(57)【要約】      （修正有）【課題】単層あるいは多層ナノチューブ、ナノチューブロープ、カーボンウィスカー、およびこれらの組み合わせからなる体内埋込型電極用コーティングの提供。【解決手段】ナノチューブは、炭素、あるいは炭素ドープ窒化ホウ素のような他の導電性のナノチューブ形態の物質であってもよい。ナノチューブコーティングは、熱分解により触媒基材表面上の原位置で成長するか、あるいは液状の金属化合物前駆体を用いて蒸着した金属あるいは導電性金属酸化物の薄膜結合材を利用して基材に付着される。後者のケースでは、前駆体／ナノチューブのコーティングは、その後純金属あるいは導電性金属酸化物に変換され、結果的にナノチューブが植え込まれた目的とする表面コーティングになる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）基材と、
ｂ）前記基材上に支持された生体適合性および導電性を有する触媒コーティングと、
ｃ）前記コーティングに付着した多数の炭素含有ナノチューブ
とを含む体内埋込型電極。
【請求項２】
前記基材が、タンタル、チタン、ジルコニウム、イリジウム、白金、およびニオブからなる群から選択される、請求項１記載の電極。
【請求項３】
前記コーティングが、タンタル、チタン、ジルコニウム、イリジウム、白金、ニオブ、および窒素ドープ炭素からなる群から選択される、請求項１記載の電極。
【請求項４】
前記窒素ドープ炭素中の窒素が、原子百分率濃度約１〜約５７で提供される、請求項３記載の電極。
【請求項５】
前記コーティングが、タンタル、チタン、ジルコニウム、イリジウム、白金、およびニオブからなる群の、窒化物、炭化物、炭窒化物、および酸化物からなる群から選択される、請求項１記載の電極。
【請求項６】
前記ナノチューブが、単層ナノチューブ、多層ナノチューブ、ナノチューブロープ、カーボンウィスカー、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される形態をとる、請求項１記載の電極。
【請求項７】
前記ナノチューブが、炭素ドープ窒化ホウ素からなる、請求項１記載の電極。
【請求項８】
前記ナノチューブが、アセチレン、メチルアセチレン−プロパジエン、およびパラフィン系列のガスからなる群から選択された反応ガスから成長したものであることを特徴とする、請求項１記載の電極。
【請求項９】
前記反応ガスが、アンモニア付加されたものであることを特徴とする、請求項８記載の電極。
【請求項１０】
前記ナノチューブが、チタン基材上にコーティングされたタンタルに付着している、請求項１記載の電極。
【請求項１１】
ａ）基材を準備する工程と、
ｂ）前記基材上に、窒素ドープ炭素、タンタル、チタン、ジルコニウム、イリジウム、白金、およびニオブ、あるいはそれらの窒化物、炭化物、炭窒化物、および酸化物からなる群から選択された触媒金属をコーティングする工程と、
ｃ）前記のコーティングされた基材を加熱する工程と、
ｄ）前記の加熱された基材を、水素含有ガス流と接触させることによって、コーティングされた基材上に炭素含有ナノチューブを施す工程と、
ｅ）前記のナノチューブコーティングされた基材を、体内埋込型電極として利用する工程、
とを含む、体内埋込型電極の供給方法。
【請求項１２】
前記のコーティングされた基材を、約３５０℃〜約１１５０℃の温度に加熱することを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記のナノチューブコーティングされた基材を、使用前に水素中で冷却することを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
ａ）基材を準備する工程と、
ｂ）溶媒中で、塩化イリジウム酸、塩化白金酸、塩化チタン（ＩＶ）、塩化ジルコニウム（ＩＶ）、塩化ニオブ（Ｖ）、および塩化タンタル（Ｖ）から選択される結合材前駆体と混合されたナノチューブを準備する工程と、
ｃ）前記結合材前駆体を、前記基材に接触させる工程と、
ｄ）前記結合材前駆体を、基材上の、ナノチューブが植え込まれたコーティングに変化させる工程、
とを含む、体内埋込型電極の供給方法。
【請求項１５】
前記の結合材前駆体でコーティングされた基材を、酸化性雰囲気下あるいは不活性雰囲気下で加熱することを含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記の結合材前駆体でコーティングされた基材を、約３００℃〜約５００℃の温度で加熱することを含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
前記の結合材前駆体でコーティングされた基材を、約３０分〜約３時間加熱することを含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
前記の塩化イリジウム酸結合材前駆体を、酸化性雰囲気下で加熱して、前記基材上にコーティングされた酸化イリジウム結合材に植え込まれたナノチューブを提供することを含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
前記の塩化白金酸、塩化チタン（ＩＶ）、塩化ジルコニウム（ＩＶ）、塩化ニオブ（Ｖ）、および塩化タンタル（Ｖ）結合材前駆体を、不活性雰囲気中で加熱して、前記基材上にコーティングされた白金、チタン、ジルコニウム、ニオブ、およびタンタルそれぞれの結合材に植え込まれたナノチューブを提供することを含む、請求項１４記載の方法。
【請求項２０】
ａ）基材を準備する工程と、
ｂ）前記基材上に、炭素質触媒物質をコーティングする工程と、
ｃ）前記の炭素質コーティングされた基材を加熱する工程と、
ｄ）前記の加熱された基材を、水素含有ガス流と接触させることによって、炭素質コーティングされた基材上に、炭素含有ナノチューブを施す工程と、
ｅ）前記のナノチューブコーティングされた基材を、体内埋込型電極として利用する工程、
とを含む、体内埋込型電極の供給方法。
【請求項２１】
前記の炭素質コーティングされた基材を、約３５０℃〜約１１５０℃の温度に加熱することを含む、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記炭素質触媒物質を、前記基材上にスパッタリングすることを含む、請求項２０記載の方法。
【請求項２３】
前記のスパッタされる炭素質触媒物質を、窒素ドープ炭素として準備することを含む、請求項２０記載の方法。
【請求項２４】
前記窒素ドープ炭素中の窒素を、原子百分率濃度約１〜約５７で提供することを含む、請求項２０記載の方法。
【請求項２５】
ａ）基材を準備する工程と、
ｂ）前記基材上に、窒素ドープ炭素、タンタル、チタン、ジルコニウム、イリジウム、白金、およびニオブ、あるいはそれらの窒化物、炭化物、炭窒化物、および酸化物からなる群から選択された触媒物質をコーティングする工程と、
ｃ）前記のコーティングされた基材に、流動する炭化水素含有ガス流を含むプラズマ化学蒸着処理を施すことによって、コーティングされた基材上に炭素含有ナノチューブを施す工程と、
ｄ）前記のナノチューブコーティングされた基材を、体内埋込型電極として利用する工程、
とを含む、体内埋込型電極の供給方法。
【請求項２６】
前記のプラズマ化学蒸着処理において、マイクロ波励起を利用することを含む、請求項２５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に、ペーシング用電極、神経刺激装置用電極、および電気穿孔用電極並びに検出電極のような、埋込型電極用のコーティングに関する。
【背景技術】
【０００２】
これらのタイプの電極にとって最重要な３つの要求は、生体適合性、生体安定性、および低エネルギー損失である。生体適合性は、電極が体内組織および血液と接触しても、生体の免疫反応、特に血栓形成（凝固）および線維性組織による電極の被包を、ほとんどあるいは全く生じさせないようにするために要求される。生体安定性は、電極／コーティング系の、全ての物理的、電気的、および化学的性質を、患者の生涯にわたって一定且つ不変に保つために必要とされる。低エネルギー損失は、電極の分極化を最小限に抑えるために必要とされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
Ｅｌｍｑｖｉｓｔによる米国特許第４，６０２，６３７号には、スパッタされた円柱状窒化チタンをコーティング材として有する、一般的なペーシング用電極が記載されている。この形状の窒化チタンは、高い特有の表面積と相まって、優れた導電性を持ち、結果として良好な分極化と検出特性を示す。一方、窒化チタンには、移植後の周囲組織の電気的性質を低下させるという不利な点がある。これは、体内組織が、円柱状窒化チタンを、通常の組織より低い導電性を持つ線維性組織内に被包することにより生じる。
【特許文献１】米国特許第４，６０２，６３７号公報
【０００４】
ペーシング用電極の場合、線維性組織は刺激閾値を上昇させる。刺激閾値は、心収縮を生じさせるために必要な最小エネルギーである。これは、結果として、システムの電池寿命に影響を与えるので、望まれるよりも短期間で、医療装置を外植する必要が生じる。被包プロセスはまた、ペースメーカーに必要な、内在性のミリボルトシグナルの検出を妨害する。従来の電極設計において、線維性被包の問題は、測定手段あるいは組織の接触部位に、長期間にわたりステロイド性の薬物を溶出する手段を組み込むことによって、解決しようとされてきた。しかしながら、移植部位へのステロイド性薬物の溶出は、被包による刺激閾値上昇を完全には解消しない。ステロイド性薬物の溶出処置は、効果の持続時間が短く、費用がかかるとともにシステムが複雑になり、さらに感染の恐れもある。そして多くの場合、電極の作用面の一部を、薬物投与機能のために割り当てなければならない。
【０００５】
線維性被包の問題を克服する他の試みは、Ｃｅｒｉｓｅ等による米国特許第４，４９５，０３９号およびＥｄｅｌｉｎｇ等による米国特許第４，６１２，１００号に記載されている。前者の特許は、熱分解性炭素製の電極に関連し、後者は、無定形のスパッタされた炭素でコーティングされた電極を対象にする。このような設計は、生体適合性を向上させるという要求には合致するが、円柱状窒化チタンが有する高い特有の表面特性は持たず、分極化と検出特性の点で不十分である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のコーティングは、導電性の炭素質ナノチューブ、あるいは、他の生体適合性の導電性物質のナノチューブを含む基剤表層からなる。ナノチューブは、単層ナノチューブ（直径約２ｎｍ未満）、多層ナノチューブ（同心性チューブ構造）、ナノチューブロープ、カーボンウィスカー、およびそれらの組み合わせの形をとる。多層ナノチューブは、同心円上に成長したナノチューブである。ナノチューブロープは、多数の単層あるいは多層ナノチューブを、直径が、典型的には約１０ｎｍから約１００ｎｍになるまで平行に束ねて構成される。ナノチューブロープは、基剤から始まり、外側へ成長する。それらは平行な、密集した形態に、あるいは絡み合った「毛髪状の」形態に成長しうる。いずれにしても、そのそれぞれが一端あるいは両端で基材に付着している、多数のナノチューブから構成される層となる。ナノチューブは炭素質であってもよく、あるいは、他の導電性および生体適合性を有するナノチューブ成形物質（炭素ドープされた窒化ホウ素など）であってもよい。
【発明の効果】
【０００７】
結果物である電極は、ナノチューブコーティングが、電極表面に共有結合的に付着しているため、生体適合性および生体安定性を備える。有利なことに、この電極は、ナノチューブによって表面積がはるかに増大するため、比較的低い分極を示す。この点において、ナノチューブコーティングは、従来のスパッタコーティングされた円柱状窒化チタンの物理的構造によく似ている。しかしながら、利点として、ナノチューブコーティングの優れた生体適合性のために、電極を取り巻く組織に、ステロイド性薬物を供給する必要はなくなるか、あるいはその必要性が小さくなる。
【０００８】
本発明のこれらの及び他の特徴は、以下の記述と添付の図面を参照することによって、当業者に対し、次第に明らかになっていくであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
ナノチューブコーティングされた電極を製造するための好ましい実施形態の一つは、基材上での高温炭化水素分解である。基材となる物質は、生体適合性、導電性、および所望のナノチューブ構造の核となる能力かあるいは触媒作用を及ぼす能力を備えていなければならない。好ましい基材物質には、タンタル、チタン、ジルコニウム、白金、イリジウムおよびニオブが含まれる。基材に、これらの金属のコーティング、あるいは、これらの金属の窒化物、炭化物、炭窒化物、あるいは酸化物のコーティングが施されている場合は、異なるベース物質が用いられてもよい。この一例として、タンタルでコーティングされたチタン基材を挙げることができる。両方の物質が生体適合性を持つが、チタンはタンタルより安価である。
【００１０】
炭素はナノチューブを成長させる、別の好ましい触媒物質である。炭素は、機械加工されたガラス質炭素電極、あるいは機械加工された金属電極を覆う、薄膜炭素質コーティングの形態をとることが好ましい。コーティングが無定形炭素からなる場合に、比較的薄い膜の炭素コーティングを付与する好ましい方法の一つとして、スパッタリングがある。特に、スパッタされた無定形炭素が、窒素でドープされる場合は（例えば、スパッタプロセスガス中に窒素を存在させることなどにより）、その結果生じる膜は、その後のナノチューブの成長にとって有効な触媒となる。窒素は、原子百分率で、約１〜約５７の濃度で施されることが好ましい。このカーボンナノチューブ／炭素触媒系の利点は、電極と組織間の接触面が、高い生体適合性を持つ物質である炭素の多様な同素体に限定されるということである。すなわち、金属基材にまず、スパッタされた無定形炭素が施されるため、金属基材が体液および生体組織に曝されることがない。触媒層が、炭素ではなく生体適合性を持つ金属である場合は、多孔性のナノチューブ層により、当該金属が体液および組織に曝されてもよいであろう。
【００１１】
米国特許第５，８７２，４２２号および第５，９７３，４４４号（両特許ともＸｕらによる）は、ブラウン管内等に使用されるための金属製基材上に、炭素繊維を成長させるための従来のプロセスについて記載する。しかしながら、本発明は、ナノチューブでコーティングされた電極の製造のために、このプロセスを適合させた。このプロセスは、適切な触媒物質でつくられた、あるいはコーティングされた成形済み電極基材を、密閉した流動水素雰囲気下のチャンバー内に置くことから始まる。チャンバーは、約３５０℃〜約１１５０℃、より好ましくは約５５０℃〜約８５０℃の温度に加熱される。所望の温度に達すると、炭化水素の流動が始まる。ナノチューブを成長させるために有用な炭化水素はガス状であり、アセチレン、メチルアセチレン−プロパジエン（ＭＡＰＰ）ガス、およびパラフィン系列のガス、すなわち、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン等、およびそれらの混合物などを挙げることができる。さらに、水酸化アンモニウム溶液を通じて泡立てることにより、アンモニア付加した炭化水素をつくることができる。一般的なコーティング形成時間は、約５分〜約１時間、好ましくは約１５分間である。冷却は水素下でなされる。このようにして生成したナノチューブは、一般に、ナノチューブロープに分類される。
【００１２】
プラズマ化学蒸着は、ナノチューブでコーティングされた電極基材を作るためのもう一つの好ましい方法である。プラズマ化学蒸着処理は、マイクロ波励起によって、あるいは他の手段によって行うことができる。この処理が好適であるのは、結果として生じるナノチューブの配列がより高度に整列し、従来の円柱状窒化チタンコーティングに近づけようとする目的にかなうからである。
【００１３】
ナノチューブの形態は、水素源であるガスによって一部影響を受ける。例えば、約６５０℃のアセチレンは、直径が約２０〜５０ｎｍのナノチューブロープを与える（図１）。加熱温度約５５０℃で、ＮＨ３ＯＨを通じて泡立たせたＭＡＰＰガスに変更すると、粗く、より強固に付着した、配向性のある釘のようなカーボンウィスカーが生じる（図２Ａおよび２Ｂ）。
【００１４】
また、液状の金属化合物前駆物質の形で蒸着した、生体適合性金属あるいは導電性金属酸化物からなる薄膜の結合材コーティングにより、ルーズナノチューブバルク（bulk loose nanotubes）が、電極表面に付着される。薄膜蒸着の基本的方法は、Ｐｈｉｌｌｉｐｓによる米国特許第４，９１９，１３５号に詳細に記載されており、参照によりここに包含される。ナノチューブバルクは、多数の販売元から市販されている。一例として、Nanostructured and Amorphous Materials株式会社（Los Alamos, NM）がある。好適な結合材前駆体には、塩化イリジウム酸（ヘキサクロロイリジウム酸四水和物）、塩化白金酸、塩化チタン（IV）、塩化ジルコニウム（IV）、塩化ニオブ（V）、塩化タンタル（V）、およびその混合物が含まれる。結合材は、まず室温で生体適合性金属の前駆体化合物を溶媒に溶解することによって調製される。好ましい溶媒は、ｔｅｒｔ−ブタノール、イソプロパノール、およびエタノールのようなアルコールである。
【００１５】
その後、ルーズナノチューブを、高い剪断速度で前駆体溶液の中に混合する。その結果生じた均一な混合物を、ディッピング法、噴霧法、ドクターブレーディング（doctor blading）、ドロッパーアプリケーション（dropper application）により、電極表面に薄膜として塗布するか、あるいは別の方法で、金属化合物／溶媒／ナノチューブの混合物を電極表面へ接触させる。溶媒の除去は、温めた空気中で基材を乾燥することによって行われる。これにより、電極表面に薄い金属化合物／ナノチューブの層が形成される。低温加熱処理により、金属化合物の層は、金属／ナノチューブあるいは金属酸化物／ナノチューブの複合薄膜に変化する。この加熱工程は、約３０分〜約３時間の間、約３００℃〜約５００℃の温度で行われる。その結果生じた薄膜は、薄さが約１００〜５００ｎｍであり、マトリクス状の生体適合性かつ導電性の金属酸化物または金属と、第二層であるナノチューブとを有する、多孔性金属マトリクス複合材料状である。
【００１６】
塩化イリジウム酸から形成された酸化イリジウム結合材の場合、イリジウム金属は容易に酸化され、結果的に金属酸化物結合材が生じる。好ましい変換ガスは空気である。白金、チタン、ジルコニウム、ニオブ、およびタンタルからなる結合材の場合は、それぞれ使用される温度では酸化されない。代わりに、これらの金属の前駆体を、アルゴン、窒素、ヘリウムおよび真空のような不活性雰囲気中で加熱することにより、結果的に金属結合材が生じることになる。
【００１７】
以下の実施例は、本発明に係るナノチューブコーティング基材の製造方法と工程を記述するものであり、本発明を実施する発明者によって予期されるベストモードを示す。
【実施例１】
【００１８】
タンタル基材を密閉したチャンバー内に置いた。チャンバーを、約６５０℃まで加熱し、反応体積約２０ｃｃごとに約１Ｌ／分の比率で水素ガスをチャンバーに流通させた。反応チャンバーが所望の温度に達したとき、０．５Ｌ／分のアセチレンを反応ガス流に加えた。約１５分後、使用に適したナノチューブコーティングがタンタル基材上の原位置（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で成長しているのが確認された。図３Ａおよび３Ｂの写真は、タンタル基材上の原位置で成長したナノチューブコーティングを、２万倍および５万倍でそれぞれ示すものである。
【００１９】
使用に適したナノチューブコーティングは、同様の方法で、チタン、ジルコニウム、イリジウム、白金、ニノブ、および窒素ドープ無定形炭素の基材、あるいは実質的にこれらの金属の薄膜コーティングを施された基材上に成長させることができる。これらの触媒物質あるいは核となる物質は、タンタルと同様の生体適合性を持つ。
【実施例２】
【００２０】
１時間の間、８０℃のシュウ酸水溶液中でエッチングすることによって、チタン電極チップをきれいにした。
【００２１】
１ｇの塩化イリジウム酸を３５ｍｌのイソプロピルアルコール中に、室温でかき混ぜながら溶解することによって、塩化イリジウム酸溶液を調製した。その後、ルーズナノチューブの粉末を、高剪断速度で攪拌しながら加え、高粘度の粘稠性混合物を得た。次に、酸化イリジウムでコーティングされた基材を、その混合物の中へ少し浸し、その上にナノチューブの粘稠性コーティングを施した。コーティングした基材を、空気中で約１時間約３４０℃に加熱し、金属塩化物をイリジウム金属に変化させた。イリジウム金属を、その後、さらなる加熱によって酸化した。酸化イリジウムでコーティングされた基材に、ナノチューブが植え込まれた。
【００２２】
図４の写真は、パイレックス（登録商標）ガラス基材に酸化イリジウム結合材で付着させたナノチューブコーティングを２万倍で示す（生成は上記と同様にして行った）。実験は、チタン電極チップを用いて行い、このガラス基材は、容易に砕くことができ、薄膜コーティングの断面をイメージするためにＳＥＭで端を見るのに好適であるために用意された。コーティングは１ミクロン未満であるため、チタンパーツそれ自体の断面を見ることは非常に困難である。パイレックス（登録商標）ガラスを使用したのは、軟化あるいは粉砕されることなく３４０℃の熱処理に耐えるからである。
【００２３】
ここに記載された本発明の概念に対する様々な変形が、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者に明らかであることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、６５０℃で、アセチレンからチタン基材上に成長したナノチューブロープの、１０万倍の写真である。
【図２Ａ】図２Ａは、５５０℃で、水酸化アンモニウムを通じて泡立てられたメチルアセチレンプロパジエンガスからチタン基材上に成長したナノチューブウィスカーの、５万倍の写真である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、６５０℃で、水酸化アンモニウムを通じて泡立てられたメチルアセチレンプロパジエンガスからチタン基材上に成長したナノチューブウィスカーの、５万倍の写真である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の一実施例に従ってチタン基材上の原位置に成長したナノチューブコーティングを示す、２万倍の写真である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の一実施例に従ってチタン基材上の原位置に成長したナノチューブコーティングを示す、５万倍の写真である。
【図４】図４は、本発明の他の実施例による、酸化イリジウム結合材を使用してガラス表面に付着したナノチューブ層を示す、２万倍の写真である。
【図１】
2004216129.tif 000002
【図２Ａ】
2004216129.tif 000003
【図２Ｂ】
2004216129.tif 000004
【図３Ａ】
2004216129.tif 000005
【図３Ｂ】
2004216129.tif 000006
【図４】
2004216129.tif 000007
【外国語明細書】
2004216129000001.pdf
2004216129000002.pdf
2004216129000003.pdf
2004216129000004.pdf