專利名稱：通過細(xì)胞遷移實現(xiàn)電極與細(xì)胞緊接的神經(jīng)刺激陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及電刺激或神經(jīng)細(xì)胞的感知。本發(fā)明尤其涉及對神經(jīng)細(xì)胞進行選擇性電接觸的電極構(gòu)造。
背景技術(shù)：
諸如色素性視網(wǎng)膜炎和老年性黃斑變性等常會導(dǎo)致失明的退化性視網(wǎng)膜病變主要是由視網(wǎng)膜內(nèi)的光感受器(即，視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞)退化引起的，而視網(wǎng)膜內(nèi)諸如雙極細(xì)胞和神經(jīng)節(jié)細(xì)胞等其他部分的機能則保持良好。
因此，人們應(yīng)該開始研究如何治療由上述情形所導(dǎo)致失明，具體的方法則由與視網(wǎng)膜功能部分相連接并提供光感受器功能的視網(wǎng)膜假體實現(xiàn)。
視網(wǎng)膜假體和視網(wǎng)膜功能部分間的連接通常由電極陣列實現(xiàn)(例如可參見Michelson的美國專利US 4,628,933)。Michelson教示了一種位于“釘床”結(jié)構(gòu)內(nèi)的裸電極規(guī)則陣列，還教示了一種用于降低電極間干擾的同軸電極規(guī)則陣列。雖然可以Michelson電極可以緊接要刺激的視網(wǎng)膜細(xì)胞放置，但是Michelson電極結(jié)構(gòu)的侵略性并非最低，并且難以避免對視網(wǎng)膜功能部分的損壞。
可選地，能夠把帶有電極的假體放置在視網(wǎng)膜外層(epiretinally)(即，位于視網(wǎng)膜和玻璃體液之間)而無需穿透視網(wǎng)膜內(nèi)部的限制膜(例如可參見de Juan等人的美國專利US 5,109,844)。雖然de Juan等人的安排中的侵略性要小于Michelson的方法，但是de Juan等人的電極與要刺激的視網(wǎng)膜細(xì)胞之間的距離比Michelson方法中的大。
并不期望增加電極和細(xì)胞間的距離，因為電極干擾和細(xì)胞刺激所需功率都會隨著電極和細(xì)胞間距離的增加而增大。此外，電功率的增加還會導(dǎo)致各種不希望有的后果，諸如生物組織內(nèi)熱阻的增加以及電極上電化學(xué)活動的增強等。
Stein等人的美國專利US 3,955,560是一種實現(xiàn)電極和神經(jīng)纖維(即，軸突)之間較小距離的方法實例，但是此種方法的侵略性很強，要求切斷神經(jīng)并在隨后通過假體和嵌入假體內(nèi)的過去電極來再生軸突。
對細(xì)胞進行電接觸的另一種方法可參見Kenney的美國專利US 6,551,849。在此方法中，通過光刻技術(shù)在硅襯底上形成針陣列。但如以上Michelson的發(fā)明所述，這一針陣列對組織的侵略性不是最小的。此外，Kenney的硅針的側(cè)面是暴露的并且能夠?qū)崿F(xiàn)與細(xì)胞的電接觸，這就非期望地降低了細(xì)胞激勵的空間精確度。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目標(biāo)在于提供通過使用與神經(jīng)細(xì)胞緊接的電極并以最小的侵略性實現(xiàn)與神經(jīng)細(xì)胞選擇性地電接觸的一種裝置和方法。
本發(fā)明的另一個目標(biāo)在于激勵或允許神經(jīng)細(xì)胞向刺激電極的遷移以使電極和細(xì)胞間的距離最小。
本發(fā)明的又一個目標(biāo)在于在激勵或允許神經(jīng)細(xì)胞遷移的情況下保持生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能。
本發(fā)明的再一個目標(biāo)在于降低相鄰電極間的干擾。
本發(fā)明的另一個目標(biāo)在于保證細(xì)胞興奮的較低閾值電壓和電流。
本發(fā)明的又一個目標(biāo)在于提供允許神經(jīng)組織對假體進行機械錨定的一種界面。
本發(fā)明的再一個目標(biāo)在于提供較大的電極表面積以降低電流密度，并由此降低電化學(xué)侵蝕速率。
本發(fā)明的一大優(yōu)勢在于可以使得所選細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞組接近于刺激或感知電極，同時保護生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信號處理功能。本發(fā)明的另一優(yōu)勢在于通過使細(xì)胞與電極緊接來降低細(xì)胞興奮所需的電功率，由此降低組織熱和電極侵蝕。本發(fā)明的又一優(yōu)勢在于細(xì)胞和電極的緊接可以降低未選細(xì)胞的干擾，這就允許更高的填充密度，從而改善空間分辨率。
本發(fā)明提供用于選擇性激勵或感知生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)細(xì)胞的一種界面。該界面膜，該膜包括帶有多個貫穿該膜的通道。每個通道內(nèi)部至少有一個電極。生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的神經(jīng)細(xì)胞向這些通道生長或遷移，從而與這些電極緊接。
一旦有一個或多個神經(jīng)細(xì)胞向一通道生長或遷移，則該通道內(nèi)電極的外加電壓就選擇性地激勵該通道內(nèi)的一個(或多個)神經(jīng)細(xì)胞。然后通過與在該通道內(nèi)被刺激的神經(jīng)細(xì)胞相關(guān)聯(lián)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(即，細(xì)胞和軸突)傳輸這些神經(jīng)細(xì)胞的興奮?？蛇x地，也可由該通道內(nèi)的電極選擇性地感知由生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)活動引起該通道內(nèi)一個(或多個)神經(jīng)細(xì)胞的興奮。
本發(fā)明的一個可選實施例經(jīng)由襯底上導(dǎo)電支柱陣列而提供細(xì)胞激勵。這些支柱具有電絕緣的側(cè)面和暴露的、用于提供選擇性細(xì)胞激勵的頂面。更具體地，可以激勵離開支柱頂面的距離與該支柱半徑可比(或更小)的細(xì)胞。支柱間的距離足以允許細(xì)胞遷移入其中，從而實現(xiàn)了對組織進行緩慢且非破壞性的預(yù)定深度的穿透。


圖1示出了具有被置于視網(wǎng)膜下并帶通道的膜的本發(fā)明的一個實施例。
圖2示出了具有被置于視網(wǎng)膜下并帶通道的膜，并且具有從內(nèi)核層遷移入所述通道的細(xì)胞的本發(fā)明的一個實施例。
圖3示出了帶電極膜的本發(fā)明的一個實施例的側(cè)視圖，其中所述電極暴露在通道內(nèi)部并在位于膜底的通道外部處被涂覆。
圖4示出了按圖3的本發(fā)明實施例的底視圖。
圖5示出了具有被置于視網(wǎng)膜下并帶通道的膜，并且具有遷移入所述通道的神經(jīng)細(xì)胞的本發(fā)明的一個實施例。通道電極的外加電壓引起該通道內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞的興奮。該通道內(nèi)興奮的神經(jīng)細(xì)胞將信號傳輸給視網(wǎng)膜網(wǎng)絡(luò)。
圖6示出了具有兩個不同通道直徑的通道，并且在其底部具有阻擋層以防止細(xì)胞遷移入該通道同時允許營養(yǎng)素流過的本發(fā)明的一個實施例。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的陣列的一個實施例。
圖8示出了其中僅有少量(理想情況下只有一個)神經(jīng)細(xì)胞能夠進入所述通道的本發(fā)明的一個實施例。外加電場可以為細(xì)胞提供足夠的刺激。
圖9示出了具有橫向延伸入通道的電極和/或絕緣體的本發(fā)明的一個實施例。
圖10示出了具有連接至所述電極的感光電路并在其底部具有多孔阻擋層以防止細(xì)胞經(jīng)過通道同時允許營養(yǎng)素流過的本發(fā)明的一個實施例。
圖11示出了具有置于通道端面上的電極的本發(fā)明的一個實施例。
圖12a和12b示出了具有選擇性電接觸細(xì)胞的支柱的本發(fā)明的一個實施例。
具體實施例方式
圖1示出了具有膜110的本發(fā)明的一個實施例，其中膜110帶有貫穿該膜110的多個通道120。如圖1中實例所示，膜110優(yōu)選地位于視網(wǎng)膜130下。典型的視網(wǎng)膜130包括光感受器(即，視桿細(xì)胞和/或視錐細(xì)胞)140、內(nèi)核層細(xì)胞150(例如，雙極細(xì)胞)、神經(jīng)節(jié)細(xì)胞160以及分別與視神經(jīng)170相連的軸突。膜110可以是基本不導(dǎo)電并且柔韌度足以符合生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)組織形狀的任何種類的生物相容性材料。膜110的合適材料包括聚脂薄膜和PDMS(聚二甲基硅氧烷)。膜110的厚度小于0.5mm，并且優(yōu)選地位于約5微米至100微米之間。通道120完全貫穿膜110，并可呈現(xiàn)任何形狀，雖然優(yōu)選地應(yīng)為圓形。圖1中的視網(wǎng)膜130是生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一個實例。本發(fā)明可應(yīng)用于電接觸任何種類的生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括但不限于中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(例如，大腦皮層)、CNS內(nèi)核以及CNS的外周神經(jīng)中樞。生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由互連生物處理單元(例如，神經(jīng)元)組成，這些生物處理電壓并行響應(yīng)送入其每一個的輸入信號組。
圖2示出了遷移入圖1中膜110的通道120內(nèi)的細(xì)胞。當(dāng)膜110位于神經(jīng)組織層附近時，該神經(jīng)組織層內(nèi)的神經(jīng)細(xì)胞向這些通道生長或遷移的趨勢。這一生長過程是細(xì)胞的自然生理反應(yīng)，并取決于這些細(xì)胞相關(guān)的營養(yǎng)素存在與否、空間和合適的表面形態(tài)?？蛇x地，可以包括生長(或抑制)因子以增強(或降低)神經(jīng)細(xì)胞的遷移或生長。這些因子包括但不限于BDNF (腦源神經(jīng)營養(yǎng)因子)、CNTF(睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子)、Forskolin、Laminin、N-CAM以及改良N-CAM。然而這些生長或抑制因子并不總是必須的。在圖2的實例中，細(xì)胞210是遷移入和/或通過位于視網(wǎng)膜下(subretinally)膜110內(nèi)通道120的神經(jīng)細(xì)胞150。這些通道的直徑應(yīng)該足以允許神經(jīng)細(xì)胞150的遷移，并且優(yōu)選地位于約5微米至20微米的范圍內(nèi)。通過試驗我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)把膜110置于視網(wǎng)膜下(即，在視網(wǎng)膜與眼外層之間)時易于出現(xiàn)細(xì)胞遷移，而把膜110置于視網(wǎng)膜外層(即，在視網(wǎng)膜與玻璃體液之間)時不易于出現(xiàn)(或者根本不發(fā)生)細(xì)胞遷移。神經(jīng)細(xì)胞150穿透和通過通道120提供了視網(wǎng)膜130對膜110的機械錨定。
圖3示出了圖2結(jié)構(gòu)的通道之一的放大圖。在圖3的實例中，將電極310置入膜110的通道120內(nèi)，從而為神經(jīng)細(xì)胞210及其軸突通過通道的遷移和生成留有了足夠的空間。作為這些細(xì)胞遷移的結(jié)果電極310與神經(jīng)細(xì)胞210緊接。示出的電極310延伸至膜110的底面(即，膜110遠(yuǎn)離生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的表面)。導(dǎo)線(未示出)可將電極310連接至輸入和/或輸出端(未示出)，或連接至膜110內(nèi)的電路。在電極310和可選導(dǎo)線位于膜110底面的情況下，優(yōu)選地在膜110的底面上放置覆蓋電極310(和任何導(dǎo)線，如果存在的話)的非導(dǎo)電層350以提供電絕緣。圖4示出了從具有圖3結(jié)構(gòu)的兩個通道120的非導(dǎo)電層350向上看所得的視圖。圖4還示出了電極310和細(xì)胞210的緊接。
電極310與神經(jīng)細(xì)胞210電接觸，但是可與或可不與神經(jīng)細(xì)胞210物理接觸。對電極310刺激細(xì)胞210或?qū)﹄姌O310感知細(xì)胞210活動來說，電極310和細(xì)胞210之間的直接物理接觸并不是必須的。
圖5示出了圖2結(jié)構(gòu)的作用。一個通道120內(nèi)的所選的神經(jīng)細(xì)胞510由位于同一通道內(nèi)的電極電激勵。來自一個(或多個)神經(jīng)細(xì)胞510的脈沖刺激所選的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞520，而該細(xì)胞520再依次刺激所選視神經(jīng)纖維530。
通過結(jié)合圖1至圖5討論的結(jié)構(gòu)可以提供本發(fā)明的諸多優(yōu)勢。更具體地，可以提供電極310與遷移入細(xì)胞210的緊接，從而降低刺激細(xì)胞210所需的電功率并減少對未選細(xì)胞(即，不在與具體電極310相對應(yīng)的通道120內(nèi)的細(xì)胞)的干擾。刺激細(xì)胞210所需的電功率的降低使得組織熱減少以及電極310的電化學(xué)侵蝕減慢。減少對未選細(xì)胞的干擾則可改善空間分辨率。此外，通過膜110使電極310彼此間的良好絕緣，從而也降低了極間干擾。而且神經(jīng)細(xì)胞150向通道120生長或遷移也保持了視網(wǎng)膜130現(xiàn)存的功能。
然而，圖1至圖5所示的結(jié)構(gòu)并不直接限制通過通道120的細(xì)胞生長和/或遷移。在某些情況下，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過通道120的許多細(xì)胞生長或遷移會導(dǎo)致形成遠(yuǎn)離視網(wǎng)膜的大量不受控制的細(xì)胞和/或細(xì)胞“簇”。這些不受控制的簇的生長會導(dǎo)致相鄰簇的熔化，而這會使非期望干擾增加。同樣地，電極310的較小表面積會增加電流密度，從而增加電極310處的非期望電化學(xué)活動。
圖6根據(jù)本發(fā)明一個實施例示出了防止這些不受控制的視網(wǎng)膜簇形成并提供增加的電極表面積的界面600。在圖6的實施例中，第一層610和第二層630形成的膜與圖1中膜110類似。通道貫穿第一層610和第二層630兩者，其中在第二層630中的通道直徑d2大于在第一層610中的直徑d1。層610和630的厚度和小于0.5mm。層610的厚度優(yōu)選地位于約10微米至50微米之間。層630的厚度優(yōu)選地位于約5微米至50微米之間。放置阻擋層620使得第二層630位于第一層610和阻擋層620之間。示出的阻擋層620具有直徑為d3的孔，該孔與通過層610和630的通道相對準(zhǔn)。將電極640放置在第一層610面對第二層630的表面上。
層610、620和630可以是基本不導(dǎo)電并且柔韌度足以符合生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)組織形狀的任何種類的生物相容性材料。合適的材料包括聚脂薄膜和PDMS(聚二甲基硅氧烷)。
第一層610接近并且面對生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(圖6中未示出)。如圖1所示的視網(wǎng)膜130是這一生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一個實例。如上結(jié)合圖2所述，倘若有足夠空間，則細(xì)胞有生長或遷移入層610中通道的趨勢。因此，直徑d1應(yīng)足以允許神經(jīng)細(xì)胞(諸如圖1中的150)的遷移，并優(yōu)選地位于約5微米至50微米之間。
阻擋層620的功能在于防止生長不受控制的視網(wǎng)膜簇通過阻擋層620，同時卻允許營養(yǎng)素通過層610和630流入通道內(nèi)的一個(或多個)細(xì)胞。因此，直徑d3應(yīng)該足夠小以防止通過阻擋層620的細(xì)胞(或細(xì)胞突)生長或遷移。優(yōu)選地，d3應(yīng)該小于5微米以防止通過阻擋層620的細(xì)胞遷移。可選地，阻擋層620可以包括各自直徑均小于5微米的數(shù)個小孔，其中在層620中的這些孔與第二層630內(nèi)的通道對準(zhǔn)。更具體地，阻擋層620可以是具有大到足以允許營養(yǎng)素流過且小到足以防止細(xì)胞通過其而移動的至少一個孔的不滲透膜，或者是允許營養(yǎng)素流過的滲透膜。
因為直徑d2大于直徑d1，所以可以在通過第二層630的通道內(nèi)形成視網(wǎng)膜簇。這一視網(wǎng)膜簇的形成并非不受控制，因為該視網(wǎng)膜簇的最大尺寸是由阻擋層620所確定的。事實上，通常希望形成受控視網(wǎng)膜簇，因其能改善界面600對視網(wǎng)膜的機械錨定。
電極640被放置在面對第二層630的第一層610的表面上并且位于貫穿兩層的通道內(nèi)。因為d2大于d1，所以可以使得電極640的表面積大大超過沿著其長度具有均勻通道直徑的通道內(nèi)的電極表面積(例如圖3所示)。直徑d2的范圍優(yōu)選地位于約10微米至100微米之間。在圖6的實例中，電極650被放置在第一層610的頂面上。電極640和650間的外加電壓在通過第一層610的通道內(nèi)提供了電場。
本發(fā)明的一個變化是涂覆電極640以進一步增加其表面積并進一步降低電流密度和相關(guān)聯(lián)的導(dǎo)電層電化學(xué)侵蝕速率。例如，炭黑具有約1000m2/g的表面積，所以在電極640上涂覆炭黑層可以顯著增加其有效表面積。用于該涂層的其他合適材料包括鉑黑、氧化銥和氯化銀。
可以使用激光技術(shù)來形成通道。在圖6所示實施例的情況下，首先形成最大的孔(即，通過第二層630的通道)，隨后使層630和610相互粘合。接下來使用先前形成的孔用于對準(zhǔn)而形成次大孔，然后再將阻擋層620附于第二層630。最后使用先前形成的孔用于對準(zhǔn)而形成阻擋層620中的最小孔(如果需要)。還可以使用激光技術(shù)形成第一層610上的電極640。例如，第一層610可以具有沉積在層610表面并最終面對第二層630的連續(xù)金屬薄膜，而對該連續(xù)金屬薄膜的激光處理可以定義電極640(以及如結(jié)合圖3所述與這些電極相連的可選導(dǎo)線)。在這些過程中使用的激光處理方法是本領(lǐng)域內(nèi)已知的。
圖7示出了包括按圖6形成的界面600(諸如600a、600b、600c等)的若干界面700，用于視網(wǎng)膜內(nèi)選擇性地多點接觸。通常將界面700內(nèi)的界面600排列為二維陣列，其中每個通道對應(yīng)于該陣列的一個像素。在圖7的實施例中，電極650優(yōu)選地作為所有通道的公共電極。因為主要通過界面600周圍的細(xì)胞外液進行傳導(dǎo)，所以對應(yīng)于不同陣列單元的電極640間的電阻主要由阻擋層620中的孔直徑d3確定。因此，通過對減小極間干擾(通過減少d3)和提供足夠營養(yǎng)素流過(通過增加d3)的折衷而確定對d3(或等效地，阻擋層620中的總開口面積)的選擇。
圖8示出了界面600的作用，其中單細(xì)胞820已經(jīng)遷移入提供第一層610的通道。在實踐中，該通道內(nèi)可以出現(xiàn)多個細(xì)胞，雖然理想情況是通道中僅優(yōu)選地具有單個細(xì)胞，因為這樣可提供最大的激勵選擇性。電極640和650之間的電勢差創(chuàng)建了如圖所示通過細(xì)胞820的電場810。電場810刺激細(xì)胞820去極化，而所得的信號則如圖5所示行進至視網(wǎng)膜的其他部分。
圖9示出了作為界面600變體的界面900的作用。在界面900中，電極640和/或絕緣中間層920中途通過第一層610延伸至通道內(nèi)。圖9的實例示出了電極640和中間層920都延伸入通道。因為增加了電極640的阻抗，所以最小通道直徑的減小就降低了細(xì)胞820興奮所需的電功率。對接近電極640和中間層920的小開口的部分細(xì)胞820去極化。以此方式延伸的電極640還能增加其表面積，從而如所期望的那樣減小電極640的電化學(xué)侵蝕速率。
圖10根據(jù)本發(fā)明另一個實施例示出了界面1000的作用。在圖10的實施例中，第一層1010和第二層1020形成的膜與圖1中膜110類似。通道貫穿第一層1010和第二層1020兩者，其中在第二層1020中的通道直徑大于在第一層1010的直徑。層1010和1020的厚度之和小于0.5mm。如圖10所示，第二層1020的厚度約為典型細(xì)胞尺寸的幾倍的數(shù)量級，從而為在第二層1020內(nèi)受控視網(wǎng)膜簇的形成提供空間。層1010的厚度優(yōu)選地位于約5微米至50微米之間。層1020的厚度優(yōu)選地位于約5微米至100微米之間。放置阻擋層1030使得第二層1020位于第一層1010和阻擋層1030之間。
阻擋層1030的功能在于防止通過阻擋層1030的視網(wǎng)膜簇不受控制地生長，同時卻允許營養(yǎng)素通過層1010和1020流入通道內(nèi)的一個(或多個)細(xì)胞。示出的阻擋層1030具有與通過層1020的通道相對準(zhǔn)的若干小孔?？蛇x地，這些小孔的直徑都小于5微米以防止細(xì)胞通過孔的遷移?？蛇x地，阻擋層1030可如圖6所示每個通道具有單個小孔。更具體地，阻擋層1030可以是具有大到足以允許營養(yǎng)素流過且小到足以防止細(xì)胞移動經(jīng)過的至少一個孔的不滲透膜，或者是允許營養(yǎng)素流過的滲透膜。
電極1090被放置在與第二層1020面對的第一層1010的表面上，而另一個電極1080則被放置在遠(yuǎn)離第二層1020的第一層1010的表面上。在第一層1010內(nèi)制造感光電路1070(例如，光電二極管、光電晶體管等)，并且該電路與電極1080和1090相連。電極1080最好透光和/或具有允許光穿透到感光電路的圖案。電極1080還優(yōu)選地為所有通道所共有。
圖10的實施例提供了與電極1090相連的感光電路1070。因此，最好使用光敏材料制造層1010以允許對感光電路1070的制造(例如，任何種類的化合物半導(dǎo)體，諸如GaAs等)。此外，在此實施例中，可方便地使層1020和1030的材料與層1010的材料的處理技術(shù)相容。例如，層1020和1030可以是聚合物(例如，光刻膠)或無機材料(例如，氧化物或氮化物)。優(yōu)選地經(jīng)由光刻形成通過層1010和1020的通道(以及通過層1030的孔)，以便能夠快速制造具有大量通道的設(shè)備。因為上述材料通常不是生物相容的，所以優(yōu)選使用這些材料制成的本發(fā)明實施例的生物鈍化。用于這些材料的合適生物鈍化技術(shù)是本領(lǐng)域內(nèi)已知的。
在界面1000的操作中，入射至感光電路1070的光在電極1080和1090之間產(chǎn)生電勢差。可選地通過放大電路(未示出)提供對感光電路1070信號的電放大以響應(yīng)于感光電路1070增加在電極1080和1090上的信號。電極1080和1090之間的電勢差在通道內(nèi)提供通過細(xì)胞1050的電場1040。由電場1040引起細(xì)胞1050的興奮選擇性地激勵視網(wǎng)膜如圖5所示。
電極1090的電激勵可優(yōu)選地作為雙相電脈沖發(fā)放。例如，攜帶雙相脈沖1074的電源線1072可以將雙相電流脈沖發(fā)放給由感光單元1070所控制的刺激電極1090。電流在刺激電極1090間(大致沿著電場線1040)流動并返回電極1080。
圖11示出了除了通道電極位置之外皆與圖10的實施例相類似的一個可選實施例。在圖11的界面1100中，第一層1110和第二層1120形成與圖1中膜110類似的膜。通道貫穿第一層1110和第二層1120，其中在第二層1120中通道的直徑大于在第一層1110中的通道直徑。層1110和1120的厚度之和小于0.5mm。如圖11所示，第二層1120的厚度約為典型細(xì)胞尺寸的幾倍的數(shù)量級，從而為在第二層1120內(nèi)形成受控的視網(wǎng)膜簇提供空間。層1110的厚度優(yōu)選地位于約5微米至50微米之間。層1120的厚度優(yōu)選地位于約5微米至100微米之間。放置襯底1130在第二層1120之下并與其相接觸。
電極1190被放置在與通過第一層1110和第二層1120的通道相面對的襯底1130的表面上。這樣，襯底1130就提供用于通道的端面，并在該端面上放置電極1190。在此實施例中，通?？梢孕纬稍S多通道，每個通道都具有由襯底1130形成的端面以及在該端面上的對應(yīng)電極。而另一個電極1180則被放置在遠(yuǎn)離第二層1120的第一層1110的表面上。在襯底1130內(nèi)制造感光電路1070(例如，光電二極管、光電晶體管等)，并將其與電極1190相連。電極1180最好透光和/或具有允許光穿透到達(dá)感光電路的圖案。電極1180還優(yōu)選地為所有通道所共有。圖11的感光實施例的操作與圖10的實施例操作類似。界面1100在(例如，通過第一層1110的)通道的狹窄部分提供對細(xì)胞(例如，細(xì)胞1150)的選擇性激勵，因為在電極1180和1190之間流過的電流(例如，電流1140)在通道的狹窄部分比在通道的寬闊部分更為集中。
電極1190的電激勵可優(yōu)選地作為雙相電脈沖發(fā)放。例如，攜帶雙相脈沖1174的電源線1172可以將雙相電流脈沖發(fā)放給由感光單元1170所控制的刺激電極1190。電流1140可以在刺激電極1190之間流動并返回電極1180。
圖11的實施例有利地降低了制造復(fù)雜度，因為在由第一層1110和第二層1120形成的膜中無需獨立可尋址電路。代替地，在襯底1130中包括獨立可尋址電路(即，電極1190以及可任選的感光電路1170)，這樣(因為襯底1130沒有穿孔)就可使用標(biāo)準(zhǔn)的電子電路制造工藝而有效制造。因為由層1110和層1120形成的膜僅包括(為全部像素所共用的)電極1180，因此就能大大簡化該膜的制造?？煞珠_制造膜和襯底1130并在最終的裝配步驟中集成?？蛇x地，在按照慣例定義了襯底1130的電路和電極之后，就可在襯底1130頂部光刻制造所述膜。
在某些情況下，封入圖11實施例小孔中的細(xì)胞會隨時間改變其表型(甚至死亡)。另一個非期望的情況是無電活性的細(xì)胞可能優(yōu)先遷移入這些小孔(例如，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞或馬氏(Mueller)細(xì)胞可能比神經(jīng)細(xì)胞更快地遷移入，以使得這些小孔被無電活性的細(xì)胞所占據(jù))。
這些可能性就引出了圖12a和12b的實施例。在該方法中，電極被放置在支柱頂端以選擇性地電接觸神經(jīng)細(xì)胞。更具體地，將支柱1204置于襯底1202之上。優(yōu)選地，支柱高度在20μm至200μm之間，支柱直徑在5μm至25μm之間，而支柱之間橫向間距在20μm至100μm之間。將電極(或?qū)щ娷壽E)1206置于支柱1204上，使得這些電極在支柱1204頂部被暴露給神經(jīng)細(xì)胞1212。然而這些支柱1204的側(cè)部則使用絕緣層1210與細(xì)胞1212電絕緣。這些支柱側(cè)部的電絕緣提供了比傳統(tǒng)“釘床”電極陣列更為有效的激勵選擇性。這些電極1206的激勵導(dǎo)致接近活性電極的神經(jīng)細(xì)胞1212興奮。這些興奮的神經(jīng)細(xì)胞隨后就為神經(jīng)纖維1214提供信號。
可將共用返回電極1208放置在絕緣層1210的頂部。在某些情況下，如圖12a所示，返回電極1208并未延伸至支柱1204的側(cè)部。在其他情況下，如圖12b所示，返回電極1208′至少部分延伸至支柱1204的側(cè)部。
雖然能把圖12a和12b中的界面機械地插入生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，但應(yīng)優(yōu)選地把該界面放置得與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接近，并且允許或誘導(dǎo)神經(jīng)遷移至支柱之間的位置。圖12a和12b中的界面于是就能選擇性地接觸緩慢遷移(或者根本未遷移)的細(xì)胞而不發(fā)生由電極界面機械插入所引起的細(xì)胞損傷。允許或誘導(dǎo)細(xì)胞遷移的合適方法如上所述。
制造圖12a和12b實施例的一種方法從使用傳統(tǒng)手段制造其內(nèi)包括電路(例如，電極接合焊盤、可任選的感光電路等等)的襯底1202開始。沉積光刻膠層并形成圖案以產(chǎn)生支柱1204。接下來，沉積第一金屬層并形成圖案以產(chǎn)生與襯底1202相連的電極1206(通常，為電極陣列內(nèi)的每個像素制造一個電極和連接)。隨后，沉積電絕緣體并形成圖案以產(chǎn)生絕緣層1210，從而暴露支柱頂部并使界面的所有其他部分基本絕緣。再沉積第二金屬層并在絕緣層1210頂上形成圖案以產(chǎn)生共用電極1208。另外，可使用導(dǎo)電材料(代替光刻膠)制造支柱1204。
現(xiàn)已根據(jù)若干示意性而非限制性的實施例描述了本發(fā)明。于是本發(fā)明就可在各個細(xì)節(jié)實現(xiàn)中產(chǎn)生各種變化，而這些變化在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員閱讀了這里包括的說明書之后可輕易導(dǎo)出。
例如，膜上可包括額外的穿孔以輔助和/或確保營養(yǎng)素流過。這些穿孔的直徑應(yīng)該小于通道的直徑以避免神經(jīng)細(xì)胞通過這些額外的穿孔遷移(即，簇的形成)，但也應(yīng)大到足以確保營養(yǎng)素流過?？墒褂锰囟ǖ纳L因子或表面涂層以確保特定種類的細(xì)胞組的遷移，這些細(xì)胞例如僅包括雙極細(xì)胞，甚至只是雙極細(xì)胞的一個具體類型(例如，“開”或“關(guān)”細(xì)胞)同樣地，界面可包括一些用于刺激的通道或穿孔，而設(shè)計其他通道或穿孔用于對神經(jīng)組織的機械錨定。通常，根據(jù)本發(fā)明的界面可具有光學(xué)活性或不具有光學(xué)活性的。在本發(fā)明所有實施例中通常優(yōu)選(但不是必需)雙相電脈沖激勵。
本發(fā)明不限于在視網(wǎng)膜組織下放置界面，因為也可在視網(wǎng)膜組織之上或內(nèi)部放置界面。界面可用作連接各種神經(jīng)組織的假體設(shè)備，并且不限于視網(wǎng)膜假體或界面。
已經(jīng)討論了使用界面電刺激所選神經(jīng)細(xì)胞組的情況，然而也可以使用該界面測量在神經(jīng)細(xì)胞由外部觸發(fā)/激勵而生成的信號，例如由于光刺激而在視網(wǎng)膜細(xì)胞中生成的信號。
在對圖10的討論中闡明了用于圖10實施例的較佳光刻制造方法。同樣也結(jié)合圖6的實施例討論了激光工藝。本發(fā)明不限于任何一種制造方法。于是對光刻的使用也不限于圖10的實施例。類似地，對激光工藝的使用也不限于圖6的實施例。
認(rèn)為所有這些變化都在由所附權(quán)利要求及其合法等效物所限定的本發(fā)明的范圍和精神之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于選擇性電接觸生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中多個神經(jīng)細(xì)胞的界面，所述界面包括a)厚度小于0.5mm并且包括多個貫穿所述膜厚度的多個通道的膜，所述膜接近所述生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)放置，從而使得所述神經(jīng)細(xì)胞能夠遷移入所述通道；b)接近所述膜的襯底，其中與所述膜相面對的所述襯底的表面為每個所述通道提供端面；以及c)放置在所述通道的所述端面上的多個第一電極；其中在所述通道中留有足以允許至少一個所述神經(jīng)細(xì)胞遷移入所述通道的空間。
2.如權(quán)利要求1所述的界面，其特征在于，所述膜厚度的范圍在約5微米至100微米之間。
3.如權(quán)利要求1所述的界面，其特征在于，所述第一電極與所述神經(jīng)細(xì)胞物理接觸或與所述神經(jīng)細(xì)胞隔開。
4.如權(quán)利要求1所述的界面，其特征在于，所述生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括大腦皮層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或視網(wǎng)膜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
5.如權(quán)利要求1所述的界面，其特征在于，所述第一電極與多個感光電路相連接。
6.如權(quán)利要求1所述的界面，其特征在于，所述第一電極覆蓋有高表面積層，從而充分降低所述電極的電化學(xué)侵蝕。
7.如權(quán)利要求1所述的界面，其特征在于，在二維陣列中安排所述多個通道。
8.如權(quán)利要求1所述的界面，其特征在于，所述通道的每一個都大致呈圓形。
9.如權(quán)利要求1所述的界面，其特征在于，所述通道的每一個沿其長度都具有大致均勻的直徑，并且所述直徑的范圍在約5微米至50微米之間。
10.如權(quán)利要求1所述的界面，其特征在于，還包括放置在面對所述生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的所述膜的表面上的第二電極，其中所述第二電極為所述多個通道的全部所共用。
11.如權(quán)利要求10所述的界面，其特征在于，所述第二電極是透明的。
12.如權(quán)利要求1所述的界面，其特征在于，所述膜包括面對所述生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第一層、其面遠(yuǎn)離所述生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第二層，其中所述通道的每一個在所述第二層上的直徑都要大于在所述第一層上的直徑。
13.一種用于選擇性電接觸生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中多個神經(jīng)細(xì)胞的界面，所述界面包括a)襯底；b)從所述襯底中伸出的多個導(dǎo)電支柱，其中遠(yuǎn)離所述襯底的所述支柱頂?shù)谋砻婺軌蚺c所述神經(jīng)細(xì)胞電接觸，而所述支柱的側(cè)表面則與所述神經(jīng)細(xì)胞電絕緣，同時所述支柱彼此間并未電氣連接，其中在所述支柱間留有足以允許至少一個所述神經(jīng)細(xì)胞遷移入所述支柱間的空間。
14.如權(quán)利要求13所述的界面，其特征在于，還包括部分或整個放置在面對所述生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的所述襯底表面上的共用電極，其中所述共用電極為所述多個支柱的全部所共用。
15.如權(quán)利要求14所述的界面，其特征在于，所述共用電極是透明的。
16.如權(quán)利要求14所述的界面，其特征在于，所述共用電極至少部分覆蓋了所述支柱的所述側(cè)表面，并且與所述側(cè)表面電絕緣。
17.如權(quán)利要求13所述的界面，其特征在于，所述側(cè)表面通過放置在所述側(cè)表面上的絕緣層與所述神經(jīng)細(xì)胞隔開。
18.如權(quán)利要求13所述的界面，其特征在于，所述襯底還包括與所述頂表面相連接的感光電路。
19.如權(quán)利要求13所述的界面，其特征在于，所述支柱包括沉積在絕緣支柱襯底上的金屬涂層。
20.如權(quán)利要求13所述的界面，其特征在于，所述襯底包括硅電路，其中所述支柱包括光刻膠以及在所述光刻膠頂部的導(dǎo)電電路軌跡，并且其中所述軌跡與所述電路電氣連接。
全文摘要
提供了用于選擇性地激勵或感知生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)細(xì)胞的一種界面。該界面包括膜，該膜帶有多個貫穿該膜的通道。每個通道內(nèi)部至少有一個電極。生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的神經(jīng)細(xì)胞向這些通道生長或遷移，從而與這些電極緊接。一旦有一個或多個神經(jīng)細(xì)胞向一通道生長或遷移，則該通道內(nèi)電極的外加電壓就選擇性地激勵該通道內(nèi)的神經(jīng)細(xì)胞。隨后將這些神經(jīng)細(xì)胞的興奮通過與在該通道內(nèi)被刺激的神經(jīng)細(xì)胞相關(guān)聯(lián)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(即，細(xì)胞和軸突)傳輸。一種可選界面提供通過襯底上導(dǎo)電支柱陣列的細(xì)胞激勵。這些支柱具有電絕緣的側(cè)面和暴露的、用于提供選擇性細(xì)胞激勵的頂面。
文檔編號A61N1/00GK1933872SQ200580003097
公開日2007年3月21日 申請日期2005年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月22日
發(fā)明者D·帕郎克, 小P·休伊, A·萬科夫, H·A·費什曼 申請人:利蘭·斯坦福青年大學(xué)托管委員會