JP5819964B2 - 移動抵抗性ミクロ電極、ミクロ電極束及びミクロ電極アレー - Google Patents

Description

本発明は、医療用ミクロ(微小)電極、ミクロ電極の束、及びミクロ電極及び／又は電極束のアレーに関する。本発明の医療用ミクロ電極、ミクロ電極束、及びミクロ電極及び／又は電極束のアレーは、脳、脊髄、内分泌腺器官、筋肉及び結合組織のような軟質組織に挿入するのに意図される。該医療用ミクロ電極、該ミクロ電極束、及びミクロ電極及び／又は電極束の該アレーは、組織内での移動に抵抗するように設計されている。

中枢神経系（ＣＮＳ）に長期間埋め込むことができるミクロ電極は広範囲の応用分野を有する。原則として、全ての脳核はかかる電極から記録するか又は該電極により刺激することができ、そしてそれらの機能は監視できる。特に重要なのは、脳核刺激にマルチチャンネル設計を使用することである。かかる設計において、電極群又は個々の電極さえも別々に扱う（アドレス）することができる。このことは使用者に、電極の刺激が、非選択的刺激と比べて改良された治療効果を生じるような電極を選択するのを可能にする。脳又は脊髄の刺激は、脳核が退化又は損傷した状況で、特に価値がある。ある状況において、制御された電気的刺激と局所的遺伝子導入を組み合わせることができれば有用であろう。マルチチャンネル設計もまた、全身若しくは局部的薬物投与又は遺伝子導入の後に、使用者が多数の神経細胞及び他の細胞に対する効果を効果的に測定するのを可能にし得る。特に興味があるのは、多数の薬物候補の神経細胞機能に対する効果を同時に測定する能力である。埋め込んだ電極による脳活性の監視は、局部的な若しくは全身的な薬物供給、又は脳核の電気的刺激のような他の治療方法を制御するために使用されると、有用になり得る。マルチチャンネル電極もまた、異常なインパルス活性が該電極からの記録により検出された後、組織内の特定の部位及びその周辺の部位を損傷するために使用し得る。

脳構造を記録しそして刺激するために、いろいろな形体の埋め込み可能な電極が開発された（特許文献１−２１）。

電極インプラントの機能のために、該インプラント上の記録／刺激部位と測定された実体との間の固定された空間的関連性を持つのが重要である。身体、従って組織は日常生活の間かなりの移動を示す。移動は、例えば呼吸、心臓鼓動、腸運動、骨格運動、例えば身体に対する頭の回転、により引き起こされる。移動は身体に対する外力によっても引き起こされ得る。組織と電極の間の相対的移動は、電気的又は化学的シグナル、例えば伝達物質、のような記録された生物学的シグナルの変化を引き起こし得る。例えば、活動電位は神経膜上の１００ｍVのオーダーの電圧変化に相当する。この電位変化は細胞からの距離と共に急速に衰退する。その結果、測定された細胞に対する該電極の移動は、測定された活動電位の強度がかなり変動する結果となり得る。同様に、該電極を電気的刺激に使用した場合、組織に対する該電極の位置の変動は、刺激された神経細胞を移動させる結果となり得る。従って、組織内で記録又は刺激を行う医療用電極の部位が、該電極が埋め込まれた組織の動きにできるだけ忠実に従うことができるようにすることは非常に重要である。記録されたシグナルの付与又は刺激の効率の他に、インプラントと組織の間の移動は組織に損傷を与え、それは次に、組織反応及び該インプラントの機能の損失を引き起こし得る。電極と組織の間の機械的安定性は、細胞内記録に特に重要である。何故なら、細胞に対する電極の動きは膜を容易に損傷し、そして細胞外流体の該細胞内への漏れおよびその逆を引き起こし得るからである。今日、自由に動く動物又はヒトにおいて、多くの神経細胞内で細胞内記録を同時に長期間、例えば数日、数週間又は数ヶ月、にわたって行うように設計された又はそれに適した電極インプラントは知られていない。

可撓性であり、従って組織と電極との間の動きに関連する問題のいくつかを克服する超薄型電極が当業界で知られている（特許文献２２）。かかる電極を溶解性の硬いマトリックスに埋め込むことにより、該電極を軟質組織に、注射器のような追加の助けなくインプラントする（埋め込む）ことが可能である。かかる超薄電極は、組織により分解されない、又は容易に酸化して高い電気抵抗を引き起こしてシグナル対ノイズ比を低下させないような材料で作らなければならない。適切な伝導体は、金及び白金のような貴金属である。通常、白金とイリジウムの合金が、刺激用に使用されるインプラントの材料として使用される。

神経系中の細胞との物理的に安定した接触を達成するために、電極は測定又は刺激される組織に接近した組織内に固定するのもまた重要である。導電性バーブ（棘）を有する電極、及び組織が成長することができる孔を備え、それにより該組織が電極に堅固に取り付けられる電極シートは当業界で知られている（特許文献２２、２３、２４）。しかしながら、インプラントは慢性炎症及び感染さえも引き起こし得、そして除去しなければならないかもしれない。電極を該組織から取り出す場合、当業界で知られた固定器具、例えばバーブ又は特に組織の成長を可能にする、該電極中の孔、は、該組織に大きい損傷を引き起こし得る。どのようにして医療用電極を軟質組織に固定して、該医療用電極が該軟質組織内に物理的に安定化され、それでも該組織から小さい組織損傷にて取り出せるように、この課題を解決するのが望ましい。

ＵＳ６，２５３，１１０Ｂ１ ＵＳ５，９５７，９５８ ＵＳ４，５７３，４８１ ＵＳ７，１４６，２２１Ｂ２ ＵＳ５，７４１，３１９ ＵＳ４，９２０，９７９ ＵＳ５，２１５，００８ ＵＳ５，０３１，６２１ ＵＳ６，９９３，３９２ ＵＳ６，０３２，０６２ ＵＳ４，８５２，５７３ ＵＳ３，９９５，５６０ ＵＳ７，０４１，４９２ ＵＳ６，４２１，５６６Ｂ１ ＵＳ４，３７９，４６２ ＵＳ５，４１７，７１９ ＵＳ３，８２２，７０８ ＵＳ５，５０１，７０３ ＵＳ７，０９９，７１８Ｂ１ ＵＳ３，７２４，４６７ ＵＳ２００７／０１９７８９２Ａ１ ＷＯ ２００７／０４０４４２ ＷＯ ２００８／０９１１９７ ＷＯ ２００９／０７５６２５

本発明の目的は、ミクロ電極がインプラントされた組織内で、該電極の移動に対して安定化されたミクロ電極を提供することである。

本発明の別の目的は、かかる電極を含むミクロ電極束を提供することである。

本発明の更なる目的は、かかる電極を含む、ミクロ電極アレー及びミクロ電極束アレーを提供することである。

本発明の更なる目的は、下記の発明の概要、図面に例示された多くの好ましい態様、及び添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。

発明を解決するための手段

本発明は、ミクロ電極がインプラントされた軟質組織内で最適に移動に対して抵抗するために、該ミクロ電極は該組織の単位体積の重量に近似するべきである、との考察に基づく。かかる近似により、該電極は該組織内で「浮遊」し、そして浮遊ミクロ電極と名付け得る。電極の浮遊性は、該組織が加速又は減速された場合に、該電極を周囲の組織の移動に従わせる。従って、本発明による安定化は、組織内での移動に対する安定化であり、機械的固定手段、例えばバーブ、スパイク等、による組織からの引き抜きに抵抗する安定化とは対照的である。勿論、本発明の電極に更に、組織からの引き抜きに抵抗するかかる手段を設けることは可能である。本発明による安定化は、繊細な非繊維性軟質組織、例えば脳の組織、脊柱管及び骨髄、にインプラントされた電極に特に有用である。

本発明のミクロ電極は、組織内、特に神経組織内、で生じた電気的シグナルを記録するのに意図されるが、組織の電気的刺激にも使用し得る。

従って、本発明によると、軟質組織内で慣性による移動に抵抗性の医療用ミクロ電極が開示される。

前記電極は、金属及び／又は導電性ポリマーを含む又は金属及び／又は導電性ポリマーから成る導電性管状(tubiform)リード線を含む。該管状リード線は外側面と内側面を有する。該管状リード線の外側面は多孔性であり得るが、水性体液が内腔に浸透するのを許すようにではない。従って、該孔は外側面を貫通しないか、或いは所望の深さで、例えば管状リード線の内側内腔表面にポリマーコートを塗布することにより、封止される。該管状リード線は前部又は遠位置末端、後部又は近位置末端、及び該前部末端と後部末端に配置された封止内腔を有する。管状リード線の内腔は空洞であるか、又は１つ若しくはそれ以上の空洞セクションと、部分的若しくは完全にフィラーが充填された１つ若しくはそれ以上のセクションとを含む。該フィラーの２０℃での密度は好ましくは０．８又はそれ未満、特に０．６又はそれ未満である。該フィラーは多孔性材料、特に閉じた孔を有する多孔性材料、を含むか該多孔性材料から成るのが有利である。フィラーはポリマー、特に閉じた孔を有するポリマー、から成るか、又はかかるポリマーを含むのが好ましい。該ポリマーは好ましくは可撓性、特に弾性的に可撓性である。

或いは、該電極はワイアリード線を含むか又は該リード線から成る。該ワイアリード線は多孔性又は非多孔性であり得る。リード線がワイアリード線である態様においては、該リード線上の絶縁は、封止した孔、即ち、体液を吸い上げない孔、を含む多孔性ポリマー材料から成ることができる。或いは、ワイアリード線上の薄い非多孔性絶縁層上に、封止した孔を含む多孔性ポリマー材料を配置する。該多孔性絶縁材料の容積は、金属ワイアリード線の高密度を埋め合わせるように選ばれる。

前記電極の２０℃での密度は好ましくは０．８０〜１．１５、より好ましくは０．９０〜１．０７、更に好ましくは０．９５〜１．０３、最も好ましくは０．９９±０．０２である。場合によっては、該電極の外側面の一部分を電気的に絶縁する。円筒状又は楕円状の横断面を有するリード線が好ましいが、他の種類の横断面、例えば三角形状、四角形状又は六角形状の横断面は、本発明から除外されない。本願で、長い形状のリード線は、長さ／直径比が５又はそれそれを超え、特に１０又はそれを超えるものである。好ましいリード線直径は１μｍ〜２００μｍである。該リード線は、好ましくは金、銀、白金及び銅から選ばれる金属、又はこれらの金属の１種若しくはそれ以上を含む合金から成る。或いは、該リード線は、カーボンナノチューブのようなカーボンの導電性変性物、又は導電性ポリマーから成る。該リード線はかかる材料の組み合わせを含んでもよい。

本発明の好ましい側面によると、前記電極は、体液中で溶解性又は分解性のマトリックス中に完全に又は部分的に埋め込まれている。

本発明の別の好ましい側面によると、前記電極は、電子的増幅手段及び／又はマイクロプロセッサ手段を含むが、但し、該電極と電子的増幅手段及び／又はマイクロプロセッサ手段の組み合わせは２０℃で、０．８０〜１．１５、特に０．９０〜１．０７、更に特に０．９５〜１．０３、更に特に０．９９±０．０２の密度を有する。電子的増幅手段及び／又はマイクロプロセッサ手段は、該電極の後部末端に又はその近くに配置するのが好ましい。

或いは、組織にインプラントされた電極とは別に、電子的増幅手段及び／又はマイクロプロセッサ手段が設けられる。電極と、該電極から離れて配置された電子的増幅手段及び／又はマイクロプロセッサ手段との間の電気的連絡は、絶縁された導電体により、例えば、一方では該電極の後部末端に若しくはその近くに設けられ、そして他方では該電子的増幅手段及び／又はマイクロプロセッサ手段に設けられた設けられた超薄型絶縁ワイアにより、与えられる。該ワイアの好ましい厚さは５０μｍ又はそれ未満である。該導電体は、該電極の密度とほぼ同じ密度のもの、即ち、密度が約１、特に０．９〜１．１のものであるのが好ましい。ワイア型の導電体の密度は、１未満の密度の浮揚性要素、例えばスポンジ状ポリマー絶縁皮膜、を該導電体に設けることにより制御できる。該電極とは別個の該電子的増幅手段及び／又はマイクロプロセッサ手段は、該電極の密度とほぼ同じ密度のもの、即ち、密度が約１、特に０．９〜１．１のものであることもまた好ましい。該電極の該電子的増幅手段及び／又はマイクロプロセッサ手段は、例えば、組織内にインプラントされた又は組織の外側のバッテリーのような電力源により動力を与えることができる。該電力源と該電極の電子的増幅手段及び／又はマイクロプロセッサ手段との間の電気的接続は、浮揚性要素を設けることにより浮揚性にされた前記の種類の導電体により与えられる。

電極とは別個のマイクロプロセッサ手段は、上記人又は動物の軟質組織内に配置するのが好ましいが、該人又は動物の外側に配置してもよい。該増幅／マイクロプロセッサ手段は、バッテリーのような電気エネルギー源を含むか、又は電気リード線により外部源に接続されていてもよい。該増幅／マイクロプロセッサ手段はまた、該人又は動物の外側に設けられた制御装置に／又は該装置から放射線を伝達する及び／又は受けるための手段をも含んでもよい。本発明の電極は、該人若しくは動物の組織内又はその外側に、該電極から距離を置いて配置されたマイクロプロセッサ手段と電気的連絡をすることができる。該マイクロプロセッサ手段は、ＬｉＨ電池のような電気エネルギー源を含み得る。該マイクロプロセッサ手段はまた、該人又は動物の外側に設けられた制御装置に／又は該装置から放射線を伝達する及び／又は受けるための手段をも含んでもよい。

本発明の別の好ましい側面によると、該電極は、前部端に又はその近くに配置された固定手段であって、好ましくは電極リード線と一体になった該固定手段を含む。本発明の電極は、それが埋め込まれた組織の突然の移動により容易に変位しないので、組織内への固定手段の必要性は、１より実質的に大きい密度の伝統的ミクロ電極よりも低減される。粗い電極表面、又は粗い電極先端のような一部の粗い電極表面は、かかる固定を満たし得る。

更なる好ましい側面によると、該電極は多孔性の導電性材料であるか、又はかかる材料を含み得る。好ましい多孔性導電性材料は、焼結金属粉末、特にチタン、アルミニウム及びそれらの合金の焼結金属粉末である。他の多孔性導電性材料は、カーボンナノチューブ及び／又はフラーレン及び／又はグラファイトの薄いシートからグラファイト単層までを含むか、又はこれらから成る。電極の表面で開口したかかる材料の孔は、例えば、ポリウレタン若しくはポリイミド皮膜のような電気絶縁性材料で封止するか、又は該電極の非電気絶縁部分で導電性材料、例えば金若しくは他の貴金属の電着層、により封止することができる。

或いは、該電極は多孔性の非導電性材料を含み得る。好ましい多孔性の非導電性材料には多孔性有機ポリマー、例えば多孔性ポリウレタン、及び多孔性セラミック材料、例えば焼結アルミナ、が含まれ、その上に、金属若しくは金属合金を含む又は該金属若しくは該金属合金から成る導電性層が、例えばイオンスパッターリングにより、沈着されている。

本発明の電極の多孔性の導電性材料又は多孔性の非導電性材料の孔は開口していても閉じていてもよい。開口している場合、該孔は体液の侵入から、例えば非伝導性ラッカーにより又はその上にイオンスパッターリング若しくはその他の適当な技術により沈着した薄い金属層で封止することにより、保護し得る。電極全体に２０℃で０．８０〜１．１５、特に０．９０〜１．０７、更に特に０．９５〜１．０３、更に特に０．９９±０．０２の本発明の好ましい密度を与えるために、電極の多孔性導電性材料又は多孔性非導電性材料の多孔度は、バルク電極材料の＞１（１より大）の密度を完全に又は少なくとも実質的に部分的に補償するように寸法がとられる。好ましい密度を達成するために、本発明の多孔性電極材料は、封止した内腔を有する電極及び／又は電極は表面に取り付けた浮揚要素を含む電極と有利に組み合わせることができる。

本発明によると、本発明の電極の２つ又はそれ以上を含む電極束もまた開示される。該電極束は、非永久的束ね手段、好ましくは、体液中に溶解性又は分解性のような材料の形態の該束ね手段を含み、ここで２つ又はそれ以上の電極が実質的に平行な構造で封入されている。結局、本発明の電極はかかる電極束に含められることができる。該電極束は２０℃で０．８０〜１．１５、特に０．９０〜１．０７、更に特に０．９５〜１．０３、更に特に０．９９±０．０２の密度を有するのが好ましい。

本発明の更に好ましい側面によると、隙間に低密度ポリマー材料の非導電性層が置かれた多数の導電性層を含む電極リード線が開示される。かかるリード線は、例えば低密度ポリマーファイバーと平行に若しくはその周りに紡がれた金ナノワイアを電気的紡績することにより製造できる。レーザー照射又はその他の適当な熱源により該リード線の末端を溶融すると、導電性層間に電気的接続がなされて、単一の電極リード線が構成される。

本発明の電極は、更に最新技術のミクロ電極で知られた有用な特徴を含み得る。

本発明によると、本発明の２つ又はそれ以上の電極及び／又は電極束を含む電極アレーが開示される。本発明の有利な側面によると、該電極アレーは、体液中に溶解性又は分解性の材料に部分的に又は完全に封入されている。該電極アレーは、２０℃で０．８０〜１．１５、特に０．９０〜１．０７、更に特に０．９５〜１．０３、更に特に０．９９±０．０２の密度を有するのが好ましい。従って、本発明の電極はかかる電極アレーに含められることができる。

電極をインプラントすると溶解する又は分解するように意図された材料中の本発明の電極の態様は、小さくそして可撓性のミクロ電極及びそれらを含む電極束及び電極アレーを、それらの一体性を危険に曝すことなく組織内に挿入させる。

電極埋め込み材料は、本発明の電極の密度の決定を考慮する場合には無視される。

別の重要な側面によると、本発明は、電極全体の密度が軟質組織の密度、即ち約１．０、に近付くように設計されるのに加えて、電極を高密度要素及び低密度要素が電極全体にできるだけ均一に分布するように設計するのが重要であることを教示する。ほとんどの場合、本発明の電極は長い。長い電極構造においては、電極に沿った密度の片寄りを補償するのが有利である。この種の補償は、組織内の電極の部分が重力の影響により、例えば、該組織中で流れる状態で下流を指向する相対的に高密度の前部末端セクションと、同じ状態で上流を指向する相対的に低密度の後部セクションと、又はその逆を有する本発明の電極の重力による影響により、好ましい配向をするのを回避する。高密度の要素には、金属製の電極リード線、ミクロシグナル増幅器、該電極リード線にその後部末端で取り付けた又は他の電子ギア等が含まれ；低密度の要素には、電極リード線上に配置した浮揚要素又は電極リード線中の空隙が含まれる。非常に重要なのは、材料の適切な選択、特に、電極用金属を含む複合体を含めた金属材料の適切な選択である。従って、本発明の電極は密度が釣り合っているのが好ましい。「電極が釣り合う」とは、電極の高密度部分が低密度部分により釣り合わされて、全体として所望の密度の電極となっているだけでなく、密度の釣り合いが、釣り合わせが必要な電極部分に局在化していることと理解されたい。本発明の電極の釣り合いをとる手段は、重力中心（Ｃｇ）と、均一密度の同じような形状の電極の重力中心（Ｃｇ’）との距離である。距離Ｌだけ離れた前部端と後部端とを有する本発明の釣り合いのとれた電極では、該重力中心Ｃｇ、Ｃｇ’の間の距離Ｉは、距離Ｌの２５％未満、好ましくは１５％未満、最も好ましくは１０％未満である。

本発明により、本発明の電極を１つ又はそれ以上含む電極束及び電極アレーもまた開示される。電極束は、恒久的若しくは一時的であり得る束ね手段で束ねられた、２つ又はそれ以上の本発明の電極を含む。「恒久的」及び「一時的」とは、インプラントした際の電極束の状態に関する。恒久的束ね手段とは、電極を組織内で使用している期間に束の一体性を維持するように設計された束ね手段であり、一方、一時的束ね手段とは、該束を組織に挿入する間はかかる一体性を維持するが、組織内での電極の使用期間中には一体性を維持しないように設計された束ね手段である。恒久的束ね手段は、例えば、後部端近くで平行に配置された本発明の電極を２つ又はそれ以上を封入する腹帯又はスリーブであり、該腹帯又はスリーブは体液により容易に溶解又は分解しないものである。一時的束ね手段には、例えば、電極の後部端近くに配置された、少なくとも後部端を結合するのりが含まれ、ここで該のりは体液に溶解性である。

インプラント（埋め込み）を容易にするために、本発明の電極束及び電極アレーは、体液中で溶解性又は分解性の材料で部分的又は完全に封入されることができる。この種の封入は、本発明の一時的電極束ね手段の機能をも満たすことができる。部分的封入は、電極束又は電極束アレーの電極の前部部分を少なくとも封じ込める。

本発明を、図面に例示された多くの好ましい態様を参照して、より詳細に記述する。図１−１１は寸法通りではなく、本発明の主な特徴を明確に示すためだけのものである。

本発明の電極の第１態様の軸方向（Ａ−Ａ）断面図を示す。 図１の態様の変形の、同じ断面図を示す。 本発明の電極の第２態様の軸方向（Ｂ−Ｂ）断面図を示す。 図９の態様の変形を、同じ断面図で示す。 溶解性マトリックス本体に埋め込まれた図１０の電極を示す。 本発明の電極リード線の例の半径方向断面図を示す。

図１に示す医療用ミクロ電極１の第１態様は、２０％の銅と合金化した銀の導電性管状リード線２を含む。該リード線２はその前部端３で閉鎖され、そして尖ったポイント１１を有する。その後部端４で、リード線２の内腔５は、該内腔５に配置されたポリエチレンプラグ６により後部端４で密閉される。薄い絶縁された（図示なし）金属ワイア９が、ハンダ１０により、リード線２の外側表面の後部端４に導電的に取り付けられている。ワイア９は電極１を、マイクロプロセッサ手段を含む電極制御装置（図示なし）に接続する。

図２に示す、図１の電極１のミクロ電極の第１変形１０１において、ポリエチレンプラグ１０６は、内腔１０５内に、先の尖った１１１アルミニウム合金のリード線１０２の後部端１０４から距離を置いて配置されて、該内腔１０５を、プラグ１０６から前部端１０３に延びる密封部分とプラグ１０６から後部端１０４に延びる開放部分とを約２：１の割合に分割する。内腔１０５の該開放部分には圧縮されたグルコース粉末１０７が充填されている。電極１０１を軟質組織に挿入すると、水性体液は該粉末１０７と接触してそれをゆっくり溶かす。内腔１０５の開放部分を水性流体に溶解性の材料で満たすと、内腔１０５の開放部分に空気が満ちたポケットが残るのを回避する。

図３に示す、図１の電極１のミクロ電極の第２変形２０１において、閉じた前部端２０３から開放した後部端２０４に延びる、先の尖った２１１金／銀合金の電極リード線２０２の内腔全体には、閉鎖気孔を有するポリウレタンフォーム２０８が充填されている。

図４に示す、図１の電極１のミクロ電極の第３変形３０１は、図３の変形と、内腔３０５の後部端３０４部分のみにポリウレタンフォーム３０８が充填されている点だけ相違する。これにより内腔３０５の前部端部分は密閉されそして空洞を残す。再び、電極リード線３０２はその前部端３０３で先が尖っており３１１、そしてその後部端３０４で開放している。

図５に示す第４のミクロ電極変形４０１は図１のミクロ電極と、リード線４０２の前部端４０３が丸い先端４１１を有する点で相違する。内腔４０５は後部端４０４でポリウレタンプラグ４０６により閉鎖されている。薄い絶縁された（図示なし）ワイア４０９がリード線４０２の外側表面に（４１０で）ハンダ付けされて、電極４０１と電極制御装置（図示なし）との間に電気的接続を与える。

図６に示す、図１の電極１のミクロ電極の第５変形５０１は、図２のミクロ電極と、電極を固定するために先端５１１にバーブ５１２の形態の固定手段が取り付けられて、該電極が一旦軟質組織に挿入されると、偶然に取り出されないようにした点で相違する。参照番号５０２、５０３、５０４、５０６、５０７は、図２中の番号２０２、２０３、２０４、２０６、２０７に対応する要素と同じである。

図７に示す、図１の電極１のミクロ電極の第６変形６０１は、管状白金合金リード線６０２を含み、該リード線６０２はその前部端が先の尖った先端６１１により閉鎖され、そしてその後部端６０４が開放している。内腔にはポリマーフォームが充填されている。リード線６０２はその後部端にシグナル増幅器６１３が設けられ、該増幅器から、絶縁された超薄型ワイア６０９が延びる。該ワイア６０９は、シグナル増幅器６１３と電極制御装置（図示なし）との電気的接続を与える。先の尖った前部端６０３先端を除いて、リード線６０２とシグナル増幅器６１３は電気絶縁ラッカー６１５により封入されている。

図８に示す、図１の電極１のミクロ電極の第７変形７０１は、管状リード線７０２を含み、該リード線７０２は、その前部端７０３の先が尖った先端７１１以外は、回転対称である。内腔７０２はポリマーフォームが部分的に充填され、第１フォームセクション７０８はリード線７０２の後部端７０４から前部端７０３に向かって延び、そして第２フォームセクション７０８’は前部端７０３から後部端７０４に向かって延びて、リード線の内腔の空洞中央セクション７０５を区切る。

図９に示す本発明の医療用ミクロ電極の第２の態様８０１は、前部端８０３と後部端８０４を有するチタンの固体電極リード線８０２を含み、該前部端８０３は先の尖った先端８１１を備える。その先端８１１以外は、リード線８０２は閉じた孔を有するポリマーフォームの浮揚層８１４で封入され、該層はリード線８０２と接しそしてそれにしっかり付着している。浮揚層８１４は実質的に、リード線８０２上のスリーブの形態を有する。リード線８０２の後部端に、電極シグナル増幅器８１３が配置され、該増幅器はラッカーの薄い層８１５で密閉されている。増幅器８１３は電極制御装置（図示なし）と、絶縁された超薄型金属ワイア８０９により電気的に接続している。

本発明の医療用ミクロ電極の第２態様の変形９０１を図１０に示す。該浮揚層は離れた２つのセクション９１４、９１４’を含み、第１セクション９１４は，タングステンの電極リード線９０２の前部端９０３の近くに配置され、第２セクション９１４’は該リード線９０２の後部端９０４の近くに配置されている。セクション９１４、９１４’の間を延びるリード線９０２の表面はラッカー９１５で絶縁されている。このように、回転非対称先端９１１のみが絶縁されていない。電極９０１はその後部端で、ハンダ付けされた超薄型電気絶縁ワイア９０９を有し、該ワイアは、電極９０１から離れて内部に又は外部に配置された電極制御装置（図示なし）との電気的接続を与える。

図１１は、炭水化物マトリックス９２０の本体に入れられた図１０の電極を示し、該マトリックス９２０によって、小さい電極９０１を軟質組織中に、その物理的一体性を危うくすることなしに挿入できる。挿入すると、該マトリックス本体９２０は水性体液により溶かされて、該電極と該組織との物理的な接触が得られる。マトリックス本体９２０は回転対称性であり、そして電極９０１の周りに、その回転軸が電極９０１の回転軸と一致するように配置される。マトリックス本体９２０はその前部端で先の尖った先端９１１を有する。

本発明の電極の寸法決定
密度が１．０に近付くように本発明の電極の半径を寸法決定することを、以下に多くの例により例示する。電極の外側直径を１００μｍに設定する。より厚い又は薄い電極の半径寸法決定は、電極層の厚さに所望のサイズ因子を掛けることにより得る。例では、電極先端の軸方向長さを電極リード線の全長に体して無視できると仮定している。

実施例１
管状銀リード線、図１２ａ；ｄ_Ａｇ＝１０．４。内径（内腔）直径：９５μｍ。密度（計算値）：１．０１。

実施例２
管状金リード線、図１２ｂ；ｄ_Ａｕ＝１９．３。内径（内腔）直径：９７．３μｍ。密度（計算値）：１．０３。

実施例３
管状２層リード線、図１２ｃ。外側層金、ｄ_Ａｕ＝１９．３、内側層チタン、ｄ_Ｔｉ＝４．５。内径（内腔）直径：９２μｍ。チタン層の厚さ：７μｍ。金層の厚さ：１μｍ。密度（計算値）：０．９８６。

実施例４
管状２層リード線、図１２ｄ。外側層金、ｄ_Ａｕ＝１９．３、内側層チタン、ｄ_Ｔｉ＝４．５。内径（内腔）直径：９２μｍ。チタン層の厚さ：７．５μｍ。金層の厚さ：０．５μｍ。内腔にポリウレタンフォームを充填。ｄ_ＰＵＦ＝０．２０。密度（計算値）：０．９６３。

実施例５
閉鎖孔を有するポリウレタンフォームで覆った金ワイアリード線、図１２ｅ。ｄ_Ａｕ＝１９．３、ｄ_ＰＵＦ＝０．２４。金ワイアの直径：４０μｍ。密度（計算値）：１．００。

実施例６
閉鎖孔を有するポリウレタンフォームで覆った管状チタンリード線、図１２ｆ。ｄ_Ｔｉ＝４．５、ｄ_ＰＵＦ＝０．２０。チタンリード線の外側直径：７０μｍ。内径（内腔）直径：５３μｍ。密度（計算値）：１．０４。

実施例７
米国特許７，３９３，４４６号（Ｂ２）の電鋳法により、直径約６０μｍのポリスチレンビーズを使用して製造した多孔性ニッケルリード線。該リード線の外側直径：５００μｍ。密度約１．１のリード線を、電鋳の持続時間を変えることにより製造した一連のリード線の一つとして製造した。開放孔を有する気泡金属構造が形成すると、該ポリスチレンマトリックスを、アセトンに浸すことにより除去する。円筒状多孔性ニッケルリード線をアセトンで充分に濯ぎ、乾燥し、次ぎに金でメッキ厚さ約１０μに、該孔を開放した状態を保持するように電気メッキする。該リード線を水、次ぎにアセトンで充分に濯ぎ、乾燥する。該リード線の一端をアセチレンバーナーで注意深く加熱して縮ませて、丸まった先端を形成する。該リード線の他の端に、ハンダ付けにより薄い絶縁した銅ワイアを取り付ける。電極リード線を、縮んだ先端部分以外はＴＨＦ中のポリウレタン溶液（２０ｗ／ｗ％）（Ｔｅｃｏｆｌｅｘ（登録商標））溶液、グレードＳＧ−８５Ａ，レブリゾール社、オハイヨ州、クリーブランド）に浸して、該孔を閉じそして該電極リード線の主要部を絶縁する。本発明で使用する他の浸漬被覆材料、例えばＴｈｏｒａｌｏｎ（登録商標）は、ポリテトラメチレンオキシドから成る軟質セグメントと、４，４’−ジフェニルメタンジイソシアネート及びエチレンジアミンから作られる硬質セグメントを含むポリエーテルウレタンウレアを含む（ＢＰＳ−２１５、トラテック社、カルフォルニア州、プレザントン）。

本発明の電極の製造
本発明の管状電極は、対応する金属ミクロチューブから製造できる。貴金属のミクロチューブは、例えば、アルミニウム又は鉄のような貴金属性の低い金属に、銀、金、白金等のような貴金属だけでなく銅を電解被覆し、次いで該貴金属性の低い金属を塩酸のような非酸化性の強酸で溶解することにより得られる。該ミクロチューブの前部端は、原料チューブの短い部分をその融点より僅かに低い温度に加熱し、次ぎにその端部をこの温度で反対方向（両方向）に引っ張り、次いで該温度を融点に上げて、微細に引き伸ばした部分を崩すことにより閉じることができる。該チューブを次ぎに引き離し、２つの、材料及び作業条件により先端が鋭い又は丸まったミクロチューブが得られ、それを所望の長さに切断できる。或いは、ミクロチューブはその一端を、場合によっては該端を溶接に平らにした後、溶接により閉じることができる。前部端が閉じたミクロチューブの後部端を、例えば、僅かに円錐形のポリエチレン又はポリプロピレンプラグを所望の長さだけ開口端に押し入れることにより、密閉できる。ミクロチューブの内腔へのポリマーフォームの充填は、高揮発性溶媒、例えばプロパン又はブタン、中のプレポリマーの溶液若しくは懸濁液を射出し、次いで充填ミクロチューブを穏やかに加熱することにより行われる。微粒子状固体充填剤を該内腔に注ぎ、必要な場合は適当な直径のピストンによりそこに押し込めることができる。

本発明に使用するのに適した導電性ポリマーには、ポリエチレンジオキシチオフェン、ポリアニリン、ポリアセチレン及びポリピロールが含まれる。

ワイア電極は、例えば、該電極を前述のプレポリマーの溶液若しくは懸濁液を充填した容器を含む閉鎖コンパートメントに配置し、該電極を該溶液若しくは懸濁液に浸し、該電極を該溶液若しくは懸濁液から引き出し、該容器を閉鎖し、空気、特に湿った空気を該コンパートメントに入れ、このようにして湿った雰囲気で覆った電極を、該ポリマーが完全に硬化するまで貯蔵することにより、ポリマーフォームで覆うことができる。該ワイア上の閉じた孔を有するポリマーの層の厚さは、該プレポリマーの溶液若しくは懸濁液の粘度、及び／又は該容器内の該溶液若しくは懸濁液の温度、及び／又は溶媒の種類を調節することにより調節することができる。

超薄型絶縁層は、電極の所望の部分に電気絶縁性ラッカーを塗布することにより得ることができる。或いは、又は更に、例えばパリレン−Ｃの絶縁塗膜を使用できる。

多孔性金属構造を含む本発明の電極は、例えば、米国特許７，３９３，４４６公報（Ｂ２）に記載した方法により、製造できる。

本発明の電極は、ＷＯ２００７／０４０４４２Ａ１に記載された方法と実質的に同じようにして束ね又は重ねることができる。本発明の電極はまた、ＷＯ２００８／０９１１９７Ａ１に記載されたようなアレーに含めることができる。本発明の電極、及び本発明の電極束及び電極束のアレーを、体液に溶解性の硬いマトリックス体に含ませるのに適当な手順は、ＷＯ２００９／０７５６２５Ａ１に記載されている。

本発明のミクロ電極を溶解性マトリックスに埋め込む方法
本発明のミクロ電極を埋め込む方法は、固定手段を提供し、該電極及び場合によっては埋め込むべき追加の要素、例えば光ファイバー、収縮性要素等、を該固定手段内に所望の形態で固定し、このようにして固定された電極及び付属品に、その近位カップリング部分以外を覆う鞘を適用し、第１マトリックス材料の溶液又は懸濁液を該電極に、埋め込もうとする該電極の部分を覆うように塗布し、該マトリックス溶液若しくは懸濁液のそれぞれ溶媒／分散剤を蒸発又は硬化させ、該鞘を除去し、そして該電極を該固化手段から外すことを含む。電極を２種のマトリックス材料に埋め込んで、対応するマトリックスコンパートメントを形成し、各コンパートメントが該電極の一部分を封入するためには、上記のように固定手段により固定された該電極の適当な部分は、該第１マトリックス材料の溶液又は懸濁液で被覆し、その溶媒／分散剤を引き続き蒸発させ、次いで被覆するように残された該電極の部分を第２のマトリックス材料の溶液又は懸濁液で被覆し、引き続き第２マトリックス材料の溶媒／分散剤を蒸発させ、そして該電極を該固化手段から外す。該方法で、該電極は、低湿潤性の滑らかな材料、例えばポリフルオロ化炭化水素ポリマー又はシリコンゴム、の鞘内に配置し、その中に固定するのが好ましい。溶媒蒸発を容易にするために、該鞘材料は多孔性、特に微孔性であるのが有利である。マトリックス材料を塗布しそして乾燥した後、該電極を該鞘から引き出す。所望により、薬物又は薬物の組み合わせを該マトリックスに混入させることができる。

本発明の電極を、別個のマトリックスコンパートメントを形成する２つのマトリックス材料に埋め込む代替の方法は、電極全体を第１マトリックス材料に埋め込み、該第１マトリックス材料の一部分、好ましくは遠位末端から延びる遠位部分、を溶解させ、該電極の埋め込まれていない遠位部分を、例えば埋め込まれていない遠位部分に鞘を適用することにより覆い、該鞘に第２マトリックス材料の溶液又は懸濁液を充填し、該溶媒を蒸発させて該第２マトリックス材料を乾燥／硬化し、そして該鞘を除くことにより、第２マトリックス材料で覆う。

本発明の電極は、単一のコーチング技術又はコーチング技術の組み合わせ、例えば浸漬コーチング、スプレーコーチング；押し出し、圧縮成形及び射出成形を含む溶融工程、又は種々の技術の組み合わせ、を使用して被覆できる。

段階的手順の代表的例において、電極はまず、適正な溶媒に溶解させた適当な再吸収性ポリマー又はポリマーのブレンド物、特にコラーゲン、ゼラチン、ポリビニルアルコール及び澱粉、で浸漬被覆する。他のポリマーもまた使用できる。ポリマー層の厚さは、当業者に知られた方法で制御される。次ぎに皮膜を乾燥ステップに付す。浸漬被覆及び乾燥ステップは、最終皮膜に要求される厚さによって、一回行うことも、繰り返すこともできる。次のステップで、該ポリマーに薬物を充填する。該電極を、該薬物を含む溶液中に潜らせる。使用する溶媒は、該ポリマーが膨潤しそして該薬物が溶解するような溶媒でなければならない。適当な接触時間後、例えば５秒未満又はそれ以上の後、該電極を該溶液から取り出し、そしてマトリックスをできれば減圧下で、溶媒の蒸発により乾燥する。

ワンポット手順においては、電極をポリマー及び好みの薬物の、所望する皮膜厚さ及び場合によっては薬物充填に最適な濃度の溶液中に潜らせる。次に該電極を該溶液から取り出し、溶媒をできれば減圧下で蒸発させる。

或いは皮膜をスプレーコーチングによって生じさせるが、ここで、場合によっては薬物又は薬物の組み合わせを含む適当な溶媒中のポリマー溶液を電極本体にスプレーする。皮膜の厚さは、噴霧及び乾燥（蒸発）サイクルの回数、及び該溶液中のポリマー及び薬物の量により制御できる。

部分加水分解された水溶性ポリマー、例えばポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、及びポリアクリル酸の誘導体、例えばポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）、のヒドロゲル皮膜もまた本発明に含まれる。温度が上昇するとこれらのヒドロゲルは収縮し、これに該皮膜に混入された薬物又は薬物の組み合わせを追い出す。或いは、温度感受性ヒドロゲルはポリ（アクリルアミド）及びポリ（アクリル酸）の浸透性ヒドロゲル網状体であり、温度の上昇は該ヒドロゲルを膨潤させ、これにより薬物を該ゲルから分散して出す。

電気的誘発放出用のポリマー又はポリマーブレンド物、例えばポリビニルアルコール／キトサン、の使用も本発明に含まれる。

本発明の電極束、電極のアレー及び電極束のアレーをマトリックス内に、単一電極について記載した方法と実質的に同じ方法で埋め込むことができる。

使用
本発明はまた、マトリックス埋め込み電極、マトリックス埋め込み電極束又はマトリックス埋め込み電極束のアレーの、長期間持続神経刺激、電気的ニーロン活性及び伝達物質のレベルの、レドックス反応の測定によるマルチチャンネル記録、及び科学的目的、医学的目的及び動物介護の目的での組織の損傷への使用に関する。

本発明の好ましい観点によると、本発明のミクロ電極、ミクロ電極束、及びミクロ電極若しくはミクロ電極束のアレーは、患者又は動物中で、下記のために使用される：脳及び／又は脊髄の損傷後に残るニューロン（神経細胞）からのシグナルの記録；失われた記憶を補償するためのニューロンの刺激；鎮痛脳幹中心の刺激による鎮痛緩和；パーキンソン病における震え及びその他の運動症状の緩和及び低減；基底神経節又は関連する核内の刺激による、舞踏病の及び他の非自発的運動の緩和又は低減；アルツハイマー病又は他の退化性疾患の場合、コリン作動性及び／又はモノアミン作動性核の刺激による記憶の向上；辺縁系中心又は他の脳領域の刺激による気分、怒り、心配、恐怖症、耽溺、性的過活動、インポーテンツ、摂食障害の制御；脳卒中又は脳及び／又は脊髄の損傷後の、大脳皮質又は下行性運動神経路の残存回路の刺激によるリハビリテーション；脊髄損傷後の膀胱及び腸を空にするような脊髄機能の制御の、脊髄に関連する部分の刺激による再創設；抑制性棘上下行中心又は適当な小脳領域の刺激による痙縮の制御；体知覚、聴覚、視覚、嗅覚の、脊髄及び脳内の関連する核の刺激による再創設。

本発明の別の好ましい観点によると、本発明のミクロ電極、ミクロ電極束、及びミクロ電極若しくはミクロ電極束のアレーは、患者又は動物中で、組み合わされた監視及び刺激、特に下記のために使用される：抗てんかん薬又は電気的パルスを伝達するためのシステムに組み合わされた、てんかん病巣に埋め込まれた電極によるてんかん発作の監視；中央運動指令を記録し、次いで損傷から離れた運動系の実行部分を刺激することによる、運動系の失われた回路の補償；ホルモン放出を制御するための、血糖値の記録。

本発明の更なる好ましい観点によると、本発明のミクロ電極、ミクロ電極束、及びミクロ電極若しくはミクロ電極束のアレーは、患者又は動物中で、組織の局部的損傷、特に腫瘍又は異常に活性若しくはてんかん誘発性の神経組織の局部的損傷のために、充分な強度の電流を該電極、電極束又は電極束のアレーに流すのに使用される。

生物医学的研究で、本発明のミクロ電極、ミクロ電極束、及びミクロ電極若しくはミクロ電極束のアレーは、脳及び脊髄の正常な機能及び病理学的機能を特に長期間研究するために使用できる。

神経機能代替器具を有する患者において、本発明のミクロ電極、ミクロ電極束、及びミクロ電極若しくはミクロ電極束のアレーは、神経と該器具の境界領域を形成するために使用できる。

患者又は動物において、本発明のミクロ電極、ミクロ電極束、及びミクロ電極若しくはミクロ電極束のアレーは、内分泌器官又は外分泌器官の機能の制御、例えばホルモン分泌の制御に使用できる。

患者又は動物において、本発明のミクロ電極、ミクロ電極束、及びミクロ電極若しくはミクロ電極束のアレーは、１種又はそれ以上の骨格筋又は心臓筋肉の機能の制御に使用できる。

Claims (40)

1. ヒト又は動物の軟質組織内にインプラントするための、慣性による移動に抵抗性の医療用ミクロ電極であって、該電極は前部末端、後部末端を有し、そして２０℃での密度０．８０〜１．１５ｇ／ｃｍ ^３ を有し、下記のいずれかを含む該医療用ミクロ電極：
   (i) 金属及び／又は導電性ポリマーを含む又は金属及び／又は導電性ポリマーから成る導電性管状リード線であって、外側面と密閉した内腔とを有する該管状リード線；
   (ii) 金属及び／又は導電性ポリマーを含む又は金属及び／又は導電性ポリマーから成る導電性ワイアリード線であって、表面と、該表面に取り付けられた密度が１．０ｇ／ｃｍ ^３ 未満の浮揚性要素とを有する該ワイアリード線；
   ここで、該外側面又は該表面はそれぞれ電気絶縁されている。
2. ２０℃での密度０．８０〜１．１５ｇ／ｃｍ ^３ を有する、請求項１の電極。
3. ２０℃での密度０．９５〜１．０３ｇ／ｃｍ ^３ を有する、請求項１の電極。
4. 上記電極の密度が０．９９±０．０２ｇ／ｃｍ ^３ である、請求項１の電極。
5. 上記内腔が空洞である、請求項１の電極。
6. 上記内腔がフィラーを含む１つ又はそれ以上のセクション、及び場合によっては１つ又はそれ以上の空洞セクションを含む、請求項１〜４のいずれか１項の電極。
7. 上記フィラーの密度が０．８ｇ／ｃｍ ^３ 以下である、請求項６の電極。
8. 上記フィラーの密度が０．６ｇ／ｃｍ ^３ 以下である、請求項６の電極。
9. 上記フィラーが多孔性材料を含む、請求項６の電極。
10. 上記フィラーがポリマーを含む、請求項６の電極。
11. 上記ポリマーが可撓性である、請求項１０の電極。
12. 上記ポリマーが弾性的に可撓性である、請求項１０の電極。
13. 上記ポリマーが閉鎖孔を含む、請求項１０の電極。
14. 上記ポリマーの２０℃での密度が０．８ｇ／ｃｍ ^３ 未満である、請求項１３の電極。
15. 上記ポリマーの２０℃での密度が０．６ｇ／ｃｍ ^３ 未満である、請求項１３の電極。
16. 上記浮揚性要素が、閉鎖孔を含むポリマーを含む、請求項１の電極。
17. 上記ポリマーの２０℃での密度が０．８ｇ／ｃｍ ^３ 未満である、請求項１６の電極。
18. 上記ポリマーの２０℃での密度が０．６ｇ／ｃｍ ^３ 未満である、請求項１６の電極。
19. 上記ポリマーが可撓性、特に弾性的に可撓性である、請求項１６の電極。
20. 上記ポリマーが弾性的に可撓性である、請求項１６の電極。
21. 体液中で溶解性又は分解性のマトリックス中に完全に又は部分的に埋め込まれた請求項１の電極。
22. 電子的増幅手段を含み、該電極と該電子的増幅手段の組み合わせが２０℃で０．８０〜１．１５ｇ／ｃｍ ^３ の密度を有する、請求項１の電極。
23. 電子的増幅手段を含み、該電極と該電子的増幅手段の組み合わせが２０℃で０．９０〜１．０７ｇ／ｃｍ ^３ の密度を有する、請求項１の電極。
24. 電子的増幅手段を含み、該電極と該電子的増幅手段の組み合わせが２０℃で０．９５〜１．０３ｇ／ｃｍ ^３ の密度を有する、請求項１の電極。
25. 上記密度が０．９９±０．０２ｇ／ｃｍ ^３ である、請求項２４の電極。
26. 上記電子的増幅手段が上記電極の後部末端に又はその近くに配置された、請求項２２の電極。
27. 上記電極から離れて配置された電子的増幅手段との間の電気的連絡のために、該電極の後部末端で若しくはその近くで超薄型絶縁ワイアが取り付けられた、請求項１の電極。
28. 上記超薄型絶縁ワイアが電極ワイアと一体である、請求項２７の電極。
29. 上記電子的増幅手段が上記ヒト又は動物の軟質組織に配置される、請求項２２の電極。
30. 上記電子的増幅手段が電気エネルギーの源を含む、請求項２２の電極。
31. 上記電子的増幅手段が、上記ヒト又は動物の外に配置された制御手段に／該制御手段からの放射線を伝達する及び／又は受けるための手段を含む、請求項２２の電極。
32. 上記電極の前部末端に又はその近くに配置された固定手段を含む、請求項１の電極。
33. 密閉した多孔性材料を含む、請求項１〜３２のいずれか１項の電極。
34. 請求項１〜３３のいずれか１項の電極を２つ又はそれ以上含む、電極束。
35. 体液中で溶解性又は分解性の材料中に部分的に又は完全に封入された請求項３４の電極束。
36. 密閉した多孔性材料を含む、請求項３４又は３５の電極束。
37. 請求項１〜３３のいずれか１項の電極を２つ又はそれ以上含む、電極アレー。
38. 請求項３４〜３６のいずれか１項の電極束を２つ又はそれ以上含む、電極アレー。
39. 体液中で溶解性又は分解性の材料中に部分的に又は完全に封入された請求項３７又は３８の電極アレー。
40. 密閉した多孔性材料を含む、請求項３７〜３９のいずれか１項の電極アレー。
    

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