CN103608067A - 脊髓刺激法的聚对二甲苯基微电极阵列植入 - Google Patents

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于里·格拉西缅科
乔尔·W.·伯迪克
苏珊·J.·哈尔凯马
克劳迪亚·A.·安杰利
达米安·克雷格·罗杰
安迪·冯
伊戈尔·拉夫罗夫
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Abstract

一种可植入电极阵列组件，其被构造来施加电刺激于脊髓。装置的基本上不导电的层具有可沿着所述脊髓定位的第一部分，所述第一部分包括多个第一开口。所述层具有包括多个第二开口的第二部分。电极和迹线被定位在所述装置的主体部分的周边部分内部且沿着所述层定位。所述第一开口中的至少一个与所述电极中的每个相邻来提供一条路径，所述电极穿过所述路径可对所述脊髓提供电刺激。所述第二开口中的至少一个与所述迹线中的每条相邻来提供一条路径，所述迹线穿过所述路径可接收电刺激。至少一条迹线连接到每个电极且被构造来传导所述迹线所接收的电刺激到所述电极。

Description

脊髓刺激法的聚对二甲苯基微电极阵列植入
相关申请的交叉参考
本申请要求2011年1月21日提交的第61/435,188号美国临时申请的权益，其全文以引用的方式并入本文中。
关于联邦政府资助的研究或发展的声明
本发明是在政府支持下根据由美国陆军医学研究与物资司令部授予的授予第W81XWH-09-2-0024号；和由国家卫生研究院授予的授予第EB007615号创造。政府对本发明具有特定权利。
发明背景
技术领域
本发明大致涉及可植入电极阵列，且更特定来说涉及用来将电刺激传递到脊髓的可植入电极阵列。
背景技术
估计仅在美国就有130万人深受脊髓损伤之苦，且估计有500万人受到麻痹症的影响。参见Christopher和Dana Reeve Foundation(2009)的“One Degree of Separation:Paralysis and Spinal Cord Injury in the United States”。麻痹症的虚弱本质对生活品质产生巨大影响，使甚至部分有效治疗成为科学界非常合意的目标。
幸运的是，对动物的实验研究已表明某种程度的运动恢复是可能的。特定来说，硬膜脊髓刺激已经表明引起大鼠行走。参见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，第29卷，第7370–7375页(2008);和R.M.Ichiyama、Y.P.Gerasimenko、H.Zhong、R.R.Roy、V.R.Edgerton，“Hindlimb stepping movements in complete spinalrats induced by epidural spinal cord stimulation，”Neuroscience Letters，第383卷，第3期，第339-344页(2005)。在这些研究中，大鼠被植入有多至八个导线电极。所植入的导线电极各从塞头延伸从颈部向下且到大鼠的脊髓。在测试期间，每只大鼠被悬挂在护套中使得其后肢被定位在跑步机上。在脊髓损伤后的大约两周，当脊髓被刺激时，清楚的步行图案是显然的。这表明电刺激启动了脊髓中的中央图案生成器。
下列公开提供有关用于施加电刺激到脊髓的电极阵列的工作实例：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 parylenemultielectrode arrays for retinal stimulation and spinal cord field modulation，”Proc.4thInternational IEEE-EMBS Special Topic Conference on Microtechnologies in Medicineand Biology，冲绳岛，日本，第31-34页(2006);K.W.Meacham、R.J.Giuly、L.Guo、S.Hochman、S.P.DeWeerth，“A lithographically-patterned，elastic multi-electrodearray for surface stimulation of the spinal cord”，Biomedical Microdevices，第10卷，第2期，第259-269页(2008);和D.C.Rodger、Wen Li、H.Ameri、A.Ray、J.D.Weiland、M.S.Humayun、Y.C.Tai，“Flexible Parylene-based Microelectrode Technology forIntraocular Retinal Prostheses，”Proc.IEEE-NEMS2006，第743-746页(2006)。
上文引用的公开和其它工作已经造成高密度电极阵列的各种设计以进行进一步研究，但是不幸的是这些设计中没有一种设计被长期地成功植入。由于许多应用（诸如传导研究，其帮助患者移动（例如，行走、站立、抓握等等），改进自行功能的控制（例如，避免膀胱），改进自动过程的功能（例如，温度控制）等等）必需长期植入，所以需要一种长期植入。还需一种电极阵列组件，其被构造来沿着脊髓更精确地传递电信号到所选位置。本申请提供将从下列详细说明和附图中明白的这些优点和其它优点。
发明概要
本发明的实施方案包括被构造来施加电刺激到受试者（例如，人类或其它哺乳动物，诸如大鼠）的脊髓的可植入装置。所述装置包括主体部分和第一层。所述主体部分具有周边部分。任选地，所述周边部分包括定位为与第一层相邻的框架。所述框架可由一层或多层基本上不导电的材料（例如，聚对二甲苯-A、聚对二甲苯-C、聚对二甲苯-AM、聚对二甲苯-F、聚对二甲苯-N和聚对二甲苯-D等等）构造。第一层由基本上不导电的材料构造。在一些实施方案中，第一层由聚对二甲苯-A、聚对二甲苯-C、聚对二甲苯-AM、聚对二甲苯-F、聚对二甲苯-N和聚对二甲苯-D中的至少一个构造。第一层具有第一部分和第二部分。第一部分可沿着脊髓定位且包括第一多个开口。例如，第一层的第一部分可抵着脊髓的硬膜定位且所述装置被构造来对硬膜提供电刺激。第二部分包括第二多个开口。
多个电极被定位在周边部分内部且沿着第一层的第一部分定位。第一多个开口中的至少一个与每个电极相邻以提供一条路径，当第一部分沿着脊髓定位时，电极穿过所述路径可提供电刺激到脊髓。在一些实施方案中，所述第一多个开口中的一个以上与所述多个电极中的每个相邻。在第一层的第一部分将抵着脊髓的硬膜而定位的实施方案中，所述多个电极被构造来对硬膜提供电刺激。
多条迹线被定位在周边部分内部且沿着第一层定位，其中第二多个开口中的至少一个与每条迹线相邻以提供一条路径，迹线穿过所述路径可接收电刺激。一条或多条迹线被连接到每个电极且被构造来传导一条或多条迹线所接收的电刺激到电极。在一些实施方案中，两条迹线被连接到每个电极。在特定实施方案中，多条迹线被构造来传导不同的电刺激到所述多个电极中的不同电极。此外，所述多条迹线可被构造来传导电刺激到少于所述多个电极的全部。
在一些实施方案中，第一层包括多个格栅结构，其中所述格栅结构中的不同格栅结构与所述多个电极中的每个相邻。每个格栅结构界定多个单元。对于所述多个电极中的每个，与电极相邻的第一多个开口中的至少一者的每个被定位在与电极相邻的格栅结构的一个不同单元内。
在一些实施方案中，主体部分包括第二层。在这类实施方案中，所述多个电极和所述多条迹线可被定位在第一层和第二层之间。第一层和第二层可各由聚对二甲苯-A、聚对二甲苯-C、聚对二甲苯-AM、聚对二甲苯-F、聚对二甲苯-N和聚对二甲苯-D中的至少一者构成。任选地，柔韧外涂层可至少涂覆介于第一层的第一部分和第一层的第二部分之间的主体部分的第二层的至少一部分和第一层的一部分。外涂层可包括生物医学级环氧树脂和硅酮弹性体中的至少一个。
实施方案还包括一种构造被构造来施加电刺激到受试者（例如，人类或其它哺乳动物，诸如大鼠）的脊髓的可植入电极阵列组件的方法。所述方法包括形成界定多个电极和多条迹线的导电材料的图案化层，至少一条迹线被连接到所述多个电极中的每个。所述方法还包括邻近于图案化层形成基本上不导电的材料的第一层。所述方法还包括在第一层中形成（例如，蚀刻）多个第一开口和多个第二开口。第一开口穿过第一层提供到多个电极的接达。界定第一开口的部分的不同格栅与所述电极中的每个相邻。每个格栅界定部分暴露所述格栅界定部分所相邻的电极的多个接触件。多个第二开口穿过第一层提供到多条迹线的接达。
在特定实施方案中，所述方法还包括在基板（例如，硅晶片）上定位牺牲层（例如，光阻材料层），在牺牲层上形成基本上不导电材料的第二层，和移除牺牲层因此从基板释放第二层。在这类实施方案中，图案化层被定位在第二层上。图案化层可使用金属沉积技术（例如，电子束蒸镀法）形成在第二层上。任选地，所述方法可包括在基板上形成框架层。在这类实施方案中，框架层在第二层下方且围绕图案化层至少部分界定框架。第一层和第二层可各由聚对二甲苯-A、聚对二甲苯-C、聚对二甲苯-AM、聚对二甲苯-F、聚对二甲苯-N和聚对二甲苯-D中的至少一者构成。第一层和第二层可由相同材料形成。任选地，所述方法可包括将涂层施加到第二层的至少一部分和第一层的至少一部分。
另一实施方案包括一种***，所述***包括刺激生成器、可植入电极阵列组件、底板和多条导线。刺激生成器被构造来生成电刺激。可植入电极阵列组件具有可连接到至少一根脊椎的近端部分和可沿着脊髓定位的远端部分。近端部分具有到定位在远端部分上的多个电极的多个电连接件。底板被构造来连接到至少一根脊椎且将组件连接到至少一根脊椎。多条导线连接到底板和刺激生成器。多条导线被构造来传导由刺激生成器生成的电刺激到底板。底板被构造来传导电刺激到组件的近端部分的多个电连接件。任选地，所述***可包括连接到底板的悬伸部分且被定位为悬伸组件的近端部分的至少一部分以有助于保护组件使其不在外部移动组织。
附图简述
图1是可植入电极阵列组件的底面视图。
图2是图1的组件的一部分的放大图。
图3是并有植入在大鼠内的图1的组件的电缆***的横截面视图。
图4A是构造图1的组件的方法的第一部分的图示。
图4B是构造图1的组件的方法的第二部分的图示。
图4C是构造图1的组件的方法的第三部分的图示。
图4D是构造图1的组件的方法的第四部分的图示。
图5A是植入有图1的组件悬挂在跑步机上的脊髓大鼠和用于记录大鼠在跑步机上的行走运动的运动捕捉***的一部分的图示。
图5B是示出当没有通过图1的组件施加刺激到大鼠脊髓时大鼠在跑步机上的后肢的拖拽运动的符号图。
图6A是示出当通过图1的组件的第一对电极施加双极刺激到大鼠脊髓时的后肢运动的符号图。
图6B是示出当通过图1的组件的第二不同对电极施加双极刺激到大鼠脊髓时的后肢运动的符号图。
图7A是当通过图1的组件的第一对电极施加双极刺激到大鼠脊髓时所记录的肌电图（“EMG”）记录的图示。
图7B是当通过图1的组件的第二不同对电极施加双极刺激到大鼠脊髓时所记录的EMG记录的图示。
具体实施方式
图1示出可植入电极阵列组件100。虽然所示的组件100的实施方案被构造用于植入在大鼠500（参见图5A）中，但是实施方案可被构造用来在其它受试者中使用，诸如其它哺乳动物，包括人类，且这类实施方案是在本教示的范畴内。组件100是用于与具有脊髓330（参见图3）的受试者一起使用，在受试者身体的一部分中具有至少一个选定的脊髓回路（未展示）和神经获得麻痹症。例举非限制性实例，组件100可沿着脊髓330在硬膜上植入。组件100可定位在脊髓330的腰骶区域、颈部区域和胸部区域的一个或多个区域上。
例举非限制性实例，当被启动时，选定的脊髓回路可（a）实现参与站立、行走、伸手、抓握的肌肉自行移动；一条或两条腿自行改变位置；避免受试者的膀胱；避免受试者的内脏、姿势活动和运动活动；（b）实现或改进心血管功能、体温和新陈代谢过程中的至少一个的自动控制；和/或（c）帮助促进自发功能、性功能、血管收缩功能和认知功能中的至少一种的恢复。在不受理论限制的情况下，认为选定的脊髓回路具有表示启动选定的脊髓回路所需的最小量刺激的第一刺激阈值；和表示高出选定的脊髓回路被完全启动时的刺激量的第二刺激阈值，且增加所引起的神经信号对所述至少一个选定脊髓回路不会产生另外的影响。
麻痹症可为运动神经完整的麻痹症或运动神经不完整的麻痹症。麻痹症可由被分类为运动神经完整或运动神经不完整的脊髓损伤引起。麻痹症可由缺血性或创伤性脑损伤引起。麻痹症可由因中风或严重创伤所致的缺血性脑损伤引起。例举另一实例，麻痹症可由神经组织退化性脑损伤引起。神经组织退化性脑损伤可与帕金森疾病、亨廷顿疾病、老年痴呆症、缺血症、中风、肌萎缩性侧索硬化症（ALS）、原发性侧索硬化症（PLS）和大脑性瘫痪中的至少一种相关。
如果麻痹症是由沿着脊髓330在第一部位处的脊髓损伤引起，那么组件100可沿着脊髓相对于受试者大脑（未展示）在低于第一部位的第二部位处植入（例如，硬膜外）。
组件100被构造来施加电刺激到受试者的脊髓330的一部分。电刺激可包括强直刺激和间歇性刺激中的至少一种。所施加的刺激可是脉冲的。电刺激可包括对脊髓的不同区域的同时或依序刺激。由组件100施加的电刺激可低于第二刺激阈值使得所述至少一个选定脊髓回路通过增加受试者所生成的信号而至少部分可启动。例举非限制性实例，这类受试者生成的信号可通过使受试者进行物理活动或训练（诸如在跑步机上行走）而引起。这些信号可在受试者的麻痹部分中被引起。例举另一非限制性实例，受试者生成的信号可包括脊椎信号。
如上文所提及，图1到图3所示的组件100的实施方案被构造用于在大鼠500（参见图5A）中植入。因此，所示的组件100的实施方案被制定大小（例如，约59mm×约3mm）且被定形用于植入到大鼠500中。然而，通过本领域技术人员对本教示的应用，实施方案可被构造用于与其它受试者（诸如其它哺乳动物，包括人类）一起使用。
图2示出图1所描绘的组件100的放大部分200。组件100的特性可在于作为微机电***（“MEMS”）装置。如上所提及，组件100被构造用于沿着脊髓330植入（参见图3）且对脊髓提供电刺激。例如，组件100可对脊髓330提供硬膜外刺激。组件100与现有技术的基于导线的植入相比允许在选择刺激部位时具有高度自由性和特异性，且触发不同的生物反应，所述生物反应可引起对脊髓330的了解增加且恢复脊髓损伤的受伤者的运动。
参考图1，组件100包括主体部分110、电极阵列120和多条导电迹线130。主体部分110包括远端部分112、近端部分114（与远端部分相对）、框架140和针对电极阵列120的每个电极E11-E19、E21-E29和E31-E39的格栅结构210（参见图2）。每个格栅结构210界定多个单元212。例举非限制性实例，格栅结构210各可由聚对二甲苯（例如，聚对二甲苯-C）构造。在所示实施方案中，格栅结构210包括40个单元。
如上所提及，电极阵列120包括多个电极E11-E19、E21-E29和E31-E39（例如，9×3个电极）。电极E11-E19、E21-E29和E31-E39以二维阵列布置。电极E11-E19、E21-E29和E31-E39中的每个包括多个导电接触件220。接触件220是电极（例如，图2所示的电极E37）将与脊髓（例如，硬膜）接触的部位。接触件220彼此电连通。所示的电极E37的实施方案包括40个接触件220。然而，这个不是必要条件。如上文所提及，电极E11-E19、E21-E29和E31-E39中的每个对应于格栅结构210中的唯一一个。在所示实施方案中，对于电极E11-E19、E21-E29和E31-E39中的每个，每个接触件220被定位在对应的格栅结构210的不同一个单元212内。格栅结构210可帮助防止组件100（参见图1）的层的分层。如本领域技术人员所明白且如下文将所说明，格栅结构210和接触件220可通过邻近于导电材料（例如，金属）垫选择地蚀刻基本上不导电的材料（例如，聚对二甲苯）层来界定格栅结构210并暴露格栅结构的单元212内的导电材料的部分来界定接触件220而形成。
虽然所示的电极阵列120包括27个电极，但是在其它实施方案中，电极数目的范围可从一个电极到约100,000个电极或更多。在特定实施方案中，电极阵列120包括至少10个、至少15个、至少20个、至少25个、至少50个、至少100个、至少250个、至少500个或至少1000个电极。在各个实施方案中，电极阵列120中的相邻电极的电极间间距从约100μm或约500μm，或约1000μm或约1500μm变化到约2000μm或约3000μm或约4000μm或约4500μm或约5000μm。在各个实施方案中，电极间间距的范围为从约100μm、约150μm、约200μm或约250μm直到约1,000μm、约2000μm、约3000μm或约4,000μm。在一些实施方案中，电极E11-E19、E21-E29和E31-E39中的每个的直径（或宽度）的范围为从约50μm、100μm、150μm、200μm或250μm直到约500μm、约1000μm、约1500μm或约2000μm。
电极阵列120可形成为任何几何形状，诸如正方形、矩形或圆形。通常电极阵列120的尺寸将为约0.1mm到约2cm等级宽或直径，这部分取决于电极阵列120中的电极数目。在各个实施方案中，电极阵列120的长度的范围为从约0.01mmm、或0.1mm直到约10cm或更大。
一条或多条迹线130被连接到电极E11-E19、E21-E29和E31-E39中的每个。参考图2，在所示实施方案中，两条迹线“T1”和“T2”被连接到电极E11-E19、E21-E29和E31-E39中的每个。在替代实施方案中，多于两条迹线130可被连接到电极E11-E19、E21-E29和E31-E39中的每个。将多于一条迹线130连接到电极E11-E19、E21-E29和E31-E39中的每个有助于确保信号到达电极E11-E19、E21-E29和E31-E39中的每个。换句话说，冗长可用来改进可靠性。对于电极E11-E19、E21-E29和E31-E39中的每个，迹线130连接到电极的每个接触件220并载送信号到所述接触件。在主体部分110中形成（例如蚀刻）的开口132（参见图3）暴露迹线130的部分。
迹线130可用来选择性地传递电信号（例如，脉冲信号）到电极E11-E19、E21-E29和E31-E39。以此方式，仅选定的一个或多个电极E11-E19、E21-E29和E31-E39可传递刺激到脊髓330（参见图3）。电极E11-E19、E21-E29和E31-E39通过迹线130可操作地连结到控制电路（未展示）。控制电路（未展示）被构造来选择一个或多个电极E11-E19、E21-E29和E31-E39来启动/刺激和/或控制电刺激的参数（例如，频率、脉冲宽度、振幅等等）。在各个实施方案中，电极选择、频率、振幅和脉冲宽度可独立选择。例如，在不同时间可选择不同电极。在任何时间，不同电极可提供具有不同参数值（例如，频率、振幅等等）的刺激。在各个实施方案中，电极的至少一部分可在单级模式和/或双极模式下操作。在这类实施方案中，恒定电流或恒定电压可用来传递刺激。
在一些实施方案中，迹线130可从可植入控制电路（未展示）和/或可植入电源（未展示）接收信号。可植入控制电路（未展示）可由外部装置（例如，使用通过皮肤与控制电路通信的手持装置）编程和/或重新编程。编程按需频繁重复。
图3示出并有组件100的电缆***300。电缆***300被示出为沿着大鼠500（参见图5A）的脊椎320和脊髓330植入。由于难以防止在跨皮肤的连接器（未展示）处的感染，在长期实验中，通常非常需要将信号传播通过定位在大鼠500头部（未展示）的塞头310，其中大的骨头表面、肌肉组织的缺乏以及皮肤的细微移动有助于使感染风险最小化。由于一些对活着的动物进行的初级试验已经表明由动物移动所强加的机械应力可能使被构造来从塞头310延伸到脊髓330的全部-MEMS装置的一些实施方案不可靠，电缆***300被设计为将强加在组件100上的应力限于可接受的极限值。
图3示出在植入后电缆***300（包括组件100）如何沿着受试者（例如，图5A所示的大鼠500）的脊椎320定位。电缆***300由脊椎底板340、导线束350和塞头310组成。另一组导线（未展示）可被植入在受试者的腿520（参见图5A）中来记录肌电图（“EMG”）信号。底板340可由标准FR-4PCB基板构造。底板340被附接（例如，通过缝线342）到选定的脊椎（例如，脊椎“L2”）。在所示实施方案中，底板340被附接到“L2”脊椎。组件100被附接（例如，通过缝线344）到脊髓300。在所示实施方案中，组件100的远端部分112于与脊椎“T13”相邻的部位处被附接到脊髓300。组件100的近端部分114使用导电材料（例如，导电环氧树脂）来桥接电连接件而被附接到底板340。例举非限制性实例，组件100的近端部分114可使用Loctite M-121HP医疗装置环氧树脂固定到底板340。
导线束350包括多条导线352。例举非限制性实例，导线352可包括电极E11-E19、E21-E29和E31-E39中的每个的不同导线（例如，9×3的电极阵列总共具有27条导线）。每条导线352可由金构造且包括铁氟龙涂层。例如，可使用75μm金导线（例如，由AMSystems制造的涂覆铁氟龙的金导线）。导线352可被焊接到底板340且通过高密度连接器360连接到塞头310。迹线130经由形成在组件100的主体部分110中的开口132连接到底板340。例举非限制性实例，银环氧树脂（未展示）可用来将迹线130连接到底板340。
整个电缆***300（除组件100的部分368以外）可被涂覆有涂层370，所述涂层被构造来使电连接件绝缘且提供机械强度同时在任何必要的情况下保持柔韧性。例举非限制性实例，涂层370可包括生物医学级环氧树脂和硅酮弹性体（例如，MDX4-4210生物医学级硅酮）。
硅酮帽380（或悬伸部分）形成在底板340的端部以保护组件100使其不在外部移动组织。帽380可由与涂层370相同的材料形成。沿着组件100的部分，涂层370可被实施为一层薄硅酮（例如，约100μm厚）以减小在移动期间当组件100随着受试者的脊椎320而弯曲时的应力集中。施加到组件100的一层较厚硅酮可能因由较刚硬组件施加到脊髓330的压力增加而对脊髓的健康不利。换句话说，柔韧性可为成功的长期可植入电极阵列组件的重要特征。
制造
组件100可使用一种稍微类似于D.C.Rodger等人在“Flexible microfabricatedparylene multielectrode arrays for retinal stimulation and spinal cord field modulation，”Proc.4th International IEEE-EMBS Special Topic Conference on Microtechnologies inMedicine and Biology，冲绳岛，日本，第31-34页(2006)（其描述一种形成聚对二甲苯-金属-聚对二甲苯的三明治状结构的方法）中所描述的方法。
参考图4A到图4D，组件100可使用方法400构造。为便于阐释，方法400将关于基本上不导电的聚对二甲苯-C进行描述。聚对二甲苯-C是美国药典（“USP”）分类VI生物适应的材料，且其机械性质提供必要的柔韧性以使硬膜与脊髓330（参见图3）形成良好接触。然而，本领域技术人员明白其它材料可代替使用或结合聚对二甲苯-C使用。其它材料的实例包括柔韧材料，诸如聚对二甲苯-A、聚对二甲苯-AM、聚对二甲苯-F、聚对二甲苯-N和聚对二甲苯-D等等。此外，电极阵列120将被描述为包括金属，所述金属可使用一种或多种生物适应的金属（例如，金、铂、铬、钛、铱、钨和/或其氧化物和/或合金）实施。为便于阐释，方法400将关于使用铂（和钛）来构造电极阵列120进行描述。
方法400始于图4A顶部。第一子组件“SA1”通过在基板412（例如，硅晶片）上施加（例如，旋涂）任选的第一层牺牲光阻410构造。
接着，第二子组件“SA2”通过在第一层光阻410上沉积（例如，使用常规蒸汽沉积）第一（框架）层聚对二甲苯-C416构造。例举非限制性实例，所述第一层（框架）聚对二甲苯-C416的厚度可为约10μm。
第三子组件“SA3”通过在第二子组件“SA2”上施加（例如，旋涂）第二层光阻422构造。
接着，第四子组件“SA4”通过使用常规光阻技术暴露和显影第二层光阻422以界定框架140（参见图1）构造。
参考图4B，第五子组件“SA5”通过移除（例如，蚀刻）第一（框架）层聚对二甲苯-C416的至少一部分以界定环绕电极阵列120的框架140的至少一部分构造。接着，移除第二层光阻422（例如，使用丙酮溶解）。
接着，第六子组件“SA6”通过在第五子组件“SA5”上沉积（例如，使用常规蒸汽沉积）第二（基底）层聚对二甲苯-C420构造。例举另一非限制性实例，第二（基底）层聚对二甲苯-C420的厚度可为约5μm。第二（基底）层聚对二甲苯-C420形成组件100（参见图1）的主体部分110（参见图1）的底面。第二（基底）层聚对二甲苯-C420的特性还在于界定框架140的至少一部分，这是因为第一（框架）层聚对二甲苯-C416是在第二（基底）层聚对二甲苯-C420下方且帮助第二（基底）层聚对二甲苯-C420成形。换句话说，框架140的特性可在于包括第一（框架）和第二（基底）层416和420两者。替代地，框架140的特征可在于整体由第一（框架）层416界定。
第七子组件“SA7”通过施加（例如，旋涂）第三层光阻424到第六子组件“SA6”上构造。
第八子组件“SA8”通过使用常规光阻技术暴露并显影第三层光阻424以界定图案而构造。图案界定电极阵列120和迹线130。
参考图4C，第九子组件“SA9”通过在第八子组件“SA8”上沉积（例如，使用电子束蒸镀）导电层428构造。导电层428可通过首先沉积第一材料（例如，
Figure BDA0000377760460000102
钛）的粘附层且接着沉积适于传导电刺激的第二不同导电材料（例如，
Figure BDA0000377760460000101
铂）的电极层构造。因此，导电层428可使用多于一层材料构造。
第十子组件“SA10”通过移除（例如，溶解）第三层光阻424而构造，其移除定位在其上的导电层428的部分以形成电极阵列120和迹线130。换句话说，常规剥离过程用来图案化导电层428以形成电极阵列120和迹线130。
接下来，第十一子组件“SA11”通过在第十子组件“SA10”上沉积（例如，使用常规蒸汽沉积）第三（顶部）层聚对二甲苯-C430而构造。例举另一非限制性实例，第三（顶部）层聚对二甲苯-C430的厚度可为约5μm。
参考图4D，第十二子组件“SA12”通过施加（例如，旋涂）第四层光阻432到第十一子组件“SA11”上而形成。
第十三子组件“SA13”通过使用常规光阻技术暴露和显影第四层光阻432来界定图案而构造。图案界定开口132，所述开口形成在第三（顶部）层聚对二甲苯-C430中。
第十四子组件“SA14”通过在第三（顶部）层聚对二甲苯-C430中形成开口132以暴露导电层428的部分而形成。开口132可使用蚀刻（例如，氧等离子蚀刻）而形成。对于电极E11-E19、E21-E29和E31-E39中的每个，开口132的至少一部分提供到接触件220的接达且界定格栅结构210。接触件220穿过开口132接触脊髓330（参见图3）。开口132的不同部分提供到迹线130的接达使得底板340可电连接到迹线。蚀刻还可用于界定组件100的形状。接着，移除第四层光阻432（例如，使用丙酮或水溶解）。
第十五子组件“SA15”通过移除（例如，溶解）第一层光阻410以从基板412释放第一层光阻410上方的层而形成。例举非限制性实例，第一层光阻410可使用丙酮或水溶解。
最后，组件100（参见图1）可通过在200°C下在真空炉中退火第十五子组件“SA15”达48小时而形成。
结果和讨论
电缆***300的实施方式（参见图3）是植入在大鼠中且发挥作用久至8周。这个可靠性程度使电缆***300（和组件100）适于研究随着时间的行走能力。电缆***300（和组件100）还提供部位选择性，由高密度微制造电极阵列120提供。
图5A是通过护套530悬挂在跑步机510上的大鼠500的图示。大鼠500具有完全横断的脊髓且因此具有后肢麻痹症。当大鼠悬挂在跑步机510上方时通过刺激大鼠的脊髓330（参见图3）而使大鼠500实现后肢行走。图5A还示出用来记录行走能力的运动捕捉***（例如，点D1到D5）的部分。图5B是表示当大鼠脊髓330未被刺激时的后肢运动的符号图550。如所预期，当大鼠500的脊髓330未被刺激时由于后肢麻痹症大鼠拖拽着其脚。
图6A和图6B分别描绘一对符号图610和620，其示出当通过两不同电极对双极刺激被施加到大鼠脊髓330时的后肢运动。图610和620被认为示出通过由MEMS电极阵列刺激的脊髓大鼠实现的首次行走。应注意的是图6A和图6B中所示的两个不同行走图案的刺激部位对在电极阵列120中一起关闭，则表明组件100的高密度电极构造在了解有关运动的生物机构和其对脊髓损伤后的恢复应用中具有很大价值。
EMG记录在获得生物信息中同样可具有非常高的价值。图7A和图7B展示在两个不同刺激对在三个不同电压下的两个EMG记录。换句话说，图7A描绘当刺激由一对电极施加时所记录的EMG记录且图7B描绘当刺激由不同电极对施加时所记录的EMG记录。图7A示出单突触反应“R1”。这类单突触反应通常发生在记录的前六毫秒中，而多突触反应（诸如多突触反应“P1”）通常在之后发生。应注意的是图7A中所描绘的记录包括单突触反应“R1”和多突触反应“P1”，而图7B中描绘的记录仅包括多突触反应“P2”。这表明高密度电极阵列120提供在引出不同生物反应中有用的高密度刺激部位（电极E11-E19、E21-E29和E31-E39）。图7A和图7B的EMG信号在反射测试（0.3Hz刺激脉冲）期间获得，且图6A和图6B的符号图在行走测试（40Hz）期间获得。
组件100已经表明活大鼠存活久至八周且可能存活更久，这是因为在组件100的功能上观察到的机械损坏影响是细微的。电缆***300提供刺激脊髓330和记录诱发反应的构件。任选地，组件100的电极E11-E19、E21-E29和E31-E39除用来传递刺激外还可用来侦测神经信号。由组件100所施加的刺激可用来引起具有完全横断脊髓的大鼠行走。组件100提供用来控制刺激部位以产生不同EMG反应和行走图案的构件。这个控制程度对了解脊髓330内部的神经生物学回路和发展脊髓损伤的受伤者的运动恢复的可行治疗。
虽然已经关于实现受试者（例如，大鼠500）的行走描述了包括组件100的电缆***300，但是通过本领域技术人员对本教示的应用，可构造实现其它类型的功能的实施方案，诸如（a）实现参与站立、步行、行走、伸手、抓握中的至少一个的肌肉自行移动；一条或两条腿自行改变位置；避免膀胱；避免内脏、姿势活动和运动活动；（b）实现或改进心血管功能、体温和新陈代谢过程中的至少一个的自行控制；和/或（c）帮助促进自动功能、性功能、血管收缩功能和认知功能中的至少一种的恢复。
本文所引用的所有公开、专利和专利申请的全部内容出于所有目的以引用方式并入本文中。
前文描述的实施方案描绘包含在不同其它组件或结合不同其它组件的不同组件。应了解这类描绘的架构仅是示例性的，且事实上许多其它架构可被实施来达成相同功能。在概念意识上，用来达成相同功能的任何组件配置是有效“相关”使得达成所要功能。因此，本文中被组合来达成特定功能的任何两个组件可被视为彼此“相关”使得达成所要功能而无关于架构或中间组件。同样地，如此相关的任何两个组件还可被视为彼此“可操作地连接”、或“可操作地耦接”来达成所要功能。
虽然已经展示和描述了本发明的特定实施方案，但是本领域技术人员应明白基于本文教示，可进行改变和修改而不脱离本发明和其较广方面且因此随附权利要求将包括在其范畴内，所有此类改变和修改在本发明的真正精神和范畴内。此外，本领域技术人员应了解一般来说，本文所使用的术语且尤其在随附权利要求中所使用的术语（例如，随附要求书的主体）通常意为“开放式”（例如，术语“包括（including）”应被理解为“包括但不限于”，术语“具有”应被理解为“至少具有”，术语“包括（includes）”应被理解为“包括但不限于”等等）。本领域技术人员还应了解如果意欲进行特定数量的引入的权利要求陈述，那么这一意图将在权利要求中明确陈述，且在不具有此类陈述时，不存在此类意图。例如，作为对理解的帮助，下文随附权利要求可包含介绍性用语（“至少一个”和“一个或多个”）的使用来介绍权利要求陈述项。然而，这类用语的使用不应被解释为暗指通过不定冠词“一”、“一个”的权利要求陈述项介绍将包含此类介绍的权利要求陈述项的任何特定权利要求限于包含仅一项此类陈述项的发明，甚至当同一权利要求包括介绍性用语“一个或多个”或“至少一个”以及不定冠词诸如“一”或“一个”（例如，“一”和/或“一个”应通常被理解为意指“至少一个”或“一个或多个”）；用来介绍权利要求陈述项的定冠词的使用也是如此。另外，即使特定数量的引入的权利要求陈述项被明确陈述，本领域技术人员也应认识到这类陈述项应通常被理解为意指至少所陈述的数量（例如，仅“两个陈述项的陈述”的陈述项而无其它修改项，通常意指至少两个陈述项，或两个或更多个陈述项）。
因此，本发明除受随附权利要求限制之外不受限制。

Claims (27)

1.一种与脊髓一起使用的可植入装置，所述装置包括：
主体部分，其具有周边部分和由基本上不导电的材料构造的第一层，所述第一层具有第一部分和第二部分，所述第一部分可沿着所述脊髓定位且包括第一多个开口，所述第二部分包括第二多个开口；
多个电极，其定位在所述周边部分内部且沿着所述第一层的所述第一部分定位，所述第一多个开口中的至少一个与所述电极中的每个相邻以提供一条路径，当所述第一部分沿着所述脊髓定位时，所述电极穿过所述路径可对所述脊髓提供电刺激；和
多条迹线，其定位在所述周边部分内部且沿着所述第一层定位，其中所述第二多个开口中的至少一个与所述迹线中的每条相邻以提供一条路径，所述迹线穿过所述路径可接收电刺激，所述迹线中的一条或多条连接到所述电极中的每个且被构造来传导所述一条或多条迹线所接收的电刺激到所述电极。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述多条迹线被构造来传导不同电刺激到所述多个电极中的不同电极。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述多条迹线被构造来传导电刺激到少于所述多个电极的全部。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一层的所述第一部分可抵着所述脊髓的硬膜而定位且所述多个电极被构造来对所述硬膜提供电刺激。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述周边部分包括定位为与所述第一层相邻的框架。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一层包括多个格栅结构，其中所述格栅结构中的不同格栅结构与所述多个电极中的每个相邻，
每个格栅结构包括多个单元，
对于所述多个电极中的每个，与所述电极相邻的所述第一多个开口中的所述至少一个的每个被定位在与所述电极相邻的所述格栅结构的所述单元中的不同单元内部。
7.根据权利要求6所述的装置，其中与所述多个电极中的每个相邻的所述第一多个开口的所述至少一个包括多于一个开口。
8.根据权利要求1所述的装置，其中连接到所述电极中的每个的所述迹线中的所述一条或多条包括两条迹线。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述主体部分还包括第二层，所述多个电极和所述多条迹线被定位在所述第一层和所述第二层之间。
10.根据权利要求9所述的装置，其还包括：
柔韧外涂层，其至少涂覆在介于所述第一层的所述第一部分和所述第二层的所述第二部分之间的所述主体部分的所述第二层的一部分和所述第一层的一部分。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述外涂层包括生物医学级环氧树脂和硅酮弹性体中的至少一个。
12.根据权利要求9所述的装置，其中所述第一层和所述第二层各由聚对二甲苯-A、聚对二甲苯-C、聚对二甲苯-AM、聚对二甲苯-F、聚对二甲苯-N和聚对二甲苯-D中的至少一个构造。
13.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一层由聚对二甲苯-A、聚对二甲苯-C、聚对二甲苯-AM、聚对二甲苯-F、聚对二甲苯-N和聚对二甲苯-D中的至少一个构造。
14.一种构造可植入电极阵列组件的方法，所述方法包括：
形成界定多个电极和多条迹线的导电材料的图案化层，至少一条迹线被连接到所述多个电极中的每个；
形成基本上不导电的材料的第一层，所述第一层与所述图案化层相邻；
在所述第一层中形成多个第一开口，所述第一开口穿过所述第一层提供到所述多个电极的接达，界定所述第一开口的部分的不同格栅与所述电极中的每个相邻，每个格栅界定暴露所述电极的多个接触件的部分，所述界定部分的格栅与所述多个接触件相邻；
在所述第一层中形成多个第二开口，所述第二开口穿过所述第一层提供到所述多条迹线的接达。
15.根据权利要求14所述的方法，其还包括：
在基板上定位牺牲层；
在所述牺牲层上形成基本上不导电的材料的第二层，所述图案化层被定位在所述第二层上；和
移除所述牺牲层以因此从所述基板释放所述第二层。
16.根据权利要求15所述的方法，其还包括：
在所述基板上形成框架层，所述框架层在所述第二层下方，所述框架层至少部分围绕所述图案化层界定框架。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一层和所述第二层各由聚对二甲苯-A、聚对二甲苯-C、聚对二甲苯-AM、聚对二甲苯-F、聚对二甲苯-N和聚对二甲苯-D中的至少一个形成。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一层和所述第二层由相同材料形成。
19.根据权利要求15所述的方法，其中使用金属沉积技术在所述第二层上形成所述图案化层。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述金属沉积技术是电子束蒸镀法。
21.根据权利要求15所述的方法，其中所述牺牲层包括光阻材料。
22.根据权利要求15所述的方法，其中所述基板是硅晶片。
23.根据权利要求15所述的方法，其还包括：
施加涂层到所述第二层的至少一部分和所述第一层的至少一部分。
24.根据权利要求14所述的方法，其中在所述第一层中蚀刻所述多个第一开口。
25.根据权利要求14所述的方法，其中在所述第一层中蚀刻所述多个第二开口。
26.一种***，其包括：
刺激生成器，其被构造来生成电刺激；
可植入电极阵列组件，其具有可连接到至少一根脊椎的近端部分和可沿着所述脊髓定位的远端部分，所述近端部分具有到定位在所述远端部分上的多个电极的多个电连接件；
底板，其被构造来连接到所述至少一根脊椎且将所述组件连接到所述至少一根脊椎；和
多条导线，其连接到所述底板和所述刺激生成器，所述多条导线被构造来传导所述刺激生成器所生成的电刺激到所述底板，所述底板被构造来传导所述电刺激到所述组件的所述近端部分的所述多个电连接件。
27.根据权利要求26所述的***，其还包括：
悬伸部分，其被连接到所述底板且被定位为悬伸所述组件的所述近端部分的至少一部分以有助于保护所述组件使其不在外部移动组织。
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