(57)【要約】【課題】神経部位に流体を投与するためのデバイス及び方法を提供する。【解決手段】本発明に係るデバイスは、貯蔵部３６、貯蔵部３６に接続される開口部２４、及び流体を開口部２４へ移動させる又は開口部２４中を移動させる電気的手段（図示せず）を有している。電気的手段は、電気浸透力、圧電による隔膜の運動、又は、溶液の電気分解の形態をとる。電気的手段は、ホストの外部にある、ホストに埋め込まれる、又は、特に神経部位が網膜と関係する場合は光よって作動するフォトダイオードであり得る。【選択図】図１Ｃ
2007512866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
神経活動を調節するための神経デバイスであって、
（ａ）少なくとも神経細胞の一部と生体適合性がある面を有するハウジングと、
（ｂ）前記面に形成された開口部と、
（ｃ）前記開口部に接続される貯蔵部と、
（ｄ）前記貯蔵部内の流動体と関係して動作可能である、前記流体を前記開口部に移動させるための流れ調整器とを備える神経デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の神経デバイスであって、
前記流れ調整器が電気機械装置であることを特徴とする神経デバイス。
【請求項３】
請求項１に記載の神経デバイスであって、
前記流れ調整器が電気装置であることを特徴とする神経デバイス。
【請求項４】
請求項１に記載の神経デバイスであって、
前記面には、神経突起を前記開口部へ導くために、マイクロパターンが形成されていることを特徴とする神経デバイス。
【請求項５】
請求項１に記載の神経デバイスであって、
前記貯蔵部は生物活性物質を貯えていることを特徴とする神経デバイス。
【請求項６】
請求項１に記載の神経デバイスであって、
前記開口部の断面積は、約０．７５〜１５μ２の範囲であることを特徴とする神経デバイス。
【請求項７】
神経活動を調節するための神経デバイスであって、
（ａ）少なくとも１つの開口部を有するハウジングと、
（ｂ）少なくとも神経細胞の一部と生体適合性があり、神経突起を前記開口部へ導くためにマイクロパターンが形成された面と、
（ｃ）前記開口部の各々と通路によって接続される貯蔵部と、
（ｄ）前記貯蔵部内の流動体と関係して動作可能である、前記流体を前記開口部に移動させるための流れ調整器とを備える神経デバイス。
【請求項８】
請求項７に記載の神経デバイスであって、
前記マイクロパターンは生物活性物質を含み、前記神経突起の成長を前記開口部に導くことを特徴とする神経デバイス。
【請求項９】
請求項７に記載の神経デバイスであって、
当該デバイスの大きさは、網膜下又は網膜上の部位に適合する大きさであることを特徴とする神経デバイス。
【請求項１０】
請求項７に記載の神経デバイスであって、
少なくとも１つのフォトダイオードを含んでいることを特徴とする神経デバイス。
【請求項１１】
請求項７に記載の神経デバイスであって、
前記面は凹部を有しており、前記開口部は前記凹部に開口していることを特徴とする神経デバイス。
【請求項１２】
神経活動を調節するための神経デバイスであって、
（ａ）少なくとも神経細胞の一部と生体適合性がある面を有する、可撓性材料から成るハウジングと、
（ｂ）前記面に形成された開口部と、
（ｃ）前記開口部に接続される貯蔵部と、
（ｄ）前記貯蔵部内の流動体と関係して動作可能である、前記流体を前記開口部に移動させるための流れ調整器とを備える神経デバイス。
【請求項１３】
請求項１２に記載の神経デバイスであって、
前記可撓性材料はポリシロキサンであることを特徴とする神経デバイス。
【請求項１４】
請求項１２に記載の神経デバイスであって、
（ａ）少なくとも１つの貯蔵部と少なくとも１つの通路とを有し、各貯蔵部は１つの通路と接続する第１の層と、
（ｂ）前記第１の層を覆い、前記貯蔵部及び通路を取り囲み、前記貯蔵部と接続する開口部を有する第２の層との２つの層から成ることを特徴とする神経デバイス。
【請求項１５】
請求項１４に記載の神経デバイスであって、
前記第２の層には、神経突起の成長を前記開口部へ導くために、マイクロパターンが形成されていることを特徴とする神経デバイス。
【請求項１６】
請求項１２に記載の神経デバイスであって、
前記貯蔵部は生物活性物質を貯えていることを特徴とする神経デバイス。
【請求項１７】
請求項１２に記載の神経デバイスであって、
前記流れ調整器が電気機械装置であることを特徴とする神経デバイス。
【請求項１８】
請求項１７に記載の神経デバイスであって、
フォトダイオードを含んでおり、前記電気機械装置は前記フォトダイオードによって作動されることを特徴とする神経デバイス。
【請求項１９】
請求項１２に記載の神経デバイスであって、
前記流れ調整器が電気装置であることを特徴とする神経デバイス。
【請求項２０】
請求項１９に記載の神経デバイスであって、
フォトダイオードを含んでおり、前記電気装置は前記フォトダイオードによって作動されることを特徴とする神経デバイス。
【請求項２１】
神経細胞を刺激するための方法であって、
神経部位の近傍に請求項１に記載の神経デバイスを挿入するステップを含んでおり、
前記貯蔵部は生物活性物質を貯えていることを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の方法であって、
前記神経部位は網膜部位であることを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の方法であって、
前記生物活性物質は神経伝達物質であることを特徴とする方法。
【請求項２４】
神経細胞を刺激するための方法であって、
神経部位の近傍に請求項１２に記載の神経デバイスを挿入するステップを含んでおり、
前記貯蔵部は生物活性物質を貯えていることを特徴とする方法。
【請求項２５】
神経活動を調節するための神経デバイスであって、
（ａ）少なくとも神経細胞の一部と生体適合性がある面を有するハウジングと、
（ｂ）前記面に形成された開口部と、
（ｃ）前記開口部に接続される貯蔵部と、
（ｄ）前記貯蔵部内の流動体と関係して動作可能である、前記流体を前記開口部に移動させるための流れ調整器とを備えており、
可撓性ハウジング、可撓性膜ポンプ、又は感光性ポリマー流れ調整器の内の少なくとも１つを含む神経デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ加工された医療デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
角膜を通って目に入ってくる光は、前記光をさらに集光するレンズによって、眼球の奥にある薄層細胞である網膜上に焦点を結ぶ。人間の正常な視力は、網膜の神経細胞で生成される信号に依存する。視覚信号は、網膜内に存在する光受容細胞によって生成される。光受容細胞は、光に感応して、網膜神経節細胞で神経信号を次々に作成及び形成する信号を生成する。神経細胞のほとんどは、神経突起と呼ばれる、伸長した細胞部分を有している。神経突起は、情報及び刺激の受信、又は、情報の送信に特化している。例えば、神経刺激を伝達するように特化した伸長突起は、軸索と呼ばれる。網膜神経節細胞の軸索は、視覚信号を網膜から脳へ伝達する。脳の内部では、神経回路網が正常視覚者の視覚的経験を処理する。神経細胞が互いに連絡する部分は、シナプスと呼ばれる。平均的な神経細胞は、約１０００シナプス接続部を形成し、最大１０，０００個の接続部を受け入れる。この処理のどの段階で障害があっても、視力障害又は失明が引き起こされる。
【０００３】
加齢性黄斑変性症（age-related macular degeneration：AMD）は、６５歳以上の人々における失明の最も一般的な形態の１つである。現在のところは、ＡＭＤの患者の大半に対する効果的な治療法は存在しない。ＡＭＤという病気は、光受容体に恒久的な損傷を与えることが多いが、網膜神経節細胞（retinal ganglion cell：RGC）及び２次神経細胞（例えば、双極細胞や水平細胞）の大部分には損傷を与えない。同様に、網膜色素変性症（retinitis pigmentosa：RP）などの他の病気は、光受容体の損失によって、視力障害及び失明を引き起こす。
【０００４】
人間の視覚システムの能力には、個々の光受容体によって光を変換する機能が伴っており、高解像度の画像キャプチャシステムを実行することができる。世界中のいくつかのグループは、ＡＭＤ患者に対して、網膜細胞、視神経束又は視覚野細胞を微小電極アレイによって刺激した場合における、眼内せん光（すなわち光の知覚）の生成の有無を調べる臨床試験を実施した。微小電極アレイによって生成された電場は、多数の神経及びグリア細胞を含んでいる比較的広い領域を刺激する。これらの試験により、神経細胞を微小電極アレイで刺激することによって、盲目の人が単純なパターン（水平又は垂直線など）を実際に認識できることが分かっている。また、これらの試験により、限定された方法で視力が回復するが、大きな課題は残ること、実証されている。大半の市販されている電極のサイズ及び配置の困難性のために、長距離（いくつかの細胞体直径）に及ぶ不正確な電場の刺激が、神経細胞の脱分極に使用されている。しかしながら、そのような方法は、多くの場合、過度の刺激を必要とする。過度の刺激は、有害であり、刺激された領域の炎症をもたらし、さらには、グリア細胞又はグリオーシスの過剰発育をもたらす。
【０００５】
電気刺激を使用した方法には限界があるため、電気刺激を使用しない他の方法が必要とされている。そこで、生物活性分子を用いた自然的な方法が考案されている。生物活性分子は、非常に低い濃度で神経受容体と結合し、シナプス伝達として知られている形質導入信号を生成する。神経細胞は極性を変化させることによって応答し、他の神経細胞に送信される電気信号を生成する。信号を生成することが求められる１つ又は少数の神経細胞を刺激するために、限局的な領域に生物活性組成物を制御的に放出することができるデバイスの作成が求められている。
【０００６】
黄斑変性症などの、神経細胞のいくつかが不能になる病気では、多くの神経細胞は依然として生存可能であり活性であるが、信号伝達のための他の細胞への接続を欠いている。そのような生存可能な神経細胞を人工的に刺激することにより、視覚信号に対して応答する機会が発生する。このことにより、脳は前記信号を処理し、視覚を体験するための視覚出力の信号を作成することができる。解釈のためにより正確なパターンの信号を脳に送信するために、視覚的刺激に反応して特定の神経細胞を活性化することが望ましい。
【０００７】
マイクロ加工は、各数年間に著しい進歩があったため、神経系への高解像度インターフェースの多くの機会が生まれた。マイクロ加工に使用される材料の性質は、一般的に、生体の天然組織よりも強度が高い。マイクロ加工される材料は、多くの場合結晶構造又はセラミックから構成されており、固形であり、「硬い」。反対に、ほとんどの生物組織は、可撓性であり、「柔らかい」。
【０００８】
生体適合性を得るためには、天然組織をより上手に模倣する技術及び方法を選択することが好ましい。このことにより、適応能力をより高め、埋め込みを成功させることができる。治療の必要性が高い特定の器官としては目があり、網膜が黄斑変性や黄斑部脈絡膜血管新生の影響を受ける。網膜の形状に適合し、移植を容易にするために折り畳まれた材料を使用することにより、移植中に、デバイスが損傷を与えるの可能性を低くし、埋め込まれている間に長期間の損傷を与える可能性を低くすることができる。網膜下へ移植するためには、埋め込み及び網膜の再付着のために、デバイスは薄く小さくある必要がある。
【０００９】
正確な方法で神経細胞を制御的に刺激するためには、他の方法及びデバイスが必要とされる。外部からの刺激に対応して、１つ又は少数の神経細胞を制御することにより、自然な方法でより詳しく模倣することができ、神経細胞を刺激し、信号を脳に送信し、視覚映像又は他の情報を得ることができる。
【００１０】
（関連文献）
【００１１】
ピーターマン（Peterman）らによる「Localized Neurotransmitter Release for Use in Prototype Retinal Inerface（2003 IOVS 44,3144）。Maghreibiらによる「Stretchable Micro-Electrode Array（Poster 149, 2nd Annual International IBEE-EMBS Special Topic Conference on Microtechnologies in Medicine and Biology, May 2-4, 2002, Madison, WI）。米国特許出願第２００２／００８７２０２号及び第２００２／０１８８２８８２号、ＷＯ０３／００２１９０Ａ２。そして、その中で挙げられている文献。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
人工器官は、神経学的活性化合物の放出を制御するために提供される。神経と刺激源とを接続する、及び／又は、神経細胞を刺激する神経インターフェースが提供される。
刺激を所望する部位に神経突起を導くために、化学的誘導方法（例えば、マイクロパターン化された表面、及び／又は物質パターン技術）、高分子足場を用いて神経突起を３次元的に案内する。神経突起は人工器官に案内され、特異的に刺激される。この人工器官は、人工シナプスチップ（Artificial Synapse Chip：ASC）としての機能を果たす。
【００１３】
ＡＳＣは、マイクロ加工された開口部（「ナノ開口部」）を備えており、前記開口部は生体活性物質の放出を制御する。好ましい実施形態では、ＡＳＣは可撓性膜から構成される。前記膜は、少なくとも１つの貯蔵部（reservoir）を備えている。各貯蔵部は、活性物質をナノ開口部の周囲の空間に放出するために、ナノ開口部に接続されている。また、デバイスの内容物である流体の流れを制御するための電極が設けられている。電極は、膜上に層状に形成され、活性物質を開口部へ又は開口部を通じて治療部位に導くために、流れ調整器（flow regulator）に接続されている。小型の人工器官は、制御された量の貯蔵部の内容物を神経部位に放出するために、神経細胞の近傍に用意に挿入することができる。制御された電源として用いられる場合は、ホストの内部又は外部に配置される。デバイスは、シリコン又はシリコン化合物を使用して作成される。また、デバイスは生体適合性プレポリマーから作成される。プレポリマーは、空洞を有する膜（前記空洞は、その後、接着層によって覆われる）と、放出口としての開口部を有する貯蔵部を提供する形態で重合される。層の一方又は両方は、貯蔵部の内容部の流れを制御する電極を形成するために、電動物質で覆われる。目の場合は、埋め込みデバイスは、網膜部位に挿入される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
神経突起を神経活動調節部位へ導くため、及び／又は、神経活動を調節すべく制御された量の治療液を神経領域に放出するために、マイクロ加工された生体適合性人工器官又は埋め込みデバイスが提供される。このデバイスは、埋め込み、及び埋め込み部位でのメンテナンスを容易にするために小さい。このデバイスの表面にパターニングを形成することによって、神経突起はデバイスの開口部に導かれる。このデバイスは、神経突起の開口部への成長とは独立して、生物活性物質の制御源としての機能を果たす（神経突起の成長及び案内の一部として、又はそのような成長及び案内とは無関係に）。このデバイスは、人工シナプスチップ（Artificial Synapse Chip：ASC）とも称される。
【００１５】
《デバイス》
【００１６】
〈ハウジング〉
【００１７】
デバイスは、一般に、薄膜状のハウジングを備えている。ハウジングは、通常は、２つの層から成り、前記２つの層は、貯蔵部（reservoir）、該貯蔵部と流体的に接続される開口部、及び流れ調整器（flow regulator）を有している。デバイスは、単一のユニット又は複数のユニットから作成することができる。複数のユニットは、個々の又はより小さい多数のユニットに分割され得る。層の一方又は両方に形成された電極は電界を生成して、通路在中物（channel content）を開口部へ移動させる、又は開口部を通って治療部位に移動させる。少なくとも１つの貯蔵部に貯蔵されている前記在中物は、通常は、生物活性のある流体、又は生物活性溶質（生物活性物質（bioactive agent）又は生体物質（bioagent）と呼ばれる）を有する溶液を含んでいる。また、複数の貯蔵部を備えている場合は、１つ又は複数の貯蔵部は、緩衝溶液を貯蔵している。流れ調整器としては、例えば、電気浸透力、圧電駆動隔膜、ピストン、移動可能隔膜（例えば、密閉された容器内での食塩水の電気分解）などが用いられる。デバイスの内容物の開口部周辺領域への放出を制御するために、電源は電極に接続される。電源は、デバイスの内部又は外部に配置される。電気浸透力によって流量調節をするためには、流体は電流を通電させるためのイオンを含む必要がある。
【００１８】
ハウジングは、剛性又は可撓性であり得る。剛性のデバイスは、シリコン、窒化シリコン、又は後記するポリマーから作られる。剛性又は可撓性は、平均分子量、架橋結合の度合い、及び、ストランド間の物理的相互作用（例えば、水素結合、絡み合い）の度合いによって決まる。
【００１９】
〈寸法〉
【００２０】
デバイスは、貯蔵部、随意的にチャンネル、及び開口部を含んでいる、単一ユニットとして作成される。又は、デバイスは、複数ユニットとして作成される。複数ユニットは、個別或いは細かい複数ユニットに分割される、又は大きい複数ユニットに保たれる。単一ユニットは、一般的には約２〜５０μ２の範囲の、より一般的には約５〜２５μ２の表面領域を有している。なお、特定の環境では、それよりも大きい又は小さい表面領域が用いられる。網膜に使用する場合は、表面領域は、一般的には１５μ２以下であり、より一般的には１０μ２以下であり、一般的には少なくとも約２μ２である。複数ユニットは、一般的には約１０〜５００μ２の範囲であり、より一般的には約２００μ２以下の表面領域を有している。開口部は、一般的に少なくとも約２μ、より一般的には少なくとも約５μ、一般的には約５０μ以下、より一般的には約２５μ以下の間隔を有している。面積をより大きくすると、所望する相互作用が得るために特定の表面に適合するように、及び、デバイスから拡散する物質を局在させるように、デバイスの形状を形成する必要がある。デバイスは、一般的には、円形、楕円形、長方形、チューブ状、他の形状を有しており、エッジは丸みを帯びている。
【００２１】
デバイスを形成する層は、一般的に、少なくとも約２０μ、２ｍｍ以下、通常は約０．５ｍｍ以下の範囲の厚さを有している。接着層を用いる場合、前記範囲よりも低くなる。層の厚さは、物理的安定性、埋め込んだ際の（特に、網膜上又は網膜下の領域に埋め込んだ際の）デバイスの取り扱いの容易さ、及び、内容物が消費された際又はデバイスが不要になった際のデバイスの回収の容易さを提供する。
【００２２】
インプラントは、埋め込まれる領域に適合する形状に形成される。例えば、網膜の場合は、デバイスは、網膜領域、網膜上、又は網膜下において網膜と無理なく適合するために十分に小さい必要がある。しかし、デバイスの厚さが約２０〜５００μ、より一般的には約５０〜３００μの範囲の、より大きな及びより小さなデバイスも作成可能である。
【００２３】
〈ハウジングの組成〉
【００２４】
ハウジングは、生体適合性を有し、微生物によって分解不能であり、望ましくは可撓性を有する材料から構成される。剛性材料としては、シリコン又は窒化シリコンを用いることができる。平均分子量、架橋結合の度合いに依存して剛性又は可撓性である材料としては、例えば、ポリシロキサン（ポリジメチルシロキサン、dimethylsiloxane：PDMS）、ポリアミド（ナイロンなど）、ポリエステル、ポリスチレン、ポリアクリル酸塩、ビニール・ポリマー（ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニルなど）、ポリカーボネート、ポリウレタン、酢酸セルロース、ポリメチル・メタクリレート、エチレン酢酸ビニル、ポリサルフォン、ニトロセルロース、それらの混合物、派生物及びコポリマーなどの有機ポリマーを用いることができる。好ましい実施形態では、ハウジングはポリシロキサンから構成される。ハウジングは、透明又は半透明又は不透明であり得る。
【００２５】
ＥＯＦポンプを有するためには、ウォールを荷電する必要である。ウォールの荷電は、主要なプレポリマーと重合したモノマーの荷電、ランダム又は規則的な間隔で荷電群を導入するためにプレポリマーの修飾、高エネルギー放射線を使用した酸化による表面の修飾などの様々な方法で行うことができる。さらに、表面は、荷電された物質（タンパク質など）で覆うこともできる。これらの方法は、当該技術分野では周知なので、ここでは説明を省略する。また、表面を荷電するのに、培地に添加する方法を使用することができる。両方の層の表面が同じ電荷で荷電されるが、荷電する必要のある表面は、チャンネルの表面の大部分を含んでいる低い方の層だけである。
【００２６】
様々な基がマイナス又はプラスに荷電することができる。カルボキシル、リン酸塩、フェノール、ホウ酸塩、ケイ酸などは、マイナスに荷電することができる。アミン、アミジン、ヒドラジンなどは、プラスに荷電することができる。表面の酸化は、マイナスに電荷する役割を果たし得るカルボキシル基又はヒドロキシル基をもたらすことができる。
【００２７】
一般的に、望ましいポリマーは、ガラス転移温度Ｔｇが低いポリマーである。ガラス転移温度が低くなれば、可撓性が高くなる。ポリジメチルシロキサンのガラス転移温度は、一般的に、約１４６°Ｋである。ポリマーは、「柔軟性」を増大又は減少させるために、構造を変化させることによって機能的に改質される。例えば、２つのポリシロキサン鎖をはしご状に結合させ、剛性の基を構造体に挿入する、又は、大きい側基を添加すると、剛性が増加する。ハウジングは、流体界面でゼータ電位を示すために、さらに修飾される。これは、流れ調節手段が電気浸透である場合に有利である。他の例では、ポリジメチルシロキサンは、プラズマ放射によって機能的に改質される。プラズマ放射は、存在しているメチル基を酸化し、その場所にヒドロキシル基を残したままで炭素原子を遊離させる。この改質により、それの結合したヒドロキシル官能基と共に、ポリマー材料上にガラス様表面を効率的に作成することができる。
【００２８】
〈外面〉
【００２９】
デバイスの外面は、開口部を取り囲む凹部（well）を含み得る。凹部の深さは、一般的には約０．１〜２５μであり、通常は０．５〜２０μである。また、前記凹部の容積は、約１００ｐＬ〜１０μＬである。或いは、凹部は不要であり、平滑面である。
【００３０】
デバイスの外面における、生存神経を含んでいる神経部位の近傍には、マイクロパターンが形成される。マイクロパターンは、細胞突起（成長円錐を有する神経突起）が成長する方向を方向づける。デバイスから放出される生物活性物質によって治療を行うために、マイクロパターンは神経突起をデバイスの開口部に導く。
【００３１】
好都合なことに、マイクロパターンは、マイクロ接触印刷スタンプを使用して形成できる。マイクロ接触印刷スタンプは、基板上に堆積させるための、非連続性集合である規則的な分子の集合を有する。マイクロ接触スタンプを作成するのには、マイクロ加工方法が適している。マイクロ接触スタンプは、ＡＣＳの表面に物質を堆積させるのに使用することができる。そのようなマイクロ接触印刷方法によって形成されたマイクロパターンは、基板上で細胞の位置及び成長方向を揃えるのに効果的である。スタンプは、例えばポリジメチルシロキサンなどの、任意の使いやすい物質から作成される。選択されるパターンは、神経突起との相互作用と、デバイスの表面上での神経突起の分布パターンとによって決定される。
【００３２】
マイクロスタンプは、フォトリソグラフィ技術を使用して製造される。スタンプは、マイクロ接触印刷のマスターとしてパターン形成されたシリコンウエハ上の薄い（１〜７μ）フォトレジスト層から形成される。多数の線から成るマスタ・パターンは、細胞接着及び神経細胞成長のために構成される。マスターは、シリコン上のポジ型フォトレジスト上にあるマスクの紫外線エッチングによって作成される。そして、ＰＤＭＳスタンプは、例えば、Sylgard 184シリコーン・エラストマーを使用して、マスター上の元の位置（in situ）で作成され、その後、熱硬化が行われる。また、スタンプは、エラストマーを注入して、物質と一緒に硬化させて、シリコンマスター上にＰＤＭＳを形成し、ガスを抜き、室温にすることによっても作成できる。そして、スタンプは、ＰＤＭＳの一部を切り取った後、タンパク質吸着を高めるべく、プラズマ処理して疎水性を高めることにより作成され、ＳＥＭを使用してイメージされる。パターン化された層は、デバイスの支持層に取り付けられる、又は、デバイスの流動システムの機能を含んでいる第２の層を取り囲む役割を果たす。
【００３３】
マイクロパターンが形成される基板は、ガラス、シリコン、窒化シリコン、ポリイミド、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリラクチド、テフロン、ポリシロキサン、又は細胞の成長に適した他の基板であり、直接的である、又は細胞適合性の被覆（例えばタンパク質）を有している。
【００３４】
前記方法によって、神経成長のための最適の幅又は厚さ、長さ、及び間隔に適するように、様々なスタンプパターンが作成される。例えば、数ナノメータから数百マイクロメートルの範囲の線幅が用いられる。好ましくは、線幅は、約１０ｎｍから約２０μの範囲である。線の長さは、最小で数ｎｍであり、最大で数ミリメータである。好ましくは、線の長さは、約１０ｎｍ〜約１００μの範囲である。パターンにおける線の間隔は、約１μ〜約５００μの範囲であり、好ましくは、約２μ〜約１００μの範囲である。
【００３５】
マイクロスタンプをマイクロ加工した後、スタンプは、神経突起の成長方向を導くための物質、及びさらなる目的に適合する物質によって被覆される。前記物質としては、様々なニューロトロフィン、成長因子、基底膜成分、共刺激物質、抗体、接着物質などがある。接着物質としては、ポリ−Ｌ−リジン、Ｃｅｌｌ−ＴａｋＴＭ、神経細胞接着分子（neural cell adhesion molecule：N-CAM）などがある。デバイスの開発中、接着物質は、視覚化のために、蛍光標識によって標識される。細胞接着及び成長は、その後、蛍光顕微鏡によってモニタされる。標識化された接着物質を視覚化するために蛍光シグナルを生成すべく、蛍光染料を励起するのに水銀灯を使用することができる。このことによって、神経突起を検出できる。
【００３６】
神経突起を目的の部位（例えば開口部）に導くために、神経突起の成長及び方向付けに役立つことが知られている様々な因子をパターニングに含めることができる。前記因子としては、神経成長因子、脳由来成長因子（brain-derived growth factor：BDGF）、上皮細胞増殖因子（epidermal growth factor：EGF）、毛様体神経栄養因子（ciliary neurotrophic factor：CNTF）、グリア由来神経栄養因子（glial-derived neurotrophic factor：GDNF）、ＮＴ−３、酸性線維芽細胞（acidic fibroblast growth factor：aFGF）又は塩基性線維芽細胞（basic fibroblast growth factor：FGF）、インスリン様成長因子（insulin-like growth factor：IGF）、血小板由来成長因子（platelet derived growth factor：PDGF）、血管内皮成長因子（ vascular endothelial growth factor：VEGF）、環状ヌクレオチド（ｃＡＭＰ、ｃＧＭＰなど）、細胞外基質分子（ラミニン、テネイシン、コラーゲン、フィブロネクチン、インテグリン）、免疫グロブリン、細胞接着分子（Ｎ−ＣＡＭ、Ｌ−ＣＡＭ、axonin、カドヘリンなど）、プロテオグリカン、anosmin-1、トロンボスポンジン、ミエリン及びミエリン関連阻止因子（ミエリン糖タンパク質及びノゴなど）、チロシンキナーゼ受容体（エフリンなど）、ネトリン、炎症性サイトカイン（ＴＧＦ）、白血病抑制因子(leukemia inhibitory factor：LIF)、腫瘍壊死因子（tumor necrosis factor：TNF）、インターロイキン、神経伝達物質（アセチルコリン、ＧＡＢＡ、グルタミン酸塩、グリシンなど）、刺激分子（カリウム塩、インスリンなど）などがある。また、神経及び神経突起の成長、方向付け及び保持に役立つ他の因子を用いることもできる。
【００３７】
〈マイクロ通路〉
【００３８】
デバイスと併用して、神経突起を方向付けるのに通路ユニット（conduit unit）を使用することができる。マイクロ通路又はチャンネルは少なくとも表面とほぼ直交し（通常は少なくとも６０°以上の角度で）、デバイス上の神経突起を、デバイス、特に開口部へ導くのに使用される。開口部の各々に対して、そのようなチャンネルが１つ又は複数設けられる。チャンネルの開口は、開口部の真上に位置する、又は、開口部から約２ｍｍ以内の所にある。チャンネルは、直径が約０．１〜５μの範囲の開口を有するパイプ、チューブ、又はスクリーンによって規定される。複数のチャンネルは、一般的に、約０．００５〜０．５ｍｍの厚さのウォールによって仕切られる。チャンネルの高さは、一般的に、少なくとも約０．０５ｍｍであり、１ｍｍ以内であり、一般的には約０．５ｍｍ以内である。通路ユニットを構成する材料には、ハウジングの作成に使用したのと同じ材料が使用される。これらのチャンネルは、神経突起の成長を、物理的に制限する働きをする。通路ユニットは、ポリマーマイクロ加工方法を用いて容易に作成することができる。通路ユニットは、ハウジングの一部として作成される、又は、ハウジングに固着される。或いは、通路ユニットは、他の技術によって、ハウジングと並列に保持される。
【００３９】
〈貯蔵部〉
【００４０】
貯蔵部は、生物活性物質、又は送出用の緩衝液を貯蔵しており、開口部と直接的に又はチャンネルを介して接続している。各貯蔵部は、内容物を送出するための電極を有している。貯蔵部の貯蔵物（content）は、外部の貯蔵部に接続されるカーテル又はフィーダーチューブによって補充される。貯蔵部は、製造方法、形状の形成のし易さ、所望する容積、及びユニットのサイズに応じて、チューブ状、球形、半球形、立方体、それらの組み合わせなどの様々な形状をとることができる。貯蔵部は、少なくとも約１ｐＬの、より一般的には少なくとも約５ｐＬで５００ｐＬ以下の、通常は約１００ｐＬの容積を有している。デバイスは、単一の貯蔵部、又は異なる流体を貯蔵する複数の貯蔵部を有している。デバイスに複数の貯蔵部が存在する場合、貯蔵物は、開口部を通って放出される前に、中央の混合貯蔵部に入る。
【００４１】
第１の貯蔵部から出た液体、活性化物質又は液体、及び開口部から排出される分を超過した液体を受け取るための第２の貯蔵部が存在している。この２つの貯蔵部は、開口部を有するチャンネルによって接続される。開口部は、２つの貯蔵部間に形成される。したがって、第１の貯蔵部からの流れは開口部に移動し、開口部から完全又は部分的に放出される。
【００４２】
電極を有する貯蔵部と共に、圧力補充手段である。これは開口、又は貯蔵部に接続される排出口の形を取り得る。或いは、開口部以外が密閉されたシステムを望む場合は、様々な公知のデバイス（例えば、ベロー、バルーン、ピストン、隔膜など）によって、そのような機能は容易に実現される。密閉されたデバイスは、貯蔵部の貯蔵物の周囲領域への発現によって圧力が減少した際に揮発する液体を有している。実際は、流れ調整手段は、電気分解によって発生したガスのそのような機構の膨張であり得る。これらのデバイスは、容易に小型化することができ、貯蔵部を密閉する前に貯蔵部に導入することができる。又は、貯蔵部の内容物が送達されるように、貯蔵部の他のウォールに対してまで膨張するように、隔膜は貯蔵部の壁部とすることもできる。
【００４３】
〈チャンネル〉
【００４４】
チャンネルの幅は、一般的には約１〜１００μであり、より一般的には約１〜５０μである。また、チャンネルの断面積は、約１〜２５０μ２の範囲である。長さは、デバイスの性質や、貯蔵部から開口部までの所望する距離などとの関係によって異なり、一般的には、約０．５〜１０μであり、より一般的には約２〜６μである。チャンネルは、様々な形状を取ることができる。また、チャンネルは、流れを制御するためのフィードバック・アームを有している。チャンネルは、例えば、線形状、蛇行形状、円弧状などの様々な形状を取ることができる。チャンネルの断面形状は、正方形、長方形、半円形、円形などである。再循環、混合、交差位置から液体のスラグを移動させるなどのために、複数の相互接続されたチャンネルを形成することもできる。チャンネルは、液体を送出するための電極を有している。
【００４５】
このデバイスは、マイクロ流体デバイスと分離して使用できるデザインが用いられる。これらのデバイスは、小さな貯蔵部とマイクロチャンネルを用い、電極は貯蔵部の貯蔵物と接触する。このデバイスでは、電極をチャンネル内に設けることができる。このデバイスでは、特定のデザインに応じて、１〜４又はそれ以上の貯蔵部が設けられる。例えば、単一の貯蔵部及び単一のチャンネルが設けられており、１つの電極は貯蔵部内に設置され、他の電極はチャンネル内における開口部の下流に設置される。貯蔵部の電極の近傍には、生成されたガスを排出するために、開口部よりも小さな排出口が設けられる。このデバイスは、貯蔵部からの物資の連続流のために、又は、電極が断続的に作動した場合の間欠流を可能にする。物資のための基礎レベルを提供し、電極の動作によって量を増加させるべく、物質が開口部から連続的に拡散できるように、デバイスに含まれる溶液は１種類である。
【００４６】
他のデザインは、各々の貯蔵部が電極を有する２つの貯蔵部と、前記貯蔵部間に位置する開口部とを備える。この場合も、前記した単一の貯蔵部の場合と同じように動作する。貯蔵部及びチャンネルを緩衝液で満たした後、上流の貯蔵部に物質を加える。電極の作動によって、貯蔵部内の物資を開口部に移動させることができる。そして、物質が開口部を通って拡散した際は、電極の作動により補充することができる。すなわち、プロセスは、必要に応じて、断続的に繰り返される。
【００４７】
また、３又は４つの貯蔵部を設けることにより、デバイスの可撓性を増すことが可能である。その場合は、その内の１つが中央のチャンネルに対して直線的であって、又は中央のチャンネルの反対側で直交し、各チャンネルは各チャンネル末端に貯蔵部を有する。各貯蔵部は、電極を有している。一般的に、中央チャンネルの貯蔵部と、側部チャンネルの貯蔵部とでは、貯蔵される組成物は異なる。このようにして、異なる組成物が開口部に移動することができる。
【００４８】
例えば、ある実施形態では、中央チャンネルの貯蔵部には緩衝液が貯えられ、側部チャンネルの貯蔵部には物質組成物が貯えられる。緩衝液は、開口部に存在する。
物質を開口部に移動させたい場合は、側部チャンネルの貯蔵部の電極を作動させる。又は腕が一本の場合は、中央チャンネルの下流側端部の電極と、側部チャンネルの貯蔵部の電極とを作動させる。１つ又は複数の電極は、ゼロ電圧又はアースされている。このことにより、交差位置で物質のスラグを作成すべくチャンネルが接続する領域に、物質を移動させることができる。電圧を変えることにより、スラグは開口部に移動する。物質は開口部から拡散することができる。開口部を介して物質を活発に移動させたい場合は、開口部に電極を設ける又は下流末端に行き止まりを設けることにより、開口部から物質を活発に送出することができる。
【００４９】
〈開口部〉
【００５０】
ＡＳＣは、生物活性物質含有貯蔵部に貯えられている生物活性物質の放出を可能にする開口部を有している。開口部は、デバイス表面と同一平面の開口を有している。又は、開口部は、凹部の底と同一平面となるように、埋め込まれている。開口部は、通常は、チャンネルによって貯蔵部に接続されている。開口部の直径は、約０．２５〜５μであり、通常は約１〜３μである。つまり、断面積は、約０．７５〜１５μ２であり、通常は約１．５〜１０μ２である。生物活性物質の流れを制御するために、電極は開口部の近傍に配置される。ある実施形態では、記録電極が開口部の内部又は近傍に配置されており、神経の電気的記録と化学的刺激とを同時に行うことができる。
【００５１】
チャンネルの断面積を変化させることにより、開口部から流れ出る流れの割合を制御することができる。開口部の下流のチャンネルの断面積を減少させると、部分的な遮断をもたらし、又は他の適切な方法によって、生物活性物質の流れを、開口部から流れ出る流れと、チャンネルの沿って流れ続ける流れとに分けることができる。このことにより、生物活性物質が開口部から放出される確実さを高めることができる。そして、廃棄物貯蔵部が、余分な生物活性物質又は緩衝液を受け取ることができる。
【００５２】
〈貯蔵部の貯蔵物〉
【００５３】
デバイスは、例えば神経調節物質などの生物活性物質又は生体物質を送出する。神経調節物質としては、神経伝達物質、ホルモン、イオン、メッセンジャー分子、核酸、核酸ベクター、薬物などがある。ＡＳＣは、制御されたパルスされた投与量の生物活性物質を投与することにより、化学的なシナプス伝達を調節する。ＡＳＣは、神経接合部において、興奮及び抑制刺激の両方を形成する。貯蔵部は、生物活性物質の任意の組み合わせ及び緩衝液を貯蔵することができる。貯蔵部に貯蔵される生物活性物質としては、例えば神経伝達物質、ホルモン、イオン、メッセンジャー分子、又はリポソームなどの神経調節物質の任意の組み合わせがある。神経調節物質としては、例えば、アミノ酸（グルタミン酸、アスパラギン酸、グリシンなど）；Ｎ−メチル−Ｄ−アスパラギン酸、α−アミノ−３−ヒドロキシ−５−メチル−４−イソキサロンプロピオン酸（ＡＭＰＡ）、キスカル酸、カイニン酸、及びそれらの類似物；グルアミン作動薬及びグリシン作動薬；コリン作動薬（アセチルコリン、スベリイルジコリン（suberyldicholine）、それらの類似物など）；カテコールアミン又はアドレナリン作動薬（ドーパミン、Ｌ−ドーパミン、ノルエピネフリン、エピネフリンなど）；ヒスタミン・セロトニン及びセロトニン作動薬；γ−アミノ酪酸及びＧＡＢＡ作動薬；タウリン、オクトパミン、ヌクレオチド（アデノシン三リン酸、アデノシン二リン酸、グアノシン三リン酸、又はグアノシン二リン酸）、環状ヌクレオチド、メッセンジャー物質（ペプチドホルモン：例えば、エンケファリン、ダイノルフィン、エンドルフィン、ＡＣＴＨ、血管活性腸管ペプチド（Vasoactive intestinal peptide：VIP）など）；ステロイドホルモン及び活性イオン（Ｃａ＋２、Ｚｎ＋２、Ｋ＋）などがある。
【００５４】
重要なことには、神経調節物質は、神経細胞の存在する受容体に影響を及ぼす全ての物質を含む。これらは、受容体を修飾する物質を含み。前記受容体としては、例えば、グルタミン酸受容体、ＮＭＤＡ受容体、ＡＭＰＡ受容体、グリシン受容体、ドーパミン受容体、及びアセチルコリン受容体などがある（ただし、これらに限定されるものではない）。生物活性物質は、緩衝液と組み合わせられる。前記緩衝液としては、例えば、リン酸緩衝生理食塩水、ＨＥＰＥＳ緩衝生理食塩水、ＭＯＰＳ−緩衝生理食塩水、ダルベッコ変法イーグル培地、又は重炭酸塩緩衝生理食塩水などがある。影響を受ける神経細胞としては、単極細胞、双極細胞、ガングリオン、錐体細胞、グリア細胞、星状細胞、運動細胞、プルキンエ細胞、カハル（Cajal）の水平細胞などがある。
【００５５】
生体物質としては、チャネル形成分子（溶血素、グラミシジン、アラメチシンなど）、糖、色素、細胞エネルギー供給源などがある。生体物質は、イオン・チャネル及び／又は受容体を含んでいる生体膜調合液、ミセル、リポソームなどとして存在する。膜を有して生体物質は、細胞膜と融合する。
【００５６】
〈流れ調整器〉
【００５７】
ＡＳＣは、生物活性物質の投与を制御するための流れ調整器（flow regulator）を提供する。流れは、神経反応を調節（例えば刺激又は抑制）すべく、伝達部位にて開口部から生物活性物質のパルスを伝達するために調節される。開口部を通る生体物質の流れを制御できるのなら、流れ調整器はどのような形態も取り得る。流れの管理には、電極を用いる。電極のコントローラーは、流れ調整器を作動させるための独立した電源（例えば、電池、又は入射光線に反応するダイオード）を有する電子機器であり得る。流れ調整器は、例えば、圧電性の、圧縮空気の、静電気の、蠕動の、ピストン、電磁ポンプなどの機械ポンプの形態を取り得る。また、非機械的形態のポンプとしては、例えば、音響、電動、磁気又は電気浸透ポンプがある。マイクロ加工ポンプは、Anderssonらによる「Sensors and Actuators B 72: 259-602 (2001)」、Morfらによる「ibid 72: 273-82(2001)」、及びZeng らによる「ibid 82: 209-12 (2002)」に開示されている。好ましい実施形態では、流れを調節するのに、電気浸透ポンプが用いられる。ハウジングの上層の表面又は内部に設けられる電線は、コントローラーと電極を接続し、貯蔵部、チャンネル、又は他の適切な部位に電流を流す。
【００５８】
ＥＯＦ流れ調整器の場合は、塩を含んでいる極性溶液は、極性障壁に沿って二重層を形成する。チャンネルに沿って電位を加えると、ウォールに沿ってのイオンの動きによって、流体をチャンネルへ移動させることができる。流体の流れによって、開口部から、流れの少なくとも一部を放出することができる。
【００５９】
また、感光性高分子を使用することもできる。感光性高分子膜は、電気化学析出、又は他の手段（少なくとも、貯蔵部の壁部又は流体に対する障壁の一部を作成するための手段）を用いて、堆積させることができる。感光性高分子膜は光に応答し、高分子及び構造体の性質に基づいて、膨張、接触、又は局部的に屈曲することによって、流体を流動させる。これは、沸点が大気温度よりも低く、特に気体状態の液体が封入された領域を使用して、流体を弱正圧に保ちながら使用される。局所的に膨張すると、高分子マトリクス内に形成された大きな孔から、光で活性化される前よりも多い割合で分子が放出される。反対に、高分子フイルムが収縮すると、膜を介しての化学輸送の割合を減少させる。このような性質を示す高分子が合成され、特徴とする。例えば、ポリ−ジアゾフェニレンをベースにしたポリマーゲルは、可視域の光に応答して、大きく膨張／収縮変化することが分かっている。さらに、ジメチルアクリルアミド（フェニルアゾフェニル・アクリレート及びフェニルアゾフェニル・アクリルアミドと重合した）を含んでいるポリマー・ネットワークからの小型ペプチドの放出は、光によってトリガーできることが報告されている。
【００６０】
光に応答したポリマー膜の屈曲などの物理的作用を、空間的に調節された方法での生物物質の送達の機構に使用することもできる。局所的にデバイスの内側に曲げると、ポリマーの膨張によって、流体又は溶液は膜を通過する。そして、その後、ポリマーが弛緩したときに、デバイスから押し出される。また、高分子が貯蔵部の下部に配置された場合は、膜の局所的な屈曲によって、開口部又は貯蔵部の上側の薄膜を通して流体を流すことができる。明暗に応答して可逆的に屈曲する性質を有するポリペプチドに由来するスピロピラン光発色性化合物などの、光を物理的作用に変換可能なポリマーが開発されている。これら感光性ポリマーの実際の反応は、物理的及び化学的性質を変えることにより調節可能である。また、放出の時間尺度は、膜の厚さを変えることによって微調整できる。
【００６１】
また、電気及び感光性ポリマーシステムが開発されている。当該技術分野で報告されているそれらのシステムの量（abundance）及び特性は、ｐＨ及び熱反応性ポリマーのそれらよりも実質的に少ない。したがって、これらのポリマーを、ｐＨ又は温度を調節するために提供されたシステムと共に使用することができる。例えば、ｐＨの変化によって可逆的な電気分解を行うｐＨ応答性ポリマーの膜上に配置された局部電極は、生物物質のマトリックスを通しての放出特性を変化させることができる。同じように、熱応答性ポリマーの膜と共有結合している発色団は、可視光線を吸収して、反応エネルギーを熱の形態で放散することができる。その結果、局所的な温度を変化させ、生体物資を放出する。
【００６２】
他の実施形態では、開口部の下側で膜が湾曲することによって、流体を開口部から押しだす。膜上に電極を設置し、その下側に固形支持体を配置することにより、電極を横切る電位によって、膜を湾曲させることができる。電位差は、フォトダイオードを使用して生成することもできる（光によってデバイスを作動させる）。また、エラストマー（例えばＰＤＭＳなど）から作成される可撓性膜を、バルブとして使用することもできる。この膜は、使用されるときまで、開口部を覆う又は栓をする。使用時は、この膜は流体が開口部を通って流れる邪魔にならない所へ移動する。流体を弱正圧に保ち、開口部が開く時間及び程度を制御することにより、流体の流動が制御される。
【００６３】
また、圧力波刺激（pressure wave stimulation）を使用することもできる。動きを受け止めることができる細胞、すなわち、動き受容器を有する細胞は、圧力波刺激に上述した技術を用いることができる。前記デバイスの作動は、流体を細胞に流動させて、動きを感じるようにデザインされたタンパク質受容体によって刺激する。この種の刺激は、網膜色素上皮細胞（retinal pigment epithelial cell：RPE cell）と共に使用することができる。
【００６４】
〈電源〉
【００６５】
電極及び接続線は、例えば金属又は金属酸化物（プラチナ、パラジウム、イリジウム、酸化イリジウム、窒化チタン、銀、塩化銀、クロム、スズ、インジウム、インジウムスズ酸化物、酸化亜鉛、金、又はアルミニウム）などの任意の導電性材料から作成される。デバイスは、単一の電極対、又は複数の電極或いは電極対を有している。
【００６６】
例えば電池などの独立した電源の代わりに、流れ調整器の電源として、任意の都合のよい部位に、フォトダイオードを配置することもできる（特に、材料の透明な性質によって、光（例えば眼球からの）がフォトダイオードを照射し、電流を生成する場合は）。フォトダイオードは、開口部と反対側のポート、又は他の部位に形成される。
【００６７】
〈製造〉
【００６８】
前記デバイスは、マイクロ加工によって容易に作成される。本デバイスは、標準的なシリコン処理技術によって容易に作成される。低圧化学気相堆積を使用して、＜１００＞オリエンテーションシリコンウォーター（orientation silicon waters）の表面上に窒化シリコンを成長させる。感光性ポリマーに構造を規定するためのリソグラフィーの組み合わせの後に、窒化シリコン上の構造体にパターンを形成するためのプラズマエッチングが行われ、ウエハの一方の面に開口部が形成され、他方の面にはエッチャントマスク層（etchant masking layer）が形成される。水酸化テトラメチルアンモニウム（tetramethylammonium hydroxide：TMAH）などの異方性エッチャント（anisotropic etchant）は、影響を受けなかった窒化シリコンを残したまま、｛１１１｝結晶面に沿ってシリコンを除去するのに使用される。その結果、開口部の真下の開口（接続通路）を介して、窒化シリコン膜を露出させ、処理は終了する。また、図示しないが、開口部の他の側は、この構造物の下側で、マイクロチャンネルでＰＤＭＳスタンプを密閉することにより作成されたマイクロチャンネル貯蔵部に接続されている。
【００６９】
通路（コンジット）は、生体物質の貯蔵部として機能するマイクロ流体チャンネルに通じている。マイクロ流体チャンネルは、標準的なＰＤＭＳスタンプから作成され、水に対して密閉されている。そのようなマイクロ流体チャンネルは、適切なシールによって、水に対して容易に密閉することができる。チャンネルを有するＰＤＭＳスタンプは、酸洗浄（例えばＨＣｌ）及びプラズマ処理後に、窒化シリコン表面に接着され、非可逆的接着を形成する。結果として形成されるチャンネルは、廃棄物の処理及び生体物質の送達のための、多目的の緩衝液貯蔵部としての機能を果たすことができる。開口部は、単細胞だけを刺激するために、神経細胞の長さ寸法よりも小さく形成される。
【００７０】
マイクロ加工又はナノ加工の方法は、米国特許第5,776,748号、第5,900,160号、第6,060,121号、及び第6,180,239号に開示されている。又は、文献「Patterning of a Polysiloxane Precursor to Silicate Glasses by Microcontact Printing（Marzolin, et al., Thin Solid Films, 1998, 315, 9-12）」、「Microfabrication, Microstructures and Microsystems（Qin, et al., Microsystem Technology in Chemistry and Life Sciences, vol. 194, Manz, A and Becker, H eds., Springer-Velag, Berlin, 1998, 1-20）」、及び「Unconventional Methods for Fabricating and Patterning Nanostructures（Xia, et al., Chem Rev 99: 1823-48, 1999）」に開示されている。上記及び下記のすべての特許は、この参照により本発明に含まれるものとする。電極又は他の要素は、例えばスパッタリング及び制御蒸着方法、その後に続く化学エッチングなどの、当該技術分野では周知の技術によって作成される。
【００７１】
製造は図２に示す手法に従って行われる。デバイスは、任意の都合の良い軟質材料（ＰＤＭＳなど）から作成される。この方法はシリコンチップを用い、トランジスタ及びマイクロプロセッサ用に開発されたフォトリソグラフィによるマイクロ加工を使用する。フローチャートａ１０では、シリコンチップａ１２をエッチングして、デバイスに開口部を形成するためのモールドとしての役割を果たす、直径約５〜１０μのピラーａ１４を形成することから始まる。ピラーａ１４の作成後、スピニング及び硬化によって、ＰＤＭＳ薄層ａ１６を形成する。ピラーａ１４は、開口部を形成するために、侵食される。マイクロ流体チャンネル及び開口部を規定するために、フォトレジストのスピニング及び硬化によってフォトレジスト層ａ１８を形成する。その後、未来のチャンネルを覆うようにスピニング及び硬化によってＰＤＭＳ層ａ２０を形成する。フォトレジストを使用して最上層ａ２２を形成する。そして、選択的に硬化させることより、さらなるエッチングのために円形の流体アクセスポートａ２４を露出させる。その後、ＰＤＭＳ層に流体アクセスポートを規定するために、ＰＤＭＳ層ａ２０をＣＦ４／Ｏ２によってドライエッチングする。その後、チャンネルａ３０及び開口部ａ３２を有するデバイスａ２８を作成するために、フォトレジストａ１８及びａ２２を溶剤によって除去する。そして、シリコンチップａ１２からデバイスを取り出す。図示しないが、めっきによって、ポートに電極を形成することができる。
【００７２】
〈図面〉
【００７３】
図１Ａは、本発明の特徴を具現化した神経デバイス上における、細胞突起の方向付けられた成長を示している。基板１２及びマイクロパターン１４と接触している、神経突起２８を有する細胞２６が示されている。細胞突起２８は、その先端に成長円錐３０を有している。基板１２上で神経突起２８及び成長円錐３０が進む経路は、神経突起２８及び成長円錐３０が凹部２２及び開口部２４に導かれるように、マイクロパターン１４によって案内される。基板１２に形成された凹部２２は、支持層１６を貫通している開口部２４に通じている。図１Ｂに示すように、凹部２２の床面３２は支持層１６から形成されており、基板１２によって覆われていない。支持層１６に形成された開口部の周縁３４は、開口部２４を取り囲み、支持層１６を貫く通路を規定する。なお、図１Ａでは１つの細胞と１つの神経突起しか示していないが、当然のことながら、複数の細胞、神経突起、及び成長円錐が、基板１２、凹部２２及び開口部２４と接触することが可能である。図１Ａに示すように、神経突起は、マイクロパターン化された成長因子の経路によって、マイクロ加工された開口部２４へ導かれる。
【００７４】
図１Ａの１Ｃ−１Ｃに沿った断面図である図１Ｃ及び１Ｄに示すように、開口部２４は貯蔵部（reservoir）３６に開いている。貯蔵部３６は、中間層１８の壁３８と、基層２０の壁３８とによって規定されている。凹部２２から貯蔵部３６を隔てるために、開口部２４を横切って膜４２（脂質二分子膜など）が形成される。開口部２４を横切る膜４２は、凹部２２と貯蔵部３６との間における、動作前の物質の通過を実質的に全て妨げる。一方、膜４２は半透性であり、物質の通過を完全に妨げないので、開口部４２を通り抜けての物質の通過を調節するのに有効である。規定した物資だけを通過させることが可能な半透膜（チャンネルや輸送体などを含んでいる脂質二分子膜など）を使用することにより、規定した物資を貯蔵部３６から放出することが可能となる。脂質二分子膜は、ラングミュア−ブロージェット法（Langmuir-Blodgett technique）によって作成できる。（例えば、Montal and Mueller, Pro. Nat. Acad Sci USA 69: 3561-66 (1972); Montal, Meth Enzymol 32: 545-56 (1974); and Lindstrom, et al., J Biol Chem 255: 8340-50 (1980)）。脂質二分子膜は、生体物質を運搬するリポソームと併用することができる。リポソームは、その成分を凹部２２に放出するために、膜と融合する。
【００７５】
凹部２２及び貯蔵部３６は各々溶液を貯えている。凹部２２の溶液は、貯蔵部３６の溶液と同一である、又は異なっている。前記溶液は、通常は、生体物質を含んでいる生理溶液である。使用可能な溶液としては、生理食塩水、リン酸緩衝生理食塩水、炭酸緩衝生理食塩水、ＨＥＰＥＳ緩衝生理食塩水、ダルベッコ変法イーグル培地などが知られている。
【００７６】
凹部２２及び／又は貯蔵部３６内の、生体物質を含んでいる溶液は、開口部２４及び膜４２にアクセスできる。開口部２４は、生体物質相互作用による細胞の刺激に効果的な刺激部位である。この刺激部位は、例えば神経細胞などの単細胞２６に対して極めて特異的であり、体内の化学シナプス又はギャップ結合の長さスケールを模倣する。
【００７７】
生体物質を貯蔵部３６から凹部２２へ又は凹部２２から貯蔵部３６へ効果的に送達するために、生体物質４４は膜４２の浸透性を調節する又は膜４２と接触して融合することができる。生体物質は、一般的に、貯蔵部３６内に存在する。生体物質は、上述したように、様々な形態を取ることができる。
【００７８】
図１Ｄは、電極を備えている神経デバイスを示す。電極４６は、電極４６，４６間に電流を供給する又は電圧を印加すべく、電源４８からの電気信号を伝達するのに使用され、細胞２６を刺激する又は細胞２６の活性を調節する。
【００７９】
図１Ｅに示すＡＳＣ（Artificial Synapse Chip）１０は、流体管（fluid conduit）４１を備えているシステムの一部である。流体管４１は、流体３９を貯蔵部３６及び開口部２４に送達すべく、流体３９をマイクロ流体通路（microfluidic channel）４５へ搬送するように構成されている。流体３９の流れはポンプ４３によって操作可能に生成される。生体適合性流体３９は、貯留部（depot）４７に貯えられる。貯留部４７は、流体管４１によって、ポンプ４３及びマイクロ流体通路４５と操作可能に連続している。流体排出４９は、廃液を図示しない廃液貯留部に排出するのに使用される。
【００８０】
図１Ｆは、ＡＳＣ１０と流体管４１とを備えたシステムを示している。ＡＳＣ１０は、窒化シリコン基板１６に形成されたパターン１４上で成長している、成長円錐３０を有する細胞を有している。流体管４１は、緩衝液入口４１Ａと、伝達物質入口４１Ｂとの２つの部分から構成されている。図示しないが、貯留部４７は伝達物質溶液を貯留しており、伝達物質入口４１Ｂに接続されている。図１Ｆに図示されているポンプ４３は、インクジェット・プリンターで液滴を噴出するのに使用されているのと同様のマイクロ電子機械（micro-electro-mechanical：MEM）ポンプである。そのようなポンプは、例えば、米国特許第５，７３４，３９５号に開示されている。図１Ｆに示したようなＭＥＭポンプは、シリコン隔膜５１、対向電極５３、及びマイクロ流体通路５５を有している。マイクロ流体通路５５は、隔膜構造の上方に設けられている。マイクロ流体通路５５の領域には、流体３９が満たされている。マイクロ流体通路５５は、図示しない貯留部４７と流体的に接続されている。最初は、隔膜５１の形状は水平である（湾曲していない）。隔膜５１と対向電極５３との間に微小バイアス電圧を印加すると、図１Ｆに示すように、隔膜５１を下向きに湾曲させることができる。このことによって、隔膜５１上方のマイクロ流体通路５５領域の容積を増加させて、伝達物質入口４１Ｂに沿って、流体３９を貯留部４７からくみ出すことができる。そして、バイアス電極を除去すると、隔膜５１は弛緩して最初の形状（水平形状）に戻り、流体をマイクロ流体通路５５から貯蔵部３６及び開口部２４の方へ押し出す。流体３９中の生体物質４４は貯蔵部３６へ運ばれ、成長円錐３０と接触して細胞活性を調節すべく、貯蔵部３６及び開口部２４中に拡散される。このようにして、生体物質の短パルスを、開口部２４に近接する突起を有する細胞へ送達させることができる。
【００８１】
ＡＳＣの実施形態では、流体管４１は伝達物質入口４１Ｂを有している。例えば図１Ｆに示したような他の実施形態では、流体管４１はさらに緩衝液入口４１Ａを有している。緩衝液入口４１Ａから流れは、緩衝液によってマイクロ流体管を洗い流し、開口部２４から生体物質４４を除去する。この洗浄によって、前回のパルスの効果を終了させると共に、システムが次回の生体物質４４パルスを行う準備がなされる。
【００８２】
開口部４４を通っての生体物質４４の拡散は、開口部の薄さ（約５００ｎｍ）が原因で、急速に行われる。ＭＥＭポンプ４３の隔膜５１は高い頻度で収縮するので、流体３９は高頻度で排出される。パルスは、約１Ｈｚ〜１０００Ｈｚの範囲の周波数で、一般的には約５００Ｈｚ以下の周波数で送出される。このような高速な信号伝達は、脳や網膜などの生体内で見られる信号伝達速度に匹敵する。
【００８３】
流体内の生体物質の濃度は、ＭＥＭエジェクターのパルス周波数、流体がマイクロ流体管を流れる速度、及びＥＯＦの場合は印加される電圧を考慮して設定される。また、流体が放出されない場合の、生体物質が開口部を通って拡散する速度が考慮される。ポンプのサイズ、例えばエジェクターの直径は、伝達物質入口４１Ｂの出口５７の直径によって決定される。エジェクターの直径は、約ｌμ〜５００μであり、マイクロ流体通路に必要な能力と関連して設定される。
【００８４】
ポンプ４３及び図１Ｆに示したシステムの能力は、システムの設計、使用する物質、及び使用する流体によって異なる。システムによる減衰経験（damping experience）は、流体粘性やマイクロ流体通路４５及び通路５５の形状（同様に、他の構成要素の形状）などのいくつかの因子に関連している。本発明に係る神経デバイスの模範例は、ポリシリコンから成る隔膜５１、幅が狭いマイクロ流体通路５５、及び隔膜５１と対向電極５３の間の小さな初期間隔から構成される。ポリシリコン隔膜の動作を始動させるためのスレショルド電圧が存在しないので、ＭＥＭエジェクターポンプは、アトリットル（attoliter）又はゼプトリットル（zeptoliter）ほどの少量を送出することができる。隔膜５１ほどのサイズのコンデンサを荷電するのに必要な電力は、わずかに、約ピコワット程度である。したがって、単一のフォトダイオード（ナノワットの電力を生成できるアバランシェ・フォトダイオードなど）は、生体物質を前記細胞に送達させるべく、数百又は数千のＭＥＭポンプに荷電することができる。
【００８５】
ポンプ４３を作動させる電力は、図１Ｆに示すように、フォトダイオード・アレイ５９内のフォトダイオードから得ることができる。アレイ５９のような光接触（外部光からの又は電源によって外部から作動されたＬＥＤからの光接触）によって、ポンプ４３を作動させることができる。ポンプ４３は、生体物質を含んでいる流体３９をマイクロ流体通路４５に送り込むように構成されている。マイクロ流体通路４５では、生体物質は開口部２４に運ばれて開口部２４を通って拡散し、光信号は生体信号に変換される。
【００８６】
図３は、複数の通路を有する神経デバイス１００を示している。このデバイスは、上層１０２と下層１０４とを有している。下層１０４では、互いに交差する溝（trench）１０６及び１０８が形成されている。溝１０６及び１０８は、通路（channel）を形成すべく、上層１０２によって閉じられている。溝１０６は貯蔵部１１０と貯蔵部１１２とを接続し、溝１０８は貯蔵部１１４と貯蔵部１１６とを接続する。上層１０２には、貯蔵部１１０、１１２、１１４及び１１６に、ガスを排出するための排出口１１８、１２０、１２２及び１２４がそれぞれ設けられている。導電線（Electrical ribbon）１２６、１２８、１３０及び１３２は、上層１０２にめっきされており、それぞれ、貯蔵部１１０、１１２、１１４及び１１６の在中物（content）と電気的に接続されている。そして、導電線１２６、１２８、１３０及び１３２は、それぞれ、ワイヤ１３４、１３６、１３８、及び１４０によって、導管１４２と電気的に接続されている。コンジット（conduit）１４２は、主要電源及びデータ処理ユニット１４４と、導電線１２６、１２８、１３０及び１３２とを接続している。
【００８７】
方法及び構造的構成は、米国特許第５，８５８，１８７号、第６，０３３，５４６号、及び第６，２２１，２２６号、及び、米国特許出願第２００３／０１５０７３３号に開示されている。貯蔵部１１０及び１１２に緩衝液が貯えられており、貯蔵部１１４に物質を含む緩衝液を貯えられている。そして、通路の交差位置１４４を緩衝液で満たすために、物質を交差位置１４４の方へ移動させる。その後、電圧を切り替えて、緩衝液を貯蔵部１１０から貯蔵部１１２へ移動させることにより、交差位置１４４にある物質を開口部１４６へ移動させる。開口部に移動した物質の塊は、開口部を通って開口部の周囲の領域に拡散する。積極的な送出が求められている場合は、開口部に他の電極を設置し、流体を開口部から流出させることにより、物質を開口部から放出させる。
【００８８】
図４は、材料が透明で可撓性の生体適合性プラスチックのブロックである、デバイス２００を示している。この装置は、排出口２０６を有する貯蔵部２０４に接続される通路２０２を有している。反対の位置では、ドープされたフォトダイオード２０８及び２１０は、通路２０２の液体内容物と電気的に接続する。作動中は、通路２０２及び貯蔵部２０４は、開口部２１２を介して充填される。このデバイスは、入射光線を受光可能な部位に埋め込まれる。フォトダイオード２０８及びフォトダイオード２１０の作動時は、通路２０２内の流体は、開口部２１２から送出される。そして、通路２０２は、貯蔵部２０４から再び充填される。
【００８９】
図５及び図６に示すデバイス３００では、物質を送出するのに、圧電変換器及び隔膜を使用している。これらのシステムは、米国特許第５，７９８，６００号及び第６，２６２，５１９号に十分に説明されている。前述したように、通路３０２は、排出口３０６を有する貯蔵部３０４に接続されている。反対側では、ドープされたフォトダイオード３０８及び３１０が、デバイス３００の透明性の有無、入射光線に関するデバイスの位置などに応じて、上面３１２或いは反対側の面に、又は両方の面に、又はデバイスの側面の一方或いは両方に形成される。通路３０２は、開口部３１４に接続されている。開口部３１４の下側における通路の一部は隔膜３１６である。隔膜３１６の動作は、圧電素子３１８によって制御される。圧電素子３１８は、ワイヤ３１８及び３２０によって、フォトダイオード３０８及び３１０に接続されている。動作中は、デバイス３００は、入射光線を受光できる部位に配置される。
【００９０】
〈使用方法〉
【００９１】
活性物質の影響を受けさせる神経細胞の近傍にデバイスを埋め込む。開口部からの流体は、制御された量の活性物質によって、領域を洗い流す。活性物質を適切に選択することによって、神経細胞を刺激又は非活性化したり、神経細胞のバイアビリティ（viability）を高めたりすることができる。網膜は、本デバイスを使用する上での模範例となる。ここでは、本デバイスを網膜に使用する場合について説明するが、本デバイスを他の神経環境に適用して、神経細胞のバイアビリティ及び／又は活性に影響を与えることも可能である。本デバイスを、神経の接合部又は神経筋の接合部で使用できることが見いだされた。実際には、本デバイスは、人工シナプス又は治療用装置として動作する。
【００９２】
実施例の欄で説明するが、本デバイスは、眼球内部における、網膜の近傍、網膜下又は網膜上に挿入することができる。前記領域を麻酔した後、強膜切除によって網膜上インプラントを挿入する共に、標準的な３端子扁平部硝子体茎切除術（3-port pars plana vitrectomy）を用いることができる。網膜下へ埋め込むためには、黄斑領域に網膜下ブレブ（subretinal bleb）を形成する。そして、網膜切開術が行われ、前記インプラントが網膜下腔に挿入される。他の部位で、神経構造に関連するインプラントを挿入する際は、同様の方法を用いることができる。
【００９３】
開口部を横切る二層膜によって、本デバイスを薬剤のスクリーニングに使用することも可能である。二層膜内にチャンネルや受容体を持つことによって、イオン又は他の分子の通過、特にチャンネルを介しての通過を測定することによって、チャンネルの開閉による薬剤の影響を判断することができる。二層膜と接触する細胞溶解物を持つことによって、受容体に対する薬剤の効果を判断することができる（前記溶解物は受容体の薬剤に対する反応を作成するのに有効なので）。
【００９４】
次の実施例は、本発明の実施形態をより詳細に説明するためのものである。ただし、これらの実施例は、本発明の範囲を限定するものではない。
【実施例】
【００９５】
（実施例１）
【００９６】
ナノ開口部を介して細胞を刺激する方法、及び、前記細胞の活性をＣａ２＋感受性色素の蛍光性によって測定する方法としては次のものがある。
（１）細胞から開口部への電圧を固定する（マイクロチャンネルを介して吸引する）、及び、マイクロ流体チャンネル内の緩衝液の電圧を変える。
（２）神経伝達物質のボーラスを細胞の下側にパルスすることによる、細胞の化学的刺激。
（３）神経伝達物質を含んでいるリポソームのマイクロ流体の、開口部の開口へのボーラス。
（４）伝達物質の放出によって神経突起を刺激する人工細胞のマイクロ流体貯蔵部。
【００９７】
ＰＣ１２細胞の部分的融合性を有する（subconfluent）層は、マイクロ開口部のアレイ上で培養される。細胞活性は、Ｃａ＋２感受性色素（例えば、ｉｎｄｏ−１、ｆｕｒａ−２、ｆｌｕｏ−３、カルシウムグリーン、エクオリン）がロードされた細胞を使用して、蛍光顕微鏡検査法によって測定される。蛍光性は、開口部の真上での細胞活性をモニタするため、及び、近隣の細胞への影響を見るための両方に役立つ。細胞膜に対する密閉性を高めるために、開口部の周囲の表面は調整される（高い密閉性は、物理的に安定しており、１ギガオームの近く又は超える電気抵抗を有する）。表面の調整剤としては、異なる細胞外マトリクスタンパク質及び「cell Tak（ＴＲ）（Becton Dickinson）」がある。刺激技術は、開口部のサイズの変更、時間及び空間分解能、慢性刺激に依存する。
【００９８】
開口部アレイ上にオーバーレイするマイクロパターンを作成するのに、マイクロスタンプが使用される。マイクロパターンは、神経突起の成長を開口部へ導く。ＡＳＣ基板上で成長する細胞は、凹部又は貯蔵部内の溶液と接触する電極からの電圧パルスにより刺激される。電圧パルスは、開口部の近傍にある又は開口部を横切る細胞突起を脱分極するのに効果的である。脱分極電圧の範囲は、約１ｍＶから約１００ｍＶである。１０ｍＶから５０ｍＶの範囲の脱分極が一番効果的であることが分かった。
【００９９】
神経伝達物質アセチルコリン及びアデノシン三リン酸を含んでいるリポゾームが貯蔵部に貯えられる。脂質二分子膜が開口部を横切る。開口部を横切って又は開口部の近傍で成長した神経突起を有する細胞は、リポゾームと脂質二分子膜との融合によって放出された神経伝達物質と接触することによって刺激される。融合は、リポゾームの全域及び脂質二分子膜の全域で、浸透勾配によって行われる。神経の興奮は、Ｃａ２＋感受性色素の蛍光性によって測定される。
【０１００】
（実施例２）
【０１０１】
神経インターフェースデバイスのプロトタイプは開発され、上述したにPetermanらの文献に開示されている。８’８ｍｍデバイスの主要成分は、マイクロ流体チャンネルの側部にある小型の円形開口部である。標準的なマイクロ加工技術を使用して、窒化シリコンの薄層（１．６μの厚さ）がシリコンウエハ上に堆積される。２’２アレイ（直径５μ、中心間距離１２５μ）の窒化シリコンを貫通して、４つの円形開口部がエッチングされる。シリコンウエハは、その後、異方性エッチングされ、一辺が約３５０μの薄い独立した膜を形成する。チャンネルは、深さ２５μのＳＵ−８フォトレジストのリソグラフィー・パターニングにより開口部の上方に作成される。各チャンネルが単一の開口部をオーバーレイするように、曲がり（bend）を有する５０μの幅のチャンネルがデザインされる。曲がりがりは、各チャンネルに接続する入口及び出口に対して、十分な空間を提供する。
電気浸透流を制御するための金電極が、２つの通常のグラウンド及び４つの制御線と共に、チャンネルの内側にパターンされる。デバイスは、シナプスの寸法に応じて、容易にスケールダウンできる。例えば、２．５’２デバイスでは、チャンネル間は５μ離れており、開口部間は１０μ離れており、インターディジタル電極は１０μ離れており、電力消費は、各チャンネルで２ｎＷに制限される。
【０１０２】
蛍光レベルの変化は、直立共焦点顕微鏡（Nikon E800, lOx dipping objective 0.30 NA）、Nikon PCM 2000共焦点ユニット、及びSony DXC-390 CCDカラーカメラを使用して観察される。フルオレセイン泡の共焦点像のためには、fluo-4（Argon ion, 488nu）及びTexas Red（HeNe, 543nm）を励起するために２つのレーザが使用される。画像は、２つの光電子増倍管（５１５／３０帯域通過及び６０５／３２帯域通過フィルタ）を使用して同時に抽出され、SimplePCI（Compic Inc. , Cranberry Township, PA）を使用して分析されるる。ソニーのカメラは、曲がったチャンネルを流れる液体の標準的な蛍光画像用の水銀灯と共に使用される。
【０１０３】
電界によって電磁流体流入を駆動するためには、チップは、流体アクセス孔を有するアクリルベースのプレートと、流体バス（fluid bath）としての中央孔を有するキャッピングプレート（capping plate）とから成るアクリルホルダー上にマウントされる。チップは、ガスケットとしての透明なシリコーンゴムを使用して位置合わせされる。金のパッドと接触するためのパットアルミニウムホイルの薄い細長い一辺は、チップを位置合わせする前にＰＤＭＳガスケットに配置される。チップをホルダにマウントした後、分注器を使用して、アクリルブロック内のアクセス孔を介して流体を充填する。ホルダは、顕微鏡ステージ上に置かれ、流体バスは適切な溶液（例えば、ＰＣ１２細胞用のリンガー溶液）で充填される。そして、電力を供給するために、ワニ口クリップによって電気的に接続される。電気信号は、チャンネル、デジタル／アナログ変換器（ITC18, Instrutech, Port Washington, NY, controlled via Igor (Wavemetrics, LakeOswego, OR)を介して供給される。
【０１０４】
Windows 2000が実行される、１．５ＧＢのＲＡＭを有するペンティアム（Pentium）４クラスのＰＣを使用して、数値シミュレーションを行った。ＭＡＴＬＡＢ（Mathworks, Natick, MA）上で実行されるＦＥＭＬＡＢ（Comsol, Burlington MA）で有限要素法を用いて方程式を解いた。このソフトウエアは、位及び電気二重層に起因する電界に加えて、ナビエ・ストークス（Navier-Stokes）の式で提供されている。また、拡散及び伝達による濃度変化も解かれる。
【０１０５】
チャンネルは、酸性のフルオレセイン溶液で満たされる。フルオレセインは、塩基ｐＨで強力に蛍光を発する。フルオレセイン溶液は開口部を通って流動すると、約中性のｐＨバス（ｐＨ７．４）及びフルオレセインと混合する溶液は、共焦点顕微鏡の走査下で明るい周縁を有する泡として現れる。時間的に変化する電位がチャンネルに加えられたとき（正弦波、２．５Ｖ、３．１２５秒間）、流体はまず開口部から排出され、泡のサイズを増大させる。その後、開口部から回収され、泡のサイズを減少させる。
【０１０６】
ＰＣ１２細胞は、チップの表面上に培養される。窒化シリコン表面は、まず、細胞成長を助成するために、ポリ−ｄ−リジン及びラミニンによって処理される。ポリ−ｄ−リジンの液滴５０μｇ／ｍｌは、窒化シリコン窓上に室温で３０分間置かれる。ＰＢＳのデバイスを洗い流した後、ＰＢＳ内にラミニン２〜５μｇ／ｍｌを加え、培養器内で８時間培養する（３７℃、６．５％、ＣＯ２）。その後、ＰＢＳによって洗い流すと、細胞は使える状態となる。
【０１０７】
ブラジキニン刺激の測定は、fluo-4（Molecular Probes, Eugene, OR）を使用して、細胞内のＣａ２＋レベルの変化を観察することによって行われる。細胞には、リンガー溶液を使用して、製造者の仕様書通りに、fluo-4がロードされる（１３５ｍＭ ＮａＣｌ、５ｍＭ ＫＣＩ、１０ｍＭ Ｄ−グルコース、２ｍＭ ＭｇＣｌ２、２ｍＭ ＣａＣｌ２、１０ｍＭ ＨＥＰＥＳ、ｐＨ ７．２）。刺激溶液は、ブラジキニン（Sigma, St. Louis, MO）、リンガー溶液、及びスルホロダミン１０１又はフルオレセイン（Sigma）の混合液である。ブラジキニンは、１ｍｇ／ｍｌ（１ｍＭ）のリンガー溶液内で元に戻され、その後、１０μに希釈される。スルホロダミンは、８ｍＭＤＭＳＯ内で元に戻され、最終濃度を４〜８μにすべく、刺激溶液に加えられる。
【０１０８】
ＰＣ１２細胞内のＣａ２＋レベルは、ブラジキニン刺激によって変化する。チャンネルには、視覚化のために、蛍光色素Texas Red及び／又はフルオレセインと混ぜ合わせられたbrakykinin溶液（リンガー溶液内に１０μ）が満たされる。チャンネルの活性化すると、少量の流体が開口部から排出され、開口部の最も近傍にある２つのＰＣ１２細胞（細胞中心まで２５μ）を刺激するのが見られる。
【０１０９】
異なる開口部を使用した順次刺激について説明する。時計回りの方向に、コンピュータ制御されたデジタル／アナログ変換器を使用して、３つのチャンネルが活性化される（６．６、１９．９及び４２．０秒に）。各時点で、刺激は、開口部から２５μに制限される。ＰＣ１２細胞のやや遅い動態のために、他のチャンネルからの刺激の間隔は長い。
【０１１０】
ＰＣ１２細胞の繰り返し刺激について説明する。２つに細胞は開口部の真上に成長する。第１のパルスを加えた後、細胞は、わずかに明るくなったように見え、その後は暗くなる。第２のパルスを加えると、細胞は再び明るくなる。活性化サイクルは、より速いペースで続けられ、毎回、暗くなるのは明るくなったよりも少なく、最終的には完全に活性化する。最大の刺激、チャンネルの活性化後の第１及び第２のフレームの間、又は、２．２と４．４秒との間で起こる。最大の排出は、開始後の１．５秒後に起こり、ＰＣ１２細胞は１．５秒後に刺激に反応することが期待されるので、活性化の３秒後に応答することに留意されたい。電界によって活性化する場合は、刺激後０．８秒後に、最大の刺激を期待できる。
【０１１１】
（実施例３）
【０１１２】
別の研究では、人工器官デバイスは、ＳＵ−８フォトレジスト（MicroChem Corp.）とＰＤＭＳとの組み合わせから構成される。デバイスは、実質的に図２で説明したようにして、作成される。ＰＤＭＳ層とシリコン基板間の接着を軽減するために、薄い金の層（１００ｍｎ）がブランクの４インチのシリコンウエハ上に積層される。ＳＵ−８層は、製造者の仕様書通りに、金の層上に〜４０μの厚さでスピンされる。チャンネルのマイナスを規定するために、ＳＵ−８層は露出される。その後、ウエハ上にＰＤＭＳがＳＵ−８構造よりも厚くスピンされる。ＰＤＭＳは、この時点では、非常に可撓性であり、自動接着性である。ＰＤＭＳは、まず、酸素プラズマ（１５５Ｗ、６０秒）で処理され、薄いＳＵ−８層が基板上にスピンされ。ＳＵ−８層は、ＰＤＭＳ上に接着され、材料を強化し、自動接着性を制限する。ＳＵ−８層を全体的に露出させ、堅焼きした後、ＰＤＭＳ−ＳＵ−８二重層は、シートとしてのシリコン上はから引き剥がされる。
【０１１３】
第２の層では、デバイスの頂上層を形成すべく、ＰＤＭＳがスピンされる。前述したように、まず、金が積層される。その後、非常に薄いシートを作成するために、ＰＤＭＳが高速で長時間スピンされる。硬化後、この要素（ウエハに依然として付着している）及び二重層の両方は、塩化水素酸（１：４、ＨＣ１：Ｈ２Ｏ）内で及び空気プラズマ（７５Ｗ、６０秒）内で処理される。薄いＰＤＭＳに対して、ＰＤＭＳを下側にして置かれた二重層は、加熱板上に置かれ、鉛の塊（〜１２ｋｇ）によって圧縮される。３０分後、前記ピースは、基板から慎重に剥がされる。
【０１１４】
様々なインプラントを試験するのに、ニュージーランド白ウサギ（２．５〜３．５ｋｇ）を使用した。ウサギは、筋肉注射によって、ケタミン（３５ｍｇ／ｋｇ）及びキシラジン（５ｍｇ／ｋｇ）で麻酔した。両目の結膜嚢にトロピカミド０．５％及びフェニレフリン２．５％の点眼薬を注入した（３回の投薬で、毎回５分間）。標準的な３端子扁平部硝子体茎切除術（3-port pars plana vitrectomy）を行った。網膜ピンセットを使用して、scleretomyを介して、網膜上インプラントが挿入され、硝子体腔の中央に達したら離される。網膜下へ埋め込むためには、４０−標準規格注射針（DORC、Kingston、NH）を用いて、約０．５ｍＬの平衡塩類溶液注入によって、黄斑領域に網膜下ブレブ（subretinal bleb）を形成する。直径１〜２ｍｍの網膜切開術が行われ、網膜ピンセットを使用して、前記インプラントが網膜下腔に挿入される。網膜は、気体液体交換によって、再付着される。動物は、目及び視力研究用のＡＲＶＯ声明に沿って扱われる。
【０１１５】
インプラントとしては、柔らかいデバイスが用いられる。デバイス（厚さ２５０μ）はウエハから剥がされ、手術用はさみを使用して埋め込み可能なピースに切断される（〜１．２５ｍｍずつ）。ＰＤＭＳ内の構造は単一の直線状のチャンネルであり、チャンネルは両端に流体ポートを有する。チャンネルの長さは、約４ｍｍであり、幅は約１００μである。この研究に使用されるピースは、小さなピースと共に働くために、チャンネルを横切る。２つのピースを埋め込んだ。１つは網膜上に埋め込み、もう１つは網膜下に埋め込んだ。気体液体交換の後、網膜はデバイス上に、上手に平坦に配置された。
【０１１６】
最後のインプラントは、前述したインプラントと同様であるが、ＳＵ−８構造層を欠いていている。ＳＵ−８層が存在しないことにより、デバイスはとても柔軟であり、不具合なく、デバイス全体を丸めたり折り畳んだりすることができる。埋め込むためには、前記ピース（４．５ｍｍずつ、厚さ＜２００μ）は、半分に折り畳まれる。硝子体腔の内に入ると、損傷することなく、折り畳みはほどかれる。
【０１１７】
本発明によれば、神経細胞の活性又は生存性を調節するために、物質の神経空間への動きを活性化させる人工シナプスが提供される。シナプス前及びシナプス後神経細胞の間の領域に神経伝達物質を提供すべく信号を変換するために、神経細胞の活性化又は抑制のために、神経相互作用において物質を直接的に提供することによって神経細胞の反応の評価を補助するために、神経細胞の化学的活性に影響を与えるのに、様々な物質を用いることができる。電気的刺激よりも、化学的刺激を用いることによって、神経細胞の応答をより自然に制御でき、天然の神経突起がシナプス内の物質を除去できる。そして、神経細胞活性の領域に対する異なる時間での異なる量での、複数の物質の適応を可能にする。デバイスは、デバイス周辺の狭い又は広い領域に普及する、物質の量の制御的な放出のために提供される。デバイスは、正常又は損傷した神経細胞に作用する特定の物質（例えば、薬剤）の正常な反応の評価の研究に役立つ。したがって、神経細胞の活性は、クランプ又は他の機器（神経細胞の活性の変化を検出するための機器）を使用して調べることができるので、デバイスを薬剤のスクリーンニングに使用することもできる。デバイスは、神経の接合部又は神経筋の接合部の両方で、神経反応を刺激又は抑制するのに使用することができる。
【０１１８】
上記したすべての文献は、ここでの開示によって本発明に含まれるものとする。以上、本発明の実施例を示したが、特許請求の範囲で規定された本発明の精神と範囲から逸脱することなく、その形態や細部に種々の変更がなされても良いことは明らかである。したがって、本発明の細部の実施にあたっては、当業者は、開示された実施例に様々な改良を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１Ａ】本発明の特徴を具現化した人工シナプスチップの斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示した人工シナプスチップの平面図である。
【図１Ｃ】図１Ａの１Ｃ−１Ｃ線に沿った断面図である。
【図１Ｄ】図１Ａの１Ｃ−１Ｃ線に沿った断面図であり、電極を有する実施形態を示している。
【図１Ｅ】ポンプと溶液を貯える貯留槽とを備えており、人工シナプスチップを含んでいるシステムを示す断面図である。
【図１Ｆ】ポンプを備えており、人工シナプスチップを含んでいるシステムの一部を示す横断立面図である。
【図２】本発明に係るデバイスのマイクロ加工の様々な段階を示す図である。
【図３】本発明に係る、複数の通路及び貯蔵部を備えるデバイスの斜視図である。
【図４】フォトダイオードを有する１つの通路の平面図である。
【図５】ポンピングするための隔膜の圧電制御を有するデバイスの平面図である。
【図６】図５の５−５線に沿った断面図である。
【図１Ａ】
2007512866.tif 000003
【図１Ｂ】
2007512866.tif 000004
【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007512866.tif 000012
【図６】
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【国際調査報告】
2007512866.tif 000014