Kurzfassung
In dieser Arbeit wurde ein definiertes hybrides neuronales Netzwerk auf Halbleiter Mikroröhrchenmatrizen realisiert. In die Wand der Mikroröhrchen wird ein Quantentopf eingeschlossen, welcher dem Röhrchen eine optisch aktive Charakteristik verleiht. Ausserdem wird eine neue Methode der optischen Detektion von Aktionspotentialen mit Hilfe der optisch aktiven Mikroröhrchen vorgestellt.
Im ersten Teil der Arbeit werden die Grundlagen des topologisch gesteuerten Wachstums von Neuronen und der Mechanismus der neuronalen Kommunikation,auch Aktionspotenital genannt, erklärt.
Im zweiten Teil wird die Herstellung der Mikroröhrchen beschrieben, welche auf dem Konzept von selbstrollenden Schichten mit fehlangepassten Gitter basiert. Zusätzlich werden drei Methoden zur Bio-Kompatibilisierung von den Mikroröhrchenproben gezeigt. Um die Zellen von dem toxischen Arsenanteil zu schützen, werden die Proben mit verschiedenen biokompatiblen Polymeren beschichtet. Die Bereiche, an denen die Zellen sich absetzen sollen,
werden selektiv mit einer speziellen Animosäure definiert.
Der dritte Teil stellt die Ergebnisse des topologisch gesteuerten Neuronenwachstum auf drei verschiedenen Röhrchenanordnungen vor: Streifen, Kornblumen-Muster und Schach. Die besten Ergebnisse wurden an der Schachanordnung erzielt, wobei die Aminosäure nur die Bereiche der Röhrcheneingänge bedeckte.
Im vierten Teil wird eine neue Methode zur optischen Detektion von Aktionspotentialen vorgestellt und als Machbarkeitsnachweis werden Messungen mit einem künstlichen Axon durchgeführt. Die Simulationen imitieren die Ausbreitung des Aktionspotentials und zeigen eine Rotverschiebung im Emissionsspektrum des Potentialtopfs im Vergleich zu dem Fall, in dem sich kein Aktionspotential ausbreitet.
In this thesis a well-defined large scale hybrid neural network on semiconductor microtube arrays is realized. A quantum well is embedded in the multi-layered wall of the microtube as a special feature giving it optically active characteristics. Furthermore, a novel method of optical detection of action potentials via optically active microtubes is proposed and supportedwith experiments and simulations on artificial axons. In the first part of the thesis, the fundamentals of neuron guiding and the mechanism of how neurons communicate with each other, called action potential, are explained. In the second part the fabrication of the microtubes, based on the selfrolling of lattice mismatched layers, is described. In addition, three methods of bio-compatibilization of the samples are pointed out. To protect the cells from the toxic compound of the substrate, arsenic, the samples are coated with different biocompatible materials. To confine the adhesion areas of the neurons, the samples are coated with arrays of a specific amino-acid. The third part presents the results of neuron guiding on three different microtube arrays: stripe, cornflower and chess. The best neuron guiding results were achieved utilizing the combination of chess arrays by printing an adhesive amino acid selectively in the entrance-areas of the microtubes. In the fourth part a novel method of action potential detection via optically active microtubes is proposed and as a proof of concept measurements with artificial axons in the microtubes are carried out. Simulations mimicking action potential propagation in the microtube show a red shift in the emission energy of the quantum well in comparison to the case where no action potential propagates along the microtube’s wall.