3D scaffolds with integrated electrodes for neuronal cell culture

Abu Shihada, Jamal; Fitter, Jörg; Offenhäusser, Andreas

doi:HT030776112

3D scaffolds with integrated electrodes for neuronal cell culture

Abu Shihada, Jamal^RWTH*

2024

VerantwortlichkeitsangabeJamal Abu Shihada

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2024

Umfangvii, 163 Seiten : Illustrationen

ISBN978-3-95806-756-1

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Information ; 103

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Offenhäusser, Andreas (Thesis advisor)^RWTH* ; Fitter, Jörg (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-04-02

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-05678
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/987468/files/987468.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Zwei-Photonen Polymerisation (frei) ; dreidimensionale Elektroden (frei) ; dreidimensionale neuronale Zellgerüste (frei) ; neuronal cell culture (frei) ; neuronal implants (frei) ; neuronale Implantate (frei) ; neuronale Zellkultur (frei) ; three dimensional electrodes (frei) ; three dimensional neuronal scaffolds (frei) ; two-photon polymerization (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Dreidimensionale (3D) neuronale Systeme wie neuronale Gewebe und Organoide haben in der Neurowissenschaft zunehmend an Bedeutung gewonnen, da sie aufgrund ihrer3D-Natur eine realistischere Abbildung des Gehirns bieten und somit bestimmte Gehirnregionen präziser nachbilden können als zweidimensionale (2D) Systeme. Allerdings benötigen diese 3D-Systeme zusätzliche Strukturen, so genannte Scaffolds, die das neuronale Wachstum in allen drei Dimensionen unterstützen. Aktuelle technologische Fortschritte in der Mikrofabrikation können genutzt werden, um die Qualität der Gerüste und damit der 3D-Systeme zu verbessern. Um ein besseres Verständnis der komplexen3D-Umgebung in solchen 3D-Systemen zu erlangen ist es außerdem wichtig, die elektrischen Aktivitäten dieser Systeme zu messen. Um die Ableitung elektrischer Signal ein allen drei Dimensionen zu ermöglichen, müssen 3D-Elektroden verwendet werden, da herkömmliche 2D-Elektroden nur Oberflächenaktivitäten messen können. Daher wird in dieser Arbeit eine neue Plattform für 3D-Elektroden sowie 3D-Gerüstsystemezur Untersuchung verschiedener neuronaler 3D-Systeme vorgestellt. Zunächst werden Hohlzylinder mit Hilfe eines 3D-Druckers auf Basis der Zwei-Photonen-Polymerisation auf verschiedene 2D-Substrate gedruckt. Ein schablonengestützter elektrochemischer Abscheidungsprozess von Gold wird verwendet, um die Elektroden in die dritte Dimension zu erweitern. 3D-Elektroden mit einem Durchmesser von weniger als 10 μm und einer Höhe von bis zu 150 μm werden dann verwendet, um sowohl spontane als auch lichtinduzierte elektrische Aktivitäten von extrahierten Rattennetzhäuten und menschlichen Hirnschnitten in verschiedenen Gewebetiefen abzuleiten. Schließlich werden3D-Elektroden in ein Gerüstsystem integriert, um eine tiefgreifende Analyse von präzise kontrollierten neuronalen 3D-Umgebungen zu ermöglichen. Das hochauflösende steife Gerüstsystem wird mit Hilfe eines Zwei-Photonen-Polymerisationsverfahrens hergestellt und unterstützt das Wachstum embryonaler, kortikaler Rattenneuronen in allen drei Dimensionen. So konnten elektrische Signale mit hohen Amplituden in verschiedenen Höhen innerhalb des Netzwerks gemessen werden. Dieser kombinierte Ansatzermöglicht eine umfassende Untersuchung von neuronalen 3D-Plattformen in-vitro in jedem Lebenszyklusstadium.

Three-dimensional (3D) neuronal systems like neuronal tissues and organoids have become increasingly important in neural science as, due to their 3D nature, they provide a more realistic environment of the brain and thus can mimic specific brain regions more precisely than two-dimensional (2D) systems. However, these 3D systems need additional structures, called scaffolds, which support the neuronal growth in all three dimensions. Recent technological advances in microfabrication can be used to improve the quality of the scaffolds, and thus of the 3D systems. To get a better understanding of the complex 3D environment within such 3D systems it is furthermore essential to monitor the electrical activities of these environments. To be able to monitor electrical signals in all three dimensions real 3D electrodes have to be used as conventional2D electrodes only can monitor surface activities. Therefore, this work introduces a new platform for real 3D electrodes as well as 3D scaffold systems to investigate different 3D neuronal systems. First of all, hollow cylinders are printed onto different 2Dsubstrates with the help of a two-photon polymerization 3D printer. A template-assisted electrochemical deposition process of gold is used to extend the electrodes into the third dimension. 3D electrodes with less than 10 μm diameter and up to 150 μm height are then used to monitor spontaneous as well as light-induced electrical activities from extracted rat retina and human brain slices in different depths of the tissues. Finally,3D electrodes are integrated into a scaffold system to enable a profound analysis of precisely controlled 3D neuronal environments. The high resolution stiff scaffold system is fabricated with using a two-photon polymerization process and supports the growth of embryonic, cortical rat neurons in all three dimensions. After the network has been established electrical signals with high amplitudes were monitored in different heights within the network. This combined approach allows for a comprehensive investigation of 3D neuronal in-vitro platforms at any life cycle stage.

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