(57)【要約】      （修正有）【課題】細胞ネットワークの電気的活動にアクセスするためのインターフェースデバイスを提供する。【解決手段】組織切片６を保持すること、ならびに組織切片６からの神経細胞を記録および／または刺激することに適する混合マイクロ流体多重電極グリッドアレイ（ＭＥＧＡ）デバイス１０。ＭＥＧＡデバイス１０は、少なくとも電気的および／または光学的多重電極アレイを備えるグリッド形状の上基板と、グリッド１および土台２で構成するスタック形状の第１下基板であって、グリッド１は、電気的および／または光学的多重電極アレイを備え、土台２は、マイクロ流体灌流システムを備え、前記グリッド１の下にあるようにした第１下基板とを備える。さらに、前記ＭＥＧＡデバイス１０は、第１基板および第２基板を一緒に押圧および位置決めし、前記２つの基板の間に組織切片または細胞培養を固定するための手段を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
組織切片（６）または細胞培養を保持すること、ならびに前記組織切片（６）または細胞培養からの神経細胞を記録および／または刺激することに適した混合マイクロ流体多重電極グリッドアレイデバイス（１０）であって、
・グリッド（１）および土台（２）で構成するスタック形状の第１下基板であって、
グリッド（１）は、電気的および／または光学的多重電極（８）アレイを備え、
土台（２）は、マイクロ流体灌流システムを備え、前記グリッド（１）の下にあるようにした第１下基板と、
・少なくとも電気的および／または光学的多重電極（９）アレイを備えるグリッド（４）形状の第２上基板と、
・前記第１基板および第２基板を一緒に押圧および位置決めし、前記２つの基板の間に組織切片（６）または細胞培養を付着させるための手段（５）とを備えるデバイス（１０）。
【請求項２】
第１基板および／または第２基板は、シリコン、ガラス、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）、ＧａＮ、ポリマーを備えるようにした請求項１記載のデバイス（１０）。
【請求項３】
少なくとも電気的および／または光学的多重電極アレイを有する前記グリッド（１、４）のいずれかは、電気回路、チップ、バイオセンサ、光学センサ、光刺激装置、電気センサ、電気刺激装置の少なくとも１つをさらに備えるようにした請求項１または２記載のデバイス（１０）。
【請求項４】
少なくとも電気的および／または光学的多重電極アレイを備える前記グリッド（１、４）のいずれかは、単一層構造または代替として多層配線構造の電極を備え、グリッド周りに相互接続するフレームを形成するようにした請求項１〜３のいずれかに記載のデバイス（１０）。
【請求項５】
マイクロ流体灌流システムは、組織切片（６）または細胞培養を生きた状態に保つための酸素、成長因子、および／または他の（生物）化学的サポートを有する組織切片（６）または細胞培養を設けるための、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）またはポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）で構成するチャネルネットワークを備えるようにした請求項１〜４のいずれかに記載のデバイス（１０）。
【請求項６】
第１基板および／または第２基板は、ＣＭＯＳベースの電子回路、ナノ電子回路、ＧａＮおよび他のＩＩＩ−ＩＶ材料ベースの技術、ポストＣＭＯＳ電子回路および／またはバイオ電子回路のいずれかをさらに備えるようにした請求項１〜５のいずれかに記載のデバイス（１０）。
【請求項７】
グリッド形状の第１基板および／または第２基板は、１０〜５０μｍオーダーの開口部（２２）を有するようにした請求項１〜６のいずれかに記載のデバイス（１０）。
【請求項８】
多重電極アレイのいずれかが、１０〜５０μｍの範囲の直径および約２５〜５０μｍの最小電極ピッチを有する最大約１００個の電極を備える請求項１〜７のいずれかに記載のデバイス（１０）。
【請求項９】
デバイス（１０）は、密閉チャンバの中に設置されるようにした請求項１〜８のいずれかに記載のデバイス（１０）。
【請求項１０】
前記第１基板と第２基板との間に位置した、少なくとも電気的および／または光学的多重電極アレイおよび任意のマイクロ流体部を有するグリッド（５０）形状の中間基板をさらに備えるようにした請求項１〜９のいずれかに記載のデバイス（１０）。
【請求項１１】
生きている組織の神経細胞および筋細胞を刺激および／または記録するための請求項１〜１０のいずれかに記載のデバイス（１０）の使用。
【請求項１２】
筋生理学の態様および／または神経プロセスの調査のための請求項１１記載の使用。
【請求項１３】
混合マイクロ流体多重電極グリッドアレイデバイス（１０）を製造する方法であって、
・第１支持基板および第２支持基板を取得することと、
・前記第１支持基板よび第２支持基板内にグリッド構造を設けることと、
・電気的および／または光学的多重電極グリッドアレイを前記第１支持基板および第２支持基板上に設けることと、
・前記第２基板の下にポリマー材料で構成する土台を設け、前記土台内にマイクロ流体灌流システムを設けることとを含む方法。
【請求項１４】
前記多重電極グリッドアレイに電気的に接続した、チップ、バイオセンサ、光学センサ、光刺激装置の少なくとも１つを設けることをさらに含む請求項１３に係る方法。
【請求項１５】
第１支持基板および第２支持基板を一緒に位置決めおよび押圧し、２つの基板の間に生きた組織切片または細胞培養を保持するための手段を備える請求項１３または１４記載の方法。
【請求項１６】
前記第１支持基板と第２支持基板との間に位置する少なくとも１つの中間基板を付加することをさらに含み、該少なくとも１つの中間基板は、少なくとも電気的および／または光学的多重電極アレイならびに任意のマイクロ流体部を備えるグリッド形状であるようにした請求項１３〜１５のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１セットまたはマトリクス状の複数のエレメントを通じた細胞ネットワークの電気的活動へのアクセスを提供するインターフェースデバイスの分野に関するものであり、前記エレメントは、マイクロ流体部ならびに電気的および／または光学的多重電極アレイを備える。
【０００２】
さらに、本発明は、長期の神経プロセスの観察および記録に適したデバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
多くの細胞生理学的応用および医療的応用において、生体細胞に近接して、生化学的パラメータおよび生理学的パラメータを測定することに対する要望がある。体外(in-vitro)ネットワーク神経活動の記録のためのよく知られたテクニックが、多重電極アレイ（ＭＥＡ）である。ＭＥＡは、その中を通って神経信号が取得または伝達される多数の(shank)を含むデバイスであり、本質的に神経細胞を電気回路に接続する神経インターフェースの機能を果たす。ＭＥＡは、最大約１００個の電極および約１０μｍの最小電極ピッチを有する絶縁基板（例えばガラス）で構成する。新たに調整した組織切片を、信号の記録および／または刺激のために、ＭＥＡ上に付着させ、または培養してもよい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ある体外の生理学実験は、より改良した多重電極アレイ（ＭＥＡ）の機能性、例えば長期増強および長期抑圧の調査を要求する。市販のＭＥＡがこの種の応用にあまり適さないのは、次の１つまたはそれ以上の理由のためである。
１．切片の下部での灌流は、組織細胞を低酸素症およびその後の細胞死へ準最適に導き、または集積流体部を特徴とするシステムにおいては、下部の記録は、底に位置する灌流パターンに阻害されうる。灌流部および電子回路を１チップ内に集積することによっても、システムは大きい費用がかかる。
２．ワイヤのための限定されたスペースに起因して、現行システムは、内部電極距離と、興味ある構造の領域カバー率とはトレードオフの関係がある。したがって、記録した領域の空間分解能は制限され、多くの応用に対して不十分である。
３．ＭＥＡにおける組織切片と記録電極との間の不十分な封止により、記録はしばしばノイズで汚染される。
【０００５】
よって、上記不都合を考慮すると、体外の組織切片、例えば海馬切片からの、高密度長期同時記録を可能にするアレイ状のインターフェースシステムに対する明確なニーズがある。
【０００６】
本発明の目的は、記録および／または刺激のための既在のＭＥＡに関する課題を解決することである。
【０００７】
本発明の実施形態の目的は、例えば脳切片または心臓切片もしくは細胞培養のような組織切片へのアクセスを提供するための良好なインターフェースデバイスを提供することであって、該インターフェースデバイスを、前記組織切片または細胞培養の振る舞いを培養、刺激、および／または検出するように配置したことである。該インターフェースデバイスは、神経生理学の分野において、重要なツールである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的は、本発明の実施形態に係るデバイスおよび方法によって達成される。
【０００９】
第１の態様において、本発明は、組織切片、例えば脳切片または心臓切片を保持することに適し、前記組織切片または細胞培養からの神経細胞を記録および／または刺激することに適する混合マイクロ流体多重電極グリッドアレイデバイスを提供する。該デバイスは、
グリッドおよび土台で構成するスタック形状の第１下基板であって、グリッドは、電気的および／または光学的多重電極アレイを備え、土台は、マイクロ流体灌流システムを備え、前記グリッドの下にあるようにした第１下基板と、
少なくとも電気的および／または光学的多重電極アレイを備えるグリッド形状の第２上基板と、
前記第１基板および第２基板を一緒に押圧および位置決めし、前記２つの基板の間に組織切片または細胞培養を固定するための手段とを備える。
【００１０】
本発明の実施形態に係る混合マイクロ流体多重電極グリッドアレイデバイスの利点は、高密度長期同時記録、および／もしくは組織切片、例えば脳（海馬）切片または心臓切片もしくは体外の細胞培養からの刺激をもたらすことを可能にする多重電極アレイシステム（ＭＥＡ）が設けられたインターフェースデバイスとして機能しうることである。本発明の実施形態に係るグリッドアレイデバイスが、下記の１つまたはそれ以上をさらに達成するであろう。
・ＭＥＡの改良した機能。
・記録領域に対する改良した空間分解能。
・組織切片または細胞培養と汚染を避けるための記録電極との間の改良した封止。
【００１１】
既在のＭＥＡシステムに関する課題は、混合システムマイクロ流体多重電極グリッドアレイ（ＭＥＧＡ）と呼ぶ本発明の実施形態の進んだＭＥＡシステムによって解決される。改良したマイクロ流体灌流システムと、改良した電気的および／または光学的多重電極グリッドアレイとを結びつけることによって課題を解決する。本発明の実施形態に係るＭＥＧＡシステムは、マイクロ流体部と電極グリッドとを互いに２つの分割可能な構造に分離し、電極アレイ（任意にチップ部品のような電気回路を含む）およびマイクロ流体部分の個々の発展を可能にすることによって、既在のＭＥＡシステムとさらに差別化されている。
【００１２】
本発明の実施形態に係るＭＥＧＡシステムの利点は、例えば研磨による加工後、少なくとも１つのグリッドの厚さが減少することである。グリッドの厚さは、例えば上グリッドの可撓性の増加を付与するよう適合し、（脳）組織切片の形状に追従できるようにしてもよい。これは、マイクロ流体部を有しないグリッドの厚さは、上基板および下基板の両方を一緒に押圧する場合、脳組織に近接固定することに適するように、厚さが選択され、または適合するという利点を有する。
【００１３】
本発明の実施形態に係るＭＥＧＡシステムには、少なくとも上基板（上グリッド）および下基板（下グリッド）が設けられ、組織切片を前記両方の基板（グリッド）間に挟持することによって、組織切片内の神経細胞を記録することに使用する既在のＭＥＡシステムと、さらに差別化されている。前記少なくとも２つの基板を設けることによって、一方の基板上のマイクロ流体灌流システムを設けること、および他方の基板上の電極グリッドシステム（または代替として２つの基板上の両方のシステムの組み合わせ）を設け、記録領域に対するより優れた空間分解能と、電極の機能性に対するより大きな可撓性とを付与することが可能である。興味ある組織切片を、両方の基板の間に設置し、両方の基板を堅く押圧することによって、より優れた封止を達成し、汚染を避けることができる。
【００１４】
本発明の実施形態に係るＭＥＧＡシステムの利点は、より適応性のあるマイクロ流体システムが使用可能であり、例えば酸素、成長因子、および他の（生物）化学サポートを有する組織切片を設けることができるように、マイクロ流体システムが、分離した基板上に位置することである。それゆえに、下基板は、好ましくは下層（土台とも呼ぶ）のスタックで構成し、下層はポリマー材料から成り、マイクロ流体システムを備え、適切な形状、例えば多重電極グリッドアレイを受容するよう適合した形状を有する前記土台の上にあり、または前記土台の中空に嵌合する該多重電極グリッドアレイを有する。
【００１５】
本発明の実施形態に係るＭＥＧＡシステムの利点は、電極が、単一層構造または（大きい電極密度のために好ましい）多層配線構造で、下グリッドおよび／または上グリッドの少なくとも１つに設けられ、グリッド周りに相互接続するフレームを形成することである。
【００１６】
本発明の実施形態に係るＭＥＧＡシステムの利点は、グリッドをＣＭＯＳ互換の方法で製造可能であり、同じ製造フローが下グリッドおよび上グリッドを製造するために使用可能であることである。追加の（任意の）ステップが、例えば上部および下部に使用するためのグリッドの厚さを修正するために加わる。下グリッドは、上部で電極と共に使用してもよく、上グリッド（組織切片または細胞培養に下方向に対向する電極を有する）として使用する場合には、好ましくは反転する。同じ相互接続メカニズムが、両方の電極を外部電子回路またはグリッド枠内に嵌合した電子回路に電気的に接続するための両方の電極に使用可能である。組織切片、例えば脳切片、または細胞培養の頂面と底面の両方に多重電極グリッドアレイを設けることによって、組織切片、例えば脳切片、または細胞培養の単一の神経細胞の振る舞いを同時に刺激および記録することが可能になることはさらなる利点である。
【００１７】
本発明の実施形態に係るＭＥＧＡシステムの利点は、更なる電気回路、例えばＣＭＯＳベースの電子回路、ナノ電子回路、ＧａＮおよび他のＩＩＩ−ＩＶ材料ベースの技術、ポストＣＭＯＳ電子回路および／またはバイオ電子回路をＭＥＧＡシステムに付加可能であることである。
【００１８】
本発明の実施形態に係るＭＥＧＡシステムのさらなる利点は、例えば研磨による加工後、少なくとも１つのグリッドの厚さが減少することである。マイクロ流体部を備えるグリッドの狭い溝のみが要求され、グリッドは、大きくは突き出さず、さらにグリッド全体に渡って自発的な神経細胞の成長を許容するように、例えば下グリッドの高さが減少する。
【００１９】
本発明の実施形態に係るＭＥＧＡシステムのさらなる利点は、高さの差が下グリッド（好ましくは、マイクロ流体部を備える土台に適合する）と上グリッドとの間で生じるように、少なくとも１つのグリッドの厚さを意図的に適合（減少）させることである。前記高さの差は、例えば灌流、またはマイクロ流体放出のための領域を密閉すること、相互から（マイクロ流体外乱を避けるために）領域を保護すること、および神経細胞の成長を閉じ込めることなどに使用してもよい。
【００２０】
本発明の実施形態に係るＭＥＧＡシステムの利点は、電極に近接するＣＭＯＳ電子回路の直接嵌合を達成しうるように、電子回路がグリッド枠内または該電子回路グリッド自体の内側に嵌合することである。
【００２１】
本発明の実施形態に係るＭＥＧＡシステムのさらなる利点は、グリッドは、単一層相互接続システムまたは多層相互接続に使用可能であり、よって利用可能な標準ＣＭＯＳ相互接続プロセスを使用することである。
【００２２】
本発明の実施形態に係るＭＥＧＡシステムのさらなる利点は、電極は、上グリッドおよび下グリッドに設けられ、前記電極を意図的に互いに整列または不整列させられることである。アライメント構造は、両方のグリッドを互いに好ましく配列することに使用可能である。これにより、まさに同じ位置からの電極上の電極の刺激または記録が可能になる。
【００２３】
本発明の実施形態に係るＭＥＧＡシステムは、密閉チャンバ内にＭＥＧＡシステム全体を組み込むことでさらに完成してもよい。ＭＥＧＡシステムを動作中視認して検査することが可能であるように、前記チャンバは透明材料で構成してもよい。密閉システムにＭＥＧＡシステムを組み込む利点は、例えば生きた脳切片を維持するために、および例えば汚染を避けるために最適化した、制御された環境が付与されることである。
【００２４】
例えば多重組織切片、例えば脳切片、または細胞培養を、１つのＭＥＧＡシステム内で同時に記録および刺激可能であるように、本発明の実施形態に係るＭＥＧＡシステムは、中間グリッド構造を付加することによってさらに完成してもよい。これは、異なる脳切片間の相互作用を観察できるという更なる利点を有する。
【００２５】
本発明の実施形態に係る混合マイクロ流体多重電極グリッドアレイデバイスの利点は、組織切片または細胞培養の頂面および底面の両方へのアクセスを提供するインターフェースデバイスを設けてもよく、その結果組織切片の単一の神経細胞の振る舞いを同時に刺激および記録することが可能になることである。
【００２６】
本発明の実施形態に係る混合マイクロ流体多重電極グリッドアレイデバイスの利点は、数千の神経細胞における実験が同時に稼動することと、組織切片または細胞培養の下側だけでなく上側からもそれらの相互作用および振る舞いを調査することとを可能にすることである。
【００２７】
本発明の実施形態に係る混合マイクロ流体多重電極グリッドアレイデバイスの利点は、（生きた）組織切片または細胞培養へのアクセスを提供することを可能にし、所要のマイクロ流体灌流システムを、組織切片または細胞培養の神経細胞を刺激および／または記録するために使用する所要の電気的（光学的）多重電極グリッドアレイから分離することが可能になることである。
【００２８】
本発明の実施形態に係るＭＥＧＡシステムは、細胞ネットワークにおける興奮の広がりのような神経プロセスまたは筋生理学の態様の調査、および／もしくは空間記憶および連想記憶のための重要な脳の領域である海馬における長期増強（ＬＴＰ）および長期抑制（ＬＴＤ）のような神経プロセスの調査に使用してもよい。
【００２９】
第２の態様において、本発明は、混合マイクロ流体多重電極グリッドアレイデバイスを製造するための方法を提供する。該方法は、
第１支持基板および第２支持基板を取得することと、
前記第１支持基板および第２支持基板を設けることと、
電気的および／または光学的多重電極グリッドアレイを前記第１支持基板および第２支持基板上に設けることと、
前記第２基板の下にポリマー材料で構成する土台を設けることと、
前記土台内にマイクロ流体灌流システムを設けることとを含む。
【００３０】
本発明の実施形態に係る方法は、前記多重電極グリッドアレイに電気的に接続した、チップ、バイオセンサ、光学センサ、光刺激装置の少なくとも１つを設けることをさらに含んでもよい。
【００３１】
本発明の実施形態に係る方法は、第１支持基板および第２支持基板を一緒に位置決めおよび押圧し、２つの基板間に、生きた組織切片または細胞培養を保持するための手段を設けることをさらに含んでもよい。
【００３２】
本発明の実施形態に係る方法は、前記第１支持基板と第２支持基板との間に位置する少なくとも１つの中間基板を付加することをさらに含んでもよく、該少なくとも１つの中間基板は、少なくとも電気的および／または光学的多重電極アレイならびに任意のマイクロ流体部を備えるグリッド形状である。
【００３３】
本発明の特定の好ましい態様は、添付する独立請求項および従属請求項において詳説する。従属請求項の特徴は、独立請求項の特徴および他の従属請求項の特徴と、適切および単に請求項に明記されただけでないものとして組み合わせてもよい。
【００３４】
本発明のこれらの態様および他の態様は、以下に記載する実施形態に関連して明確になる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態に係るＭＥＧＡデバイスの概略図を示す。
【図２】本発明の実施形態に係るＭＥＧＡデバイスでの使用のためのグリッドの一実施形態を示す。
【図３】本発明の実施形態に係るＭＥＧＡデバイスでの使用のための土台の一実施形態を示しており、土台は、図２に示すグリッドに適合する。
【図４】図２のグリッドの図３の土台への導入を示す。
【図５】本発明の実施形態に係るＭＥＧＡデバイスを概略的に示しており、３つのグリッドを有する堆積部を備え、組織切片が、２つの隣接したグリッドの間に設置され、土台が、グリッドの１つの下に設けられ、該土台は、マイクロ流体部分を備える。
【図６】本発明の実施形態に係るＭＥＧＡデバイスでの使用のためのグリッドのもう一つの実施形態を示す。
【図７】対応する土台に導入される図６のグリッドを示す。
【００３６】
図面は概略的に過ぎず、限定的でない。図面において、いくつかの要素のサイズが説明目的のため誇張したり、縮尺どおりに描かれていない。
【００３７】
請求項のどの参照符号も、範囲を限定するものと解釈すべきでない。
【００３８】
異なる図面において、同じ参照符号は、同一または類似のエレメントを参照する。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
ここで使用する場合、他に記述がない限り、用語「ＭＥＡ」は、絶縁基板（例えばガラス）に設けられる多重電極アレイシステムに関する。電極アレイは、１０〜５０μｍの範囲の直径および約２５〜５０μｍの最小電極ピッチを有する最大約１００個の電極を典型的に備える。
【００４０】
ここで使用する場合、他に記述がない限り、用語「組織切片」は、培養液中で生命維持される組織の薄片または移植片を参照する。本発明に関連する組織切片の特定の例は、脳切片および心臓切片であるが、本発明はそれらに限定されない。例として、脳切片培養は、全能組織の薄片または脳の特定の領域から取得される移植片に由来してもよい。
任意の領域が、脳切片を作成するのに使用可能である。しかしながら、脳切片の好ましい起源は、脳の特定の領域、例えば海馬領域から取得される移植片である。
【００４１】
ここで使用する場合、他に記述がない限り、用語「細胞培養」は、細胞が制御条件下で成長する複雑なプロセス、およびそうして成長した細胞に関する。細胞は、適切な培養状況（例えば温度、ガス混合、成長培地。培養条件は、異なる種類の細胞に応じて大きく変化する。）で成長し、生命維持される。
【００４２】
ここで使用する場合、他に記述がない限り、用語「マイクロ流体システム」は、組織切片または細胞培養を生きた状態に保つための、酸素、成長因子、および／または他の（生物）化学的サポートを含む適切な培養条件で、組織切片、例えば脳切片または心臓切片もしくは細胞培養を設けるための、例えばポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）で構成するチャネルネットワークに関する。本発明に関連する適切なマイクロ流体システムの特定の例、およびそれらの製造方法は、スティーグリッツ（T. Stieglitz）によって論文（Integration of Microfluidic Capabilities into Micromachined Neural Implants", International Journal of Micro-Nano Scale Transport, Vol.1, N°2, 2010）に記載されている。
【００４３】
ここで使用する場合、他に記述がない限り、用語「成長因子」は、細胞の成長、増殖および細胞分化を刺激することが可能な物質を自然発生させることを参照する。それは、典型的にはタンパク質またはステロイドホルモンであるが、本発明はそれらに限定されない。
【００４４】
ここで使用する場合、他に記述がない限り、用語「生体適合材料」は、細胞生理学に悪影響を与えない、細胞または組織に適合する材料を参照する。
【００４５】
本発明は、本発明の第１の態様に係るデバイスの詳細な説明、および本発明の第２の態様に係る、前記デバイスを組立てる方法の詳細な説明に記載されることになる。本発明のいくつかの実施形態が例として記載されているが、本発明の他の実施形態は、本発明の技術的教示から逸脱しない当業者の知識に従って構成されうることは明白であり、本発明は、添付した特許請求の範囲の語句により限定されない。
【００４６】
本発明の第１の態様に従って、混合システムマイクロ流体多重電極グリッドアレイ（ＭＥＧＡ）を開示する。前記ＭＥＧＡシステムは、組織（例えば脳または心臓）切片または細胞培養上での頂面または底面の記録／刺激に適し、あるいは組織切片または細胞培養上での頂面または底面の同時記録／同時刺激に適したデバイスである。これに関して、組織切片または細胞培養は、少なくとも電気的および／または光学的多重電極アレイを備える上基板と下基板との間に保持される。ＭＥＧＡシステムは、組織切片または細胞培養を生きた状態に保つための適切な培養条件で組織切片または細胞培養を設けるためのマイクロ流体灌流システムをさらに備える。組織切片または細胞培養は、典型的に２５０〜４００μｍの範囲の厚さを有する。
【００４７】
図１は、本発明の実施形態に係るＭＥＧＡシステム１０の概略図を示す。例に示すＭＥＧＡシステム１０は、グリッド１形状の底面を備える。このグリッド１は、少なくとも電気的および／または光学的多重電極アレイを備える。該多重電極アレイは、電極アレイを備えるが、図示した例においては黒ドット８で表している。ＭＥＧＡシステム１０は、第２グリッド４形状の頂面をさらに備える。また、このグリッド４は、少なくとも電気的および／または光学的多重電極アレイを備える。該多重電極アレイは、電極のアレイを備えるが、図示した例において黒ドット９で表している。グリッド１、４には、電子コンポーネントが設けられ、例えば該電子コンポーネントを備え、電極８、９に電気的に接続したチップが設けられる。さらに、土台２は前記グリッド１の下に設けられる。土台２は、機械的支持および機械的強度をシステム１０に提供する。土台２には、マイクロ流体システム３がさらに設けられる。マイクロ流体システム３は、生体適合ポリマーで構成してもよい。グリッド１、４は、互いに底面と頂面との位置を合わせ、組織切片６または細胞培養を両方の基板の間に固着させるための手段５を用いて適切な位置に保持してもよい。こうした手段５は、グリッド１、４のどちらかに垂直な方向に適合させるための、例えばマイクロドライブでもよい。
【００４８】
本発明の実施形態に係るＭＥＧＡデバイスは、組織切片、例えば脳切片６、または細胞培養を保持すること、および前記組織切片または細胞培養からの神経細胞を記録および／または刺激することに適する。
【００４９】
本発明の実施形態に係るＭＥＧＡデバイス１０の第１基板および／または第２基板のグリッド１、４は、例えばシリコン、ガラス、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）、ＧａＮ、ポリマーのような適切な絶縁材料で構成してもよい。グリッドは、好ましくは生体適合材料で構成する。グリッド１、４上に、複数の電極８、９を備える電気的および／または光学的アレイが設けられる。１アレイ内部の電極８、９は、個々にアドレス可能であってもよい。これに関して、アドレス回路(addressing circuitry)をグリッド１、４上に設けてもよい。さらに、本発明の実施形態に係るＭＥＧＡデバイス１０のグリッド１、４は、複数の電極８、９、例えばチップ、バイオセンサ、光学センサ、光学刺激装置、電気センサ、または電気刺激装置の少なくとも１つに電気接続した電気回路を備えてもよい。
【００５０】
本発明の特定の実施形態において、ＭＥＧＡデバイス１０のグリッド１、４は、単一層構造の電極を備えてもよい。あるいは、電極８、９を多層配線構造に配置し、グリッド１、４周りに相互接続フレームを形成してもよい。
【００５１】
本発明の実施形態に係るグリッド１の例を図２に示す。該グリッド１は、少なくとも２つの異なる方向のバーの網から成る。図２に示す実施形態において、グリッド１は、第１方向、例えば水平方向に第１バー２０を備え、第１方向に垂直である必要はない第２方向、例えば垂直方向に第２バー２１を備えるが、バー２０、２１は、均等に間隔を隔てる。本発明の実施形態において、すべての第１バー２０の間隔は等しく、すべての第２バー２１の間隔は等しい。第１バー２０の間隔は、第２バー２１の間隔に等しい必要はない。グリッドには、多重電極アレイを形成する複数の電極が設けられる。図２は、グリッド１の例を示すが、本発明の実施形態に係る他のグリッド、例えば以下で説明する上グリッドまたは中間グリッドは、同一、または類似の配置を有してもよい。
【００５２】
本発明の実施形態に係るＭＥＧＡデバイス１０の第１基板のグリッド１、４は、グリッド領域２２、２３、例えば第１方向の２つの第１バー２０および第２方向の２つの第２バー２１で規定される空間を有する。グリッド１、４の端部のグリッド領域は、必要ではないが、図２に示すように、２つの第１バー２０および１つのみの第２バー２１によって規定してもよく、または１つのみの第１バー２０および２つの第２バー２１によって規定してもよく（不図示）、または角部で、１つのみの第１バー２０および１つのみの第２バー２１によって規定してもよい（不図示）。グリッド領域２２、２３は、１０〜５０μｍオーダーの大きさを有してもよい。前記グリッド上の電極アレイのそれぞれは、１０〜５０μｍの範囲の直径および約２５〜５０μｍの最小電極ピッチを有する最大約１００個の電極を典型的に備える。
【００５３】
本発明の実施形態に係るグリッド１のもう１つの例を図６に示す。この実施形態においても、グリッドは、第１方向の第１バー２０および第２方向の第２バー２１を備える。図示した実施形態において、第１方向と第２方向とは互いに垂直であるが、本発明はそれに限定されない。図示した実施形態において、バーは、均等に間隔を隔てているが、これは両方向においてである。しかしながら、本発明はそれに限定されない。
【００５４】
本発明の実施形態において、グリッド領域は、空白グリッド領域２２（グリッド開口部）または機能的グリッド領域２３でもよい。空白グリッド領域２２は図６に白四角で示している。該空白グリッド領域は、例えばエッチングによって得られる開口部である。これは、それらが透過的であることを意味し、細胞および組織は、これらの空白グリッド領域２２を経由して成長する。機能的グリッド領域２３を斜線模様の四角形で図６に示す。機能的グリッド領域２３は、機能的特性を含有しうる。該機能的特性は、その必要はないが、グリッド上の特性と同じ特性、例えば電気回路のような、電極特性および／またはＣＭＯＳ特性であってもよい。グリッド領域の実質的な量、例えば、７５％以上、より具体的には９０％以上、例えば９５％以上が空白を維持し、これらの空白グリッド領域２２を通じて組織または細胞の成長を促進することは好都合である。機能的領域２３は、例えば組織切片または細胞培養の生物学的トポロジーに適合するように、より大きい電極密度が望まれる場所に設置してもよい。
【００５５】
本発明の実施形態に従って、少なくとも第１グリッド１は、土台２に支持されてもよい。土台２は、グリッド１を受容するように適合した溝部３０と嵌合する。よって、溝部３０は、第１バー２０および第２バー２１に少なくとも対応する。図２に示すグリッド１と協調するように適合した土台２を図３に示す。図示していないが、任意に、より多くの溝部、または第１バー２０および第２バー２１を受容する位置でない他の位置に溝部があってもよい。これにより、複数の形態のグリッドのための単一の土台２を有することが可能になる。土台２は、チャネルと、任意にマイクロ流体システム、より具体的には、例えばマイクロ流体灌流システムを設けるためのチャンバとをさらに備える。土台２は、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）またはポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のような任意の適切な材料で構成してもよい。土台２内のマイクロ流体システムは、培養条件に適した組織切片６または細胞培養が設けられるように適合する。特に、マイクロ流体システムは、組織切片６または細胞培養を生きた状態に保つための酸素、成長因子、および／または他の（生物）化学的サポートを有する組織切片６または細胞培養が設けられるように適合してもよい。本発明の実施形態の利点は、マイクロ流体チャネルのようなマイクロ流体灌流システムを付加することにより、生きた組織／細胞をサポートする培地を設けることが可能になることである。
【００５６】
グリッド１は、図２に示すように、グリッド高さｈを有する。グリッド１の高さｈは、第１バー２０および第２バー２１の厚さにより決まる。土台２内の溝部３０は、深さＨを有する。深さＨは、グリッド１が高さ方向で土台２に嵌合するようにとる。一平面内にすべての電極を設けるために、好ましくは、深さＨは高さｈより小さいまたはｈに等しい。
【００５７】
第１基板は、図２および図６のそれぞれに示す２つのグリッドの実施形態に対応する図４および図７に示すように、第１グリッド１を土台２に嵌合させることによって作成してもよい。該第１基板は、組織切片および／または細胞培養をサポートすること、刺激すること、および／または感知することに使用可能である。この構造が好都合であるのは、電気インターフェース（グリッド上の多重電極アレイ）の組み合わせを設けてもよく、半導体材料、例えばマイクロ流体コンポーネントを有するシリコンのような第１材料で構成してもよく、第２材料、例えばＰＤＭＳで構成してもよいからである。ＰＤＭＳは、マイクロ流体部を形成することに利点があるが、容易な電子回路の製造を可能にしない。同様に、半導体材料は、電気的コンポーネントを作成するのに優れているが、マイクロ流体コンポーネントを製造することには適していない。図４の第１基板が、両方のメリットを組み合わせ、同時にデメリットを軽減する。該システムは、土台２に嵌合した第１グリッド１を有する第１基板を備え、第１グリッド１は高密度記録電極マトリックスおよび刺激電極マトリックスを備えるが、該システムは、記録組織または細胞培養の応答を同時に刺激（電気的または光学的に）および記録することに使用可能である。
【００５８】
図６に示す実施形態から空白領域２２は透過的であることがわかる。土台２の一部が、領域２２を通じて見える。これらの部分は、マイクロ流体部を機能的に含んでもよい。図７の中央の円は、例えばマイクロ流体ＰＤＭＳモールドで満ちた空白状態で放置してもよい。
【００５９】
本発明の実施形態に係るＭＥＧＡデバイスの基板は、例えばＣＭＯＳベースの電子回路、ナノ電子回路、ＧａＮおよび他のＩＩＩ−ＩＶ材料ベースの技術、ポストＣＭＯＳ電子回路およびまたはバイオ電子回路のような電気回路をさらに備えてもよい。前記電気回路は、土台部分および／またはグリッド部分に設けられてもよい。
【００６０】
使用に際し、（図１に示すように）本発明の実施形態に係るＭＥＧＡデバイス１０を形成するために、図４に示すように、グリッド１を土台２の溝部３０に嵌合させることによって第１基板を形成する。第１基板の上部に、組織切片６または細胞培養を付着させる。その上部に第２基板４を付着させるが、該第２基板４は物理的に第１グリッド１と同じように見える。この第２グリッド４には、少なくとも、複数の電極９（多重電極アレイ）を備える電気的および／または光学的電極アレイが設けられる。電極９が組織切片６または細胞培養に面するように、第２グリッド４は、反転してもよい。第１グリッド１上の電極８および第２グリッド４上の電極９の両方が、組織切片６または細胞培養との接触に至る場合、同時測定が下部（第１グリッド１と接する）および上部（第２グリッド４と接する）で実施されうる。この方法で、３次元分解能が得られる。即ち、測定が組織切片６または細胞培養のさまざまな平面で実施される。または、刺激が下側で行われる間、測定は上側で行われるが、その逆でもよい。
【００６１】
別の実施形態において、ＭＥＧＡデバイス１０は、土台２およびグリッド１を有する第１下基板だけでなく、グリッド４を有する第２上基板を備えうる。ＭＥＧＡデバイス１０は、グリッド５０を有する少なくとも１つの中間基板をさらに備えうる。この方法で、組織切片６、７および／または細胞培養のスタックは作成され、グリッド５０は、少なくとも電気的および／または光学的多重電極アレイを間に備える。例を図５に概略的に示す。多重電極アレイの電極を、中間グリッド５０の片側または両側に付着させてもよい。電極がグリッド５０の片側にのみ存在する場合、中間グリッド５０は、電極の所望の位置に依存して、反転しても反転しなくてもよい。中間グリッド５０を付加することによって、１以上の組織切片６、７および／または細胞培養を同時調査する。任意であるが、異なる組織切片６、７および／または細胞培養の間の相互作用を観測してもよい。任意であるが（不図示）、中間グリッド５０のいずれか、またはそれぞれに、適切なマイクロ流体部、例えば土台２のような土台を設けられうる。
【００６２】
本発明の実施形態に係るグリッドのスタック１、４０、５０は、（i）いくつかの組織切片または細胞培養からの同時読み出しの可能性を提供するか、または（ii）切片の長期培養に関する組織工学および組織集積の可能性を証明するために使用可能である。さらに、温度センサは集積し、リアルタイムの読み出しを提供する。該読み出しは、実験に対するコントロールを向上させ、実験条件の連続的なクオリティコントロールを実施するための情報を提供する。
【００６３】
本発明の実施形態に係るＭＥＧＡデバイス１０は、密閉チャンバ（不図示）内に設置してもよい。前記密閉チャンバは、透明材料で構成し、動作中ＭＥＧＡシステム１０を検査してもよい。密閉チャンバは、例えば生きた組織切片６、７および／または細胞培養を保持するようさらに最適化した、制御された環境を提供するよう適合し、および／または例えば汚染を避けるよう適合してもよい。
【００６４】
本発明の実施形態に係るＭＥＧＡデバイス１０は、生きた組織の神経細胞および／または筋肉細胞を刺激または記録することに使用してもよい。
【００６５】
ＭＥＧＡデバイス１０は、組織切片、例えば体外の脳切片または心臓切片における興奮しやすい細胞の電気活動（例えば、神経可塑性における変化の広がり）の細かい調査を実施することに使用可能である。電極上でのマイクロ灌流システムの実装は、マイクロ流体システムの一部として、鋭い切片における長期記録、切片の特定領域の灌流分離、およびそれらの区別を示す薬理学的処置（例えば活性化しない領域と比較した活性化した領域の特性化）および同様の薬理学的応用を可能にする。マイクロ流体部分の流体および化学フラックスは、さらに刺激され、下部の電気的およびまたは光学的記録の最小の外乱を提供する。
【００６６】
本発明の実施形態に係るＭＥＧＡデバイス１０は、細胞ネットワークの興奮の広がりのような筋生理学の態様の調査、および脳内の長期増強（ＬＴＰ）および長期抑制（ＬＴＤ）のような神経プロセスの調査に使用してもよい。
【００６７】
本発明の第２の態様に従って、（上記）本発明の実施形態に係る本発明の実施形態に係る混合マイクロ流体多重電極グリッドアレイデバイス（ＭＥＧＡデバイス）１０を製造するための方法を開示する。前記方法は、
第１支持基板および第２支持基板を取得するステップと、
前記第１支持基板および第２支持基板内にそれぞれ第１グリッド１および第２グリッド４を設けるステップと、
電気的および／または光学的多重電極グリッドアレイを前記第１グリッド１および第２グリッド４上に設けるステップと、
例えばポリマー材料で構成し、第１グリッドとの精密嵌合に適合した形状を有する土台２を設け、前記土台２内にマイクロ流体灌流システムを設けるステップとを少なくとも含む。
【００６８】
本発明の利点は、慣習的な加工ステップが、本発明の実施形態に係るＭＥＧＡデバイス１０のさまざまなコンポーネントを製造することに使用可能であることである。
【００６９】
本発明の実施形態に係るＭＥＧＡデバイス１０を製造する方法は、前記第１グリッド１および／または第２グリッド４上の多重電極グリッドアレイに電気的に接続した、チップ、バイオセンサ、光学センサ、光刺激装置、生物化学センサ、生物化学刺激装置の少なくとも１つを設けるステップをさらに含んでもよい。
【００７０】
本発明の実施形態に係るＭＥＧＡデバイスを製造する方法は、グリッド１、４を一緒に押圧し、組織切片、例えば脳切片または心臓切片、もしくは細胞培養のような生きた組織をその間に保持するための前記手段５を備えるステップをさらに含んでもよい。
【００７１】
本発明の実施形態に係るＭＥＧＡデバイス１０を製造する方法は、前記第１グリッド１と第２グリッド４との間に位置し、少なくとも電気的および／または光学的多重電極アレイならびに任意のマイクロ流体部を備えるグリッド形状の中間グリッド５０を付加するステップをさらに含んでもよい。
【００７２】
開示した実施形態に対する他の変形が、図面、開示内容および添付した請求項の研究から、請求項の発明を実施する際に、当業者によって理解され達成される。請求項において、「備える」(comprising)は、他のエレメントまたはステップを除外せず、不定冠詞「１つの」(aまたはan)は複数を除外しない。ある手段が異なる従属請求項に相互に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用することができないことを言うものではない。請求項におけるどの参照符号も範囲を狭く限定するものと解釈すべきでない。
【００７３】
先の説明は、発明のある実施形態を詳細に述べている。しかしながら、先の説明が明細書においていかに詳細にされようと、発明は多くの方法で実行可能してもよく、それゆえ開示した実施形態に限定されないことがわかるだろう。注意すべきは、本発明のある特徴または態様を説明する場合の特定の用語の使用は、該用語が、関連する発明の特徴または態様のいかなる特性をも含むよう限定するようここで再定義されることを暗示するものであると取るべきではない。
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１】
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【外国語明細書】
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