichen Zelllinien, sowie kortikalen neuronalen Netzwerken benutzt. Sie zeigten herausragende Leistungen für die Aufnahme von extrazellulären Aktionspotentialen mit einem Signal-zu-Rausch Verhältnis von bis zu 116 für HL-1 Zellen und bis zu 100 für die spontanen Entladungssalven der Neuronenaktivität. Die komplexen Muster der neuronalen Entladungssalven wurden, ebenso wie eine Viehlzahl von HL-1 Aktionspotentialen, mit Hilfe der GMEAs aufgenommen.Flexible GMEAs zeigen extrazelluläre Aufnahmen von ex vivo Herzgewebe mit herausragenden Signal-zu-Rausch Verhältnissen von bis zu 80 und von bis zu 30 von in vitro HL-1 Zellen. Der Einsatz von flexiblen Polyimidsubstraten in Kombination mit Graphens physikalischer und biologischer Stabilität resultiert in guten Eigenschaften für die Zell-Chip Schnittstelle und ist vielversprechend für weitere Anwedungen. Durch die intrinsische Transparenz dieser Bauelemente kann das Konzept für optogenetische Experimente erweitert werden.Als Abschluss dieser Arbeit wird ein neues Design, sowie ein neuer Prozessablauf untersucht und auf zukünftige, spezifischere in vivo Elektroden und deren Einsatz als Implantate abgestimmt.Recording extracellular potentials from electrogenic cells (especially neurons) is the hallmark destination of modern bioelectronics. Graphene is a promising material, which possesses features relevant to bioelectronics applications.Graphene-based electrode arrays (GMEAs) and more complicated graphene field effect transistors (GFETs) comprise a new type of bioelectronic device application. Biocompatibility, stability, excellent and unique electronic properties, scalability, and pure two-dimensional structure make graphene the perfect material for bioelectronic applications. The advantages of graphene as part of such devices are numerous: from a general flexibility and biocompatibility to the unique electronic properties of graphene.In this work, the GMEAs and GFETs are fabricated using CVD--grown graphene and a scalable cleanroom-based technology. The devices are fabricated on both rigid and flexible substrates.In order to ensure a wafer-scale fabrication of the devices, a new high throughput graphene transfer technique is established. The technique allows me to use just 4 cm2 of CVD-grown graphene to fabricate a whole 4-inch wafer with 52 chips on it.Rigid GFETs, fabricated on different substrates, with a variety of channel geometries (width/length), reveal a linear relation between the transconductance and the width/length ratio. The area normalized electrolyte-gated transconductance is in the range of 1-2 mS·V-1·□, and does not strongly depend on the substrate. Influence of the ionic strength on the transistor performance is investigated as a part of the work. Double contacts are found to decrease the effective resistance and the transfer length, but do not improve the transconductance. An electrochemical annealing/cleaning effect is investigated and proposed to originate from the out-of-plane gate leakage current. The devices are used as a proof-of-concept for bioelectronic sensors, recording external potentials from ex vivo heart tissue and in vitro cardiomyocyte-like cells (HL-1). Via multichannel measurements we are able to record and analyze both difference in action potentials as well as their spatial propagation through the chip. The recordings show distinguishable action potentials with a signal to noise ratio over 14 from ex vivo tissue and over 6 from the cardiac-like cell line in vitro. Furthermore, I accomplished in vitro recordings of neuronal signals with a distinguishable bursting activity for the first time.Flexible GFETs are fabricated on polyimide substrates and exhibit extremely large transconductance values, up to 11 mS/V, and a mobility over 1750 cm2·V-1·s-1. Furthermore, controllably flexible polyimide-on-steel (PIonS) substrates are able to record ex vivo electrical signals from a primary embryonic rat heart tissue.Rigid GMEAs are used for extensive in vitro studies of a cardiac-like cell line and cortical neuronal networks. They show excellent ability to extracellularly record the action potentials with signal to noise ratios up to 116 for HL-1 cells and up to 100 for the spontaneous bursting-spiking neuronal activity. Complex neuronal bursting activity patterns as well as a variety of HL-1 action potentials are recorded with the GMEAs.Flexible GMEAs show extracellular recordings from ex vivo heart tissue with excellent signal-to-noise ratios up to 80 and from in vitro HL-1 cells with SNR up to 30. The use of flexible polyimide substrates in combination with graphene`s physical and biological stability results in good cell-interface properties and is promising for further applications. Due to the transparency of these devices, the concept can be extended for optogenetic experiments.Furthermore, a new fabrication design and flow has been explored in the thesis, aimed for prospective, more specific in vivo probes and their use as bio-implants.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
print, online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT019514986
Interne Identnummern
RWTH-2017-09706
Datensatz-ID: 709103
Beteiligte Länder
Germany
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