專利名稱：通過導(dǎo)出膜電位而發(fā)電的電極裝置、發(fā)電裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在至少一個膜包圍的細胞尤其是多個細胞上導(dǎo)出膜電位的電極裝置。此外，本發(fā)明還涉及裝配有所述電極裝置的用于通過導(dǎo)出膜電位而發(fā)電的發(fā)電裝置。 最后，本發(fā)明還涉及通過在至少一個生物細胞或人造細胞上導(dǎo)出膜電位而發(fā)電的方法。在產(chǎn)生電流時本發(fā)明的應(yīng)用在于驅(qū)動電氣裝置和/或為蓄電池充電。
背景技術(shù)：
供應(yīng)電能是當今技術(shù)發(fā)展的最大挑戰(zhàn)之一。在開發(fā)發(fā)電機時，用耐久的可再生能源代替來自化石燃料的傳統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換具有特別的興趣。除了基于例如水力或風(fēng)力、太陽能或地?zé)崮艿哪茉匆酝?，基于生物材料的能源也屬于可再生能源。在使用生物材料的情況下的能量轉(zhuǎn)換的主要概念是基于產(chǎn)生和燃燒沼氣(主要是甲烷)或氫氣(參見 J. Niessen 等人，“Letters in Applied Microbiology”，第 41 卷， 2005年，第286-290頁)。來自沼氣的能量轉(zhuǎn)換由于在燃燒時產(chǎn)生的二氧化碳以及由于生成需要復(fù)雜的清除步驟的副產(chǎn)物例如氨和硫化氫所以是不利的。其他的概念是基于所謂的生物燃料電池，其是基于諸如糖的大分子的酶分解而運行的(參見R. F. Service,"Science", 第296卷，2002年，第1223頁)。這些概念也沒有發(fā)現(xiàn)常規(guī)應(yīng)用，因為能量產(chǎn)量、能量轉(zhuǎn)換穩(wěn)定性有限以及高成本被證明是不利的。由細胞生物學(xué)公知的是，真核生物細胞經(jīng)過細胞膜產(chǎn)生膜電位。細胞膜包含用于離子傳輸?shù)哪げ考?。這些膜部件包括離子泵和離子通道，下面簡稱作離子泵。通過離子傳輸經(jīng)過細胞膜形成電化學(xué)梯度，電化學(xué)梯度產(chǎn)生膜電位。膜電位可以利用電生理學(xué)方法加以測量(例如參見 E. Neher/Science”，第 256 卷，1992 年，第 498-502 頁；W. Baumgartner 等人，“Biophysical Journal ”，第 77 卷，1999 年，第 1980-1991 頁；DE 101 08 968 Al 或 DE 198 27 957 Al)。膜電位的傳統(tǒng)的電生理學(xué)測量如圖8所示。生物細胞1'利用移液管10'保持在培養(yǎng)基3'中。陽極22'浸入培養(yǎng)基3'中，而陰極21'與培養(yǎng)基3'絕緣地伸入細胞1' 的內(nèi)部。陽極22'和陰極21'與放大器30'相連接，其用于放大代表所導(dǎo)出的膜電位的電信號并準備進一步處理。移液管10'形成細胞保持器，其例如已知實際上用于在粘附的細胞上進行測量，可被培養(yǎng)基3'中的基底代替，在基底上設(shè)置細胞1'。根據(jù)圖8的傳統(tǒng)測量裝置的應(yīng)用被限制在測量單個細胞上的膜電位。因為作為陰極21 ‘目前使用玻璃電極或填充金屬的玻璃毛細管，其最大直徑大于lOOnm，所以由于細胞1'對于陰極21'的耐受性低并且限制于高的測量電阻而產(chǎn)生問題。因此，例如直徑大于10 μ m的電極僅能被細胞耐受幾個小時。測量電阻具有100ΜΩ的量級，因此所導(dǎo)出的電流被限制在最小的電荷量。DE 10 2005 030 859 Al描述了利用多個電極對膜電位的電生理學(xué)測量。使用絕緣板作為一個或多個細胞的保持器。具有導(dǎo)電性表面的電極通過所述板伸入至少一個細胞中。缺點在于，通過至少一個細胞與所述板的機械接觸必然實現(xiàn)高的隔絕電阻。由此產(chǎn)生高的電極最小距離和受限的信號幅度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供改進的電極裝置，其適合于在膜包圍的細胞上導(dǎo)出膜電位，并且由此能夠克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點。此外，本發(fā)明的目的還在于提供在使用生物材料的情況下產(chǎn)生電流的改進的發(fā)電裝置，由此克服了傳統(tǒng)發(fā)電裝置的限制，其特征尤其是在于延長的壽命、改善的運行穩(wěn)定性及減少的成本。本發(fā)明的目的還在于提供在使用生物材料的情況下能量轉(zhuǎn)換尤其是用于發(fā)電的改進的方法，由此可以避免基于生物材料的傳統(tǒng)可再生能源的缺點。該目的是通過具有獨立權(quán)利要求特征的電極裝置、發(fā)電裝置和方法實現(xiàn)的。本發(fā)明的有利的實施方案和應(yīng)用由從屬權(quán)利要求給出。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，上述目的是通過電極裝置實現(xiàn)的，其用于在膜包圍的細胞上導(dǎo)出膜電位，并且包括用于粘附固定細胞的細胞保持器以及具有至少兩個第一極性的電極的電極載體，它們是作為電極載體表面上的凸出物形成的并且相對于電極載體表面是電絕緣的。電極載體根據(jù)本發(fā)明是以如下方式形成的，若細胞保持器承載細胞，則電極同時伸入細胞中。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，所述目的是通過發(fā)電裝置實現(xiàn)的，其用于通過在細胞上導(dǎo)出膜電位而產(chǎn)生電流，并且具有根據(jù)上述第一方面的電極裝置，其中在細胞保持器的表面上設(shè)置至少一個細胞，但優(yōu)選設(shè)置多個細胞。根據(jù)第三方面，所述目的是通過在細胞上導(dǎo)出膜電位而產(chǎn)生電流的方法實現(xiàn)的， 這些細胞以粘附狀態(tài)排列在根據(jù)上述第一方面的電極裝置的細胞保持器上，其中利用電極和至少一個反電極導(dǎo)出電流，反電極與細胞直接電接觸或者例如經(jīng)過導(dǎo)電介質(zhì)間接地電接觸。有利地通過具有至少兩個電極的電極載體實現(xiàn)電極排列，其與現(xiàn)有技術(shù)相比具有提高的電極穩(wěn)定性和簡單化的結(jié)構(gòu)。尤其是能夠形成具有與現(xiàn)有技術(shù)相比縮小的電極直徑的電極，由此改善了細胞對于電極的耐受性以及降低了測量電阻。在本發(fā)明之前沒有公開將電位導(dǎo)出用于發(fā)電。因為已知即使在具有強烈離子傳輸?shù)募毎鏧enopus卵細胞的情況下導(dǎo)出膜電位僅產(chǎn)生在200mV下最高100 μ A的電流 (參見W. Baumgartner等人的上述出版物)，所以在本發(fā)明之前沒有人考慮到將膜電位用于能量轉(zhuǎn)換，尤其是用于發(fā)電。不同的是，甚至需要測量系統(tǒng)額外配備有放大器，若沒有則無法電生理學(xué)測量極弱的電流和電壓。通過本發(fā)明克服了該偏見。具有多個電極的電極載體能夠使電極同時及尤其是以并聯(lián)電連接的方式與至少一個但優(yōu)選多個細胞的內(nèi)部直接電接觸。本發(fā)明的發(fā)明人認識到，通過使用電極載體能夠使膜電位導(dǎo)出可量測，并由此能夠克服對于不實際的小電流的限制。此外，可以通過并聯(lián)回路、串聯(lián)回路或并聯(lián)回路與串聯(lián)回路的組合而調(diào)節(jié)發(fā)電裝置取決于實際應(yīng)用條件的電流強度和/或電壓。本發(fā)明具有以下其他的優(yōu)點。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電裝置是可再生的電流源，其適合作為負載電路中的宏觀電源。細胞的接觸是通過細胞在電極裝置的電極上的自集成而進行的。電極載體具有通過電極凸出物而納米或微米結(jié)構(gòu)化的表面。通過該結(jié)構(gòu)促進細胞結(jié)合在凸出物上，并因此促進電極在細胞中的容納以及它們的接觸。本發(fā)明的其他優(yōu)點在于，發(fā)電裝置的環(huán)境相容性以及發(fā)電的耐久性和碳中性。但是取決于本發(fā)明的應(yīng)用，在電極載體上僅設(shè)置一個單獨的電極和/或從單獨的細胞導(dǎo)出膜電位也可以是足夠的。因此這些改變的方案同樣屬于本發(fā)明的主題。術(shù)語“細胞”(或者細胞單元、隔室)一般涉及用膜包圍的液體區(qū)域，其中所述膜用于在細胞內(nèi)部的液體區(qū)域與細胞周圍的液體如培養(yǎng)基之間產(chǎn)生膜電位。所述膜包含蛋白質(zhì)，其形成離子泵(和離子通道)并用于在細胞外部環(huán)境與細胞內(nèi)部空間之間進行離子傳輸。因此，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電裝置是基于生物材料的使用，其是通過將自然包含離子泵的經(jīng)培養(yǎng)的生物細胞或者包含集成在膜內(nèi)的在囊泡的內(nèi)部空間與外部環(huán)境之間產(chǎn)生電位的離子泵的人造脂囊泡(幻影細胞)的電化學(xué)膜電位用于發(fā)電。生物細胞的優(yōu)點在于，形成膜電位的能力是通過存在的離子泵而自然地獲得的。 作為生物細胞可以使用真核細胞或原核細胞，例如細菌，其中真核細胞由于其尺寸更大所以是優(yōu)選的。囊泡的膜內(nèi)的離子泵是利用本身已知的生物技術(shù)方法優(yōu)選在使用遺傳學(xué)改性的生物細胞的情況下提供的。細胞的壽命可以通過使用永生化細胞而延長，其中連續(xù)地新形成蛋白質(zhì)，其中監(jiān)控其折疊并且適應(yīng)可變的條件。人造細胞的優(yōu)點在于，細胞的壽命可以相對于活的生物細胞延長，并且與在生物細胞的培養(yǎng)條件下的情況相比對環(huán)境條件的要求更不嚴格。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方案，電極作為凸出物形成，其對于細胞保持器的表面是電絕緣的。每個電極特別優(yōu)選具有絕緣外套，絕緣外套包圍電極但除了其自由端。絕緣外套在電極的縱向上延伸并使電極的尖端是自由的。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方案，設(shè)置至少一個相對于所述電極相反的第二極性的反電極，其中在電極載體的表面上和/或在從電極載體分離出的反電極載體上形成至少一個反電極。在相對于電極的預(yù)定位置上提供至少一個反電極能夠有利地最優(yōu)化電極和至少一個反電極的相互的幾何排列，以獲得經(jīng)過細胞均勻地導(dǎo)出的電流。至少一個反電極可以在電極載體和/或反電極載體上包括均一的導(dǎo)電層或者多個導(dǎo)電的電極層片段。均一的導(dǎo)電層的優(yōu)點在于，利用單獨的反電極可以產(chǎn)生與多個細胞例如與在電極載體表面上的細胞單層的電接觸。導(dǎo)電的電極層片段可以如下方式構(gòu)成，其是可控制的，例如單獨與負載電路相連接?？蓡为毧刂频碾姌O層片段的優(yōu)點在于，在載體裝置的表面上設(shè)置細胞的不封閉的層。此外，在避免了電極層片段與相反極性的電極之間的短路時，電極層片段可以具有優(yōu)點。選擇性地或額外地，反電極可以包括浸入細胞周圍的包含離子的介質(zhì)中的電極棒。電極載體和反電極載體中的至少一個特別優(yōu)選為細胞保持器。根據(jù)本發(fā)明，導(dǎo)出其膜電位的細胞可以直接粘附固定在電極載體和/或反電極載體上。取決于所傳輸?shù)碾x子的類型，可以在細胞的內(nèi)部空間中相對于細胞外部環(huán)境形成負或正的電位。伸入細胞內(nèi)部空間中的電極和至少一個直接或間接地與細胞外側(cè)電接觸的反電極一般具有彼此相反的極性。對于在相對于外部環(huán)境的內(nèi)部空間中的負電位，電極形成陰極，而至少一個反電極形成至少一個陽極。以相反的電位，電極形成陰極，而反電極形成陽極。根據(jù)本發(fā)明的一個特別優(yōu)選的實施方案，電極載體具有多層結(jié)構(gòu)，包括電極層、絕緣層和反電極層，其中電極與電極層電絕緣地通過絕緣層和反電極層凸出于反電極層的表面上。優(yōu)選地由此實現(xiàn)具有所有的電極和反電極的電極載體的特別緊湊的結(jié)構(gòu)。有利地，若電極和/或反電極中的至少一個帶有用于增強電極表面與細胞膜之間的相互作用的涂層，則可以改善電極和一方面至少一個反電極和另一方面細胞之間的接觸。有利地，可以通過細胞與電極和/或反電極之間的涂層提高電導(dǎo)率及減少接觸電阻。凸出于電極載體表面上的電極優(yōu)選帶有活化膜的胞吞作用的涂層?；罨套饔玫耐繉拥膬?yōu)點在于，使電極在細胞的內(nèi)部空間中的容納變得容易?；罨套饔玫耐繉永缡沟迷谏锛毎那闆r下由于其自然的細胞移動而積極地容納電極，從而使電極在細胞的內(nèi)部空間中形成接觸。選擇性地或額外地，至少一個反電極可以帶有增強粘著性和/或電導(dǎo)率的涂層。有利地，由此增強細胞對電極載體或反電極載體的表面的粘附結(jié)合。此外，刺激了在具有多個細胞的層中任選出現(xiàn)的孔洞的封閉。若伸入細胞內(nèi)部的電極具有與傳統(tǒng)電生理學(xué)測量的情況相比更小的直徑，則可以有利于膜電位根據(jù)本發(fā)明用于發(fā)電。電極的直徑優(yōu)選小于10 μ m，更優(yōu)選小于1 μ m，例如小于500nm，特別是小于lOOnm，例如小于lOnm，直至例如2nm或者甚至是lnm。具有此類小直徑的電極有利地更容易被細胞尤其是生物細胞耐受。因此，改善了發(fā)電的長期穩(wěn)定性。此外，可以減少在各個電極與細胞內(nèi)部之間的電阻。電極尤其是可以包括直徑在亞微米范圍內(nèi)的導(dǎo)體的排列(所謂的納米線)，其改善了在細胞的內(nèi)部空間與外部環(huán)境之間形成的電壓的量取。此外，有利的是，電極的自由電極表面例如電極的尖端距電極載體表面的距離為至少lOnm，優(yōu)選至少lOOnm，更優(yōu)選至少1 μ m,例如50 μ m或更大，最大進入毫米范圍內(nèi)。這能夠可靠地將電極定位在細胞內(nèi)部。尤其是可以使直徑最大進入毫米范圍內(nèi)的人造細胞可靠地接觸。根據(jù)本發(fā)明，可以設(shè)置兩個或更多個電極。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的改變方案，例如設(shè)置至少10個，尤其是至少100個，例如至少1000個，如10，000個或更多的電極。電極優(yōu)選相互電連接。電極特別優(yōu)選形成凸出于電極載體表面并且與至少一個相反極性的反電極電絕緣的電極尖端的1維或2維陣列。有利地，在電極載體上提供多個細胞的情況下通過電極的電連接可以在所有的細胞上同時導(dǎo)出膜電位。根據(jù)本發(fā)明的一個特別優(yōu)選的實施方案，細胞尤其是生物細胞和/或人造囊泡在電極載體表面上形成封閉的細胞層。單個細胞的膜電位的發(fā)電機引線(Stromableitimgen) 是并聯(lián)連接的，并由此有利地提高了本發(fā)明發(fā)電裝置的輸出電流。有利地，通過生物細胞在 Icm2的載體裝置表面上的培養(yǎng)可以產(chǎn)生7 μ W的總功率。因此，該效率是可與相等面積的太陽能電池的效率比較的。但是與基于光伏效應(yīng)的太陽能電池不同，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電裝置能夠與光線完全無關(guān)地運行。其需要更小的空間，并且承受比太陽能電池更不嚴格的運行條件。有利地存在應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生的電流的不同的改變方案。根據(jù)第一改變的方案，電極和至少一個反電極可以與負載電路直接相連接?？梢栽O(shè)置至負載電路的電纜連接。 該應(yīng)用有利地直接作用于膜電位的導(dǎo)出和離子泵的活化。根據(jù)第二改變的方案，可以設(shè)置至蓄電池裝置的連接。蓄電池裝置一般是電能儲存器，例如電化學(xué)蓄電池或者具有預(yù)定容量的電容器，它們的具體的實施方案根據(jù)所述發(fā)電裝置的具體的使用要求加以選擇。蓄電池裝置可以利用根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生的電流進行充電，其優(yōu)點在于，負載電路并不直接與電極相連接，而是與其去偶。因此可以避免負載電路的干擾性反作用(破壞作用)，例如在發(fā)電裝置中至少一個細胞上的迅速的負載變化。根據(jù)本發(fā)明發(fā)電裝置的另一個優(yōu)選的特征，設(shè)置培養(yǎng)裝置。培養(yǎng)裝置用于將包含離子的介質(zhì)導(dǎo)入細胞周圍。包含離子的介質(zhì)是用于細胞的供應(yīng)和再生的液體(例如培養(yǎng)基)。在使用生物細胞的情況下，培養(yǎng)裝置包括如細胞生物學(xué)所知的培養(yǎng)基存儲池以及用于將培養(yǎng)基引導(dǎo)至細胞保持器上的細胞的導(dǎo)入裝置。利用包含離子的介質(zhì)不斷地在細胞周圍供應(yīng)離子，離子在離子泵的作用下被傳輸至細胞內(nèi)部，并由此產(chǎn)生膜電位。若根據(jù)本發(fā)明的另一個有利的特征，細胞在其內(nèi)部空間中包含至少一種離子束縛物質(zhì)，則對于細胞的壽命或穩(wěn)定性可以是有利的。離子束縛物質(zhì)發(fā)揮細胞內(nèi)部空間中的緩沖器的作用。通過膜傳輸至內(nèi)部空間中的離子被離子束縛物質(zhì)收集。因此，尤其是在生物細胞的情況下，延長了發(fā)電裝置的壽命。利用離子束縛物質(zhì)抑制或完全避免了細胞中毒。離子束縛物質(zhì)(離子捕捉器)例如包括乙二胺四乙酸(EDTA)、抗壞血酸(維生素C)或谷胱甘肽。本發(fā)明發(fā)電裝置的優(yōu)選的應(yīng)用在于，以比較小的電功率為電氣裝置供電，例如人體植入物，如心臟起搏器或助聽器，但是由于所述發(fā)電裝置的可量測性還可以提高的耗電量供應(yīng)設(shè)備，例如家用設(shè)備。對于人體植入物的供應(yīng)特別有利的是，可為所述發(fā)電裝置直接供應(yīng)人體的營養(yǎng)物，尤其是來自與植入物相鄰近的組織。下面依據(jù)附圖闡述本發(fā)明的細節(jié)和優(yōu)點。


圖1至3 本發(fā)明發(fā)電裝置的實施方案的放大的截面示意圖；圖4和5 本發(fā)明發(fā)電裝置的另一個實施方案的截面示意圖和透視圖；圖6A 結(jié)構(gòu)化的表面，其可用作制造所述發(fā)電裝置的基底；圖6B 電極-反電極對的照片，例如在根據(jù)圖5的電極裝置的情況下；圖7 根據(jù)本發(fā)明具有培養(yǎng)裝置的發(fā)電裝置的另一個實施方案的截面示意圖；圖8 膜電位的傳統(tǒng)電生理學(xué)測量的示意圖。
具體實施例方式下面依據(jù)電極裝置、發(fā)電裝置以及其運行方法的優(yōu)選的特征闡述本發(fā)明的實施方案。在此沒有述及細胞生物學(xué)和電化學(xué)觀點，例如產(chǎn)生膜電位、為粘附的細胞提供培養(yǎng)條件、形成離子泵(和離子通道)的蛋白質(zhì)集成在脂膜中，因為它們是由細胞生物學(xué)和電化學(xué)已知的。強調(diào)的是，本發(fā)明的實現(xiàn)并不局限于示例性所述類型的生物細胞或人造細胞，而是相應(yīng)地可以利用所有膜包圍的細胞，該細胞適合于通過傳輸加載的顆粒尤其是離子通過膜形成膜電位。本發(fā)明的實施方案示例性地參考利用兩個細胞(圖1至幻或者利用更多個細胞 (圖3、4)的發(fā)電進行描述。強調(diào)的是，本發(fā)明的實現(xiàn)并不局限于所述的實施例。本發(fā)明發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)，尤其是其尺寸，以及提供細胞的裝置可以取決于本發(fā)明的具體的使用條件加以選擇和適應(yīng)。
下面示例性地參考本發(fā)明的實施方案，其中在電極載體的表面上的電極是陰極， 而至少一個反電極是陽極。利用該極性指定方式，通過導(dǎo)出膜電位進行發(fā)電，膜電位是通過傳輸離子進入和/或出自細胞內(nèi)部空間而形成的。通過Na+-K+泵對于從細胞泵出的三個鈉離子僅將兩個鉀離子泵入細胞中，從而例如形成膜電位。通過電極是陰極而至少一個反電極是至少一個陽極，相應(yīng)地利用相反的極性能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。根據(jù)圖1，發(fā)電裝置200包括具有細胞保持器10的電極裝置100，其同時形成電極載體20和反電極載體30。電極載體20包括作為電極的陰極21和作為反電極的陽極22， 在其表面上設(shè)置細胞1。電極裝置100設(shè)置有發(fā)電機容器11中的細胞1，該發(fā)電機容器含有包含離子的介質(zhì)3并且可與培養(yǎng)裝置(圖1中未示出)相連接。電極載體20包括由下方的陰極層23、中間的絕緣層M和上方的陽極層25組成的多層結(jié)構(gòu)，陽極層同時形成陽極22和用于容納粘附狀態(tài)的細胞1的表面。細胞1的膜殼2 的外側(cè)與陽極23直接電接觸。陰極層23和陽極層25經(jīng)過電纜41與負載電路40和/或蓄電池裝置(示意性示出)相連接。下面參考圖4和5更詳細地描述由陰極層23、絕緣層 24和陽極層25組成的層結(jié)構(gòu)的制造。陰極21作為尖銳的凸出物從陰極層23通過陽極層25在其表面上伸入發(fā)電機容器11中。為了使陰極21對于陽極23電絕緣，絕緣層M在每個陰極21上形成包圍陰極21 的絕緣外套26。絕緣外套沈在陰極21的縱向上延伸的長度至少等于陽極層25的厚度。 優(yōu)選地，絕緣外套沈如圖1所示在陽極層25的表面上延伸進入發(fā)電機容器11中，以改善陰極21與陽極22的電絕緣。選擇絕緣外套沈的軸向長度，從而使陰極21的自由端(陰極尖端)暴露在發(fā)電機容器11中。一般而言，陰極21優(yōu)選包含碳、惰性金屬如金或摻雜半導(dǎo)體。絕緣層M是通過陶瓷層例如金屬氧化物而形成的。陽極22同樣優(yōu)選由碳、惰性金屬或摻雜半導(dǎo)體組成，具有膜殼2的細胞1以如下方式在陽極層25的表面上排列，具有絕緣外套沈的陰極21伸入細胞1的內(nèi)部空間中。每個陰極尖端與內(nèi)部的細胞物質(zhì)直接電接觸，例如在生物細胞的情況下與細胞質(zhì)或者在人造細胞的情況下與囊泡的內(nèi)部介質(zhì)直接電接觸。細胞1 例如包括活的生物細胞，如上皮細胞或成纖維細胞。發(fā)電機容器11中的包含離子的介質(zhì)3 包括培養(yǎng)基，例如生理鹽溶液，從此將離子通過膜殼2傳輸至細胞1的內(nèi)部。在此過程中形成的膜電位經(jīng)過電纜41導(dǎo)出。只要膜殼2中的離子泵檢測到在細胞1的內(nèi)部空間與外部介質(zhì)之間的電荷平衡，就繼續(xù)傳輸離子進入細胞1的內(nèi)部空間中?？捎糜诎l(fā)電的生物細胞例如包括心肌細胞(HLl)、上皮細胞或成纖維細胞(例如 REF-52)。成纖維細胞特別有利于在固態(tài)表面上，尤其是在陽極層25或絕緣層M (見下文) 的表面上形成穩(wěn)定的、耐久的及自修復(fù)的、封閉的單層。有利地可以使用NRK細胞(“正常鼠腎”細胞，尤其是NRK成纖維細胞)作為生物細胞。例如在出版物 J. J. Torres,"Am. J. Physiol. Cell Physiol. ”(第 287 卷，2004 年，第 C851-C865頁)中描述了 NRK成纖維細胞。NRK細胞形成穩(wěn)定的單層，其中單個細胞經(jīng)膜通道(所謂的“間隙連接”)相連接(參見所述出版物的圖1C)。膜通道確保細胞的有效的電連接及因此尤其是取決于電極密度明顯提高根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電裝置的容量。在同時降低電極密度的情況下，這會導(dǎo)致更高的細胞存活率，實現(xiàn)保持一樣高或者甚至提高的容量，因為不直接刺破的細胞也偶合在該系統(tǒng)上。
生物細胞可以利用本身已知的生物分子方法進行操作，以例如形成穩(wěn)定的細胞克隆，其特征在于特定離子通道和離子泵的超表達，以提高電效率。例如可以通過連接蛋白分子的超表達(上述間隙連接通道的組成部分)，在膜電位方面類似于離子通道/泵的表達， 可以人工地提高在任意的細胞或者甚至是囊泡中的電偶合/容量。具有單層或多層膜殼的人造囊泡可以利用本身已知的標準技術(shù)制造(例如參見 A. Moscho 等人，"Proc. Natl. Acad. Sei. ”，第 93 卷，1996 年，第 11443-11447 頁)?？梢栽O(shè)置直徑例如在Iym至50μπι或者大于50μπι的范圍內(nèi)的囊泡(所謂的“巨囊泡”， Riesenvesikeln)。通過具有增強粘著性的涂層和/或活化胞吞作用的涂層的電極表面的生物功能化支持細胞在電極裝置上的自集成。在圖2中示意性地示出了發(fā)電裝置200的改變的實施方案，其中細胞保持器10或電極裝置100的電極載體20僅包括帶有陰極21的陰極層23和絕緣層24。作為反電極(陽極)設(shè)置浸入發(fā)電機容器11中的介質(zhì)3中的電極棒27。在圖3中示意性地示出了發(fā)電裝置200的另一個改變的實施方案，其中細胞保持器10包括帶有陽極22的陽極層25，而帶有陰極21的電極載體20以與細胞保持器10 —定距離設(shè)置。電極載體20設(shè)置在發(fā)電機容器11中的介質(zhì)3中，從而使從電極載體20延伸至細胞保持器10的陰極21伸入設(shè)置在細胞保持器10上的細胞1的內(nèi)部。電極載體20包括陰極層23和帶有針對每個陰極21的絕緣外套沈的絕緣層Μ。 通過絕緣層M和絕緣外套沈使陰極21和陰極層23對于發(fā)電機容器11中的介質(zhì)3和陽極22電絕緣。陽極層25和陰極層23經(jīng)過電纜41與負載電路40和/或蓄電池裝置相連接。圖1至3的實施方案如下進一步改變。首先，設(shè)置超過兩個陰極(見下文，圖4、 5)。此外，通過將陰極集成在兩個分離的電極載體中并從兩側(cè)伸入細胞中，可以將圖1至3 的改變的方案加以組合。由陰極層、絕緣層和陽極層組成的多層結(jié)構(gòu)可以具有其他的層，例如用于機械穩(wěn)定化所述多層結(jié)構(gòu)并例如由塑料形成的支撐層(參見圖6Β)。圖4和5所示為本發(fā)明的改變的實施方案，其中設(shè)置陰極的陣列，在示意性的截面圖(圖4，剖面圖)和示意性的透視圖(圖5)中。該實施方案特別適合于通過在細胞層尤其是單層上導(dǎo)出膜電位而發(fā)電。但是出于簡明的原因，在圖4和5中僅顯示了單獨的細胞。在圖4和5的實施方案中，如上參考圖1所述，電極載體20包括由陰極層23、絕緣層M和陽極層25組成的多層結(jié)構(gòu)。陰極層23和陽極層25經(jīng)過電纜41與負載電路40和 /或蓄電池裝置相連接。可以設(shè)置電流測量裝置42，例如在圖5中示出。分別用絕緣外套沈包圍的陰極21通過陽極層25伸入發(fā)電機容器11中。發(fā)電機容器11填充有包含離子的介質(zhì)3，其由培養(yǎng)裝置50 (示意性地示出)經(jīng)過液體管道51導(dǎo)入和導(dǎo)出。此外，培養(yǎng)裝置50可以具有可用于調(diào)節(jié)發(fā)電裝置的溫度例如至細胞的生理溫度的控溫裝置(未示出)。在陽極層25的表面上設(shè)置增強粘著性(和增強電導(dǎo)率)的涂層觀，其例如包括纖連蛋白、層粘連蛋白、肽例如RDG序列或膠原蛋白。陰極21暴露的尖端帶有活化胞吞作用的涂層四，其例如包括可用于局部改變細胞的膜結(jié)合力的分子，例如凝集素或SNARE蛋白 (可溶性N-乙基馬來酰亞胺敏感因子附著蛋白受體)。陽極層25的表面尺寸是取決于發(fā)電裝置200所期望的功率及因此發(fā)揮發(fā)電作用的細胞1所期望的數(shù)量加以選擇的。根據(jù)本發(fā)明可以設(shè)置電極裝置100例如用于容納多于 10個、100個、1，000個、10，000個或更多的細胞。相應(yīng)地，陰極21的數(shù)量可以是10個、100 個、1，000個、10，000個或更多。陽極層25的面積的大小特別優(yōu)選為至少1cm2。利用約為30 μ m的細胞直徑例如在成纖維細胞的情況下，因此可以設(shè)置100，000 個或更多的細胞以及任選100，000個或更多的陰極。對于生物細胞的應(yīng)用的理論評估得出每cm2約10 μ W的總功率，其中利用人造囊泡可以實現(xiàn)更高的功率，例如10mW。根據(jù)可用于制造長度為幾個微米且直徑小于IOOnm的電極的方法制造電極裝置 100。首先可以通過傳統(tǒng)光刻和反應(yīng)離子蝕刻(De印Reactive Ion Kching，DRIE)作為自頂向下的過程制造陰極21 (參見C. Greiner等人，“Langmuir”，第23卷，2007年，第 3495-3502頁)。通過該方法可以實現(xiàn)幾個微米的陰極長度。在使用光學(xué)光刻的情況下，陰極直徑被限制在幾百納米。若將DRIE法與電子束結(jié)構(gòu)化或者納米球光刻或嵌段共聚物微團光刻相結(jié)合，則可以產(chǎn)生更小的結(jié)構(gòu)。根據(jù)一個可選的改變方案，陰極可以通過沉積技術(shù)(自底向上的過程)形成，其中設(shè)置液-固沉積(VLS法)或金屬鹵化物還原(MHR法)。在后一情況下，在硅晶片上形成共晶層的金屬種晶用于通過物理氣相沉積生長硅納米線(參見L. khubert等人，“Applied Physics Letters”，第84卷，2004年，第4968-4970頁)。在第二種情況下，可以在使用金屬鹵化物作為種晶的情況下形成陰極(參見P. Yang等人，“ JACS”，第1 卷，2007年，第 7228-7229 頁)。根據(jù)另一個可選的方案，通過在富含碳的氣氛中由鎳基或鐵基的種晶生長的碳納米管形成陰極 21 (參見 C. J. Lee 等人，"Chemical Physics Letters”，第 323 卷，2000 年， 第 554-559 頁)。還可通過采用WO 2007/096082 Al所述的結(jié)構(gòu)化方法制造電極裝置。在此，優(yōu)選設(shè)置以下的多步法。在第一步驟中，通過熔化及隨后利用輥筒拉絲而產(chǎn)生具有規(guī)則或不規(guī)則分布的絲線排列的聚合物材料的表面，如WO 2007/096082 Al所述。由此將該出版物引入本說明書中作為參考。圖6A示例性地顯示了用于制造具有以此方式結(jié)構(gòu)化的聚合物表面12. 1的電極裝置的模制件(底模)。然后在另一個步驟中，結(jié)構(gòu)化的表面12. 1涂覆由金和SiO2和/或Si3N4組成的層并結(jié)構(gòu)化，從而形成在此所述的層結(jié)構(gòu)和電極結(jié)構(gòu)。所述涂覆過程例如包括物理氣相沉積。層的厚度是取決于具體的使用條件尤其是在考慮金層的電導(dǎo)率的情況下以及取決于S^2層和/或Si3N4層的絕緣特性加以選擇的。隨后為了在真核細胞的細胞質(zhì)與導(dǎo)電性金層之間提供電接觸，通過濕化學(xué)蝕刻或反應(yīng)離子蝕刻將絕緣性 SiO2層和/或Si3N4層與電極尖端分離。最后，為了使電極在細胞中的插入及其固定和生存能力最優(yōu)化，在使用本身已知的技術(shù)的情況下對表面進行生物功能化。圖6B所示為具有單獨的陰極21 (圖象標記)的本發(fā)明電極裝置的一部分利用掃描電子顯微鏡(SEM)拍攝的照片。該層結(jié)構(gòu)在支撐層12上包括均由金組成的陰極層23和陽極層25，它們通過由SiO2組成的絕緣層M分離。陰極21作為納米線通過在陽極層25 中的孔洞進行生長，其中陰極層23用作種晶。陰極21垂直于陽極層25的表面延伸。圖7所示為發(fā)電機容器11的其他細節(jié)，其設(shè)置用于容納根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電裝置 200 (示意性地未示出電纜)，并與培養(yǎng)裝置50 (示意性示出)相連接。發(fā)電裝置200可以定位在發(fā)電機容器11中和/或集成在發(fā)電機容器11的底部。發(fā)電機容器11是在下部11.1與上部11. 2之間形成的。下部11. 1具有圓柱形空隙，發(fā)電裝置200集成在其中。上部11. 2 的空隙是與下部11. 1相鄰地以圓錐形及向著上部11. 2的上側(cè)以圓柱形形成的。通過圓錐形區(qū)域形成發(fā)電機容器11的傾斜的邊界，其有利于導(dǎo)出氣泡。圓柱形區(qū)域形成發(fā)電機容器 11的罩子11. 3的套口(Ansatz)。為此在上部11. 2上設(shè)置具有與罩子11. 3上的內(nèi)螺紋相互作用的外螺紋的管接頭11. 4。罩子11. 3包括密封環(huán)11. 31和排氣口 11. 32。液體管道51集成在下部11. 1中用于將發(fā)電機容器11與培養(yǎng)裝置50的部分相連接。液體管道51具有偶合區(qū)域52，其均配備有用于調(diào)節(jié)介質(zhì)流入量的閥門53和用于過濾介質(zhì)流入物的陶瓷過濾器54。下部11. 1的上側(cè)和上部11. 2的下側(cè)是以相互匹配的形狀形成的。在下部和上部11. 1，11. 2之間設(shè)置有密封件11.5。下部和上部11. 1，11. 2是經(jīng)過連接裝置11. 6相互偶合的，其例如形成螺釘連接或插入卡合式連接(Rast-verbindimg)。 更有利地，連接裝置11. 6同時形成多個發(fā)電機容器11的堆疊的引導(dǎo)。因此，在上部11. 2 的上側(cè)設(shè)置有連接裝置的凸出物11. 7，而在下部11. 1的下側(cè)設(shè)置有連接裝置11. 6的空隙 11. 8，凸出物和空隙具有互補的形狀。凸出物11. 7例如是通過螺釘連接的螺釘頭形成的。根據(jù)本發(fā)明使用的發(fā)電機容器優(yōu)選為可堆疊的。在多個發(fā)電機容器11的組裝狀態(tài)，上方的發(fā)電機容器11位于下方的發(fā)電機容器11之上，從而使下方的發(fā)電機容器11的凸出物11. 7伸入上方的發(fā)電機容器11的空隙11. 8中。作為圖7圖示的其他選擇，凸出物 11. 7和空隙11. 8可以與連接裝置11. 6無關(guān)地在上部和下部11. 2，11. 1的表面上形成。在以上說明書、附圖和權(quán)利要求書中所公開的本發(fā)明的特征單獨地以及組合式地對于在其不同實施方案中實現(xiàn)本發(fā)明可以是有意義的。
權(quán)利要求
1.用于在具有膜殼⑵的細胞⑴上導(dǎo)出膜電位的電極裝置(100)，其包括(a)用于固定細胞的細胞保持器(10)，及(b)具有至少兩個第一極性的電極的電極載體(20)，其中(c)電極是作為凸出物形成的，其凸出于電極載體00)的表面上并且對于電極載體OO)的表面是電絕緣的，及其中(d)電極的排列使得在細胞保持器(10)提供有細胞(1)時電極定位在細胞 (1)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電極裝置，其中-所述電極是作為凸出物形成的，其對于細胞保持器(10)的表面是電絕緣的。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的電極裝置，其中-每個電極均具有包圍電極的絕緣外套( )，該絕緣外套在電極的縱向上延伸并使電極的末端是自由的。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的電極裝置，其包括-至少一個相反的第二極性的反電極(22)，其是在電極載體OO)的表面上和/或在反電極載體(30)上形成的，該反電極載體(30)與電極載體OO)具有一定的距離。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的電極裝置，其中-所述電極載體OO)包括具有電極層03)、絕緣層04)和反電極層05)的多層結(jié)構(gòu)， 其中電極以與電極層03)電絕緣的方式通過絕緣層04)和反電極層05)凸出于反電極層05)的表面上。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的電極裝置，其中 -所述電極帶有活化胞吞作用的涂層，和/或-所述至少一個反電極帶有增強粘著性和/或增強電導(dǎo)率的涂層。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的電極裝置，其中所述電極包括微電極， -其直徑小于10 μ m，-其尖端與電極載體OO)的距離為至少lOnm，和/或 -其是由碳、惰性金屬或摻雜半導(dǎo)體形成的。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的電極裝置，其中-設(shè)置有至少10個，尤其是至少100個彼此電連接的電極01)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的電極裝置，其中-電極和至少一個反電極02)與負載電路GO)和/或蓄電池裝置(50)相連接。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的電極裝置，其中所述細胞保持器(10)是由電極載體OO) 或反電極載體(30)形成的。
11.用于通過在具有膜殼(2)的細胞(1)上導(dǎo)出膜電位而產(chǎn)生電流的發(fā)電裝置000)， 其包括(a)根據(jù)前述權(quán)利要求之一的電極裝置(100)，及(b)設(shè)置在電極裝置(100)的細胞保持器(10)上的細胞(1)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的發(fā)電裝置，其中 -所述細胞(1)包括生物細胞或人造囊泡。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12的發(fā)電裝置，其中-所述細胞(1)在細胞保持器(10)上形成封閉的細胞層。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13之一的發(fā)電裝置，其中 -所述細胞(1)含有至少一種結(jié)合離子的物質(zhì)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14之一的發(fā)電裝置，其包括 -用于將包含離子的介質(zhì)引導(dǎo)至細胞(1)的培養(yǎng)裝置， -與電極裝置(100)相連接的負載電路(40)，和/或 -與電極裝置(100)相連接的蓄電池裝置(50)。
16.用于通過在具有膜殼( 的細胞(1)上導(dǎo)出膜電位而產(chǎn)生電流的方法，其包括以下步驟(a)提供根據(jù)權(quán)利要求11至15之一的發(fā)電裝置O00)，及(b)從電極裝置(100)導(dǎo)出電流。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其包括以下步驟 -將包含離子的介質(zhì)引導(dǎo)至細胞(1)，和/或 -細胞(1)在細胞保持器(10)上進行培養(yǎng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17的方法，其中-所述細胞(1)包括生物細胞或人造囊泡，其是通過自集成而獨立地與電極接觸的。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至14之一的電極裝置(100)或發(fā)電裝置(200)用于為負載電路 (40)和/或蓄電池裝置(50)產(chǎn)生電流的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于在具有膜殼(2)的細胞(1)上導(dǎo)出膜電位的電極裝置(100)，其包括用于固定細胞的細胞保持器(10)，及具有至少兩個第一極性的電極(21)的電極載體(20)，其中電極(21)是作為凸出物形成的，其凸出于電極載體(20)的表面上并且對于電極載體(20)的表面是電絕緣的，及其中電極(21)的排列使得在細胞保持器(10)提供有細胞(1)時電極(21)定位在細胞(1)中。本發(fā)明還涉及用于通過在具有膜殼(2)的細胞(1)上導(dǎo)出膜電位而產(chǎn)生電流的發(fā)電裝置(200)以及用于通過在細胞(1)上導(dǎo)出膜電位而產(chǎn)生電流的方法。
文檔編號C12M3/00GK102209779SQ200980144628
公開日2011年10月5日 申請日期2009年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月16日
發(fā)明者A·拉斯托姆, J·施帕茨 申請人:馬克思-普朗克科學(xué)促進協(xié)會