植入式微元件電極制造技術

本公開提供了可用在各種醫療器材中的穩健的植入式微元件電極。該醫療器材可以是例如可監測或刺激生物體的腦、脊柱、神經或器官中的神經活動的神經探針。該微元件電極具有小物理輪廓，具有超薄尺寸，同時具有高強度和撓性。該微電極具有導電芯材，例如碳。芯材表面包括一個或多個涂有導電材料的導電區和一個或多個具有非導電生物相容聚合物涂層的非導電區。具有這種微元件的植入式器材能在生物體中植入非常長時間。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本公開涉及導電微元件，更具體涉及能植入生物體以監測電生理活動和/或電化學活動的導電微元件電極，如用于監測神經活動的神經探針。政府權利 依據美國國立衛生研究院頒布的NS068396和EB002030在政府扶持下作出本專利技術。政府在本專利技術中享有某些權利。
技術介紹
這一節提供了與本公開相關的背景信息，其不一定是現有技術。植入式微型神經探針是用于神經科學的重要工具。以高精確度長期監測特定神經元集合的能力是神經科學研究中用于將低級神經元回路與高級腦功能，如學習、記憶和感知聯系起來的有力工具。在臨床方面，也使得能夠使用精細的神經生理學反饋信號開發閉環神經刺激和神經假體系統。除神經記錄用途外，這樣的微電極還能實現制造持久高保真的神經界面的新方法，其直接有益于神經刺激用途。由于Strumisser于1958年在冬眠松鼠中引入用于長期神經記錄的微絲束的開創性研究，一直推動開發改進的植入式微電極技術。盡管已經研究了各種植入式探針，記錄質量并未達到最佳。此外，使用常規植入式微電極，最后記錄會隨時間退化并最終失效。如今神經界面技術中的主要挑戰仍是制造用于從選擇性神經元集合中長期、穩定、高保真的峰電位(spike)記錄的可靠植入式器材。
技術實現思路
這一節提供了本公開的一般概述，并且不是其完全范圍或其所有特征的全面公開。在各種方面中，本公開提供了植入式微元件電極。在某些方面中，本公開涉及包含導電芯材的植入式微兀件電極。在某些方面中，該導電芯材可具有大于或等于大約200 GPa的彈性拉伸模量和大于或等于大約5 GN/μπι的剛度標稱值。在某些變體中，該導電芯材包含碳。此外，該植入式微兀件電極包含位于導電芯材表面上的一個或多個導電區。所述一個或多個導電區包含導電的生物相容涂層。此外，該植入式微兀件電極包含位于導電芯材的表面區域上的非導電的生物相容涂層。安置非導電生物相容涂層的區域是不存在所述一個或多個導電區的那些區域。在各種方面中，該微元件電極具有至少一個小于或等于大約10微米的尺寸。在某些方 面中，該非導電生物相容涂層具有小于I微米的厚度。在另一些方面中，本教導提供了用于植入式醫療器材的微兀件電極，其包含含有碳并具有小于或等于大約10微米的直徑的導電芯材。在導電芯材表面上安置一個或多個導電區。所述一個或多個導電區包含導電聚合物涂層。此外，在導電芯材表面的不存在所述一個或多個導電區的區域上安置非導電聚合物涂層。在某些變體中，非導電涂層包含派瑞林(parylene)聚合物或派瑞林聚合物衍生物。在某些變體中，該非導電涂層具有小于或等于大約I微米的厚度。在再一些方面中，本公開提供了監測、感應或刺激生物體中的神經活動的方法。在一個方面中，這種方法包括與植入生物體中的探針電聯通。在某些變體中，該方法包括與植入生物體腦中的神經探針電聯通。該探針任選地具有小于或等于大約2，000平方微米(Mffl2)的截面積并包含至少一個微元件電極。所述至少一個微元件電極包含具有下述表面的導電芯材，在該導電芯材的所述表面上設有一個或多個導電區。設于導電芯表面上的所述一個或多個導電區包含導電聚合物涂層。此外，在導電芯材表面上與不存在所述一個或多個導電區的位置對應的區域上安置有非導電聚合物涂層。在某些變體中，該微元件電極具有至少一個小于或等于大約10微米的尺寸。由本文中提供的描述容易想到其它適用領域。概述中的描述和具體實例僅用于舉例說明并且無意限制本公開的范圍。附圖說明本文中描述的附圖僅為了舉例說明所選實施方案而非所有可能的實施方案，并且無意限制本公開的范圍。圖1A-1E顯示了微元件電極的對比用能，其中一些根據本教導制備。圖1A-1C是對比用裸碳纖維(lA)、800nm派瑞林-N涂布的碳纖維(IB)和具有電沉積的PED0T/PSS電極記錄位點(site)的派瑞林涂布的碳纖維(IC)的掃描電子顯微術SEM圖像。圖1D是微元件微線電極(microthread electrode, MTE)的組裝件；將碳纖維安裝到印刷電路板上，化學氣相沉積(CVD)派瑞林涂布，涂布用聚(乙二醇)官能化的派瑞林(PPX-PEG)，切割和電沉積聚(3，4-乙撐二氧噻吩)(PED0T)。圖1E是5mm “Michigan”型電極和用本公開的微元件電極制成的微線電極的尺寸比較。圖2A-2E顯示了微線電極的體外表征。圖2A是派瑞林涂布的纖維、具有暴露的碳尖端的派瑞林涂布的碳纖維和使用各種沉積電荷密度的具有電沉積的PED0T/PSS記錄位點的派瑞林涂布的碳纖維的循環伏安法跡線(traces) (CV)。圖2B是阻抗波德幅頻圖。圖2C是波德相頻圖。圖2D是在I kHz阻抗下的對比。且圖1E是電荷承載能力的對比。圖3A-3E顯示了根據本教導制備的微元件電極的體內單神經元(single unit)記錄能力。圖3A是來自派瑞林涂布的PEDOT微線電極的累積單神經元神經記錄。圖3B是平均神經元峰電位。圖3C和3D是PEDOT位點MTE (3C)和對比用碳位點MTE (3D)的5秒原始神經記錄。圖3E顯示了來自PEDOT位點MTE和對比用碳位點MTE (3E)的5秒局部場電位(LFP)記錄。圖4A-4C顯示了根據本教導制備的微元件電極的體內表征。圖4A顯示了碳位點MTE和PEDOT位點MTE (4A)的功率譜密度圖。圖4B和4C顯示了對比用PEDOT位點MTE(4B)和碳位點MTE (4C) 的譜圖。圖5A-5B,顯示了使用薄側向平臺的具有亞細胞尺寸的神經探針設計。圖5A是用于體內測試的基于派瑞林的開放構造器材的SEM透視圖。該器材的尖端在左下方。圖5B是探針設計的CAD圖，指示晶格結構的全長和寬(4微米)，圖5B’是(圖5B)中所示的線段A-A’的截面圖。比例尺為100微米。圖6A-6B是用于調節異物反應的亞細胞尺寸的仿生原理的圖示。圖6A具有兩種結構，它們在4周后具有類似的組織響應但沒有亞細胞尺寸，圖6B是SEE探針的截面。圖6A-6C各自顯示了小膠質細胞，其相對于5微米邊緣而言較大。圖7A-7D顯示了非功能探針周圍的定性和定量結果的實例。圖7A顯示了分別為GFAP和0X42抗體標記的星形細胞和小膠質細胞。圖7B顯示了 GFAP和NeuN標記的星形細胞和神經元核。圖7C是作為與探針界面的距離的函數正規化的平均非神經元密度，圖7D是平均神經元密度。P < 0.05且比例尺為100微米。圖8A-8C顯示了根據本公開制成的微元件組裝件的圖像。圖8A顯示了單絲(single-strand)微元件電極。圖8B顯示了該單絲微元件電極的側輪廓剖視圖。圖8B顯示了復絲(mult1-strand)微線探針，其顯示了撓性碳納米管(CNT)復合芯和具有絕緣且官能化的聚合物的薄共形(conformal)涂層的電極位點。該CNT為標稱5微米邊長并具有0.5至I微米厚的涂層以賦予該探針亞細胞尺寸。圖9是可用于形成本公開的微元件的芯復合材料的逐層組裝工藝的示意圖。插圖顯示了 SWNT多層上的經培育的神經元的SEM顯微照片。圖10顯示了各種[2.2] 二聚對二甲苯的CVD聚合以在與本教導聯合使用的基底上構造官能化的非導電派瑞林涂層。在附圖的幾個視圖中，相應附圖標記是指相應部件。該附圖的下部顯示了空間受控的CVD沉本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.06.18 US 61/356,4821.植入式微兀件電極，其包含: 導電芯材； 位于該導電芯材表面上的一個或多個導電區，其包含導電的生物相容涂層； 位于該導電芯材表面上不存在所述一個或多個導電區的區域上的非導電的生物相容涂層，其中所述微元件電極具有至少一個小于或等于大約10微米的尺寸。2.權利要求1的植入式微兀件電極，其中所述導電芯材具有大于或等于大約200GPa的彈性拉伸模量、和大于或等于大約5 GN/μπι的剛度標稱值，且所述非導電生物相容涂層具有小于I微米的厚度。3.權利要求1的植入式微元件電極,其中所述導電芯材包含碳。4.權利要求3的植入式微元件電極，其中所述導電芯材選自碳纖維、包含單壁碳納米管的復合材料、包含多壁碳納米管的復合材料、石墨烯及它們的組合。5.權利要求1的植入式微兀件電極，其中所述導電芯材包含選自金、鉬、鶴、鋼、銥或它們的組合的金屬。6.權利要求1的植入式微元件電極，其中所述導電涂層包含選自如下的導電生物相容材料:具有聚(4-苯乙烯磺酸鹽)(PSS)抗衡離子的聚(3，4-乙撐二氧噻吩)(PEDOT)、聚吡咯、鉬、氧化銥、碳納米管、石墨烯及它們的組合。7.權利要求1的植入式微元件電極，其中所述非導電生物相容涂層包含派瑞林聚合物或派瑞林聚合物衍生物。8.權利要求7的植入式微元件電極，其中所述非導電生物相容涂層進一步包含一種或多種生物功能劑。9.權利要求1的植入式微元件電極，其中所述導電芯材或非導電生物相容涂層中的至少一者經圖案化、成型和/或蝕刻。10.植入式神經探針醫療器材，其包含一個或多個權利要求1的微元件電極。11.用于植入式醫療器材的微兀件電極，其包含: 包含碳并具有小于或等于大約10微米的直徑的導電芯材； 位于該導電芯材表面上的一個或多個導電區，其包含導電的聚合物涂層；和 位于該導電芯材表面上不存在所述一個或多個導電區的區域上的非導電的聚合物涂層...

【專利技術屬性】
技術研發人員：DR基普克，TDY科翟，N朗哈爾斯，J拉漢，NA科托夫，鄧曉培，P帕特爾，
申請(專利權)人：密執安大學評議會，
類型：
國別省市：