DE4400955C2 - Adhäsionssteuerbare Oberflächenstruktur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer leitfähigen Oberflächenstruktur zur Steuerung des Anlagerungsverhaltens von - in einer wässrigen oder leitfähigen Lösung suspendierten - mikroskopischen Partikeln und Zellen (Teilchen) auf der Oberflächenstruktur. Sie betrifft auch ein Verfahren unter Anwendung dieser Struktur zur schonenden Beeinflussung, insbesondere zur Steuerung der Adhäsionseigenschaft, der Partikel und Zellen in der oberflächennahen wässrigen oder leitfähigen Lösung.

In der Medizintechnik, der Biokompatibilitätsforschung, insbesondere bei der Herstellung transplantierbarer Materialien, aber auch in der biologisch-pharmakologischen Forschung wird seit langem nach Oberflächen gesucht, die einerseits abstoßend auf in physiologischen und technischen Lösungen befindliche Partikeln und Zellen wirken, andererseits in bestimmten Fällen die Adhäsion fördern, vgl. BOGRAND (ed.), Physical Basis of Cell-Cell-Adhesion, CRC Press, Inc., Boca Raton, Florida, 1988, CURTIS/PITTS (eds.), Cell Adhesion and Motility, Cambridge University Press, Cambridge, 1980, GRINELL, Int. Rev. Cytol., 53:65-144, 1978, LEE, Recent Advances in Adhesion, Gordon, London, 1973, OTTEWILL/ROCHESTER and SMITH, (eds.), Adsorption from Solution, Academic Press, London, PERELSON, DeLISI and WIEGEL, Cell Surface Dynamics, Concepts and Models, Marcel Dekker, Inc., New York, Basel, 1984. In der Regel wird diese "Oberflächenmodifizierung" über Hydrophilisierung oder Hydrophobisierung, über die Ankopplung geladener molekularer Gruppen oder durch lokale Ankopplung hochspezifischer Bindungsstellen (z. B. Antikörper) erreicht. Nachteilig an diesen Oberflächenmodifizierungen ist die geringe Reichweite in die Partikelsuspension (in der Regel wenige Å), die sehr unterschiedliche Langzeitstabilität, sowie die nicht vorhandene Steuerbarkeit der Effekte.

Daß elektrische Felder über Elektroden in eine Partikel- oder Zellsuspension ausgekoppelt werden können und über Polarisation der Teilchen Moleküle und Zellen zu den Elektroden hin- oder wegdrücken können, wurde ausführlich von POHL untersucht, vgl. POHL, Dielectrophoresis, Cambridge Press, Cambridge 1978, oder US 4,390,403.

Diese als Dielektrophorese bezeichneten Kräfte können sowohl anziehend (positive Dielektrophorese) als auch abstoßend (negative Dielektrophorese) wirken. Das Phänomen wird sowohl zur Sammlung von Schmutzpartikeln in makroskopischen Filtern als auch zur Sammlung und Separation von Zellen und Mikropartikeln in Mikrostrukturen genutzt, ist allerdings bisher aus folgenden Gründen nur begrenzt nutzbar:

• a) Elektroden wurden im makroskopischen Bereich verwendet und, bis zu einigen Mikrometern miniaturisiert, auch auf planaren Oberflächen erzeugt. Die in die Flüssigkeit entkoppelten elektrischen Hochfrequenzfelder durchdringen dann mit nahezu gleicher Feldstärke die gesamte Zelle, woraus eine hohe Belastung der Objekte (Zellen und Partikel) resultiert und sehr hohe Anregungsspannungen erforderlich sind (einige V bis zu einigen 100 V).
• b) Die Elektroden sind immer noch so groß, daß sich Zellen auf ihnen ablagern können, obwohl das Feld angeschaltet ist, da sie auf der breiteren Elektrode keine Nachbarelektroden mehr spüren, wodurch der angestrebte Effekt zunichte gemacht wird. Dieses Problem entsteht z. B. in der WO 91/11262 A1 (P Sciences Limited), wo zwar ein Elektrodenarray benutzt wird, das kammerförmig (vgl. die dortige Fig. 1B) sein kann, nicht aber dessen Größe und Abmessung an die zu beeinflussenden Partikel angepaßt sind. Diese Schrift befaßt sich mit den Größen und Formen von "non-uniform-Magnetfeldern" und deren Einfluß auf chemische Reaktionen zwischen den Zellen.
• c) Mit den Elektroden in Kontakt gekommene oder direkt von ihnen angezogene Zellen oder Partikel verändern sich auf Grund der Metall-Zelloberflächenreaktion irreversibel.

Hochfrequente Wanderwellen, erzeugt über elektrische Signale, wurden von MELCHER zum Pumpen von Ölen genutzt, vgl. J. R. MELCHER, The Physics of Fluids, 9:1548-1555, 1966. Ende der 80er, Anfang der 90er Jahre konnte dieses Prinzip auch in Mikrokanälen mittels halbleitertechnologisch gefertigter Elektrodenstrukturen umgesetzt werden. Das Prinzip beruhte auf der Stabilisierung eines Temperaturgradienten und der Erzeugung phasenverschobener Raumladungen. Auch hier lag die Elektrodenbreite bei einigen 10 µm, vgl FUHR et al., MEMS 92, Proceedings, 1992.

Daß auch Partikel und Zellen mittels wandernder elektrischer Felder selektiv bewegt werden können, wurde von MASUDA, IEEE Transaction on Industry Applications, Vol. 24, 217-222, 1988, gezeigt und 1991 auf hochfrequente Wanderwellen ausgedehnt, vgl. FUHR et al., MEMS 91, Proceedings, 259-264, 1991. Ziel dieser planaren Anordnung war die Bewegung einzelner Zellen in Mikrokanalsystemen mit dem Ziel der Zellseparation, wie sie in WO 93/3850 und inhaltsgleich in DE 41 27 405 A1 (Fraunhofer- Gesellschaft) näher erläutert ist. Dieselbe Zielrichtung vermittelt die Schrift studia biophysica, Vol. 140 (1991), No. 2, Seiten 79 bis 102, mit der unter der "Manipulation" der Teilchen der Transport der Teilchen verstanden wird, auf die positive und negative dielektrophoretische Kräfte einwirken, vgl. dort Fig. 8 und Seite 95, erster Absatz.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Oberfläche in ihrem Adhäsionsverhalten elektrisch steuerbar zu gestalten, insbesondere suspendierte Zellen und Makromoleküle schonend in den oberflächennahen Bereichen der wässrigen oder leitfähigen Lösung in ihrer Bewegung zu beeinflussen.

Das wird mit der technischen Lehre des Anspruches 1 erreicht. Die elektrisch steuerbaren Adhäsion einer dielektrisch abgedeckten Submikrometer-Elektroden-Streifenfläche bewirkt eine steuerbare Verhinderung der Anlagerung der Partikel oder Zellen (im folgenden: "Teilchen"). Die Isolierschichten (Merkmalsgruppe b des Anspruches 1) sind solche Schichten, die die wässrige oder leitfähige Lösung mit den darin suspendierten Teilchen von den Elektroden trennt, demnach "isoliert". Diese Isolierung ist sowohl mechanisch gemeint, sie ist ebenso elektrisch gemeint, es kann auch eine Kombination der beiden vorerwähnten Isoliermöglichkeiten sein. Günstig ist ein hoher Dielektrizitäts-Koeffizient, zwingend erforderlich ist er allerdings nicht.

Mittels einer im Subminiaturbereich strukturierten planaren Oberfläche können die mikroskopischen und submikroskopischen "Teilchen" elektrisch gesteuert an der Isolierschicht angelagert oder abgestoßen werden, ohne sie hohen Belastungen auszusetzen, ohne sie chemisch zu verändern und ohne mit dauerhaften nicht ablösbaren Ablagerungen konfrontiert zu werden (Anspruch 19).

Mit den Elektrodensystemen der Erfindung kann mit physiologischen (leitfähigen) und sogar mit hochleitfähigen Lösungen gearbeitet werden. Dieser Umstand erweitert die medizinisch-biologische Anwendung elektrischer Feldtechniken erheblich, und zwar um einen Anwendungsbereich, der bisher für nicht funktionsfähig erachtet wurde.

Extrem schmale Elektrodenbänder werden in sich wiederholender Folge auf eine Oberfläche so schmal aufgebracht, daß im günstigsten Falle mehrere Elektrodenbahnen dem typischen Durchmesser der Teilchen entsprechen.

Unter Subminiaturbereich versteht die Erfindung einen Bereich, der bei etwa 10 µm beginnt und nach unten unbegrenzt ist, allerdings derzeit durch zur Verfügung stehende Fertigungstechniken auf Bereiche um 500 nm beschränkt blieb. Gleichwohl haben Experimente gezeigt, daß die patentgemäßen Wirkungen umso deutlicher zu Tage treten, als die Abmessungen weiter verringert werden. Besonders relevant ist demnach der Submikrometer-Bereich unter 1 µm.

Ein direkter Kontakt der Partikel mit den Elektroden wird durch eine aufgelagerte, insbesondere biokompatible, dielektrische Schicht verhindert, deren Materialeigenschaften so gewählt werden, daß ein elektrisches Feld mit einer noch ausreichenden Feldstärke in den oberflächennahen Flüssigkeitsraum ausgekoppelt werden kann. Da die Feldstärke mit dem reziproken Abstand der Elektroden und proportional zur angelegten Spannungsdifferenz zunimmt, ergibt sich erst im Submikrometerbereich die Möglichkeit mit geringen Amplituden (100 mV bis 1 V) die erforderlichen Feldstärkegradienten auf einer Seite der Partikeln und Zellen zu erzeugen.

Die in die Flüssigkeit eingekoppelten Feldstärkegradienten werden mit schmaler werdenden Elektroden auch schneller mit dem Abstand von der Oberfläche abfallen, da sich die Anteile im oberflächenfernen Flüssigkeitsbereich überlagern und kompensieren. Dieser Umstand vermindert die elektrische und thermische Belastung der Partikeln außerordentlich.

Erfindungsgemäß läßt sich dieser Effekt über die Applizierung wandernder elektrischer Oberflächenwellen, vornehmlich im Hochfrequenzbereich (kHz bis MHz) verstärken, so daß unter den oben geschilderten Randbedingungen eine elektrische Steuerung der Adhäsionseigenschaften der Oberfläche erfolgen kann und die Teilchen erst dann in den elektrischen Einflußbereich der Oberfläche gelangen, wenn sie der Oberfläche sehr nahe kommen.

Die aufgebrachten erfindungsgemäßen Schichten koppeln einerseits das wandernde elektrische Feld in geeigneter Weise in den oberflächennahen Flüssigkeitsraum aus und verhindern andererseits elektrolytische Prozesse, so daß sie in physiologischen Lösungen hoher Leitfähigkeit eingesetzt werden können (Anspruch 15).

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.

Fig. 1 und Fig. 3 sind jeweils perspektivische Ansichten der mikrostrukturierten Oberfläche mit elektrisch leitenden Elektrodenstreifen 22, 42, 44 und aufgelagerten Isolier- Schichten 23, 45, 43.

Fig. 2 und Fig. 4 sind Schnittbilder der in Fig. 1 und Fig. 3 dargestellten Strukturen.

Fig. 5 dient der Erläuterung der Kraftwirkung auf ein zelluläres Objekt 54.

Fig. 6 veranschaulicht in zwei Bildern die zellschonende Wirkung von Oberflächenstrukturen im 1 µm-Bereich.

Fig. 7a und Fig. 7b sind Darstellungen, wie mit potentialmäßig gesteuerten Elektroden Säure und Base (auch Anode und Kathode) erzeugbar sind um dem pH-Gradienten von Fig. 7b im µm-Bereich zu stabilisieren.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen eine in ihrem Adhäsionsverhalten (bezüglich Teilchen in Suspension) elektrisch steuerbare planare Oberfläche mit einer Elektrodenstreifenfläche 11. Die Elektroden 22 sind über 4 Zuleitungen 12, 13, 14 und 15 zu Gruppen von jeweils 4 Elektroden zusammengefaßt und periodisch in dieser Gruppenkonfiguration (a, b, c, d ...) ansteuerbar. In gleicher Weise können Gruppen aus jeweils 3 oder auch mehr Elektroden gebildet werden. Auf diese Weise ist es möglich, in ihrer Richtung festlegbare elektrische Wanderwellen zu erzeugen.

Im angegebenen Beispiel wird dies erreicht, indem vier um jeweils ein Viertel in der Phase verschobene periodische Signale an die Zuleitungen 12, 13, 14 und 15 angelegt werden, so daß sich über der Elektroden-Streifenfläche 11 ein mit einer vorgebbaren Geschwindigkeit ausbildendes Wanderfeld erzeugt wird, das die Teilchen in der Suspension schonend bewegt.

Die den Elektroden aufgelagerte Isolier-Schicht 23 koppelt die wandernden Felder dielektrisch in die darüber befindliche Flüssigkeit 24 aus und kann biokompatibel sein.

Die Oberflächenwellen werden umso kräftiger ausgekoppelt, je höher die relative Dielektrizitätskonstante und je dünner die Isolier-Schicht 23 gewählt werden. Typische Dicken für die beschriebenen Anwendungen sind einige l0 nm bis zu einigen Mikrometern ("Sub-Mikrometerbereich"). Die aufgelagerte Schicht kann jedoch auch durch mono-, bi- und multimolekulare Schichten ersetzt oder ergänzt werden. Mit diesen Schichten können die zellspezifischen biokompatiblen Eigenschaften wesentlich unterstützt werden. Als Materialien kommen beispielsweise Polyuretan, Teflon, Metall- und Halbleiteroxide oder -isolatoren (SiO₂, SiC, Si₃N₄) in Frage. Die molekularen Schichten können Lipide, Detergentien, Polymere oder ähnliches sein.

Über diese Isolier-Schichten können die Oberflächen zusätzlich lateral in ihren Adhäsionseigenschaften strukturiert und prädeterminiert werden.

Die Steuerung der Adhäsionseigenschaften erfolgt über das Anlegen der hochfrequenten Signale mit Frequenz, gegeseitigem Phasenbezug und Amplitude. Im Beispiel wandern die elektrischen Oberflächenwellen jeweils in eine Richtung. Durch veränderte Beschaltung der Elektroden über die Zuführungen 12, 13, 14 und 15 können gegenläufige, stehende und alternierende Wellen erzielt werden. Die so gesteuerte Einheit kann auf feste oder flexible Substrate 21 (mit der Oberfläche 16) makroskopisch flächenbedeckend aufgebracht werden.

Diese Strukturen können auch in aufgerollter Form die Wände von Schläuchen oder anderen Reaktionsräumen (treatment cells) bilden.

Die beschriebenen Strukturen werden mit bekannten Herstellungstechniken der Halbleitertechnologie, z. B. in Elektronenstrahl-Lithographie und bekannten Abscheide- und Ätzverfahren erzeugt.

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen eine Oberflächenstruktur bei der zwei zueinander dielektrisch isolierte Elektroden- Streifenflächen 42, 44 um 90° gedreht angeordnet sind. Die gesamten Elektrodenstreifen sind mit Isolier- Deckschichten 31, 32, 45 passiviert, über die die wandernden Oberflächenwellen beider Elektrodenebenen in die Flüssigkeit ausgekoppelt werden können. Je nach Anwendungszweck können die Einzelelektroden entweder in Gruppen zusammengefaßt und miteinander verknüpft bzw. einzeln angeschlossen sein. Der Anschluß erfolgt über Zuführungen 33, 34, die zu den Elektrodenstreifen oder -gruppen führen.

Der Verlauf der Elektroden muß nicht gerade sein, sondern kann in gebogenen, gezackten, mäanderförmigen oder spiraligen Formen auf der Oberfläche 41 verlaufen. Damit lassen sich zusätzlich zu den Adhäsionseigenschaften über dem Elektrodenareal befindliche Teilchen sammeln und an bestimmten Orten des Oberflächenarrays ablegen bzw. von diesem entfernen. Muster können gesteuert erzeugt werden.

Fig. 5 zeigt die schematischen Größenverhältnisse, wie sie bei der Verwendung tierischer Zellsuspensionen 56 mit Zellgrößen 54 von einigen Mikrometern auftreten und stellt den günstigsten Fall für physiologisch stark leitfähige Zellsuspensionen dar. Es ist ersichtlich, daß die submikrometerbreiten Elektroden 52 notwendig sind, um den Einfluß der beschriebenen Oberflächenstrukturen auf den oberflächennahen Raum 55 zu beschränken. Dadurch ist die belastungsarme Beeinflussung des Zell- und Partikel-Adhäsionsverhaltens gegeben.

Es ist davon auszugehen, daß der Oberflächen-Wanderwelleneinfluß in Lösung nur 2 bis 5 Elektrodenbreiten reicht. Damit ist ein nach der Partikelgröße unterschiedlicher Strukturierungsgrad definiert.

Jedes der gezeigten Ausführungsbeispiele kann geometrisch variiert und in Hybridstrukturen eingeordnet werden. Ebenfalls kann die erfindungsgemäße Oberflächenstruktur auch zur Freihaltung von Mikroelementen genutzt werden, die als Sensor eingesetzt werden.

Die Fig. 6 veranschaulicht die Wirkung, die mit den zuvor erläuterten Subminiatur-Strukturen gegenüber einer Zelle in der Größenordnung von einigen 10 µm erhalten wird. Während große Elektroden, die einen Abstand von Mitte zu Mitte in der Größenordnung von 30 µm haben, die Zelle stark großflächig mit positiven und negativen Influenzladungen belasten, so daß in der Zelle ein erhebliches Potentialgefälle entsteht, wird dies mit den im rechten Halbbild gezeigten Subminiatur-Elektroden nicht mehr geschehen, da sich hier die unterschiedlichen Ladungen an der Oberfläche der Zelle mit einer Periode wiederholen, die der Periode der Subminiatur-Elektrodenstreifen etwa entspricht, so daß nur geringes Potentialgefälle entsteht und sich ein gleichförmig alternierendes Spannungsgefälle an der Oberfläche der Zelle aufbaut. Dieses ist für die Zelle besonders schonend und belastet sie nur wenig, während die von den schmalen Elektrodenstreifen auf die Zelle aufgebrachte Kraft gleichwohl erheblich ist.

Mit dieser Wirkung und den Strukturen gemäß den Fig. 1, 3 und 5 werden also schonende Feldkraft-Abschirmungen, sogenannte "Field Force Shields" in begrenztem Bereich oberhalb der Subminiatur-Elektrodenstruktur erreicht.

Ein Beispiel für Dimensionierung und Werkstoffe, mit dem beispielsweise die Fig. 5 implementiert wurde, ist folgendermaßen:

Gold-Elektrodenstreifen 52 haben eine Breite von 500 nm. Die Lücke zwischen den Elektrodenstreifen 52a, 52b, 52c, 52d ... beträgt jeweils 500 nm. Die Elektrodenhöhe ist - abweichend von der rechteckigen Struktur der Fig. 5 - etwa auch 500 nm. Die Elektrodenstreifen-Struktur wurde mit Elektronenstrahl- Lithographie erzeugt. Das Substrat 51 ist Silizium. Die Abdeckschicht 53 ist aus Glas. Ebenfalls aus Glas ist der Zwischenraum zwischen jeweils zwei Elektroden-Streifen. Das eingesetzte Feld (die eingesetzte Spannung) hat eine Frequenz von 1 MHz und eine Spannung von 1.5 V_pp. Die verwendete Erythrozyten-Suspension hat eine Leitfähigkeit von 1.2 S/m. Auch nach mehr als einer Stunde blieb die Oberflächenstruktur des beschriebenen Beispiels ohne jede Ablagerung von Erythrozyten.

Das Beispiel und die Darstellung der verschiedenen Subminiatur- Strukturen zeigt die Möglichkeit auf, daß biokompatible Oberflächen geschaffen werden können, bei denen verhindert werden kann, daß sich die Teilchen ablagern, so daß Trombosen vermieden werden können. Daneben bietet sich die Anwendungsmöglichkeit der Sensorik, bei der verhindert werden kann, daß sich Partikel auf den Sensorflächen ablagern, womit Sensoren entstehen, die eine hohe Lebensdauer haben.

Weitere Anwendungen der beschriebenen Strukturen sind die Implanatationstechnik und der Aufbau von Optiken.

Nicht unerwähnt bleiben soll die anhand der Fig. 7a und 7b erläuterte Anwendungsmöglichkeit des im µm-Bereich stabilisierten pH-Gradienten. Mit ihm bietet sich die Möglichkeit der Sichtbarmachung von Elektrodendefekten, mit ihm können chemische Mikro-Reaktionssysteme aufgebaut werden, mit ihm können pharmakologische Testsysteme entstehen, schließlich können biologische/medizinische Zellkulturen erforscht werden.

Die Elektrodenstruktur gemäß der Fig. 7a erlaubt die potentialmäßige Steuerung und die Erzeugung von Säure und Base auch Kathode und Anode. Dies gelingt allein mit der elektrischen Ansteuerung der im µm-Bereich geschaffenen Elektroden-Struktur. Die Einzelelektroden werden asymmetrisch mit geringen Spannungen im Bereich zwischen 1 V bis 2 V gepulst. Abhängig von dem Elektrodenabstand (Fig. 7b) entstehen unterschiedliche pH-Werte, mit denen ein Gradient oberhalb der Elektroden- Struktur geschaffen werden kann. Der pH-Gradient kann über einen pH-abhängigen Fluoreszenzmarker sichtbar gemacht werden.

Claims (22)

1. Verwendung einer auf einem Substrat (21, 41, 51) angeordneten Oberflächenstruktur (52; 22; 42, 44) zusammen mit einer wässrigen oder leitfähigen Lösung und darin suspendierten mikroskopischen und submikroskopischen Partikeln oder Zellen (Teilchen) zur gesteuerten Verhinderung der Anlagerung der suspendierten Teilchen auf der Oberflächenstruktur, wobei

• a) die Oberflächenstruktur in Gruppen ansteuerbare Elektroden (52; 22; 42, 44) mit einer Breite und einem Abstand im Submikrometerbereich hat, die im Betrieb mit zueinander phasenverschobenen oder gepulsten hochfrequenten periodischen Signalen beaufschlagt werden (12 bis 15; 34, 33);
• b) die daraus resultierenden wandernden oder stehenden elektrischen Oberflächenwellen über - die Elektroden (52; 22; 42, 44) bedeckende - Isolierschichten (23; 53; 43, 45) in die Lösung oberflächennah ausgekoppelt werden.

2. Verwendung der Oberflächenstruktur nach Anspruch 1, wobei die über jeweils mindestens drei Elektroden (22a, 22b, 22c, 22d) erzeugten wandernden elektrischen Oberflächenwellen in ihrer Wanderrichtung periodisch umgeschaltet werden und/oder aufeinander zu bzw. voneinander weglaufen.

3. Verwendung der Oberflächenstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei über jeweils mindestens drei Elektroden (22a, 22b, 22c) erzeugte wandernde Oberflächenwellen unterschiedliche Wandergeschwindigkeiten dadurch besitzen, daß die Elektroden (52; 22; 42, 44) der Gruppen mit in der Frequenz verschiedenen periodischen Signalen angesteuert werden.

4. Verwendung der Oberflächenstruktur nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Wandergeschwindigkeit elektrischer Oberflächenwellen sich periodisch ändern und/oder stehende Wellen erzeugt werden.

5. Verwendung der Oberflächenstruktur nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die den Elektroden (52; 22; 42, 44) aufgelagerten Isolierschichten (23; 43, 45; 53) verlustbehaftete Dielektrika sind, die die Elektroden zumindest teilweise bedecken.

6. Verwendung der Oberflächenstruktur nach Anspruch 5, wobei die den Elektroden (52; 22; 42, 44) aufgelagerten Isolierschichten (23; 43, 45; 53) aus mehreren Lagen bestehen, insbesondere mikrostrukturiert sind.

7. Verwendung der Oberflächenstruktur nach einem der vorigen Ansprüche, wobei zwischen den Elektroden (52; 22; 42, 44) als Streifen ein anderes dielektrisches Material streifen- oder domänenartig angeordnet ist.

8. Verwendung der Oberflächenstruktur nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Elektroden (52; 22; 42, 44) streifenförmig ausgebildet und angeordnet sind und im Vergleich zur Breite der Elektroden große Flächen bedecken.

9. Verwendung der Oberflächenstruktur nach einem der vorigen Ansprüche, wobei - zueinander isoliert (43) - mehrere Elektrodenareale (42, 44) übereinander angeordnet sind.

10. Verwendung der Oberflächenstruktur nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Elektroden (52; 22; 42, 44) senkrecht zur Oberfläche gewellt oder gefaltet sind.

11. Verwendung der Oberflächenstruktur nach einer der Ansprüche 1 bis 10, die durch Verbindungen, wie Kanäle oder Poren, die die angrenzenden Volumenphasen hydrodynamisch, osmotisch oder elektrisch zueinander in Kontakt bringen, durchbrochen ist.

12. Verwendung der Oberflächenstruktur nach einem der vorigen Ansprüche, wobei durch Aussteuerung einzelner Elektroden (22a, 22b, 22c, 22d; 42a, 42b ...; 44a, 44b ...; 52a, 52b ...) oder Elektrodengruppen in lokal begrenzten Bereichen Adhäsionsmuster mit einer Periode der doppelten Elektrodenbreite erzeugt werden.

13. Verwendung der Oberflächenstruktur nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Isolierschicht (23; 43, 45; 53) eine Dicke (d) im Sub-Mikrometerbereich (von molekularer Dicke bis µm-Dicke) aufweist.

14. Verwendung der Oberflächenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Schicht (23; 43, 45) aus einem in der Halbleitertechnik verwendeten Werkstoff gebildet wird, insbesondere aus SiO₂, SiC, Si₃N₄, Bariumtitanat, Tantaloxyd oder einem Abdecklack.

15. Verwendung einer Oberflächenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer physiologischen Lösung hoher Leitfähigkeit, insbesondere einer Nährlösung.

16. Verwendung einer Oberflächenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als Biosensor hoher Lebensdauer.

17. Verwendung einer Oberflächenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als Biosensor zur Stabilisierung von pH-Gradienten in wässrigen oder leitfähigen Lösungen.

18. Verwendung der Oberflächenstruktur nach einem der vorigen Ansprüche 1 bis 14, wobei die Isolierschicht (23; 43, 45)

• a) eine mechanische Trennschicht, eine elektrische Isolierschicht oder eine Kombination davon ist; und/oder
• b) eine dielektrische Schicht mit insbesondere hohem Dielektrizitäts-Koeffizienten ist.

19. Verfahren zur Manipulation von in einer wässrigen oder leitfähigen Lösung suspendierten Teilchen, bei dem eine auf einem Substrat (21, 41, 51) aufgebrachte Elektrodenstruktur aus Elektrodenstreifen (52; 22; 42, 44) einer Periode im Größenbereich unter 10 µm im Betrieb mehrere Perioden von induzierten positiven und negativen Ladungsverteilungen auf der Oberfläche jeweils eines Teilchens erzeugt und die suspendierten Teilchen auf diese Wiese belastungsarm aber kräftig in der wässrigen oder leitfähigen Lösung oberflächennah beeinflusst.

20. Verfahren nach vorherigem Verfahrensanspruch, bei dem die positiven und negativen Ladungsverteilungen auf einem Teilchen stark großflächig induziert werden.

21. Verfahren nach vorherigen Verfahrensansprüchen 20 oder 19, bei dem sich die unterschiedlichen Ladungen an der Oberfläche der jeweiligen Zelle mit einer Periode wiederholen, die der Periode der Subminiatur- Elektrodenstreifen etwa entspricht.

22. Verfahren nach einem der vorherigen Verfahrensansprüchen 19 bis 21, bei dem verhindert wird, daß sich die suspendierten Teilchen auf der Oberfläche, insbesondere Sensorfläche, ablagern.