JP2021524765A - バイオセンサ・パッケージ - Google Patents

Abstract

植え込み可能なバイオセンサ・パッケージに関する技術が提供される。例えば、本発明に記載の１つ又は複数の実施形態はバイオセンサ・モジュールを含むことができる装置に関するものとすることができる。バイオセンサ・モジュールは、半導体基板とプロセッサとを含むことができる。半導体基板は、プロセッサに動作可能に結合したセンサを有することができる。装置は、ポリマー層を含むこともできる。バイオセンサ・モジュールは、ポリマー層内に、ポリマー層がバイオセンサ・モジュールの複数の側面に設けられることができるように埋め込まれることができる。

Description

本発明は、バイオセンサ・パッケージに関し、より詳細には、１つ又は複数のバイオセンサ・モジュールを収容することができる植込み可能なポリマーパッケージに関する。

以下、本発明の１つ又は複数の実施形態の基本的理解を与えるための概要を提示する。この概要は、重要な又は決定的な要素を識別することを意図したものでもなく、特定の実施形態の範囲又は特許請求の範囲を記述することを意図したものでもない。その唯一の目的は、後で提示されるより詳細な説明の前段として、単純化された形態で概念を提示することである。明細書に記載の１つ又は複数の実施形態において、植え込み可能なバイオセンサ・パッケージ・システムと考えることができる装置もしくは方法又はそれらの組合せが説明される。

本発明の実施形態によれば、装置は、半導体基板とプロセッサとを含むバイオセンサ・モジュールを含む。基板は、プロセッサに動作可能に結合したセンサを有する。装置はポリマー層も含む。モジュールは、ポリマー層内に、ポリマー層がモジュールの複数の側面に設けられるように埋め込まれる。

本発明の別の実施形態によれば、別の装置は、半導体基板とプロセッサとを含むバイオセンサ・モジュールを含む。基板は、プロセッサに動作可能に結合した組み込み刺激デバイスを含む。装置はポリマー層も含み、デバイスは、ポリマー層内に、ポリマー層がデバイスの複数の側面に設けられるように埋め込まれる。

別の実施形態によれば、方法は、ポリマーをモールドに注入してポリマー層を生成することを含む。この方法は、バイオセンサ・モジュールをポリマー層に、ポリマー層がバイオセンサ・モジュールの複数の側面に設けられるように取り付けることも含む。バイオセンサ・モジュールは、半導体基板とプロセッサとを含む。また、基板は、プロセッサに動作可能に結合したセンサを有する。

本発明の実施形態による、宿主の組織の監視もしくは操作又はその両方を容易にするために宿主に植え込むバイオセンサ・パッケージの図である。 本発明の実施形態による、複数の化学送達システムを含むバイオセンサ・パッケージの図である。 本発明の実施形態による、バイオセンサ・モジュールのアレイを含むバイオセンサ・パッケージの図である 本発明の実施形態による、バイオセンサ・モジュールのアレイを含むバイオセンサ・パッケージの別の図である 本発明の実施形態による、複数のバイオセンサ・モジュールもしくは化学送達システム又はその両方を収容するポリマー層の図である。 本発明の実施形態による、１つ又は複数のバイオセンサ・パッケージを含むシステムの図である。 本発明の実施形態による、１つ又は複数のバイオセンサ・パッケージの製造を容易にするための方法のフロー図である。 本発明の実施形態による、１つ又は複数のバイオセンサ・パッケージの製造を容易にするためのモールドの図である。 本発明の実施形態による、１つ又は複数のバイオセンサ・パッケージの製造を容易にするための方法のフロー図である。

以下の詳細な説明は、単なる例示であり、本発明及び／又は本発明の用途もしくは使用を限定することを意図しない。さらに、前述の技術分野もしくは発明の概要のセクション、又は発明を実施するための形態のセクションで提示されたあらゆる明示的な情報又は含意された情報によって拘束される意図はない。

本発明の実施形態をここで図面を参照して説明し、図中、同様の符号は、全体を通じて同様の要素を指すために用いられる。以下の説明において、説明の目的で、本発明のより徹底的な理解をもたらすために多数の具体的な詳細が示される。しかしながら、種々の場合に、これらの具体的な詳細なしに本発明を実施できることが明らかである。さらに、図面内に提示される種々のタイプの陰影もしくはクロスハッチング又はその両方が、同様の特徴、同様の材料、もしくは同様の組成、又はそれらの組合せを示すことができることを理解されたい。

従来のバイオセンサは、剛直な半導体基板上に配置された１つ又は複数のセンサデバイスを含む。通常、バイオセンサは、バイオセンサを宿主の組織に直接突き刺すことによって宿主に植え込まれる。バイオセンサは、周囲組織の種々の特性を検出し、種々のデバイスを介して（例えば発光ダイオード（「ＬＥＤ」）を介して）組織を刺激することができる。しかしながら、バイオセンサを宿主の組織に突き刺すことは、組織に望ましくない損傷を生じさせかねない。さらに、従来のバイオセンサの剛性は、宿主における可能な植込み位置を限定する。また、従来のバイオセンサ構造は、種々の構成要素（例えば半導体基板）を、宿主によってバイオセンサの劣化を生じさせる可能性がある生物学的防御機構から保護されない状態のままにしておく。加えて、種々の構成要素（例えばＬＥＤ）を宿主組織に実質的に直接曝露することは、必然的に性能の制限（例えば、バイオセンサ周囲の組織を過熱することを避けるための電力使用の制限）を伴う場合がある。

本明細書に記載の本発明の種々の実施形態は、保護ポリマー内に埋め込まれた１つ又は複数のセンサモジュールを含む、植込み可能なパッケージに関する。ポリマーが、宿主の生物学的防御機構もしくは生物学的環境又はその両方からモジュールを保護する一方で、モジュールは、周囲組織を監視もしくは操作し又はその両方を行うことができる。さらに、ポリマーはエラストマーとすることができ、そのことによって植込み可能パッケージに可撓性が付与される。ポリマーの保護的性質及び可撓性の性質に少なくとも部分的に起因して、モジュールを既知の電気工学技術を用いて製造して、典型的な嵩高いバイオセンサより小さい寸法を達成することができる。植込み可能パッケージは、複数のセンサモジュールを含んでもよく、機械が故障した場合に冗長性を提供し、もしくは多機能を促進し、又はその両方であってもよい。さらに、植込み可能パッケージは、１つ又は複数の化学送達システムをさらに含んでもよく、周囲組織への１つ又は複数の化学物質の分配を促進する。

図１は、断面の視点から見たバイオセンサ・パッケージ１００の図である。バイオセンサ・パッケージ１００は、ポリマー層１０２、１つ又は複数のバイオセンサ・モジュール１０４（例えば、図１において点線で示される）、もしくは、１つ又は複数の化学送達システム１０６、又はそれらの組合せを含む。パッケージ１００は、生物学的環境内に、例えば組織（例えば宿主実体の組織）の上もしくは中に、又はその両方に植え込むことができる。

ポリマー層１０２は、生体不活性のエラストマーポリマーを含んでもよく、モジュール１０４の複数の側面に設けられてもよい。ポリマー層１０２は、土台部分（例えば「Ｘ」方向に延びる）に対して実質的に垂直な１つ又は複数の壁部分（例えば「Ｙ」方向に延びる）を含んでもよく、モジュール１０４は、土台部分の上もしくは壁部分の間又はその両方に配置されてもよい。例えば、図１に示すように、ポリマー層１０２をモジュール１０４の左側、右側、及び下側に設けることができる。ポリマー層１０２は、モジュール１０４を囲んでもよい。また、ポリマー層１０２は、モジュール１０４を封入してもよい（例えば、ポリマー層１０２をモジュール１０４の上側にさらに配置してもよい）。

ポリマー層１０２の寸法は、バイオセンサ・パッケージ１００の所望の機能、ポリマー層１０２を構成するポリマーのタイプ、バイオセンサ・パッケージ１００を植え込むことが予期される生物学的環境、それらの組合せなどに応じて変えることができることができることを当業者は認識するであろう。例えば、ポリマー層１０２の（例えば「Ｘ」方向に沿った）長さは、限定されないが、５マイクロメートル（μｍ）以上１８０μｍ以下の範囲とすることができる。別の実施形態において、ポリマー層１０２の（例えば「Ｙ」方向に沿った）高さは、限定されないが、１ミリメートル（ｍｍ）以上２ｍｍ以下の範囲とすることができる。さらなる例において、ポリマー層１０２の１つ又は複数の壁部分のそれぞれの長さ（例えば「Ｘ」軸に沿った）は、限定されないが、３０μｍ以上１０００μｍ以下の範囲とすることができる。付加的な例において、ポリマー層１０２の厚さは、限定されないが、０．３ミリメートル（ｍｍ）以上１０ｍｍ以下とすることができる。

ポリマー層１０２は、エラストマー性、耐久性、生体不活性、耐腐食性、絶縁体、それらの組合せなどによって特徴づけることができる。ポリマー層１０２のための例示的なポリマーとして、限定されないが、ポリジメチルシロキサン（「ＰＤＭＳ」）、ポリウレタン、キチンもしくは類似の生物由来ポリマー又はその両方、セルロース材料、それらの組合せなどが挙げられる。また、ポリマー層１０２を安定な生体分子（例えば、糖たんぱく質もしくはミエリン又はその両方）に埋め込んで、生物学的防御機構（例えば免疫系）に対してカムフラージュすることもできる。さらに、ポリマー層１０２は、バイオセンサ・パッケージ１００を被験者の組織に固定するためにタブもしくは突起又はその両方を含んでもよい。

モジュール１０４は、ポリマー層１０２内に埋め込まれてもよく、もしくはポリマー層１０２に固定されもよく、又はその両方であってもよい。さらに、モジュール１０４は、１つ又は複数のセンサ１０８、１つ又は複数の半導体基板１１０、１つ又は複数の刺激デバイス１１２、１つ又は複数のコンピュータユニット１１４、もしくは、１つ又は複数の動力デバイス１１６、又はそれらの組合せを含むことができる。

センサ１０８は、バイオセンサ・パッケージ１００の周囲の組織もしくは環境又はその両方の１つ又は複数の状態を検出もしくは監視する又は検出及び監視することができる。検出もしくは監視され又は検出及び監視される状態は、例えば、周囲の組織もしくは環境又はその両方の１つ又は複数の化学的性質もしくは物理的性質又はその両方に関するものとすることができる。センサ１０８によって検出もしくは監視する又は検出及び監視することができる例示的な状態として、限定されないが、温度、水分含有量、圧力、吸光度、電気コンダクタンス、神経伝達物質などの化学種又は生物学的情報伝達物質、ホルモン、成長因子、カルシウム、ナトリウム及びカリウムなどの金属イオン、及びｐＨ、それらの組合せなどを挙げることができる。センサ１０８用の例示的なデバイスとして、限定されないが、温度計、圧電材料、光センサ、圧力センサ、電極、高速スキャンサイクリックボルタンメトリーを用いて特定の分子に対して増感された電極などの化学センサ、電界効果トランジスタ（「ＦＥＴ」）センサ、バイポーラ接合型トランジスタ（「ＢＪＴ」）センサ、標的分子でインプリントされた導電性有機電極、有機電気化学トランジスタ（「ＯＥＣＴ」）デバイス、蛍光検出器、それらの組合せなどを挙げることができる。センサ１０８は、特定の生体分子を監視するように最適化されてもよい。例えば、センサ１０８を構成する１つ又は複数の電極を種々のポリマーで被覆することができ、それらポリマーは、それぞれの生体分子に対して感度の高いものとすることができる（例えば、ポリピロール、ポリアニリン、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（「ＰＥＤＯＴ」）、ＰＥＤＯＴの官能化誘導体（例えば、メトキシ、アミン、アルコール、アルキル誘導体）、標的分子によるインプリント、もしくは高速スキャンサイクリックボルタンメトリーで使用するためのガラス状炭素、又はそれらの組合せ）。

センサ１０８は、基板１１０に固定されてもよい。さらに、センサ１０８は、１つ又は複数のビア１１８を通じて基板１１０と相互作用してもよい。さらに、センサ１０８は、例えば３００ナノメートル（ｎｍ）以上１０００ｎｍ以下の範囲の種々のピッチで配置されてもよい。さらに、それぞれのバイオセンサ・モジュール１０４が種々のタイプのセンサ１０８を含んでもよい。換言すれば、バイオセンサ・モジュール１０４のセンサ１０８は、単一タイプのデバイスに限定されるものではなく、又は、１つ又は複数のセンサ１０８の機能は、単一機能（例えば、単一のタイプの状態の検出もしくは監視又はその両方）に限定されるものでもない。

基板１１０は、モジュール１０４の１つ又は複数の構造部（例えば、センサ１０８、刺激デバイス１１２、もしくはコンピュータユニット１１４又はそれらの組合せ）を支持することができる。基板１１０として、限定されないが、シリコン、ゲルマニウム、炭化シリコン、炭素ドープシリコン、化合物半導体（例えば、周期表ＩＩＩ族、ＩＶ族、もしくはＶ族元素又はそれらの組合せを含む）、酸化シリコン、それらの組合せなどを挙げることができる。基板１１０は、バルク・シリコンウェハもしくはシリコン・オン・インシュレータ（「ＳＯＩ」）ウェハ又はその両方とすることができる。基板１１０は、絶縁ワイヤ（図示せず）などの電子構造を含むことができる。基板１１０を１つ又は複数の結晶構造で特徴づけることができる。基板１１０は、ミラー指数を用いて記述すると、シリコン＜１００＞、シリコン＜１１０＞、もしくはシリコン＜１１１＞又はそれらの組合せを含むことができる。基板１１０を透明もしくは半透明又はその両方にして、センサ１０８もしくは刺激デバイス１１２又はその両方の動作を促進することができる。基板１１０は、酸化シリコンを含むことができる。別の例において、基板１１０は、窒化ガリウムを含むことができる。基板１１０は、半導体鉱物、もしくはサファイアなどの宝石、又はその両方を含むことができる。基板１１０の厚さは、基板１１０の組成、センサ１０８の数、刺激デバイス１１２の数、バイオセンサ・パッケージ１００の所望の機能、それらの組合せなどに応じて変えることができる。

刺激デバイス１１２は、１つ又は複数の形態の刺激を生成して、バイオセンサ・パッケージ１００の周囲の組織もしくは環境又はその両方を操作もしくは変更する又は操作及び変更することができる。例えば、刺激デバイス１１２は、バイオセンサ・パッケージ１００の周囲の組織もしくは環境又はその両方を電気信号、振動、熱、光、それらの組合せなどで刺激する（例えば、それによって操作もしくは変更する又は操作及び変更する）ことができる。例示的な刺激デバイス１１２として、限定されないが、ＬＥＤ、圧電デバイス（例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（「ＰＺＴ」）デバイス）、電極、磁気インダクタ、光ファイバ、パルス電極、細胞構造を穿孔するための物理的ナノロッドもしくはチューブ又はその両方、それらの組合せなどを挙げることができる。さらに、それぞれのバイオセンサ・モジュール１０４が種々のタイプの刺激デバイス１１２を含んでもよい。換言すれば、バイオセンサ・モジュール１０４の刺激デバイス１１２は、単一タイプのデバイスに限定されるものではなく、又は、刺激デバイス１１２の機能は、単一機能（例えば、発光）に限定されるものでもない。刺激デバイス１１２は、ひとまとまりで種々の周波数の光を放出することができる１つ又は複数のＬＥＤを含んでもよい。例えば、バイオセンサ・モジュール１０４の幾つかのＬＥＤが青色光を放出してもよく、もしくはバイオセンサ・モジュール１０４の他のＬＥＤが赤色光を放出してもよく、又はその両方であってもよい。

刺激デバイス１１２は、基板１１０内に組み込まれてもよい。基板１１０は、刺激デバイス１１２に対して機械的支持を与えることができ、及び／又は、刺激デバイス１１２及び／又はコンピュータユニット１１４間の１つ又は複数の電気接続を容易にすることができる。基板１１０は、導電性材料（例えば、導電性ストリップ、伝送線路、ナノワイヤ、電気ワイヤ、それらの組合せなど）を含んで、種々の構造部（例えば、センサ１０８、刺激デバイス１１２、コンピュータユニット１１４、もしくは動力デバイス１１６又はそれらの組合せ）の動作可能な結合を容易にすることができる。さらに、ビア１１８もまた、この動作可能な結合を容易にすることができる。

コンピュータユニット１１４は、例えば１つ又は複数のプロセッサを含んで、コンピュータ可読プログラム命令の実行を容易にすることができる。例示的なコンピュータユニット１１４として、限定されないが、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、フィールドプログラム可能ゲートアレイ（「ＦＰＧＡ」）、それらの組合せなどを挙げることができる。コンピュータユニット１１４は、センサ１０８によって収集されたデータを解析し、もしくは解析に基づいて刺激デバイス１１２を制御し、又はその両方を行い、１つ又は複数の目的を達成することができる。コンピュータユニット１１４は、センサ１０８もしくは刺激デバイス１１２又はその両方に動作可能に結合することができる。コンピュータユニット１１４は、１つ又は複数の電気接続（例えばワイヤ）もしくは基板１１０内に設けた１つ又は複数のビア１１８又はその両方を介して、センサ１０８もしくは刺激デバイス１１２又はその両方に動作可能に結合することができる。コンピュータユニット１１４の寸法は、バイオセンサ・パッケージ１００の所望の機能に応じて変えることができる。例えば、コンピュータユニット１１４は、限定されないが、１００×１００μｍ以上１０００×１０００μｍ以下の範囲のダイサイズ上に構成されることができる。

動力デバイス１１６は、センサ１０８、刺激デバイス１１２、もしくはコンピュータユニット１１４又はそれらの組合せに動力（例えば電気）を供給することができる。また、動力デバイス１１６は、センサ１０８、刺激デバイス１１２、もしくはコンピュータユニット１１４又はそれらの組合せに（例えば、１つ又は複数のビア１１８を介して）動作可能に結合することができる。動力デバイス１１６は、例えば、１つ又は複数のキャパシタもしくは１つ又は複数のバッテリ又はその両方を含むことができる。動力デバイス１１６は、例えば１つ又は複数のインダクタの使用を通じて、無線で充電もしくは再充電されてもよく又は充電及び再充電されてもよい。動力デバイス１１６は、宿主に植え込まれている間に充電もしくは再充電されてもよく又は充電及び再充電されてもよい。

化学送達システム１０６は、ポリマー層１０２の１つ又は複数の壁部分の中に含まれるものとすることができる。化学送達システム１０６は、例えば、１種又は複数種のヒドロゲル(図示せず）が装填された１つ又は複数のマイクロ流体チャネルを含むことができる。図１は、直線経路で「Ｙ」方向に沿って延びるマイクロ流体チャネルを含む化学送達システム１０６を示す。しかしながら、マイクロ流体チャネルのアーキテクチャは限定されない。マイクロ流体チャネルは、斜め経路、ジグザグ経路、もしくはＵ字形経路又はそれらの組合せなどの種々の経路によって特徴づけることができる。化学送達システム１０６を構成するマイクロ流体チャネルの遠位端は、バイオセンサ・パッケージ１００の周囲の組織もしくは環境又はその両方に曝露されてもよい。したがって、ポリマー層１０２は、化学送達システム１０６の１つ又は複数の側面を周囲の組織もしくは環境又はその両方に対して開放した状態のまま、化学送達システム１０６の複数の側面を定めることができる。

図１に示すように、化学送達システム１０６は、バイオセンサ・モジュール１０４に隣接して配置することができる。化学送達システム１０６は、バイオセンサ・モジュール１０４の１つ、２つ、３つ及び／又は４つの側面に位置することができる。化学送達システム１０６の寸法は、マイクロ流体チャネル内に装填されるヒドロゲルの所望の量に応じて変えることができる。化学送達システム１０６を構成することができるマイクロ流体チャネルのそれぞれの幅は、限定されないが、５μｍ以上１８０μｍ以下の範囲とすることができる。化学送達システム１０６は、均一な寸法で特徴づけられてもよく、あるいはそれぞれ異なる寸法で特徴づけられてもよい。

化学送達システム１０６に、１種又は複数種のヒドロゲルを装填することができる。ヒドロゲルは、バイオセンサ・パッケージ１００の周囲の組織もしくは環境又はその両方に分配される１つ又は複数の化合物を含むことができる。ヒドロゲルは、周囲の組織もしくは環境又はその両方の存在下で（例えば、宿主の少なくとも１つ又は複数の生物学的防御機構に起因して）反応して（例えば、溶解もしくはその他の分解又はその両方）、それによってヒドロゲル内の対象化学物質を放出することができる。したがって、対象化学物質は、化学分配システム１０６から逃れ出ることができ、及び／又は、周囲の組織もしくは環境又はその両方と相互作用することができる。さらに、それぞれの化学送達システム１０６が同じ化合物を収容してもよく、もしくは、それぞれの化学送達システム１０６がそれぞれの化合物を含んでもよく、又はその両方であってもよい。ヒドロゲル内に存在することができる、もしくは化学送達システム１０６内に収容されることができる、又はその両方であってもよい例示的な化合物として、限定されないが、たんぱく質発現のための遺伝物質（例えばウイルスによって運ばれる）、神経伝達物質（ドーパミン、ガンマアミノ酪酸（「ＧＡＢＡ」）、もしくはセロトニン又はそれらの組合せ）、成長因子、成長抑制物質、医薬（例えば、てんかんもしくはパーキンソン病又はその両方のための薬物）、それらの組合せなどが挙げられる。

図２は、バイオセンサ・パッケージ１００の図である。図２は、刺激デバイス１１２以外のバイオセンサ・モジュール１０４の１つ又は複数の構造部を単一層（例えば、半導体基板１１０）に組み込むことができることを示す。

センサ１０８及び刺激デバイス１１２の両方を基板１１０に組み込むことができる。基板は、窒化ガリウムを含むことができる。コンピュータユニット１１４を基板１１０に組み込むこともできる。したがって、図１は、センサ１０８、刺激デバイス１１２、及びコンピュータユニット１１４をそれぞれの層上に含むバイオセンサ・モジュール１０４を示すが、本発明の実施形態は、センサ１０８、刺激デバイス１１２、及びコンピュータユニット１１４の１つ又は複数が共通層に組み込まれた（例えば基板１１０の上もしくは中又はその両方に組み込まれた）バイオセンサ・モジュール１０４を含むことができる。

図２は、バイオセンサ・パッケージ１００が、バイオセンサ・モジュール１０４の側面に隣接して配置された多数の化学送達システム１０６を含むことができることを示す。例えば、２つ以上の化学送達システム１０６をバイオセンサ・モジュール１０４の左側もしくは右側又はその両方に隣接して配置することができる。ポリマー層１０２内の化学送達システム１０６の数は、バイオセンサ・パッケージ１００の機能もしくはバイオセンサ・パッケージ１００の寸法又はその両方に応じて変えることができる。

図３は、上部から見たバイオセンサ・パッケージ１００の図である。図３に示すように、複数のバイオセンサ・モジュール１０４をポリマー層１０２内に埋め込んでもよく、もしくはアレイ状に配置してもよく、又はその両方であってもよい。

ポリマー層１０２の壁部分は、バイオセンサ・モジュール１０４を互いに分離することができ、もしくは、バイオセンサ・モジュール１０４をポリマー層１０２内に収めることを容易にすることができ、又はその両方であってもよい。ポリマー層１０２のエラストマー的特質は、バイオセンサ・パッケージ１００が周りに巻き付くこともしくはそれ以外の方法で屈曲すること又はその両方を可能にして、バイオセンサ・モジュール１０４のアレイが不規則な表面領域の全体にわたって設けられるようにすることができる。また、バイオセンサ・モジュール１０４のアレイを含むことにより、バイオセンサ・パッケージ１００は、動作不良の場合に利用できる冗長性を含むことができる。換言すれば、バイオセンサ・パッケージ１００は、あるバイオセンサ・モジュール１０４が損傷もしくは動作不良を生じ又は損傷及び動作不良を生じてもなお、同じタスクもしくは類似のタスク又はその両方を実行することができる隣接のバイオセンサ・モジュール１０４の存在に少なくとも部分的に起因して、依然として機能することができる。

アレイのバイオセンサ・モジュール１０４のうちの１つ又は複数は、アレイ内の他のバイオセンサ・モジュール１０４とは異なる１つ又は複数の機能を実行してもよい。例えば、アレイ内の第１のバイオセンサ・モジュール１０４は、アレイ内の第２のバイオセンサ・モジュール１０４とは異なるセンサ１０８もしくは刺激デバイス１１２又はその両方を含むことができる。したがって、バイオセンサ・パッケージ１００は、バイオセンサ・パッケージ１００を構成するそれぞれのバイオセンサ・モジュール１０４のそれぞれの性能能力に起因して、多様なタスクを実行することができる。

バイオセンサ・パッケージ１００を構成するバイオセンサ・モジュール１０４の数は、バイオセンサ・モジュール１０４のサイズ、バイオセンサ・パッケージ１００のサイズ、バイオセンサ・パッケージ１００の所望の機能、化学送達システム１０６の数、それらの組合せなどに応じて変えることができる。図３は、１２個のバイオセンサ・モジュール１０４を示しているが、バイオセンサ・パッケージ１００は、それより少ない又は追加のバイオセンサ・モジュール１０４を含んでもよい。例えば、バイオセンサ・パッケージ１００内に含まれるバイオセンサ・モジュール１０４の数は、限定されないが、１以上１０，０００以下の範囲とすることができる。

図４は、上から見たバイオセンサ・パッケージ１００の別の図である。図４に示すように、１つ又は複数のバイオセンサ・モジュール１０４を種々の形状によって特徴づけることができる。

図３は、バイオセンサ・モジュール１０４が正方形の形状を有するものとして描いているのに対し、図４は、バイオセンサ・モジュール１０４が三角形などの代替的な形状を有してもよいことを示す。異なる構造形状は、異なる機能もしくは独自の可撓性の性質又はその両方を促進することができる。例えば、種々の構造形状は、ポリマー層１０２内でのバイオセンサ・モジュール１０４のそれぞれの密度の達成をもたらすことができる。バイオセンサ・モジュール１０４の構造もしくは寸法又はその両方を特徴づけることができる例示的な形状として、限定されないが、正方形、矩形、三角形、六角形、五角形、八角形、十角形、それらの組合せ、もしくは他の多角形又はそれらの組合せを挙げることができる。さらに、図３及び図４は、均一形状を含むバイオセンサ・モジュール１０４アレイを描いているが、バイオセンサ・パッケージ１００のアーキテクチャはそれに限定されない。例えば、バイオセンサ・パッケージ１００は、多様な形状によって特徴づけられるバイオセンサ・モジュール１０４のアレイを含むことができる。

図５は、断面から見たポリマー層１０２の図である。図５は、製造中にバイオセンサ・モジュール１０４を組み込む前のバイオセンサ・パッケージ１００を示す。

図５に示すように、ポリマー層１０２は、壁部分で定められる１つ又は複数のポケット５０２を形成することができる。バイオセンサ・モジュール１０４をポケット５０２の中に挿入もしくは固定して又は挿入及び固定して、バイオセンサ・パッケージ１００を製造することができる。バイオセンサ・パッケージ１００がバイオセンサ・モジュール１０４のアレイを含む場合、ポリマー層１０２は、アレイの配向もしくは構成又はその両方で配置された複数のポケット５０２を含むことができる。さらに、図５は、ポリマー層１０２が、１つ又は複数のポケット５０２に隣接した１つ又は複数の化学送達システム１０６を含むことができることを示す。例えば、化学送達システム１０６は、ポリマー層１０２内（例えば、ポリマー層１０２によって定められる）もしくは隣接するポケット５０２間又はその両方に配置されることができ、これによりバイオセンサ・パッケージ１００の隣接したバイオセンサ・モジュール１０４の間に配置される。本明細書で説明されるように、化学送達システム１０６の数を変えることができ、もしくは、ポリマー層１０２は、図５に示すように隣接するポケット５０２間の４つの化学送達システム１０６に限定されない（例えば、バイオセンサ・パッケージ１００は、隣接するアレイ状のバイオセンサ・モジュール１０４間により少ない又は追加の化学送達システム１０６を含んでもよい）、又はその両方である。さらに、図５は、均一な寸法を有する化学送達システム１０６を描いているが、バイオセンサ・パッケージ１００のアーキテクチャはそれに限定されない。例えば、それぞれの化学送達システム１０６をそれぞれの寸法によって特徴づけることができる。

図６は、１つ又は複数のバイオセンサ・パッケージ１００を含むことができるシステム６００の図である。図６に示すように、１つ又は複数のバイオセンサ・モジュール１０４は、１つ又は複数のネットワーク６０４を介して１つ又は複数のコントローラ６０２に動作可能に結合することができる。

コントローラ６０２は、システム６００のユーザがバイオセンサ・モジュール１０４を監視もしくは制御する又は監視及び制御することを容易にすることができる、１つ又は複数のコンピュータ化デバイスを含むことができる。コントローラ６０２を構成することができるコンピュータ化デバイスの例として、限定されないが、パーソナルコンピュータ、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、携帯電話（例えばスマートフォン）、コンピュータ化タブレット（例えば、プロセッサを含む）、スマートウォッチ、キーボード、タッチスクリーン、マウス、それらの組合せなどが挙げられる。さらに、１つ又は複数のコントローラ６０２は、システム６００（例えばバイオセンサ・モジュール１０４）によって生成された１つ又は複数の出力をユーザに提示することができる１つ又は複数のディスプレイを含むことができる。例えば、ディスプレイとして、限定されないが、ブラウン管ディスプレイ（「ＣＲＴ」）、発光ダイオードディスプレイ（「ＬＥＤ」）、エレクトロルミネセントディスプレイ（「ＥＬＤ」）、プラズマディスプレイパネル（「ＰＤＰ」）、液晶ディスプレイ（「ＬＣＤ」）、有機発光ダイオードディスプレイ（「ＯＬＥＤ」）、それらの組合せなどを挙げることができる。システム６００のユーザは、バイオセンサ・モジュール１０４に命令（例えばプログラム命令）を送ることができ、もしくはバイオセンサ・モジュール１０４によって出力されたデータ（例えばバイオセンサ・モジュール１０４によって監視もしくは検出された又は監視及び検出された１つ又は複数の状態を表す）を閲覧することができ、又はその両方を行うことができる。

ネットワーク６０４は、限定されないが、セルラーネットワーク、広域ネットワーク（ＷＡＮ）（例えばインターネット）又はローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）を含む、有線及び無線ネットワークを含むことができる。コントローラ６０２は、例えば、セルラー、ＷＡＮ、ワイヤレスフィディリティ（Ｗｉ−Ｆｉ）、Ｗｉ−Ｍａｘ、ＷＬＡＮ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ技術、それらの組合せなどを含むがそれらに限定されない事実上あらゆる所望の有線又は無線技術を用いてバイオセンサ・モジュール１０４（逆もまた同様）と通信することができる。

バイオセンサ・モジュール１０４は、１つ又は複数のアンテナ（例えば、実際のアンテナ（factual antenna））などの１つ又は複数の受信もしくは送信コンポーネント又は受信及び送信コンポーネントを含むことができる。受信もしくは送信コンポーネント又は受信及び送信コンポーネントは、コンピュータユニット１１４もしくは動力デバイス１１６又はその両方に動作可能に結合することができる。受信もしくは送信コンポーネント又は受信及び送信コンポーネントは、バイオセンサ・パッケージ１００の周囲の生物学的環境からポリマー層１０２によって保護されてもよい。受信もしくは送信コンポーネント又は受信及び送信コンポーネントは、コンピュータユニット１１４内に組み込まれてもよい。受信もしくは送信コンポーネント又は受信及び送信コンポーネントは、バイオセンサ・モジュール１０４もしくはネットワーク６０４又はその両方の間の接続、及びそれによってコントローラ６０２との間の接続を容易にすることができる。バイオセンサ・モジュール１０４は、ネットワーク６０４を介して、コンピュータユニット１１４によって実行される命令（例えば、プログラム命令）を（例えば、コントローラ６０２から）受け取ることができ、もしくは、バイオセンサ・モジュール１０４もしくはバイオセンサ・パッケージ１００又はその両方の１つ又は複数の動作を表すデータを（例えば、１つ又は複数のコントローラ６０２へ）送出することができ、又はその両方を行うことができる。

バイオセンサ・モジュール１０４は、コントローラ６０２、もしくは他のバイオセンサ・モジュール１０４又はそれらの組合せと通信することができる（例えば、ネットワーク６０４を介して）。例えば、バイオセンサ・モジュール１０４は、同じバイオセンサ・パッケージ１００を構成する他のバイオセンサ・モジュール１０４と通信することができる。別の例において、第１のバイオセンサ・パッケージ１００のバイオセンサ・モジュール１０４は、第２のバイオセンサ・パッケージ１００のバイオセンサ・モジュール１０４と通信することができる。

本明細書に記載のバイオセンサ・パッケージ１００の種々の実施形態は、慢性疼痛、鬱病、統合失調症、てんかん、糖尿病、肥満、パーキンソン病、もしくは筋肉組織制御又はそれらの組合せなどの種々の難治性の健康状態の処置を容易にすることができる。バイオセンサ・パッケージ１００は、被験者の身体全体の１つ又は複数の位置に植え込まれて、組織の所望のセグメントを操作し、監視し、もしくは改変し、又はそれらの組合せを実行することができる。例えば、バイオセンサ・パッケージ１００は、通常、到達が困難な身体領域、侵入に敏感な身体領域、もしくは曲げ伸ばしされる（subject to flexibility）（例えば運動による）身体領域、又はそれらの組合せに植え込まれることができる。バイオセンサ・パッケージ１００は、脳領域、脊髄領域、もしくは神経系領域又はそれらの組合せに植え込まれることができる。

バイオセンサ・パッケージ１００を利用して、１つ又は複数の光遺伝学的処置方法を促進することができる。バイオセンサ・モジュール１０４は、光遺伝学的刺激デバイスとして機能することができる。１つ又は複数のバイオセンサ・パッケージ１００は、既知の医療技術（例えば縫合もしくは医療用接着剤又はそれらの組合せ）によって被験者の組織セグメントに固定されることができる。バイオセンサ・モジュール１０４は、周囲組織の１つ又は複数の状態を監視することができる。バイオセンサ・モジュール１０４は、光を用いて周囲組織を刺激するための１つ又は複数のＬＥＤを含んでもよい。化学送達システム１０６に、光刺激による周囲組織の操作を促進することができる１つ又は複数の化合物を装填してもよい。

バイオセンサ・パッケージ１００は、脳セクションに植え込まれることができ、もしくは、化学送達システム１０６に、ウイルスが運ぶオプシンたんぱく質発現のための遺伝物質もしくはオプシンたんぱく質自体又はその両方を含むヒドロゲルを装填することができ、又はその両方とすることができる。バイオセンサ・パッケージ１００の周囲の生物学的環境は、ヒドロゲルを溶解してもよく、もしくは他の方法で分解してもよく、又はその両方であってもよく、それによってウイルスもしくはオプシンたんぱく質又はその両方が放出される。ウイルスは、１つ又は複数の局所ニューロンに遺伝物質を感染させることができ、それによってニューロンにオプシンたんぱく質を産生させる。オプシンたんぱく質（例えば、化学送達システム１０６によって放出された、もしくはニューロンによって産生された、又はその両方、いずれかの）は、局所ニューロンの細胞膜に埋め込まれてもよい。オプシンたんぱく質は、細胞膜内にイオンチャネルを形成することができ、光感受性であり得る。例えば、オプシンたんぱく質は、青色光の存在下でイオンチャネルを開き、光の非存在下でイオンチャンネルを閉じることができる。イオンチャネルは、イオンの流れを促進することができ、それによって被験者のニューロンの電位を制御することができる。

バイオセンサ・モジュール１０４は、それによって、局所ニューロン内に位置するオプシンたんぱく質を刺激することもしくは刺激しないこと又はその両方によって局所ニューロンの１つ又は複数の機能を制御することができる。青色光を発することによって、バイオセンサ・モジュール１０４は、１つ又は複数の局所ニューロンを情動的に活性化することができる。逆に、青色光の発光を停止することによって、バイオセンサ・モジュール１０４は、１つ又は複数の局所ニューロンを情動的に不活性化することができる。この活性化もしくは不活性化又はその両方をコントローラ６０２によって（例えばネットワーク６０４を介して）制御して、１つ又は複数の処置条件を達成することができる。バイオセンサ・パッケージ１００は、光遺伝学に加えて多様な医学的処置に用いることができる。

図７は、１つ又は複数のバイオセンサ・パッケージ１００を製造するための方法７００のフロー図である。

７０２において、方法７００は、ポリマー（例えば、エラストマーポリマー）をモールドに注入してポリマー層１０２を生成することを含む。モールドに注入することができる例示的なポリマーとして、限定されないが、ＰＤＭＳもしくはポリウレタン又はその両方を挙げることができる。モールドは、ポリマー層１０２を構造化して土台部分もしくは壁部分又はその両方にすることを容易にする。モールドはまた、１つ又は複数の化学送達システム１０６をポリマー層１０２内に定めることを容易にする。ポリマーをモールド内で硬化させて、所望の構造情報を達成することができる。ポリマーを硬化させた後、ポリマー層１０２をモールドから外して、１つ又は複数のバイオセンサ・パッケージ１００のさらなる製造加工を容易にする。

７０４において、方法７００は、１つ又は複数のバイオセンサ・モジュール１０４をポリマー層１０２に、ポリマー層１０２がバイオセンサ・モジュール１０４の複数の側面に設けられるように取り付けることを含む。バイオセンサ・モジュール１０４は、例えば、センサ１０８、半導体基板１１０、刺激デバイス１１２、コンピュータユニット１１４（例えば、プロセッサを含むことができる）、もしくは動力デバイス１１６又はそれらの組合せを含むことができる。さらに、バイオセンサ・モジュール１０４の構造部のうちの１つ又は複数（例えば、センサ１０８もしくはコンピュータユニット１１４又はその両方）は互いに動作可能に結合してもよい。バイオセンサ・モジュール１０４を、ポリマー層１０２によって定められる１つ又は複数のポケット５０２に挿入もしくは取り付けること又は挿入及び取り付けることができる。

図８は、バイオセンサ・パッケージ１００の製造を容易にすることができる射出成形モールド８００の断面図である。

図８に示すように、射出成形モールド８００は、エラストマーポリマーを注入してポリマー層１０２を形成することができる１つ又は複数のキャビティ８０２を含むことができる。したがって、キャビティ８０２の寸法は、ポリマー層１０２の所望の寸法に依存し得る。さらに、キャビティ８０２は、化学送達システム１０６を構成することができるマイクロ流体チャネルを定めることができる。射出成形モールド８００の構造は、ポリマー層１０２アーキテクチャ（例えば、バイオセンサ・モジュール１０４のアレイを収容することができる複数のポケット５０２を含み得るアーキテクチャ）を容易にするように設計されることができる。

図９は、１つ又は複数のバイオセンサ・パッケージ１００を製造するための方法７００のフロー図を示す。

９０２において、方法９００は、モノマー材料をモールド（例えばモールド８００）に注入することを含む。モノマー材料は重合して、ポリマー層１０２を構成することができるポリマー材料を形成することができる。モノマー材料は、ＰＤＭＳモノマー、イソシアネートモノマー、もしくはポリオールモノマー又はそれらの組合せを含むことができる。

９０４において、方法９００は、モノマー材料を重合もしくは硬化させ又は重合及び硬化させてポリマー層１０２を形成することを含む。９０４における重合もしくは硬化又はその両方を、モノマー材料がモールド内にある間にこれを熱もしくは光又はその両方に曝露することによって促進することができる。本明細書に記載されるように、得られたポリマー層１０２は、耐久性、エラストマー性、及び生体不活性であることによって特徴づけることができる。

９０６において、方法９００は、ポリマー層１０２をモールドから取り外すことを含む。ポリマー層１０２をモールドから取り外すことは、バイオセンサ・パッケージ１００のさらなる製造加工を容易にする。

９０８において、方法９００は、ポリマー層１０２によって定めることができる化学送達システム１０６にヒドロゲル・マトリックス（例えば、ヒアルロン酸ポリマーを含む）を装填することを含む。ヒドロゲル・マトリックスには、限定されないが、たんぱく質発現のための遺伝物質（例えばウイルスによって運ばれる）、神経伝達物質（ドーパミン、ガンマアミノ酪酸（「ＧＡＢＡ」）、もしくはセロトニン又はそれらの組合せ）、成長因子、成長抑制物質、医薬（例えば、てんかんもしくはパーキンソン病又はその両方のための薬物）、それらの組合せなどを含む１つ又は複数の化合物を埋め込むことができる。

９１０において、方法９００は、ヒドロゲル・マトリックス内の架橋を促進して、ヒドロゲルが生体環境によって分解（例えば溶解）するまで化学送達システム１０６内に維持されることに役立つことができる１つ又は複数の組成状態を達成することを含む。例えば、９１０における架橋剤は、熱もしくは光曝露又はその両方によって活性化されることができる。

９１２において、方法９００は、バイオセンサ・モジュール１０４をポリマー層１０２に取り付けることを含む。バイオセンサ・モジュール１０４は、例えば、センサ１０８、半導体基板１１０、刺激デバイス１１２、コンピュータユニット１１４（例えば、１つ又は複数のプロセッサを含むことができる）、もしくは動力デバイス１１６又はそれらの組合せを含むことができる。さらに、バイオセンサ・モジュール１０４の構造部のうちの１つ又は複数（例えば、センサ１０８もしくはコンピュータユニット１１４又はその両方）は互いに動作可能に結合することができる。バイオセンサ・モジュール１０４を、ポリマー層１０２によって定められる１つ又は複数のポケット５０２に挿入もしくは取り付けること又は挿入及び取り付けることができる。

本発明の種々の実施形態の説明は、例証目的で提示されているが、網羅的であること又は開示された本発明の実施形態に限定されることを意図するものではない。多くの変更及びバリエーションは、本発明の範囲から逸脱することなく、当業者には明らかであろう。本明細書で用いられる用語は、本発明の原理、実用的な応用又は市場で見いだされる技術に対する技術的改善を最もよく説明するために、または当業者が本発明を理解することを可能にするために、選択された。

Claims (20)

1. 半導体基板とプロセッサとを含むバイオセンサ・モジュールであって、前記半導体基板は、前記プロセッサに動作可能に結合したセンサ及び組込み刺激デバイスのうちの１つ又は複数を有する、バイオセンサ・モジュールと、
   ポリマー層と、を含む装置であって、前記バイオセンサ・モジュールは、前記ポリマー層内に、前記ポリマー層が前記バイオセンサ・モジュールの複数の側面に設けられるように埋め込まれた、
   装置。
2. 前記半導体基板は、窒化ガリウム、シリコン、サファイア、及び酸化シリコンからなる群から選択される、請求項１に記載の装置。
3. 前記ポリマー層はエラストマーである、請求項１に記載の装置。
4. 前記ポリマー層は、ポリジメチルシロキサン、キチン、セルロース、及びポリウレタンからなる第２の群から選択されるポリマーを含む、請求項３に記載の装置。
5. 前記半導体基板は、前記センサを有する、請求項１から請求項４のいずれかに記載の装置。
6. 前記バイオセンサ・モジュールは、前記プロセッサに動作可能に結合した発光ダイオードをさらに含む、請求項５に記載の装置。
7. 前記ポリマー層は、前記センサに隣接した化学送達システムを含み、前記化学送達システムは、前記バイオセンサ・モジュールに隣接して前記ポリマー層の部分内に配置されたマイクロ流体チャネルを含む、請求項５に記載の装置。
8. 前記バイオセンサ・モジュールは、キャパシタ及びバッテリからなる第３の群から選択される動力デバイスをさらに含む、請求項５に記載の装置。
9. 前記半導体基板は透明であり、前記発光ダイオードは前記半導体基板に組み込まれる、請求項６に記載の装置。
10. 前記バイオセンサ・モジュールは、光遺伝学的刺激デバイスである、請求項５に記載の装置。
11. 前記バイオセンサ・モジュールは、前記プロセッサに動作可能に結合した発光ダイオードをさらに含み、前記センサ及び前記発光ダイオードは、前記半導体基板に組み込まれる、請求項５に記載の装置。
12. 第２のバイオセンサ・モジュールをさらに含み、前記第２のバイオセンサ・モジュールは、前記ポリマー層内に、前記ポリマー層が前記第２のバイオセンサ・モジュールの複数の側面に設けられるように埋め込まれ、前記第２のバイオセンサ・モジュールは、第２の半導体基板と第２のプロセッサとを含み、前記第２の半導体基板は、前記第２のプロセッサに動作可能に結合した第２のセンサを有する、請求項５に記載の装置。
13. 前記半導体基板は、前記組込み刺激デバイスを含む、請求項１から請求項４のいずれかに記載の装置。
14. 前記バイオセンサ・モジュールは、センサ及び動力デバイスをさらに含み、前記センサ及び前記動力デバイスは、前記プロセッサに動作可能に結合し、前記動力デバイスは、キャパシタ及びバッテリからなる第３の群から選択される、請求項１３に記載の装置。
15. 前記ポリマー層は、前記バイオセンサ・モジュールに隣接して配置されたマイクロ流体チャネルを含み、前記マイクロ流体チャネルは、たんぱく質発現のための遺伝物質、神経伝達物質、成長因子、成長抑制物質、及び医薬からなる群から選択される化学物質を含むヒドロゲルを含む、請求項１２に記載の装置。
16. 前記組込み刺激デバイスは、発光ダイオード、ヒータ、及び電極からなる群から選択される、請求項１２に記載の装置。
17. 第２のバイオセンサ・モジュールをさらに含み、前記第２のバイオセンサ・モジュールは、前記ポリマー層内に、前記ポリマー層が前記第２のバイオセンサ・モジュールの複数の側面に設けられるように埋め込まれ、前記第２のバイオセンサ・モジュールは、第２の半導体基板と第２のプロセッサとを含み、前記第２の半導体基板は、前記第２のプロセッサに動作可能に結合した第２の組込み発光ダイオードを含む、請求項１２に記載の装置。
18. ポリマーをモールドに注入してポリマー層を生成することと、
    バイオセンサ・モジュールを、前記ポリマー層に、前記ポリマー層が前記バイオセンサ・モジュールの複数の側面に設けられるように取り付けることと、を含む方法であって、前記バイオセンサ・モジュールは、半導体基板とプロセッサとを含み、前記半導体基板は、前記プロセッサに動作可能に結合したセンサを有する、方法
19. 前記注入することは、前記ポリマー層内にマイクロ流体チャネルを生成することをさらに含み、前記方法は、前記マイクロ流体チャネル内にヒドロゲルを堆積させることをさらに含み、前記ヒドロゲルは、たんぱく質発現のための遺伝物質、神経伝達物質、成長因子、成長抑制物質、及び医薬からなる群から選択される化学物質を含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記半導体基板は、窒化ガリウム、シリコン、サファイア、及び酸化シリコンからなる第１の群から選択され、前記ポリマーは、ポリジメチルシロキサン及びポリウレタンからなる第２の群から選択される、請求項１８に記載の方法。

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