植入式微元件电极制造技术

本公开提供了可用在各种医疗器材中的稳健的植入式微元件电极。该医疗器材可以是例如可监测或刺激生物体的脑、脊柱、神经或器官中的神经活动的神经探针。该微元件电极具有小物理轮廓，具有超薄尺寸，同时具有高强度和挠性。该微电极具有导电芯材，例如碳。芯材表面包括一个或多个涂有导电材料的导电区和一个或多个具有非导电生物相容聚合物涂层的非导电区。具有这种微元件的植入式器材能在生物体中植入非常长时间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及导电微元件，更具体涉及能植入生物体以监测电生理活动和/或电化学活动的导电微元件电极，如用于监测神经活动的神经探针。政府权利 依据美国国立卫生研究院颁布的NS068396和EB002030在政府扶持下作出本专利技术。政府在本专利技术中享有某些权利。
技术介绍
这一节提供了与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。植入式微型神经探针是用于神经科学的重要工具。以高精确度长期监测特定神经元集合的能力是神经科学研究中用于将低级神经元回路与高级脑功能，如学习、记忆和感知联系起来的有力工具。在临床方面，也使得能够使用精细的神经生理学反馈信号开发闭环神经刺激和神经假体系统。除神经记录用途外，这样的微电极还能实现制造持久高保真的神经界面的新方法，其直接有益于神经刺激用途。由于Strumisser于1958年在冬眠松鼠中引入用于长期神经记录的微丝束的开创性研究，一直推动开发改进的植入式微电极技术。尽管已经研究了各种植入式探针，记录质量并未达到最佳。此外，使用常规植入式微电极，最后记录会随时间退化并最终失效。如今神经界面技术中的主要挑战仍是制造用于从选择性神经元集合中长期、稳定、高保真的峰电位(spike)记录的可靠植入式器材。
技术实现思路
这一节提供了本公开的一般概述，并且不是其完全范围或其所有特征的全面公开。在各种方面中，本公开提供了植入式微元件电极。在某些方面中，本公开涉及包含导电芯材的植入式微兀件电极。在某些方面中，该导电芯材可具有大于或等于大约200 GPa的弹性拉伸模量和大于或等于大约5 GN/μπι的刚度标称值。在某些变体中，该导电芯材包含碳。此外，该植入式微兀件电极包含位于导电芯材表面上的一个或多个导电区。所述一个或多个导电区包含导电的生物相容涂层。此外，该植入式微兀件电极包含位于导电芯材的表面区域上的非导电的生物相容涂层。安置非导电生物相容涂层的区域是不存在所述一个或多个导电区的那些区域。在各种方面中，该微元件电极具有至少一个小于或等于大约10微米的尺寸。在某些方 面中，该非导电生物相容涂层具有小于I微米的厚度。在另一些方面中，本教导提供了用于植入式医疗器材的微兀件电极，其包含含有碳并具有小于或等于大约10微米的直径的导电芯材。在导电芯材表面上安置一个或多个导电区。所述一个或多个导电区包含导电聚合物涂层。此外，在导电芯材表面的不存在所述一个或多个导电区的区域上安置非导电聚合物涂层。在某些变体中，非导电涂层包含派瑞林(parylene)聚合物或派瑞林聚合物衍生物。在某些变体中，该非导电涂层具有小于或等于大约I微米的厚度。在再一些方面中，本公开提供了监测、感应或刺激生物体中的神经活动的方法。在一个方面中，这种方法包括与植入生物体中的探针电联通。在某些变体中，该方法包括与植入生物体脑中的神经探针电联通。该探针任选地具有小于或等于大约2，000平方微米(Mffl2)的截面积并包含至少一个微元件电极。所述至少一个微元件电极包含具有下述表面的导电芯材，在该导电芯材的所述表面上设有一个或多个导电区。设于导电芯表面上的所述一个或多个导电区包含导电聚合物涂层。此外，在导电芯材表面上与不存在所述一个或多个导电区的位置对应的区域上安置有非导电聚合物涂层。在某些变体中，该微元件电极具有至少一个小于或等于大约10微米的尺寸。由本文中提供的描述容易想到其它适用领域。概述中的描述和具体实例仅用于举例说明并且无意限制本公开的范围。附图说明本文中描述的附图仅为了举例说明所选实施方案而非所有可能的实施方案，并且无意限制本公开的范围。图1A-1E显示了微元件电极的对比用能，其中一些根据本教导制备。图1A-1C是对比用裸碳纤维(lA)、800nm派瑞林-N涂布的碳纤维(IB)和具有电沉积的PED0T/PSS电极记录位点(site)的派瑞林涂布的碳纤维(IC)的扫描电子显微术SEM图像。图1D是微元件微线电极(microthread electrode, MTE)的组装件；将碳纤维安装到印刷电路板上，化学气相沉积(CVD)派瑞林涂布，涂布用聚(乙二醇)官能化的派瑞林(PPX-PEG)，切割和电沉积聚(3，4-乙撑二氧噻吩)(PED0T)。图1E是5mm “Michigan”型电极和用本公开的微元件电极制成的微线电极的尺寸比较。图2A-2E显示了微线电极的体外表征。图2A是派瑞林涂布的纤维、具有暴露的碳尖端的派瑞林涂布的碳纤维和使用各种沉积电荷密度的具有电沉积的PED0T/PSS记录位点的派瑞林涂布的碳纤维的循环伏安法迹线(traces) (CV)。图2B是阻抗波德幅频图。图2C是波德相频图。图2D是在I kHz阻抗下的对比。且图1E是电荷承载能力的对比。图3A-3E显示了根据本教导制备的微元件电极的体内单神经元(single unit)记录能力。图3A是来自派瑞林涂布的PEDOT微线电极的累积单神经元神经记录。图3B是平均神经元峰电位。图3C和3D是PEDOT位点MTE (3C)和对比用碳位点MTE (3D)的5秒原始神经记录。图3E显示了来自PEDOT位点MTE和对比用碳位点MTE (3E)的5秒局部场电位(LFP)记录。图4A-4C显示了根据本教导制备的微元件电极的体内表征。图4A显示了碳位点MTE和PEDOT位点MTE (4A)的功率谱密度图。图4B和4C显示了对比用PEDOT位点MTE(4B)和碳位点MTE (4C) 的谱图。图5A-5B,显示了使用薄侧向平台的具有亚细胞尺寸的神经探针设计。图5A是用于体内测试的基于派瑞林的开放构造器材的SEM透视图。该器材的尖端在左下方。图5B是探针设计的CAD图，指示晶格结构的全长和宽(4微米)，图5B’是(图5B)中所示的线段A-A’的截面图。比例尺为100微米。图6A-6B是用于调节异物反应的亚细胞尺寸的仿生原理的图示。图6A具有两种结构，它们在4周后具有类似的组织响应但没有亚细胞尺寸，图6B是SEE探针的截面。图6A-6C各自显示了小胶质细胞，其相对于5微米边缘而言较大。图7A-7D显示了非功能探针周围的定性和定量结果的实例。图7A显示了分别为GFAP和0X42抗体标记的星形细胞和小胶质细胞。图7B显示了 GFAP和NeuN标记的星形细胞和神经元核。图7C是作为与探针界面的距离的函数正规化的平均非神经元密度，图7D是平均神经元密度。P < 0.05且比例尺为100微米。图8A-8C显示了根据本公开制成的微元件组装件的图像。图8A显示了单丝(single-strand)微元件电极。图8B显示了该单丝微元件电极的侧轮廓剖视图。图8B显示了复丝(mult1-strand)微线探针，其显示了挠性碳纳米管(CNT)复合芯和具有绝缘且官能化的聚合物的薄共形(conformal)涂层的电极位点。该CNT为标称5微米边长并具有0.5至I微米厚的涂层以赋予该探针亚细胞尺寸。图9是可用于形成本公开的微元件的芯复合材料的逐层组装工艺的示意图。插图显示了 SWNT多层上的经培育的神经元的SEM显微照片。图10显示了各种[2.2] 二聚对二甲苯的CVD聚合以在与本教导联合使用的基底上构造官能化的非导电派瑞林涂层。在附图的几个视图中，相应附图标记是指相应部件。该附图的下部显示了空间受控的CVD沉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.06.18 US 61/356,4821.植入式微兀件电极，其包含: 导电芯材； 位于该导电芯材表面上的一个或多个导电区，其包含导电的生物相容涂层； 位于该导电芯材表面上不存在所述一个或多个导电区的区域上的非导电的生物相容涂层，其中所述微元件电极具有至少一个小于或等于大约10微米的尺寸。2.权利要求1的植入式微兀件电极，其中所述导电芯材具有大于或等于大约200GPa的弹性拉伸模量、和大于或等于大约5 GN/μπι的刚度标称值，且所述非导电生物相容涂层具有小于I微米的厚度。3.权利要求1的植入式微元件电极,其中所述导电芯材包含碳。4.权利要求3的植入式微元件电极，其中所述导电芯材选自碳纤维、包含单壁碳纳米管的复合材料、包含多壁碳纳米管的复合材料、石墨烯及它们的组合。5.权利要求1的植入式微兀件电极，其中所述导电芯材包含选自金、钼、鹤、钢、铱或它们的组合的金属。6.权利要求1的植入式微元件电极，其中所述导电涂层包含选自如下的导电生物相容材料:具有聚(4-苯乙烯磺酸盐)(PSS)抗衡离子的聚(3，4-乙撑二氧噻吩)(PEDOT)、聚吡咯、钼、氧化铱、碳纳米管、石墨烯及它们的组合。7.权利要求1的植入式微元件电极，其中所述非导电生物相容涂层包含派瑞林聚合物或派瑞林聚合物衍生物。8.权利要求7的植入式微元件电极，其中所述非导电生物相容涂层进一步包含一种或多种生物功能剂。9.权利要求1的植入式微元件电极，其中所述导电芯材或非导电生物相容涂层中的至少一者经图案化、成型和/或蚀刻。10.植入式神经探针医疗器材，其包含一个或多个权利要求1的微元件电极。11.用于植入式医疗器材的微兀件电极，其包含: 包含碳并具有小于或等于大约10微米的直径的导电芯材； 位于该导电芯材表面上的一个或多个导电区，其包含导电的聚合物涂层；和 位于该导电芯材表面上不存在所述一个或多个导电区的区域上的非导电的聚合物涂层...

【专利技术属性】
技术研发人员：DR基普克，TDY科翟，N朗哈尔斯，J拉汉，NA科托夫，邓晓培，P帕特尔，
申请(专利权)人：密执安大学评议会，
类型：
国别省市：