JP5555709B2 - 生体適合電極 - Google Patents

Description

本発明は生体適合電極，及びその製造方法に関するものであって，電気生理学的な応用に用いることができるものある。

生物医学の様々な分野では粘着細胞を刺激すること，及び粘着細胞から情報を記録することが必要とされている。粘着細胞には，神経，心筋，及び他の細胞がある。創薬，薬理学，細胞ベースのバイオセンサー，及び神経インターフェイスシステムにこれらの分野は応用される。

ここ数年，創薬市場における重要な成長はの発展によるものである。これには，ライブラリを作るために細胞の電気生理学的な反応のモニタリングを必要とするが，現在は情報電気生理学的反応に関する得られた情報を伝えるための十分な解決策がない。高処理スクリーニングで用いられている単一分析評価（シングルアッセイ
）はマルチウェルプレート，例えば３８４ウェルプレートなどが使われる。従って，すべての穴に対応するためには多くの電極とコストが必要とされ，そのため，個々の電極の製造の容易さが重要となる。

ＨＴＳではないバイオセンサーはここ３０年に間に，医療への応用，環境毒物（有機リンなどの有害物質の検出など），及び生物兵器または化学兵器に対する防衛のセンサーなどに応用されている。全てのバイオセンサーは電子装置のサポート，すなわち，活性化要素が必要であり，現在は多数のチップを使うことが必要である。神経インターフェイスシステムは診断，管理，及び神経系疾患の最終的な治療を助けるために現在，開発されている。このようなシステムもまた，他の必要な電子部品との接続を必要とする。これらのバイオセンサーと神経インターフェイスへの応用には，他の要素との統合を可能にする電極液が不可欠である。

電気生理学的用途に適した電極を生産する現在の試みは，注文による製造（特注）となる。従って，生産は複雑であり，かつ製造のための高いコストがかかる。また，要求されているレベルでの小型化はできておらず，信頼性も低い。

例えば，現在，電気生理学的用途のためにマルチ電極アレイ（ＭＥＡｓ）がある。しかし，これらは制限が多く，単純で，受動的（無抵抗）装置であるため，電気回路との統合ができない。これらが高いコスト／ボリュームがあるため，これらの応用したものの研究開発が注目されている。

電気回路との統合を有効にするためには，高処理スクリーニング（ＨＴＳ）などの用途に使う電極を生成する既存の集積回路（ＩＣ）技術を使用することが試されている。しかし，これは限られた結果しか得られていない。生体適合電極をつくるために，集積回路を含む電極の製造には複雑な後処理をすることが必要である。そして，これには高価な微細加工装置及びクリーンルーム設備が必要となる。従って，大量で，低コストの応用には適していない。

以上のように，利用可能で，信頼性が高く，低コストであり，かつ大規模な製造のためにシンプルであり，かつ，バイオセンサー，インプラント，創薬アッセイなどの電気生理学的用途に適している「機能的な」生体適合電極は，現在はない。

発明は請求項に記載している。本発明は信頼性が高く，腐食することがない生体適合電極に関するものである。この生体適合電極は集積回路の電極構造に基づいて他の電子部品と統合することができるが，電極層の腐食のリスクを大幅に減らすことができる。腐食は例えば多孔質バルブ金属酸化物を含む電極層を介して，電極が生理学的触媒のようなものにさらされることにより起こる。

電極の製造はシンプルであり，従って，低コストと大量生産が可能である。その理由は，電極は低コストである集積回路技術を容易に用いながら製造することが可能であるかである。

図１は，本発明の，生体適合電極を示す図である。 図２は，図１において四角ａで囲んだ部分の拡大図である。 図３は，図２において四角ｂで囲んだ部分に対応した部分的に構成された電極層の拡大図である（周辺効果の詳細については，単純化と明確化のために省略している）。 図４は，電極層の例を示す図である。 図５Ａ及び図５Ｂは，孔をもつ電極層の例を示す図である。孔は広げられ，エッチングにより薄くされたバリア酸化物がある。 図６Ａ及び図６Ｂは，貴金属でコーティングされている電極層の例を示す図である。 図７は，貴金属のコーティングを有する層，及びその層がさらにコーティングされている電極層の例を示す図である。 図８は，図４に示すような，電極層を有する生体適合電極のイメージ図である。 図９は，図６Ａに示すような，電極層を有する生体適合電極のイメージ図である。 図１０は，図６Ａに示すような，電極層を有する電極の微小電極アレイのイメージ図である。 図１１は，バイオセンサーの例の模式図である。 図１２は，細胞の電気的記録／刺激が例示した電極によって，起こる様子を示した図である。 図１３ａ〜図１３ｄは，例示したバイオセンサーとその一部の模式図である。 図１４は，本発明に係る生体適合電極を製造する方法を例示した処理手順を示すフロー図である。 図１５は，図１４に示すプロセスの開始点にあるＣＭＯＣ集積回路の例を示す図である。 図１６は，図１５において四角ｃで囲った部分の拡大図である。 図１７は，電極部分が電解質にさらされるように組み立てられた集積回路のパッケージを示す図である。 図１８は，プレ陽極酸化エッチングが起こった後の図１６の図である。

並列の電極１を有する電極パッケージの例が図１に示されている。図２は図１において四角ａで囲まれた部分の拡大図であり，電極１のうちの一つを詳細に示している。図３は図２において四角ｂで囲まれた拡大図であり，電極的な接続のが提供される前の電極１の電極層２を詳細に示している。

電極１の例には半導体基盤３と，絶縁体層４及び電極層２を含んでいる。電極層２は，適切な培地と接触するように配置された露出面５を有している。例えば，適切な培地とは，試験に用いられる細胞を培養できる培養培地のようなものがある。ここでは，基板３と電極層２の間に絶縁層４が例示されているが，絶縁層４がなく，電極層２が直接基板３に接触する場合もある。

図１に示される電極パッケージは，表面５を露出させ，結合パッド６ａと結合ワイヤー６ｂを絶縁する開放系パッケージである。露出表面５を取り囲むように，保護層７がある。図１に示される例には，ｉｎ ｖｉｔｒｏの用途のために，培養培地を保持するするように配置された培養チャンバー８がある。以下で述べるように，製造工程の間，パッケージとチャンバー８は電解質を保持するためやエッチングのために使われる。これには製造を簡素化できる利点がある。

電気的結合の準備がなされる前の，部分的な電極層２の一部の例の基本的構造は，図３に詳細に示されている。電極層２は，以下でさらに詳細に説明するように，陽極酸化処理したアルミニウムから形成された多孔質アルミナ層９を含む。アルミナ層９と絶縁層４の間には，薄いアルミニウム層１０があり，それは，電極１へ／からの電気的接続として機能する（電気的接続は図示されていない）。この例では，各孔の底部にはアルミナ層１１がある。

ここで取り上げる例では，多孔質層はアルミナと言われているが，以下に述べるような代替可能な他の金属酸化物も使われる。

ある例では，電極層２は図４に示されている。この例においては。電極１はさらにバリア層１２を含んでおり，絶縁層４に隣接している。絶縁層４には例えば，チタン及び／または窒化チタンがあげられる。さらに，図４の例では，アルミナ層９とバリア層１２の一部分にあるバリア層１２の間にはアルミニウムは存在しておらず，アルミナバリア層１３のみがある。ほかの一部分には極少量のアルミナ１４が残っている。

別の例（図示せず）では極少量のアルミナ１４も存在しないため，アルミニウムは残っておらず，アルミナバリア層１３のみが存在している。

図５Ａ及び図５Ｂは，電極１に各々存在する電極層２の例を示している。そこにはバリア層１２はなく，薄いアルミニウム層１０を有しているが，アルミナバリア層１３は有していない。図５Ａで示されている例は，高く，狭い孔を持ち，図５Ｂでは低く幅が広い孔をもつ。

上記の例で示されている電気的接続は，残っているアルミニウム１０，１４またはバリア層１２を使用することによって，適切な方法でなされている。

図６Ａは図５Ａの一例を示しているが，さらに孔を埋める貴金属コーティング１５を含んでいる。このようなコーティング１５は第一に，電極１の導電性を向上される。コーティングは電極表面５と１０，１４または１２からの電気的接続との間の電気的接続を確立させるために使用できる。厚い酸化物バリア１１，１３を通して伝導することができない孔があったり，アルミニウム１０の導電性が欠如していても，金属コーティング１５を介して電気的に接続することができる。第二に，貴金属コーティング１５はエッチング培地が，孔の底（ベース）にある残りのアルミニウムに接触することを防ぐ。

貴金属１５の正確な性質は多様である。図６Ａに示すような，孔を埋めるコーティング１５の代わりの選択肢には，多孔質アルミナの微細構成に沿う薄層がある。この薄層は図６Ｂで示すように，多孔質アルミナの性質に基づいて高い表面積を提供し，または，部分的に細孔を埋める層は薄層の利点を提供しつつ，アルミナの底部にある層にエッチング培地が入り込むリスクを最小限に抑えられるものである。このようなコーティング１５の例には，延性白金層がある。

図７は図６Ａの例を示しているが，さらに，機能性を増すように，コーティング１６も含むことができる。この層の例は，白金黒（白金黒付き白金）があげられる。

もう一例は（図示せず），金属コーティング１５を使うことである。金属コーティング１５は図６Ａで示されている例と同様であるが，多孔質アルミナは完全に金属で覆われておらず，金属コーティング１５は主に孔を埋めているものである。アルミナは，貴金属「ロッド」にナノテクスチャー凹凸表面を残すために酸電解質を使用して，部分的にバックエッチングされる。このことで，アルミナの下層にあるアルミニウムの構造的な保護を有し，金属のは高い表面積をもち，低い電気抵抗を与える。

上記の例で説明したように，電極層２の様々な機能は，電極１の構造的要求に応じて制御され，そして，多様な方法で組み合わされる。それらは，図３から図７に示された例に限定されない。例えば，電解質の種類，電解質の濃度，及び陽極酸化処置電圧は変化させることができる。アニーリング（焼きなまし）が用いられることもある。表面化学は，例えば化学浸液を使用して変更することができる。陽極酸化条件を制御すること，エッチング，及びコーティングは以下に記載されており，製造工程も以下に記載する。

図８と図９は生体適合性の相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）電極のイメージ図を示す。図８は，図４に示されているような電極層２を有する電極１を示している。電極１は各孔の基部に薄い酸化物バリア１３を有しており，バリア１３は修飾されていない非生体適合性アルミニウムパッドと同様の電気抵抗負荷を与える。図９は，図６Ａで示されているような電極層２を有する電極１を示している。多孔質アルミナは白金１５で満たされており，修飾されていないアルミナパッドよりも電気抵抗が低い。

生体適合電極１を含む微小電極アレイの例のイメージが図１０に示されている。図１０に示されているアレイは図６Ａで示したような電極層２を有する電極１を含む。コントロールのパッドは，めっきされていない多孔質アルミナ（ここではパッドの直径は３０μｍ）であり，他のパッドは１〜１時間半かけて白金でめっきされたパッドである。

上述した電極１は，生体適合電極が記録や，または刺激のために必要とされている場合に応用されており，たとえば生理的条件の培地で腐食されないことが必要である。さらに，電極１は他の電子部品との統合が必要とされている場合に使用されており，さらに，並列電極が必要とされている場合にも使用されている。例えば，電極１はバイオセンサーや，神経インターフェイスシステムの一部である場合がある。生体適合電極１のような多くは，マルチウェルプレートに組み込まれます。このようなマルチウェルプレートは例えば，高処理スクリーニング（ＨＴＳ）で使われる場合がある。図１１はバイオセンサーの例の構造を示している。チャンバー８は電極２の配列２１の周囲にあるガラスリング２０によって，例示されている。電気的接続２２はアレイ２１とプリント回路基板２３との間にある。

生体適合電極１を含むシステムの使用時には，伝導は孔の底部，例えばアルミニウム１０や貴金属１５を介して発生する。そして，さらに，電極１による記録と刺激のために，上述したバリア層１２を介して伝導度は発生する。例えばこのことは，相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）トランジスタのゲートのような装置で感知する電位を記録することを可能にする。例えば，チャンバー８の培地では，神経細胞の電位の活動電位を記録する場合，神経細胞アルミナ接合が形成され，細胞膜の下に湿式電極を形成する。そこには，生理的培地で満たされた低い電気抵抗をもつアルミナの孔を通り，または，孔の底部にある電気抵抗を通り高い電気抵抗のトランジスターゲートに入る伝導パスがある。

図１２は電極１の電極層２の上にある神経細胞２４を示している。電極１は培地の中で細胞２４を含んだチャンバー８を有しているパッケージ内に位置しており，回路２５につながっている。図１２で見られるように，イオン２６は電極１の近隣を動いて，電界または電圧を作り出しており，それらは電極１によって記録されている。

図１３はバイオセンサーとして使用することができる生体適合電極を含むシステムのさらなる例を示している。図１３ａは，マルチ電極アレイをと培養チャンバー８を有する集積回路チップを示している。図１３ｂは陽極酸化する前の図１３ａの電極アレイの一部を拡大したものを示している。図１３ｃは陽極酸化する前の図１３ｂの一つの電極パッドを拡大したものである。図１３ｄは陽極酸化した後のパッドを示したものである。

図１４は，生体適合電極の製造手順の例を示している。製造プロセルの出発点１００は相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ ＩＣ）のような集積回路であり，それは適切な既存の方法によって製造される。その方法はバルブ金属やバルブ金属合金を上層部１７の金属めっきのために使う方法である。後述の例では，アルミニウム上層部１７の記載がある。

初期の相補型金属酸化物半導体の金属化の例の簡略化されたクロスセクションが図１５に図示されている。この例では，シリコン基板３に上に一つ以上の金属層１７がパターン配置されている。金属層１７は中間膜絶縁体４によって絶縁されている。保護層７においてパターン化されたＷｉｎｄｏｗａｓは電極エリアを特定する。これはバウンドパッド６ａと同じバッグエンドステップによってなされ，他の処理が必要とならない。この例では，上部金属層１７はアルミニウム層１８と同じである。

図１６は図１５の四角ｃで囲まれた部分の拡大された略図である。この例では集積回路はアルミニウム層と絶縁層４との間にバリア層が存在しないように製造されている。図４で述べたように，完成された電極にバリア層１２含むことが必要であるならば，バリア層１２をもつ適切な集積回路を開始点にすることが有用である。当業者に理解されるように，バリア層１２はスパイクと接触することの問題を回避するために使用することができる。

反射防止膜１９は，図１６に示すように，アルミニウム層１７の上に取り込むことができる。この場合には，既知の方法で保護エッチングをしている間，電極１とパッド６ａエリアから取り除かれる。小さな形状（例えば，１．０μｍ未満の粒子の製造プロセス，ここでは，最小の機能が定義可能なフォトリソグラフィは１．０μｍである）を製造する際，リソグラフィ（平板印刷）問題を回避することが望まれている。反射防止コーティングは，光沢のある金属表面からの反射はそれ以外の場合は集積回路の間違った場所に落ちる暴露光の原因となる，光沢のある金属表面から反射を抑制する。

図１７に示すように，集積回路は次に，電解液に露出する電極層２の表面５を含むように，組み立てられる１１０。上述したように，完成した電極１にある集積回路の電極層２の表面５は，細胞培養培地（浮遊または付着）に存在する目的の細胞と接触することができるように，剥き出しとなっている。結合パッド６ａと結合ワイヤー６ｂは，電解質から絶縁する必要がある。チャンバー８は，電極１の陽極酸化のために必要な電解質を保持するため，及びｉｎ−ｖｉｔｒｏでの利用において電極１の使用のために培養培地を保持するために必要である（図１参照）。例えば，集積回路はカスタム成形のマルチウェルプレートの基部に成形することができる。この場合においては，陽極酸化電解質は各ウェルに配置される。

図１６に示すように，陽極酸化の前に，アルミニウムは部分的にエッチバックがなされ１２０，陽極酸化の間に起こる高さの増加を可能にする。この高さの増加は，ピリングーベドワース比の１．２８によるものである。この比率は，結果として得られたアルミナの厚さによって得られたアルミニウムが消費されたアルミニウムよりも多いことを示す。当業者には理解されていることではあるが，エッチングの量は，陽極酸化されるアルミニウムの量と，保護層で誘導される応力（ストレス）に依存する。しかし，この工程は生体適合電極の製造操作には必須の工程ではない。

陽極酸化は適切な電解質（４重量％リン酸など）を使用して実行される１３０。電極層５を陽極酸化バイアスに接合させることによって，または活性化相補型金属酸化物半導体トランジスタ回路（図示せず）を通じて，または各電極パッドとパッケージ端子の間の直接接続を介して実行される。陰極は，電解質中に，電気的接続（図示せず）によって形成される。陽極酸化は，図３から図７に示されているような多孔質層９を形成する。陽極酸化はアルミニウム層１７を，例えば１μｍの厚さを消費することによって進む。陽極酸化が終了した電極１で，アルミニウムをアルミナに変換することは，腐食の原因源を排除することになる。

図３に示された多孔質アルミナ層９は特定の時間の処理をし，陽極酸化された結果の構造をとる。ここでは，多孔質アルミナ層９の下にあるアルミニウム層１０がある。アルミニウム層は電極層１から／電極層１へ電気的接続として機能しつづける。

反対に，すべてのアルミニウム層が消費された場合（図示せず），陽極酸化は自発的に中止される。陽極酸化が止まることは，陽極酸化電流の減少によって検出される。ここでは，アルミナ酸化物バリア１３のみが残る。

これらの２つの方法には重要なポイントがある。それは，多孔の下にあるアルミニウムは消費されるが，図４に示すように少量のアルミニウム１４が残ることである。このことは，定常状態の電流が低下し始めたことで，電気的に検出すれる。陽極酸化は，残っている薄くなったアルミニウム１０を介して電極１から／電極１へ電気的継続を提供できる時点まで続く。少量残ったアルミニウム１４は，良好な電気的性能を維持しながら，腐食のリスクを最小限に抑えることができる。

後述するように，厚い酸化物バリア１３と通して，またはアルミニウム１０の欠如により導電することができなかった孔は，孔の全域にある堆積した金属１５を介して，その後電気的に接続される。ここでは陽極酸化は，すべてのアルミニウムを基底にあるバリア層１３に至るまで消費しており，酸化物バリアにすでに存在する欠陥のために，薄化しないされないか，または，層１３が孔を広げるエッチング１４０により薄くされる。

同様に，ここでは，陽極酸化は高圧で行われる（約３０Ｖを超える）。そして，図３に示すように，陽極酸化はアルミニウム１８の十分な厚さを消費する前に終わり，絶縁体である酸化層（アルミナ層）１１を孔の基底に残したままにする。陽極酸化は，陽極酸化を完結するように，段階的に電圧を下げることか，図５に示すように，孔を広げるエッチング１４０により薄化することによって，減少する。代替の方法には，図６に示すように，酸化物１１は，酸化物の導電率を高めるために，後に続く電気めっきの工程で，貴金属によってめっき１５０される場合がある。このことについては，さらに以下で説明する。

孔の大きさは，用途に合わせて変化させることができる。孔の間隔は１０〜５００ｎｍの間とすることができ，例えば，好ましくは２５〜３５０ｎｍの間とすることができる。孔の間隔は陽極酸化の電圧によって決定される。例えば，２５ｎｍと３５０ｎｍの間隔にするには，各々１０Ｖと１４０Ｖの電圧がかけられる。孔の間隔と幅は，図４，５Ａ，Ｂ，６Ｂに示されるように，細胞が電極１の表面に付着しやすさに影響を与える。このことは，孔の間隔に影響を与える。小さな孔のピッチにするには，低電圧（１０Ｖなど）で，可能となる。そのため，電圧は，必要であれば，相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）回路自体を介して供給されることがある。

その他の孔のサイズの変更は，電解質水溶性濃縮物を減らすこと（リン酸濃度を４％から０．５％及び２％まで減らすこと），温度を制御すること，及び電解質にポリエチレングリコール（ＰＥＧ）を添加すること（１０〜５０重量％など）によって制御することができる。

孔の直径は，図５に示す例で使用されているように，孔を広げるエッチング１４０により大きくすることができる。これは，上述したように，残った酸化物層１１，１３を
薄くするために使われたものと同じエッチングである。陽極酸化でつかわれるものと同じ電解質（例えば，４重量％リン酸）が使われる。これらのパラメーターを制御することにより，例えば，長く狭い孔（図５Ａ），または短く広い孔（図５Ｂ）を形成することができる。

電極１は続いて，図６に示すように。貴金属によってコーティングされる１５０。コーティングがされる場合は，陽極酸化のように同様の装置と集積回路の設定を使って，電気めっきの方法によりなされる場合がある。例えば，延性白金層はジニトロ硝酸塩（ＤＮＳ）白金やリン酸塩（Ｐ−ｓａｌｔ）溶液を使って，めっきされる。

必要に応じて，図７の追加された層１６に示すように，貴金属のコーティングは，その性能を向上させるために，さらにカバーされたり／加工されたりする。例えば，電極／溶媒の接触面の導電率を向上させるために，白金黒（白金黒付き白金）の追加の層は，塩化白金酸（ＣＰＡ）を用いてめっきさせることができる。これは，陽極酸化のときと同じ集積回路の設定を使って，再度実行することができる。ナノポーラス金のような他の材料は，同様の目的を果たすために，めっきされる。

電極の設計は，培養培地のような生理的溶媒，電気生理学に使用される緩衝液，及びインプラント医療装置で使われる電極１のまわりにある細胞外液のような生理的溶媒において，金属化される集積回路のめっきの腐食を排除するようにする。

電極は低電気抵抗であり，電極とセルの間のシグナルの伝達を向上させる。

集積回路技術は，オンチチップシグナル処理，データ蓄積，及び並列回路，並列回路，または無線通信を介したデータ伝送など，柔軟性を持っている。高処理スクリーニング（ＨＴＳ）の応用では，これらの柔軟な方法は，プレートの末端への単純なデータの転送や，プレートへの転送をやめることを可能にする。集積回路技術の使用は，電極を創薬のために使うなどの，多くの応用に拡張可能である。創薬では大量の化合物は高い処理能力により，スクリーニングされることが必要である。高い処理能力によるスクリーニングの例には，細胞に発現したイオンチャネルに結合する化合物，及び毒性の化合物のスクリーニングがあり，これは有用である。

電極は，他の必要な電気的構成材との統合を可能とし，このように，神経インターフェイスシステムと他のインプラント製品に適している。

上述したように，バイオセンサーは，並列（複数）のチップ構成は一つの基板上での，電極と電子装置を統合することを避けることもできる。

製造技術は，専門のフォトリソグラフィ設備を必要とせずに，信頼性の高い電極を作ることができる。上述したように，これは，アルミナのような多孔質バルブ金属酸化物のレトロフィッティングによるもので，相補型金属酸化物半導体集積回路（ＣＭＯＳ ＩＣ）のような集積回路にある電極であり，ここでは陽極層の増大と基底にあるアルミニウムの厚さは制御される。複雑なフォトリソグラフィは，多孔質アルミナの「自己パターニング」によって回避され，電気めっきされた貴金属１５が使用される場合は，組み立てた後の処理によって，その使用は電極エリア（結合パッドを避けたエリア）に制限される。

エッチング／陽極酸化する電解質の格納と神経細胞の培養のため，多目的であるチャンバー８は集積回路の上に組み立てられた場合，製造工程を簡素化される。

陽極酸化することと，任意で孔を広げること，及び酸化物バリアを薄くすること，全てには同じリン酸電解質が使われる（もし，プレ陽極酸化エッチングをする場合はその場合もである）。このステップは電圧と温度によって区別される。例えば，プレ陽極酸化エッチングは，電気的バイアスがなく，陽極酸化より高い温度で処理される。この処理技術は製造コストを最小限に抑えることがでるため，低コストのために電極１は適している。

同じ培養チャンバーと電解質溶液層の電極は多孔質アルミナ形成の段階，及び電気めっきの段階において使用される。これは製造プロセスを簡略化する。

溶液層の電極（または参照電極）は，陽極酸化に使われる陰極と同じであり，また，他の方法では，溶液層の電極は集積回路それ自身に取り込まれており，生体適合電極１を記録／刺激するために，同じ製造工程が使われている。ただし，増幅器／伝導機構に接続するのではなく，参照電極が定められた溶液層電位（通常はゼロ）に結合して使われる場合は除かれる。チップの上の参照電極が陽極酸化製造工程に使われた場合，陽極酸化されることと同時には陰極として使われることはできないので，それもまた，単独で陽極酸化される。

電極１にある基板３と絶縁層４は，アルミニウムやその合金を含む集積回路の金属層を変性させている電極２をもつ，適切な既知の集積回路の一部である。合金にはアルミニウム（Ａｌ）−ケイ素（Ｓｉ），アルミニウム（Ａｌ）−銅（Ｃｕ），アルミニウム（Ａｌ）−ケイ素（Ｓｉ）−銅（Ｃｕ），アルミニウム（Ａｌ）−チタン（Ｔｉ）などがあげられる。他には。タングステン（Ｗ），チタン（Ｔｉ），タンタル（Ｔａ），ハフニウム（Ｈｆ），ニオブ（Ｎｂ），ジルコニウム（Ｚｒ），またはそれらの合金などを用いることができる。これらの金属は陽極酸化による多孔質酸化物層を作ることができる。ここでは，アルミニウムとアルミナが開示されているが，これらは他の金属と金属酸化物に置き換えることができる。

さらに，図１２に示すように，金属化めっき層１７と，絶縁層４が存在し，これは相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）集積回路では標準規格である。ビアホールは電極層２の直下にあり，すなわち，一つの金属化層と別の層をブリッジ結合している。この場合には，金属化層１７の直下にある誘電体４の代わりに，処理前の初期の集積回路においては，金属が堆積した１７の下にはビアホールがある。当業者には知られているが，この性質は変わることがあるが，常に伝導体の形を含んでいる。さらに，そのビアホールはそれ自身はタングステンや，ポリシリコンなどの単層であるか，もしくは，多層である。多層には，例えば，銅の他にチタン（Ｔｉ），タンタル（Ｔａ），窒化タンタル（ＴａＮ），タンタルー窒化ケイ素（Ｔａ−ＳｉＮ）のバリア層などがあげられる。このビアホールもまた，例えばチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／窒化チタン（ＴｉＮ）などの金属の堆積である場合もあり，これは層１９が除去され，かつ層１７が電極層２になる処理をする前の反射防止膜１９／金属めっき層１７／バリア層１２の結合層と同じである。

上述したように，集積回路が金属層１７のみを有する場合には，絶縁層４はなく，電極１のレイアウト設計をもつ。そのレイアウトは，もともと集積回路が接している基板（例えばシリコンである場合もあるが）の金属化層１７のようである。

適切な集積回路技術は使われおり，集積回路はこの製造工程の出発点で使用される。例えば，上記のＣＭＯＳに代わるものとして，ｎ型金属酸化膜半導体電界（ＮＭＯＳ）が使用されることがある。

電極パッケージの組み立ては，既知の適切なパッケージと同じである。例えば，プラスチックパッケージは成形された開放空洞型（Ｑｕｉｋ−Ｐａｋ，Ｕ．Ｓ．「部分パック」）であり，開放空洞型をした鉛を含有しているセラミックまたは，鉛が含まれていないキャリアがあり，樹脂を用いて絶縁ワイヤーと結合している。また，集積回路はカスタム成形された複数のウェルプレートの底に設置されている。このパッケージはチャンバー８として適切な器であり，この用途においては，好ましくは製造時及び細胞を培養するために培地を保持する間，培養培地が保持される。

プラスチックパッケージ，結合ワイヤー６ｂ，培養チャンバー８を使用すること，及びマルチウェルプレートの底部にパッキングすることが可能であることと同様に，集積回路が当業者に知られている様々な形態でパッキングされ，取り込まれている。例えば，結合ワイヤーの代わりに，「フリップチップ」の技術を使用することができる。このことは特に，マルチウェルプレートの設計で有益である。

電気的接続は適切な方法で行われ，特定の電極１の設計に応じて行わる。例えば，接続がアルミナ層９を介した場合，孔の基部の電気抵抗は，接続ができるように十分に低くなくてはならない。例えば，残っているアルミニウム１０，１４またはバリア層１２はこの経路を介して，電気的に接続される。上述したように，孔を細くすることは，この方法で，電気的接続を可能にし，さらに，貴金属コーティング１５を介しての接続が可能となる。適切な貴金属コーティング１５及びさらなるコーティング１６を用いることができる。

生体適合電極１は適切な接着細胞のスクリーニングに用いられる。ここには細胞を刺激すること及び記録することが含まれる。細胞はチャンバー８で直接培養され直接，電極層１と接触する。細胞は通常，最初は球形及び，可動的で，数分後に電極１のチップの表面に接着し，平らになる。ｉｎ ｖｉｔｒｏにおいて，このプロセスは数分で始まるが，十分に接着し，良好な記録を得るには１日以上必要とされる。また，細胞はテスト／検出／記録の段階において導入することもできる。

適切な細胞の例には，心筋細胞，神経細胞または骨格筋があげられる。もう一つの可能性として，突起神経膠細胞であるグリア前駆細胞の小集団もあげられる。特に興奮性の高い，動物及び人の一連の細胞系が適しており，ＮＧ１０８−１５，Ｂ５０，ＬＡ−Ｎ−５，及びＰＣ１２などがあげられる。

さらに，電極１と細胞を接触させるための適切な方法には，組織片の刺激や記録などがある。生体適合電極１は，電極が細胞から受ける刺激や記録の用途にも使用されている。例えば，細胞が作動物質により刺激されるときの電気的活性の変化を計測することができる。

生体適合電極１のアレイ２１は，一つのチップから形成されており，例えば，細胞活性の空間的な情報を入手及び表示する手段とリンクしている。複数の電極がウェルに接着している場合，このシステムはウェルを通して細胞活性の空間的な情報を入手及び表示する手段とリンクする。ウェルの中の空間的な活性もまた，測定することができる。例えば，１つのウェルの中にある並列電極は，ウェル内で同時に興奮状態にある神経細胞の数の情報を得ることに使われる。そして，このウェルは他のウェルと比較できる。

生体適合電極１は操作可能な，コンピューターなどの出力装置に接続され，例えば，パソコンの画面に情報の配列として細胞の応答データを表示することによって，刺激／応答データを得ることができる。他には，集積回路それ自身の中で，論理集積回路の一部を含む出力装置などがある。例えば，電極アレイを取り囲む論理集積回路は細胞応答データを処理する。データには，活動電位の大きさ，周波数，形状などがあり，論理集積回路は，例えば集積回路から離れた位置にあるパソコンなどに，プログラムされた合否などの要約のみの送ることができる。

生体適合電極１は，興奮性細胞及び／または細胞発現イオンチャネルの刺激／記録のために使われる。興奮性付着細胞，つまり，電極に付着することができる細胞に適用できる。例えば，興奮活動電位にある細胞から記録される場合がある。直接的に活動電位を緩和する化合物，及び最終的に，細胞の興奮性を変える化合物がスクリーニングされる。イオンチャネルが活動電位の創出や，活動電位の調節に影響を与えられる場合，イオンチャネルの活動を調節することができる化合物がスクリーニングされる。

一般的には，生体適合電極１は，細胞を操作するように構成することができる。生体適合電極１は，粒子の動きを引き起こすことができる電界を設定し，使用することができる。粒子とは，通常は細胞である。粒子は電気信号に応じて動く。これは，電気泳動の現象である。さらに具体的には，上述した記録／刺激をする電極１は細胞を特定の場所に動かすことに使われる。しばしば，電気泳動の特別な形態であるネガティブ誘電泳動（ネガティブ−ＤＥＯまたはＮ−ＤＰＥ）に使われる。細胞は電界に異なる応答をするため，正または負の電界に向かって移動する。例えば，がん細胞を分類すること（この場合には，これは，がん細胞の有無の診断やテストをすることができる），やほかの病気の細胞を分類することができ，または，異なる細胞の種類を分けることができる。例えば，組織をまねして，組織を模倣して異なる細胞種を形成することが望まれている再生医療の目的に使われることもできる。

電極１は，電気容量を測定するために使われる。これは，しばしば電気的細胞基板電気抵抗検出（ＥＣＩＳ）と言われる。例えば，ＥＣＩＳは細胞の種類間，及び正常の細胞と病気の細胞間での，区別のために使われる。

電極１は他の用途にも使われ，細胞に基づいた用途だけではなく，細胞選別や診断の用途などの，非記録用途にも使われる。これは，移動する細胞やタンパク質などの他の生物学的粒子に電極１を適用することによってなされる。

電極１は毒物学の用途においても使われる。例えば，ｈＥＲＧチャネルをスクリーニングすることがある。細胞の高処理スクリーニングが行われ，電気生理学的応答が毒性の指標となる。例えば，心筋細胞の活動電位への変更を引き起こすかどうかを決定するために，化合物はスクリーニングされる。このことから，化合物が，心臓にあるカルシウムシグナルに影響を与え，例えば，心臓毒性があるかどうか決定される。

Claims (26)

1. 集積回路から形成される生体適合電極であって，
   半導体基板と，
   少なくとも部分的に多孔質バルブ金属酸化物を含む電極層と，
   前記多孔質バルブ金属酸化物のうちの少なくとも一部をコーティングするように配置された貴金属コーティングと，
   前記貴金属コーティングを介して，前記多孔質バルブ金属酸化物に対する電気的な接続と，を含む
   電極。
2. 前記電極層が，
   前記多孔質バルブ金属酸化物のうち少なくとも一部と，少なくとも部分的に接触するように，バルブ金属及びバルブ金属合金のいずれかを，更に含む，
   請求項１に記載の電極。
3. 前記バルブ金属と前記バルブ金属合金のうちの一つを介して，前記多孔質バルブ金属酸化物への電気的な接続を更に有する，
   請求項２に記載の電極。
4. 前記貴金属のうち，少なくとも一部をコーティングするように配置された第２コーティング部を更に含む，
   請求項１から３のいずれか１項に記載の電極。
5. 前記半導体基板と電極層の間に，絶縁層，または１つまたは１つ以上の金属層へのビアホールを更に含む，
   請求項１から４のいずれか１項に記載の電極。
6. 前記絶縁体，前記半導体基板，または前記ビアホールと，前記電極層の間に，バリア層を更に含む，
   請求項５に記載の電極。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の電極であって，
   前記電極は，少なくとも部分的に陽極酸化されたバルブ金属を含む前記集積回路の金属化層から形成される電極層を有し，相補型金属酸化膜半導体集積回路によって構成される電極。
8. 前記バルブ金属が，アルミニウム（Ａｌ），タングステン（Ｗ），チタン（Ｔｉ），タンタル（Ｔａ），ハフニウム（Ｈｆ），ニオブ（Ｎｂ），及びジルコニウム（Ｚｒ）のうちの１つである，
   請求項１から７のいずれか１項に記載の電極。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の電極を含む並列電極アレイ。
10. 単一または複数のウェルプレートに適合される，請求項９に記載の並列電極を含むシステム。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の電極，並列電極アレイ，またはシステムを含むバイオセンサー。
12. 生体適合電極の製造方法であって，
    金属化層はバルブ金属及びバルブ金属合金のうち１つを含むものであって，集積回路の前記金属化層を電解質にさらす工程と，
    多孔質バルブ金属酸化物を含む電極層を得るために，前記電解質で前記金属化層の少なくとも一部を陽極酸化する工程と，
    前記多孔質バルブ金属酸化物の少なくとも一部を，貴金属によってコーティングする工程をと，を含む，
    生体適合電極の製造方法。
13. 前記多孔質バルブ金属酸化物の孔の容積及びサイズのうち，少なくとも一つを制御するために，陽極酸化段階において，温度及び圧力のうち，少なくとも一つを制御する工程を，更に含む
    請求項１２に記載の製造方法。
14. 前記多孔質バルブ金属酸化物の孔の容積及びサイズのうち，少なくとも一つを制御するために，前記電解質中のポリエチレングリコール（ＰＥＧ）の濃度及び酸の濃度のうち少なくとも一つを制御する工程を，更に含む
    請求項１２または請求項１３記載の製造方法。
15. 前記陽極酸化工程の後に，前記多孔質バルブ金属酸化物をエッチングする工程を，更に含む
    請求項１２から１４のいずれか１項に記載の製造方法。
16. 前記電極層の少なくとも一部をコーティングする工程を，更に含む
    請求項１２から１５のいずれか１項に記載の製造方法。
17. 前記コーティングする工程は，電気めっきする工程を含む，
    請求項１６に記載の製造方法。
18. コーティングされた前記電極層を加工する工程を更に含む，
    請求項１６から１７のいずれか１項に記載の製造方法。
19. コーティングされた前記電極層の少なくとも一部に，第２コーティングを載せる工程を更に含む，
    請求項１６から１８のいずれか１項に記載の製造方法。
20. 前記電解質とエッチング液が同じである，
    請求項１２から１９のいずれか１項に記載の製造方法。
21. 前記集積回路が相補型金属酸化膜半導体集積回路である，
    請求項１２から２０のいずれか１項に記載の製造方法。
22. 前記バルブ金属が，アルミニウム（Ａｌ），タングステン（Ｗ），チタン（Ｔｉ），タンタル（Ｔａ），ハフニウム（Ｈｆ），ニオブ（Ｎｂ），ジルコニウム（Ｚｒ）のうちの１つである，
    請求項１２から２１のいずれか１項に記載の製造方法。
23. 高処理スクリーニングの方法であって，
    請求項９に記載の並列電極アレイと適合するマルチウェルプレートの上で，電極が付着性の細胞と接触するように配置され，前記電極と前記細胞を付着させる工程と，
    前記電極により前記細胞を刺激及び／または記録をする工程，または前記細胞の存在によって変化する電気抵抗を測定する工程と，を含む
    高処理スクリーニングの方法。
24. 粒子を分離する方法であって，
    請求項１から８のいずれか１項に記載の電極は，前記粒子が付着するように配置され，前記電極によって粒子を分離する工程を含む
    粒子を分離する方法。
25. 前記粒子が，細胞及びタンパク質のうち，少なくとも１つを含む
    請求項２４に記載の粒子を分離する方法。
26. 前記方法には，電気的細胞基板電気抵抗検出（ＥＣＩＳ）または誘電泳動が含まれる，
    請求項２３から２５のいずれか１項に記載の方法。

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