JP2012011172A - 脳ペースメーカー及びそれに利用した電極線 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、脳ペースメーカー及びそれに利用した電極線に関し、特にカーボンナノチューブを利用した脳ペースメーカー及びそれに利用した電極線に関するものである。
【解決手段】本発明の脳ペースメーカーに利用した電極線は、本体及び絶縁層を含む。前記絶縁層は前記本体の外表面に被覆され、前記本体は、複数のカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブワイヤを含む。本発明は、脳ペースメーカーも提供している。
【選択図】図２

Description

本発明は、脳ペースメーカー及びそれに利用した電極線に関し、特にカーボンナノチューブを利用した脳ペースメーカー及びそれに利用した電極線に関するものである。

パーキンソン病（Ｐａｒｋｉｎｓｏｎ’ｓ ｄｉｓｅａｓｅ）は、脳内のドーパミン不足とアセチルコリンの相対的増加とを病態とし、錐体外路系徴候を示す疾患である。本症はパーキンソン症候群を示す病気の一つである。パーキンソン病の症状には大別して運動症状と非運動症状がある。運動症状は主に振戦、無動、固縮が特に３主徴として知られている。非運動症状のなかには、精神症状、自律神経症状などが含まれる。

現在、パーキンソン病では、脳深部に電極を埋め込んで電気的刺激を与えるという脳深部刺激療法（ＤＢＳ）が行われている。脳ペースメーカーには振戦症状（不随意の筋収縮によるふるえ）の軽減やそれに伴う薬剤使用量の低減といった効果があり、それにより患者の活動範囲が大きく広がるというメリットがある。

図１を参照すると、従来の脳ペースメーカー１は、パルス発生器（刺激発生器）１０と、電極（リード）１１と、延長用電極（エクステンション）１２と、を備えている。前記パルス発生器１０は、電気回路と電池が内蔵された、治療用の電気刺激を発生する装置である。前記パルス発生器１０は前記延長用電極１２とつなげられている。前記パルス発生器１０は通常、胸部の鎖骨下付近の皮下に植込まれる（患者によっては腹部に装置を植込むこともある）。「脳のペースメーカー」と呼ばれることもあるこの装置は、刺激に必要な電気信号を作り出す。前記電極１１は脳内に挿入され、脳を電気刺激する。前記延長用電極１２は、前記電極１１とパルス発生器１０をつなげるもので、パルス発生器１０でつくった電気刺激を前記電極１１へ伝える役目をする。これらの電気信号が、前記延長用電極１２と前記電極１１を通って脳深部に刺激を与える。

Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１

しかし、前記電極１１は白金からなるので、コストが高い。また、白金からなる電極１１の弾力性が弱いので、患者が運動する際に、前記電極１１が患者に傷害を与える恐れがある。白金からなる電極１１は細くなると、その抵抗が大きくなり、パルス信号が弱くなるので、治療効果が低下する。従来の技術により製造された白金線の直径は大きい（例えば、１０μｍ以上）ので、患者の体に植込まれる電極の数量が少なく、患者の治療領域に制限がある。白金は酸化しやすいものであるので、白金からなる電極１１は、患者の体液でエッチングされる可能性があり、電極の接触が不良となり、脳ペースメーカーの使用時間が短くなる。

本発明は、前記課題を解決するために、低コスト及び長い使用時間を有する脳ペースメーカー及びそれに利用した電極線を提供する。

本発明の脳ペースメーカーに利用した電極線は、本体及び絶縁層を含む。前記絶縁層は前記本体の外表面に被覆され、前記本体は、複数のカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブワイヤを含む。

単一の前記カーボンナノチューブワイヤにおける複数のカーボンナノチューブは、分子間力で接続されている。

本発明の脳ペースメーカーは、パルス発生器と、電極と、少なくとも一本の電極線と、を備える。前記電極線は、前記電極とパルス発生器とを連結する。単一の前記電極線は、本体及び絶縁層を含む。前記絶縁層は前記本体の外表面に被覆され、前記本体は、複数のカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブワイヤを含む。

前記電極は、複数のコネクタを含み、単一の前記コネクタは、一つの前記電極線に電気的に接続される。

従来の技術と比べて、本発明の脳ペースメーカー及びそれに利用した電極線は次の優れた点がある。第一に、本発明の脳ペースメーカー及びそれに利用した電極のコストが低い。第二に、カーボンナノチューブからなる電極の弾力性が良いので、患者に傷害を与える問題がない。第三に、カーボンナノチューブの導電性が優れるので、カーボンナノチューブからなる電極線の導電性も優れている。第四に、カーボンナノチューブの直径が非常に小さい（１０μｍ以下）ので、それを利用した電極線が細く製造される。第五に、カーボンナノチューブは簡単に酸化できないものであるので、電極の使用時間が長くなる。

従来の脳ペースメーカーの模式図である。 本発明の実施例における脳ペースメーカーの模式図である。 本発明の実施例における脳ペースメーカーに利用した電極線の断面図である。 数本の本発明のカーボンナノチューブワイヤが並列することを示す図である。 数本の本発明のカーボンナノチューブワイヤが並列してねじれることを示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図２を参照すると、本実施例の脳ペースメーカー２は、パルス発生器２０と、電極線２１と、電極２２と、を備えている。前記パルス発生器２０は電極線２１と接続されている。前記電極線２１は、前記電極２２とパルス発生器２０をつなげる。前記パルス発生器２０のパルス信号は、前記電極線２１と前記電極２２を通って患者の脳に刺激を与える。

前記パルス発生器２０は、ホウジング（図示せず）と、電源（図示せず）と、パルス発生回路（図示せず）と、制御回路（図示せず）と、ポート（図示せず）と、を備えている。前記ホウジングは、チタンからなる。前記電源は、前記パルス発生器２０に動力を提供する。前記パルス発生回路はパルスを発生するが、前記制御回路は前記パルス発生器２０から異なるパルス信号を発生させるために設置されている。前記ポートは、前記電極２２に電気的に接続されている。

図３を参照すると、単一の前記電極線２１は、本体２１１及び絶縁層２１２からなる。前記絶縁層２１２は前記本体２１１の外表面に被覆されている。前記絶縁層２１２は、ポリウレタン高純度のシリコンゴムのような生体適合性材料からなり、その厚さが１μｍ〜５０μｍである

前記電極線２１の本体２１１は、線状構造体であり、少なくとも一本のカーボンナノチューブワイヤ２１１ａを含む。一本の前記カーボンナノチューブワイヤ２１１ａの直径は１μｍ〜２００μｍである。前記本体２１１の直径は、１μｍ〜１ｍｍであり、好ましく１μｍ〜１０μｍである。前記カーボンナノチューブワイヤ２１１ａは、非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤ及びねじれ状カーボンナノチューブワイヤの二種がある。非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤは、分子間力で接続された複数のカーボンナノチューブからなる。この場合、一本の前記非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤは、端と端とが接続された複数のカーボンナノチューブセグメント（図示せず）を含む。前記カーボンナノチューブセグメントは、同じ長さ及び幅を有する。さらに、各々の前記カーボンナノチューブセグメントに、同じ長さの複数のカーボンナノチューブが平行に配列されている。前記複数のカーボンナノチューブはカーボンナノチューブワイヤの中心軸に平行に配列されている。前記非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤをねじり、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを形成することができる。ここで、前記複数のカーボンナノチューブは前記カーボンナノチューブワイヤの中心軸を軸に、螺旋状に配列されている。

前記カーボンナノチューブワイヤを形成する方法は、カーボンナノチューブアレイから引き出してなるカーボンナノチューブフィルムを利用する。前記カーボンナノチューブフィルムの製造方法は次のステップを含む。

第一ステップでは、カーボンナノチューブアレイを提供する。該カーボンナノチューブアレイは、超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献１を参照）であり、該超配列カーボンナノチューブアレイの製造方法は、化学気相堆積法を採用する。該製造方法は、次のステップを含む。ステップ（ａ）では、平らな基材を提供し、該基材はＰ型のシリコン基材、Ｎ型のシリコン基材及び酸化層が形成されたシリコン基材のいずれか一種である。本実施例において、４インチのシリコン基材を選択することが好ましい。ステップ（ｂ）では、前記基材の表面に、均一に触媒層を形成する。該触媒層の材料は鉄、コバルト、ニッケル及びその２種以上の合金のいずれか一種である。ステップ（ｃ）では、前記触媒層が形成された基材を７００℃〜９００℃の空気で３０分〜９０分間アニーリングする。ステップ（ｄ）では、アニーリングされた基材を反応炉に置き、保護ガスで５００℃〜７４０℃の温度で加熱した後で、カーボンを含むガスを導入して、５分〜３０分間反応を行って、超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献１）を成長させることができる。該カーボンナノチューブアレイの高さは１００マイクロメートル以上である。該カーボンナノチューブアレイは、互いに平行し、基材に垂直に生長する複数のカーボンナノチューブからなる。該カーボンナノチューブは、長さが長いため、部分的にカーボンナノチューブが互いに絡み合っている。生長の条件を制御することによって、前記カーボンナノチューブアレイは、例えば、アモルファスカーボン及び残存する触媒である金属粒子などの不純物を含まなくなる。

本実施例において、前記カーボンを含むガスとしては例えば、アセチレン、エチレン、メタンなどの活性な炭化水素が選択され、エチレンを選択することが好ましい。保護ガスは窒素ガスまたは不活性ガスであり、アルゴンガスが好ましい。

本実施例から提供されたカーボンナノチューブアレイは、前記の製造方法により製造されることに制限されず、アーク放電法またはレーザー蒸発法で製造してもよい。

第二ステップでは、前記カーボンナノチューブアレイから、少なくとも、一枚のカーボンナノチューブフィルムを引き伸ばす。まず、ピンセットなどの工具を利用して複数のカーボンナノチューブの端部を持つ。例えば、一定の幅を有するテープを利用して複数のカーボンナノチューブの端部を持つ。次に、所定の速度で前記複数のカーボンナノチューブを引き出し、複数のカーボンナノチューブセグメントからなる連続のカーボンナノチューブフィルムを形成する。

前記複数のカーボンナノチューブを引き出す工程において、前記複数のカーボンナノチューブがそれぞれ前記基材から脱離すると、分子間力で前記カーボンナノチューブセグメントが端と端で接合され、連続のカーボンナノチューブフィルムが形成される。単一の前記カーボンナノチューブフィルムは、複数のカーボンナノチューブセグメントを含む。前記複数のカーボンナノチューブセグメントは、長さ方向に沿って分子間力で端と端が接続されている。それぞれのカーボンナノチューブセグメントは、相互に平行に、分子間力で結合された複数のカーボンナノチューブを含む。単一の前記カーボンナノチューブセグメントにおいて、前記複数のカーボンナノチューブの長さが同じである。前記カーボンナノチューブフィルムを有機溶剤に浸漬させることにより、前記カーボンナノチューブフィルムの強靭性及び機械強度を高めることができる。

前記カーボンナノチューブワイヤを形成する方法は、次の三種がある。第一種では、前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの長手方向に沿って、前記カーボンナノチューブフィルムを所定の幅で切断し、カーボンナノチューブワイヤを形成する。第二種では、前記カーボンナノチューブフィルムを有機溶剤に浸漬させて、前記カーボンナノチューブフィルムを収縮させてカーボンナノチューブワイヤを形成することができる。第三種では、前記カーボンナノチューブフィルムを機械加工（例えば、紡糸工程）してねじれたカーボンナノチューブワイヤを形成する。詳しく説明すれば、まず、前記カーボンナノチューブフィルムを紡糸装置に固定させる。次に、前記紡糸装置を動作させて前記カーボンナノチューブフィルムを回転させ、ねじれたカーボンナノチューブワイヤを形成する。

図４及び５を参照すると、前記本体２１１は、複数のカーボンナノチューブワイヤ２１１ａを含む場合、前記複数のカーボンナノチューブワイヤ２１１ａを平行に並列させて、又は前記複数のカーボンナノチューブワイヤ２１１ａをねじって、束状構造体に形成する。図４は、複数のカーボンナノチューブワイヤ２１１ａが平行して並列して前記本体２１１を形成する状態を示す図である。図５は、複数のカーボンナノチューブワイヤ２１１ａがねじれて前記本体２１１を形成する状態を示す図である。

図５に示された本体２１１は次の二種方法によって形成する。第一種方法には、複数のカーボンナノチューブワイヤ２１１ａを一つの支持軸（図示せず）の軸方向に沿って零距離でねじった後、前記支持軸を取り出す。第二種方法には、複数のカーボンナノチューブワイヤ２１１ａの端部を固定させて、前記カーボンナノチューブワイヤ２１１ａの他の端部を回転させる。

前記電極線２１の本体２１１は、複数のカーボンナノチューブワイヤ２１１ａを含むので、その靭性が優れている。カーボンナノチューブは弾力性があるので、所定の強度を加えても前記電極線２１は一定の弾力性を有する。

図２を参照すると、前記電極２２は、前記電極線２１に電気的に接続され、患者の細胞Ｃと接触する。該電極２２は、複数のコネクタ２２１を備えている。前記電極線２１の本体２１１は、それぞれ前記電極２２のコネクタ２２１に接続されている。前記電極２２の複数のコネクタ２２１は、マトリクス状に配列されるので、前記複数のコネクタ２２１により、患者の複数の治療部位を刺激できる。前記コネクタ２２１は金属からなり、シート状又は錐体である。

実際の生産工程において、前記電極２２及び前記パルス発生器２０は、一体製造して一体成形の構造体に形成することができる。該一体成形の構造体の直径は１０μｍ以下である。

本発明の脳ペースメーカー２を利用する場合、前記電極２２のコネクタ２２１を患者の治療部位の細胞Ｃに接触させて、前記パルス発生器２０をスタートすると、前記パルス発生器２０からのパルス信号は、前記電極線２１により前記電極２２に転送されてから、前記電極２２により患者の治療部位の細胞Ｃに送達される。勿論、本発明は、脳ペースメーカーの代わりに、他のペースメーカーに利用できる。

１ 脳ペースメーカー
１０ パルス発生器
１１ 電極
１２ 延長用電極
２ 脳ペースメーカー
２０ パルス発生器
２１ 電極線
２１１ 本体
２１１ａ カーボンナノチューブワイヤ
２１２ 絶縁層
２２ 電極
２２１ コネクタ

Claims (4)

1. 本体及び絶縁層を含む電極線において、
   前記絶縁層は前記本体の外表面に被覆され、
   前記本体は、複数のカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブワイヤを含むことを特徴とする脳ペースメーカーに利用した電極線。
2. 単一の前記カーボンナノチューブワイヤにおける複数のカーボンナノチューブは、分子間力で接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の脳ペースメーカーに利用した電極線。
3. パルス発生器と、電極と、少なくとも一本の電極線と、を備える脳ペースメーカーにおいて、
   前記電極線は、前記電極とパルス発生器とを連結しており、
   単一の前記電極線は、本体及び絶縁層を含み、
   前記絶縁層は前記本体の外表面に被覆され、
   前記本体は、複数のカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブワイヤを含むことを特徴とする脳ペースメーカー。
4. 前記電極は、複数のコネクタを含み、
   単一の前記コネクタは、一つの前記電極線に電気的に接続されていることを特徴とする、請求項３に記載の脳ペースメーカー。

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