JP6968880B2 - 植込み可能な電気接触構成 - Google Patents

Description

本発明は、植込み可能な電気接触構成に関するものであり、この植込み可能な電気接触構成は、生体適合性で電気絶縁性の材料によって間接的又は直接的に包囲された少なくとも一つの自由にアクセス可能な電極表面を有し、そのほかでは、生体適合性で電気絶縁性の材料によって完全に包囲されている少なくとも一つの電極体構成を有している。

一般的な接触構成は、例えば電気機械式プラグコネクターに適用されており、これらの電気機械式プラグコネクターは一般的に、機械的に分離可能な二つのコンポーネント（電気的なエネルギー伝送及び／又は信号伝送のために、固定的に嵌め合わせることができる）から成っており、設計及び用途に依存した特有の、運用の安全性にとって重要な要件を義務づけられている。植込み可能なプラグコネクターの場合、能動的で植込み可能な医療製品のための要件を満たさなければならず、これらの医療製品は、永続的に湿った環境に曝され、且つこの環境にできるだけ長い期間、損傷なく、それぞれのインプラント内部への水分又は水の侵入に抵抗しなければならない。

植込み可能なプラグコネクター（それ自体は知られている）の場合、特に重要なのは、プラグコネクターコンポーネント同士をたいていは形状結合式及び力結合式につなぎ合わせ且つ嵌め合わせている長手側の嵌込み区間である。このようなプラグコネクターの設計及び形態に関する特別な課題は、プラグコネクターに内包されている電気構造と水又は水分との接触を回避するため、プラグコネクターに内包されているプラグ部とソケット部の間の界面の中に及びこの界面を通って水又は水分が侵入することを、できるだけ長期的に阻むことにある。導電性の、たいていは金属材料から成る導線構造及び電極構造に水が接触すると、不可逆的な劣化現象並びにこれに伴う電気的なエネルギー伝送特性及び信号伝送特性の低下が引き起こされる。それだけでなく、水又は水分の存在は、プラグコネクターに内包されている金属構造と、プラグコネクターのうち直接的に周りを取り囲んでいるたいていはポリマー材料から成るプラグコネクターコンポーネント表面との間の剥離を引き起こす可能性があり、したがってこのようなプラグコネクターの寿命を短くする可能性がある。

［従来技術］
植込み可能な電気プラグコネクターは、多くの数が存在しており、且つ形態の変化に富んでおり、すべての知られている実施形態は、少なくとも共通して、主に体液の形態の水分が、内部の導電性の層構造に侵入するのを妨げる、好ましくは完全に防ぐ措置を講じている。電気機械式プラグコネクター（それ自体は知られている）の例として、網羅的ではないが代表的なプラグコネクターを開示している以下の文献、すなわち独国特許第１０ ２０１１ ００９ ８５７号明細書、欧州特許第０ ９１０ ４３５号明細書、独国特許第１０ ２０１２ ０２０ ２６０号明細書、独国実用新案第２０ ２００７ ０１９ ６０６号明細書、及び欧州特許第０ ８１１ ３９７号明細書を挙げておく。

植込み可能なプラグコネクター（それ自体は知られている）を図２ａで図解しており、プラグ部１及びソケット部２を有している。プラグ部１は、その前方の嵌込み区間４に沿って完全に、ソケット部２の挿入口３に入れることができる。この嵌込み区間４の領域には、より単純に図示及び説明するという理由から、一つしか電極体５（プラグ部１の表面から盛り上がって形成されることが好ましい）が取り付けられていない。実際のプラグコネクターは、複数のこのような電極体を有するのが典型的である。電極体５は、ソケット部２にプラグ部１を嵌め込んだ状態では、相応にソケット部２の内側に取り付けられている対向電極（図示されていない）と、電気的な信号伝送又はエネルギー伝送のために接触している。

プラグ部１はそれだけでなく、嵌込み区間４から離れたプラグ部の領域に、接触電極表面６を有している。接触電極表面６には、外部からの電気導入線７が、例えばはんだ結合部８によって取り付けられており、外部からの電気的な信号供給及びエネルギー供給をもたらしている。

プラグ部１の内部構造を図解するため、図２ａに記入した断面ＡＡ、ＢＢ、及びＣＣに沿ったプラグ部１の横断面図を、図２ｂ、図２ｃ、及び図２ｄに示している。

プラグ部１は、ハウジング９を有しており、ハウジング９は、生体適合性で、好ましくは弾性で、非導電性のポリマーから成っている（接触電極表面６及び電極体５を除く）。

電極体５及び接触電極表面６は、白金から製作されており、且つプラグ部１の内部で一体的に相互に結合している。電極材料である白金Ｐｔは、図２ｂ、図２ｃ、及び図２ｄに基づく断面図から分かるように、炭化ケイ素から成る基板支持体１０上に施されている。

ＳｉＣ基板支持体１０と白金電極材料との間の結合は、好ましいボンディング結合であるにもかかわらず、とりわけ、このような植え込まれるプラグコネクターの運用期間及び寿命が延びていくと、白金とＳｉＣとの間の界面で劣化が生じる。電極材料に連続的又は拍動的に印加される電圧に起因する酸化プロセス及び水和プロセスが、金属の格子定数を変化させることに寄与し、この変化が、白金電極の表面の変形を引き起こし、これにより白金と炭化ケイ素との間の界面で剥離現象が発生する。このようなプロセスは否応なしに、植込み可能なプラグコネクターの不可逆的な機能低下を引き起こす。

独国特許出願公開第１０ ２０１１ ０７８ ９８２号明細書からは、植込み可能な神経電極を読み取ることができ、この神経電極は、医療用シリコーンから成る支持基板を有しており、この支持基板内に導体路が組み込まれており、導体路はそれぞれ、電極接点及び接続接点を結合している。導体路並びに電極接点及び接続接点は、ステンレス鋼又は白金から製造されている。

独国特許出願公開第１０ ２０１４ ０１４ ９４３号明細書は、植込み可能な電極構成を開示しており、この電極構成では、生体適合性のポリマーから成る支持基板内に、特殊に構造化された電極が埋め込まれており、これらの電極はそれぞれ、支持基板表面に通じている電極接触面を有しており、そのほかでは、支持基板表面に面していない少なくとも一つの電極表面を有しており、この電極表面は、体内の湿った環境にまったくアクセスがないか、又は非常に限定的にしかアクセスがない。

米国特許出願公開第２０１１／００３４９７７号明細書は、部分弾性的に変形可能な支持体上に取り付けられた複数の電極を備えた植込み可能な電極構成を記載しており、これらの電極はどれも、支持体内に組み込まれたコントロールユニットと結合している。

本発明の基礎となる課題は、植込み可能な電気接触構成を設計することである。植込み可能な電気接触構成は、少なくとも一つの電極体構成を有し、少なくとも一つの電極体構成は、生体適合性で電気絶縁性の材料によって間接的又は直接的に包囲された少なくとも一つの自由に到達可能な電極表面を有し、そのほかでは、生体適合性で電気絶縁性の材料によって完全に包囲されており、そのため、運用に起因する劣化現象が上で説明したようには発生しないように又は無視できるほど小さな程度でしか発生しないようになっており、これにより、属概念の接触構成の寿命が延びる。それだけでなく、本解決策による措置は、たいていそうである体内の湿った環境に基づく水分侵入に対する、植込み可能な電気接触構成の耐性の改善に寄与するべきである。

本発明の基礎となる課題の解決策は請求項１に提示されている。この発明思想を有利にさらに発展させる特徴は、従属請求項及びこの後の説明の対象であり、とりわけ例示的実施形態を参照することで読み取ることができる。

本解決策によれば、植込み可能な電気接触構成は、請求項１のプリアンブルの特徴に基づき、電極体構成が、拡散障壁層を介してイリジウム層と結合している少なくとも一つの金層を備えたスタック状の層結合体を有することを特徴とする。スタック状の層結合体は、イリジウム層のうち層結合体に面していない少なくとも一つの表面領域を除いて、そのほかでは完全にＳｉＣ層で被覆されている。ＳｉＣ層もまた、スタック状の層結合体に面していないＳｉＣ層表面を有しており、このＳｉＣ層表面と、生体適合性で電気絶縁性の材料が間接的又は直接的に隣り合っている。

遷移金属から成っており、金の格子定数より小さいがイリジウムの格子定数より大きい格子定数が選択されている拡散障壁層を、金層とイリジウム層の間に挟むことで、その界面で主として高い凝集結合力が作用するスタック状の層結合体が実現され、つまり、界面間の凝集結合力の結合割合が、少なくとも７０％、好ましくは少なくとも８０％、とりわけ好ましくは少なくとも９０％である。残りの結合力は、例えば共有結合又は付着結合などに基づいている。

特に好ましい一実施形態では、拡散障壁層として白金が使用されるが、同様にチタンの使用も可能である。層順ＳｉＣ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒから成るのが好ましい本解決策によるスタック状の層結合体は、最適に互いに調整された格子定数を有しており、これらの格子定数により、密接し、強い凝集結合力に基づいたスタック状の層結合体が形成される。これは、以下の好ましい層順の格子定数、すなわちＳｉＣ：４．３６Å、Ａｕ：４．０７Å、Ｐｔ：３．９２Å、Ｉｒ：３．８３Åに反映されている。

ＳｉＣ層及びその上にある金層の直接的な層順により、凝集結合力の形成を妨害する炭化物の形成を排除することができる。加えてＳｉＣ及び金から成る層結合体は、最高５５０℃の温度まで温度安定性である。

上で言及したように、層状のスタック結合体内の格子定数をできるだけ最適に適合させるためにも、金が隣のＩｒ層中に拡散するのを防ぐためにも、白金層又はチタン層が、拡散障壁層として用いられ、且つ約２０〜３０ナノメートルの層厚しかないことが好ましい。

本解決策により形成される電気接触構成の好ましい一実施形態では、Ｉｒ層のうちＳｉＣ層に覆われていない少なくとも一つの表面領域が、接触構成の少なくとも一つの電極表面に対応する。有利な変形形態ではこれに加えて、自由にアクセス可能なイリジウム層の上に酸化イリジウム層を施してもよく、この酸化イリジウム層が、接触構成の少なくとも一つの電極表面に対応する。

それぞれ少なくとも一つの自由にアクセス可能な電極表面を除いて、電極体構成全体が、生体適合性で電気絶縁性のポリマーに取り囲まれており、このポリマーは、ポリイミド、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、パリレン、又はＰＤＭＳであることが好ましい。

層間の有意に高い凝集結合力を特徴とするこのスタック状の層結合体は、植込み可能な電気プラグコネクターのプラグ部及び／又はソケット部の構造に適していることが特に有利であり、この電気プラグコネクターは、少なくとも一つの電極構成を包囲している生体適合性で電気絶縁性の材料が、ボディの表面を画定しており、この表面と、電極体構成の少なくとも一つの自由にアクセス可能な電極表面とが、間接的又は直接的に隣り合っていることを特徴とする。

プラグ部の場合には、ボディの表面に、少なくとも一つのさらなる自由にアクセス可能な電極表面が設けられており、この電極表面を介して、外部からの信号供給又は電気的なエネルギー供給が行われることが好ましい。少なくとも二つのこれらの電極表面は、ボディ内で延びている電気的結合部を介して電気的に結合している。

好ましい一実施形態では、両方の自由にアクセス可能な電極表面が、金から成る電気的結合部と間接的又は直接的に結合しており、この電気的結合部は片側で本解決策による電極体構成の金層と一体的に結合しており、そのほかではＳｉＣ層によって完全に包囲されており、ＳｉＣ層の方は、ボディの生体適合性で電気絶縁性の材料に取り囲まれている。

ソケット部（少なくとも一つのさらなる自由にアクセス可能な電極表面が必ずしも設けられていなくてよい）の場合には、少なくとも一つの自由にアクセス可能な電極表面が、ボディ内で電気的結合部と電気的に結合しており、この電気的結合部は、任意の体内に配置された消費機器と結合している。

そのほかの電気的なコンポーネント及びシステム（絶えず湿った環境に曝されており、且つそのアクセス性が少なくとも限定されており、したがってそのほかでは自給自足できる運用のためにできるだけ長いシステム寿命を必要とする）内でも、もちろん、本解決策に基づいて形成される植込み可能な電気接触構成を組み込む及び用いることができる。この接触構成は、例えば、体内の組織領域に電気インパルスを適用するための刺激構成としても適している。この場合、自由にアクセス可能な接触電極表面（好ましくは上で言及した酸化イリジウム層の形態）が、能動的な刺激電極として用いられ、この刺激電極は、生体組織領域に、間接的又は直接的に（例えば神経又は筋肉に沿って）肉体に接触して、したがってさらに導電性に接触して、生体組織領域を刺激する。

酸化イリジウム層はそのうえ十分に多孔質の電極表面を有しており、したがって電気化学的に活性な電極面積は、幾何学的な電極面積より何倍も大きい。これはなかでも、電極表面のインピーダンス低下に寄与し、且つ最大電荷注入密度を大幅に上昇させる。

以下では、一般的な発明思想を制限することなく、例示的実施形態に基づいて図面を参照しながら具体例に即して本発明を説明する。

植え込み可能なプラグコネクター構成のプラグ部の断面図である。 植え込み可能なプラグコネクター構成のプラグ部の断面図である。 植え込み可能なプラグコネクター構成のプラグ部の断面図である。 従来技術に基づく植込み可能なプラグコネクターを上から見た概略図である。 図２ａに図解した断面ＡＡに沿った断面図である。 図２ａに図解した断面ＢＢに沿った断面図である。 図２ａに図解した断面ＣＣに沿った断面図である。

図２ａに図解したプラグ部１の図（単に見やすくするという理由から、一つだけの電極体５及び電極体５と電気的に結合している一つの接触電極表面６を有している）（通常は、複数のこのような電極体５及びそれに対応する接触電極表面６が、プラグ部１（それ自体は知られている）上に存在している）を出発点として、以下では、本解決策により形成されるプラグ部が、プラグ部の既知の形態と外見上は明らかには異なっていないものとする。本解決策に基づく形成は、プラグ部１の内部に組み込まれた電極体構成の配置及び構造に反映されており、この電極体構成を、図１ａを参照しながらさらにより詳しく説明する。

図１ａは、図２ａで示唆している断面ＡＡに基づく、本解決策により形成されるプラグ部１の断面ＡＡに沿った断面図を示している。生体適合性で電気絶縁性のポリマーから成るハウジング９内に電極構成１０が組み込まれており、電極構成１０は、以下の層構造を特徴とする。

支持基板１１として用いられているＳｉＣ層上に金層１２が堆積されており、金層１２のうち支持基板１１に面していない金層表面１３上に、数十ｎｍ厚しかない白金層の形態での拡散障壁層１４が堆積されている。拡散障壁層１４は、金層表面１３の一部分領域だけを覆っており、上面図では拡散障壁層１４が横方向を金層表面１３に取り囲まれたままであるようになっている。重なり合って堆積される三つの層１４、１５、及び１６の配置及び形成は、これらの三つの層が、垂直なスタック方向に沿ってそれぞれ相互に揃って終端するように行われている。

金層１２も拡散障壁層１４も隣り合うイリジウム層１５も、少なくとも一部の層厚に沿って、側面で、追加的なＳｉＣ層１１’によって気密に包囲されており、ＳｉＣ層１１’は、支持基板１１として用いられているＳｉＣ層と一体的に結合している。好ましくは、上側のＳｉＣ層１１’の上に、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）から成るもう一つのさらなる付着促進層２１が堆積され、付着促進層２１は、ＳｉＣ層１１’に揃って終わっている。

したがって電極体構成１０は、以下の層結合体、すなわちＳｉＣ層１１及び１１’、ＤＬＣ層２１、金層１２、拡散障壁層１４、イリジウム層１５、並びに酸化イリジウム層１６から構成されている。

電極体構成１０全体は、生体適合性で電気絶縁性のポリマー（好ましくはポリイミド、液晶ポリマー、パリレン、又はＰＤＭＳから成る）内に埋め込まれており、好ましくは、酸化イリジウム層１６の一部が、ポリマーハウジング９から上に突き出ており、且つ電極体５の接触表面となっており、この接触表面は、プラグ部１をソケット部２に嵌め込むことで、ソケット部２内に設けられた対応する対向電極表面と接触する。

既に言及したように、拡散障壁層１４として白金の代わりにチタンを用いてもよい。

図２ａに示した電極体５に対応する酸化イリジウム層１６と接触電極表面６を電気的に結合するために、ハウジング９の内部に延びている金結合導線１７が用いられ、この金結合導線１７は片側で電極体構成１０の金層１２と一体的に結合している。金結合導線１７は、ＳｉＣ層１１／１１’によって完全に被覆されており、且つポリマーハウジング９に対して気密に仕切られている（図１ｂでの断面ＢＢを参照）。

接触電極表面６（図１ｃでの断面図ＣＣを参照）の領域では、ポリマーハウジング９内に凹部１８が施されており、凹部１８は、金接触層１９の表面への自由なアクセスを意味しており、金接触層１９は金結合導線１７と一体的に結合している。金接触層１９は、金結合導線１７とは異なる形状、厚さ、及び大きさを有しており、且つ接触電極表面の形成に適切に適合されている。

とりわけ、自由にアクセス可能な接触電極表面６は横方向をＳｉＣ層１１’によって完全に取り巻かれ又は包囲されており、ＳｉＣ層１１’上にはＤＬＣ層２１が堆積している。電気導入線に対して永続的に機械的に結合するために、プラグ部は接触電極表面６の場所で、穴２０の形態で局所的に完全に貫通している。

上で説明したようなプラグ部としての、本解決策による植込み可能な電気接触構成の適用においても、例えば体内のボディ領域の電気刺激のための刺激電極構成の形態でのような、その他の植込み可能なシステムにおいても、図１ａで図解した層結合体、つまりＳｉＣ−ＤＬＣ−Ａｕ−Ｐｔ−Ｉｒ−ＩｒＯ_ｘは、個々の層間の水の侵入を回避するために非常に有利である。

１ プラグ部
２ ソケット部
３ 挿入口
４ 嵌込み区間
５ 電極体
６ 接触電極表面
７ 電気導入線
８ はんだ結合部
９ ハウジング
１０ 電極体構成
１１ ＳｉＣ層
１１’ ＳｉＣ層
１２ 金層
１３ 金層の表面
１４ 拡散障壁層
１５ イリジウム層
１６ 酸化イリジウム層
１７ 金結合導線
１８ 凹部
１９ 金接触層
２０ 穴
２１ ＤＬＣ層

Claims (14)

1. 植込み可能な電気接触構成であって、
   前記植込み可能な電気接触構成は、少なくとも一つの電極体構成を有し、
   前記少なくとも一つの電極体構成は、少なくとも一つの自由にアクセス可能な電極表面を有し、そのほかでは、生体適合性で電気絶縁性の材料によって完全に包囲されており、
   前記少なくとも一つの自由にアクセス可能な電極表面は、前記生体適合性で電気絶縁性の材料によって間接的又は直接的に包囲される、
   植込み可能な電気接触構成において、
   前記電極体構成がスタック状の層結合体を有し、前記スタック状の層結合体は少なくとも一つの金層を備え、前記少なくとも一つの金層は、拡散障壁層を介してイリジウム層と結合していることと、
   前記スタック状の層結合体が、前記イリジウム層のうち前記層結合体に面していない少なくとも一つの表面領域を除いて、そのほかでは完全にＳｉＣ層で被覆されていることと、
   前記ＳｉＣ層が、前記スタック状の層結合体に面していないＳｉＣ層表面を有しており、前記ＳｉＣ層表面と、前記生体適合性で電気絶縁性の材料とが間接的又は直接的に隣り合っていることと、
   を特徴とする植込み可能な電気接触構成。
2. 前記イリジウム層のうち前記ＳｉＣ層に覆われていない前記少なくとも一つの表面領域が、前記少なくとも一つの電極表面に対応していることを特徴とする、請求項１に記載の接触構成。
3. 少なくとも、前記イリジウム層のうち前記ＳｉＣ層に覆われていない前記少なくとも一つの表面領域の上に酸化イリジウム層が施されており、
   前記酸化イリジウム層が、自由にアクセス可能な表面を有し、
   前記自由にアクセス可能な表面は、前記イリジウム層に面しておらず、且つ前記少なくとも一つの電極表面に対応することを特徴とする、請求項１に記載の接触構成。
4. 前記生体適合性で電気絶縁性の材料がポリマーから成っていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の接触構成。
5. 前記ポリマーは、ポリイミド、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、パリレン、又はＰＤＭＳのうちの１つであることを特徴とする、請求項４に記載の接触構成。
6. 前記拡散障壁層が遷移金属から成っており、
   前記遷移金属の格子定数は、金の格子定数より小さく、イリジウムの格子定数より大きいことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の接触構成。
7. 前記拡散障壁層が、白金層又はチタン層であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の接触構成。
8. 前記ＳｉＣ層に包囲された前記スタック状の層結合体が、少なくとも、ＳｉＣ／Ａｕ、Ａｕ／Ｐｔ、Ｐｔ／Ｉｒの界面を有していることと、
   前記結合体が、前記界面の間では、主として凝集結合力によって特徴づけられていることと、
   を特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の接触構成。
9. 前記界面の間では、少なくとも７０％の結合割合で凝集結合力が掛かっていることを特徴とする、請求項８に記載の接触構成。
10. 少なくとも前記拡散障壁層が、前記金層、前記ＳｉＣ層、及び前記Ｉｒ層によって気密に取り囲まれていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の接触構成。
11. 前記スタック状の層結合体に面していない前記ＳｉＣ層表面が、少なくとも一部の領域で、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）から成る付着促進層でコーティングされていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の接触構成。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の少なくとも一つの接触構成を含んでいる植込み可能な電気プラグコネクターのプラグ部又はソケット部において、
    前記少なくとも一つの電極体構成を包囲している前記生体適合性で電気絶縁性の材料が、ボディの表面を画定しており、前記表面と、前記電極体構成の前記少なくとも一つの自由にアクセス可能な電極表面及び少なくとも一つのさらなる自由にアクセス可能な電極表面が間接的又は直接的に隣り合っていること、並びに
    両方の電極表面が、前記ボディ内で延びている電気的結合部を介して電気的に結合していること、
    を特徴とする、プラグ部又はソケット部。
13. 前記電気的結合部が、前記電極体構成の前記金層と結合していることと、
    前記電気的結合部がＳｉＣ層に包囲されており、前記ＳｉＣ層が、前記ボディの前記生体適合性で電気絶縁性の材料に取り囲まれていることと、
    前記さらなる自由にアクセス可能な電極表面が、そのほかでは前記ＳｉＣ層に包囲されている電極体の表面であることと、
    を特徴とする、請求項１２に記載のプラグ部又はソケット部。
14. 前記電極体と、前記電気的結合部と、前記電極体構成の前記金層とが、一体的に結合しており、且つ金から成っていることを特徴とする、請求項１３に記載のプラグ部又はソケット部。

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