CN106794281A - 可植入电极 - Google Patents

Abstract

根据本发明，提供了一种包括用于向生物细胞或组织传递电信号或从生物细胞或组织传递电信号的电极的可植入装置。选择电极材料以在电导率、生物相容性和生物结垢方面表现出所需的性能。本发明还提供了一种包括这种可植入电极的可植入装置。

Description

可植入电极

技术领域

本发明涉及可植入材料和装置的领域。具体地，本发明涉及用于将电信号运载到和/或来自与电极直接接触的生物细胞或组织的电极。

背景技术

已经研究并提出了几种材料和装置，以模拟、探测或/和恢复不同生物组织和细胞的活性。用于细胞刺激或细胞监测的生物相容性电极仍然需要作为用作脑机械接口的装置的构件。作为示例，在20世纪90年代早期实施的第一个成功的神经痛-耳蜗植入物是神经接口装置，其使用电极阵列以电脉冲刺激耳蜗中的听觉神经。外周神经的电刺激已经从临床医生获得了用于治疗疼痛、用于恢复运动功能和用于治疗癫痫的许多兴趣。此外，神经工程研究团体已经调查了用于中枢神经系统CNS的各种神经接口装置。这样的装置被设计成通过具有深部脑刺激的适当的电荷递送来调节情绪障碍、癫痫或帕金森病引起的症状。大脑信号的记录已被用于控制脑-计算机接口，BCI[1]。

可植入装置和神经接口尤其面临几个挑战：

-减少植入物周围的炎症反应和神经胶质增生，因为这些降低了传递到装置/从装置传递的信噪比或导致慢性记录失败[2]；

-改善神经接口的空间分辨率，其允许收集和传递信号到或来自神经元密集脑的一部分；

-选择性刺激精确区域以诱导来自CNS的特异性应答。

在下文和本申请的整个说明书中，术语生物相容性将用于指植入装置及其组成材料在其植入环境中执行其所需功能的能力，保持有益的细胞和组织反应，而不是引起身体中不期望的局部或全身效应。

此外，植入装置或材料的生物结垢(bio-fouling)是指组织在装置或材料上的不受控制的生长。

虽然几种材料已经被测试用于体内生物植入应用，但是聚合物由于其可塑性和生物相容性而是当今选择的材料。在脑-机械接口中，BMI、聚合物主要用作半导体材料的封装基质。已知几种聚合物比如聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)、PEDOT、聚苯胺或聚噻吩具有导电性能。导电聚合物的使用可以增加植入材料的生物相容性并且能够与周围细胞相互作用。然而，导电聚合物对由生物结垢或在大脑的常驻免疫细胞中摄取材料引起的阻抗变化仍然非常敏感[3]。

Estephan等人在“通过其肽识别氮化铟半导体表面的噬菌体(Phagesrecognizing the Indium Nitride semiconductor surface via their peptides)”中讨论了氮化铟的生物相容性，J.Pept.Sci.2011；17:143-147。

专利文献WO2009/065171A1公开了一种用于耳蜗植入物的电极阵列。本文讨论了使用硅来防止细胞或组织粘附到植入物。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于将电信号从植入装置传送到生物细胞或从生物细胞传送到植入装置的可植入电极，其克服了现有技术的至少一些缺点。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于承载电信号的可植入电极。该电极包括用于直接接触生物细胞或组织的至少一个部分。该电极的显著特征在于，所述部分由氮化铟InN制成，使得所述部分是导电的或半导电的，并且使得抑制所述部分上的细胞粘附。

第一部分的表面可以包括具有杂质的薄层，比如三氧化二铟In₂O₃或痕量的氢。

优选地，电极可以完全由氮化铟InN制成。

电极部分可优选包括所述电极的涂层。涂层可更优选完整地覆盖所述电极。

电极部分可优选包括用于将电极电连接到生物细胞或组织的连接装置。连接装置可优选包括所述电极的至少一个电极端。特别地，电极可以是线状的。

优选地，电极可以包括至少一个部分，其不同于所述的由InN制成的部分，并且其中所述第二部分由导电或半导电材料制成。

电极可优选地具有包括顶层的层状结构，所述顶层包括由InN制成的所述部分，用于直接接触生物细胞或组织。

根据本发明的另一方面，提供了一种可植入装置。可植入装置包括至少一个用于承载电信号的电极，其符合根据本发明的电极。优选地，该装置是电子装置。

该装置还可以包括信号处理装置，其可操作地连接到所述电极，并且配置为处理由所述电极承载的信号。

根据本发明的另一方面，提供了一种氮化铟InN的用途，作为用于接触生物细胞或组织、用于携带电信号和用于抑制电极上的细胞粘附的可植入电极材料。

根据本发明的可植入电极可以用于向或从生物细胞或组织传递电信号，植入电极与该生物细胞或组织直接接触。直接接触其中植入电极的生物组织的电极的至少一部分由氮化铟InN制成。已经观察到InN在一种材料中重新组合了用于可植入电极的几种期望的性质。即它是导电的(或半导电的)，它抑制细胞粘附，因此即使其在长时间内直接与细胞接触，也抑制细胞在其表面上的生长。此外，它对其植入的生物环境没有毒性。

抑制InN上的细胞粘附和细胞生长意味着这些现象被阻止或显著减慢，这取决于与InN接触的细胞。由于InN上的细胞生长受到抑制，所以与已知的可植入电极材料相比，上述生物结垢现象减少。减少的生物结垢或生物粘附的效果是观察到的对于由电极携带的电信号可测量的信噪比的改善。实际上，一旦在植入期间在电极和细胞/组织之间建立了适当的接触，接触的质量不会受到生物结垢的损害。因此增强了植入物的寿命，这减少了对于植入人员的电极维护和/或重复手术的需要。

尽管已经建议聚合物涂层改善已知的可植入导电电极的生物相容性，但是使用InN电极消除了对特定涂层的需要，因为电极材料本身表现出与电极直接接触的细胞/组织的生物相容性。因此，与由其它材料制成的已知的可植入电极相比，根据本发明的可植入电极更容易生产和维持。

由于使用InN电极消除了对聚合物涂层的需要，因此减轻了与聚合物毒性有关的问题。已经发现InN的毒性水平非常低。

附图说明

通过附图示出了本发明的几个实施例，附图不限制本发明的范围，其中：

-图1a和1b分别示意性地示出了具有GaN和InN顶层的样品的结构；

-图2a和2b分别示出了使用图1的样品获得的细胞系MCF10A和HS-5的细胞存活率结果；

-图3a和3b示出了使用图1的样品获得的细胞粘附结果，其中不同细胞系在GaN和InN样品上的粘附性分别显示在图3a和3b中；

-图4示意性地示出了根据本发明的可植入电极的优选实施例；

-图5示意性地示出了根据本发明的可植入电极的优选实施例；

-图6示意性地示出了根据本发明的可植入电极的优选实施例；

-图7示意性地示出了根据本发明的可植入电极的优选实施例；

-图8示意性地示出了根据本发明的可植入电极的优选实施例的剖视图；

-图9示意性地示出了根据本发明的可植入电极的优选实施例的剖视图；

-图10示意性地示出了根据本发明的可植入装置的优选实施例。

具体实施方式

本部分基于优选实施例和附图更详细地描述本发明。应当理解，针对特定实施例呈现的技术特征可以与其他实施例的特征组合，除非另有特别说明。首先，描述用于获得所呈现的结果的材料和方法。

材料和方法

为了模拟在包括顶层即包括氮化铟InN材料的细胞接触层的装置的存在下的细胞行为，通过使用化学气相沉积CVD在蓝宝石或硅基底上合成不同的结构。图1a和1b中所示的结构包括蓝宝石的底部绝缘层，其作为形成电极的若干层的基底。顶层是在测试期间与生物细胞直接接触的唯一层。图1a示出了由GaN制成的细胞接触顶层，而图1b示出了由InN制成的细胞接触层。顶层具有约200nm的厚度。选择所示的中间层以便优化电信号到和来自GaN或InN顶层的传输。它们的存在不影响关于顶层的生物粘附和毒性的结果。从现有技术中已知氮化镓上的细胞粘附和生长。为了评估细胞在相应顶层存在下的毒性和生物粘附，已经进行了Sigma-Aldrich XTT^TM测试和生物粘附研究。

用于获得报告结果的实验设置在下面描述。

为了进行粘附显微镜检查，将元件置于每孔25mm²元件的24孔板中。加入500μl的神经生长因子为100ng/ml的在Dulbecco's Modified Eagle's Medium，DMEM-1％马血清中分别含有5000和10000个细胞的GFP(绿色荧光蛋白)-PC12悬浮液并培育72小时。

在Westburg Evos^TM显微镜上成像之前，吸出上清液并用不含酚红的新鲜DMEM培养基替换。或通过在没有酚红的新鲜DMEM培养基中使用Zeiss LSM 510^TM的共聚焦显微镜实验或通过在磷酸盐缓冲盐水PBS中使用Zeiss^TM显微镜在反射模式下的光学显微镜检查进行元件的成像。

Pfizer Adriblastina^TM用作多柔比星(Doxorubicin)、dox、即用型可注射溶液。将Invitrogen^TM NGF2.5S神经生长因子在PBS/0.1％牛血清白蛋白中稀释并储存在-20℃。

在测试中使用三种贴壁细胞系。首先，人乳腺非致瘤性上皮细胞系MCF10A在补充有5％马血清的DMEM/F12培养基、表皮生长因子EGF(Sigma-Aldrich^TM 20ng/ml)、氢化可的松(Sigma-Aldrich^TM 0.5mg/ml)、霍乱毒素(Gentaur^TM 100ng/ml)、胰岛素(Sigma-Aldrich^TM 10mg/ml)、100U/ml青霉素和链霉素中生长。

第二，将HS-5基质细胞系培养在DMEM、10％胎牛血清、100U/ml青霉素和链霉素中。

第三，来自肾上腺髓质的可移植大鼠神经内分泌肿瘤的PC-12细胞系在10％马血清、5％胎牛血清、100U/ml青霉素和链霉素中生长。通过使用神经生长因子100ng/ml，在DMEM-1％马血清中诱导该模型上的神经元表型达72小时。当用神经生长因子处理时，PC12细胞停止分裂和终末分化。这使得PC12细胞可用作神经元分化的模型系统。

所有细胞系在含有5％CO₂和95％湿度的周围环境中维持在37℃的温度。

根据制造商的说明书，使用比色Sigma-Aldrich XTT^TM测定细胞活力。将3000个细胞/孔接种在具有或不具有不同元件的48孔板上达46至96小时。暴露结束前4小时，加入XTT。在暴露结束时，在490nm读取上清液的光密度。用多柔比星治疗获得毒性的阳性对照。

使用所述方法和实验装置获得的所述样品的结果示于图2和图3中。

图2a和2b说明了在蓝宝石、GaN和InN的相应细胞接触层上的MCF10乳腺上皮细胞(图2a)和HS5基质细胞(图2b)的存活力。将细胞在不同样品(包括对照和dox样品)存在下培育48、72或96小时。后者是阳性对照，其诱导细胞死亡。结果以百分比(光密度OD，对于给定样品计算/对对照样品计算的OD)表示，并且每个结果指示统计误差。可以观察到，在InN和蓝宝石的存在下，MCF10细胞活力的HS5不受影响。阳性Dox对照证明测试的细胞不过度抗性。

图3a和3b示出了如在对于图3a的GaN和对于图3b的InN制成的不同细胞接触层上所述获得的细胞生物粘附结果。除了HS5和MCF10细胞，PC12细胞作为神经元细胞的模型进行测试。在InN的情况下，基本上没有细胞能够粘附在基底上。在培养皿中，细胞如在对照样品中在塑料部分上生长，没有诱导毒性的迹象。这证实了图2a和2b中所示的活力结果。

在所有描述的实施例中，氮化铟InN层的表面可以包括具有杂质的薄层，例如三氧化二铟In₂O₃或痕量的氢。

应用：

基于抑制硝酸铟电极上的生物结垢的惊人效果可以实现几种应用，其中一些仅通过示例的方式描述，而不限制本发明的范围。

在本发明的优选实施例中，可植入装置包括可植入电极。电极包括用于直接接触生物细胞或组织的至少一个部分。该部分由InN制成，并允许将电信号携带到生物细胞或组织或者从生物细胞或组织携带电信号。特别地，电极可以用于探测/感测细胞活性或者向细胞或组织递送电脉冲。电极还可以用于在两个细胞或组织区域之间提供电连接，其中每个区域通过电极的特定InN部分直接接触。

在以下实施例中，类似的概念将由类似的附图标记表示。例如，附图标记10、20、30...将用于在不同实施例中识别根据本发明的可植入装置的电极。

图4示出了根据本发明的可植入装置的电极10的实施例。为了清楚起见，仅示出了电极10。作为示例，示出了平面电极，包括由InN制成的用于接触生物细胞或组织的部分12。在替代实施例中，电极可以是任意形状的并且包括由InN制成的多个部分12。如图所示，电极10可以包括至少一个另外的部分14，其不是由InN制成，而是由另一种导电或半导电材料制成。因为部分14不用于直接接触生物细胞或组织，所以部分14的毒性和生物结垢要求不如部分12的那些严格。部分14的一种或多种材料可取决于其中使用InN部分12的特定应用。本领域技术人员将能够为部分14选择合适的材料，以优化例如电信号到部分12和从部分12的传输。

在图5所示的实施例中，电极20是线状电极，包括由InN制成的表面部分22，其适于直接且持久地接触生物细胞或组织，因为它抑制生物结垢并且表现出关于所接触的细胞的低毒性。

在图6所示的实施例中，电极30是线状电极，其包括覆盖电极端的由InN制成的表面部分32。因此，电极端适于直接且持久地接触生物细胞或组织，因为它抑制生物结垢并且表现出关于所接触的细胞的低毒性。

根据本发明的另一实施例，如图7所示，由InN制成的部分42是可植入电极40的涂层，其优选地覆盖整个电极。与同样用于提供生物相容性表面的已知聚合物涂层相比，InN涂层42具有额外的优点，即其关于周围细胞或组织表现出降低的毒性。

如图8的实施例所示，部分52可以包括整个电极50。在所示的示例中，体InN电极50支撑在基底51上，基底51可以是导电或绝缘基底，这取决于其中使用电极50的应用。

图9示出了根据本发明的可植入装置的另一电极60，其由基底61支撑。除了适于直接且持久地接触生物细胞或组织并且从其传输电信号和/或传输电信号到其上的顶层62之外，电极60还包括一个或多个下层64，其不适于直接接触生物细胞或组织。

根据上述结果和描述，对于本领域技术人员显而易见的是，根据本发明的电极是可植入电极，其使得能够在植入装置和已经植入装置的组织之间、在这样的装置之间或者在这样的组织之间建立持久的电连接。作为与PC12细胞系的良好相容性的结果，根据本发明的电极在脑-计算机接口应用中具有特别的用途，精确的脑区域的选择性刺激/探测对此是必要的。所描述的包括InN的电极部分可以通过已知的方法例如CVD或其他方法来制造，这些方法将在本领域技术人员能够实现的范围内，并且其描述将超出本申请的上下文。InN部分、层或涂层可以产生为厚层或薄层，优选是微米或纳米级尺寸的。特别地，电极可被提供作为基板上的印刷电路的一部分。

根据本发明的另一实施例，提供了一种可植入电子装置100，包括至少一个电极110，其包括由InN制成的用于直接接触生物细胞或组织101的至少一个部分112。可植入装置包括信号处理装置102，其是本领域技术人员已知的，并且在本说明书的上下文中将不进一步详细描述。信号处理装置可以包括用于放大或滤波接收信号的装置。信号处理装置可操作地连接到直接接触生物组织的电极。

因此，电极110可以用于将由细胞或组织发射的信号传输到信号处理装置102或将处理后的信号传输到细胞或组织。在后一种情况下，可植入装置还可以包括未示出的信号生成装置，比如可调谐电压或电流源以及适当的控制/处理装置作为信号处理路径的输入。这种装置是本领域技术人员已知的。

可植入装置还可以包括功能化部件或半导体，比如MOSFET，用于处理或发送接收信号到或从可植入装置。所描述的部件优选地设置在可植入装置的公共基底上。

应当理解的是，具体优选实施例的详细描述仅以说明的方式给出，因为在本发明的范围内的各种改变和修改对于本领域技术人员将是显而易见的。除非另有说明，否则本发明的所描述的实施例的特征可以与在其他实施例的上下文中描述的特征组合。实施例中的特征的分离基本上是为了它们各自的描述的清楚。保护范围由下面的权利要求书限定。

参考文献

[1]Santhanam G，Ryu SI，Yu BM，Afshar A，Shenoy KV，Nature 442：195-98(2006)

[2]Turner JN，Shain W，Szarowski DH，Andersen M，Martins S，et al。Neurol。156：33-49(1999)

[3]Bellamkonda，R.V。Pai，S.B。Renaud，P.MRS Bulletin 2012,37(06)，557-561。

Claims (10)

1.一种可植入装置(100)，包括用于承载电信号的至少一个电极(10、20、30、40、50、60、110)，其特征在于，所述电极包括用于直接接触生物细胞或组织的至少一个部分(12、22、32、42、52、62)，其中，所述部分(12、22、32、42、52、62)由氮化铟InN制成，使得所述部分是导电或半导电的，并且从而抑制所述部分上的细胞粘附。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电极完全由氮化铟InN制成。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个电极部分(42)包括所述电极的涂层。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述涂层完整地覆盖所述电极。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述电极部分包括用于将所述电极电连接到生物细胞或组织的连接装置。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述连接装置包括所述电极的至少一个电极端32。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述电极包括不同于由InN制成的所述部分(12、22、32、42、52、62)的至少一个部分(14、24、34、44、54、64)，并且其中，所述部分(12、22、32、42、52、62)由导电或半导电材料制成。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其中，所述电极具有包括顶层的分层结构，所述顶层包括用于直接接触生物细胞或组织的所述部分(14、24、34、44、64)。

9.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，还包括信号处理装置(102)，其可操作地连接到所述电极(110)并且配置成用于处理由所述电极承载的信号。

10.一种氮化铟InN的用途，作为用于接触生物细胞或组织、用于携带电信号和用于抑制电极上的细胞粘附的可植入电极材料。