JP2023524246A - 最小侵襲の脊髄および脳の刺激および記録のための形状記憶合金およびポリマー電極アレイ - Google Patents

Abstract

電極アレイは、取り外し可能な外側シースと、前記外側シースによって取り囲まれる絶縁層と、前記絶縁層によって取り囲まれる、ニッケルおよびチタンの金属合金を含む中央管腔とを含む。

Description

政府所有権に関する声明
なし。

関連出願の相互参照
本出願は、そのそれぞれが、その全体が参照により援用される、２０２０年４月２８日に出願された米国仮特許出願第６３／０１６７１６号および２０２０年１０月２７日に出願された米国仮特許出願第６３／１０６０６２号の利益を主張する。

本発明は、一般に電極アレイに関し、より具体的には、最小侵襲の脊髄および脳の刺激および記録のための形状記憶合金およびポリマー電極アレイに関する。

一般に、脊椎および脳の刺激および記録のための電極システムを有することは有利であり、侵襲性を最小限に抑えた手順を使用して挿入されることができ、展開後に内部で意図されたニューロン標的の高い範囲を達成し得る。しかしながら、そのような電極システムは、部分的には既存の金属およびセラミックプローブで使用される材料の問題により、開発が遅れている。その結果、ニューロン活動を刺激して記録するほとんどの方法は、不要な組織損傷を引き起こす。

以下は、本発明のいくつかの態様の基本的な理解を提供するために、技術革新の簡略化された概要を提示する。本概要は、本発明の広範な総括ではない。本発明の主要または重要な要素を特定することも、本発明の範囲を描写することも意図していない。その唯一の目的は、後で提示されるより詳細な説明の前置きとして、本発明のいくつかの概念を簡略化された形で提示することである。

一態様では、本発明は、取り外し可能な外側シースと、前記外側シースによって取り囲まれる絶縁層と、前記絶縁層によって取り囲まれる、ニッケルおよびチタンの金属合金を含む中央管腔と、を含む電極アレイを特徴とする
他の態様では、本発明は、取り外し可能な外側シース、前記取り外し可能な外側シースによって取り囲まれる絶縁層を含む電極アレイと、前記断熱層によって取り囲まれ、熱硬化性形状記憶ポリマーを含む中央管腔と、を含む電極アレイを特徴とする。

さらに他の態様では、本発明は、生体適合性の形状記憶合金ベースのワイヤを電極アレイに適合させること、人体の一部に針を介して、適合させた前記電極アレイを低侵襲の方法で挿入すること、および適合させた前記電極アレイの電極形状を、熱を使用して変換して、前記人体の一部のカバレッジ領域を最大化すること、を含む、方法を特徴とする。

これらおよび他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を読み、関連する図面を検討することによって明らかになるであろう。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方が説明のためのみのものであり、特許請求される態様を限定するものではないことが理解されるべきである。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、および添付の図面を参照してよりよく理解されるであろう：

図１は、例示的な修正された円筒型リードの断面を示す。 図２は、より広い範囲をカバーする電極の侵襲性を最小限に抑えた挿入を可能とする、後柱刺激用の修正円筒型リードを硬膜外腔に挿入する際の前記３つのステップの例示的な図を示す。 図３は、本発明者らの修正電極の前記熱誘発性の形状記憶能力がどのように活性化され得るかの３つの例示的な例を示す。 図４は、形状記憶ポリマーの例示的な熱誘導性の形状記憶能力を示す。 図５は、ニチノールが一時的な形状に変形され、加熱されて４段階で元の形状に回復する際の、ニチノールの例示的な形状記憶能力を示す。 図６は、円筒型リードのニチノール成分が取り得る２つの例示的な形状を示す。

［発明の詳細な説明］
ここで、図面を参照して主題の技術革新について説明するが、参照番号は全体を通して同様の要素を指すために使用される。以下の説明では、説明の目的で、本発明の完全な理解を提供するために、多くの特定の詳細が示される。しかしながら、本発明はこれらの具体的な詳細なしに実施できることは明らかである。他の例では、本発明の説明を容易にするために、周知の構造およびデバイスがブロック図形式で示される。

神経調節は、臨床神経科学において急速に拡大している分野である。現在、てんかん、パーキンソン病、強迫性障害、疼痛などの神経疾患および精神疾患の治療のために、リード、グリッド、パドルの形をした電極アレイが配置され、脳および脊髄を刺激して記録している。脳および脊椎の電極範囲を最大化するために、通常、脳または脊椎を覆う大きなグリッドまたはパドル電極を配置するために、開頭術または椎弓切除術を実施する必要がある。

本発明は、従来の電極アレイへの適合である：生体適合性の形状記憶合金および／または熱硬化性および熱可塑性ポリマーベースのワイヤ、シース、ヒンジ、またはその他のコンパクトな形状は、脊椎または頭蓋の針または小さな窓から低侵襲の方法で電極アレイを挿入するために使用され、次に、形状記憶合金および／またはポリマーの形状記憶応答を使用して、その電極形状を脳または脊髄のより望ましい領域をカバーする形状に変換する。本発明者らの設計では、金属ワイヤの弾性を使用することで、必要に応じてより高いレベルの形状変更力を提供し得る。生体適合性の形状記憶合金およびポリマーの形状変化は、主に熱応答によって活性化される。構成要素が特定の転移温度範囲を超える場合、形状変化が誘発される。

一例として、後柱刺激を最適化するために形状記憶合金を使用し得る。慢性疼痛に対する後柱刺激は神経調節手順であり、これにより、針を通して小さな直線電極をスライドさせ、Ｘ線を使用して適切な脊椎レベルで硬膜外に進めるか、適切なレベルで開いた椎弓切除術によって電極パドルを配置する開腹手術を介してそれらを進めることにより、電極アレイを脊髄の後柱に配置し得る。本発明は、開腹手術と経皮手術との間のギャップを埋める。本発明の形状記憶合金またはポリマーベースの電極システムは、経皮的に配置され得るが、開いたパドル電極が行う刺激装置の脊椎レベルと同様の優れた被覆を有する。前記形状記憶合金ニチノールの場合、ニチノールは生体外で望ましい形状に設定され、挿入前に直線形状に変形される。ニチノールは、身体の環境外で直線的な変形形状を維持し得る。熱誘導形状記憶合金としての特殊な特性により、転移温度以下のときに変形の形状を維持し得る。前記形状記憶合金ニチノールがその遷移温度を超える環境に置かれた後、材料は超弾性特性を示し、最初に設定された望ましい形状に戻る。したがって、ニチノールリードが体内に挿入されると、最初にプログラムされた形状に戻り、後柱刺激のリードカバレッジを最適化する。相変化は、ニチノールの形状転移温度未満で発生し、ニチノールが転移温度を超えて加熱されると発生する。本発明は、外部熱源を必要とせずに形状記憶合金およびポリマーをその形状遷移温度より上に加熱するための自然な方法として体温を使用し得る。

一実施形態では、本発明は、ニチノール、ニッケルおよびチタンの金属合金、または他の形状記憶合金または形状記憶ポリマーの形状記憶効果を使用し、身体の環境にさらされると、パドルリードのエリアカバレッジまたは工業上の好みによって決定される特定の皮膚分節を最もよく標的とする形状に拡大する修正された円筒型リードを作成する。

前記修正円筒型リードは、その場で拡張する前に、円筒型リードの配置と同様の経皮的技術を利用して侵襲性を最小限に抑えた方法で挿入され得る。前記修正円筒型リードは、現在の円筒型リードよりも広い範囲をカバーし、費用がかかり侵襲的な椎弓切除術の必要性を減らし、脊椎外科医だけでなく、すべての疼痛管理医にとって、前記手術の利用可能性を向上させる。

前記修正円筒型リードは、末梢神経の刺激、後根の刺激、および神経の記録を含む、後柱を標的とする脊髄刺激を超えた用途にも使用され得る。一実施形態では、これは、形状記憶合金ニチノール（ＮｉＴｉ）を利用することによって達成される。

図１には、後柱刺激用の例示的な変形円筒型リード１００の断面が示されており、変形円筒型リード１００が挿入されると取り外される外側シース１１０を含む。外側シース１１０内には、刺激を送達する導電性構成要素を担持する多数の軌道内腔１３０を含む絶縁層１２０がある。前記絶縁層１２０は、一実施形態では形状記憶合金ニチノールを使用する中央管腔１４０を取り囲む。他の実施形態では、前記中央管腔１４０は、他の形状記憶合金またはポリマーを有し得る。

上述のように、ニチノール（ＮｉＴｉ）は、その生体適合性および超弾性のために、多くの医療用途で使用される金属合金である。本発明は、材料が特定の温度を超えると「相変化」を生じ、前記材料を、より剛性の低い材料相から、加工された元の形状をとる、より剛性の高い超弾性材料に遷移させる、形状記憶効果を使用する。体温より低い温度では、修正円筒型リード１００は、パドルリードの脊椎被覆に似た形状、または望ましい領域を最適に標的とするいずれかの形状に製造し得る。生成された形状において、修正円筒型リード１００は、直線状にされ、導入シースに配置され、円筒型電極と同様に経皮的に硬膜外腔に挿入される。目的の位置に挿入すると、前記シースを取り外し、体温に達するとニチノールがリードを最適なカバー範囲を提供する形状に戻る。

図２には、後柱刺激のための修正円筒型リードの挿入の例示的な図が示されている。２１０において、直線状に修正された円筒型リードが経皮的に挿入される。２１５において、リードは硬膜外腔をその望ましい領域までナビゲートされる。２２０において、イントロデューサシースが取り除かれ、修正された電極は、それが処理されたときの形状２３０に戻り得る。２２０では、前記形状はＳ字型のジグザグ形状である。説明のために、ここでは２つの円筒型のリード２３０を示すが、本出願では３つ以上のリードを使用し得る。

図３には、体内の後柱刺激用の修正円筒型電極の形状変化をどのように誘発し得るかの例示的な代表の３００が示される。前記形状記憶合金またはポリマーの回復は、前記構成要素を体温まで加熱することに限定されない。前記形状記憶合金およびポリマーは、相変化を誘発する温度範囲でのカスタマイズを可能にする方法で合成および処理され得る。

図３では、外部熱源３０１を使用して、特定の設計において前記修正電極の形状変化を誘発し得る。３０２では、冷たい生理食塩水が電極と共に投与され、回復を防ぐ。さらに他の例３０３では、シースを使用して、修正された電極の早すぎる回復を防止し得る。これらは、形状回復３０４がいつ発生するかを制御し得るようにするために使用され得る例示的な方法である。

図４には、形状記憶ヒンジ製造４００の例示的な表現が示されている。元の形状４１４の熱硬化性形状記憶ポリマー４１２は、高温Ｔ_ｈ（＞Ｔ_ｇ）に加熱されて、加熱された形状４１６を提供し、ここで、Ｔ_ｇはそのガラス転移温度である。加熱された形状４１６は、Ｔ_ｈ（＞Ｔ_ｇ）で変形した（直線状の）形状４１８に変形する。変形した形状４１８は、より低い温度Ｔ_ｃ（＞Ｔ_ｇ）に冷却されて、形状４２０を保持する。Ｔ_ｃ（＞Ｔ_ｇ）で荷重を除去すると、一時的な形状４２２が保持される。形状４２２は、最小限の侵襲的処置によって挿入され得て、体温または外部刺激によってヒンジの形状を変化させ得る。一時的形状４２２をＴ_ｈ（＞Ｔ_ｇ）で加熱すると、一時的形状４２２が元の熱硬化性形状記憶ポリマー形状４２４に戻る。

要約すると、元の形状がガラス転移温度を超える温度にされると、ゴムのような柔らかい状態で変形させ得る。その後、材料が冷却された場合に前記変形を保持し得る。ガラス転移温度以上に加熱すると、前記ポリマーは元の形状に戻る。同様のプロセスが、形状を望ましい形状に変化させる形状記憶合金にも当てはまる。

１つの特定の例において、形状記憶ポリマーは、アクリル酸ｔｅｒｔ－ブチル（ｔＢＡ）、ポリ（エチレングリコール）_ｎジメタクリレート（ＰＥＧＤＭＡ）、および光開始剤２，２－ジメトキシ－２－フェニルアセトフェノンを使用して作製される。前記構成成分は、それぞれ重量で８９．２％、１０％、および０．２％である。形状記憶ポリマーシートは、ペトリ皿の金型およびスライドガラスで作製された上部で作製され、ここで、混合され、オートクレーブ（１０分間）された溶液が２つのガラス面の間に設置される。この金型は、それぞれ厚さ０．１５インチ（３．１７５ｍｍ）のスライドガラス製の１～２個のスペーサーで区切られる。その後、溶液を１５分間ＵＶ硬化し、オーブンで９０℃にて６０分間硬化させて、最終的な形状記憶ポリマーをシート状とする。次に、断面が長方形の、半円形のヒンジがこのシートから切り取られる。

図５には、ニチノールの相変化の例示的な図５００が示される。５０１では、ニチノールは、特定の転移温度範囲未満の温度で双晶マルテンサイト形状である。双晶マルテンサイト相の遷移範囲以下では、ニチノールは５０２で最大１１％の歪みで、電極の経皮挿入を容易にする直線形状などの別の形状に容易に変形し得る。これにより、ニチノールは双晶マルテンサイトからマルテンサイト相になり、遷移範囲を超えて加熱されるまで５０３で「変形した」形状を維持する。ニチノールが転移温度付近まで加熱されると、５０４でオースチナイト相に変化し、双晶マルテンサイト相にあったときの形状となる。

ニチノールの元のオースチナイト形状を得るために、ニチノールを望ましい形状で得るか、ブランケット形状から望ましい形状に機械加工するか、または市販のニチノールを望ましい形状に設定し得る。前記ニチノールのオースチナイト形状を設定するには、前記材料を５００℃に１～３時間加熱して、使用目的の形状に固定する必要がある。

図６には、前記円筒型リードのニチノールの構成要素の例示的な形状の例示的な画像が示される。画像６１０は、潜在的なＳ字形状を示す。画像６２０は、トライデント状の形状を示す。この形状は、必要に応じて２つから数個の平行な円筒型のリードを有し、体内環境にさらされて回復した場合、互いに分離し得る。これらの形状は一例であり、形状記憶合金およびポリマーベースの円筒型リードが取り得る可能性のあるすべての形状を網羅しているわけではない。

当業者は、本発明の思想から逸脱することなく、図示の実施形態に対して様々な変更および修正を行い得ることを理解するであろう。そのようなすべての修正および変更は、添付の特許請求の範囲によって制限されることを除いて、本発明の範囲内にあることを意図している。

Claims (13)

1. 取り外し可能な外側シースと、
   前記外側シースによって取り囲まれる絶縁層と、
   前記絶縁層によって取り囲まれる、ニッケルおよびチタンの金属合金を含む中央管腔と、
   を備える、電極アレイ。
2. 前記外側シースが取り外し可能である、請求項１に記載の合金電極アレイ。
3. 前記絶縁層が多数の軌道内腔を含む、請求項２に記載の電極アレイ。
4. ニッケルおよびチタンの前記金属合金が他の形状記憶合金に置き換えられている、請求項３に記載の電極アレイ。
5. 取り外し可能な外側シース、および前記取り外し可能な外側シースによって取り囲まれる絶縁層を含む電極アレイと、
   前記絶縁層によって取り囲まれ、熱硬化性形状記憶ポリマーを含む中央管腔と、
   を備える、電極アレイ。
6. 前記絶縁層が多数の軌道内腔を含む、請求項５に記載の電極アレイ。
7. 前記外側シースがフッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）を含む、請求項６に記載の電極アレイ。
8. 前記絶縁層がポリウレタンを含む、請求項７に記載の電極アレイ。
9. 生体適合性の形状記憶合金ベースのワイヤを電極アレイに適合させること；
   人体の一部に針を介して、適合させた前記電極アレイを低侵襲の方法で挿入すること；および
   適合させた前記電極アレイの電極形状を熱を使用して変換して、前記人体の一部のカバレッジ領域を最大化すること、
   を含む、方法。
10. 前記生体適合性の形状記憶合金がニッケルおよびチタンの金属合金を含む、請求項９に記載の方法。
11. ニッケルおよびチタンの前記金属合金がニチノールである、請求項１０に記載の方法。
12. 前記熱が外部熱源である、請求項１１に記載の方法。
13. 前記熱が人体の温度である、請求項１１に記載の方法。

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