JP2006129977A - 神経再生電極装置の作製方法及びその神経再生電極装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 神経繊維に対して個別に接続できる大規模な電極アレイを構成することが可能な神経再生電極装置の作製方法及びその神経再生電極装置を提供する。
【解決手段】 神経再生電極装置の作製方法において、基板１上に微小配線２を形成し、前記微小配線２に接続される高さが異なる複数の微小空中電極３を前記基板１に植設し、前記高さが異なる複数の微小空中電極３に神経再生路４を接続して構築する。
【選択図】図１

Description

本発明は、神経再生電極装置の作製方法及びその神経再生電極装置に係り、特に、外形の大きさがμｍからｎｍオーダーの立体構造物を造形する手法により、生体と外部機器とをつなぐ神経インターフェースとしての電極アレイ（電極接続装置）を成形する技術に関するものである。

末梢神経は切断されても、短い距離であれば再生し、中枢神経との接続が回復することが知られており、これを利用した末梢神経から電気的信号を入出力する神経再生電極装置が提唱されている（非特許文献〔１〕参照）。すなわち、神経繊維が再生する経路に電極を多数配置することで、多数の神経繊維に対して電極の接続が可能となる。

上記した神経再生電極装置の作製方法としては、これまでに写真転写、エッチングなどを繰り返す半導体製造プロセスを転用した方法があり、薄膜上に神経が通る穴及び電極と、これらと外部とをつなぐ配線を２次元的に配置するようにしたものを作製していた。

一方、本願発明者らは、ＦＩＢ−ＣＶＤ法（集束イオンビーム化学蒸着法）による微小構造物の製造に成功している。このＦＩＢ−ＣＶＤ法は原料ガス雰囲気中に集束イオンビームを照射することで、照射したところだけに選択的に材料を堆積させる３次元造形法である（下記特許文献〔１〕及び〔２〕、非特許文献〔２〕参照）。
ＷＯ ２００４／０７６３４３ Ａ１ ＷＯ ２００４／０７７５３６ Ａ１ Ｍｅｎｓｉｎｇｅｒ ＡＦ，Ａｎｄｅｒｓｏｎ ＤＪ，Ｂｕｃｈｋｏ ＣＪ，Ｊｏｈｎｓｏｎ ＭＡ，Ｍａｒｔｉｎ ＤＣ，Ｔｒｅｓｃｏ ＰＡ，Ｓｉｌｖｅｒ ＲＢ，Ｈｉｇｈｓｔｅｉｎ ＳＭ，Ｊ．ＮＥＵＲＯＰＨＹＳＩＯＬ．Ｖｏｌ．８３：Ｎｏ．１，ｐｐ．６１１−６１５，（２０００）． Ｔ．Ｈｏｓｈｉｎｏ，Ｋ．Ｗａｔａｎａｂｅ，Ｒ．Ｋｏｍｅｔａｎｉ，Ｔ．Ｍｏｒｉｔａ，Ｋ．Ｋａｎｄａ，Ｙ．Ｈａｒｕｙａｍａ，Ｔ．Ｋａｉｔｏ，Ｊ．Ｆｕｊｉｔａ，Ｍ．Ｉｓｈｉｄａ，Ｙ．Ｏｃｈｉａｉ，ａｎｄ Ｓ．Ｍａｔｓｕｉ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，Ｂ２１，２７３２（２００３）．

しかしながら、上記従来技術では、神経繊維の大きさに適合したμｍオーダーの電極を２次元に配置した電極アレイは作製できたが、一つの神経束に数千〜数万本ある神経繊維に対して個別に接続できる大規模な電極アレイは、２次元配置では配線空間がないために不可能であった。

本発明は、上記状況に鑑みて、神経繊維に対して個別に接続できる大規模な電極アレイを構成することが可能な神経再生電極装置の作製方法及びその神経再生電極装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕神経再生電極装置の作製方法において、基板上に微小配線を形成し、前記微小配線に微小空中電極を植設し、この微小空中電極に神経再生路を接続して構築することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の神経再生電極装置の作製方法において、前記微小空中電極が高さの異なる複数の微小空中電極であることを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の神経再生電極装置の作製方法において、前記微小空中電極の近傍にＤＬＣからなる絶縁性ピラーを植設することを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載の神経再生電極装置の作製方法において、前記神経再生路に神経束をガイドし、防護するガイドチューブを設けることを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載の神経再生電極装置の作製方法において、前記高さが異なる複数の微小空中電極がＷ（タングステン）ピラーであることを特徴とする。

〔６〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載の神経再生電極装置の作製方法において、前記神経再生路がマイクロカーボンチューブであり、前記Ｗピラーにそれぞれ前記マイクロカーボンチューブ内に再生した神経繊維を接続することを特徴とする。

〔７〕神経再生電極装置であって、上記〔１〕から〔６〕の何れか一項記載の神経再生電極装置の作製方法によって作製される。

本発明は、μｍ乃至ｎｍオーダーの微小立体構造物造形方法を用いて、末梢神経繊維から多数の信号を取得できる神経インターフェースを構築することができ、義手・義足などを随意に制御できるシステムを構成することができる。

神経再生電極装置の作製方法において、基板上に微小配線を形成し、前記微小配線に高さが異なる複数の微小空中電極を植設し、前記高さが異なる複数の微小空中電極に神経再生路を接続して構築する。よって、個々の神経繊維に接続できる大規模な電極アレイを構成することができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

本発明では、ＦＩＢ−ＣＶＤ法などの任意立体造形法を用いることで、３次元に電極を配置し、配線部の接続を容易にする。そのために、電子計算機を利用して設計した微小立体構造物の３次元モデルからビームの強度、照射位置、照射時間を決定し、これに基づいて集束イオンビーム装置を制御することで任意の微小立体構造物を作製する。

具体的にはまず、設計した微小立体構造物の３次元モデルを高さ方向に分割した断面形状を算出し、微小立体構造物の積層構造の離散的な描画データを生成する。この描画データに基づき、ビームの強度、照射時間、照射間隔を制御することにより、微小立体構造物の層の高さや表面粗さ、作製時間等を制御することができる。また、微小立体構造物の材質は、原料ガスによって変えることが可能であり、フェナントレンを用いると高抵抗、タングステンヘキサカルボニルを用いると低抵抗のものが作製可能である。この方法により、３次元的な配線や神経再生路を、任意の形状、任意の材料で形成可能になる。例えば、電極・配線を低抵抗な物質で、配線しやすいように間隔を広げて作製する。この電極に向かって高抵抗な物質で神経再生路を構築する。この神経再生路の中に神経繊維を再生させ、電極と接続させることで、神経繊維の空間的な再配置を行う。したがって、広い空間で多数の神経繊維に対する配線が可能となる。

図１は本発明の実施例を示す神経再生電極装置（神経インターフェース）の作製工程図である。

（１）まず、図１（ａ）に示すように、基板１上に微小配線（Ｃｒ）２を形成し、その微小配線２上に高さが異なる複数の微小空中電極（Ｗピラー）３を植設する。つまり、神経再生路を構築しやすいように、基板１上に微小空中電極３を３次元的に構築する。

（２）次に、図１（ｂ）に示すように、微小空中電極３の近傍に、ＤＬＣ（ダイアモンドライクカーボン）からなる絶縁性ピラー４を植設する。そして、微小空中電極（Ｗピラー）３に向かって神経再生路（マイクロカーボンチューブ）５を構築する。その場合、他の微小空中電極と接触しないように、神経再生路５を構築する必要がある。つまり、神経再生路５は、対応する微小空中電極３以外と接触しないように、屈曲してこれを迂回するように構築され、絶縁性ピラー４がこの神経再生路５を支持する構造とする。

（３）次に、図１（ｃ）に示すように、全ての微小空中電極（Ｗピラー）３に対して対応する神経再生路５を接続させる。

（４）次に、図１（ｄ）に示すように、全ての微小空中電極３に接続された神経再生路５に神経束のガイドチューブ６を取り付ける。このガイドチューブ６はＤＬＣにより形成することもできる。

このようにして、本発明の神経再生電極装置（神経インターフェース）を構成することができる。
〔具体例〕
以下、具体例について説明する。

図２は本発明の実施例を示す神経再生電極装置（神経インターフェース）の構成図であり、図２（ａ）はその第１層の神経再生電極装置（神経インターフェース）の斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）の神経再生路（マイクロカーボンチューブ）の破断状態を示す模式図である。

まず、前述したように、基板１１上に微小配線１２を形成し、その上に配線として働く微小空中電極（Ｗピラー）１３をＦＩＢ−ＣＶＤ法により形成する。詳細には、タングステンヘキサカルボニル〔Ｗ（ＣＯ₆ ）〕ガス雰囲気中で、基板１１に３０ｋｅＶのＧａ⁺ イオンビームを照射して、堆積したＧａにタングステンカーバイトを被覆して作製する。また、その微小空中電極１３の近傍には、ＤＬＣからなる絶縁性ピラー１４を形成する。次いで、再生神経繊維をガイドするための神経再生路（マイクロカーボンチューブ）１５を、フェナントレン（Ｃ₁₄Ｈ₁₀）ガス雰囲気中で３０ｋｅＶのＧａ⁺ イオンビームを照射して堆積したＧａにＤＬＣを被覆することで作製し、対応する個々の微小空中電極（Ｗピラー）１３に被着させる。この神経再生路（マイクロカーボンチューブ）１５は他の微小空中電極（Ｗピラー）１３と接触しないように屈曲して設計され、微小空中電極１３と接続していない他端は微小空中電極１３の両側でそれぞれ一つに集められ、神経束１６に接続される。１７は神経束１６をガイドするガイドチューブ、１８は神経再生路１５内に生成した神経繊維である。

次に、本発明で用いるＦＩＢ−ＣＶＤ法について説明する。

図３に本発明にかかるＦＩＢ−ＣＶＤ法による微小立体構造物の概略製作工程を示す。

この図において、２１は３次元パターン作製装置、２２は集束イオンビーム照射装置、２３はボクセルデータ中の、空白のボクセルまでビーム走査されないようにするブランキング部とビーム走査方向等の制御部からなる制御装置、２４はガスノズルである。

まず、図３（ａ）に示すように、微小立体構造物の３次元ＣＡＤモデルを設計する。次に、図３（ｂ）に示すように、この３次元ＣＡＤモデルを高さ方向に分割（スライス）する。次に、図３（ｃ）に示すように、図３（ｂ）で得られたスライスデータをさらにボクセル（ｖｏｘｅｌ）単位に分割して、ボクセルデータ（ｖｏｘｅｌ ｄａｔａ）とする。このボクセルデータは、ビーム照射を行うボクセルよりなる照射データ（ｓｃａｎ ｄａｔａ）と、照射を行わない空白ボクセルよりなるデータ（ブランキングデータ：ｂｌａｎｋｉｎｇ ｄａｔａ）とからなり、このデータに基づいてイオンビーム照射オーダーを最適化する。照射オーダーはＦＩＢ−ＣＶＤ装置のビームディフレクター（図示なし）に入力され、照射ビームの制御を行う（上記非特許文献［３］参照）。従って、犠牲層の必要も、ステージを傾けることもなく、３次元微小立体構造物を作製できる。

そこで、神経再生電極装置の試作品を以下の方法で開発した。その作製工程を図４に示す。

まず、図４（ａ）に示すように、第１に、ガラス基板３１上にクロム配線パターン３２をレーザーパターニングとウェットエッチングプロセスで形成する。次に、図４（ｂ）に示すように、電気配線として働くＷピラー３３を、タングステンヘキサカルボニルガス雰囲気でＦＩＢ照射して、クロム配線パターン３２上に植設した。そして、図４（ｃ）に示すように、神経再生路となるマイクロカーボンチューブ３４を、フェナントレンガス雰囲気中でＦＩＢ照射によりＤＬＣを被覆して、Ｗピラー３３に被着させて形成する。

図５に、上記した手順で形成した神経再生電極装置を示す。

この図において、Ｗピラー４３は微小配線（Ｃｒ）４２の終端にあり、マイクロカーボンチューブ４５がＷピラー４３を覆っている。このマイクロカーボンチューブ４５は、ガラス基板４１上に立つＤＬＣピラー４４（ここでは２本）で支持されている。マイクロカーボンチューブ４５とＷピラー４３を作製するための全作製時間は約２〜３時間であった。また、休止時間は１００μｓで、ビーム照射ピッチは２．４ｎｍであった。

図６は本発明の神経再生路（マイクロカーボンチューブ）と微小空中電極（Ｗピラー）の構成図であり、図６（ａ）はＤＬＣからなるマイクロカーボンチューブを、図６（ｂ）はそのマイクロカーボンチューブの断面図である。

基板５１上には、微小配線５２が形成され、そこに５本のピラーが配置され、中央に位置するものはタングステン（Ｗ）ピラーからなり、微小空中電極５３として働く。その他のピラーはＤＬＣからなる絶縁性ピラー５４であり、マイクロカーボンチューブ５５を支持している。マイクロカーボンチューブ５５は屈曲した神経再生路として設計され、Ｗピラーからなる微小空中電極５３はその屈曲点でマイクロカーボンチューブ５５に配線される。また、マイクロカーボンチューブ５５の内径は３μｍ、その長さは１０μｍであり、製作時間は２時間３８分であった。

次に、図７に、２つの層状に積層しているマイクロカーボンチューブ６５，６６を示す。なお、６１は基板、６２は微小配線、６３は微小空中電極（Ｗピラー）、６４は絶縁性ピラーである。マイクロカーボンチューブ６５，６６の内径は３μｍ、長さ１０μｍであった。

図８は、Ｖ型マイクロカーボンチューブ７１を示す。このＶ型マイクロカーボンチューブの内径は、約３μｍ、長さ１０μｍであった。

このように、ＦＩＢ−ＣＶＤ法により、複数の材料からなる神経再生電極のような複雑な３次元構造の作製が可能になった。

次に、本発明の神経再生電極装置を生体外でテストした例について示す。ここでは、培養細胞を用いて材料の生体適合性を調査した。ラットの肝細胞であるＢＲＬ細胞を３７℃で約２４時間、培養皿に低温放置した。結果として、ＤＬＣはほとんど細胞接着性がないことが分かった。ＤＬＣは結合組織を減少させることができるため、神経電極に適していると考えられる。これは、一般的に、神経と電極間の結合組織が生体への長時間に渡る埋め込みで電極のインピーダンスを上昇させるからである。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の神経再生電極装置の作製方法及びその神経再生電極装置は、義手・義足などを随意に制御できるツールとして利用可能である。

本発明の実施例を示す神経再生電極装置（神経インターフェース）の作製工程図である。 本発明の実施例を示す神経再生電極装置（神経インターフェース）の構成図である。 本発明にかかるＦＩＢ−ＣＶＤ法による微小立体構造物の概略製作工程を示す図である。 本発明の神経再生電極装置の作製工程図である。 本発明の実際に形成された神経再生電極装置を示す図である。 本発明の具体例を示す神経再生路（マイクロカーボンチューブ）と微小空中電極（Ｗピラー）の構成図である。 本発明の具体例を示す２つの層状に積層しているマイクロカーボンチューブを示す図である。 本発明の具体例を示すＶ型マイクロカーボンチューブを示す図である。

符号の説明

１，１１，３１，４１，５１，６１ 基板
２，１２，４２，５２，６２ 微小配線（Ｃｒ）
３，１３，３３，４３，５３，６３ 微小空中電極（Ｗピラー）
４，１４，４４，５４，６４ 絶縁性ピラー（ＤＬＣピラー）
５，１５ 神経再生路（マイクロカーボンチューブ）
６，１７ ガイドチューブ
１６ 神経束
１８ 神経繊維
２１ ３次元パターン作製装置
２２ イオンビーム照射装置
２３ 制御装置
２４ ガスノズル
３２ 配線パターン
３４，４５，５５，６５，６６ マイクロカーボンチューブ
７１ Ｖ型マイクロカーボンチューブ

Claims (7)

1. （ａ）基板上に微小配線を形成し、
   （ｂ）前記微小配線に微小空中電極を植設し、
   （ｃ）該微小空中電極に神経再生路を接続して構築することを特徴とする神経再生電極装置の作製方法。
2. 請求項１記載の神経再生電極装置の作製方法において、前記微小空中電極が高さの異なる複数の微小空中電極であることを特徴とする神経再生電極装置の作製方法。
3. 請求項１又は２記載の神経再生電極装置の作製方法において、前記微小空中電極の近傍にＤＬＣからなる絶縁性ピラーを植設することを特徴とする神経再生電極装置の作製方法。
4. 請求項１、２又は３記載の神経再生電極装置の作製方法において、前記神経再生路に神経束をガイドし、防護するガイドチューブを設けることを特徴とする神経再生電極装置の作製方法。
5. 請求項１、２、３又は４記載の神経再生電極装置の作製方法において、前記高さが異なる複数の微小空中電極がＷ（タングステン）ピラーであることを特徴とする神経再生電極装置の作製方法。
6. 請求項１、２、３又は４記載の神経再生電極装置の作製方法において、前記神経再生路がマイクロカーボンチューブであり、前記Ｗピラーにそれぞれ前記マイクロカーボンチューブ内に再生した神経繊維を接続することを特徴とする神経再生電極装置の作製方法。
7. 請求項１から６の何れか一項記載の神経再生電極装置の作製方法によって作製される神経再生電極装置。