KR20140038940A - 척수신경자극기를 위한 파릴렌-기반 미소전극 어레이 임플란트 - Google Patents

척수신경자극기를 위한 파릴렌-기반 미소전극 어레이 임플란트 Download PDF

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KR20140038940A
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유-종 타이
맨드히레이 에스. 난드라
빅터 레지 에저턴
로랜드 알. 로이
유리 게라시멘코
조엘 더블유. 버딕
수잔 제이. 하케마
클로디어 에이. 안젤리
데미안 크레이그 로저
엔디 퐁
이고르 라브로프
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캘리포니아 인스티튜트 오브 테크놀로지
더 리전트 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
유니버시티 오브 루이빌 리서치 파운데이션, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 전기 자극을 척수에 가하도록 구성된 이식가능 전극 어레이 어셈블리에 관한 것이다. 디바이스의 실질적으로 전기 비전도성인 층은 복수의 제 1 개구부들을 포함하는 척수 옆에 위치할 수 있는 제 1 부분을 갖는다. 층은 복수의 제 2 개구부들을 포함하는 제 2 부분을 갖는다. 전극들 및 트레이스들은 디바이스의 본체 부분의 주변 부분 내측에 그리고 층 옆에 위치한다. 제 1 개구부들 중 적어도 하나는 전극들 각각에 인접하여, 전극이 전기 자극을 척수에 제공할 수 있는 경로를 제공한다. 제 2 개구부들 중 적어도 하나는 트레이스들 각각에 인접하여,트레이스가 전기 자극을 수용할 수 있는 경로를 제공한다. 적어도 하나의 트레이스는 각각의 전극에 연결되고, 트레이스(들)에 의해 수용된 전기 자극을 전극에 전도하도록 구성된다.

Description

척수신경자극기를 위한 파릴렌-기반 미소전극 어레이 임플란트{A PARYLENE-BASED MICROELECTRODE ARRAY IMPLANT FOR SPINAL CORD STIMULATION}
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 참고를 위해 그 전체가 본원에 통합된, 2011년 1월 21일자로 출원된 미국 임시 출원 번호 61/435,188의 이점을 주장한다.
정부 후원 연구 및 개발에 관한 진술
본 발명은 미국 육군 메디컬 리서치 앤드 머티리얼 코맨드(Medical Research and Materiel Command)에 의해 수여된 승인 번호 W81XWH-09-2-0024 국립보건원에 의해 수여된 승인 번호 EB007615 하에 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 일정 권리를 갖는다.
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 이식가능 전극 어레이(implantable electrode array)들, 및 더욱 구체적으로 전기 자극을 척수에 전달하기 위해 사용되는 이식가능 전극 어레이들에 관한 것이다.
척수 손상은 미국에서 130만명을 초과하는 사람에게 고통을 주는 것으로 평가되며, 마비는 5백만명을 초과하는 사람에게 영향을 주는 것으로 평가된다. 참조: "One Degree of Separation: Paralysis and Spinal Cord Injury in the United States", Christopher and Dana Reeve Foundation(2009). 마비의 쇠약해지는 성질은 삶의 질에 지대한 영향이 있어서, 훨씬 부분적으로 효과적인 치료를 과학계에 대한 매우 바람직한 목표로 만든다.
다행히도, 동물들에 대한 실험 연구는 운동의 어느 정도의 회복이 가능함을 입증하였다. 특히, 경막외 척수신경자극기는 쥐의 걷기를 유도하는 것으로 입증되었다. 참조: R. M. Ichiyama, G. Courtine, Y. P. Gerasimenko, G. J. Yang, R. Brand, I. Lavrov, H. Zhong, R. Roy, V. R. Edgerton, "Step Training Reinforces Specific Spinal Locomotor Circuitry in Adult Spinal Rats", J. Neuroscience, vol. 29, pp. 7370-7375(2008); 및 R.M. Ichiyama, Y.P. Gerasimenko, H. Zhong, R.R. Roy, V.R. Edgerton, "Hindlimb stepping movements in complete spinal rats induced by epidural spinal cord stimulation", Neuroscience Letters, vol. 383, issue 3, pp. 339-344(2005). 이들 연구에서, 쥐들은 8개 이하의 와이어 전극들로 이식되었다. 이식된 와이어 전극들은 각각 헤드플러그로부터 쥐의 목 까지 그리고 척수 까지 연장하였다. 시험 동안, 쥐들은 각각 뒷다리들이 트레드밀 상에 위치할 정도로 재킷에 매달렸다. 척수 손상 약 2주 후에, 분명한 걷기 패턴이 척수가 자극 받을 때에 명백해졌다. 이는 전기 자극이 척수에서 발생되는 중추 패턴을 활성화시킴을 제시하는 것이다.
하기의 공보들이 전기 자극을 척수에 가하기 위해 사용되는 전극 어레이들에 관한 작업의 예들을 제공한다 : D.C. Rodger, W. Li, A.J. Fong, H. Ameri, E. Meng, J.W. Burdick, R.R. Roy, V. Reggie Edgerton, J.D. Weiland, M.S. Humayun, Y.C. Tai, "Flexible microfabricated parylene multielectrode arrays for retinal stimulation and spinal cord field modulation", Proc. 4 th International IEEE - EMBS Special Topic Conference on Microtechnologies in Medicine and Biology, Okinawa, Japan, pp. 31-34(2006); K. W. Meacham, R. J. Giuly, L. Guo, S. Hochman, S. P. DeWeerth, "A lithographically-patterned, elastic multi-electrode array for surface stimulation of the spinal cord", Biomedical Microdevices, vol. 10, no. 2, pp 259-269(2008); 및 D. C. Rodger, Wen Li, H. Ameri, A. Ray, J.D. Weiland, M. S. Humayun, Y.C. Tai, "Flexible Parylene-based Microelectrode Technology for Intraocular Retinal Prostheses", Proc. IEEE - NEMS 2006, pp 743-746(2006).
상기 및 다른 작업에 인용된 공보들은 고밀도 전극 어레이들을 추가로 연구하도록 다양한 디자인들을 유도하였지만, 불행히도, 이들 디자인들 중 어느 것도 성공적으로 만성적으로 이식되지 않았다. 연구를 수행하고, 환자 운동(예를 들어, 걷기, 서기, 잡기 등)을 도와주고, 자발적 기능들(예를 들어, 방광의 배뇨)의 조절을 개선시키고, 자가 과정(예를 들어, 온도 조절)의 기능성을 개선시키는 등의 많은 응용을 위해 만성 이식이 필요하기 때문에 만성 임플란트에 대한 필요성이 존재한다. 또한, 전기 신호들을 척수를 따라 선택된 위치에 더욱 정확하게 전달하도록 구성된 전극 어레이 어셈블리에 대한 필요성이 존재한다. 본 출원은 하기의 상세한 설명 및 첨부 도면들로부터 명백해질 바와 같이 상기 및 다른 장점들을 제공한다.
본 발명의 구현예들은 환자(예를 들어, 사람 또는 쥐와 같은 다른 포유동물)의 척수에 전기 자극을 가하도록 구성된 이식가능 디바이스를 포함한다. 디바이스는 본체 부분 및 제 1 층을 포함한다. 본체 부분은 주변 부분을 갖는다. 선택적으로, 주변 부분은 제 1 층에 인접하여 위치하는 프레임을 포함한다. 프레임은 실질적으로 전기 비전도성인 재료(예를 들어, 파릴렌-A, 파릴렌-C, 파릴렌-AM, 파릴렌-F, 파릴렌-N, 파릴렌-D 등)의 하나 이상 층들로 구성될 수 있다. 제 1 층은 실질적으로 전기 비전도성인 재료로 구성된다. 일부 구현예들에서, 제 1 층은 파릴렌-A, 파릴렌-C, 파릴렌-AM, 파릴렌-F, 파릴렌-N, 및 파릴렌-D 중 적어도 하나로 구성된다. 제 1 층은 제 1 부분 및 제 2 부분을 갖는다. 제 1 부분은 척수 옆에 위치할 수 있으며, 제 1 복수의 개구부들을 포함한다. 예를 들어, 제 1 층의 제 1 부분은 척수의 경막에 가까이 위치할 수 있으며, 경막에 전기 자극을 제공하도록 디바이스가 구성된다. 제 2 부분은 제 2 복수의 개구부들을 포함한다.
복수의 전극들이 주변 부분 내측에 그리고 제 1 층의 제 1 부분 옆에 위치한다. 제 1 복수의 개구부들의 적어도 하나는 전극들 각각에 인접하여, 제 1 부분이 척수 옆에 위치할 때에 전극이 척수에 전기 자극을 제공할 수 있는 경로를 제공한다. 일부 구현예들에서, 하나를 초과하는 제 1 복수의 개구부들이 복수의 전극들 각각에 인접한다. 제 1 층의 제 1 부분이 척수의 경막에 가까이 위치하게 되는 구현예들에서, 복수의 전극들은 경막에 전기 자극을 제공하도록 구성된다.
복수의 트레이스들이 주변 부분 내측에 그리고 제 1 층 옆에 위치하며, 제 2 복수의 개구부들 중 적어도 하나는 트레이스들 각각에 인접하여, 트레이스가 전기 자극을 수용할 수 있는 경로를 제공한다. 트레이스들 중 하나 이상은 전극들 각각에 연결되며, 트레이스들 중 하나 이상에 의해 수용된 전기 자극을 전극에 전도하도록 구성된다. 일부 구현예들에서, 트레이스들 중 2개는 전극들 각각에 연결된다. 특정 구현예들에서, 복수의 트레이스들은 상이한 전기 자극을 복수의 전극들 중 상이한 것들에 전도하도록 구성된다. 그 밖에, 복수의 트레이스들은 전기 자극을 복수의 전극들 중 전부 미만의 것에 전도하도록 구성된다.
일부 구현예들에서, 제 1 층은 복수의 그리드 구조들은 포함하며, 그리드 구조들 중 상이한 것은 복수의 전극들 각각에 인접한다. 각각의 그리드 구조는 복수의 셀들을 정의한다. 복수의 전극들 각각의 경우에, 전극에 인접한 제 1 복수의 개구부들 중 적어도 하나는 각각 전극에 인접한 그리드 구조 중 상이한 것 내측에 위치한다.
일부 구현예들에서, 본체 부분은 제 2 층을 포함한다. 이러한 구현예들에서, 복수의 전극들 및 복수의 트레이스들은 제 1 층과 제 2 층 사이에 위치할 수 있다. 제 1 및 제 2 층들은 각각 파릴렌-A, 파릴렌-C, 파릴렌-AM, 파릴렌-F, 파릴렌-N, 및 파릴렌-D 중 적어도 하나로 구성될 수 있다. 선택적으로, 가요성 외부 코팅제는 본체 부분의 제 2 층의 적어도 일부분 및 제 1 층의 제 1 부분과 제 1 층의 제 2 부분 사이의 제 1 층의 일부분을 코팅할 수 있다. 외부 코팅제는 생물 의학용 에폭시 및 실리콘 엘라스토머 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
구현예들은 또한 전기 자극을 환자(예를 들어, 사람 또는 쥐와 같은 다른 포유동물)의 척수에 가하도록 구성된 이식가능 전극 어레이 어셈블리를 구성하는 방법을 포함한다. 방법은 복수의 전극들 및 복수의 트레이스들을 정의하는 전기 전도성 재료의 패턴화된 층을 생성시키는 것을 포함하며, 적어도 하나의 트레이스가 복수의 전극들 각각에 연결된다. 방법은 또한 패턴화된 층에 인접한 실질적으로 전기 비전도성인 재료의 제 1 층을 생성시키는 것을 포함한다. 방법은 또한 제 1 층에서 복수의 제 1 개구부들 및 복수의 제 2 개구부들을 생성(예를 들어, 에칭)시키는 것을 포함한다. 제 1 개구부들은 제 1 층을 통해 복수의 전극들에 대한 접근을 제공한다. 제 1 개구부들의 상이한 그리드 정의 부분이 전극들 각각에 인접한다. 각각의 그리드 정의 부분은 그리드 정의 부분이 인접해 있는 전극의 복수의 접촉부를 노출시킨다. 복수의 제 2 개구부들은 제 1 층을 통해 복수의 트레이스들에 대한 접근을 제공한다.
특정 구현예들에서, 방법은 추가로 기판(예를 들어, 규소 웨이퍼) 상에 희생층(예를 들어, 포토레지스트 재료의 층)을 위치시키는 단계, 희생층 상에 실질적으로 전기 비전도성인 재료의 제 2 층을 생성시키는 단계, 및 희생층을 제거하여 기판으로부터 제 2 층을 방출시키는 단계를 포함한다. 이러한 구현예들에서, 패턴화된 층이 제 2 층 상에 위치한다. 패턴화된 층은 금속용착 기술(예를 들어, 전자빔 증발)을 사용하여 제 2 층 상에 생성될 수 있다. 선택적으로, 방법은 기판 상에 프레임 층을 생성시키는 것을 포함할 수 있다. 이러한 구현예들에서, 층은 제 2 층 아래에 있고, 적어도 부분적으로 패턴화된 층 둘레로 프레임을 정의한다. 제 1 및 제 2 층들은 각각 파릴렌-A, 파릴렌-C, 파릴렌-AM, 파릴렌-F, 파릴렌-N, 및 파릴렌-D 중 적어도 하나로 구성될 수 있다. 제 1 및 제 2 층들은 동일한 재료로부터 생성될 수 있다. 선택적으로, 방법은 제 2 층의 적어도 일부분 및 제 1 층의 적어도 일부분에 코팅제를 도포하는 것을 포함할 수 있다.
또 다른 구현예는 자극 발생기, 이식가능 전극 어레이 어셈블리, 기초판 및 복수의 와이어들을 포함하는 시스템을 포함한다. 자극 발생기는 전기 자극을 발생시키도록 구성된다. 이식가능 전극 어레이 어셈블리는 적어도 하나의 척추뼈에 연결될 수 있는 근위 말단 부분 및 척수를 따라 위치할 수 있는 원위 말단 부분을 갖는다. 근위 말단 부분은 원위 말단 부분 상에 위치한 복수의 전극들에 대한 복수의 전기 접속부들을 갖는다. 기초판은 적어도 하나의 척추뼈에 연결되고 어셈블리를 적어도 하나의 척추뼈에 연결시키도록 구성된다. 복수의 와이어들은 기초판 및 자극 발생기에 연결된다. 복수의 와이어들은 자극 발생기에 의해 발생된 전기 자극을 기초판에 전도하도록 구성된다. 기초판은 전기 자극을 어셈블리의 근위 말단 부분의 복수의 전기 접속부들에 전도하도록 구성된다. 선택적으로, 시스템은 기초판에 연결되고 어셈블리의 근위 부분의 적어도 일부분을 돌출시키도록 위치하여 외부 이동 조직으로부터 어셈블리를 보호하는 데에 도움을 주는 돌출 부분을 포함할 수 있다.
도 1은 이식가능 전극 어레이 어셈블리의 밑면도이다.
도 2는 도 1의 어셈블리의 일부분의 확대도이다.
도 3은 쥐에 이식된 도 1의 어셈블리를 내장한 케이블 시스템의 횡단면도이다.
도 4a는 도 1의 어셈블리를 구성하는 방법의 제 1 부분의 도면이다.
도 4b는 도 1의 어셈블리를 구성하는 방법의 제 2 부분의 도면이다.
도 4c 는 도 1의 어셈블리를 구성하는 방법의 제 3 부분의 도면이다.
도 4d 는 도 1의 어셈블리를 구성하는 방법의 제 4 부분의 도면이다.
도 5a는 트레드밀 상에 매달린 도 1의 어셈블리가 이식된 척추 손상된 쥐 및 트레드밀 상에서의 쥐의 걷기 운동을 기록하기 위해 사용되는 운동 포착 시스템의 일부분의 도면이다.
도 5b는 도 1의 어셈블리에 의해 쥐의 척수에 자극이 가해지지 않을 경우에 트레드밀 상에서의 쥐의 뒷다리의 드래깅 운동을 도해하는 스틱 다이어그램이다.
도 6a는 도 1의 어셈블리의 제 1 쌍의 전극들에 의해 양극성 자극이 쥐의 척수에 가해진 경우에 뒷다리 운동을 도해하는 스틱 다이어그램이다.
도 6b는 도 1의 어셈블리의 제 2의 상이한 쌍의 전극들에 의해 양극성 자극이 쥐의 척수에 가해진 경우에 뒷다리 운동을 도해하는 스틱 다이어그램이다.
도 7a는 도 1의 어셈블리의 제 1 쌍의 전극들에 의해 양극성 자극이 쥐의 척수에 가해진 경우에 기록되는 근전도 검사("EMG") 기록의 그래프이다.
도 7b는 도 1의 어셈블리의 제 2의 상이한 쌍의 전극들에 의해 양극성 자극이 쥐의 척수에 가해진 경우에 기록되는 EMG 기록의 그래프이다.
도 1은 이식가능 전극 어레이 어셈블리(100)를 도시한 것이다. 도시된 어셈블리(100)의 구현예는 쥐(500)에서의 이식을 위해 구성되지만(도 5a 참조), 구현예들은 사람을 포함하는 다른 포유동물과 같은 다른 환자들에 사용하도록 구성될 수 있으며, 이러한 구현예들은 본 설명의 범위 내에 있다. 어셈블리(100)는 적어도 하나의 선택된 척추 회로(도시되지 않음)를 갖는 척수(330)(도 3 참조) 및 환자의 신체의 일부분에서 신경학상으로 유도된 마비를 갖는 환자에 사용하기 위한 것이다. 비제한적 예로서, 어셈블리(100)는 척수(330)를 따라 경막외적으로 이식될 수 있다. 어셈블리(100)는 척수(330)의 요천추부, 경부 및 흉부 중 하나 이상에 위치할 수 있다.
비제한적 예로서, 활성화될 때에, 선택된 척추 회로는(a) 서기, 걷기, 뻗기, 잡기, 하나 또는 둘 모두의 다리의 자세의 자발적 변동, 환자의 방광의 배뇨, 환자의 장의 배뇨, 체위성 활성 및 운동활성 중 적어도 하나에 수반되는 근육들의 자발적 운동을 가능하게 하고;(b) 심혈관기능, 체온,및 대사 과정 중 적어도 하나의 자율적 제어를 가능하게 하거나 개선시키고; 및/또는 (c) 자율기능, 성기능, 혈관운동 기능 및 인지 기능 중 적어도 하나의 회복을 촉시시키는 데에 도움을 줄 수 있다. 이론에 의한 제한 없이, 선택된 척추 회로는 선택된 척추 회로를 활성화시키기 위해 필요한 자극의 최소량을 나타내는 제 1 자극 한계점, 및 선택된 척추 회로를 완전히 활성화시키는 자극의 양을 나타내는 제 2 자극 한계점을 가지며, 유도된 신경학적 신호들의 부가는 적어도 하나의 선택된 척추 회로에 대해 추가의 효과를 갖지 않은 것으로 믿어진다.
마비는 운동 신경 완전 마비 또는 운동 신경 불완전 마비일 수 있다. 마비는 운동 신경 완전 또는 운동 신경 불완전으로서 분류되는 척수 손상에 의해 유발되었을 수 있다. 마비는 허혈성 또는 외상성 뇌 손상에 의해 유발되었을 수 있다. 마비는 뇌졸중 또는 심한 외상으로부터 초래된 허혈성 뇌 손상에 의해 유발되었을 수 있다. 또 다른 예로서, 마비는 신경변성 뇌 손상 에 의해 유발되었을 수 있다. 신경변성 뇌 손상은 파킨슨병, 헌팅턴병, 알츠하이머병, 허혈, 뇌졸중, 근위축성측색경화증(ALS), 원발성측삭경화증(PLS) 및 뇌성마비 중 적어도 하나와 관련될 수 있다.
마비가 척수(330)를 따라 제 1 위치에서 척수 손상에 의해 유발된 경우, 어셈블리(100)는 환자의 뇌(도시되지 않음)와 관련된 척수를 따라 제 1 위치 아래의 제 2 위치에서 이식될 수 있다(예를 들어, 경막외로).
어셈블리(100)는 전기 자극을 환자의 척수(330)의 일부분에 가하도록 구성된다. 전기 자극은 강장성 자극 및 간헐적 자극 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 자극은 펄스화될 수 있다. 전기 자극은 척수의 상이한 부위들의 동시 또는 순차적 자극을 포함할 수 있다. 어셈블리(100)에 의해 가해지는 전기 자극은 적어도 하나의 선택된 척추 회로가 환자에 의해 발생되는 신호들의 추가에 의해 적어도 부분적으로 활성화될 수 있을 정도로 제 2 자극 한계점 미만일 수 있다. 비제한적 예로서, 이러한 환자 발생 신호들은 환자에게 물리적 활동 또는 훈련(예를 들어 트레드밀 상에서의 걷기)을 시킴으로써 유도될 수 있다. 이들 신호들은 환자의 마비된 부분에서 유도될 수 있다. 또 다른 비제한적 예로서, 환자 발생 신호들은 상척수성 신호들을 포함할 수 있다.
상기 언급된 바와 같이, 도 1 내지 도 3에 도시된 어셈블리(100)의 구현예는 쥐(500)에서 이식을 위해 구성된다(도 5a 참조). 따라서, 도시된 어셈블리(100)의 구현예는 쥐(500) 내로의 이식을 위해 크기가 조절되고(예를 들어, 약 59 ㎜ X 약 3 mm), 형상화된다. 그러나, 본 설명에 대한 당업자의 응용을 통해, 구현예들은 사람을 포함하는 다른 포유동물들과 같은 다른 환자들에 사용하도록 구성될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 어셈블리(100)의 확대된 부분(200)을 도시한다. 어셈블리(100)는 마이크로일렉트로메카니컬 시스템("MEMS") 디바이스인 것으로 특징지어질 수 있다. 상기 언급된 바와 같이, 어셈블리(100)는 척수(330)을 따라 이식되고(도 3 참조), 여기에 전기 자극을 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 어셈블리(100)는 척수(330)에 경막외 자극을 제공할 수 있다. 어셈블리(100)는 종래의 와이어-기반 임플란트들과 비교하여 자극의 자리를 선택하는 데에 있어 고도의 자유도 및 특이성을 허용하며, 트리거들은 척수(330)의 증가된 이해 및 척수 손상의 피해자들의 운동 회복을 유도할 수 있는 생물적 반응을 변동시킨다.
도 1과 관련하여, 어셈블리(100)는 본체 부분(110), 전극 어레이(120) 및 복수의 전기 전도성 트레이스들(130)을 포함한다. 본체 부분(110)은 원위 말단 부분(112), 근위 말단 부분(114)(원위 말단 부분의 반대편), 프레임(140), 및 전극 어레이(120)의 각각의 전극 E11-E19, E21-E29 및 E31-E39에 대한 그리드 구조(210)(도 2 참조)를 포함한다. 그리드 구조들(210)은 각각 복수의 셀들(212)을 정의한다. 비제한적 예로서, 그리드 구조들(210)은 각각 파릴렌(예를 들어, 파릴렌-C)으로 구성된다. 도시된 구현예에서, 그리드 구조(210)는 40개의 셀들을 포함한다.
상기 언급된 바와 같이, 전극 어레이(120)는 복수의 전극들 E11-E19, E21-E29, 및 E31-E39(예를 들어, 9 x 3 전극들)를 포함한다. 전극들 E11-E19, E21-E29, 및 E31-E39는 2차원 어레이로 배열된다. 전극들 E11-E19, E21-E29, 및 E31-E39는 각각 복수의 전기 전도성 접촉부(220)를 포함한다. 접촉부(220)는 전극(예를 들어, 도 2에 도시된 전극 E37)이 척수(예를 들어, 경막)에 접촉할 자리들이다. 접촉부(220)는 서로 전기 연통한다. 도시된 전극 E37의 구현예는 40개의 접촉부(220)를 포함한다. 그러나, 이것은 필요조건이 아니다. 언급된 바와 같이, 전극들 E11-E19, E21-E29, 및 E31-E39는 각각 그리드 구조들(210)의 독특한 구조에 상응한다. 도시된 구현예에서, 전극들 E11-E19, E21-E29, 및 E31-E39 각각에 대해, 접촉부(220)는 각각 상응하는 그리드 구조(210)의 셀들(212) 중 상이한 셀 내에 위치한다. 그리드 구조(210)는 어셈블리(100)의 층들의 박리를 방지하는 데에 도움을 줄 수 있다(도 1 참조). 당업자들에게 명백해지고 하기에 설명되는 바와 같이, 그리드 구조(210) 및 접촉부(220)는 전기 전도성 재료(예를 들어, 금속)의 패드에 인접한 실질적으로 전기 비전도성인 재료(예를 들어, 파릴렌)의 층들을 선택적으로 에칭시켜서 그리드 구조(210)를 정의하고, 그리드 구조의 셀들(212) 내에 전기 전도성 재료의 부분들을 노출시켜서 접촉부(220)를 정의함으로써 생성될 수 있다.
도시된 전극 어레이(120)는 27개의 전극들을 포함하지만, 다른 구현예들에서, 전극들의 수는 1개의 전극 내지 약 100,000개의 전극들 이상일 수 있다. 특정 구현예들에서, 전극 어레이(120)는 적어도 10개, 적어도 15개, 적어도 20개, 적어도 25개, 적어도 50개, 적어도 100개, 적어도 250개, 적어도 500개, 또는 적어도 1000개의 전극들을 포함한다. 다양한 구현예들에서, 전극 어레이(120)에서 인접 전극들의 전극간 간격은 약 100 ㎛ 또는 약 500 ㎛, 또는 약 1000 ㎛ 또는 약 1500 ㎛ 내지 약 2000 ㎛, 또는 약 3000 ㎛, 또는 약 4000 ㎛, 또는 약 4500 ㎛, 또는 약 5000 ㎛이다. 다양한 구현예들에서, 전극간 간격은 약 100 ㎛, 약 150 ㎛, 약 200 ㎛, 또는 약 250 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 약 2000 ㎛, 약 3000 ㎛, 또는 약 4,000 ㎛이다. 일부 구현예들에서, 전극들 E11-E19, E21-E29, 및 E31-E39 각각의 직경(또는 폭)은 약 50 ㎛, 100 ㎛, 150 ㎛, 200 ㎛, 또는 250 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 약 1000 ㎛, 약 1500 ㎛, 또는 약 2000 ㎛이다.
전극 어레이(120)는 사각형, 직사각형 또는 원형과 같은 임의의 기하학적 형태로 생성될 수 있다. 대표적으로, 전극 어레이(120)의 크기는 전극 어레이(120)에서 전극들의 수에 부분적으로 의존하여, 폭 또는 직경이 약 0.1 ㎜ 내지 약 2 cm 정도일 것이다. 다양한 구현예들에서, 전극 어레이(120)의 길이는 약 0.01 ㎜, 또는 0.1 ㎜ 내지 약 10 ㎝ 또는 그 이상이다.
트레이스들(130) 중 하나 이상은 전극들 E11-E19, E21-E29, 및 E31-E39 각각에 연결된다. 도 2와 관련하여, 도시된 구현에서, 2개의 트레이스들 “T1” 및 “T2”가 전극들 E11-E19, E21-E29, 및 E31-E39 각각에 연결된다. 대안적 구현예들에서, 2개를 초과하는 트레이스들(130)이 전극들 E11-E19, E21-E29, 및 E31-E39 각각에 연결된다. 하나를 초과하는 트레이스들(130)을 전극들 E11-E19, E21-E29, 및 E31-E39 각각에 연결시키면, 신호들이 전극들 E11-E19, E21-E29, 및 E31-E39 각각에 도달하는 것을 보장하는 데에 도움을 준다. 요컨대, 리던던시가 사용되어 신뢰성을 개선시킨다. 전극들 E11-E19, E21-E29, 및 E31-E39 각각에 대해, 트레이스들(130)은 전극의 접촉부(220)에 연결되고, 여기에 신호들을 전달한다. 본체 부분(110)에서 생성된(예를 들어, 에칭된) 개구부들(132)(도 3 참조)은 트레이스들(130)의 부분들을 노출시킨다.
트레이스들(130)은 전기 신호들(예를 들어, 펄스화 신호들)을 전극들 E11-E19, E21-E29, 및 E31-E39에 선택적으로 전달하기 위해 사용될 수 있다. 상기 방식으로, 전극들 E11-E19, E21-E29, 및 E31-E39 중 단지 선택된 하나 이상이 자극을 척수(330)에 전달할 수 있다(도 3 참조). 전극들 E11-E19, E21-E29, 및 E31-E39는 트레이스들(130)에 의해 제어회로(도시되지 않음)에 작동가능하게 연결된다. 제어회로(도시되지 않음)는 전기 자극의 파라미터들(예를 들어, 주파수, 펄스 폭, 진폭, 등)을 활성화/자극하고 및/또는 제어하기 위해 전극들 E11-E19, E21-E29, 및 E31-E39 중 하나 이상을 선택하도록 구성된다. 다양한 구현예들에서, 전극 선택, 주파수, 진폭, 및 펄스 폭은 독립적으로 선택될 수 있다. 예를 들어, 상이한 시간들에서, 상이한 전극들이 선택될 수 있다. 언제라도 상이한 전극들은 상이한 파라미터 값들(예를 들어, 주파수들, 진폭 등)을 갖는 자극을 제공할 수 있다. 다양한 구현예들에서, 전극들의 적어도 일부는 단극성 방식 및/또는 양극성 방식으로 작동될 수 있다. 이러한 구현들에서, 정전류 또는 정전압이 사용되어 자극을 전달할 수 있다.
일부 구현예들에서, 트레이스들(130)은 이식가능 제어회로(도시되지 않음) 및/또는 이식가능 전력원(도시되지 않음)으로부터 신호들을 수신한다. 이식가능 제어회로(도시되지 않음)는 외부 디바이스(예를 들어, 피부를 통해 제어회로와 통신하는 휴대용 디바이스를 사용함)에 의해 프로그램화 및/또는 재프로그램화될 수 있다. 프로그램화는 필요에 따라 자주 반복될 수 있다.
도 3은 어셈블리(100)를 합체시킨 케이블 시스템(300)을 도시한다. 케이블 시스템(300)은 쥐(500)(도 5a참조)의 척추(320) 및 척수(330)를 따라 이식된 것으로 도시된다. 만성 환자 실험에서 피부(도시되지 않음)를 교차하는 컨넥터들에서의 감염을 방지하는 어려움으로 인해, 쥐(500)의 머리(도시되지 않음)에 위치한 헤드플러그(310)를 통해 신호들을 통과시키는 것이 보통 매우 바람직하며, 여기에서 큰 뼈 표면, 근조직의 결핍, 피부의 최소 운동이 감염의 위험을 최소화시키는 데에 도움을 준다. 살아있는 동물들에서의 일부 예비 실험들은 동물의 운동에 의해 부과되는 기계적 변형들이 헤드플러그(310)로부터 척수(330)로 연장되도록 구성된 모든 MEMS 디바이스의 일부 구현예들을 신뢰할 수 없게 만드는 것을 입증하였기 때문에, 케이블 시스템(300)은 어셈블리(100)에 부과된 변형을 허용할 수 있는 한계로 제한시키도록 고안되었다.
도 3은 케이블 시스템(300)(어셈블리(100)를 포함함)이 이식 후에 환자(예를 들어, 도 5a에 도시된 쥐(500))의 척추(320) 를 따라 위치하는 방식을 도시한다. 케이블 시스템(300)은 척추 기초판(340), 전선 다발(350) 및 헤드플러그(310)로 구성된다. 또 다른 세트의 와이어들(도시되지 않음)은 환자의 다리(들)(520)(도 5a 참조)에 이식되어 근전도 검사(“EMG”) 신호들을 기록할 수 있다. 기초판(340)은 표준 FR-4 PCB 기판으로 구성될 수 있다. 기초판(340)은 선택된 척추뼈(예를 들어, 척추뼈 “L2”)에 부착된다(예를 들어, 봉합(342)에 의해). 도시된 구현예에서, 기초판(340)은 “L2” 척추뼈에 부착된다. 어셈블리(100)는 척수(300)에 부착된다(예를 들어, 봉합(344)에 의해). 도시된 구현예에서, 어셈블리(100)의 원위 말단 부분(112)은 척추뼈 “T13”에 인접한 위치에서 척수(300)에 부착된다. 어셈블리(100)의 근위 말단 부분(114)은 전도성 재료(예를 들어, 전도성 에폭시)를 사용하여 기초판(340)에 부착되어 전기 접속부들을 브릿징한다. 비제한적 예로서, 어셈블리(100)의 근위 말단 부분(114)은 Loctite M-121HP 메디컬 디바이스 에폭시를 사용하여 기초판(340)에 고정될 수 있다.
전선 다발(350)은 복수의 와이어들(352)을 포함한다. 비제한적 예로서, 와이어들(352)은 전극들 E11-E19, E21-E29 및 E31-E39 각각에 대한 상이한 와이어(예를 들어, 전극들의 9 x 3 어레이에 대해 총 27개 와이어들)을 포함할 수 있다. 와이어들(352)은 각각 금으로 구성되고 테플론 코팅을 포함할 수 있다. 예를 들어, 75 ㎛ 금 와이어들(예를 들어, AM Systems에 의해 제조된 테플론 코팅 금 와이어)이 사용될 수 있다. 와이어들(352)은 기초판(340)에 납땜되고, 고밀도 컨넥터들(360)에 의해 헤드플러그(310)에 연결될 수 있다. 트레이스들(130)은 어셈블리(100)의 본체 부분(110)에서 생성된 개구부들(132)을 통해 기초판(340)에 연결된다. 비제한적 예로서, 은 에폭시(도시되지 않음)가 사용되어 트레이스들(130)을 기초판(340)에 연결시킬 수 있다.
전체 케이블 시스템(300)(어셈블리(100)의 일부분(368)은 제외)은 전기 접속부들을 절연시키고 기계적 강도를 제공하면서 필요한 경우에 가요성을 유지시키도록 구성된 코팅(370)으로 코팅될 수 있다. 비제한적 예로서, 코팅(370)은 생물 의학용 에폭시 및 실리콘 엘라스토머(예를 들어, MDX 4-4210 생물 의학용 실리콘)을 포함할 수 있다.
실리콘 캡(380)(또는 돌출 부분)이 기초판(340)의 말단에 생성되어, 외부 이동 조직으로부터 어셈블리(100)를 보호한다. 캡(380)은 코팅(370)과 동일한 재료로부터 생성될 수 있다. 어셈블리(100)의 부분들을 따라, 코팅(370)은 실리콘의 얇은 층(예를 들어, 약 100 ㎛ 두께)의 층으로서 실행되어, 어셈블리(100)가 운동 동안 환자의 척추(320)에 의해 굽어짐에 따라 응력 집중을 감소시킬 수 있다. 어셈블리(100)에 도포되는 실리콘의 더 두꺼운 층은 더 경질인 어셈블리에 의해 척수에 가해지는 증가된 압력 때문에 척수(330)의 건강에 유해할 수 있다. 요컨대, 가요성은 성공적인 만성 이식가능 전극 어레이 어셈블리의 중요한 특징이다.
제작
어셈블리(100)는 파릴렌-금속-파릴렌의 샌드위치-형 구조를 생성시키는 방법을 기술하는 D.C. Rodger, et al., "Flexible microfabricated parylene multielectrode arrays for retinal stimulation and spinal cord field modulation", Proc. 4 th International IEEE - EMBS Special Topic Conference on Microtechnologies in Medicine and Biology, Okinawa, Japan, pp. 31-34(2006)에 기술된 것과 어느 정도 유사한 방법을 사용하여 제작될 수 있다.
도 4a 내지 도 4d와 관련하여, 어셈블리(100)는 방법(400)을 사용하여 구성될 수 있다. 예시의 용이함을 위해, 방법(400)은 실질적으로 전기 비전도성인 파릴렌-C를 사용하는 것과 관련하여 기술될 것이다. 파릴렌-C는 미국 약국방("USP") 클래스 VI 생체적합성 재료이며, 이의 역학적 성질은 필요한 가요성을 제공하여 척수(330)와의 우수한 경막외 접촉을 이룬다(도 3 참조). 그러나, 당업자들은 파릴렌-C 대신에 또는 이와 조합하여 다른 재료들이 사용될 수 있음을 인지한다. 다른 재료들의 예는 파릴렌-A, 파릴렌-AM, 파릴렌-F, 파릴렌-N, 파릴렌-D 등과 같은 가요성 재료들을 포함한다. 추가로, 전극 어레이들(120)은 하나 이상의 생체 적합성 금속들(예를 들어, 금, 백금, 크롬, 티탄, 이리듐, 텅스템 및/또는 이들의 산화물 및/또는 합금)을 사용하여 실행될 수 있는 금속을 포함하는 것으로 기술될 것이다. 예시의 용이함을 위해, 방법(400)은 백금(및 티탄)을 사용하여 전극 어레이들(120)을 구성하는 것과 관련하여 기술될 것이다.
방법(400)은 도 4a의 상단에서 시작한다. 제 1 서브어셈블리 "SA1"은 기판(412)(예를 들어, 규소 웨이퍼) 상의 희생 포토레지스트(410)의 임의적 제 1 층을 도포(예를 들어 스피닝)시킴으로써 구성된다.
제 2 서브어셈블리 "SA2"은 포토레지스트(410) 상에 파릴렌-C(416)의 제 1(프레임) 층을 증착시킴으로써(예를 들어, 통상적인 증기 증착을 사용함으로써) 구성된다. 비제한적 예로서, 파릴렌-C(416)의 제 1(프레임) 층은 약 10 ㎛ 두께일 수 있다.
제 3 서브어셈블리 "SA3"은 제 2 서브어셈블리 "SA2" 상에 포토레지스트(422)의 제 2 층을 도포함으로써(예를 들어, 스피닝함으로써) 구성된다.
다음에, 제 4 서브어셈블리 "SA4"는 통상적인 포토레지스트 기술을 사용하여포토레지스트(422)의 제 2 층을 노출시키고 전개시켜서 프레임(140)(도 1 참조)을 정의함으로써 구성된다.
도 4b와 관련하여, 제 5 서브어셈블리 "SA5"는 파릴렌-C(416)의 제 1(프레임) 층의 적어도 일부분을 제거(예를 들어, 에칭)시켜서 전극 어레이(120)를 둘러싸는 프레임(140)의 적어도 일부분을 정의함으로써 구성된다. 포토레지스트(422)의 제 2 층은 제거된다(예를 들어, 아세톤을 사용하여 용해됨).
다음에, 제 6 서브어셈블리 "SA6"은 제 5 서브어셈블리 "SA5" 상에 파릴렌-C(420)의 제 2(베이스) 층을 증착시킴으로써(예를 들어, 통상적인 증기 증착을 사용하여) 구성된다. 또 다른 비제한적 예로서, 파릴렌-C(420)의 제 2(베이스) 층은 약 5 ㎛ 두께일 수 있다. 파릴렌-C(420)의 제 2(베이스) 층은 어셈블리(100)(도 1 참조)의 본체 부분(110)(도 1 참조)에 대한 밑면을 생성한다. 파릴렌-C(420)의 제 2 층은 또한 파릴렌-C(416)의 제 1(프레임) 층이 파릴렌-C(420)의 제 2(베이스) 층의 밑에 있고, 이를 형상화시키는 것을 도와주기 때문에 프레임(140)의 적어도 일부분을 정의하는 것을 특징으로 할 수 있다. 요컨대, 프레임(140)은 제 1(프레임) 및 제 2(베이스) 층(416) 및 (420)을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 대안적으로, 프레임(140)은 제 1(프레임) 층(416)에 의해 전체적으로 정의되는 것을 특징으로 할 수 있다.
제 7 서브어셈블리 "SA7"은 제 6 서브어셈블리 "SA6" 상에 포토레지스트(424)의 제 3 층을 도포(예를 들어, 스피닝)함으로써 구성된다.
제 8 서브어셈블리 "SA8"은 포토레지스트(424)의 제 3 층을 노출시키고 전개시켜서 통상적인 포토레지스트 기술을 사용하여 패턴을 정의함으로써 구성된다. 패턴은 전극 어레이(120) 및 트레이스들(130)을 정의한다.
도 4c와 관련하여, 제 9 서브어셈블리 "SA9"는 제 8 서브어셈블리 "SA8" 상에 전기 전도성 층(428)을 증착(예를 들어, 전자빔 증발을 사용함)시킴으로써 구성된다. 전기 전도성 층(428)은 먼저 제 1 재료(예를 들어, 100Å의 티탄)의 접착층을 증착시킨 후, 전기 자극을 전도하기에 적합한 제 2 상이한 전기 전도성 재료(예를 들어, 2000Å의 백금)의 전극 층을 증착시킴으로써 구성될 수 있다. 따라서, 전기 전도성 층(428)은 재료의 하나를 초과하는 층을 사용하여 구성될 수 있다.
제 10 서브어셈블리 "SA10"은 위에 위치한 전기 전도성 층(428)의 부분들을 제거하여 전극 어레이(120) 및 트레이스들(130)을 생성시키는 포토레지스트(424)의 제 3 층을 제거(예를 들어, 용해)시킴으로써 구성된다. 요컨대, 통상적인 레스트오프 공정이 사용되어 전기 전도성 층(428)을 패턴화시켜서 전극 어레이(120) 및 트레이스들(130)을 생성시킨다.
다음에, 제 11 서브어셈블리 "SA11"은 제 10 서브어셈블리 "SA10" 상에 파릴렌-C(430)의 제 3(상부) 층을 증착(예를 들어, 통상적인 증기 증착을 사용하여)시킴으로써 구성된다. 또 다른 비제한적 예로서, 파릴렌-C(430)의 제 3(상부) 층은 약 5 ㎛ 두께일 수 있다.
도 4d와 관련하여, 제 12 서브어셈블리 "SA12"는 제 11 서브어셈블리 "SA11" 상에 포토레지스트(432)의 제 4 층을 도포(예를 들어, 스피닝)시킴으로써 생성된다.
제 13 서브어셈블리 "SA13"는 통상적인 포토레지스트 기술들을 사용하여 포토레지스트(432)의 제 4층을 노출시키고 전개시켜서 패턴을 정의함으로써 구성된다. 패턴은 파릴렌-C(430)의 제 3(상부) 층에서 생성되는 개구부들(132)을 정의한다.
제 14 서브어셈블리 "SA14"는 파릴렌-C(430)의 제 3(상부) 층에서 개구부들(132)을 생성시켜서 전기 전도성 층(428)의 부분들을 노출시킴으로써 생성된다. 개구부들(132)은 에칭(예를 들어, 산소 플라즈마 에칭)을 사용하여 생성될 수 있다. 전극들 E11-E19, E21-E29, 및 E31-E39 각각에 대해, 개구부들(132)의 적어도 일부분은 접촉부(220)에 대한 접근을 제공하고 그리드 구조(210)를 정의한다. 접촉부(220)는 개구부들(132)을 통해 척수(330)(도 3 참조)에 접촉한다. 개구부들(132)의 상이한 부분은 트레이스들(130)에 대한 접근을 제공하여, 기초판(340)에 여기에 전기 접속될 수 있게 된다. 에칭은 또한 어셈블리(100)의 형상을 정의하기 위해 사용될 수 있다. 그 다음, 포토레지스트(432)의 제 4 층이 제거된다(예를 들어, 아세톤 또는 물 중에 용해됨).
제 15 서브어셈블리 "SA15"는 포토레지스트(410)의 제 1 층을 제거(예를 들어, 용해)시켜서 기판(412)으로부터 포토레지스트(410)의 제 1 층 위의 층을 방출시킴으로써 생성된다. 비제한적 예로서, 포토레지스트(410)의 제 1 층은 아세톤 및 물을 사용하여 용해될 수 있다.
최종적으로, 어셈블리(100)(도 1 참조)은 제 15 서브어셈블리 "SA15"를 48 시간 동안 200℃에서 진공 오븐 중에서 어닐링시킴으로써 생성된다.
결과 및 논의
케이블 시스템(300)(도 3 참조)의 기기들을 쥐에 이식시키고, 8 주 이하 동안 작용시켰다. 신뢰도 수준은 케이블 시스템(300)(및 어셈블리(100))을 시간 경과에 따라 걷기 능력을 연구하기에 적합하게 만든다. 케이블 시스템(300)(및 어셈블리(100))은 또한 고밀도 미소제작 전극 어레이(120)에 의해 제공되는 자리 선택성을 제공한다.
도 5a는 재킷(530)에 의해 트레드밀(510) 위에 매달린 쥐(500)의 도면이다. 쥐(500)는 완전히 횡단된 척수 및 따라서 뒷다리 마비를 갖는다. 쥐의 척수(330)(도 3 참조)를 자극하면서 쥐를 트레드밀(510) 위에 매닮으로써 쥐(500)에서 뒷다리들에 의한 걷기가 달성되었다. 도 5a는 또한 걷기 능력을 기록하기 위해 사용되는 운동 포착 시스템(예를 들어, 도트 D1-D5)의 부분들을 도시한다. 도 5b는 쥐의 척수(330)가 자극받지 않을 때의 뒷다리 운동을 나타내는 스틱 다이어그램(550)이다. 예측된 바와 같이, 쥐(500)는 척수(330)가 뒷다리 마비로 인해 자극받지 않을 때에 발을 끌었다.
도 6a 및 6b는 각각 양극성 자극이 2개의 상이한 전극쌍들에 의해 쥐의 척수(330)에 가해질 때에 뒷다리 운동을 예시하는 한 쌍의 스틱 다이어그램들(610) 및(620)을 도시한다. 다이어그램들(610) 및(620)은 MEMS 전극 어레이에 의해 자극된 척추 손상된 쥐에 의해 달성된 제 1 걷기를 예시하는 것으로 믿어진다. 도 6a 및 6b에 예시된 2가지 상이한 걷기 패턴들을 위한 자극 자리 쌍들이 전극 어레이(120)에서 서로 인접한 것이 주목되며, 이는 어셈블리(100)의 고밀도 전극 배열이 운동을 일으키는 생물학적 기전 및 척수 손상 후의 회복에 대한 이의 응용을 이해하는 데에 매우 유용함을 시사하는 것이다.
EMG 기록은 또한 생물정보를 얻는 데에 매우 유용할 수 있다. 도 7a 및 7b는 3가지 상이한 전압에서 2가지 상이한 자극 쌍들에 대한 EMG 기록들을 나타낸다. 요컨대, 도 7a는 한쌍의 전극들에 의해 자극이 가해질 때에 기록되는 EMG 기록을 도시하고, 도 7b는 상이한 쌍의 전극들에 의해 자극이 가해질 때에 기록되는 EMG 기록을 도시한다. 도 7a는 단시냅스 반응 "R1"을 예시한다. 이러한 단시냅스 반응들은 일반적으로 첫 번째 6초의 기록 내에 일어나며, 다시냅스 반응(다시냅스 반응 "P1"와 같은)은 일반적으로 나중에 일어난다. 도 7a에 도시된 기록은 단시냅스 반응 "R1" 및 다시냅스 반응 "P1" 둘 모두를 포함하지만, 도 7b에 도시된 기록은 단지 다시냅스 반응 "P2"을 포함함이 주목된다. 이는 전극 어레이(120)의 고밀도가 상이한 생물적 반응을 유도하는 데에 유용한 고밀도 자극 자리들(전극들 E11-E19, E21-E29, 및 E31-E39)을 제공함을 나타낸다. 도 7a 및 7b의 EMG 신호들은 반사 시험(0.3 Hz 자극 펄스) 동안 얻어졌고, 도 6a 및 6b의 스틱 다이어그램들은 걷기 시험(40 Hz) 동안 얻어졌다.
어셈블리(100)는 어셈블리(100)의 기능성에 대해 관찰된 역학적 손상이 최소화되기 때문에 살아있는 쥐에서 8 주 이하 동안 생존하고, 훨씬 더 길게 생존할 수 있는 것으로 입증되었다. 케이블 시스템(300)은 척수(330)를 자극하고 유발 반응을 기록하기 위한 수단을 제공한다. 선택적으로, 어셈블리(100)의 전극들 E11-E19, E21-E29, 및 E31-E39는 자극을 전달하는 것 이외에 신경학적 신호들을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 어셈블리(100)에 의해 가해지는 자극은 완전히 횡단된 척수를 갖는 쥐에서 걷기를 유도하기 사용될 수 있다. 어셈블리(100)는 상이한 EMG 반응 및 걷기 패턴들을 생성시키기 위해 자극의 자리를 조절하는 수단을 제공한다. 상기 조절 수준은 척수(330) 내측의 신경생물학적 회로를 이해하고, 척수 손상의 피해자들에서 운동 회복을 위한 가능한 치료를 개발하기 위해 유용하다.
어셈블리(100)를 포함하는 케이블 시스템(300)이 환자(예를 들어, 쥐(500))에서 걷기를 가능하게 하는 것에 대해 기술되었지만, 본 설명에 대한 당업자의 응용을 통해, (a) 서기, 걷기, 뻗기, 잡기, 다리중 하나 또는 둘의 부분들의 자발적 변화, 방광의 배뇨, 장의 배뇨, 체위성 활성 및 운동활성 중 하나 이상에 수반되는 근육들의 자발적 운동을 가능하게 하고/하거나, (b) 심혈관기능, 체온, 및 대사 과정 중 적어도 하나의 자율적 제어를 가능하게 하거나 개선시키고/시키거나 (c) 자율기능, 성기능, 혈관운동 기능, 및 인지 기능 중 적어도 하나의 회복을 촉진시키는 것과 같은 다른 유형의 기능성을 가능하게 하는 구현예들이 구성될 수 있다.
본원에 열거된 모든 공고들, 특허들 및 특허 출원들은 모든 목적을 위해 전체 내용이 참고문헌으로 인용된다.
상기 기술된 구현예들은 상이한 다른 구성요소들 내에 함유되거나 이와 연관된 상이한 구성요소를 묘사한다. 이러한 묘사된 구성들은 단지 예시적인 것이고, 사실상 동일한 기능성을 달성하는 많은 다른 구성들이 실행될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 개념적으로, 동일한 기능성을 달성하기 위해 구성요소들의 임의 배열이 바람직한 기능성이 달성될 정도로 효과적으로 "관련된다". 따라서, 특정 기능성을 달성하기 위해 조합된 본원의 2가지 구성요소들은 구성들 또는 상호매체적 구성요소들과 무관하게 바람직한 기능성이 달성될 정도로 서로 "관련되는" 것으로 보일 수 있다. 또한, 이렇게 관련된 2가지 구성요소들은 바람직한 기능성을 달성하도록 서로 "작동적으로 연결되거나" "작동적으로 결합되는" 것으로 관찰될 수 있다.
본 발명의 특정 구현예들이 입증되고 기술되었지만, 본원의 설명에 기초하여 본 발명 및 이의 더 넓은 측면들로부터 벗어나지 않으면서 변동 및 변경이 이루어질 수 있고, 따라서 첨부된 특허청구범위가 본 발명의 진정한 사상 및 범위 내에서와 같이 모든 이러한 변동 및 변경의 범위 내에 포함됨을 당업자들에게 자명해질 것이다. 더욱더, 본 발명이 단지 첨부된 특허청구범위에 의해 정의됨이 이해되어야 한다. 일반적으로 본원에 사용되는 용어, 및 첨부된 특허청구범위(예를 들어, 첨부된 특허청구범위의 중심부)가 일반적으로 "개방" 용어들로서 의도됨이 당업자들에 의해 이해될 것이다(예를 들어, 용어 "포함하는"은 "포함하지만 이들로 제한되지 않는"으로 이해되어야 하고, 용어 "갖는"은 "적어도 갖는"으로 이해되어야 하고, 용어 "포함한다"는 "포함하지만 이들로 제한되지는 않는다" 등). 추가로, 특정 수의 도입된 청구항 재인용이 의도된 경우, 이러한 의도는 청구항에 분명히 재인용될 것이고, 이러한 재인용의 부재 시에 이러한 의도는 존재하지 않음이 당업자들에 의해 이해될 것이다. 예를 들어, 이해를 위해, 하기의 첨부된 청구항은 청구항 재인용들을 도입시키기 위해 도입 표현 "적어도 하나의" 및 "하나 이상"의 사용을 함유할 수 있다. 그러나, 이러한 표현의 사용은 부정관사들에 의한 청구항 재인용의 도입이 동일한 청구항이 도입 표현 "하나 이상" 또는 "적어도 하나" 및 부정관사(예를 들어, 부정관사는 대표적으로 "적어도 하나" 및/또는 "하나 이상"을 의미하는 것으로 이해되어야 한다)를 포함하는 경우에도 단지 하나의 이러한 재인용을 함유하는 발명들에 대한 이러한 도입된 청구항 재인용을 함유하는 임의의 특정 청구항을 제한하는 것을 의미하지 않고; 동일한 청구항이 청구항 재인용을 도입하기 위해 사용되는 정관사의 사용을 위해 진정성을 보유는 것으로 구성되어야 한다. 그 외에, 특정 수의 도입된 청구항 재인용이 분명히 재인용되는 경우에도, 당업자들은 이러한 재인용이 대표적으로 적어도 재인용된 수(예를 들어, 다른 변경자 없이 "2개의 재인용"의 단순 재인용은 대표적으로 적어도 2개의 재인용 또는 2개 이상의 재인용을 의미함)을 의미하는 것으로 구성되어야 함을 인지할 것이다.
따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위에 의한 것을 제외하고는 제한되지 않는다.

Claims (27)

  1. 척수에 사용하기 위한 이식가능 디바이스로서,
    실질적으로 전기 비전도성인 재료로 구성되고 제 1 부분 및 제 2 부분을 갖는 제 1 층 및 주변 부분을 갖는 본체 부분으로서, 제 1 부분은 척수 옆에 위치할 수 있고 제 1 복수의 개구부들을 포함하며, 제 2 부분은 제 2 복수의 개구부들을 포함하는, 상기 본체 부분;
    주변 부분 내측에 그리고 제 1 층의 제 1 부분 옆에 위치하는 복수의 전극들로서, 상기 제 1 복수의 개구부들 중 적어도 하나는 전극들 각각에 인접하여, 제 1 부분이 척수 옆에 위치할 때에 전극이 척수에 전기 자극을 제공할 수 있는 경로를 제공하는, 상기 복수의 전극들; 및
    주변 부분 내측에 그리고 제 1 층 옆에 위치한 복수의 트레이스들로서, 제 2 복수의 개구부들 중 적어도 하나는 트레이스들 각각에 인접하여 상기 트레이스가 전기 자극을 수용할 수 있는 경로를 제공하고, 상기 트레이스들 중 하나 이상은 전극들 각각에 연결되고 트레이스들 중 하나 이상에 의해 수용된 전기 자극을 전극에 전도하도록 구성된, 상기 복수의 트레이스들을 포함하는, 척수에 사용하기 위한 이식가능 디바이스.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 트레이스들은 상이한 전기 자극을 상기 복수의 전극들 중 상이한 것들에 전도하도록 구성되는, 척수에 사용하기 위한 이식가능 디바이스.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 트레이스들은 전기 자극을 상기 복수의 전극들 중 전부보다 적은 전극에 전도하도록 구성되는, 척수에 사용하기 위한 이식가능 디바이스.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 층의 상기 제 1 부분은 상기 척수의 경막 가까이에 위치할 수 있고, 상기 복수의 전극들은 전기 자극을 상기 경막에 제공하도록 구성되는, 척수에 사용하기 위한 이식가능 디바이스.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 주변 부분은 상기 제 1 층에 인접하여 위치한 프레임을 포함하는, 척수에 사용하기 위한 이식가능 디바이스.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 층은 복수의 그리드 구조들을 포함하고, 그리드 구조들 중 상이한 것은 복수의 전극들의 각각에 인접하고,
    각각의 그리드 구조는 복수의 셀들을 포함하고,
    상기 복수의 전극들 각각에 대해, 전극에 인접한 상기 제 1 복수의 개구부들 중 적어도 하나 각각은 전극에 인접한 그리드 구조의 셀들 중 상이한 것의 내측에 위치하는, 척수에 사용하기 위한 이식가능 디바이스.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 복수의 전극들 각각에 인접한 상기 제 1 복수의 개구부들 중 적어도 하나는 하나를 초과하는 개구부를 포함하는, 척수에 사용하기 위한 이식가능 디바이스.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극들 각각에 연결된 상기 트레이스들 중 하나 이상은 2개의 트레이스들을 포함하는, 척수에 사용하기 위한 이식가능 디바이스.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 본체 부분은 제 2 층을 더 포함하며, 상기 복수의 전극들 및 상기 복수의 트레이스들은 제 1 및 제 2 층들 사이에 위치하는, 척수에 사용하기 위한 이식가능 디바이스.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 본체 부분의 상기 제 2 층의 적어도 일부분과, 상기 제 1 층의 상기 제 1 부분 및 상기 제 1 층의 상기 제 2 부분 사이의 상기 제 1 층의 일부분을 코팅시키는 가요성 외부 코팅을 더 포함하는, 척수에 사용하기 위한 이식가능 디바이스.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 외부 코팅은 생물 의학용 에폭시 및 실리콘 엘라스토머 중 적어도 하나를 포함하는, 척수에 사용하기 위한 이식가능 디바이스.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 층들은 각각 파릴렌-A, 파릴렌-C, 파릴렌-AM, 파릴렌-F, 파릴렌-N 및 파릴렌-D 중 적어도 하나로 구성되는, 척수에 사용하기 위한 이식가능 디바이스.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 층은 파릴렌-A, 파릴렌-C, 파릴렌-AM, 파릴렌-F, 파릴렌-N 및 파릴렌-D 중 적어도 하나로 구성되는, 척수에 사용하기 위한 이식가능 디바이스.
  14. 이식가능 전극 어레이 어셈블리를 구성하는 방법으로서,
    복수의 전극들 및 복수의 트레이스들을 정의하는 전기 전도성 재료의 패턴화된 층을 생성시키는 단계로서, 적어도 하나의 트레이스가 상기 복수의 전극들 각각에 연결되는, 상기 패턴화된 층을 생성시키는 단계;
    실질적으로 전기 비전도성인 재료의 제 1 층을 생성시키는 단계로서, 상기 제 1 층이 상기 패턴화된 층에 인접한, 상기 제 1 층을 생성시키는 단계;
    상기 제 1 층에서 복수의 제 1 개구부들을 생성시키는 단계로서, 상기 제 1 개구부들이 상기 제 1 층을 통해 상기 복수의 전극들에 대한 접근을 제공하고, 상기 제 1 개구부들의 상이한 그리드 정의 부분은 상기 전극들 각각에 인접하고, 각각의 그리드 정의 부분은 상기 그리드 정의 부분이 인접하고 있는 상기 전극의 복수의 접촉부들을 노출시키는, 상기 복수의 제 1 개구부들을 생성시키는 단계; 및
    상기 제 1 층에서 복수의 제 2 개구부들을 생성시키는 단계로서, 상기 제 2 개구부들은 상기 제 1 층을 통해 상기 복수의 트레이스들에 대한 접근을 제공하는, 상기 복수의 제 2 개구부들을 생성시키는 단계를 포함하는, 이식가능 전극 어레이 어셈블리를 구성하는 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    기판 상에 희생층을 위치시키는 단계;
    상기 희생층 상에 실질적으로 전기 비전도성인 재료의 제 2 층을 생성시키는 단계로서, 상기 패턴화된 층이 상기 제 2 층 상에 위치하는, 상기 제 2 층을 생성시키는 단계; 및
    상기 희생층을 제거하여 상기 기판으로부터 상기 제 2 층을 제거하는 단계를 더 포함하는, 이식가능 전극 어레이 어셈블리를 구성하는 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 기판 상에 프레임 층을 생성시키는 단계로서, 상기 프레임 층이 상기 제 2 층 아래에 있고, 상기 프레임 층이 적어도 부분적으로 상기 패턴화된 층 둘레에 프레임을 정의하는, 상기 프레임 층을 생성시키는 단계를 더 포함하는, 이식가능 전극 어레이 어셈블리를 구성하는 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 층들은 각각 파릴렌-A, 파릴렌-C, 파릴렌-AM, 파릴렌-F, 파릴렌-N 및 파릴렌-D 중 적어도 하나로부터 생성되는, 이식가능 전극 어레이 어셈블리를 구성하는 방법.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 층들은 동일한 재료로부터 생성되는, 이식가능 전극 어레이 어셈블리를 구성하는 방법.
  19. 청구항 15에 있어서,
    상기 패턴화된 층은 금속용착 기술을 사용하여 상기 제 2 층 상에 생성되는, 이식가능 전극 어레이 어셈블리를 구성하는 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 금속용착 기술이 전자빔 증발인, 이식가능 전극 어레이 어셈블리를 구성하는 방법.
  21. 청구항 15에 있어서,
    상기 희생층은 포토레지스트 재료를 포함하는, 이식가능 전극 어레이 어셈블리를 구성하는 방법.
  22. 청구항 15에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 웨이퍼인, 이식가능 전극 어레이 어셈블리를 구성하는 방법.
  23. 청구항 15에 있어서,
    상기 제 2 층의 적어도 일부분 및 상기 제 1 층의 적어도 일부분에 코팅제를 도포시키는 단계를 더 포함하는, 이식가능 전극 어레이 어셈블리를 구성하는 방법.
  24. 청구항 14에 있어서,
    상기 복수의 제 1 개구부들은 상기 제 1 층에서 에칭되는, 이식가능 전극 어레이 어셈블리를 구성하는 방법.
  25. 청구항 14에 있어서,
    상기 복수의 제 2 개구부들은 상기 제 1 층에서 에칭되는, 이식가능 전극 어레이 어셈블리를 구성하는 방법.
  26. 전기 자극을 발생시키도록 구성된 자극 발생기;
    적어도 하나의 척추뼈에 연결할 수 있는 근위 말단 부분 및 척수를 따라 위치할 수 있는 원위 말단 부분을 갖는 이식가능 전극 어레이 어셈블리로서, 상기 근위 말단 부분이 상기 원위 말단 부분 상에 위치한 복수의 전극들에 대한 복수의 전기 접속부들을 갖는, 상기 이식가능 전극 어레이 어셈블리;
    상기 적어도 하나의 척추뼈에 연결되고 상기 어셈블리를 상기 적어도 하나의 척추뼈를 연결시키도록 구성된 기초판; 및
    상기 기초판 및 상기 자극 발생기에 연결된 복수의 와이어들로서, 상기 복수의 와이어들이 상기 자극 발생기에 의해 발생된 전기 자극을 상기 기초판에 전도하도록 구성되고, 상기 기초판은 상기 전기 자극을 상기 어셈블리의 상기 근위 말단 부분의 상기 복수의 전기 접속부들에 전도하도록 구성되는, 상기 복수의 와이어들을 포함하는, 시스템.
  27. 청구항 26에 있어서,
    상기 기초판에 연결되고 상기 어셈블리의 상기 근위 부분의 적어도 일부분을 돌출시키도록 위치하여 상기 어셈블리를 외부 이동 조직으로부터 보호하는 것에 도움을 주는 돌출 부분을 더 포함하는, 시스템.
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