WO2006116968A2 - Biostabile neuroelektrode - Google Patents

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WO2006116968A2
WO2006116968A2 PCT/DE2006/000720 DE2006000720W WO2006116968A2 WO 2006116968 A2 WO2006116968 A2 WO 2006116968A2 DE 2006000720 W DE2006000720 W DE 2006000720W WO 2006116968 A2 WO2006116968 A2 WO 2006116968A2
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    • A61N1/04—Electrodes
    • A61N1/05—Electrodes for implantation or insertion into the body, e.g. heart electrode
    • A61N1/0526—Head electrodes
    • A61N1/0541—Cochlear electrodes

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for electrical stimulation and signal acquisition of neuronal tissue. More particularly, this invention relates to a multi-channel neuroelectrode for excitation of neurons in internal neuronal layers or internal fibers of a nerve, which is particularly stable for long-term applications.
  • cortical neurons which are located a few millimeters below the surface
  • two different types of electrodes are known: surface electrodes and penetrating electrodes.
  • the ones on the market Cortical implants currently use surface electrodes placed and attached over the target area.
  • the main disadvantage of this solution is that it requires very high currents to excite neurons in order to be able to address the low-lying neurons.
  • metal lines are used to connect electrodes to the associated electronic components.
  • the associated technological challenge - to combine the high number (100-1000) of required lines with the electronic components, is solved by a special process.
  • connections are made such that the leads become the base element of neuroelectrodes, minimizing the total volume of the junctions. This allows a space-saving construction of larger electrode arrays with hundreds or even thousands of electrodes.
  • microcapillaries These at the same time also serve as electrical insulators for the electrical lines.
  • microcapillaries To ensure the long-term stability of neuroelectrodes, the interior of microcapillaries is filled with a bioactive substance that prevents overgrowth of electrodes. Feeling also takes place in a special vacuum process.
  • Figure 1 the representation of an electrode array for
  • FIG. 5 Construction of an electrode array
  • FIG. 6 Arrangement of electrodes on the substrate
  • Figure 7 The filling of microcapillaries with the bioactive
  • FIG. 8 Realization of a neuroelectrode
  • Fig. 1 shows a possible use of neuroelectrodes for the stimulation and derivation of signals in cortical layers of the brain.
  • the structure of the visual cortex is shown schematically in several layers. From the neurophysiological investigations it is known that different layers in the cortex for different Representation forms of information are responsible.
  • the information of so-called P and M reception fields of the retina which are responsible for the contrast and the movement, is conducted into the layer IV.
  • the information about the absolute brightness is in the layer I. Since the layer I on the surface of the brain and the layer IV are at a depth of about 1-2 mm, it is necessary to realize electrodes of different lengths in an electrode array.
  • the electrode lengths should stochastically deviate from the optimum length so that at least some of the electrodes achieve the optimal placement in the layer IV.
  • other cortical areas are also built up, so it is absolutely necessary to be able to vary the electrode lengths.
  • an electrode array to the patient, in which the surface structure of the brain is determined by means of a 3D scan and the structure of the layer structure is determined by means of a functional investigation.
  • the data obtained on the three-dimensional structure of the brain is used to adjust the electrode lengths in the manufacture of electrodes. This adjusts the electrode array exactly to the structure of the patient's brain.
  • Fig. 2a shows an advantageous embodiment of the electrode.
  • an electrode 2 is constructed and connected by means of a conductor 3 with the electronic components.
  • a substrate 1 both rigid and flexible materials can be used. If the substrate 1 is flexible, the whole electrode array can also be flexibly adapted to the surface of the brain or a nerve.
  • One particular type of substrate is electronic circuit boards or integrated circuit semiconductor. In these cases, for example, electrodes 2 are built directly on the surface of the integrated circuit, eliminating the need for additional connections between the electronic components and the electrodes. This significantly reduces the overall size of the electrode array.
  • a thin wire 4 made of gold, aluminum, platinum or other conductive materials forms the base of the electrode 2. The wire 4 is connected to the conductor 3 in a welding, gluing or soldering process.
  • the shape of the pad 5 depends on the connection method. In the preferred embodiment, a so-called thermo-compression ultrasonic ball-wedge bonder is used, therefore, the pad 5 assumes a nearly spherical shape.
  • a micro capillary 6 On the wire 4, we put a micro capillary 6.
  • microcapillaries of different materials can be used.
  • the use of polymers such as PVC, PI, PTFE or others produces flexible electrodes. These are sufficiently rigid to penetrate the nerve tissue and can simultaneously avoid the harder tissues such as blood vessels. This reduces the damage to blood vessels during implantation. If the fabric is covered with another protective layer, rigid electrodes may be of advantage. In this case, microcapillaries 6 made of glass, ceramic, metal or other materials are used which have greater rigidity.
  • the length of the microcapillary 6 is selected so that a part of the wire 4 projects beyond the upper edge of the microcapillary 6. This part will later form the electrode tip 9 to the neuronal tissue.
  • the microcapillary 6 is held on the wire 4 with an adhesive 7. With the same adhesive 7, the electrodes 2, in the given to the surface of the substrate 1 angle, held.
  • an adhesive 7 can Epoxy resin, silicone or other materials are used, which change after use from the liquid state in an amorphous or hard state. The liquid state when applying the adhesive 7 is then required, even if the interior of the capillary 6 is to be filled sufficiently. Optimum filling of the electrode 2 is determined by the selection of the adhesives 7 and the machining, so that a part of the electrode for the biosubstance 10 remains free.
  • the open end of the wire 4 is coated with the electrode material.
  • the coating improves electrochemical and mechanical properties of the electrode tips 9.
  • the coating process depends on the electrode material used. In the preferred embodiment, such metals as platinum, iridium, palladium, steel alloys, gold or others are deposited in a galvanic process. Likewise, other coating methods such as melt or vapor deposition can be used.
  • the electrode 2 is filled in a bath with the biosubstance 10.
  • a plurality of microcapillaries 6 made of plastic can be built up on a common carrier by the use of high-aspect-rate structuring methods such as LIGA TM, for example, and connected together onto the wires 4.
  • high-aspect-rate structuring methods such as LIGA TM, for example
  • a coating of epoxy resin, PI, PTFE, glass, parylene or other suitable non-conductive materials can be used instead of microcapillaries 6.
  • One particular type of electrode is the use of the pad 5 without the wire 4.
  • the pad 5 by its spherical shape is very well suited to excite neurons on the surface of the nerve tissue.
  • a combination of penetrating and surface electrodes ensures simultaneous excitation of different layers in the tissue.
  • Fig. 2b shows a further advantageous embodiment of the electrode 11.
  • special alloys e.g. PtIr used as electrode material. Due to better mechanical and electrochemical properties, such alloys are widely used in neurophysiology. Since the deposition processes of such alloys are often very complicated and unreliable, a further advantageous embodiment of the neuroelectrode is presented by the use of wire-like lines 12 of said alloys.
  • Electrode material 9 This is also used when a larger layer thickness of the electrode material 9 is required by the material removal during the stimulation.
  • Many precious metals such as Pt, Ir, Au or others can rarely be deposited to a thickness greater than 10 ⁇ m.
  • further coatings or so-called activations of electrodes can be made.
  • Pt or Ir the surface is often "activated" by oxide formation in a further processing step, allowing for better charge transfer during stimulation.
  • Fig. 2c shows a further advantageous embodiment of the electrode 13. In contrast to the previous versions this has no protruding end of the lead 4. This allows the derivation of signals as well as the stimulation much more precisely performed in the local area around the electrode tip.
  • Fig. 2d shows a further advantageous embodiment of the electrode.
  • the electrode 14 is formed from a metal cannula 15 and optionally provided with a non-conductive coating 16 of a polymer such as PI, PTFE, PVC, parylene or others.
  • Fig. 3a-c show further advantageous embodiments of the electrode.
  • the substrate 1 is provided with a series of openings 17 corresponding to the outer diameter of microcapillaries 6. At the edge of the openings 17 are printed conductors 3 which are connected to the electrical components.
  • a solder, glue or weld joint 18, 5 e.g., wedge-wedge bonder is used to make electrical contact with the wire 4, 12 inside the microcapillary 6.
  • Fig. 4 shows further advantageous embodiment of the electrode.
  • the electrodes 14 are constructed in a needle-shaped, so that upon insertion into the tissue, the resistance is reduced.
  • the container 19 for cell cultures or Bioeducationensubstanzen is mounted on the substrate 1.
  • the contents of the container through the micro capillary 14 into the tissue is applied. This process can be controlled externally, with the depth of the application can be changed.
  • the bioactive substance or cell cultures are distributed in a larger volume in the tissue and stimulated to growth by means of electrical stimulation.
  • FIG. 5 shows a three-dimensional array 21 of a plurality of electrodes 2.
  • the implantation of electrodes 2 takes place in groups of 10-100 electrodes, which are fastened on a common substrate 1.
  • the arrangement of electrodes 2 (FIG. 6) on the substrate 1 can be either regular (FIG. 6a) or irregular (FIG. 6b), or even predetermined by an anatomical or physiological particularity.
  • electrodes are placed in an irregular pattern so that the real resolution of perception remains constant.
  • the central areas are significantly higher at about the same number of electrodes than at the periphery.
  • the consideration of the topographic image in the visual cortex enhances this effect, and allows significant reduction in the number of electrodes in the constant quality of perception or a significant improvement in the quality of perception in the constant number of electrodes.
  • FIG. 7 shows a device 22 for filling electrodes with the bioactive substance 10.
  • the electrode array 21 is fastened on a manipulator 23.
  • the container 22 is partially filled with the bioactive substance 10 in the liquid state.
  • a gas pump 24 generates the negative pressure in the container 22.
  • the negative pressure should be chosen so that the biosubstance 10 is not damaged.
  • the electrode array 21 is immersed with the electrode tips 9 in the biosubstance, wherein the liquid biomass through the capillary filling the interior of microcapillaries 6.
  • the array 21 is then connected taken out of the container 22 and can be removed or packaged after restoring the normal pressure.
  • the overgrowth of the electrodes with the glial cells is significantly slowed or even stopped.
  • the bioactive substances 10 such as neurotrophins or growth factors
  • the overgrowth of the electrodes with the glial cells is significantly slowed or even stopped.
  • growth factors specific groups of neurons can be targeted to grow.
  • Selective activation by growth factors in combination with electrical stimulation accelerates the regeneration of neuronal tissue.
  • the diffusion rate is controlled by the size and number of openings 8 and biochemical properties of biosubstances.
  • FIG. 8 Investigations of test structures (FIG. 8) have shown that a fully automatic production of described neuroelectrodes is possible by the use of micromanipulators and automatic bonders. Mechanical tests in a tissue-like substance and animal experimental testing showed both sufficient mechanical stability during implantation, as well as excellent long-term stability after several months in the tissue.

Abstract

Vorrichtung zur Ableitung von elektrischen Signalen bzw. zur elektrischen Stimulation vom neuronalen Gewebe. Neuroelektroden bilden ein Interface zwischen dem biologischen Gewebe und technischen Systemen. Existierende Neuroelektroden zur Kontaktierung von tiefliegenden neuronalen Schichten verschlechtern deren Eigenschaften durch die Interaktion mit biologischem Gewebe. Zur Verbesserung vom Langzeitverhalten werden mit den Bioaktivensubstanzen gefüllte Neuroelektroden eingesetzt. Die Neuroelektrode wird auf einem flexiblen oder starren Substrat, mit Hilfe einer Leitung und einer Mikrokapillare aufgebaut. Das Innere der Mikrokapillare dient als Behälter für die Bioaktivensubstanz. Biostabile Neuroelektrode wird zur Ableitung von elektrischen Signalen oder zur elektrischen Anregung von neuronalem Gewebe in der Neurologie und Neurophysiologie eingesetzt.

Description

Patentanmeldung: Biostabile Neuroelektrode
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur elektrischen Stimulation und Signalaufnahme von neuronalem Gewebe. Genauer gesagt betrifft diese Erfindung eine mehrkanalige Neuroelektrode zur Anregung von Neuronen in inneren neuronalen Schichten bzw. von inneren Fasern eines Nervs, die durch eine besondere Stabilität für die Langzeitanwendungen geeignet ist.
Mit der Entwicklung von Neuroimplantaten zur Korrektur von solchen Behinderungen wie die Gehörlosigkeit oder Erblindung wurde eine praktische Möglichkeit zur Korrektur von weiteren neurologischen Behinderungen wie z.B. Querschnitts- Behinderungen aufgezeichnet. Wenn die erste Cochlea und Retina Implantate zur Übermittlung von Informationen sensorische Neuronen in den Sinnenorganen wie Cochlea oder Netzhaut ausnutzen, besteht bei anderen Anwendungen die Notwendigkeit eine direkte Verbindung mit Neuronen von verschiedenen kortikalen Regionen herzustellen. In meisten Fällen liegen diese relative tief unter der kortikalen Oberfläche und sind schwer zugängig.
Um eine Verbindung mit kortikalen Neuronen, die einige Millimeter unter der Oberfläche sich befinden, sind zwei verschiedene Elektrodenarten bekannt: Oberflächenelektroden und penetrierende Elektroden. Die auf dem Markt befindlichen kortikalen Implantate setzten z.Z. Oberflächenelektroden ein, die über dem Zielgebiet platziert und befestigt werden. Das Hauptnachteil dieser Lösung besteht darin, dass für die Anregung von Neuronen sehr hohe Ströme erforderlich sind, um die tief liegende Neuronen ansprechen zu können.
Als Alternative wurde eine Reihe von penetrierenden Elektroden entwickelt, die aus mehreren nadelartigen Elektroden bestehen. In dem Patent US5215088 ist ein Elektrodenarray beschrieben, mit dem die Ableitung von elektrischen Impulsen aus inneren kortikalen Schichten möglich ist. Einsatz dieses Arrays als Neurostimulator zeigt einige Nachteile dieser Lösung: durch die Verwendung vom dotiertem Silizium als Elektrodenmaterial steigen elektrische Verluste in jeder Elektrode, weil die Impedanz im Bereich von 300-800 KOhm liegen kann. Damit steigt einerseits der Energieverbrauch des Neuroimplantates und anderseits erhöht sich die thermische Belastung des nerven Gewebes in der Nähe von Elektroden. Ein weiteres Problem stellt die Herstellung von Elektrodenprofilen wie in Fig. 1 gezeigt ist. Ein solches Profil ist für die Stimulation von unterschiedlichen kortikalen Schichten erforderlich, die z.B. wie im visuellen Kortex für verschiedene sensorische Darstellung des Bildes zuständig sind.
Eine weitere Ausführung von penetrierenden Elektroden ist in der Patentanmeldung US2003/0176905 beschrieben. Diese Ausführung verfügt zwar über hervorragende elektrische Eigenschaften, ist aber nur für den akuten Einsatz geeignet, da die Elektroden wegen enormer Größe von Verbindungselementen nicht vollimplantierbar aufgebaut werden können. Gleichzeitig ist die Steifigkeit von beschriebenen Elektroden nicht ausreichend um die Nerven zu penetrieren. Anderes gemeinsames Problem von Neuroelektroden stellt die Langzeitstabilität von elektrochemischen Eigenschaften dar. Durch eine Interaktion mit biologischem Gewebe bewachsen die Elektroden mit einer Art Schutzschicht aus Gliazellen, die zur deutlichen Erhöhung von Stimulationsschwellen und zur Verschlechterung der Signalqualität führt. Die Untersuchungen von Branner et al. (2004) haben gezeigt, dass nach weniger als 6 Monaten im Körper ca. 20% der Elektroden nicht mehr verwendbar sind. Da angestrebte Lebensdauer von Neuroimplantaten mehr als 10 Jahre beträgt, kann dies zum vollständigen Ausfall des Neurostimulators führen.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine penetrierende Neuroelektrode zur Stimulation und Signalaufnahme vom neuronalen Gewebe zu schaffen, die sichere und stabile Funktion des Neuroimplantates über längere Zeiträume gewährleistet.
Damit die elektrische Verlustleistung in den Elektroden möglichst klein gehalten wird, werden Metallleitungen zum Anschluss von Elektroden an die dazugehörige elektronische Komponenten verwendet. Die damit verbundene technologische Herausforderung - die hohe Anzahl (100-1000) an erforderlichen Leitungen mit den elektronischen Komponenten zu verbinden, wird durch einen speziellen Verfahren gelöst.
Die Verbindungen werden so realisiert, dass die Leitungen zum Basiselement von Neuroelektroden werden, wodurch der gesamt Volumen der Verbindungsstellen minimiert wird. Dies ermöglicht einen platzsparenden Aufbau von größeren Elektroden-Arrays mit Hunderten oder sogar Tausenden von Elektroden.
Die erforderliche mechanische Stabilität von Elektroden wird durch die Verwendung von Mikrokapillaren erreicht. Diese dienen gleichzeitig auch als elektrische Isolatoren für die elektrischen Leitungen.
Damit die Langzeitstabilität von Neuroelektroden gewährleistet wird, wird das Innere von Mikrokapillaren mit einer bioaktiven Substanz gefüllt, die das Bewachsen von Elektroden verhindert. Das Befühlen erfolgt ebenfalls in einem speziellen Vakuum- Verfahren.
Im folgen werden Ausführungsbeispiele von vorteilhaften Ausgestaltungen von Neuroelektroden und der dazugehörigen Verfahren anhand der Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
Figur 1: die Darstellung eines Elektrodenarrays zur
Stimulation von verschiedenen Schichten im visuellen Kortex des Menschen.
Figur 2 (a-c) : vorteilhafte Ausführungen einer biostabilen
Neuroelektrode
Figur 3 (a-c) : weitere vorteilhafte Ausführungen einer biostabilen Neuroelektrode
Figur 4 : weitere vorteilhafte Ausführungen einer biostabilen
Neuroelektrode
Figur 5: Aufbau eines Elektrodenarrays
Figur 6: Anordnung von Elektroden auf dem Substrat
Figur 7: Das Befüllen von Mikrokapillaren mit der bioaktiven
Substanz
Figur 8: Realisierung einer Neuroelektrode
Fig. 1 zeigt eine mögliche Verwendung von Neuroelektroden zur Stimulation und Ableitung von Signalen in kortikalen Schichten des Gehirns. Der Aufbau des visuellen Kortex ist schematisch in mehreren Schichten dargestellt. Aus den Neurophysiologischen Untersuchungen ist bekannt, dass verschiedene Schichten im Kortex für unterschiedliche Darstellungsformen der Information zuständig sind. Im Falle des visuellen Kortex wird z.B. die Information von so genannten P- und M- Rezeptivenfeldern der Netzhaut, die für den Kontrast und die Bewegung zuständig sind, in die Schicht IV geleitet. Die Information über die absolute Helligkeit dagegen in die Schicht I. Da die Schicht I auf der Oberfläche des Gehirns und die Schicht IV in einer Tiefe von ca. l-2mm liegen, ist es erforderlich in einem Elektrodenarray Elektroden verschiedener Länge zu realisieren. Nun mehr, da die Tiefe von der Schicht IV unregelmassig ist, sollten die Elektrodenlängen stochastisch von der optimalen Länge abweichen, damit zumindest ein Teil der Elektroden die optimale Platzierung in der Schicht IV erreicht. Nach dem gleichen mehrschichtigen Prinzip sind auch andere kortikale Bereiche aufgebaut, daher ist es absolut erforderlich die Elektrodenlängen variieren zu können.
Ferner ist es möglich eine genaue Anpassung eines Elektrodenarrays an den Patienten durchzuführen, in dem mittels eines 3D-Scannes die Oberflächenstruktur des Gehirns und mit Hilfe einer funktionellen Untersuchung der Aufbau der Schichtstruktur ermittelt wird. Die gewonnene Daten über die dreidimensionale Struktur des Gehirns wird zur Anpassung der Elektrodenlängen bei der Herstellung von Elektroden verwendet. Damit wird das Elektrodenarray genau an die Struktur des Gehirns des Patienten angepasst.
Fig. 2a zeigt eine vorteilhafte Ausführung der Elektrode. Auf einem Substrat 1 wird eine Elektrode 2 aufgebaut und mit Hilfe einer Leiterbahn 3 mit den elektronischen Komponenten verbunden. Als Substrat 1 können sowohl starre als auch flexible Materialien eingesetzt werden. Wenn das Substrat 1 flexibel ist, kann auch das ganze Elektrodenarray flexibel an die Oberfläche des Gehirns oder eines Nervs angepasst werden. Eine spezielle Art von Substraten bilden elektronische Leiterplatten oder Halbleiter mit integrierten Schaltungen. In diesen Fällen werden Elektroden 2 beispielsweise direkt auf der Oberfläche der integrierten Schaltung aufgebaut, wodurch zusätzliche Verbindungen zwischen den elektronischen Komponenten und den Elektroden unnötig sind. Dadurch wird die Gesamtgröße des Elektrodenarrays deutlich verringert. Ein dünner Draht 4 aus Gold, Aluminium, Platin oder anderen leitenden Materialien bildet die Basis der Elektrode 2. Der Draht 4 wird in einem Schweiß-, Kleber- oder Lötverfahren mit der Leiterbahn 3 verbunden. Die Form der Kontaktstelle 5 hängt von der Verbindungsmethode ab. In der bevorzugten Ausführung wird ein so genannter Thermokompressionsultraschall - Ball - Wedge Bonder eingesetzt, daher nimmt die Kontaktstelle 5 eine nahezu sphärische Form an. Auf den Draht 4 wir eine Mikrokapillare 6 aufgesteckt. Abhängig von der Anwendung können Mikrokapillaren aus verschiedenen Materialien eingesetzt werden. Durch die Verwendung von Polymeren wie PVC, PI, PTFE oder anderen werden flexible Elektroden hergestellt. Diese sind ausreichend steif um ins Nervengewebe einzudringen und können gleichzeitig den härteren Gewebearten wie Blutgefässen ausweichen. Dies vermindert die Schädigung von Blutgefässen bei der Implantation. Wenn das Gewebe mit einer weiteren Schutzschicht bedeckt ist, können starre Elektroden vom Vorteil sein. In diesem Fall werden Mikrokapillaren 6 aus Glass, Keramik, Metall oder anderen Materialien verwendet, die über größere Steifigkeit verfügen. Die Länge der Mikrokapillare 6 wird so gewählt, dass ein Teil vom Draht 4 über die obere Kante der Mikrokapillare 6 herausragt. Dieses Teil wird später die Elektrodenspitze 9 zum neuronalen Gewebe bilden. Die Mikrokapillare 6 wird mit einem Klebstoff 7 auf dem Draht 4 gehalten. Mit dem gleichen Klebstoff 7 werden auch die Elektroden 2, im vorgegebenen zur Oberfläche des Substrates 1 Winkel, gehalten. Als Klebstoff 7 kann Epoxydharz, Silikon oder andere Materialien eingesetzt werden, die nach der Anwendung aus dem flüssigen Zustand in einen amorphen bzw. harten Zustand übergehen. Der flüssige Zustand beim Auftragen des Klebstoffes 7 ist dann erforderlich, wenn auch das Innere der Kapillare 6 ausreichend gefüllt werden soll. Durch die Auswahl der Klebstoffe 7 und der Bearbeitung wird optimale Befüllung der Elektrode 2 ermittelt, damit ein Teil der Elektrode für die Biosubstanz 10 frei bleibt. Zur besseren Kontrolle der Verklebung wird eine Reihe von Öffnungen 8 realisiert. Diese ermöglichen später einfachere Befüllung mit der Biosubstanz 10. Vor dem Befüllen mit der Bioaktivensubstanz 10 wird das offene Ende des Drahtes 4 mit dem Elektrodenmaterial beschichtet. Die Beschichtung verbessert elektrochemische und mechanische Eigenschaften den Elektrodenspitzen 9. Der Beschichtungsprozess hängt vom eingesetzten Elektrodenmaterial ab. In der bevorzugten Ausführung wird in einem galvanischen Prozess solche Metalle wie Platin, Iridium, Palladium, Stahllegierungen, Gold oder andere abgeschieden. Ebenso können andere Beschichtungsverfahren wie Schmelze oder Aufdampfen eingesetzt werden. Schließlich nach der abschließenden Bearbeitung, Reinigung und ggf. Sterilisation wird in einem Bad mit der Biosubstanz 10 die Elektrode 2 befüllt. Zur Automatisierung der Elektrodenherstellung, können mehrere Mikrokapillaren 6 aus Kunststoff durch die Verwendung von High-Aspect Rate Strukturierungsverfahren wie LIGA™ zum Beispiel, auf einem gemeinsamen Träger aufgebaut und anschließen gemeinsam auf die Drähte 4 aufgesteckt werden. Damit die Drähte 4 elektrisch isoliert werden und ausreichende mechanische Steifigkeit aufweisen, kann statt Mikrokapillaren 6 eine Beschichtung aus Epoxydharz, PI, PTFE, Glass, Parylen oder anderen geeigneten nicht leitenden Materialien verwendet werden. Durch eine mechanische, chemische, thermische oder elektrische Bearbeitung von Elektrodenspitzen 9, werden diese vom Isolationsmaterial freigelegt und können ggf. mit einem weiteren Elektrodenmaterial beschichtet werden.
Eine spezielle Art von Elektroden stellt die Verwendung von der Kontaktstelle 5 ohne den Draht 4 dar. Die Kontaktstelle 5 durch ihre sphärische Form ist sehr gut zur Anregung von Neuronen auf der Oberfläche des nerven Gewebes geeignet ist. Durch eine Kombination von penetrierenden und Oberflächen- Elektroden wird gleichzeitige Anregung von verschiedenen Schichten im Gewebe gewährleistet.
Fig. 2b zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführung der Elektrode 11. Oft werden spezielle Legierungen wie z.B. PtIr als Elektrodenmaterial eingesetzt. Durch bessere mechanische und elektrochemische Eigenschaften sind solche Legierungen in der Neurophysiologie weit verbreitet. Da die Abscheidungs- Verfahren von solchen Legierungen oft sehr kompliziert und unzuverlässig ablaufen, wird durch den Einsatz von drahtartigen Leitungen 12 aus genannten Legierungen eine weitere vorteilhafte Ausführung des Neuroelektrode vorgestellt .
Diese kommt auch dann zum Einsatz, wenn durch den Materialabtrag während der Stimulation eine größere Schichtdicke vom Elektrodenmaterial 9 erforderlich ist. Viele Edelmetalle wie Pt, Ir, Au oder andere lassen sich selten bis auf eine Schicht dicke von mehr als lOum abscheiden. Zusätzlich können weitere Beschichtungen bzw. so genannte Aktivierungen von Elektroden vorgenommen werden. Beim Einsatz von Pt oder Ir wird die Oberfläche oft in einem weiterem Bearbeitungsschritt durch eine Oxyd - Bildung „aktiviert", was eine bessere Ladungsübertragung während der Stimulation ermöglicht .
Fig. 2c zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführung der Elektrode 13. Im Gegenteil zu den vorherigen Ausführungen besitzt diese, keine herausragende Ende der Leitung 4. Dadurch kann die Ableitung von Signalen sowie die Stimulation viel präziser im lokalen Bereich um die Elektrodenspitze durchgeführt werden.
Fig. 2d zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführung der Elektrode. Die Elektrode 14 wird aus einer metallischen Kanülle 15 geformt und ggf. mit einer nicht leitenden Beschichtung 16 aus einem Polymer wie PI, PTFE, PVC, Parylen oder anderen versehen.
Fig. 3a-c zeigen weitere vorteilhafte Ausführungen der Elektrode. Das Substrat 1 wird mit einer Reihe von Öffnungen 17 entsprechend dem Außendurchmesser von Mikrokapillaren 6 versehen. Am Rande der Öffnungen 17 befinden sich Leiterbahnen 3 die mit den elektrischen Komponenten verbunden sind. Mit Hilfe einer Löt-, Kleber- oder Schweißverbindung 18, 5 (z.B. Wedge-Wedge Bonder) wird ein elektrischer Kontakt zum Draht 4, 12 im Inneren der Mikrokapillare 6 hergestellt.
Fig. 4 zeigt weitere vorteilhafte Ausführung der Elektrode. Durch den Einsatz von Mikrokapillaren besteht die Möglichkeit gleichzeitig mit der elektrischen Stimulation bioaktive Substanzen oder Zellkulturen in die Gewebe zu applizieren. Ganze Reihe von neuroregenerativen Ansätzen verwendet eine Kombination aus verschiedenen therapeutischen Mitteln zur Wiederherstellung vom neuronalen Gewebe und zur funktionalen Regeneration des Gewebes. Die Elektroden 14 werden nadeiförmig aufgebaut, damit bei der Einführung ins Gewebe der Widerstand reduziert wird. Der Behälter 19 für Zellkulturen oder Bioaktivensubstanzen wird auf dem Substrat 1 befestigt. Mittels einer Pumpe bzw. manuell über den Schlauch 20 wird der Inhalt des Behälters durch die Mikrokapillare 14 ins Gewebe appliziert. Dieser Prozess kann extern gesteuert werden, wobei die Tiefe der Applikation geändert werden kann. Dadurch wird in einem größren Volumen im Gewebe die bioaktive Substanz oder Zellkulturen verteilt und mit Hilfe der elektrischen Stimulation zum Wachstum angeregt.
Fig. 5 zeigt ein dreidimensionales Array 21 aus mehreren Elektroden 2. Die Implantation von Elektroden 2 erfolgt in Gruppen von 10-100 Elektroden, die auf einem gemeinsamen Substrat 1 befestigt sind. Die Anordnung von Elektroden 2 (Fig. 6) auf dem Substrat 1, kann sowohl regelmassig (Fig. 6a) als auch unregelmassig (Fig. 6b) sein, oder sogar durch eine anatomische oder physiologische Besonderheit vorgegeben werden. Zur Optimierung der örtlichen Auflösung im visuellen Körten zum Beispiel, werden Elektroden in einem unregelmäßigen Muster platziert, damit die reelle Auflösung der Wahrnehmung konstant bleibt. Die zentralen Bereiche sind bei etwa gleicher Anzahl an Elektroden deutlich hohe als an der Peripherie aufgelöst. Die Berücksichtigung der topographischen Abbildung im visuellen Kortex verstärkt dieser Effekt, und ermöglicht signifikante Reduktion der Elektrodenzahl bei der konstanten Qualität der Wahrnehmung oder eine deutliche Verbesserung der Wahrnehmungsqualität bei der konstanten Elektrodenzahl.
Fig. 7 zeigt eine Vorrichtung 22 zum Befüllen von Elektroden mit der Bioaktivensubstanz 10. In einem gasdicht verschlossenen Behälter 22 wird auf einem Manipulator 23 das Elektrodenarray 21 befestigt. Der Behälter 22 wird zum Teil mit der Bioaktivensubstanz 10 im flüssigen Zustand gefüllt. Eine Gaspumpe 24 erzeugt den Unterdrück in dem Behälter 22. Der Unterdruck soll, so gewählt werden, damit die Biosubstanz 10 nicht beschädigt wird. Das Elektrodenarray 21 wird mit den Elektrodenspitzen 9 in die Biosubstanz getaucht, wobei die flüssige Biosubstanz durch die Kapillarwirkung das Innere von Mikrokapillaren 6 befüllt. Anschließen wird das Array 21 aus der Flüssigkeit herausgenommen und kann, nach dem Wiederherstellen des normalen Druckes, aus dem Behälter 22 entnommen bzw. verpackt werden.
Nach der Implantation ins Gewebe durch die Diffusion der Bioaktivenstoffe 10 wie Neurotrophine bzw. Wachstumsfaktoren, wird das Bewachsen der Elektroden mit den Gliazellen deutlich verlangsamt oder sogar gestoppt. Durch die Verwendung von Wachstumsfaktoren, können gezielt bestimmte Gruppen von Neuronen zum Wachsen gebracht. Durch eine selektive Aktivierung durch Wachstumsfaktoren in der Kombination mit der Elektrischen Anregung wird die Regeneration des neuronalen Gewebes beschleunigt. Die Diffusionsgeschwindigkeit wird durch die Größe und Anzahl von Öffnungen 8 und biochemische Eigenschaften von Biosubstanzen gesteuert.
Untersuchungen von Teststrukturen (Fig. 8) haben gezeigt, dass eine vollautomatische Fertigung von beschriebenen Neuroelektroden durch den Einsatz von Mikromanipulatoren und automatischen Bondern möglich ist. Mechanische Tests in einer gewebeartigen Substanz und tierexperimentelle Erprobung zeigten sowohl ausreichende mechanische Stabilität während der Implantation, als auch hervorragende Langzeitstabilität nach mehreren Monaten im Gewebe.

Claims

Patentansprüche
1. Eine Vorrichtung zur Ableitung von elektrischen Signalen und zur Stimulation vom biologischen Gewebe, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus folgenden Komponenten besteht: a. einem flexiblen und/oder starren Substrat aus elektrisch leitendem oder nicht leitendem Material, b. einem oder mehreren Elektroden c. die auf der Substartüberflache regelmäßig und/oder unregelmäßig zu einander und dem Substart angeordnet sind d. und gleiche und/oder unterschiedliche Längen aufweisen.
2. Vorrichtung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat über elektrische Leiterbahnen verfügt
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode über eine innere elektrische Leitung verfügt
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die innere elektrische Leitung aus einem Draht, einem Band oder einer Folie aufgebaut wird
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere elektrische Leitung bevorzugt aus Gold, Platin, Aluminium, Kupfer, Iridium, Palladium, rostfreiem Stahl oder deren Legierungen besteht
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die innere elektrische Leitung der Elektrode mit einem nicht elektrisch leitendem Material isoliert ist
7. Vorrichtung nach dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolation in Form einer Kapillare mit dem Außendurchmesser von lOμm bis 200μm verwendet wird
8. Vorrichtung nach dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolation in Form einer Kapillares mit dem Außendurchmesser von 200μm bis lOOOμm verwendet wird
9. Vorrichtung nach dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolation in Form einer Kapillares mit dem Außendurchmesser von mindestens von lOOOμm verwendet wird
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ende der inneren elektrischen Leitung der Elektrode mit dem elektrisch leitendem Substrat und/oder zumindest einer Leiterbahn verbunden ist
11. Vorrichtung nach dem Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillare einem Polymer wie Polyimid (PI), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyetheretherketon (PEEK), Polymethylmethacrylat (PMMA), PVC, Silikon oder Parylen hergestellt wird
12. Vorrichtung nach dem Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillare aus Metall, Keramik oder Glass hergestellt wird
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillare mit zumindest einer Öffnung ausgestattet ist
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Isolation eine Beschichtung aus Epoxydharz, Glass, Parylen oder Diamant verwendet wird
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Isolation ein Polymer bevorzug Polyimid (PI) , Polytetrafluorethylen (PTFE) , Polyetheretherketon (PEEK), Polymethylmethacrylat (PMMA), PVC oder Silikon verwendet wird
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verbinden der elektrischen Leitung mit dem Substrat oder der Leiterbahn eine mechanische Verbindung verwendet wird
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verbinden der elektrischen Leitung mit dem Substrat oder der Leiterbahn eine Lötverbindung verwendet wird
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verbinden der elektrischen Leitung mit dem Substrat oder der Leiterbahn eine elektrisch leitende Klebeverbindung verwendet wird
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verbinden der elektrischen Leitung mit dem Substrat oder der Leiterbahn eine Schweißverbindung verwendet wird
20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der elektrischen Leitung mit dem Substrat oder der Leiterbahn in einem Bondverfahren hergestellt wird
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokapillare mit einer biologischen oder chemischen Substanz gefüllt wird
22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokapillare mit Neurotrophinen gefüllt wird
23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokapillare mit Wachstumsfaktoren gefüllt wird
24. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode mit einem Kleber oder Gießharz auf dem Substrat befestigt wird
25. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode in einer Öffnung im Substrat befestigt wird
26. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Befestigung der Elektrode Epoxydharz, Silikon, Polyimid oder flüssiges Glass verwendet wird
27. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ende des Drahtes über die Kapillarkante herausragt
28. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des herausragenden Ende des Drahtes mindestens lOμm beträgt
29. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des herausragenden Ende des Drahtes weniger als lOμm beträgt
30. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtende mit einer leitenden Beschichtung versehen ist
31. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beschichtung des Drahtes bevorzugt Gold, Platin, Aluminium, Kupfer, Iridium, Palladium, rostfreiem Stahl oder deren Legierungen verwendet werden
32. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beschichtung IrOx, TiN, Platin-Black, Platin-Gray, Nanoröhrchen oder eine andere fraktale Beschichtung verwendet wird
33. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillare aus einer metallischen Kanüle besteht
34. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanüle mit einer isolierenden Beschichtung aus Polyimid (PI), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyetheretherketon (PEEK), Polymethylmethacrylat (PMMA) , PVC oder Silikon verwendet versehen ist
35. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass Elektroden in Gruppen von 9 bis 64 Elektroden auf einem Substrat aufgebaut werden
36. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass Elektroden in Gruppen von 65 bis 256 Elektroden auf einem Substrat aufgebaut werden
37. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass Elektroden in Gruppen von mindestens 257 Elektroden auf einem Substrat aufgebaut werden
38. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine rechteckige oder runde Form hat
39. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Freiform besitzt
40. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat mit einem Behälter für Flüssigkeiten ausgestattet ist
41. Vorrichtung zum Befüllen von Elektroden, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus einem gasdichtverschlossenen Behälter und einem Manipulator zum Tauchen von Elektroden besteht
42. Vorrichtung nach dem Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Elektrode auf dem Manipulator befestigt wird
43. Vorrichtung nach dem Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter mit der einer Flüssigkeit teilweise gefüllt wird
44. Vorrichtung nach dem Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter mit einer Pumpe zum Erzeugen des Unterdruckes verbunden ist
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