CN101522256B - 分层电极阵列和电缆 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种制造神经刺激线路的方法。根据本发明，用激光或机械方法，切割出单独的植入式组装部件层，然后将它们叠合在一起，从而提供了一种更有效的制造高密度植入式电极阵列和电缆的方法。本发明中，可以将各植入式组装部件层熔融，然后聚结形成神经刺激线路，其中，导体和末端衬垫被封装在连续的高分子绝缘膜内。

Description

分层电极阵列和电缆

技术领域

本发明涉及一种具有生物兼容性膜的植入式医疗组装部件，膜内埋有至少一个电极和至少一根与该电极相连、向人神经提供刺激信号的导线，尤其涉及埋在生物兼容性膜内的导线设计。本发明更特别涉及形成电极阵列的方法，该电极阵列例如包括传感器如生物传感器用的阵列和植入装置如体内使用的植入式记录或刺激电极或引线。

背景技术

多年来，研究人员一直尝试通过生命神经元建立通信。目前我们都知道，对某些神经和大脑区域进行电刺激，可以传递人眼或耳朵无法再提供的信息，可以刺激麻痹肌肉，刺激自主神经，控制膀胱功能，调节心脏节律，或者可以控制假肢等等。

要做到这一点，必须在电刺激源和目标神经元之间建立电连接。为了隔离生命组织中微小区域内的电流，这种连接必须通过极细小的电极完成。这样刺激源产生的电流便可以直接注入神经内。为了减少插入电极装置及长期留置引起的机械损伤，整个电极装置和相关导线必须尽可能小，具备必需的电传导能力，而且其组成材料既不会与生命体发生反应，也不会受到机体内腐蚀性环境的破坏。

因为要使用极小的电压和电流，所以植入的电极和与其相连的导线必须高度绝缘。

而且，许多神经刺激装置需要配备大量电极，这些电极会设在神经结构附近，便于进行有效刺激。另外，神经刺激装置还需要有密闭的壳体，刺激信号和电能会在壳体内产生。因为壳体与刺激电极比起来体积较大，所以可能需要通过手术，将整个电子外壳置于远离刺激部位的位置。

所以，需要有一种导体电缆来连接该电子壳体与电极。随着电极数量日益增加，导线及导线槽的数量需要相应不断增加，继而需要传导通路数量不断增加。

因为要将导线安置在体内，所以导线必须要能经受上百万次的微小移动，以便在体内长期发挥作用。

另外，导线和电极还必须由生物耐受性和生物兼容性材料制成，这些材料不会引起生物组织发生不良反应，而且能使整个装置耐受对其不利的人体电解质环境并在其中发挥作用。

神经刺激装置的生产还应该可靠，而且制造成本不高。

使用标准技术，如铂箔激光切割或铂箔化学蚀刻，可以很容易制出铂电极和导线(如参见R.P. Frankenthal等人，Journal ofElectrochemical Society，703(123)，1976)。

或者，可以使用大家熟知的光刻法，先通过光掩模真空沉积或溅射一层薄的铂涂层，随后再用电镀法增加铂层厚度。例如，M.Sonn等人(Medical and Biological Engineering，pp.778-790，1974年11月)和M.Sonn(A Raytheon Company Publication PB-219 466，可从美国国家信息服务部、美国商务部查阅)使用聚碳氟FEP(氟化乙丙烯)等作基底，在该基底上溅射得到铂导体和电极，电极和导体图形采用光刻蚀刻法形成。

G.M. Clark等人(Journal of Laryngology and Otology，Vol.XC/No.7，p623-627，1976)公布了一种多电极带状阵列，它采用RF溅射技术在FEP上形成0.1μm薄的铂层，该铂层再用FEP绝缘，电极刺激区被暴露在外。可以将铂阵列粘合到FEP基底上，再用另外的FEP使其绝缘，电极刺激区被暴露在外。阵列结合试验表明，该阵列柔韧坚固。

H.D. Mercer等人(IEEE Transactions on BiomedicalEngineering，Vol.BME-25，No.6，1978年11月)公布了一种制作耳蜗赝复器用的微电极阵列的平面光刻技术，其中，微电极阵列由溅射铂层和薄钼钨基底构成。

G.A. May等人(IEEE Transaction on Electron Devices，Vol.ED-26，No.12，1979年12月)公布了一种采用平面光刻技术形成的八槽蓝宝石上钽多电极阵列设计，其中，根据蓝宝石的电学和机械特性，选用它做基底，用钽做导体金属，用铂做刺激电极材料。

C.R. Pon等人(Ann.Otol.Rhinol.Laryngol.98(6)66-71，1989)尝试制作标准的“环形设计”电极阵列，他们用平面光刻技术形成电极特征，将铂射频溅射到聚酰亚胺基底上，再将该基底薄膜卷成筒形，最后填充医疗级硅橡胶。

美国专利5,720,099中，J.L. Parker等人公开了一种用于制作长电极阵列组装部件的光刻技术，即，先将衬垫沉积到牺牲层上，将金属线加到衬垫中(除去光刻胶掩模时，金属线起自支持作用)，然后把金属线和衬垫埋到绝缘材料如硅弹性体中，最后除去牺牲层。该技术中比较重要的部分是，使用光刻工艺，以牺牲层作为起始基底生产电极组装部件。

对光刻领域和微电子工业中使用的电化学沉积法熟悉的技术人员应知道，目前已经发展了许多形成金属微图形及其高分子封装的成熟技术。

欧洲专利1,574,181A1中，Manrique Rodr Guez，Manuel等人公布了一种电极支持导向装置，含有该装置的耳蜗植入体及其生产方法。该电极支持导向装置由一系列基本单元叠加形成。该发明中，在基层和电传导层之间使用了黏性生物兼容材料，用于增强粘合性。

简要回顾一下目前其他组织刺激系统中有代表性的植入式医疗组装部件，对更好的理解和领悟本发明是很有帮助的。目前制造的这类植入式医疗组装部件如美国专利法6,374,143B1所述和图1-4所示。

图1是现有技术中具有生物兼容性膜的植入式医疗组装部件，膜内电极和与其相连的导线给人神经提供刺激信号。高分子膜10内设有三个电极(1、2和3)，每个电极连有一根导线8。电极1、2和3和导线8可以由生物兼容性和惰性金属如铂、钽、铑、铼、铱或其合金或两种或两种以上合金的组合和/或其金属层制成。

电极1、2和3和导线8通过惰性膜材料10被固定在合适的位置，惰性膜材料首选聚碳氟FEP，不过任何有生物惰性、介电常数高的柔性材料也都可以使用。如图1所示，每根导线8与每个电极相连，从刺激产生器向人神经提供信号。所属领域的技术人员会注意到，根据神经形状、大小和位置，电极可以有各种各样可能的构造。

导线8的宽度约10-100μm，厚度约2-50μm。封装膜10的厚度约20-100μm。

另外，在鉴定各种植入材料的生物兼容性方面，业已开展了大量研究(例如参见“Biocompatibility of Clinical Implant Materials”，卷1和卷2，David F.Williams编著，CRC出版社出版，Inc.，Boca Raton，Fla.，USA)。本领域技术人员熟悉的一些常用生物材料包括钛(及其某些合金)、铂、钽、铌、铱、金、一些陶瓷(如氧化铝)、某些碳材料、一些硅树脂和聚合物，如碳氟FEP、PTFE、PVDF、PFA、PCTFE、ECTFE、ETFE和MFA(TFE和PVE共聚物)、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酰亚胺和液晶聚合物。

图2是图1沿A-A截面的剖面图，图中是埋入金属电极1和三根导线。该电极暴露在外，通过导线8将刺激源的刺激信号传递给人神经。

图3是表示现有技术中植入式医疗组装部件内外折叠位置的平面图。图4是表示膜沿内外折叠线L1、L2和L3折叠起来的透视图。要使神经刺激植入组装部件如耳蜗植入体的形状和大小合适，该植入式医疗组装部件应按照制造商设定的实际折叠线L1、L2和L3折叠。

折叠该医疗组装部件时，需要谨慎操作。例如，一个刺激植入体可能需要加入多个或更多的折叠，但又不得损坏该植入式医疗组装部件的结构。

图1-4所示的现有技术中，折叠时导线8有可能会被折断或出现断裂。该植入式医疗组装部件需要各导线和电极之间要有电连续性，以确保目标神经和该植入体壳体(壳体内存在控制神经的电路)之间的信号传递。要是有一根导线断裂，植入体可能部分或全部功能丧失。

植入式神经刺激装置如耳蜗植入体的电极阵列和引线元件仍采用劳动密集型手工操作程序制造。这类装置的尺寸应尽可能小，以确保植入体和植入程序造成的损伤最小。所以，在这些情况下，电子配线和连接相对来说也需要很小才行。同样，确保这些装置结实可靠的制造技术是一项专业技术，耗时长，成本高。确保整个装置内各种元件的配线和连接正确无误，往往是制造工艺中最贵和劳动最密集的部分，尤其是这些装置如果需要专门手工制作的话，制造成本会非常高。虽然目前为止手工操作方法被证明是较为成功的做法，但由于劳动密集，所以工艺成本比较高。

由于植入装置使用越来越普遍及其最小化趋势，所以日益需要为这类装置提供制造既简单又可靠的电极阵列和引线元件。本发明旨在提供一种制备这些元件，能解决现有工艺中至少部分问题的新方法。

为了满足神经刺激装置不断最小化的需求，现已开发出大量的图形元件生产技术，而这些元件往往通过手工设计很难或不可能生产出来，而且也很难满足大规模生产的工业化要求。对要植入机体内执行特定功能的医疗植入体和电子装置的领域来说更是如此。这类装置可以包括：刺激装置，如起搏器、耳蜗植入体、FES刺激器；记录装置，如传感器等；可用于将植入式装置与其他植入式装置或刺激/传感装置连起来的植入式电缆；能进行人体参数分析的诊断装置；以及未列举的其他类型的植入式装置。

本说明书中讨论的任何文献、行为、材料、装置、物件等只是为了表明本发明的背景，虽然它们在本申请各权利要求的优先权日之前已经存在，但本文并不是要承认这些内容是构成现有技术基础的一部分或是本发明所属领域的公知常识。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺点，本发明的目的是要提供一种适用各种神经刺激装置如耳蜗植入体的植入式医疗组装部件。

本发明进一步的目的是要提供一种植入牢固、长期耐用的植入式医疗组装部件。

本发明进一步的目的是要提供一种机械和电学特征更稳定的植入式医疗组装部件。

鉴于前述情况，本发明的另一目的是要提供一种与现有技术相比制造工艺予以改进的植入式医疗组装部件。

本发明进一步的目的是要提供一种制造起来更容易的植入式医疗组装部件。

根据本发明，一种植入式医疗组装部件含有生物兼容性膜、至少一个位于膜上的电极，和至少一根位于膜上、与所述电极连接以提供刺激信号的金属线，其中，所述金属线是采用光刻法形成的直线或瓦楞形状。

本发明中，首先，通过电沉积工艺将由铂或其他贵金属制成的所述电极和导线沉积到基底上；然后，将第一FEP膜层覆盖在整个基底(包括电极和导线)上；接着，除去基底，再沉积另一FEP膜，盖住剩余的结构，这样电极和导线就被埋在该FEP膜内。之后，所述电极可像图2所示那样暴露在外。整个制造过程可采用上述现有技术中的光刻法进行。

根据本发明，优选方案是，一种植入式医疗组装部件含有生物兼容性膜、至少一个位于膜内的电极，和至少一根位于膜内、与所述电极相连以提供刺激信号的金属线。在植入式医疗组装部件中，所述金属线是直线形或瓦楞形。进一步，用激光切割机或传统的刀具沿切割线将所述植入式医疗组装部件切开，然后折起来，最后封装到硅树脂等弹性体内。根据本发明，优选方案是，可以将两个或多个植入式医疗组装部件连续地叠合在一起，其中每个植入式医疗组装部件由生物兼容性膜、至少一个位于膜内的电极，和至少一根位于膜内的金属线组成。还可以将由生物兼容性膜、至少一个位于膜内的电极，和至少一根位于膜内的金属线组成的植入式医疗组装部件折叠并摞起来。进一步，可以将该医疗组装部件封装到硅树脂等弹性体内。

这些具有精细线形线路图形的线路结构很难用高效低廉的方式形成。例如，典型的柔性线路结构包括具有一种或多种导电图形的一层或多层柔性氟聚合物膜。由于柔性氟聚合物膜薄而脆，所以直接在柔性氟聚合物膜上形成导电图形会比较困难。

如上所述，本发明采用了光刻技术。要想让含有大量导线的电缆窄小，需要导线之间非常紧密地聚在一起。本发明提出了一种构建多个层，将大量导线合并成窄薄电缆的方法。

使用氟聚合物作为绝缘材料的植入式神经刺激器一般比传统的使用硅树脂作为电极阵列载体的神经刺激器占用的空间小。由于氟聚合物膜结构能缩小空间，所以尤其适合在能一定程度上使神经损伤个体的感官或运动功能恢复或维持的小型医疗产品如神经刺激装置中使用。另外，由于氟聚合物的绝缘性能很好，没有化学或生化反应性和机械稳定性，所以使用该材料的植入式神经刺激器结构很可靠。

而且，根据本发明，医疗刺激层可以叠加成垛的形状，而不使用折叠的方法。

参照本发明的详细说明和权利要求，将会理解本发明的其他方面。

附图说明

本发明的优选和可选实施例将参照以下附图加以说明，下图中：

图1是现有技术中一种植入式医疗组装部件的平面图，该组装部件含有生物兼容性膜，膜内含有电极和与电极相连的导线，该导线提供了将刺激信号传递给人神经的通路；

图2是图1沿A-A截面的剖面图，图中所示为图1中的一些埋入金属电极和导线；

图3是表示现有技术中植入式医疗组装部件如何向内和向外折叠的平面图；

图4是表示膜沿内外折叠线折叠起来的透视图；

图5所示为本发明的具有切割线的植入式医疗组装部件优选实施例的平面图；

图6A是本发明的多层植入式医疗组装部件的平面图，其中层内含有与相应电极相连的导线；

图6B是图6A中多层植入式医疗组装部件经加热处理后的侧视图；

图7是本发明的整体呈瓦楞形状的植入式医疗装置的示意图；

图8A是本发明的整体呈瓦楞形状、封装在硅树脂弹性体内的植入式医疗装置的示意图；

图8B是具有与组装部件电极部分的下侧结合的弹性体如硅树脂的植入式医疗装置的侧视图；

图9A是具有控制装置连接末端的植入式医疗组装部件的透视图；以及

图9B是具有双面控制装置连接末端的植入式医疗组装部件的透视图。

具体实施方式

下面描述目前本发明的最佳实施方式。本说明不应视为限制性说明，它只是对本发明一般原理的描述。本发明的范围应根据权利要求确定。

图5是本发明的具有电极和导线的植入式医疗组装部件优选实施例的平面图；前述植入式医疗组装部件的设计目的是要将电信号从含有电刺激器的壳体输送给植入式神经刺激装置的电极，实现安全可靠地刺激人神经的目的。如图5所示，植入式医疗组装部件200中，与电极4、5和6相连的导线8埋在合适的生物兼容性材料100如FEP膜内。导线8和电极4、5和6用熟知的光刻和电化学沉积法形成，并且采用现有的聚合物封装技术封装在生物兼容性材料内。用激光烧蚀法或机械方法从电极表面除去FEP绝缘膜。本发明中，膜上切割线12、12’可用激光或传统的刀具切开，形成一系列单独的膜元件或膜层。

图6是本发明的多层植入式医疗组装部件的平面图，每层均有一根或多根与相应电极相连的导线。

两个或多个植入式组装部件层102、104和106以相互错开的形式叠合在一起，从而使所有电极被暴露在外，每个层102、104和106都含有电极和导线，宽度和厚度均相同，但长度可能相同也可能不同。这些层的顶部相互平行，叠合成阶梯形状。这种叠合方法能省去像上述折叠工艺那样效率低并且成本高的制造工艺。可以用热压法将植入式组装部件层102、104和106压为一体。

然后可以将各个植入式组装部件层102、104和106熔融，聚结为一个单个的组装部件。也可以用医疗级粘合剂将各组装部件层两两间粘在一起。

如图6所示，植入式组装部件层102、104和106通过热处理方式聚结为一个单个的连续膜，层层之间没有分界线。优选地，可以在上方将硅树脂层模塑成型为受限形状。可以将该硅树脂层加到部分组装部件结构中，或者模塑到整个组装部件上方。

图7是本发明的整体呈瓦楞形状的多层植入式医疗装置的透视图。该组装部件700可以应用于耳蜗植入体或其他神经刺激植入体，其中需要有可伸展的电缆或引线。另外，该组装部件700可以用作与含有刺激源的壳体相连的连接电缆，或者用作连接两个电子壳体的连接电缆。为了增加植入式医疗组装部件700的伸展性和弹性，在预先确定的叠合工艺之后，将植入式医疗组装部件或其一部分模塑成图7所示的瓦楞形状。所以，植入式医疗组装部件700可以很容易的伸缩。

图8A是本发明的整体呈瓦楞形状、用硅树脂弹性体封装的植入式医疗装置的透视图。本发明中，植入式医疗组装部件800被生物兼容性弹性体108如硅树脂封装在内，用以保护整个植入式医疗组装部件800，并且使植入过程中组装部件操作更容易。硅树脂封装体的剖面构造可以是环形、正方形、长方形或该装置应用时规定的任何合适的形状。

图8B是组装部件可选实施例的侧视图，其中弹性体108’如硅树脂被埋在组装部件电极部分的下侧上面，以增强组装部件的植入性。

图9A是具有能与试验装置或刺激源(图中未示)相连的末端的植入式医疗组装部件的透视图。图9A中，末端120会很容易地与根据槽数或其应用使用的试验装置或刺激源连接(图中未示)。末端120可以用与组装部件其他部分(包括电极和导线)相同的材料制成。植入式神经刺激装置包含电极控制装置，该控制装置与将电流传导至目标部位的电极阵列/电缆系统偶联。电极阵列/电缆系统一般由一根或多根导线构成，导线一端位于刺激电极的位置(电极阵列)，另一端位于与电子控制装置电连接的连接元件的位置。弹性体如硅树脂130优选用来支持和保护引线，包括电缆和连接元件，如9A所示。

图9B是具有能与试验装置或刺激源(图中未示)相连的双面末端的植入式医疗组装部件的透视图。如果需要用双面连接部分的话，可以将层的端部包在具有特定半径的硅树脂弹性体层130周围，以尽可能的防止导线断裂。然后，可以用硅树脂130束缚这一部分。

本发明可以用于其中含有电子线路的植入式壳体或医疗装置之间的电连接(引线或电缆)。也就是说，在任何设计用来传输或接收那些电子信号的植入式医疗装置中，本发明能确保安全可靠地传输或接收电子信号。而且，这一植入式医疗组装部件可以应用于植入式壳体与用于植入式医疗装置中RF通信的植入式天线之间的电连接。

另外，如上所述，可以看到，利用适用大规模生产的低成本技术和实施简单的制造技术，可以制造本文所述的植入式医疗组装部件。

最后，可以看到，本发明的植入式医疗组装部件可以在各种神经刺激组装部件中被安全可靠地使用。

以上说明意在阐述本发明的优选和可选实施例。应该理解，可以在参照整个说明书和权利要求书所合理限定的本发明范围内对这些实施例加以改动和调整。

Claims (8)

1.一种制造神经刺激线路的方法，其包括：

提供至少两个刺激组装部件，每个刺激组装部件包括：

i.聚合物膜，其封装一根或多根导线；和

ii.每根导线的电极开口，在所述开口处聚合物膜不存在，以暴露出位于导线末端的下面的电极触点；

以相互错开的形式叠合所述刺激组装部件，从而使电极触点暴露并与聚合物膜相接触；以及

熔化所述聚合物膜在一起以通过热处理形成具有多个导电电线和相应的暴露电极触点的单个神经刺激线路结构。

2.根据权利要求1所述的制造神经刺激线路的方法，其中，所述电极触点和导线由选自钛、铂、钽、铌、铱、金或其合金的材料制成。

3.根据权利要求1所述的制造神经刺激线路的方法，其中，用硅树脂模塑成型至少部分所述单个神经刺激线路结构。

4.一种给人神经提供神经刺激信号的神经刺激线路，其包括：

至少两个神经刺激组装部件，每个部件包括：

i.聚合物膜，其封装一根或多根导线；和

ii.每根导线的电极开口，在所述开口处聚合物膜不存在，以暴露出位于导线末端的下面的电极触点；

其中，所述组装部件以相互错开的形式叠合，从而使电极触点暴露在外，并通过热处理方式熔合，以形成具有互相接触的聚合物膜的单个神经刺激线路结构。

5.根据权利要求4所述的神经刺激线路，其中，所述电极触点和导线由选自钛、铂、钽、铌、铱、金或其合金的材料制成。

6.根据权利要求4所述的神经刺激线路，进一步包括用硅树脂层模塑成型至少部分所述单个神经刺激线路结构。

7.根据权利要求4所述的神经刺激线路，其中，所述神经刺激线路包含一种植入式医疗组装部件的一部分。

8.根据权利要求7所述的神经刺激线路，其中，所述植入式医疗组装部件是耳蜗植入体。

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