JP2006517136A

JP2006517136A - ダイヤモンド状カーボン被覆を使用する埋め込み可能な装置

Info

Publication number: JP2006517136A
Application number: JP2006503390A
Authority: JP
Inventors: ジョージワイマクリーン; ヴラディミアジェルファンドベイン
Original assignee: オプトバイオニックスコーポレイション
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2004-02-06
Publication date: 2006-07-20
Also published as: CA2511908A1; WO2004071338A2; EP1589916A2; AU2004211944A1; WO2004071338A3; US20040220667A1

Abstract

ダイヤモンド状カーボンフィルムが、生体組織に埋め込むための装置、好ましくは、網膜インプラント上に蒸着される。開口が、ダイヤモンド状カーボンフィルムに、好ましくは、周囲の組織と導通するための装置の部分、即ち、電極と整列して形成されるのがよい。変形例として、ダイヤモンド状カーボンフィルムは、導電性でもよい。その上、ダイヤモンド状カーボンフィルムは、可視光及び／又は赤外光を含む、様々な波長の電磁放射に対して実質的に透明であるように作られるのがよい。この好ましい実施形態では、ダイヤモンド状カーボンフィルムは、磁気的に濾過された、カーボンアーク物理蒸着法を使用して蒸着される。ダイヤモンド状カーボンフィルムを有する埋め込み可能な装置、特に、網膜インプラントは、従来の装置及び保護被膜と比較して、優れた生体適合性及び生体耐久性を示す。

Description

本発明は、概略的には、生体組織に埋め込まれる装置に関し、特に、ダイヤモンド状カーボンで被覆された、網膜インプラントを含む、埋め込み可能な装置に関する。

現代医療技術は、生体組織に埋め込み可能な装置、例えば、ペースメーカー、人工骨、ステント等の創作を導いてきた。このような装置を典型的に取り巻く難題は、これらの装置を取り囲む組織が悪影響を受けないように、装置を生体適合性にする必要性である。これらの装置を作るのに使用される材料の性質は、しばしば、周囲の組織との直接的な連絡を意図した装置の選択した部分、例えば、刺激電極を除いて、装置を密封する用件につながる。一方、このような装置は、良好な生体耐久性、即ち、生体組織によって示されるしばしば化学的に刺激的な環境に耐える能力を示さなければならない。

このため、その装置を実質的に生体適合性及び生体耐久性にするために、埋め込み可能な装置を実質的に包むのに使用される、当該技術で知られた（時々保護膜と称せられる）、種々の金属、合金、プラスチック、セラミック等を含む多数の材料がある。適当な保護膜を選択する際に特別な難題が、網膜インプラントのように、非常に小さい、電気的に活性な装置の場合に生じる。かかる装置の例が、オプトバイオニクス社（Optobionics Corporation）によって開発されたタイプの網膜下インプラント、又は、セカンド・サイト・ＬＬＰ（Second Sight LLP）によって開発されたタイプの網膜上インプラントを含む。網膜下インプラント及び網膜上インプラントは、非常に繊細かつ敏感な網膜の組織、並びに、眼の化学的に苛酷な塩性の環境と接触する。これらのタイプのインプラントでは、二酸化ケイ素又は軟質なポリマーを保護材料として使用することが知られている。埋め込み可能な装置のための保護材料としての超微小結晶ダイヤモンド（ultrananocrystalline diamond：ＵＮＣＤ）の薄膜の使用は、米国特許出願第２００２／０１２０２９６号公報に記載されている。ＵＮＣＤは、天然ダイヤモンドと同じ耐久性及び化学的不活性の特性を示すカーボンを主成分とする多結晶材料の一例である。しかしながら、実質的にアモルファスのダイヤモンド状カーボンフィルムのような、同様にダイヤモンド用の特性を示す、他の炭素材料が、最近開発され、保護材料としての有望さを提供する。

本発明は、生体組織内に埋め込む装置に蒸着されたダイヤモンド状カーボンフィルムの使用を説明する。この好ましい実施形態では、網膜インプラントは、その少なくとも一部分に蒸着されたダイヤモンド状カーボンのフィルムを備える。開口が、ダイヤモンド状カーボンフィルムに形成される。埋め込み可能な装置が電気的に活性である場合、かかる開口は、好ましくは、周囲の組織と電気的に接触するための装置の一部分、即ち、電極と整列される。変形例として、ダイヤモンド状カーボンフィルムを導電性にしてもよく、それによって、フィルムに開口を作る必要を不要にする。さらに、ダイヤモンド状カーボンフィルムは、可視光及び／又は赤外光を含む、様々な波長の電磁放射を実質的に透過させるように作られるのがよい。現時点で好ましい実施形態では、ダイヤモンド状カーボンフィルムは、磁気的に濾過されたカソードアーク物理蒸着法を使用して蒸着される。ダイヤモンド状カーボンフィルムを有する埋め込み可能な装置、特に、網膜インプラントは、従来の装置及び保護被覆と比較して、すばらしい生体適合性及び生体耐久性を示す。

今、図１を参照すると、装置の少なくとも一部分に蒸着されたダイヤモンド状カーボン（diamond-like carbon：ＤＬＣ）フィルムを有する装置１００が示されている。図示した特別の実施形態では、装置１００は、変性網膜疾患の治療用にオプトバイオニクス社（Optbionics Corporation）によって製造されたもののような、網膜下タイプの装置であり、その例は、オプトバイオニクス社に譲渡され、かつ、ここに援用される米国特許第５０１６６３３号に更に記載されている。しかしながら、本発明は、種々の網膜インプラント装置（上網膜装置を含む）、特に、（必ずではないが、網膜との直接接触により、）目の網膜を刺激するように設計され、皮膜保護層の適用により利益を得ることができる任意の装置に適用することができることが理解される。さらに、好ましくは、ＤＬＣフィルムで被覆されるべき装置は、一旦埋め込まれると、周囲の組織に電気的刺激を与え、或いは、周囲の組織内の電気的活性を感知することのできる電気的に活性な装置である。網膜インプラントの場合のように、大変小規模に手術しようとするとき、かかる装置は、周知の半導体加工技術を使用して製造するのがよい。

装置１００は、シリコン又は化合物半導体材料から作られる基板１１０を有し、この基板に一つ又はそれ以上の光起電装置１２０が形成される。半導体材料が使用される場合には、基板は正又は負にドープされるのがよい。もちろん、半導体材料系以外の材料系を、適当な光起電装置を完成するのに等しく採用することができることが理解される。
図示の容易さのために、小数の光起電装置１２０だけが示され、実際には、より大きい和の又はより少ない数の光起電装置を採用してもよい。さらに、図１に示す寸法は、一定の縮尺ではない。一般的に、各光起電素子１２０は、基板１１０の正面又は上面に蒸着された正に及び又は負にドープした領域から形成された電気的に活性の領域からなる。電極構造１２４が埋め込まれたときに、装置を取り囲む組織への電荷の移動を容易にするように、電気的に活性な領域と導通して形成される。当該技術において知られているように、各電極構造１２４は、白金、チタン、イリジウム又はそれらの合金又は化合物のような、良好な生体適合性、生体耐久性及び電荷移動特性を示す種々の材料から作ることができる。現時点で好ましい実施形態では、各電極構造１２４は、チタン結合層上に位置する酸化イリジウム層からなる。さらに、好ましくは、これもチタン結合層上に位置する酸化イリジウム層から作られた共通電極又は接地電極１３０が、基板１１０の背面又は底面に形成される。

図示するように、ＤＬＣフィルム１４０が、その下にある素子１００の少なくとも一部分に蒸着される。当該技術において知られているように、ＤＬＣは、理想的には、各材料の原子結合構造及び結晶特性に基づいて、他の炭素化合物と一般的に区別することができるカーボン（又は、ときどき、実際には、水素化カーボン）の一形態である。例えば、天然ダイヤモンドは、典型的には、単一配向結晶、又はほとんど専らＳＰ³炭素結合から構成された多結晶として形成される。対照的に、ＤＬＣのようなアモルファス材料は、実際には長周期秩序又は明確な周期構造を有さない非結晶であり、ｓｐ³炭素結合だけでなく、ｓｐ²結合の著しい割合を示す炭素原子（及び、おそらくは、水素原子又は他のドーパント）の混合物から形成される。このようなアモルファス材料の特別な性質は、ｓｐ³：ｓｐ²結合比を変えることによって制御することができる。さらに、米国特許出願公開番号第２００２／０１２０２９６号に記載されたＵＮＣＤのような他の材料は、本質的に比較的少ないｓｐ²結合含有率を示す多結晶である。名称が意味するように、多結晶材料は、粒界によって分離された周期的な様々に向いた結晶構造の多数の小さい領域（結晶粒）から形成される。多結晶材料を形成するのに使用されるプロセスに応じて、個々の粒径を、比較的大きい（直径１〜１０マイクロメーター）ものから非常に小さい（直径２〜５ナノメーター）ものまで様々に変えることができる。簡単に言うと、多結晶フィルムは、多くの様々に向いたダイヤモンド結晶からなり、これに対して、ＤＬＣフィルムは、多くのダイヤモンドの様な性質を示すけれども、実質的に非結晶性を示す。アモルファス及び多結晶の両方の炭素材料は、天然のダイヤモンドと同一の性質を示すことがあるが、その二種類の材料の著しい違いは、コスト及び生産の複雑さであり、アモルファス材料は、簡単かつ低価格である。例えば、米国特許出願公開番号第２００２／０１２０２９６号に記載されたＵＮＣＤは、アルゴン及び炭素又は炭化水素成分の雰囲気中で形成されたマイクロ波プラズマ化学蒸着法を使用して蒸着される。これに対して、以下により詳細に記載するように、本発明によるＤＬＣフィルムを蒸着するための好ましい技術は、比較的簡単な真空カソードアークプラズマ物理蒸着技術の使用により、注意深く制御された雰囲気の必要性を不要にする。

一般的に、ＤＬＣフィルム１４０は、厚さ約５乃至１５０ナノメートルであるのがよく、厚さ約７５〜１００ナノメートルが好ましい厚さの範囲である。ＤＬＣフィルムの均一な厚さが好ましいが、必須ではないことに留意せよ。一般に、これらの範囲の上限は、いくつかの要因によって支配される。例えば、より厚いＤＬＣフィルムは、典型的には、装置の変形又はＤＬＣフィルムの剥離をもたらすことがあるより大きい内部応力を生じさせる。剥離は、ＤＬＣフィルムの基板への相対的な付着性によって制御される。本発明によれば、ＤＬＣフィルムは好ましくは、シリコンか酸化シリコン表面のいずれかとよく付着する。

厚さに関するもう一つの要因である光学透明度は、より厚いフィルムによって悪影響を受ける。さらに、より肉厚のフィルムには、より長い蒸着時間が必要とされる。かくして、ＤＬＣフィルムの厚さの上限は、上述の性能及び製造パラメータに依存する設計選択事項である。

構造的に異なるＤＬＣフィルムの交互の層のような段階構造を、応力が全体的に厚さの等しい連続的なＤＬＣフィルムに生じる応力を制御するのに使用するのがよい。例えば、比較的高いｓｐ³：ｓｐ²結合比を有するＤＬＣの一つ又はそれ以上の層に、比較的低いｓｐ³：ｓｐ²結合比を有するＤＬＣの一つ又はそれ以上の層を挟み込むのがよい。同様な傾向で、別々に積層したフィルムとは違って、フィルムの厚さが増加するに従ってフィルムの構造的な特徴が変化する、徐々に変化したフィルム（graded film）により、応力も制御するのがよい。例えば、出来上がったフィルムが、その底部では、特性においてより黒鉛であり、その外面では、よりダイヤモンド状に円滑に移行するように、フィルムの厚さが増加するにつれて、ｓｐ³：ｓｐ²結合比も連続して同様に増加する。他の技術を使用して蒸着したＤＬＣフィルムは、通常は、（典型的には、１．０〜１．５ＧＰａの範囲内の）高い内部応力を有するのに対して、この好ましいカソードアークプラズマＰＶＤ技術により形成されたＤＬＣフィルムは、内部応力を測定困難な点まで減少させるように設計することができる。

図１に示すように、開口１４２は、既知のエッチング技術を使用して、ＤＬＣフィルム１４０に形成されるのがよい。さらに、高温で実行されるほとんどのCＶＤ又はＰＥＣＶＤ技術と違って、周知の感温リフトオフ技術を、ＤＬＣフィルムにかかる開口を形成するときに用いるのがよい。好ましくは、かかる開口１４２は、下に位置する装置が電気的に活性である場合、電極構造１２４が周囲環境に露出するように、ＤＬＣフィルムの、電極構造１２４の上に位置する領域に形成される。

図１では、ＤＬＣフィルム１４０は、共通電極１３０の上に蒸着されない、即ち、装置の部分だけが覆われる。しかしながら、本発明は、それに限定されず、ＤＬＣフィルムで実質的に完全に覆われる装置を含む。かかる完全な被覆策は、或る用途でより良好な密封特性を提供する。これは、図２に示され、ここでは、ＤＬＣ層は、装置を完全に包む。これらの形態では、更に、ＤＬＣフィル１４０の部分を導電性にすることが有利である。かかる変更は、当該技術において知られているように、選択的ドーピングにより、ＤＬＣフィルム１４０に行うことができる。これは、電極構造及び／又は共通電極の上に位置するＤＬＣフィルム１４０に形成された導電部分２１０，２２０によって、図２に示される。

図３に示す、更に他の実施形態では、変形例の電極構造３２４が作られる。この実施形態では、ＤＬＣフィルム１４０を、電気的活性領域１２２に直接蒸着することができる。その後、（例えば、適当なエッチング又はリフトオフ技術を使用して、）電気的活性領域１２２上のＤＬＣフィルム１４０に、開口が形成され、その開口に、電極構造３２４が、既知の技術を使用して形成される。先の実施形態におけるように、図３に示す電極構造３２４は、適当な金属結合層からなるのがよい。

本発明に使用された種類のＤＬＣフィルムは、種々の既知の技術を使用して作られる。例えば、化学蒸着法（chemical vapor deposition：ＣＶＤ）、プラズマ強化化学蒸着法（plasma enhanced chemical vapor deposition：ＰＥＣＶＤ）及び（イオンビーム蒸着法及びスパッタリングを含む）物理蒸着法（physical vapor deposition：ＰＶＤ）は、全て、ＤＬＣフィルムを作るのに使用される周知の技術である。
さらに、磁気的に濾過された真空（カソード）アークプラズマＰＶＤ技術が開発された。
かかる技術は、アンダーズ（Anders）等に発行された米国特許第６４６５７８０号（「７８０特許」）に更に記載され、その技術をここに援用する。一般に、「７８０特許」は、カソード４１２とアノード４１４とを有するプラズマ源４１０を有する真空又はカソードアークプラズマ蒸着装置４００（図４参照）を教示する。プラズマ源４１０は、真空及びフィルタチャンバ４６０内で作動すると、アーク電流電源４２０の制御によりプラズマを発生させる。この好ましい実施形態では、カソード４１２は、プラズマ発生工程中に消費されるグラファイトの可動ロッドからなる。当該技術において知られているように、かかるカソードアーク発生プラズマは、典型的には、基板４４０上に蒸着されたならば結果として品質低下フィルムを生じさせる、いわゆるマクロパーティクル（macroparticles）を含む。

この問題と戦うために、プラズマは、基板４４０に向けられる前に、電源４２０によって（プラズマ源４１０に対して、）反対の極性に帯電した磁気フィルタ４３０に入る。磁気フィルタ４３０は、好ましくは、オープンアーキテクチャの三次元二重折曲ソレノイド又はツイストフィルタからなり、これは、マクロパーティクル又は中性荷電粒子を実質的に濾過して取り除いて、粒子のない高品質のプラズマを生じさせ、その結果、粒子のないＤＬＣフィルムを生じさせる。プラズマがフィルタ４３０を出ると、プラズマは、本発明の関係では、埋め込み可能なデバイスを有する基板又はターゲット４４０の方に向けられる。さらに、マクロパーティクルの濾過は、ターゲット４４０をチャンバ４６０と分離するマクロパーティクルファイアウォール４５０の開口４５２を通してプラズマを向けることによって達成される。プラズマがターゲット４４０に衝突すると、ＤＬＣフィルムは蒸着される。プラズマがターゲットに向けられるエネルギーを更に制御し、それによって、蒸着したＤＬＣフィルムの性質を更に制御するために、バイアス電源４８０をターゲットに連結するとよい。さらに、ＤＬＣフィルムの蒸着を更に改善するために、バイアス電源４８０とアーク電流電源４２０の両方は、当該技術で知られているように、パルス法で作動するのがよい。

上述のカソードアークプラズマＰＶＤ技術を使用して、特に、生体耐久性及び生体適合性に関して、実質的なダイヤモンドのような性質を示すＤＬＣフィルムを作るとよい。一部分、これは、かかるフィルムに設計することができる比較的高いｓｐ³比の結果である。例えば、ＣＶＤ／ＰＥＣＶＤ法を使用して、３５〜５０％のｓｐ³：ｓｐ²比は典型的に達成される。対照的に、８５％迄のｓｐ³：ｓｐ²比を有するＤＬＣは、この好ましいカソードアークプラズマＰＶＤを使用して、既に達成できる。さらに、好ましいＤＬＣフィルムによって示される著しい耐腐食性は、他のＣＶＤ／ＰＥＣＶＤ法を使用して生産される、それに匹敵する厚さのＤＬＣフィルムに対して、いわゆる「ピンホール」の非常に低い発生に起因する。

本発明の一つの実施形態では、ＤＬＣフィルムを、フィルムが、異なる波長の電磁放射に異なる透過率を示すように作ることができる。例えば、被覆されるべき装置が、一つ又はそれ以上の光起電装置（図１〜図３参照）を有する場合、蒸着ＤＬＣフィルムは、好ましくは、可視光及び／又は赤外光の波長を実質的に透過させるように作られる。一般的に、ＤＬＣフィルムの不透明度は、ＤＬＣフィルムの厚さに比例して増加する。その上、不透明度は、ＤＬＣフィルムがより黒鉛になると増加する。

本発明は、生体組織に埋め込まれる装置上のダイヤモンド状カーボンフィルムの使用を説明した。ＤＬＣフィルムの使用は、かかる装置の生体適合性及び生体耐久性を増加させ、かかる装置は、それにもかかわらず、装置の周囲の環境と連絡したままである。

前述の詳細な説明は、限定ではなく、例示としてみるべきであり、全ての均等物を含む特許請求の範囲が、この発明の範囲を定めることを理解すべきである。

本発明による例示のインプラントの概略断面図である。本発明の他の実施形態による例示のインプラントの概略断面図である。本発明による他の電極構造の概略断面詳細図である。本発明によるダイヤモンド状カーボンフィルムを蒸着するための好ましい装置の概略図である。

Claims

眼の網膜を刺激するために眼に埋め込むための装置と、
その装置の少なくとも一部分に蒸着されたダイヤモンド状カーボンフィルムと、
を有する網膜インプラント。
前記装置は、網膜上埋め込みに適する、請求項１記載の網膜インプラント。
前記装置は、網膜下埋め込みに適する、請求項１記載の網膜インプラント。
網膜下インプラントは、少なくとも一つの光起電装置を有する、請求項３記載の網膜インプラント。
ダイヤモンド状カーボンフィルムは、少なくとも一つの開口を有する、請求項１記載の網膜インプラント。
前記装置は、少なくとも一つの電極を有し、ダイヤモンド状カーボンフィルムの少なくとも一つの開口は、その少なくとも一つの電極と整列される、請求項５記載の網膜インプラント。
少なくとも一つの電極は、ダイヤモンド状カーボンフィルムの少なくとも一つの開口内に形成される、請求項５記載の網膜インプラント。
ダイヤモンド状カーボンフィルムの少なくとも一部分は、導電性である、請求項１記載の網膜インプラント。
ダイヤモンド状カーボンフィルムは、可視光の波長を実質的に透過させる、請求項１記載の網膜インプラント。
ダイヤモンド状カーボンフィルムは、赤外光の波長を実質的に透過させる、請求項１記載の網膜インプラント。
請求項ダイヤモンド状カーボンフィルムは、複数の構造的に異なるダイヤモンド状カーボンフィルムからなる、請求項１記載の網膜インプラント。
ダイヤモンド状カーボンフィルムは、構造的に徐々に変化したダイヤモンド状カーボンフィルムからなる、請求項１記載の網膜インプラント。
眼の網膜を刺激するために眼に埋め込むための装置を提供する工程と、
炭素カソードアークプラズマを形成する工程と、
プラズマを装置に差し向けて、ダイヤモンド状カーボンフィルムを、装置の少なくとも一部分に蒸着させる工程と、
によって提供される網膜インプラント。
装置上のダイヤモンド状カーボンフィルムの蒸着に先立ち、プラズマを磁気的に濾過する工程を更に有する、請求項１３記載の網膜インプラント。
装置上のダイヤモンド状カーボンフィルムの蒸着中に、装置に電気的にバイアスをかける工程を更に有する、請求項１３記載の網膜インプラント。
パルス方式で装置に電気的にバイアスをかける工程を更に有する
請求項１５記載の網膜インプラント。
ダイヤモンド状カーボンフィルムの少なくとも一部分を除去して、ダイヤモンド状カーボンフィルムに少なくとも一つのの開口を作る工程を更に有する、請求項１３記載の網膜インプラント。
ダイヤモンド状カーボンフィルムの少なくとも一部分を導電性にする工程を更に有する、請求項１３記載の網膜インプラント。
網膜インプラントを提供するための方法であって、
眼の網膜を刺激するために眼に埋め込むための装置を提供する工程と、
ダイヤモンド状カーボンフィルムを、装置の少なくとも一部分に蒸着する工程と、
を含む網膜インプラントを提供する方法。
ダイヤモンド状カーボンフィルムを蒸着する工程は、
炭素カソードアークプラズマを形成する工程と、
プラズマを装置へ向けて、ダイヤモンド状カーボンフィルムを蒸着する工程と、
を更に含む、請求項１９記載の方法。
ダイヤモンド状カーボンフィルムを蒸着する工程は、
装置上のダイヤモンド状カーボンフィルムの蒸着に先立ち、プラズマを磁気的に濾過する工程を更に有する、請求項２０記載の方法。
ダイヤモンド状カーボンフィルムを蒸着する工程は、
装置上のダイヤモンド状カーボンフィルムの蒸着中、装置に電気的にバイアスをかける工程を更に有する、請求項１９記載の方法。
パルス方式で装置に電気的にバイアスをかける工程を更に有する、請求項２２記載の方法。
ダイヤモンド状カーボンフィルムの少なくとも一部分を除去して、ダイヤモンド状カーボンフィルムに開口を形成する工程を更に有する、請求項１９記載の方法。
ダイヤモンド状カーボンフィルムの少なくとも一部分を導電性にする工程を更に有する、請求項１９記載の方法。
ダイヤモンド状カーボンフィルムを蒸着する工程は、
可視光の波長を実質的に透過させるダイヤモンド状カーボンフィルムを蒸着する工程を更に有する、請求項１９記載の方法。
ダイヤモンド状カーボンフィルムを蒸着する工程は、
赤外光の波長を実質的に透過させるダイヤモンド状カーボンフィルムを蒸着する工程を更に有する、請求項１９記載の方法。