用于视网膜假体的蜂窝形电神经接口制造技术

我们提供了用于神经细胞刺激的电极阵列的3D配置，被设计用于最大限度地利用视网膜细胞到视网膜下空间中的空隙中的迁移。每个像素周围的壁垂直地对齐电场，匹配视网膜中的双极细胞的方向，并且由此降低刺激阈值。这些壁还将场穿透深度与像素宽度分离，从而能够将像素尺寸减小到细胞尺寸。内部视网膜细胞迁移到电极空腔中，从而实现非常有效的刺激。由于电场沿空腔的一维排列，刺激阈值电流密度不会随着像素尺寸的减小而显著增加，这与平面阵列中看到的二次增加不同。到的二次增加不同。到的二次增加不同。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于视网膜假体的蜂窝形电神经接口


[0001]本专利技术涉及神经细胞的电刺激。

技术介绍

[0002]用于视觉假体的常规刺激阵列具有有源电极和返回电极的平面配置。这种平面配置在缩放假体以具有足够小且密集的像素以提供有用的视敏度方面造成了严重的困难。随着像素尺寸的减小，存在两个主要困难：相邻像素之间的串扰增加和像素刺激阈值的增加(即获得细胞反应所需的电流密度)。随着像素尺寸减小增加刺激阈值特别麻烦，因为在视网膜植入物的理想像素尺寸下，所需的电流密度在生物学上变得不安全。因此，减轻平面刺激阵列的这些限制将是本领域的进步。

技术实现思路

[0003]我们提供了电极阵列的新颖的3D配置，被设计用于最大限度地利用视网膜细胞到视网膜下空间的空隙中的迁移。每个像素周围的壁垂直地对齐电场，匹配视网膜中的双极细胞的方向，并且由此降低刺激阈值。这些壁还将场穿透深度与像素宽度分离，从而能够将像素尺寸减小到细胞尺寸。内部视网膜细胞迁移到蜂窝井中，使得这些神经元驻留在电极腔内，从而实现非常有效的刺激。由于电场沿蜂窝腔的垂直壁的一维排列，刺激阈值电流密度不会随着像素尺寸的减小而显著增加，这与平面阵列中的二次增加不同。与平面电极阵列相比，这种3D电极配置可以实现用更小的像素恢复视力，因此具有更高的视敏度。类似的3D阵列可以用于其他应用中与大脑的电神经接口。
[0004]在优选实施例中，像素空腔具有10μm和100μm之间的深度以及5μm和100μm之间的宽度。有源中央电极处的电流密度优选地在0.01A/cm2和1A/cm2之间。装置作为整体的宽度优选地在0.5mm至5mm之间，使其适用于视网膜植入。有源电极上的每脉冲电荷注入优选地在0.1mC/cm2和10mC/cm2之间。
[0005]应用通常包括用于在视网膜变性中恢复视力的视网膜假体，以及高分辨率电神经接口。这项工作有利地能够将电神经接口中的像素缩小到细胞尺寸。
附图说明
[0006]图1示意性地示出了用于神经细胞刺激的平面阵列的操作。
[0007]图2A示出了本专利技术的第一实施例。
[0008]图2B示出了本专利技术的第二实施例。
[0009]图3A
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B是平面和非平面刺激阵列之间差异的另一个视图。
[0010]图3C
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D示出了利用视网膜解剖覆盖图3A
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B中描绘的植入物。
[0011]图4A
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B示出了制造的空腔阵列的图像。
[0012]图4C示出了动物视网膜下的蜂窝状植入物的图像。
[0013]图5示出了与植入的蜂窝阵列集成的视网膜的组织学。
[0014]图6A示出了平面(顶部)和蜂窝(底部)阵列的模拟电势。
[0015]图6B示出了与安全极限相比以及与蜂窝阵列的模拟阈值电流密度相对于像素尺寸相比，平面阵列的实验和模拟阈值电流密度相对于像素尺寸。
具体实施方式
[0016]部分A描述了与本专利技术的实施例相关的一般原理。部分B提供了详细的实验示例。
[0017]A)一般原理
[0018]为了更好地理解本专利技术的实施例，首先考虑如图1所示的常规平面刺激阵列100的操作是有帮助的。这是一行像素102、104、106的横截面图。“导通(ON)”像素(102和106，也标有勾号)产生电流并通过中央有源电极(例如，像素102的108)将其注入电解质中，然后由像素外部(或像素之间)的远程返回电极110收集该电流。电流用黑色箭头表示。通过电解质的电流会产生电势梯度(阴影)。电流从有源电极以所有方向扩散，也会影响相邻像素中的细胞。例如，标有X的“断开(OFF)”像素104将接收来自相邻像素的寄生刺激，不期望地导致低对比度。
[0019]图2A示出了本专利技术的第一实施例的横截面。此处刺激阵列200包括像素202、204、206。“导通”像素202和206(勾号)产生电流并通过中央有源电极(例如，像素202的214)将其注入电解质中。电流向上流过电解质(组织)并由壁218顶部的返回电极216收集以完成电路。通过电解质的电流主要在“导通”像素前面产生电势梯度(阴影)，允许对视网膜的局部刺激。注意相较于图1上的像素104，图2A上的像素204上方的阴影减少。沉积在导电蜂窝壁218顶部上的高电容材料216确保通过电解质的电流的大部分被收集在壁的顶部，并且由于金属和电解质之间的界面的低电容，导电壁的侧面收集了可忽略不计的电流量。这种配置使得能够在不需要侧壁钝化(passivation)或绝缘的情况下制造蜂窝结构中的升高的返回电极。
[0020]更准确地说，本专利技术的第一实施例是用于神经细胞的电刺激的装置，其包括构造成允许神经细胞在空腔内迁移的空腔阵列。每个空腔具有底板(例如，图2A中的212)和导电壁(例如，图2A中的218)。每个空腔具有设置在其底板上的第一电极(例如，图2A中的214)并且具有设置在其壁的顶部上并与其对应的底板电极垂直分离的第二电极(例如，图2A中的216)。在装置运行期间，离子电流流过空腔的内容物。第二电极的每空腔电容大于导电壁的每空腔电容，由此第二电极相对于导电壁的侧面优先收集离子电流。优选地，第二电极的每单位面积电容比导电壁的每单位面积电容大至少100倍。
[0021]图2B示出了本专利技术的第二实施例的横截面图。此处刺激阵列250包括像素252、254、256。“导通”像素252和256(勾号)产生电流并通过中央有源电极(例如，像素252的214)将其注入电解质中。电流向上流过被电绝缘壁262包围的蜂窝井并且然后由像素外部的远程返回电极264收集。通过电解质的电流主要在“导通”像素前面产生电势梯度(阴影)，允许比没有垂直壁存在的相比好得多的对视网膜的局部刺激。注意相较于图1上的像素104，图2B上的像素254上方的阴影减少。
[0022]更准确地说，本专利技术的第二实施例是用于神经细胞的电刺激的装置，其包括构造成允许神经细胞在空腔内迁移的空腔阵列。每个空腔具有底板(例如，图2B中的212)和电绝缘壁(例如，图2B中的262)。每个空腔具有设置在其底板上的第一电极(例如，图2B中的
214)。装置包括设置在空腔阵列外部的公共返回电极(例如，图2B上的264)。在装置运行期间，离子电流流过空腔的内容物。电绝缘壁通过迫使离子电流在空腔内垂直行进来提高刺激效率并减少装置的相邻空腔之间的串扰。
[0023]图2A
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B的实施例的优选配置如下。空腔的深度优选地在10μm和100μm之间。空腔的宽度优选地在5μm和100μm之间。空腔的深度优选地大于空腔的宽度。空腔阵列优选地是周期性的，并且在这种情况下优选空腔是六边形的。在优选的实施方案中，神经细胞是视网膜细胞。优选地，在操作中，空腔的第一电极处的注入电荷密度在0.1mC/cm2和10mC/cm2之间。
[0024]在前面的描述中，方便地将空腔称为每个空腔都有壁。然而，在阵列结构中(例如，如图4A中)，显然在大多数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于神经细胞的电刺激的装置，所述装置包括：空腔阵列，被配置为允许神经细胞在所述空腔内迁移；其中每一个空腔具有底板和导电壁；其中每一个空腔具有设置在其底板上的第一电极；其中每一个空腔具有设置在其壁的顶部上并且与其对应的底板电极垂直分离的第二电极；其中在所述装置的运行期间，离子电流流过所述空腔的内容物；其中在每个空腔中，第二电极电容大于导电壁电容，由此所述第二电极相对于所述导电壁的侧面优先收集所述离子电流。2.如权利要求1所述的装置，其中所述空腔的深度在10μm和100μm之间。3.如权利要求1所述的装置，其中所述空腔的宽度在5μm和100μm之间。4.如权利要求1所述的装置，其中所述空腔的深度大于所述空腔的宽度。5.如权利要求1所述的装置，其中所述空腔阵列是周期性的。6.如权利要求5所述的装置，其中所述空腔是六边形。7.如权利要求1所述的装置，其中所述神经细胞是视网膜细胞。8.如权利要求1所述的装置，其中在操作中，所述空腔的第一电极处的注入电荷密度在0.1mC/cm2和10mC/cm2之间。9.如权利要求1所述的装置，其中所述第二电极的每单位面积电容比所...

【专利技术属性】
技术研发人员：D，
申请(专利权)人：小利兰，
类型：发明
国别省市：