(57)【要約】【課題】  生体植込み型電極として使用するのに十分な機械的特性を備えながら、金属製電極より厚さが薄い生体植込み型電極の材料を開発すること。【解決手段】  生体内に挿入されて、目的の神経部位に電気的信号を伝達する電極；前記電極を全体的に包みながら、前記電極の少なくとも一部が露出するようにする絶縁体コーティング膜；及び前記露出した部分によって定義され、前記神経部位との接触によって前記電気的信号を前記神経部位に加える神経刺激部を含み、この時、前記電極は炭素繊維からなる生体植込み型電極アセンブリを提供する【選択図】図４
2016519981.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体内に挿入されて、目的の神経部位に電気的信号を伝達する電極；
前記電極を全体的に包みながら、前記電極の少なくとも一部が露出するようにする絶縁体コーティング膜；及び
前記露出した部分によって定義され、前記神経部位との接触によって前記電気的信号を前記神経部位に加える神経刺激部を含み、
この時、前記電極は炭素繊維からなる生体植込み型電極アセンブリ。
【請求項２】
請求項１において、
前記炭素繊維は厚さが１〜１０００μｍ、線密度が０．０１〜５．００ｇ／ｃｍ、形状比は１００〜１，０００，０００である生体植込み型電極アセンブリ。
【請求項３】
請求項１において、
前記炭素繊維は、カーボンナノチューブの紡績糸である生体植込み型電極アセンブリ。
【請求項４】
請求項３において、
前記カーボンナノチューブの紡績糸は、液体を基盤とした稠密化処理をしたものである生体植込み型電極アセンブリ。
【請求項５】
請求項３において、
前記カーボンナノチューブは、単一壁カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）、多重壁カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）またはこれらの混合物である生体植込み型電極アセンブリ。
【請求項６】
請求項３において、
前記カーボンナノチューブの紡績糸は、引張強さが１０〜１００，０００ＭＰａである生体植込み型電極アセンブリ。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のうちいずれか一項による生体植込み型電極
アセンブリ；
パルス信号を発生する神経刺激器；及び
前記神経刺激器と前記電極アセンブリを有線または無線で接続する接続部を含む神経刺激装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記神経刺激器の前記パルス信号は、周波数が１ｋＨｚ乃至９９９９９ＧＨｚの無線信号である神経刺激装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体植込み型電極アセンブリに関するもので、より詳細には磁場下で安全に作動することができ、機械的物性に優れた生体植込み型電極アセンブリ及びこれを含む神経刺激装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
生体植込み型医療機器（ｉｍｐｌａｎｔａｂｌｅ  ｍｅｄｉｃａｌ  ｄｅｖｉｃｅ）は、今日各種疾病の治療に使われているが、その中で神経刺激を治療原理とするものは、痛み、便秘、睡眠障害、パーキンソン病、てんかん、手顫症、筋緊張異常症などの疾病治療及び管理に使用することができる。このような神経刺激装置の代表的な例は、脊髄刺激（ｓｐｉｎａｌ  ｃｏｒｄ  ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ、ＳＣＳ）システムと脳深部刺激（ｄｅｅｐ  ｂｒａｉｎ  ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ、ＤＢＳ）システムである。
【０００３】
図１は、このような脳深部刺激システムの模式図で、神経刺激用電極として視床（ｔｈａｌａｍｕｓ）に神経刺激を加える様子である。ＳＣＳやＤＢＳ装置などの神経刺激を基盤とする生体植込み型医療機器は、大きく分けて神経の電気的刺激のためのパルス信号を発生する神経刺激器（ｎｅｕｒｏｓｔｉｍｕｌａｔｏｒ）、治療する神経部位に挿入されて、神経刺激信号を該当神経部位に加える少なくとも一つの電極を含む（図１参照）。図１では脳の頭蓋を貫通するＤＢＳの例を挙げているが、このような神経刺激用電極は脊髓、末梢神経または脳のある特定神経部位に挿入または植込みすることもできる。ＳＣＳ装置の場合、患者の大胸筋部位、腹部、臀部を貫通して生体植込み型電極を挿入することができる。また、神経刺激を基盤とした生体植込み型装置で、このような一つ以上の電極は図１に示したとおり、長い電極導線（ｌｅａｄ）に接続されるのが一般的であり、この電極導線は電極と神経刺激器の間の電気的接続を担当する。多くの場合、このような装置の電極は患者の皮下組職層の中に挿入され、実際に電極が触れる神経の位置は体内のより深い地点である場合が多い。したがって、神経刺激器と電極導線の間をつなぐ接続部があり、神経刺激器と接続部は体外に位置する形が多い。
【０００４】
このように、神経刺激のために生体植込み型または挿入型電極が使用されているが、電極が効果的に電気を伝導するためには一定の限界以下には小さくできないため、電極を挿入する時は比較的広範囲の外科的切開が避けられなかった。例えば、ＤＢＳ治療の場合、広範囲の頭皮及び頭蓋骨の切開が必要なため、全身麻酔までしなければならず、患者の不便が加重された。
【０００５】
神経刺激用電極の材料としては、現在、金、ステンレス鋼、タングステン、白金−イリジウム合金など高弾性金属素材を使用しているが、これら高弾性金属材料は、生体親和性材料としての特性に優れていない。また、このような高弾性金属材料を電極として使用する場合、人体で水と反応を起こして腐食が発生する欠点があった。また、高弾性金属材料で製作された電極を生体に植込んだ場合、使用期間の制限があり、これによって患者に痛み及び炎症を誘発する問題点があった。また、高弾性金属材料で製作された電極は、サイズが相対的に大きく、大脳皮質の目的部位より広範囲な部位に刺激を伝達する欠点があり、求める強度の刺激を与えるためには、強い強度の電極を与えなければならないという問題点があった。同時に、金属電極は多様なサイズと形の電極を製造するのに、金型製作と工程変化が必要という多少煩わしい問題点もあった。
【０００６】
さらに、現在、このような神経治療の効果を観察するために、神経刺激治療をしながら、磁気共鳴画像（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ｉｍａｇｉｎｇ、ＭＲＩ）診断を並行するケースが増えている。ＭＲＩは非侵襲的であり、優れた３次元分解能を提供する診断方法であるが、その過程で患者は多少強い電磁場の中に置かれ、ＭＲＩ装置の解像度が高くなるほど患者が露出される電磁場の強さも大きくなる。ＭＲＩ装置は、静的（ｓｔａｔｉｃ）磁場、勾配磁場を印加するほか、スキャナの発信機から出るラジオ波の磁場まで合わせて三種類の成分の磁場を放出する。このうち静的磁場は、０．２−３．０テスラ（Ｔ）であるが、３．０Ｔは地球の磁場の６０，０００倍程度となる強さである。勾配磁場は時間に応じて変化する磁場であるが、０〜５ｋＨｚで４０ｍＴ／ｍの磁場を起こすことができる。ラジオ波磁場は規模が大きいが、１．５Ｔの静的磁場から６４ＭＨｚで最大２０，０００Ｗのエネルギー（トースターの２０倍以上）を出力できる。しかし、このようなＭＲＩ装置の磁場は前述した神経刺激装置に悪影響を及ぼす。例えば、静的磁場はＭＲＩ装置のスキャナの中に入った神経刺激装置に力を加えるため、神経刺激装置が応力を受けることがある。また、ラジオ波は神経刺激装置の金属部分を加熱する。さらに勾配磁場の時間的な変化は、誘導電流を起こして神経刺激装置の破損や画像障害を起こすことがある。しかし、このような磁場の悪影響のうちラジオ波による導線部分の過熱現象が最も深刻であり、このために導線部の温度が２５℃以上上がったという研究結果もある。ＭＲＩ装置の磁場が神経刺激装置に及ぼす悪影響については、例えば、Ｒｅｚａｉ他、／Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ、通巻１５（２００２）、２４１〜２５０ページを参考にすることができる。
【０００７】
つまり、この分野では、ＭＲＩ装置の磁場の中でも安全に作動することができ、機械的物性に優れていながら十分に薄い、金属素材を代替できる電極材料に対する需要を満足させることができていないのが実情である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の技術的課題の一つは、生体植込み型電極として使用するのに十分な機械的特性を備えながら、金属製電極より厚さが薄い生体植込み型電極の材料を開発することである。本発明の技術的課題のまた別の一つは、高磁場環境で発熱量を減らすことができるとともに導電率に優れた生体植込み型電極材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前述した技術的課題を解決するために、本発明の一側面では、神経刺激電極用炭素繊維材料と、これを含む生体植込み型電極を提供する。本発明の神経刺激電極用炭素繊維材料は、厚さが１−１０００μｍ、線密度が０．０１−５．００ｇ／ｃｍ、形状比が１００〜１，０００，０００の炭素繊維からなる。本発明の一実施形態において、前記炭素繊維はカーボンナノチューブの紡績糸である。本発明の一つの具体的な実施形態において、このカーボンナノチューブの紡績糸は、カーボンナノチューブ原料を乾式紡糸して得た低密度ナノチューブ紡績糸を、液体を基盤にした稠密化処理して得たものである。本発明の一つの具体的な実施形態において、前記カーボンナノチューブの紡績糸は引張強さが１０〜１００，０００ＭＰａの範囲にある。
【００１０】
本発明のまた別の側面では、生体内に挿入されて、目的の神経部位に電気的信号を伝達する電極；前記電極を全体的に包みながら、前記電極の少なくとも一部を露出させる絶縁体コーティング膜；及び前記露出させた部分によって定義され、前記神経部位との接触によって前記電気的信号を前記神経部位に加える神経刺激部を含み、この時、前記電極は炭素繊維からなる生体植込み型電極アセンブリが提供される。
【００１１】
本発明のまた別の側面では、上述した生体植込み型電極アセンブリ；パルス信号を発生する神経刺激器；及び前記神経刺激器と前記電極アセンブリを有線または無線で接続する接続部を含む神経刺激装置が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の炭素材料を利用した神経刺激用電極を具備した電極アセンブリと生体植込み型神経刺激装装置は、生体植込み用電極で十分な機械的強度を備えながら、金属材料電極より厚さが薄く、神経刺激部位の正確な照準が可能である。また、炭素材料であるため電気導電率に優れていながらも、磁気共鳴画像装置内部のような高磁場環境で発生し得る誘導電流と磁気損失によって発生する熱を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一般的な脳深部刺激装置の構造を示した模式図である。
【図２】本発明の一実施形態による電極アセンブリの概略図を示している。
【図３】本発明の別の実施形態による電極アセンブリの概略図を示している。
【図４】本発明の一実施形態によるカーボンナノチューブ紡績糸の製造工程とこの工程の段階別実験結果を示した電子顕微鏡の写真である。図４（ａ）は、カーボンナノチューブのナノツリーからナノチューブ紡績糸が作られる過程を示した模式図である。図４（ｂ）は、前記ナノツリーからカーボンナノチューブを紡績する方向を示す走査型電子顕微鏡の写真である。図４（ｃ）は、低密度カーボンナノチューブ紡績糸を示し、図４（ｄ）はこの低密度紡績糸を稠密化処理した紡績糸の電子顕微鏡写真である。
【図５】本発明の一実施形態のカーボンナノチューブ紡績糸で構成された炭素繊維の電気導電率特性を示したグラフである。
【図６】本発明の一実施形態による炭素繊維と市販の深部脳刺激用電極が磁気共鳴画像装置内で発熱する様相を比較したグラフである。
【図７】本発明の一実施形態による電極用炭素繊維の引張強さと弾性率を評価した変形−強度曲線である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明について詳細に説明する。以下、本明細書及び請求範囲に使用した用語や単語を解釈するにおいては、発明者がその自身の発明を最善の方法で説明するために、用語の概念を適切に定義することができるという原則に即して、必ず一般的であるか、または辞書的な意味にだけ限定して解釈するのではなく、本明細書に記載するところにより、本発明の技術的思想に符合する意味と概念で解釈しなければならないということを明らかにしておく。
【００１５】
本明細書でカーボンナノチューブとは、細長いチューブ状の巨大分子で、その直径がｌ〜２００ｎｍ規模で、長さがマイクロメートルからミリメートル規模の炭素の巨大分子を意味する。一方、必要に応じて、本明細書でカーボンナノチューブは、導電率エンハンサーなどの添加剤を少量に含むことを意味することもある。一方、必要に応じて、本明細書でナノチューブは合成後、表面改質剤に改質されたものも含む。本明細書でカーボンナノチューブとは、脈絡によって単一壁ナノチューブ（ＳＷＮＴ）を指すこともあり、多重壁ナノチューブ（ＭＷＮＴ）を指すこともあり、切られずに延長された一束のカーボンナノチューブとして独立して存在することを指すこともあり、炭素繊維で編まれた紡績糸の一部（フィラメント束）を構成するものを指すこともある。
【００１６】
カーボンナノチューブは形状比（長さ／直径の比）が非常に大きい。例えば、前記形状比は１００〜１，０００の範囲を有することができ、一般的に前記形状比は８０〜３００の範囲を有する。また、カーボンナノチューブは、ダイヤモンドやグラファイトに比べて密度が低いが、高強度合金の数十倍にのぼる機械的強度を有している。また、銅以上の電気伝導も、ダイヤモンドの二倍にのぼる熱伝導率を有しており、高温（約７５０℃）で安定的である。このような理想的な特性のほかに、カーボンナノチューブの電子は、金属のように自由電子ではなく、ｓｐ２オービタル内に閉じこめられているため、電磁場による加熱効果も金属素材より低いと考えられる。
【００１７】
しかし、カーボンナノチューブを単純に大量生産してバルク材料として使用したときには、微細構造の個々のカーボンナノチューブが発揮する優れた電気伝導率を具現するのが難しい盲点があった。これは、バルク構造にあるナノチューブの集合状態の中では、ナノチューブ束の間に生じる接触抵抗が電気伝導率を低いためである。
【００１８】
本発明者たちは、ナノチューブのバルク集合体の性能を落とすこのような接触抵抗の問題を解決する技術的手段として、ナノチューブ集合体の稠密化を採択することにより、ナノチューブの優れた特性を具現する炭素繊維電極材料を開発することに成功し、本発明を完成した。
【００１９】
本発明の一側面では、神経刺激装置用電極材料として炭素繊維を提供する。この炭素繊維は、厚さが１〜１０００μｍ、線密度が０．０１〜５．００ｇ／ｃｍ、形状比が１００〜１，０００，０００の範囲にある。この電極は、前記炭素繊維のみからなることができる。
【００２０】
本発明の炭素繊維電極材料は、前述した数値範囲の薄い厚さと緻密な線密度を同時に備えているため、機械的強度と弾性に優れ、電気導電率に優れている。この分野で市販されている神経刺激用電極材料の中で最も優れたものの一つとして評価を受けている白金−イリジウム電極の厚さが１．２７ｍｍ水準であるのに対し、本発明の電極材料は容易に２０μｍ水準の厚さでも作動が可能であるため、不要な神経部位の刺激を大きく抑制することができる。本発明の一つの具体的な実施形態で、このような電極材料は引張強さが１０〜１００，０００ＭＰａである。この数値は、白金−イリジウム電極の引張強さ１０００〜１２００ＭＰａに照らしてみると、引張強さを大幅に高くできるのはもちろんのこと、多様な強度範囲で物性を選択できることを示している。
【００２１】
本発明の一実施形態で、この神経刺激用電極素材である炭素繊維は、カーボンナノチューブの紡績糸（ｓｐｕｎ  ｙａｒｎ）である。一つの具体的な実施形態で、このナノチューブ紡績糸はねじれ（ｔｗｉｓｔ）がある紡績糸であることができる。別の具体的な実施形態では、このナノチューブ紡績糸はねじれなしに紡糸した紡績糸である。より具体的な実施形態で、このカーボンナノチューブ紡績糸は液体を基盤とした稠密化（ｌｉｑｕｉｄ−ｂａｓｅｄ  ｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）処理をして得た稠密化ナノチューブ紡績糸である。
【００２２】
稠密化処理したナノチューブ紡績糸と処理をしていないナノチューブ紡績糸を区別するために、以下「低密度」ナノチューブ紡績糸という用語を使用する。低密度ナノチューブ紡績糸とは、線密度が大略０．０１〜５．００ｇ／ｃｍ以下のナノチューブ紡績糸である。例えば、ナノツリー（ｎａｎｏｆｏｒｅｓｔ）のように垂直配向されたカーボンナノチューブ集合体から引き抜く方式で紡糸したときに得られるナノチューブ紡績糸をその例とすることができる。低密度ナノチューブ紡績糸は、接触抵抗が大きくなる可能性があるため、個々のナノチューブが有する優れた機械的強度と電気導電率を充分に具現するのが難しいことがある。
【００２３】
本発明の一つの具体的な実施形態である液体稠密化カーボンナノチューブ紡績糸は、このような低密度紡績糸を揮発性溶媒に浸漬した後、溶媒を蒸発させて、組職を緻密化したものである。揮発性溶媒がカーボンナノチューブ繊維に浸透した後、乾燥しながら表面張力によってナノチューブ束の目が細かくなり、束の間の隙間が減る。稠密化ナノチューブ紡績糸では、それを構成するカーボンナノチューブ束の間で荷重伝達（ｌｏａｄ  ｔｒａｎｓｆｅｒ）が円滑になるため、カーボンナノチューブ固有の優れた機械的性質の発現が容易になる。また、稠密化紡績糸では、電子が跳躍（ｈｏｐｐｉｎｇ）できる経路が低密度カーボンナノチューブ紡績糸より減るため、導電率の向上にも利点がある。つまり、稠密化処理したカーボンナノチューブの紡績糸は、マイクロメートル規模からナノメートル規模の個々のカーボンナノチューブフィラメントで見られていた優れた電気的・機械的・熱的特性をそれに近く具現できる。
【００２４】
本発明の別の側面では、前述した炭素繊維からなる電極、及び前記電極にコーティングされた絶縁体コーティング膜を具備した電極アセンブリ（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）が提供される。
【００２５】
図２は、本発明の一実施形態による電極アセンブリの概略図を示している。図２を参照すると、電極アセンブリ（２００）は、炭素繊維の好ましい例であるカーボンナノチューブの紡績糸からなる電極（２１０）、及び電極（２１０）周囲を包んでコーティングした絶縁体コーティング膜（２２０）を具備する。絶縁体コーティング膜（２２０）は、電極（２１０）を全体的に包みながら、電極（２１０）表面の少なくとも一部を外部に露出させるようにコーティングされる。絶縁体コーティング膜（２２０）は、生体との電気的な接触を防ぐことができる。一方、露出した部分によって該当神経部位と接触して、神経刺激器から発生したパルス信号を伝達することができる神経刺激部（２１５）が定義される。韓国公開特許第１０−２０１０−００６５６７８号では、脳刺激電極として、従来の棒状の金属電極ではないナノ構造物からなる電極チップを使用する技術が公開されている。これは、金属ワイヤ形態の支持部と前記支持部に支持されるカーボンナノチューブを含む様々な金属または半金属材質の電極チップを具備した脳刺激電極に関するものである。これに対して、本発明の電極アセンブリ（２００）は、支持部とナノ構造物形態の電極チップで区別されず、電極全体部分が炭素繊維からなるという点で、前記公開特許の電極構造とはその形態が異なる。また、本発明の脳刺激電極は前記公開特許と異なり、金属ワイヤを使用しないため、ＭＲＩ装置の磁場による金属ワイヤの過熱現象を防ぐことができる。
【００２６】
電極アセンブリ（２００）の全体の長さは用途によって異なるが、例えば、５ｃｍ乃至１００００ｃｍ、好ましくは５０ｃｍ乃至１０００ｃｍであることができる。電極アセンブリ（２００）がこのような範囲の長さを有する場合、効率的に発熱を最小限に抑えて、バッテリーから深部脳刺激部位まで刺激を伝達することができる。一方、電極（２１０）の神経刺激部（２１５）の長さは０．０１ｃｍ乃至５ｃｍ、好ましくは０．１ｃｍ乃至１ｃｍの範囲を有することができる。神経刺激部（２１５）の長さが前記範囲未満では、接合がされず刺激が微細である可能性があり、前記範囲を超えると、目標部位の刺激が正常に伝達されない可能性がある。電極（２１０）ボディの大部分は絶縁体コーティング膜（２２０）で覆われており、一般的に図面のように絶縁体コーティング膜（２２０）が覆われていない一末端部位を露出させることができる。別の実施形態で、神経刺激部（２１５）は電極（２１０）の末端部位以外に位置することもでき、電極（２１０）の露出した部分が複数個で配置された形態を有することができる。例えば、コーティング膜（２２０）が末端部位を含む電極（２１０）全体を覆いながらも、露出された部分（２１５）２乃至４個が一定間隔を置いて配置された形態であることもできる。図３は、本発明の別の実施形態による電極アセンブリの概略図を示している。図３を参照すると、電極アセンブリ（２００）において、４つの露出部分を有する形態で神経刺激部（２１５）を構成することができる。
【００２７】
本発明の電極アセンブリ（２００）で、電極（２１０）は、外部で発生した神経刺激用電気信号を神経刺激部（２１５）に伝達し、神経刺激部（２１５）を介して検出した神経の電気信号を送信して分析装置に伝達する役割を果たす。本発明の電極アセンブリ（２００）は、電極（２１０）を電極アセンブリ（２００）外部の神経刺激器やその他接続部に接続できるアダプタ（図示していない）を具備できる。
【００２８】
本発明の電極アセンブリ（２００）で、絶縁体コーティング部（２２０）は、電極（２１０）全体を包み、生体と電気的に絶縁をする。絶縁体コーティング部（２２０）は、有機材料または無機材料からなり、一般的に高分子樹脂からなることができる。一実施例で、絶縁体コーティング部（２２０）は、生体適合性高分子樹脂からなることもできる。絶縁体コーティング部（２２０）の材質は、具体的にフェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート、エポキシ樹脂、アルキド樹脂、ポリイミド、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ−４−メチルペンテン、ポリメタクリル酸メチル、アクリロニトリル樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエチレンブチレート、ポリブチレンブチレート、アイオノマー樹脂、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、芳香族ポリエステル、ウレタン系熱可塑性エラストマー、フッ素ゴム、４フッ化エチレン樹脂，３フッ化エチレン樹脂、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ニトロセルロース、セルロースアセテート、エチルセルロース、プロピレンセルロース、硝子強化繊維などであることができる。また、絶縁体コーティング部（２２０）の厚さは、０．１ｍｍ乃至３０ｍｍであることができる。前記範囲未満では絶縁効果が微細であり、前記範囲を超えると体積が増加して脳損傷を起こす可能性がある。
【００２９】
一つの具体的な実施形態で、本発明の電極アセンブリは、深部脳刺激用電極を含む電極アセンブリである。この時、さらに具体的な実施形態で、神経刺激部を含む前記電極のボディ全体がカーボンナノチューブ紡績糸を利用して具現できる。例えば、後述する実施例１に例示した紡績工程で製造したカーボンナノチューブ紡績糸をそのまま電極素材として使用することができる。電極素材の製造方法としては、カーボンナノチューブとｓｐ２結合を有するグラフェン素材の場合、分子間の強いπ−π結合力を利用して、真空ろ過方法及びスプレーコーティングなど溶液を基盤とした工程から多様なプレッシングまで、多様な工程でバルク形態の電極を製造することができる。このように製造されたカーボンナノチューブ基盤の導線及び電極の場合、高分子樹脂及び表面張力を基盤とした紡績工程によって強い接続が可能で、高分子樹脂との複合化及びそれ自体だけでも深部脳刺激用素材として利用が可能である。
【００３０】
本発明のまた別の側面では、前述した電極アセンブリとパルス信号を発生する神経刺激器及び前記電極アセンブリと前記神経刺激器を有線または無線でつなぐ接続部を含む生体植込み型神経刺激装置が提供される。
【００３１】
前記神経刺激器は、神経刺激のためのパルス電気信号を発生する装置で、接続部を介して電極にパルス信号を伝達する。本発明の神経刺激装置のための神経刺激器は、この分野で通常使用されるものを使用すればよく、特別な制限がない。一実施形態で、この神経刺激器は信号分析装置を含んでおり、電極を介して検出した生体神経信号を解析する。本発明神経刺激装置の一つの具体的な実施形態で、神経刺激器はこのような信号分析装置とフィードバック調節メカニズムを備えており、検出した生体神経信号の解析結果に基づいて神経刺激パルス信号を適切にフィードバック制御する。
【００３２】
前記接続部も、この分野で一般的に使用される構成を採択して使用することができ、特別に制限されない。本発明の神経刺激装置の一つの実施形態で、神経刺激装置の接続部は、図１の模式図に示したように接続部が有線の電気導線形態をとることができる。または、この接続部が無線方式で電極アセンブリと神経刺激器を接続することもできる。この時、前記接続部は神経刺激器から無線パルス信号を送信する電源部を含む形態を有することができる。例えば、前記パルス信号は周波数が１ｋＨｚ乃至９９９９ＧＨｚであることができる。
【００３３】
本発明の別の側面では、前述した炭素繊維電極材料を製造する一つの方法を開示する。
【００３４】
本発明の炭素繊維電極材料の製造方法の一実施形態で、炭素繊維はカーボンナノチューブの乾式紡糸で製造する紡績糸からなる。一つの具体的な実施形態で、前述したカーボンナノチューブ紡績糸は、基板上に垂直に整列したカーボンナノチューブ束の集合体からカーボンナノチューブ束を引き抜く乾式紡糸で得ることができる。このように基板に垂直に整列したナノチューブを一般的にナノチューブツリー（ｎａｎｏｔｕｂｅ  ｆｏｒｅｓｔ）またはナノツリーと呼び、本発明で、このような垂直整列ナノチューブに言及したのは例として挙げたものであり、必ず基板と垂直ではない方向に整列したナノチューブの集合体も同じ原理によって乾式紡糸に使用することができ、無秩序な無配向ナノチューブを備えた集合体を乾式紡糸することも考慮している。
【００３５】
乾式紡糸では、ナノチューブツリーのナノチューブ束を基板平面と並行方向（垂直整列方向に直交する方向）に引き抜くと、カーボンナノチューブの間のファンデルワールス力によって、隣接するカーボンナノチューブフィラメントも連続的に抜け出て紡績糸をなす。この時、引抜方向が前記基板上にナノチューブが整列した方向と直交する方向であるのが便利であるが、このような直交方向ではない、基板平面と斜めの角度をなす方向に沿って基板からカーボンナノチューブを引き抜くこともできる。カーボンナノチューブの引抜時、求める機械的強度と電気導電率を考慮して、この分野の平均的な技術者であれば、ねじれ（ｔｗｉｓｔ）を与えることができ、すなわち引き抜かれて出るナノチューブ束が引抜軸と一定の角度をなすようにすることができる。このようにねじりを与える場合、カーボンナノチューブ束の間の相互作用が大きくなるため、荷重伝達（ｌｏａｄ  ｔｒａｎｓｆｅｒ）が円滑になり、物性を向上させることができる。ねじれの値は、求める物性に合わせて、この分野の平均的な技術者が繰り返し実験をして容易に定義できる。別の具体的な実施形態では、このナノチューブ紡績糸をねじれなしで紡糸した紡績糸である。
【００３６】
ナノチューブ紡績糸製造のためのナノツリーの製造方法は、この分野でよく知られているため、簡単に説明する。均一に基板上にぎっしりと垂直に配列されたナノチューブ集合体を製造する方法は、例えば米国特許公報第６３６１８１６号を参照できる。基板上にカーボンナノチューブを形成する方法は、代表的に（１）化学蒸着（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）（２）炭素アーク積層法と（３）レーザー蒸発積層法などがある。このうち、化学蒸着法、特にプラズマ強化化学蒸着法（Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＰＥＣＶＤ）］が便利なため、多く使われる。ＰＥＣＶＤなどの化学蒸着法を使用して、基板上に本発明の電極材料に利用されるカーボンナノチューブを製造すると、それぞれのカーボンナノチューブの種類、長さ、直径、直線程度を独立的に調節できるようになるため、便利だからである。本発明の製造方法の一つの具体的実施形態では、このように化学蒸着の反応条件を調節することにより、金属素材の電極製作と比較した場合、相対的に簡単に電極材料の特性を調節できる利点がある。
【００３７】
本発明で、ナノツリーの基板は、アルミニウム、ケイ素、ケイ素酸化物及びアルミニウム酸化物の中から選択することができる。前記基板の厚さは特別に制限されないが、通常１０ｎｍ乃至１００ｎｍであれば適当である。
【００３８】
ナノツリー用基板には、補強層を配置することができる。補強層を形成する材料としては、金属酸化物や金属を使用することができるが、基板とは同一ではない材料を使用する。補強層に使用できる材料としては、アルミナ、アルミニウム及び酸化チタンなどがある。補強層の蒸着方法は、ゾル−ゲル法や一般的な蒸着方法を利用することができるが、具体的には化学蒸着、スパッタリング法（Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、真空蒸発法（Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）、原子層蒸着法（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＡＬＤ）及び分子線エピタキシー（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ−Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ、ＭＢＥ）などを使うことができる。補強層の厚さは特別に制限されないが、通常１０ｎｍ乃至１００ｎｍであれば適当である。
【００３９】
（補強層が積層された）基板には、カーボンナノチューブ形成のための触媒を設置する。このようなカーボンナノチューブ形成のための触媒は特別に制限されず、この分野でよく使われる触媒を使用すれば問題ない。例えば、鉄、コバルト、ニッケル、鉄−コバルト、鉄−ニッケル、コバルト−ニッケル、鉄−モリブデン、コバルト−モリブデン及びニッケル−モリブデンなどを使用でき、これらの金属酸化物を利用することもできるが、還元された金属を使うと触媒活性がより高い。例えば、触媒薄膜の厚さは、０．５乃至２．０ｎｍ程度であれば適当である。より好ましくは、設置された触媒層表面の一部分で触媒分子を凝集させて、カーボンナノチューブの成長点を形成するために、例えば還元処理をすることで触媒分子を凝集させる。
【００４０】
本発明では、カーボンナノチューブは単一壁、多重壁ナノチューブのいずれも使用することができる。ナノツリーでカーボンナノチューブの高さは特別な制限がないが、５００倍が適当である。ナノツリーのカーボンナノチューブの線密度は、０．５ｇ／ｃｍから２．０ｇ／ｃｍであれば適当である。
【００４１】
ナノツリーから乾式紡糸で得たカーボンナノチューブ紡績糸は、「低密度」紡績糸であるため、稠密化が必要である。本発明の一つの具体的な実施形態で、稠密化処理のためには、揮発性溶媒浸漬と乾燥を利用する液体を基盤とした稠密化を使用する。液体を基盤とした稠密化のための揮発性溶媒は、例えばアセトン、エタノール、メタノール、イソプロパノール、トルエン、クロロホルム、クロロベンゼンなどから選択することができる。液体を基盤とした稠密化処理によって、低密度紡績糸の厚さが１〜１０００μｍ、線密度が０．０１〜５．００ｇ／ｃｍ、形状比が１００〜１，０００，０００の電極材料用に適した本発明の炭素繊維に変えることができる。
【００４２】
図４（ａ）は、前で説明したナノツリー形成＝＞乾式紡糸＝＞液体を基盤とした稠密化過程を示した模式図である。図４（ｂ）乃至４（ｄ）は、数ｎｍサイズの鉄触媒をシリコン／アルミニウム基板上に製造し、その上でＰＥＣＶＤ工程を介して得られたナノツリーを乾式紡糸（３（ｂ））し、低密度カーボンナノチューブ繊維（紡績糸、３（ｃ））を得て、これを稠密化処理して目的とする炭素繊維（３（ｄ））を得たことを示している。本発明の生体植込み型電極は、稠密化されたカーボンナノチューブの紡績糸からのみなることができるため、電気導電率が通常の電極用金属材料よりはるかに優れている。例えば、本発明の一つの具体的な実施形態で、本発明の炭素繊維電極材料は、金属電極材料より１０００倍優れた電気導電率を示すことができる。
【００４３】
本発明の炭素繊維基盤の電極素材とこれを利用した神経刺激装置は、ＭＲＩ装置のような高磁場環境で発生する可能性がある誘導電流と自己の損失による発熱を最小限に抑えるため、深部脳刺激をはじめとする神経刺激装置用代替素材に適している。
【００４４】
［実施例］
以下、本発明を以下に提示する実施例に基づいて、より詳細に説明する。しかし、これは本発明を例示するためのものであるだけで、本発明の範囲がこれだけに制限されるものではない。
【００４５】
本発明による神経刺激用電極の一つの具体的な実施形態を提示する。ナノチューブ生成から開始し、神経刺激用電極を製造し、この製造した電極の性能を評価した。
【００４６】
＜製造例  １＞
ナノツリー形成のための基板の製造
垂直配向されたカーボンナノチューブの配列のナノツリー（ｎａｎｏｆｏｒｅｓｔ）を形成するために、まずスパッタを利用して電圧と電流を調節し、シリコン基板上に均一な厚さでアルミニウムと鉄を蒸着した。６２５Ｖ、０．０５Ａでアルミニウムの場合、毎分６．２ｎｍでまず蒸着し、続いて、同じ電圧と電流下で鉄を毎分３．４ｎｍ厚さで均一に蒸着し、最終的な厚さがそれぞれアルミニウムが１０ｎｍ、鉄が５ｎｍになるようにした。蒸着された鉄触媒の表面は、熱処理で太くした。続いて、鉄触媒粒子に誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を利用したプラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）工程を進行し、水素で触媒表面を還元した。
【００４７】
＜製造例２＞
垂直配向されたカーボンナノチューブの合成
本製造例では、ＩＣＰを利用したＰＥＣＶＤ工程で、製造例１で得た基板上にナノツリーを製造した。この化学蒸着工程では、炭素供給源としてエチレンを、補助気体としてアルゴンと水素を使用し、触媒安定化基材としては酸素気体を使用した。カーボンナノチューブの合成は、７３０℃で７分間行い、昇温速度は毎分１００℃とした。完成したナノツリーの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真は図４に示した。このナノツリーでナノチューブの長さは大略２００μｍであった。
【００４８】
［実施例１］
カーボンナノチューブの紡績
本実施例では、製造例１で得た垂直配向カーボンナノチューブを乾燥紡績し、炭素繊維を製造した。製造例１のナノツリーを、電子ピンセットを使って紡機（自社製作。ＡＴＥＣ  ｓｙｓｔｅｍ社依頼）に接続した後、基板上のナノチューブを毎分１ｃｍの速度でナノチューブの長さ方向と垂直の方向にねじれがないように引き抜く方式で乾式紡糸した。図４（ｂ）は、このような乾式紡糸の方向を示す図である。この図で「ｓｐｉｎｎｉｎｇ」と表示した矢印方向が垂直方向であった。このような方式で稠密化処理をする前の「低密度」カーボンナノチューブ紡績糸を得た。このきめが粗い繊維の厚さは、図４（ｃ）に示したように約９５μｍであり、線密度は０．２ｇ／ｃｍ水準であった。この低密度カーボンナノチューブ紡績糸の形状比は約２，０００であった。続いて、この低密度カーボンナノチューブ紡績糸をエタノールを利用して稠密化した。稠密化工程は、エタノールを利用してカーボンナノチューブ固有の表面張力によって行われた。図４（ｄ）は、稠密化された炭素繊維（ｄ）の電子顕微鏡写真を示している。この稠密化された炭素繊維の厚さは約１８μｍであり、線密度は０．５ｇ／ｍ水準であり、形状比は約１０，０００であった。
【００４９】
＜実験例１〉
炭素繊維の導電率測定
本実験例では、実施例１で製造した炭素繊維の電気導電率を評価した。実施例１の炭素繊維を切削して、長さ３ｃｍ、厚さ１８μｍのサイズに加工した。この炭素繊維の両端を電気導電率計（Ｃｈａｎｇｍｉｎ  Ｔｅｃｈ  Ｃｏ．、Ｌｔｄ社のＣＭＴ−ＳＲ２０００）の電極に銀ペーストで固定して電気導電率を測定した。
【００５０】
図５は、実施例１で得られた炭素繊維の電流−電圧分析グラフである。図５を見ると、実施例１の炭素繊維が電流増加に応じて一定に電圧が増加する典型的な導電性繊維の導電特性を示していることが分かる。このような導電特性によってこの炭素繊維の電気導電率を計算し、５１５Ｓ／ｃｍの導電率が出た。これは、市販の深部脳刺激用電極に比べて最大１０００倍以上の導電率に相当する。
【００５１】
＜実験例２＞
炭素繊維の磁気共鳴画像装置内の発熱特性
本実験例では、実験例１と同様に加工した炭素繊維が磁気共鳴画像（ＭＲＩ）装置内で、どの程度加熱されるかを評価した。実際に人体内に電極を挿入した状況を模擬するために、実験例１のカーボンナノチューブ繊維（ＣＮＴ  ｆｉｂｅｒ）、カーボンナノチューブシート（ＣＮＴ  ｓｈｅｅｔ、Ｔｏｒａｙ  ａｄｖａｎｃｅｄ  ｆｉｌｍ  Ｃｏ．，ＣＮＴ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｆｉｌｍ）、ＤＢＳワイヤ（ＤＢＳ  ｗｉｒｅ、Ｍｅｄｔｒｏｎｉｃ  Ｉｎｃ．ＤＢＳＴＭ３３８９）をそれぞれアガロースゲルの中に挿入した後、このゲルをアクリル基板上に固定した。このように製造された試験片を４．７Ｔ強度の動物実験用ＭＲＩ装置の中に移し、２０分ほどスピンエコースキャンを進行しながら熱光学（ｔｈｅｒｍｏ−ｏｐｔｉｃ）測定装置（Ｖａｒｉａｎ社の４．７Ｔ動物用ＭＲＩ）を利用して、試験片のアガロースゲルの内部温度を測定した。温度測定結果は図６のグラフに示した。
【００５２】
図６は、カーボンナノチューブ繊維、カーボンナノチューブシート、そして市販されている金属材の深部脳刺激用電極（ＤＢＳ  ｗｉｒｅ）の温度変化の様相を示している。図６を参照すると、カーボンナノチューブ繊維の場合は０．７℃、カーボンナノチューブシートの場合は１．１℃の温度上昇を示した。市販の深部脳刺激用電極は６℃以上の温度上昇が起きる様相を示している。カーボンナノチューブ素材では、金属素材に比べて低い発熱様相を示している。カーボンナノチューブが繊維形状の場合、シート状の場合よりも低い発熱を示す。これは、カーボンナノチューブの形状の違いに起因するものと考えられる。
【００５３】
＜試験例３〉
引張強さの測定
実施例１の方法によって製造した高密度カーボンナノチューブ紡績糸に引張実験をして強度を評価した。引張実験は１ｃｍ変形ケージ（ｓｔｒａｉｎ  ｇａｇｅ、英国  Ｉｎｓｔｒｏｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社ＩＮＳＴＲＯＮ  ８０３２）を利用し、０．１ｍｍ／分の速度で測定した。図７を参照すると、強度評価結果、６２０ＭＰａ引張強さと１．８ＧＰａ弾性率を有する高強度カーボンナノチューブ繊維が製造されたことを確認した。
【００５４】
前述したように、特定内容と一部実施例を挙げて本発明を説明したが、これは本発明のより全般的な理解を助けるために、具体的な例として提示した説明であるだけであることを明らかにしておく。本発明は、前述した実施形態にのみ限定されず、本発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば、このような実施形態について、多様な修正及び変形を行うことができ、これらの修正及び変形も本発明の技術思想の中で網羅している。
【００５５】
したがって、前で説明した実施形態と後述する特許請求の範囲はもちろん、この特許請求範囲のすべての均等物や等価な変更実施形態も本発明の技術思想の範疇に属する。
【図１】
2016519981.tif 000003
【図２】
2016519981.tif 000004
【図３】
2016519981.tif 000005
【図４】
2016519981.tif 000006
【図５】
2016519981.tif 000007
【図６】
2016519981.tif 000008
【図７】
2016519981.tif 000009
【国際調査報告】
2016519981.tif 000010
2016519981.tif 000011
2016519981.tif 000012
2016519981.tif 000013