CN103857437A - 包括纳米线和支撑层的神经元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括纳米线和支撑层的神经装置。所提供的神经装置包括衬底，一根或更多根纳米线，每根纳米线的一端固定在衬底上并在垂直方向上延伸，纳米线插入到神经中以从神经纤维获取电信号或将电信号施加到神经纤维；以及支撑层，该支撑层布置在衬底上以部分地覆盖纳米线和支撑纳米线。

Description

包括纳米线和支撑层的神经元件

技术领域

本发明涉及包括发送和接收电信号的纳米线的智能神经装置，更具体地涉及由于纳米线被绝缘材料等包围和支撑而改善诸如耐久性的物理性质的神经装置。

背景技术

在解剖学中，神经是能清晰可见的细长结构，并且从组织学来看，神经包括多个神经束。同时，神经束是多个神经纤维的集合。神经纤维是指神经元中的轴突的部分，且由于轴突具有优良的细长纤维形状而被称为神经纤维。诸如轴突的各种术语用来指代神经纤维。

所有神经纤维被神经内膜（即软结缔组织）包围，神经束由神经束膜包围，神经（即多束神经束）被神经外膜包围。所有这些膜被设置用于保护神经，其中仅有神经外膜可用肉眼区分开。

一般来说，人体的肌肉是依据从神经提供的电刺激来工作。因此，当出现面部肌肉异常时，可能需要治疗连接到相应肌肉的神经。

当出现面部神经或喉部神经异常时，采用诸如药物、外科手术等治疗。在这种情况下，患者接受相应部位的局部按摩以便在受损神经恢复的过程中，通过刺激末梢神经来刺激受损肌肉，进而预防肌肉萎缩。

即，在对肌肉的刺激由于面部或喉部神经瘫痪的患者的手术等而受到阻碍时，因为相应肌肉可能受到损伤而造成永久性肌肉损伤或瘫痪，已提出了按摩与相应的神经系统相关的肌肉或者从外部提供电刺激等的方法。

同时，已提出了配置为插入到人体以提供物理刺激或获取人体中的某一数值的信息的常规装置，以及包括提供或检测用于神经的电刺激的电极的常规装置描述为如下。

首先，常规上已经提出了基于金属-氧化物-半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field effect transistor,MOSFET）的检测神经电信号的装置。该相关技术是利用MOSFET器件的选通来监测依赖于外部刺激的膜电容变化的技术，并且是一种同时监测各种神经反应的技术。该相关技术已经应用到通过使用由聚酰亚胺制成的栅栏来固定P-MOSFET周围的蜗牛神经元的位置并培养它们使其具有限制的活动性来检测神经信号的方法(Zeck等,Noninvasive neuroelectric interfacing withsynaptically connected snail neurons immobilized on a semiconductorchip,Proc Nat Acad Sci2001;98)。

其次，已经提出了一种检测脑干或神经纤维的电刺激的技术。自2000年以来，犹他大学（美国）的诺曼团队和Cyberkinetics公司已经进行通过将多个电极直接插入神经和大脑中来测量电信号并刺激神经的研究（Normann等,Long-Term Stimulation and Recording With a PenetratingMicroelectrode Array in Cat Sciatic Nerve,IEEE Transactions onBiomedical Engineering,VOL.51,NO.1,JANUARY2004）。

第三，已提出了一种在神经纤维中插入筛电极的技术。通过Fraunhofer-IBMT(德国)、MTEK(德国)以及其它公司的共同研究，通过在神经纤维中插入要被弯曲的筛电极并将电刺激施加到神经纤维已经研究出神经的再生并且已经尝试对神经信号进行记录(Anup等,Design,invitro and in vivo assessment of a multi-channel sieve electrode withintegrated multiplexer,J.Neural Eng.3(2006)114-24)。筛的总直径与大鼠坐骨神经的总直径（1.5mm）相同，以及直径为40μm的571个孔以70μm的间隔设置在筛中。此外，环形的电极覆盖27个孔且它们的面积为2200μm²。

在上述第一个相关技术的情况下，存在的问题是，MOSFET装置的噪声大，因此仅能够测量到电信号的趋势。此外，在上述第二个相关技术的情况下，存在的问题是，当电极插入时，脑干或神经元会被杀死。此外，在上述第三个相关技术中的筛电极插入时，电极之间会产生串扰，因此存在不能准确地检测电信号的问题。

发明内容

技术问题

本发明旨在提供一种神经装置，该神经装置能够通过在不杀死神经纤维的前提下持续地对神经系统提供电刺激并且从那里获取电信号来解决肌肉受损的问题。

本发明旨在提供一种神经装置，该神经装置由于纳米线被绝缘材料包围和支撑而具有例如耐久性的改进的物理性质。

本发明旨在提供一种神经装置，该神经装置即使在部分神经被切断时也能够通过彼此电连接多个处理模块来发送和接收电信号或电刺激。

本发明旨在提供一种使用纳米线的贴片式神经装置，该神经装置能够通过将纳米线尖端附接到柔性衬底来在诸如大脑皮层的具有大面积的神经系统上检测或刺激神经信号。

本发明旨在提供一种神经装置，该神经装置能够使用袖口（cuff）来选择特定的神经束以刺激或检测信号，其中袖口包括在内侧的基于纳米线的探针并且可以比现有袖口小。

本发明旨在提供一种神经装置，其中纳米线按照与处理模块不同的方向设置，从而在插入到神经时不会受到干扰。

本发明旨在提供一种神经装置，在该神经装置中，例如通过发送和接收电子信号的包括纳米线的智能神经装置所获取的电信号的数据被发送到外部通信模块中，或者外部通信模块所处理的数据再次被发送到内部神经装置中。

技术方案

本发明的一方面提供一种神经装置，所述神经装置包括：衬底；至少一根纳米线，纳米线在其长度方向端处固定在衬底上，且插入到神经中以从神经纤维获取电信号或将电信号施加到神经纤维；以及支撑层，所述支撑层形成在衬底上并且包围和支撑至少一部分的纳米线。

在本发明中，支撑层可以包括选自包括绝缘材料、生物相容性材料以及生物降解材料的组中的至少一种材料，以及也可以包括药物。

本发明的另一方面提供了一种神经装置，所述神经装置包括：具有穿孔的衬底；包括具有多根纳米线的至少一个单元电极部的电极部，所述纳米线在其长度方向端处固定在衬底上，且插入到神经中以从神经纤维获取电信号或将电信号施加到神经纤维；支撑层，所述支撑层形成在衬底上，且包围并支撑至少一部分的纳米线；以及处理模块，所述处理模块电连接到单元电极部中的每一个并控制从神经纤维获取的电信号或通过所述单元电极部施加到神经纤维的电信号。

在本发明中，所述处理模块可以包括与安装在外部的外部通信模块发送和接收数据的内部通信模块。在这种情况下，所述内部通信模块和外部通信模块可以通过射频（RF）或有线地发送和接收数据，且所述数据可以包括从神经纤维获取的电信号或者施加到神经纤维的电刺激。

本发明的另一方面还提供了一种神经装置，该神经装置包括衬底；包括至少一根纳米线的多个纳米线模块，所述纳米线在其长度方向端处固定在衬底上且插入到神经中以从神经纤维获取电信号或将电信号施加到神经纤维；支撑层，所述支撑层形成在衬底上并包围和支撑至少一部分的纳米线；以及处理模块，所述处理模块与所述多个纳米线模块电连接并且在选自多个纳米线模块中的纳米线模块之间发送和接收电信号或电刺激。

根据本发明，所述处理模块可以处理从选自所述多个纳米线模块中的纳米线模块获取的电信号，并将电刺激施加到另一个纳米线模块上。

根据本发明，所述衬底可以是贴片式柔性衬底，以便附接到具有大面积的神经系统。柔性衬底在附接到具有弯曲表面的神经系统时是有利的。所述柔性衬底的示例包括聚酰亚胺（polyimide,PI），聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane,PDMS），聚乙烯（polyethylene,PE），聚对苯二甲酸乙二酯（PET），Gore-tex（膨体聚四氟乙烯）等。具体地，就容易制造电路而言，聚酰亚胺是优选的。

根据本发明，多根纳米线被聚集以形成多个纳米线模块，所述多个纳米线模块可以按照点阵形状来设置。纳米线模块的布置不限于点阵形状，但是就用于生成纳米线的晶粒层的制备、电路制造、掩膜制造以及简单的实际工艺而言，所述点阵形状被认为是有利的。

根据本发明，在衬底中形成孔，且所述孔提供比如能够再生受损神经的通道的另一个附加功能。在这种情况下，在神经的生成期间可以在孔的内表面中检测电刺激和神经信号。所述孔以各种形状来形成，比如以类似于纳米线模块的点阵形状来设置。

本发明的另一个方面提供一种神经装置，所述神经装置包括：形成为中空圆柱形且具有部分的圆柱形外圆周被切除的开口部的袖口；包括至少一根纳米线的多个纳米线模块，所述纳米线在其长度方向端处固定在袖口的内侧，且插入到神经中以获取来自神经纤维的电信号或将电信号施加到神经纤维；支撑层，该支撑层形成在袖口的内侧上且包围和支撑至少一部分的所述纳米线；以及处理模块，该处理模块电连接到所述多个纳米线模块并在选自所述多个纳米线模块中的纳米线模块之间发送和接收电信号或电刺激。

根据本发明，所述处理模块可以处理从选自所述多个纳米线模块中的纳米线模块所获取的电信号，并且将电刺激施加到另一个纳米线模块上。

根据本发明，多根纳米线沿着一个方向布置以形成直线形状的纳米线模块。在这种情况下，所述纳米线模块被设置为以交叉形状彼此面对。当在交叉形状的几个部分中施加或检测到通过神经刺激的信号时，形成神经束的神经纤维发送神经信号以便具有不同的功能，以及可以通过局部刺激或检测来使袖口的功能最大化。

根据本发明，在袖口中形成孔，且该孔可以具有比如用于从外部传递药物的通道等的另一附加功能。孔的类型没有特定地限制，并且可按照各种形状来形成。

根据本发明，纳米线模块可以形成在衬底或袖口的第一个表面上，以及处理模块可以形成在衬底或袖口的与第一表面不同的第二表面上。

根据本发明，第二表面的法向矢量与第一表面的法向矢量之间的夹角为170°到180°,并且纳米线模块和处理模块经由通孔相互连接。

根据本发明，通孔可以设置在所述衬底或袖口的互补型金属氧化物半导体（CMOS）区域的外部。

有益效果

根据本发明，纳米线被绝缘材料包围和支撑使得能够改善例如耐久性的物理性质。当支撑层包括生物降解材料时，可以在生物降解区域中获取附加的信号。此外，可以蚀刻支撑层以转变成新的材料。另外，所述支撑层可以利用例如免疫抑制剂的药物来支持。

此外，测量神经信号的现有装置由于大的尖端可能杀死神经元，而在本发明中，由于纳米级的尖端而可以无损伤地刺激和检测神经元。

此外，根据本发明，即使在部分神经被切断时，通过将多个处理模块彼此电连接也可以发送和接收电信号或电刺激。

进一步地，现有的神经装置必须切断神经束，而根据本发明的实施例的贴片式神经装置可以无损伤地用于例如大脑的具有大面积的神经系统，因为它仅仅覆盖表面。

进一步地，现有的袖口装置从中完全地刺激神经束或检测信号，而根据本发明的实施例的具有袖口形状的神经装置通过改变其尺寸来选择特定的神经束以刺激或检测信号，并通过袖口结构来包围神经，从而不损伤神经。

进一步地，根据本发明，例如通过包括纳米线的智能神经装置所获取的电信号的数据被发送到外部通信模块中，或者在外部通信模块中所处理的数据使用射频（RF）或金属线被发送到内部神经装置。

进一步地，在根据本发明的神经装置中，纳米线沿着与处理模块不同的方向来形成，因而在插入到神经中时不会被干扰。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例的神经装置的透视图；

图2是根据本发明的第二实施例的神经装置的透视图；

图3示出了根据本发明的第二实施例的神经装置的单元电极部的布置；以及图4示出了单元电极部的透视图；

图5和6示出了根据本发明的第二实施例的神经装置的数据通信方法；

图7-10示出了根据本发明的第三实施例的神经装置；

图11是示出了根据本发明的第三实施例的处理模块的矩阵的示意图；

图12是示出了根据本发明的第三实施例的通过在神经被切除的位置处的处理模块来发送和接收的示例的示意图；

图13-16示出了根据本发明的第四实施例的神经装置；

图17-20示出了根据本发明的第五实施例的神经装置。

具体实施方式

以下参考附图详细地描述本发明。

根据本发明的神经装置包括纳米尺寸的材料。由于纳米尺寸的材料随着更小的尺寸而具有较高的表面积与体积比，且电化学反应主要在表面上发生，因而它可用于各种传感器中。

具体地，诸如纳米管、纳米线和纳米棒的一维纳米材料由于具有高纵横比（aspect ratio）而易于操作，因此它们在首先实施的纳米装置之中。

本发明提出了一种用于获取电信号的基于纳米线的神经装置。

图1是根据本发明的第一实施例的神经装置的透视图。该神经装置包括衬底1、纳米线2和支撑层3。

基底衬底1可以由金属、塑料或陶瓷材料形成。

纳米线2在其一个长度方向端处固定在衬底1上以垂直地延伸，且插入到神经中以获取来自神经纤维的电信号或将电信号施加到神经纤维。具体地，纳米线2插入到神经束中的神经纤维以获取电信号，该电信号沿着神经纤维中的神经元的表面出现或向神经纤维中的神经元提供电刺激。

常规地，当大尺寸的电极被布置并插入到神经纤维中时，该神经纤维可能被损伤并杀死。然而，根据本发明，由于使用纳米线2以便获取电信号和/或提供电刺激，因而可以使神经纤维的损伤最小化。

一般来说，由于神经纤维的直径为几微米或更大，而纳米线2的直径为几十至几百纳米（nm），因此即使在纳米线2插入到部分神经纤维中来向神经纤维中的神经元提供电刺激或获取电信号，也不会对神经纤维产生明显损伤。

纳米线2可以沿着神经纤维的纵向或垂直方向插入。当纳米线2沿着纵向方向插入时，可以很容易使纳米线2和神经纤维的外侧之间的接触面积最大化。

支撑层3可以被形成为使得部分地包围衬底1上的纳米线2，并且可以通过诸如涂敷或沉积的方法形成。具体地，形成支撑层3的方法可以包括通过利用例如电子束或γ射线的具有高能量的光线的辐射或者通过等离子处理的接枝聚合（grafting polymerization）来将生物相容性聚合物涂敷在衬底上。进一步地，支撑层3可以通过化学气相沉积法（CAD）、或例如溅射、电子束沉积法的物理气相沉积法（PVD）或热沉积法进行沉积。

支撑层3用以通过支撑纳米线1来改善神经装置的耐久性。

支撑层3具有基于纳米线2高度的例如1到99%、10到90%、20到80%、或50到70%的厚度。

支撑层3可以包括选自包括绝缘材料、生物相容性材料以及生物降解材料的组中的至少一种。

支撑层3由于在其中包含绝缘材料而具有绝缘性能，并且优选由生物相容性材料形成以便插入到人体中。例如，支撑层3可以包括层叠在金属和/或树脂的衬底上的生物相容性的薄膜或厚膜。生物相容性的薄膜或厚膜可通过使用具有例如氨基、羟基或羧基的至少一个亲水基团的有机硅烷的表面改性来获取，并且可以包括例如具有亲水功能团的聚对二甲苯的生物相容性的薄膜或厚膜。同时，生物相容性的薄或厚膜包括碳、硅、碳化硅、硅氧化物、硅聚合物、氮化硅、氧化铝、羟基磷灰石、生物玻璃、磷酸三钙陶瓷、例如壳聚糖、多肽、多糖、或多核苷酸的天然聚合物，或例如生物相容性聚合物的生物相容性材料。此外，生物相容性材料的示例包括水凝胶、胶原蛋白、丝织物、聚甲基丙烯酸羟乙酯（polyHEMA）、聚乙二醇（PEG）、聚氨酯（PU）、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或聚醚醚酮（PEEK）。

支撑层3也可以由生物降解材料形成，该材料包括乳酸或羟基乙酸的共聚物或均聚物，包括例如葡萄糖衍生物的碳水化物的衍生单体作为组分的聚合物，例如褐藻酸的生物降解水凝胶，或例如多肽、糖类或多核苷酸的天然聚合物。生物降解聚合物的示例包括聚乳酸（polylactide,PLA）、聚羟基乙酸（polyglicolide,PGA）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（polylactide-co-glicolide,PLGA）、或聚ε-己内酯（polyε-caprolactone,PCL）、聚二恶烷酮（polydioxanone,PDO）等。

当支撑层3包括由生物降解材料形成时，在生物降解区域中可以获取附加信号。

支撑层3可以被蚀刻为使得纳米线的新区域露出来。例如，当部分纳米线物理上被损坏时，支撑层3可以被部分蚀刻为露出所围绕的纳米线的未受损部分。如必要的话，当在蚀刻之前除去已露出的纳米线时，它可再生为新的装置。

蚀刻可以包括使用氧气或臭氧的等离子蚀刻，通过加速例如Ar或Ga的离子的物理蚀刻，或者在将离子转变为等离子后的蚀刻。

此外，支撑层3可由例如免疫抑制剂、类固醇、抗生素（庆大霉素等）、促进神经再生的物质（脑源性神经营养因子（BDNF）等）、消炎剂（地塞米松等）或神经传递物质（拮抗剂MK801等）的药物来支持。因此，神经装置可用于使用药物的治疗并具有例如获取和施加信号的基本功能。例如，当生物降解材料与药物混合来制备支撑层3时，药物根据生物降解材料的分解而被释放出来。

如必要的话，支撑层3可以由至少一层构成。例如，支撑层3可以包括第一支撑层，该第一支撑层形成在衬底上并用于通过包括在其中的绝缘材料来绝缘；第二支撑层，该第二支撑层形成在第一支撑层上，用于利用包括在其中的生物相容性材料来支撑纳米线；以及第三支撑层，该第三支撑层形成在第二支撑层上，并用于通过包括在其中的生物降解材料来释放药物。

图2示出了根据本发明的第二实施例的神经装置。

以下，为了方便描述示出了或放大或缩小的每个部件的尺寸的图。因此，本发明不限于附图中的具体数值。

根据本发明的第二实施例的神经装置包括电极部500。电极部500包括至少一个单元电极部520。单元电极部520包括具有穿孔522的基座521、多根纳米线524以及支撑纳米线的支撑层525，多根纳米线在其长度方向端处固定在基座521的任一表面上以垂直延伸并且插入到神经中。

包括在单元电极部520中的多根纳米线524从包括在神经中的神经纤维获取电信号并且将电刺激施加到神经纤维。此外，纳米线524也可以被配置为使得获取电信号或施加电刺激。包括在单元电极部520中的多根纳米线524中的一部分将电刺激施加到神经纤维，而其它部分则从神经纤维获取电信号。例如，单元电极部520可以包括从神经纤维获取电信号的多根纳米线524或者包括将电刺激施加到神经纤维的多根纳米线524。此外，单元电极部520可以包括从神经纤维获取电信号的多根纳米线524、将电刺激施加到神经纤维的多根纳米线、以及从神经纤维获取电信号或将电刺激施加到神经纤维的纳米线524。

根据本发明的第二实施例的神经装置包括处理模块510，该处理模块电连接到每个单元电极部520，并控制通过单元电极部520从神经纤维获取的电信号或施加到神经纤维的电信号。

处理模块510控制从神经纤维获取的电信号或施加到神经纤维的电信号。处理模块510是能够使用上述相关技术中采用的常规装置来制造的装置。

根据本发明的第二实施例的电极部500将从神经纤维获取的电信号提供到处理模块510，并根据处理模块510的控制将电刺激施加到神经纤维。在单元电极部520中，基座可以包括附接至其的互补型金属氧化物半导体（CMOS）装置或电荷耦合器件（CCD），该互补型金属氧化物半导体（CMOS）装置或电荷耦合器件电连接到纳米线524并检测彼此电连接的多根纳米线524中的电流变化。换句话说，根据处理模块510的控制，CMOS装置或CCD装置控制将电刺激施加到纳米线524或将从纳米线524的电流变化获取的电信号发送到处理模块510的电流。

根据图2的一个示例的神经装置包括至少一个单元电极部520、多根纳米线524、支撑层525以及处理模块510，单元电极部520包括具有穿孔522的基座521。

单元电极部520的基座521以平面形状或任何3D维度形状来制备，包括形成在其中央部的穿孔522并连接到处理模块510。至少一个穿孔522优选形成在基座521中。穿孔522可以具有例如圆形、椭圆形、多边形等的各种截面形状，并优选具有几十微米到几十纳米的尺寸。例如，基座521以多边形来制备，该多边形容易制备和易于大规模生产，且每条边具有25μm或更长和30μm或更短的长度。

可以按照多行和多列来设置单元电极部520，图3是2×2阵列的示例。优选地，可以将单元电极部520设置成128×128阵列。基座521包括附接至其的CMOS装置或CCD装置，CMOS装置或CCD装置电连接到可以施加或获取电信号的纳米线524。

例如，图4是示出了在单元电极部520的基座中的CMOS的透视图，每个电极部520包括至少一个CMOS装置或CCD，其中多根纳米线524彼此电连接且电连接到CMOS装置或CCD。

因此，构成电极部500的多个单元电极部520均包括CMOS装置或CCD，其中从CMOS装置或CCD获取的多个单元电极部520的电信号可以由一个处理模块510处理，以及电刺激可以通过每个单元电极部的CMOS装置或CCD来施加。

基座521包括形成在其中央部的穿孔522，通过该穿孔可以再生并恢复切断的神经纤维的横截面。多根纳米线524以预定的间隔设置，且优选以束的方式来形成以支撑负荷。每条纳米线524可以由形成在基座521的任何表面上的支撑部来支撑。

图2的示例涉及连接到处理模块510的一侧的电极部500的一个示例。连接到处理模块510的电极部500可以从神经纤维获取电信号、将电刺激施加到神经纤维，或施加电刺激和获取电信号。另一方面，不限制连接到处理模块510的一侧的电极部500的数量。

例如，两个电极可以彼此面对地连接到处理模块510的两侧。在这种情况下，优选的是在处理模块510的一侧处的第一电极部从神经纤维获取电信号，以及在处理模块510的另一侧处的第二电极部将电刺激施加到神经纤维上。因此，包括在第一电极部中的纳米线从神经纤维获取电信号，和包括在第二电极部中的纳米线将电刺激施加到神经纤维。换句话说，包括在每个电极部中的多根纳米线可以施加电刺激或者获取电信号。

图2的神经装置可以通过各种方法制造。在使用催化剂来合成纳米线的情况下，当反应物施加到纳米簇时，通过沉核和生长来合成纳米线。此外，本发明使用的纳米线也可通过Trenaces“Integration of Growth intoDevice Fabrication”Adv.Mater.17,2098,2005”中的Si纳米线桥中所描述的方法来形成。

用于制备包括纳米线的电极500的方法如下：可以通过光掩模和蚀刻工艺将包括穿孔522的基座521形成在由例如硅等的各种材料形成的晶片上。

当形成包括穿孔522的基座521时，催化剂被施加在纳米线524在基座521的一个表面上生成的位置处。例如，当纳米线524的一个长度方向端沿着基座521的边缘来固定时，用于生成纳米线524的催化剂被施加在基座的边缘上。催化剂可以通过光刻工艺等来设置在基座的一个表面的任意部分处。催化剂优选可以根据要生成的纳米线524的材料来选择。例如，当生成硅纳米线524时，可以使用Au催化剂。当催化剂施加在衬底上时，反应物通过化学气相沉积（CVD）法来供给以形成纳米线524。

基座521和纳米线524可以由各种材料形成。例如，基座和纳米线可以包括硅、金、银、铱、氧化铱、铂、锡、镍、铬、铼和铜，以及这些金属的各种合金，或可以通过纳米工艺来实现为纳米装置的半导体装置或金属。

图5和6示出了根据本发明的第二实施例的神经装置的数据通信方法，电极部500插入到神经纤维中并包括具有穿孔522的基座521、纳米线524以及支撑纳米线的支撑层525，纳米线524在其长度方向端部处固定在基座521的任一表面上以垂直地延伸。

接着，电极部500可以利用神经纤维来发送和接收数据。在这里，数据可以包括从神经纤维获取的电信号和施加到神经纤维的电刺激。

接着，电连接到电极部500的处理模块510控制电极部500的发送和接收。

接着，设置在处理模块510中的内部通信模块511与外部通信模块700发送和接收数据。

内部通信模块511和外部通信模块700是通用的通信模块并可以使用图5中的射频（RF）和图6中的有线（W）来发送和接收数据。

因此，例如通过包括纳米线524的智能神经装置获取的电信号的数据被发送到外部通信模块700，或者在外部通信模块700中处理过的数据利用射频（RF）或有线地发送到内部神经装置。

图7-10示出了根据本发明的第三实施例的神经装置。

图7是包括具有点阵形状的纳米线模块的贴片式神经装置的透视图，该神经装置包括具有大面积的衬底10、形成在衬底10上的多根纳米线模块20以及形成在衬底10上以便部分包围并支撑纳米线21的支撑层22。

衬底10是可以附接在人体器官表面的贴片形式，优选是柔性衬底以便附接到具有大面积的神经系统。

本说明书中的术语“柔性”是指平滑、柔软以及温和的性质。因此，当施加一定外力时，柔性衬底可以轻易地弯曲或改变。具体地，由于柔性衬底在附接到包括弯曲表面的神经系统时是有利的，所以它非常适合用于根据本发明的神经装置的衬底10。

柔性衬底的示例包括PI、PDMS、PE、PET、或Gore-tex，具体地，聚酰亚胺因为易于电路的制造是优选的。

纳米线模块20包括如图7的局部放大视图中示出的多根纳米线。换句话说，许多纳米线21被聚集以形成纳米线模块20。

纳米线模块20可以按照如图7中示出的点阵形状来设置，但不限于此，且可以按照各种形状来设置。纳米线模块的设置就用于生成纳米线的种子层的制备、电路的制造、掩膜的制造以及容易实用的工艺而言被认为是有利的。

本说明书中的术语“点阵”是指结构，比如棋盘的具有预定间隔的宽度和高度以便形成几乎直角的物品（article）和类型。

如图7的局部放大图所示，纳米线21在其长度方向端处固定在衬底10的一个表面上以垂直地延伸。

本说明书中的术语“垂直”是指直线与直线、直线与平面、平面与平面之间的夹角几乎是直角。例如，当夹角在80-100°的范围内时，其被认为是几乎直角。此外，即使它们的一部分是弯曲的或弯的，也被认为是几乎直线。

根据实施例中的纳米线21可以沿着神经纤维的纵向方向或垂直方向插入，但不限制插入方向。

如附图所示，支撑层22可以形成为具有与衬底10相同的区域，或仅形成在纳米线模块20上。

图8是神经装置的透视图，其中为了另一功能在衬底中形成孔，并且神经装置包括不同于图7的神经装置的具有多个孔30的衬底。

孔30提供例如可以再生损伤神经的通道的另外附加的功能。在这种情况下，在神经的生成期间，可以在孔的内表面里检测电刺激和神经信号。

孔30可以按照图8所示的点阵形状来设置，但不限于此，且可按照各种形状来设置。尽管如此，孔30优选设置在不被纳米线模块20交叠或者接近纳米线模块20的纳米线模块20之间。

图9是具有用于插入到神经中的纳米线的阵列的神经装置的透视图，神经装置包括多个纳米线模块20和孔30，其以类似于图8的神经装置的点阵形状来设置，但与图8的神经装置不同，纳米线模块更紧密地设置以便完全包围孔30。

图9的结构中的纳米线具有比图8结构中的纳米线更高的密度，以便神经刺激可以延伸到更大的区域，以及信噪比可以随着检测信号的强度增大而增大。

图10是根据本发明的第三实施例的神经装置的透视图，其中处理模块附接到衬底的下侧。

处理模块40用于控制通过纳米线21所发送和接收的神经信号或电刺激。处理模块40可以包括CMOS装置，或者可以附接到CMOS装置。

纳米线模块20均电连接到处理模块40上。此外，多个处理模块40彼此电连接以便即使在部分神经被切断时也可以发送和接收电信号或电刺激。

尽管在图中未示出，但处理模块40可以包括与外部通信模块700发送和接收数据的内部通信模块511。

由于根据本发明的第三实施例的神经装置包括具有纳米级尺寸的尖端，以及容易通过贴片形式来覆盖神经系统的表面，因此可以执行刺激和检测，而不会像相关技术那样损伤神经元并且切断神经束。此外，袖口结构可以用于在不受损伤的情况下采用现有袖口结构无法测量和检测的人体器官中，例如神经元分布在大面积中的大脑的器官。

图11是显示根据本发明的第三实施例的处理模块的矩阵的示意图，其中多个处理模块40例如包括形成衬底10上的行a11至a1m和列a11至an1。

图12是示出根据本发明的第三实施例的通过在神经被切断的位置处的处理模块发送和接收的示例的示意图。在图12中，即使神经50的部分51被切断时，在处理模块40中例如a22的信号跨越位置51被发送到a14，神经50在位置51处被切断，因此信号可以在不中断的情况下连续被处理。

图13-16示出了根据本发明的第四实施例的神经装置。

图13是包括一个纳米线模块的神经装置的透视图，其中神经装置包括袖口11、纳米线模块20、支撑层23以及处理模块40。

袖口11以中空圆柱形状来形成，具有开口部12，在该开口部中一部分的圆柱形外围被切除，以及神经可以通过开口部12被插入至袖口11。

开口部12的尺寸不被特定地限制，如果必要的话，可以比图中显示的更大或更小。此外，开口部可以如此小使得袖口的两个边缘几乎接触。

根据本发明的袖口11具有与现有袖口类似的结构，但其尺寸可以更小。

袖口11可以由各种材料形成。例如，袖口可以由选自硅、金、银、铱、氧化铱、铂、锡、镍、铬、铼以及铜中的一种或两种或更多的合金、或通过纳米工艺可以实现为纳米装置的半导体装置或金属来形成。

纳米线模块20包括多根纳米线。换句话说，多根纳米线21被聚集以形成纳米线模块20。

如图13所示，纳米线21在袖口11的内侧上沿着纵向方面以长直线来布置以形成直线形状的纳米线模块。然而，纳米线21的布置或设置不限于图13所示的阵列，其可以按照各种形状来设置。

如图13所示，纳米线21在其一个长度方向端处固定在袖口11的内侧以垂直地延伸。

因此，基于纳米线21的探针设置在袖口11的内壁上，以及如果必要的话，可以控制探针的陈列和数量。

处理模块40用于控制通过纳米线21所发送和接收的神经信号或电刺激。

处理模块40设置在袖口11外侧上的与纳米线模块20对应的位置上，其中纳米线模块20可以电连接到多个处理模块40。此外，多个处理模块40彼此电连接以便即使在部分神经被切断时也可以发送和接收电信号或电刺激。

尽管在图中未示出，但处理模块40可以包括与外部通信模块700发送和接收数据的内部通信模块511。

如图所示，支撑层23可以仅形成在纳米线模块20上，但是可以形成为具有与袖口11相同的区域。

图14是包括交叉形状的纳米线模块的神经装置的透视图，其中神经装置包括交叉形状的纳米线模块20。

如图14所示，四个纳米线模块20设置为在袖口11的内侧上以交叉形状彼此面对，且附接在袖口11外围上的与纳米线模块20对应的位置处。

形成神经束的神经纤维发送神经信号以便具有不同的功能，以及通过神经刺激的信号在交叉形状的几个部分中被施加或检测，其中袖口的功能通过局部刺激或检测来最大化。

图15是袖口形成用于另一功能的孔的神经装置的透视图，其中与图13和14中的神经装置不同，该神经装置包括多个孔30，

孔30可以具有例如用于从外部传输药物的通道等的另一附加功能。

如图15所示，孔30可以沿着圆周方向和纵向方向上以预定的间隔来形成，但不限于此，而是孔可以按照各种形状来设置。然而，孔30优选设置在不被纳米线模块20交叠或者不接近纳米线模块20的纳米线模块20之间。

图16显示根据本发明的第四实施例的神经被插入到其中的神经装置的示例。

首先，袖口11的开口部12稍微打开使得神经50可以轻易被插入到其中。此时，如图16所示，袖口的开口部可以使用具有钳子类型的可收紧的外科手术工具60来打开。由于袖口11形成为圆柱形、具有开口部12以及是弹性的，因此该袖口可以被变形同时保持圆柱形。

接着，袖口11被插入使得包围神经50，然后使用外科手术工具60来收紧以与神经50接触。

因此，由于神经50通过开口部12插入到袖口11中，因此插入到袖口11中时不会对神经产生损伤。

根据本发明的第四实施例的神经装置，即使在部分神经被切断时，也能够通过彼此电连接多个处理模块来发送和接收电信号或电刺激。此外，由于其尺寸可以改变，为了刺激或信号的检测可以选择特定的神经束。此外，由于选择了包围神经的袖口结构，因此不会对神经产生损伤。

图11和12的描述也适用于根据本发明的第四实施例的神经装置。

图17示出了根据本发明的第五实施例的神经装置的一个示例。根据该实施例的神经装置包括衬底710或袖口、纳米线721和722、支撑层723和724、电极731和732、通孔741和742、电极垫751和752以及触摸球761和762。

纳米线721和722中的每一条的电极731和732分别经由通孔741和742连接到衬底的相对表面的电极垫751和752。换句话说，纳米线721的电极731经由通孔741连接到电极垫751并且纳米线722的电极732经由通孔742连接到电极垫752。

电极垫751输出通过纳米线721从神经纤维获取的电信号或将用于电刺激的信号施加到纳米线721。电极垫752输出通过纳米线722从神经纤维获取的电信号或者将用于电刺激的信号施加到纳米线722。

电极垫751通过触摸球761连接到处理模块770，并且电极垫752通过触摸球762连接到处理模块770。

因此，使用通孔技术将纳米线和设置在衬底的相对表面的电极和处理模块彼此电连接。由于纳米线安装在其上的衬底的表面与电极垫和处理模块安装在其上的衬底的表面相对，因此它们的法向矢量之间的夹角约为180°。

尽管在图17中未示出，但衬底可以包括CMOS区域。CMOS区域是用于实现CMOS装置的衬底上的区域。通孔741和742可以优选设置为避开CMOS区域。

此外，尽管在图17中未示出，但基座可以安装在纳米线的电极731和732处以定位纳米线。

基座可以包括至少一个穿孔。穿孔可以具有如圆形、椭圆形、多边形等的各种横截面，具体地，可以是易于制造的圆形，或者对应于神经束的横截面的形状。在这种情况下，穿孔的直径可以为数十微米至数十纳米。

具体地，形成在基座中的穿孔可以连接到形成在衬底中的穿孔。在这种情况下，神经纤维经由穿孔或通孔(via hole)恢复。

另外，基座可以设置有配置为支撑纳米线的纳米线支撑架。在这种情况下，纳米线支撑架可以安装在穿孔的内圆周上。纳米线支撑架支撑纳米线使得纳米线能够沿着一个方向来固定。即，纳米线通过纳米线支撑架来固定。

纳米线支撑架可以配置为将穿孔分成多个区域。纳米线支撑架可以具有直线形状或具有不同曲率半径的弯曲形状。此外，纳米线支撑架可以从穿孔的内圆周延伸或从基座的任一表面延伸。

图18类似于图17，但强调的是纳米线探针连接到CMOS的栅极或漏极。

参考图18，根据本实施例的神经装置包括纳米线811和812、支撑层813和814、电极821和822、通孔851和852、CMOS装置881和882、电极垫830以及触摸球840。

在图18中示出的示例中，示出了一个电极垫830和一个触摸球840，但是根据纳米线811和812的数量包括至少两个电极垫和触摸球。

每条纳米线811和812的电极821和822分别在衬底的相对表面处经由通孔851和852连接。在这种情况下，纳米线811和812分别连接到CMOS装置881和882的栅极或漏极。

电极垫830输出通过纳米线811和812从神经纤维获取的电信号或将用于电刺激的信号施加到纳米线811和812。

电极垫830通过触摸球840连接到处理模块870。

因此，使用通孔技术将纳米线和设置在衬底的相对表面处的电极垫和处理模块彼此电连接。由于纳米线安装在其上的衬底的表面与电极垫和处理模块安装在其上的衬底的表面相对，因此它们的法向矢量之间的夹角约为180°。

图19是示出纳米线探针装置的图。根据该实施例的纳米线探针装置包括纳米线910、支撑层911、电极920、电极垫930以及触摸球940。

触摸球940电连接到与装置连接的处理模块970。纳米线910形成在与触摸球940相对的基座的表面处，以及通过触摸球940将从神经纤维测量到的电信号提供到该装置或者基于通过触摸球940所施加的信号将来自该装置的电刺激施加到神经纤维。

纳米线910通过电极920和电极垫930连接到触摸球940。

图19中所示的实施例对应于如下的情形，其中仅仅通过触摸球940与衬底接触的纳米线探针装置被隔开。即，图19中所示的实施例示出了将独立于该装置的使用通孔所制作的纳米线探针端部连接到使用触摸球的装置的方法。本发明的技术精神包括纳米线和接触垫使用（包括在装置中的）衬底的通孔彼此连接的情形，以及使用（与该装置独立地配置的）触摸球将纳米线和连接到触摸球的接触垫设置在相对的表面处的探针装置电连接到衬底的情形两者。

图20是示出了电极和垫之间的连接的另一示例的图，其中电极和垫经由通孔设置在衬底的相对表面上。

参照图20，纳米线1111和1112以及支撑层1113和1114形成在其上的电极1121和1122分别通过通孔1130连接到电极垫1141和1142上。即，电极1121连接到电极垫1141上，并且电极1122连接到电极垫1142上。

触摸球1151形成在电极垫1141上，触摸球1152形成在电极垫1142上。

在图20中示出的实施例中，电极1121和1122与电极垫1141和1142之间的连接通过一部分的通孔1130来实现，且通孔1130的其余部分仍然原封不动。即，通孔1130不需要完全被金属填充。仅仅部分空间填充有金属，衬底的两个表面上的电极可以相互连接，以及剩余部分可以作为空间保留。在这种情况下，其余的孔部分的外表面可以被涂敷。此外，神经纤维、神经组织等通过其余的孔部分来生成。

此外，形成在基座内的穿孔可以连接到形成在衬底内的通孔上。在这种情况下，神经纤维通过穿孔或通孔恢复，以及通孔内的空间随着该空间增大可以有效地用于来恢复神经纤维或神经组织。

此外，在根据本发明的第五实施例的神经装置中，纳米线沿着与处理模块不同的方向形成，从而在插入到神经中时不会被干扰。

尽管在图中未示出，但根据第五实施例的处理模块770、870以及970可以包括与外部通信模块700发送和接收数据的内部通信模块511。

对于本领域技术人员而言明显的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以将本发明实现为其它实施例。因此，应该理解的是，上述描述不能解释为限制性的，而是在所有方面是示例性的。本发明的范围应该仅通过权利要求中的合理解释来确定，并且可以对如权利要求及其等同例中所限定的已描述的实施例进行各种修改。

Claims (29)

1.一种神经装置，包括：

衬底，

至少一根纳米线，在其长度方向端处固定在所述衬底上且插入到神经中以从神经纤维获取电信号或将电信号施加到所述神经纤维；

至少一个支撑层，形成在所述衬底上并且包围和支撑至少一部分的所述纳米线。

2.如权利要求1所述的神经装置，其中所述支撑层包括从包括绝缘材料、生物相容性材料以及生物降解材料的组中选择的至少一种材料。

3.如权利要求1所述的神经装置，其中所述支撑层包括药物。

4.如权利要求1所述的神经装置，其中多根纳米线被配置为形成多个纳米线模块。

5.如权利要求4所述的神经装置，还包括处理模块，所述处理模块电连接到所述多个纳米线模块，并且在从所述多个纳米线模块中选择的纳米线模块之间发送和接收电信号或电刺激。

6.如权利要求5所述的神经装置，其中所述处理模块处理从选自所述多个纳米线模块中的纳米线模块所获取的电信号，以及将电刺激施加到另一个纳米线模块。

7.如权利要求1所述的神经装置，其中所述衬底是贴片式柔性衬底。

8.如权利要求4所述的神经装置，其中以点阵形状来设置所述纳米线模块。

9.如权利要求1所述的神经装置，其中在所述衬底中形成孔。

10.如权利要求9所述的神经装置，其中以点阵形状来设置所述孔。

11.如权利要求5所述的神经装置，其中所述纳米线模块形成在衬底的第一表面上，以及所述处理模块形成在衬底的与所述第一表面不同的第二表面上。

12.如权利要求11所述的神经装置，其中所述第二表面的法向矢量和所述第一表面的法向矢量之间的夹角为170°到180°，以及所述纳米线模块和所述处理模块经由通孔彼此连接。

13.如权利要求12所述的神经装置，其中所述通孔设置在所述衬底的互补型金属氧化物半导体（CMOS）区域的外部。

14.如权利要求5所述的神经装置，其中所述处理模块包括与设置在外部的外部通信模块发送和接收数据的内部通信模块。

15.如权利要求14所述的神经装置，其中所述内部通信模块和外部通信模块通过射频（RF）或有线地发送和接收数据。

16.如权利要求14所述的神经装置，其中所述数据包括从神经纤维获取的电信号或施加到神经纤维的电刺激。

17.一种神经装置，包括：

袖口，以中空圆柱形状来形成且具有部分的圆柱形圆周被切除的开口部；

包括至少一根纳米线的多个纳米线模块，所述纳米线其长度方向端处固定在所述袖口的内侧并且插入到神经中以从神经纤维获取电信号或将电信号施加到神经纤维；

至少一个支撑层，形成在所述袖口的内侧上并包围和支撑至少一部分的所述纳米线；以及

处理模块，电连接到多个纳米线模块并在选自所述多个纳米线模块中的纳米线模块之间发送和接收电信号或电刺激。

18.如权利要求17所述的神经装置，其中所述支撑层包括选自包括绝缘材料、生物相容性材料以及生物降解材料的组中的至少一种材料。

19.如权利要求17所述的神经装置，其中所述支撑层包括药物。

20.如权利要求17所述的神经装置，其中所述处理模块处理从选自所述多个纳米线模块中的纳米线模块所获取的电信号，以及将电刺激施加到另一个纳米线模块。

21.如权利要求17所述的神经装置，其中所述纳米线沿着一个方向布置以按照直线形状来形成纳米线模块。

22.如权利要求17所述的神经装置，其中所述纳米线模块被设置为以交叉形状彼此面对。

23.如权利要求17所述的神经装置，其中在所述袖口中形成孔。

24.如权利要求17所述的神经装置，其中所述纳米线模块形成在袖口的第一表面上，以及所述处理模块形成在袖口的与第一表面不同的第二表面上。

25.如权利要求24所述的神经装置，其中，所述第二表面的法向矢量和所述第一表面的法向矢量之间的夹角为170°-180°，以及所述纳米线模块和所述处理模块经由通孔相互连接。

26.如权利要求25所述的神经装置，其中所述通孔设置在袖口的互补型金属氧化物半导体（CMOS）区域的外部。

27.如权利要求17所述的神经装置，其中所述处理模块包括与安装在外部的外部通信模块发送和接收数据的内部通信模块。

28.如权利要求27所述的神经装置，其中所述内部通信模块和所述外部通信模块通过射频（RF）或有线地发送和接收数据。

29.如权利要求27所述的神经装置，其中所述数据包括从神经纤维获取的电信号或施加到所述神经纤维的电刺激。

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