[发明专利]用于将植入式电极耦合到神经组织的设备和方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及从植入式器件延伸的拓扑结构，该器件用于对生物组织进行电刺激和/或检测。具体而言，本发明涉及从可植入医疗装置的电极延伸、以改善神经元-电极耦合的纳米级拓扑结构。

背景技术

将电极长期植入人体之内来刺激神经和肌肉组织。例如，这种长期植入的电极被用在起搏器中，用于帕金森病的深度脑刺激，以及用于瘫痪者的功能性电刺激。类似的长期植入电极也可以通过记录动作电位或场电位来记录神经或肌肉活动(例如，用于控制假体和用于深度脑刺激(DBS)的闭环系统)。

由于在电极植入过程中会造成外伤，因此通常电极周围的组织会有急性炎症反应。在大约几天或几周后急性炎症消退之后，免疫系统做出反应，在外来物(例如植入的电极)周围形成包被组织层。该包被组织层防止了电极和周围神经组织之间的直接接触。没有直接接触对于记录电极来说非常相关，因为来自神经元的信号非常微弱，而在几周到几个月之后，包被层可能会导致电极和神经组织之间的接触不良。刺激电极不会受这样大的影响，因为可以提高刺激的幅度来补偿耦合效率的降低。不过，提高刺激幅度导致成本增加，因为能耗增大且所植入的电池寿命缩短。电池寿命缩短还意味着要更频繁地更换电池，从而必须要进行更多次外科手术来更换电池。此外，提高刺激信号的幅度可能会降低刺激的空间分辨率(作用于更大的体积，由于组织的异质性导致可控刺激更少)，对于诸如用于恢复视力的视网膜植入或用于恢复瘫痪者肢体运动的功能性电刺激(FES)的应用，这一点尤其重要。更好的空间分辨率还减少了在例如DBS的应用中的副作用。此外，还设想让很多将来的可植入医疗装置将包括记录功能，以便给出反馈，用于像在闭环系统中那样控制刺激，于是需要减少或完全抑制包被组织层的形成。

即使能够完全防止形成包被组织层，电极和目标细胞仍然无法彼此直接物理接触。从细胞膜突出出来的长糖蛋白链(多糖包被(glycocalix)，例如由昆布氨酸和纤连蛋白构成)充当着围绕细胞的衬垫(cushion)，并形成细胞和电极表面之间的裂隙。对细胞培养进行的荧光干涉差显微(FLIC)测量发现，神经元和SiO₂表面(例如电极衬底)之间有50-100nm的间隙，这依赖于衬底表面上的涂层(例如，聚-L-赖氨酸、昆布氨酸)。仅仅对于人工脂囊泡(例如纯的脂质双层，无多糖包被)来说，该间隙可以减小到几乎为0nm，但对于天然细胞不行。

图1示出了向电容C_E表示的电容性电极进行非侵入细胞外耦合的等效电路图(点接触模型)。图1中的神经元由Hodgkin-Huxley膜电路模型表示。细胞膜将细胞内部与细胞外液体隔开并起到电容器的作用。向细胞膜中引入无源、电压栅控的离子沟道，容许(特定)离子通过。它们用具有恒定电导(无源沟道)和可变电导(有源沟道)的电阻器表示。由于激活例子通过细胞膜迁移(例如离子泵)，细胞内部的离子浓度与细胞外液体中的离子浓度不同。针对每种离子(例如，在Hodgkin-Huxley模型中Na、K和泄漏是相关的)，用电池表示由离子浓度差异产生的能斯脱(Nernst)电位。刺激神经元(大于发放阈的去极化刺激)导致电压栅控的离子沟道(受沟道动力学支配)瞬间打开并导致膜电位的短时(1到几毫秒)增大(大约100mV)(称为动作电位)。

对于金属电极来说，由电容和电阻的并联电路取代电容C_E。V_M为细胞内电压，g_J为细胞和电极表面之间的缝隙的区域电导。V_J为电极和细胞间裂隙(接合点)中的电压，并通过g_J被连接到接地槽。神经元由电阻的并联电路表示，该电路与根据Hodgkin-Huxley模型的对应电压源和电容串联。神经元由这些电路中的两个表示，一个用于黏着膜，一个用于自由膜。