ポリオキソメタレートを有する埋込み電極
ポリオキソメタレート（ＰＯＭ）を含む電極表面を有する電極。電極表面でのＰＯＭの使用は、電気化学的に活性な表面積を増大させ、結果的に、容量とインピーダンスを増大させて、電極と組織の接合面での偏光損失を減少させる。さらに、ＰＯＭを有する電極は、ＰＯＭの酸化還元特性および電荷蓄積特性から疑似容量特性を含むことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ポリオキソメタレート（ＰＯＭ）構造を含む生体材料に関する。特に、本開示は、ＰＯＭ構造を有する埋込み電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気刺激および感知用の埋込み電極はかなり小型にすることができる。電極の埋め込みが可能な位置における電極のサイズ低減への原動力は増加の一途にある。さらに、電極の小型化は、刺激閾値を低下させ、電源（たとえば、バッテリ）の使用寿命を延長させることができる。認識され得るように、バッテリ使用寿命の延長は、植込み型装置（たとえば、ペースメーカー）の潜在的な耐用年数の延長を可能にする。しかしながら、電極のサイズ低減（たとえば、電極の幾何学的表面積の低減）に伴い、電極間の電流密度が増大する。この電流密度の増大によって、安全な電荷限界を超える可能性が高まり、電極材料の溶解、電解質の酸化還元反応、および／または有毒化学物質の生成につながるおそれがある。電流密度を制御するために、電極の全体の物理的寸法を増大させずに実際の電極表面積を増大させる様々なオプションが提案され、使用されてきた。このようなオプションの例は、多孔性電極材料、焼結小球体、フラクタル電極表面形態、フラクタルに被覆された電極などである。しかしながら、電極の全体の物理的寸法を増大させずに実際の電極表面積を増大させることに対する需要はなお続いている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本開示の実施形態は、ポリオキソメタレート（ＰＯＭ）を含む埋込み電極を提供する。各種実施形態では、ＰＯＭが、電気化学的に活性で柔軟な低偏光疑似容量性電極表面を埋込み電極に提供することができる。ＰＯＭを含む電極表面は、安全な電荷注入限界と電気化学的電位窓を超えずに、たとえば最大１０ボルトの低〜高の電圧刺激パルスを伝達するのに適切であると思われる。さらに、ＰＯＭを含む埋込み電極は、電極と組織の接合面での偏光損失を低減することができる。
【０００４】
本明細書で使用される際、「ポリオキソメタレート」、すなわち「ＰＯＭ」は、金属−酸化物または金属−酸素イオン（たとえば、アニオン）、金属酸化物クラスタアニオンなどの様々な形のクラスタまたはケージを含む。各種実施形態では、ＰＯＭは、電極表面上の膜に含めることができる。もしくは、ＰＯＭは、電気的に活性なポリマーを作製するため、ポリマーマトリックス内のドーピングイオンとして含めることができる。さらに、ＰＯＭは、ＰＯＭ酸化還元特性（たとえば、ＰＯＭは、電極と組織の接合面でファラデー酸化還元遷移を可能にするいくつかの酸化状態を有する電気的活性種を提供する）のためにＰＯＭが使用される埋込み電極の電荷蓄積容量を増大させるのを助けることができる。ＰＯＭの擬似容量性特性は、多孔率、電気的活性領域（二重層）、およびＰＯＭが経ることのできるファラデー酸化還元段階の組み合わせを含むことができる。本明細書で使用される際、「膜」は、埋込み電極の表面に直接的および／または間接的に蒸着される導電物質の層を指す。
【０００５】
本開示の方法の実施形態は、重合可能な混合物にＰＯＭを組み込むステップと、ＰＯＭを混入した重合可能な混合物の膜を電極表面上に形成するステップとも含む。このような方法の例は、ＰＯＭが存在する溶液からのポリマーの化学的または電気化学的生成を含むが、それに限定されない。電気化学的重合中に生成される膜は、膜に均一にＰＯＭを混入させることを含む。
【０００６】
その他の蒸着技術も可能である。たとえば、ＰＯＭを含む膜を、膜の生成後の酸ベースのドーピングプロセスによって膜に導入させることができる。認識されるように、膜の形成には、ゾル−ゲル法やその他の同時蒸着法を用いてＰＯＭと膜を同時に形成するなど、他のプロセスも利用することができる。その他の蒸着技術には、特に、吸着、静電相互作用を通じた自己組立、層間蒸着、ラングミュアー・ブロジェット（ＬＢ）法などがある。
【０００７】
ＰＯＭの化学的組成および構造は、電極表面の膜の電気的性能を変更するため、各種実施形態に従い調整することができる。たとえば、膜に組み込まれるＰＯＭと追加のドーピングアニオンの選択と使用は、結果としてできる埋込み電極の容量とインピーダンスを制御するのに使用することができる。さらに、電極表面は、活性表面積を一層増大させるために多孔性であってもよい。電気導体として機能するＰＯＭに加えて、膜はＰＯＭでドープされた導電性ポリマーから構成することができる。このような導電性ポリマーの例は、ポリ（ピロール）、ポリ（チオフェン）、ポリナフタレン、ポリ（アセチレン）、ポリ（アニリン）、ポリ（フルオレン）、ポリフェニレン、ポリ（ｐ−硫化フェニレン）、ポリ（パラ−フェニレンビニレン）、およびポリフランを含むがそれらに限定されない。
【０００８】
ＰＯＭを有する埋込み電極の実施形態は、無線および有線電極での使用に適すると思われる。本明細書で使用される際、「電極」は、生体組織への、且つ生体組織からの電位を提供する、および／または感知するのに使用できる導電構造（たとえば、電極本体）を含む。このような電極の例は、心臓組織を感知しペースを調整するのに使用される電極（たとえば、ペーシング電極）、除細動エネルギーを感知し心臓組織に運ぶ電極（たとえば、除細動電極）、脳、脊髄、耳などの神経系からの電気信号を感知し、脳、脊髄、耳などの神経系に刺激パルスを供給する電極、および血管系、血液、および／または尿路系に刺激パルスを供給する電極を含むが、それらに限定されない。このような電極は、有効な固定機構（たとえば、螺旋ネジおよび／または尖叉）を伴う、あるいは伴わない、コイル構造、半球構造、環状および／または半環状電極とすることができる。
【０００９】
各種実施形態では、ＰＯＭを有する電極はリード本体、リード本体内の導体、およびＰＯＭを含む表面を有するリード本体上の電極を有するリードの形状を取ることができる。本明細書で説明されるように、ＰＯＭは電極表面の膜に含めることができる。別の実施形態では、無線電極は、ＰＯＭを含む表面を有する第１および第２の電極と、第１および第２の電極間に連結される誘導コイルとを含むことができる。第１および第２の電極は、誘導コイルで受け取るエネルギー（たとえば、無線周波数エネルギー）からの電位放電を生成するために使用することができる。さらに、無線電極は誘導コイルに連結されるバッテリをさらに含むことができ、バッテリは、外部送信器からの無線周波数エネルギーを受け取る誘導コイルから生成される電流で再充電することができる。無線電極は、第１の電極と第２の電極間の電位を蓄積し送出する誘導コイルに連結された蓄積コンデンサをさらに含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示による、電極を有するリードの実施形態を示し、電極はポリオキソメタレート（ＰＯＭ）を含む膜を有する。
【図２】本開示による、電極を有する無線電極の実施形態を示し、電極はＰＯＭを含む膜を有する。
【図３】電極を有する無線電極の追加の実施形態を示し、電極は本開示によるＰＯＭを含む膜を有する。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本明細書の図面は、最初の桁が図番号に対応し、残りの桁が図面内の素子または構成要素を特定するという付番規則に従う。異なる図面間で同じ素子または構成要素は同じ数字を用いて特定することができる。たとえば、１１０は図１の素子「１０」を指し、同様の素子が図２では２１０として参照される。図面の拡大縮小は図面に示される各種素子の正確な寸法を表していないことは自明なはずである。
【００１２】
本開示は、電極表面に金属酸化物を組み込むことによってナノコンポジット構造を形成することを定める。特に、本開示は、電極の全体の物理的寸法を増大させずに電極の電気化学的に活性な擬似容量性表面積を増大させるため、電極表面に組み込まれる金属酸化物の「クラスタ」、すなわち複合物の一種であるポリオキソメタレート（ＰＯＭ）を規定する。
【００１３】
ＰＯＭは、酸化インジウム（ＩｒＯｘ）などの疑似容量性ペーシング電極との酸化還元特性における相似性を発揮する。ＩｒＯｘと同様、ＰＯＭは、可逆性の多電極酸化還元プロセスを受ける能力を有する。ＰＯＭは、電極と組織の接合面でのファラデー酸化還元遷移を可能にするいくつかの酸化状態を電気活性種に提供することもできる。ＩｒＯｘを有する電極と同様、ＰＯＭを有する電極は、低偏光、高容量、低感知インピーダンス、および低電圧閾値を有することができる。
【００１４】
本開示によると、ＰＯＭは、結果としてできる電極表面の構造的、電気化学的、および光物理学的特性に関して多用性を提供することができる。ＰＯＭが組み込まれた電極表面は、電極を用いて伝送される電気刺激用の電位窓を良好に維持しつつ、電極の偏光損失を低減するのを助ける。ＰＯＭは、電極印加にとって有利な、過酸化水素と窒素酸化物における良好な電気触媒活動を発揮する。ＰＯＭを組み込んだ電極表面は、大幅なエネルギー損失なく、電極からの電荷移動を可能にすることもできる。概して、本開示に記載されるＰＯＭ化合物は、式（Ｉ）で表わすことができる。
【００１５】
Ａａ［ＬｌＭｍＪｚＯｙ］ （Ｉ）
式中、Ａは、第１〜１７群（ＩＵＰＡＣ）の元素、ナトリウム（Ｎａ）、ポタシウム（Ｋ）、アンモニウム、アルキルアンモニウム、アルキルホシホニウム、およびアルキルアルソニウムから成る群から選択される少なくとも１つのイオンである。Ｌは、水素と第１３〜１７群の元素からなる群から選択される少なくとも１つの元素である。Ｍは、第４および７〜１２群の金属から成る群から選択される１つの金属である。Ｊは、第５〜６群の金属から成る群から選択される１つの金属である。下添え字ａは、Ａの原子価によって乗算されたとき、括弧内のＰＯＭ複合物への電荷と釣り合う数字である。下添え字１は０〜約２０の範囲の数字、下添え字ｍは０〜約２０の範囲の数字、下添え字ｚは約１〜約５０の範囲の数字、下添え字ｙは約７〜約１５０の範囲の数字である。
【００１６】
一実施形態では、Ｌはリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、ケイ素（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、水素（Ｈ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム（Ｇａ）、およびボロン（Ｂ）の群のうちの少なくとも１つの元素、Ｍは亜鉛（Ｚｎ）、チタン（Ｔｉ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ロジウム（Ｒｈ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、銅（Ｃｕ）、およびレニウム（Ｒｅ）の群のうちの少なくとも１つの元素、Ｊはモリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、クロミウム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、およびバナジウム（Ｖ）の群のうちの少なくとも１つの金属である。さらに、下添え字Ｉは０〜約４の範囲の数字、下添え字ｍは０〜約６の範囲の数字、下添え字ｚは約６〜約２４の範囲の数字、下添え字ｙは約１８〜約８０の範囲の数字である。
【００１７】
ＰＯＭ化合物の例は、ヘキサメタレートアニオン［ＭｍＪ６−ｍＯｙ］、ケギンアニオン［Ｌ１ ｏｒ ２ＭｍＪ１２−ｍＯｙ］、およびドーソンアニオン［Ｌ２〜４ＭｍＪ１８−ｍＯｙ］を含むがそれらに限定されない。ヘテロポリオキソメタレートの具体例は、ケギンアニオンの代表的な分子構造を発揮する化合物Ｈ３ＰＷ１２Ｏ４０である同じ構造を有するヘテロポリオキソメタレートの他の例は、Ｈ４ＳｉＷ１２Ｏ４Ｏ、Ｈ３ＰＭｏ１２Ｏ４０、Ｈ５ＰＭｏ１０Ｖ２Ｏ４０、およびＨ４ＰＭｏ１１ＶＯ４０である。これらの例は、ヘテロポリオキソメタレートを単に説明することを目的としており、ヘテロポリオキソメタレートの種類を限定することを目的としていないと理解される。本開示の実施形態によると、ＰＯＭは電極表面に組み込むことができる。本明細書で説明されるように、これは、電極表面にＰＯＭを含む膜を形成することによって達成可能である。次に、ＰＯＭは、植込み型装置のサイズを増大させずに、既存の導電性電極材料の電気化学的に活性な表面積と容量を増大させるのに役立てることができる。活性表面積と容量の増大は、埋込み電極の物理的サイズの低減も可能とし、送達を容易にし、組織の外傷を低減する点で有益であろう。電極表面でのＰＯＭの使用は、適切な電気刺激用電位窓内に保持しつつ、偏光損失を低減させるのに役立つ。
【００１８】
本開示によると、様々な固定化技術が、ＰＯＭと電極との合体に有効である。たとえば、ＰＯＭは、化学的または電気化学的重合処理時にモノマーとＰＯＭを含む溶液から成長するポリマー膜に閉じ込めることができる。たとえば、電気化学的重合処理時に、モノマーは、遊離基を生成する重合電位で電気化学的に酸化させることができる。これらの遊離基は電極表面に吸着され、その後、様々な反応を経て、ＰＯＭを閉じ込めるポリマーネットワークを形成しつつ至る。重合は電極表面で局所的に発生するため、ＰＯＭは電極表面に近接して閉じ込められる。これは電極表面の被覆に特に適する。
【００１９】
他の重合可能な状態も可能である。それには、ポリマー膜へのＰＯＭの吸着、化学蒸着、静電相互作用を通じたポリマー上でのＰＯＭの層間（ＬＢＬ）自己組立などが含まれる。その他のＬＢＬ蒸着技術も、ＰＯＭをポリマー膜に組み込む際に使用することができる。さらに、ゾル−ゲル法が、電極上にＰＯＭを含む膜を形成するのに利用することができる。ラングミュアー・ブロジェット（ＬＢ）技術も、ポリマー膜上にＰＯＭの膜（たとえば、層状膜）を形成するのに利用することができる。
【００２０】
ＰＯＭを含む膜の組成、構造、厚さ、機能特性、および配向の制御は、膜が生成される蒸着方法や状態の影響を受ける可能性がある。たとえば、ＰＯＭを含むポリマー膜の成長は、ポリマーの電気的特徴に左右される場合がある。さらに、（たとえば動電位的に）電位をサイクルする、あるいは固定電位（たとえば定電位）で生成することにより生成されるポリマー膜は、膜厚とその成長の精密な制御を可能にする。
【００２１】
本明細書で説明されるように、ＰＯＭは、電極表面上にＰＯＭアニオンでドープされた導電性ポリマーの膜を形成することによって、埋込み電極に組み込むことができる。本明細書で使用される際、導電性ポリマーは、導電性を可能にするバンド構造を含む有機ポリマー半導体を含むことができる。代表的な導電性ポリマーは、ポリ（ピロール）、ポリ（チオフェン）、ポリナフタレン、ポリ（アセチレン）、ポリ（アニリン）（ロイコ−エメラルジン塩基、エメラルジン塩基、およびペルニグラニリン塩基）、ポリ（フルオレン）、ポリフェニレン、ポリ（ｐ−硫化フェニレン）、ポリ（パラ−フェニレンビニレン）、ポリフラン、およびその誘導体を含むがそれらに限定されない。膜は、たとえば、電気重合によって成長させることができる。
【００２２】
ＰＯＭとともに使用可能な導電性ポリマーおよび／またはドーピングイオンの追加例は、生物学的性質を有するもの、超容量性を発揮するもの、トランス−、およびシス−ポリアセチレン、および／またはポリビニルスルホン酸（ドーピングイオン）を含む。たとえば、陽極基板上の電気化学的重合の一実施形態は、ピロール、ナトリウムポリビニルスルホン酸、およびポタシウムポリオキシメタレートの溶液を混合し、陽極に０．４ボルト（Ｖ）〜１．２Ｖの電位を印加することである。その後、ポタシウムＰＯＭアニオンの所望のドーピングレベルは、ナトリウムポリビニルスルホン酸および／またはスルホン酸ポリスチレンのポリマードーパントで調節することができる。一実施形態では、ＰＯＭは、ＭおよびＪは本明細書に記載したとおりの［ＭｍＯｙ］ｐ−形状のイソポリアニオン、または［ＭｍＪｚＯ２］ｑ−形状のヘテロポリアニオンである。
【００２３】
導電性ポリマー膜は、膜の層間成長と、分子レベルでの各層の組成、厚み、および配向の制御とを可能にする層間（ＬＢＬ）自己組立プロセスによっても形成することができる。上記したように、ＬＢＬ組立プロセスは、薄多層膜構造を生成することのできる静電引力を介する逆荷電種の交互吸着を含む。また、ＬＢＬ自己組立プロセスは、ＰＯＭおよびジアゾ樹脂で使用することができる。この場合、化合物間で形成される通常のイオン結合であったジアゾポリマーを有するＰＯＭ複合物は、共有結合に切り替えることができ、体内での長期適用に有効な非常に安定した薄膜を作製する。
【００２４】
たとえば、ＰＯＭを含む多層膜は、一般的に、水溶液内での一連の被覆ステップを通じてＬＢＬプロセスによって形成することができる。被覆ステップ中、電極基板は、導電性ポリマー（たとえば、ポリアニリン）を含むカチオン性水溶液に浸漬し、その後、ＰＯＭを含むアニオン性水溶液に浸漬することができる。溶液のモル濃度は、酸性ｐＨ（たとえば、約ｐＨ＝５未満）で小さくすることができる（たとえば０．１Ｍ、０．０１Ｍ、または０．００１Ｍ）。このような多層膜は、中間での水洗と乾燥を伴い所定時間、所望の電極表面をカチオン導電性ポリマーおよびアニオンＰＯＭの溶液に交互に浸すことによって形成することができる。
【００２５】
他の実施形態では、ＰＯＭは、酸ベースのドーピングによって膜の重合後に電極表面に組み込むことができる。たとえば、電極表面は、塩素の物理的吸着または塩素での電極表面の化学修飾によって塩基性にすることができる。その後、ＰＯＭアニオンが塩基性の活性化された電極表面に導入されて、ＰＯＭアニオンおよびプロトン付加された塩基を備える吸着イオン対を形成するように塩基と反応する。オープンサイトまたは緩く結合した交換可能なリガンドを有するＰＯＭ化合物内の周辺ヘテロ原子へのドナー原子による直接連携があってもよい。
【００２６】
追加の実施形態では、電極表面内のＰＯＭアニオンの濃度は、他のドーピングアニオンの同時混入によって調節することができる。他のドーピングアニオンは、トリポリリン酸、クエン酸、シアン酸群、ヘパリン、または硫酸群を含むがそれらに限定されない生体分子から成る群から選択することができる。追加のドーピングアニオンとＰＯＭアニオンとを使用することにより、ＰＯＭアニオンの化学組成とドーピングレベルを変更して電極容量とインピーダンスを制御し調整することができる。
【００２７】
本開示の電極表面は、様々な物理的構造を取ることができる。たとえば、導電膜を受け取る電極表面は、多孔性にする、焼結する、および／またはパターニングすることができる。適切な多孔性電極表面の例は、白金（Ｐｔ）と、酸化インジウム、炭化タングステン、炭化ケイ素、酸化タンタル−酸化イリジウム（ＴｉＯ２−ＩｒＯ２）、酸化イリジウム−二酸化タンタル（ＩｒＯ２−ＴａＯ２）、酸化スズ、酸化インジウム、およびフラーレンなどの導電性セラミックとの群から選択される材料を含む。これらの材料は、スパッタリング、電着、またはゾル−ゲル法によって多孔性にすることができる。一方、多孔性電極表面は、ゾル−ゲル法、共蒸着（層間自己組立）の様々な方法、およびペンダント表面リガンドとの反応の群から選択されるプロセスを用いて、ＰＯＭアニオンと同時形成することもできる。
【００２８】
本開示で有効な追加の電極表面は、活性炭、炭素エアロゲル、ポリマーから得られる炭素発泡体、酸化物、水和性酸化物、ＴｉＮなどの窒化物セラミック、炭化物、窒化物、およびその他の導電ポリマーを含むがそれらに限定されない。酸化物および水和性酸化物の例は、ＲｕＯ２、ＩｒＯ２、ＮｉＯ、ＭｎＯ２、ＶＯｘ、ＰｂＯ２、およびＡｇ２Ｏなどである。さらに、炭化物と窒化物の例は、ＭｏＣｘ、ＭＯ２Ｎ、ＷＣｘ、およびＷＮｘなどである。
【００２９】
本明細書で説明されるように、電極表面に固定化されたＰＯＭアニオンは、結果としてできる電極の導電表面個所の数と容量を増大させることができる。たとえば、ＰＯＭアニオン構造（たとえば、３成分および２成分混合酸化物の様々な組み合わせ）の化学組成を調節することによって、結果としてできる電極の容量、偏光、電気化学的性能、および安定性を変更することができる。さらに、本明細書で説明したように、ＰＯＭアニオンの使用を通じて電極用の表面積を増大させることで、電極の幾何学的表面積を実質上変更せずに、電流密度を低減し、容量を増大させることができる。そのうえ、大きな表面積を提供することによって、ＰＯＭは本明細書で説明されるように、多孔率、電気的活性領域（二重層）、およびＰＯＭが経ることのできるファラデー酸化還元段階の組み合わせを提供することができる。
【００３０】
上記の電極の例は、心臓組織を感知しペースを調整するために使用される電極、除細動エネルギーを感知し心臓組織に運ぶために使用される電極、脳、脊髄、耳などの神経細胞および神経系からの電気信号を感知する、および／または脳、脊髄、耳などの神経細胞および神経系に刺激パルスを供給するために使用される電極、および血管系、血液、および／または尿路系に刺激パルスを供給するために使用される電極を含むが、それらに限定されない。
【００３１】
ＰＯＭを有する電極表面の実施形態は、リード電極および／または無線電極とともに使用することができる。各種実施形態では、ＰＯＭを有するリード電極は、リード本体、リード本体内の導体、および表面にＰＯＭを有するリード本体上の電極を含む。別の実施形態では、無線電極は、表面にＰＯＭを有する第１および第２の電極と、第１および第２の電極間に連結された誘導コイルとを有する。第１および第２の電極は、誘導コイルで受け取った無線周波数エネルギーから電位放電を生成することができる。さらに、無線電極は、誘導コイルに連結されるバッテリも含むことができ、バッテリは、外部送信器から無線周波数エネルギーを受け取る誘導コイルから生成された電流で再充電可能である。さらに、無線電極は、第１の電極と第２の電極間の電位を蓄積し送出するために誘導コイルに連結される蓄積コンデンサを含むことができる。
【００３２】
図１は、リード１００を示す。図示されるように、リード１００は、リード本体１０５と、リード本体１０５内の導体１１５とを含む。導体１１５は、表面１２７を有する電極１２５に連結されて示される。パルス発生器（たとえば、ペースメーカー）１４５も図示され、リード１００はヘッダ構造を介してパルス発生器１４５に脱着可能に装着される。一実施形態では、パルス発生器１４５は、信号の解析、処理、および制御を実行する電子部品を含むことができる。このような電子部品は、細動、頻脈、および徐脈などの心不整脈に反応して心臓に送られる心室細動、心房細動、電気除細動、および／またはペーシング（二重または単独チャンバ）に関する異なるエネルギーレベルおよびタイミングの電気ショックおよび／またはパルスの配送を決定し制御するため、感知した心臓信号の処理と評価を提供する１つまたはそれ以上のマイクロプロセッサを含むことができる。パルス発生器１４５は、電源、上記バッテリ、コンデンサ、およびその他の構成要素も含むことができる。
【００３３】
本開示によると、電極１２５の表面１２７は、本開示の実施形態に従い形成されたＰＯＭを有する膜１３５を含む。電極１２５の材料の例も、本明細書に説明される本開示の実施形態に従う。たとえば、電極１２５の材料は、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、およびイリジウム（Ｉｒ）を含むことができるがそれらに限定されない。
【００３４】
追加の実施形態では、リード本体１０５内の導体１１５は、本開示によると、ＰＯＭアニオンでドープされたポリマーから少なくとも部分的に形成することができる。本実施形態の場合、ＰＯＭアニオンでドープされたポリマーは、蒸着、鋳造、または押出成形して導体１１５を形成することができる。さらに、導体１１５を形成するＰＯＭアニオンドープされたポリマーと周囲のリード本体１０５とを同時押出成形することが可能である。リード本体１０５の材料は、当該技術において既知な材料から選択することができる。
【００３５】
他の実施形態では、リード１００は生分解性になるように構成することができる。たとえば、導体１１５は、生分解性ポリマーのリード本体１０５が周囲に形成された蒸着ＰＯＭ層から形成することができる。生分解性導体１１５を形成する１つの方法は、ＬＢＬ自己組立アプローチを利用して、適切なカチオン逆分子でアニオンＰＯＭの層を作製することである。たとえば、ＰＯＭを組み込んだチトサン層は、体内の各種塩イオンによってゆっくりと破壊され得る層間のイオン結合を形成することができる。生分解性ポリマーの他の例は、ポリカルボン酸、無水マレイン酸ポリマーを含むポリ酸無水物、ポリオルトエステル、ポリアミノ酸、ポリ酸化エチレン、ポリホスファゼン、ポリアクト酸、ポリグリコール酸およびコポリマー、ポリ（Ｌ−乳酸）（ＰＬＬＡ）、ポリ（Ｄ，Ｌ，−ラクチド）、ポリ（乳酸−グリコール酸共重合体）、５０／５０（ＤＬ−ラクチド−グリコリド共重合体）などのそのコポリマーおよび混合物、ポリジオキサノン、フマル酸ポリプロピレン、ポリデプシペプチド、ポリカプロラクトン、ポリ（Ｄ，Ｌ−ラクチド−カプロラクトン共重合体）、およびポリカプロラクトン−アクリル酸ブチル共重合体などのそのコポリマーおよび混合物、ポリヒドロキシ酪酸吉草酸塩および混合物、チロシン由来ポリカーボネートやアリレートなどのポリカーボネート、ポリイミノカーボネート、ポリジメチル−トリメチルカーボネート、シアノアクリレート、リン酸カルシウム、ポリグリコサミノグリカン、多糖類などの巨大分子（ヒアルロン酸、セルロース、およびヒドロキシプロピルメチルセルロース、ゼラチ、スターチ、デキストラン、アルギン酸およびその誘導体を含む）、タンパク質およびポリペプチド、上記のいずれかの混合物およびコポリマーを含むことができるがそれらに限定されない。生分解性ポリマーも、ポリヒドロキシ酪酸およびそのコポリマー、ポリカプロラクトン、ポリ酸無水物（結晶質および非結晶質の両方）、および無水マレイン酸コポリマーなどの表面浸食可能なポリマーであってよい。
【００３６】
さらに、膜１３５を含む電極１２５は、本開示にしたがい形成されるＰＯＭアニオンでドープされた生分解性導電性ポリマーで形成することもできる。本実施形態では、電極１２５は、鉄（Ｆｅ）および／またはマグネシウム（Ｍｇ）などの酸化しやすい材料で形成することができる。
【００３７】
図２は、本開示に係る無線電極２１０を示す。無線電極２１０は第１の電極２２０および第２の電極２４０を含み、誘導コイル２５０が電極２２０、２４０の間に連結される。第１および第２の電極２２０、２４０の表面の一方または両方が、本開示によるＰＯＭを有する膜２３５をさらに含む。誘導コイル２５０は、電極２２０、２４０間に電位放電を生成するために、平行な角度で誘導コイル２５０と交差するエネルギー２６０を受け取る。
【００３８】
さらに別の実施形態では、無線電極２１０は、生分解性を有するように構成することができる。たとえば、誘導コイル２３０は、ＰＯＭの層を重ねた後、生分解性ポリマー絶縁体外装でＰＯＭを絶縁することによって作製することができる。さらに、電極２２０および２４０は、本明細書で説明されるように、１つまたはそれ以上の生分解性ポリマーおよび／または酸化金属から形成することができる。
【００３９】
図３は、バッテリ３７０、誘導コイル３５０に連結される蓄積コンデンサ３８０、およびＡＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）をさらに含む無線電極３１０の追加の実施形態を示す。バッテリ３７０は、外部送信器から受け取ったＲＦエネルギー３６０から誘導コイル２５０により生成される電流で再充電可能である。次に、誘導コイル３５０に連結される蓄積コンデンサ３８０は、第１の電極３２０と第２の電極３４０との間の電位を蓄積し送出するために使用することができる。このような無線電極の例は、譲受人共通の米国特許出願「リード線なし心臓刺激システム（Ｌｅａｄｌｅｓｓ Ｃａｒｄｉａｃ Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）」（ＢＳＣＩ Ｄｏｃｋｅｔ＃０４−０２２９）に提示されており、引用により全文が本明細書に組み込まれるものとする。
【００４０】
本開示の追加の実施形態は、周囲組織の治癒を促進するため、ＰＯＭアニオンを有する植込み型医療装置の表面に電気刺激を与えることである。たとえば、ＰＯＭアニオンを有する電極表面は本明細書で説明されるように、植え込まれた、または遠隔のエネルギー源により刺激パルスが植込み装置近接の組織に送られる、人工血管、合成心臓弁、および左心室補助装置（ＬＶＡＤ）表面などの植込み装置の表面に一体化させることができる。パルスの電圧振幅は、細胞を刺激するのに十分でなければならないが、電極表面での有害な反応を防ぐため閾値未満でなければならない。これは、本明細書の実施形態に記載されるように、植込み装置の幾何学的表面積を増加させずに電極表面積を増大させる電極にＰＯＭを含む膜を貼付することによって部分的に達成可能である。このような医療装置の例は、譲受人共通の米国特許出願「植込み装置表面での細胞成長刺激（Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｅｌｌ Ｇｒｏｗｔｈ ａｔ Ｉｍｐｌａｎｔ Ｓｕｒｆａｃｅｓ）」（ＢＳＣＩ Ｄｏｃｋｅｔ＃０４−００６２）に提示されており、引用により全文が本明細書に組み込まれるものとする。
【００４１】
本発明は、各種特定の実施形態を参照して説明し、実施例に関して説明した。しかしながら、実施例と詳細な説明に示されるものを超えた、本発明の基本テーマに関する多くの拡張、変形、および修正があり、それらは本発明の精神と範囲に含まれると理解される。
【００４２】
本明細書で引用される特許、特許文書、および参考文献の開示は、それらが個々に組み込まれた場合と同様、その全文が引用により本明細書の一部をなすものとする。本開示の様々な変更や修正は、本開示の範囲と精神を逸脱せずに当業者にとって自明である。本開示は、本明細書に記載される実施形態や例によって不当に制限されることを目的としておらず、上記例と実施形態は以下本明細書に記載される請求項によってのみ限定される本開示の範囲を単に例示のために述べたものであると理解されたい。
【００４３】
上記の詳細な説明において、本開示を簡潔化する目的で、様々な特徴が一緒にグループ化されている。この開示方法は、本開示の実施形態が各請求項に明確に記載されるよりも多くの特徴を要するという意図を反映するものと解釈すべきではない。むしろ、以下の請求項が反映するように、発明の主題は単独の開示された実施形態の全特徴よりも少ない。よって、以下の請求項はこれにより詳細な説明の一部をなすものとし、各請求項は別個の実施形態として自身に基づく。
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ポリオキソメタレート（ＰＯＭ）構造を含む生体材料に関する。特に、本開示は、ＰＯＭ構造を有する埋込み電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気刺激および感知用の埋込み電極はかなり小型にすることができる。電極の埋め込みが可能な位置における電極のサイズ低減への原動力は増加の一途にある。さらに、電極の小型化は、刺激閾値を低下させ、電源（たとえば、バッテリ）の使用寿命を延長させることができる。認識され得るように、バッテリ使用寿命の延長は、植込み型装置（たとえば、ペースメーカー）の潜在的な耐用年数の延長を可能にする。しかしながら、電極のサイズ低減（たとえば、電極の幾何学的表面積の低減）に伴い、電極間の電流密度が増大する。この電流密度の増大によって、安全な電荷限界を超える可能性が高まり、電極材料の溶解、電解質の酸化還元反応、および／または有毒化学物質の生成につながるおそれがある。電流密度を制御するために、電極の全体の物理的寸法を増大させずに実際の電極表面積を増大させる様々なオプションが提案され、使用されてきた。このようなオプションの例は、多孔性電極材料、焼結小球体、フラクタル電極表面形態、フラクタルに被覆された電極などである。しかしながら、電極の全体の物理的寸法を増大させずに実際の電極表面積を増大させることに対する需要はなお続いている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本開示の実施形態は、ポリオキソメタレート（ＰＯＭ）を含む埋込み電極を提供する。各種実施形態では、ＰＯＭが、電気化学的に活性で柔軟な低偏光疑似容量性電極表面を埋込み電極に提供することができる。ＰＯＭを含む電極表面は、安全な電荷注入限界と電気化学的電位窓を超えずに、たとえば最大１０ボルトの低〜高の電圧刺激パルスを伝達するのに適切であると思われる。さらに、ＰＯＭを含む埋込み電極は、電極と組織の接合面での偏光損失を低減することができる。
【０００４】
本明細書で使用される際、「ポリオキソメタレート」、すなわち「ＰＯＭ」は、金属−酸化物または金属−酸素イオン（たとえば、アニオン）、金属酸化物クラスタアニオンなどの様々な形のクラスタまたはケージを含む。各種実施形態では、ＰＯＭは、電極表面上の膜に含めることができる。もしくは、ＰＯＭは、電気的に活性なポリマーを作製するため、ポリマーマトリックス内のドーピングイオンとして含めることができる。さらに、ＰＯＭは、ＰＯＭ酸化還元特性（たとえば、ＰＯＭは、電極と組織の接合面でファラデー酸化還元遷移を可能にするいくつかの酸化状態を有する電気的活性種を提供する）のためにＰＯＭが使用される埋込み電極の電荷蓄積容量を増大させるのを助けることができる。ＰＯＭの擬似容量性特性は、多孔率、電気的活性領域（二重層）、およびＰＯＭが経ることのできるファラデー酸化還元段階の組み合わせを含むことができる。本明細書で使用される際、「膜」は、埋込み電極の表面に直接的および／または間接的に蒸着される導電物質の層を指す。
【０００５】
本開示の方法の実施形態は、重合可能な混合物にＰＯＭを組み込むステップと、ＰＯＭを混入した重合可能な混合物の膜を電極表面上に形成するステップとも含む。このような方法の例は、ＰＯＭが存在する溶液からのポリマーの化学的または電気化学的生成を含むが、それに限定されない。電気化学的重合中に生成される膜は、膜に均一にＰＯＭを混入させることを含む。
【０００６】
その他の蒸着技術も可能である。たとえば、ＰＯＭを含む膜を、膜の生成後の酸ベースのドーピングプロセスによって膜に導入させることができる。認識されるように、膜の形成には、ゾル−ゲル法やその他の同時蒸着法を用いてＰＯＭと膜を同時に形成するなど、他のプロセスも利用することができる。その他の蒸着技術には、特に、吸着、静電相互作用を通じた自己組立、層間蒸着、ラングミュアー・ブロジェット（ＬＢ）法などがある。
【０００７】
ＰＯＭの化学的組成および構造は、電極表面の膜の電気的性能を変更するため、各種実施形態に従い調整することができる。たとえば、膜に組み込まれるＰＯＭと追加のドーピングアニオンの選択と使用は、結果としてできる埋込み電極の容量とインピーダンスを制御するのに使用することができる。さらに、電極表面は、活性表面積を一層増大させるために多孔性であってもよい。電気導体として機能するＰＯＭに加えて、膜はＰＯＭでドープされた導電性ポリマーから構成することができる。このような導電性ポリマーの例は、ポリ（ピロール）、ポリ（チオフェン）、ポリナフタレン、ポリ（アセチレン）、ポリ（アニリン）、ポリ（フルオレン）、ポリフェニレン、ポリ（ｐ−硫化フェニレン）、ポリ（パラ−フェニレンビニレン）、およびポリフランを含むがそれらに限定されない。
【０００８】
ＰＯＭを有する埋込み電極の実施形態は、無線および有線電極での使用に適すると思われる。本明細書で使用される際、「電極」は、生体組織への、且つ生体組織からの電位を提供する、および／または感知するのに使用できる導電構造（たとえば、電極本体）を含む。このような電極の例は、心臓組織を感知しペースを調整するのに使用される電極（たとえば、ペーシング電極）、除細動エネルギーを感知し心臓組織に運ぶ電極（たとえば、除細動電極）、脳、脊髄、耳などの神経系からの電気信号を感知し、脳、脊髄、耳などの神経系に刺激パルスを供給する電極、および血管系、血液、および／または尿路系に刺激パルスを供給する電極を含むが、それらに限定されない。このような電極は、有効な固定機構（たとえば、螺旋ネジおよび／または尖叉）を伴う、あるいは伴わない、コイル構造、半球構造、環状および／または半環状電極とすることができる。
【０００９】
各種実施形態では、ＰＯＭを有する電極はリード本体、リード本体内の導体、およびＰＯＭを含む表面を有するリード本体上の電極を有するリードの形状を取ることができる。本明細書で説明されるように、ＰＯＭは電極表面の膜に含めることができる。別の実施形態では、無線電極は、ＰＯＭを含む表面を有する第１および第２の電極と、第１および第２の電極間に連結される誘導コイルとを含むことができる。第１および第２の電極は、誘導コイルで受け取るエネルギー（たとえば、無線周波数エネルギー）からの電位放電を生成するために使用することができる。さらに、無線電極は誘導コイルに連結されるバッテリをさらに含むことができ、バッテリは、外部送信器からの無線周波数エネルギーを受け取る誘導コイルから生成される電流で再充電することができる。無線電極は、第１の電極と第２の電極間の電位を蓄積し送出する誘導コイルに連結された蓄積コンデンサをさらに含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示による、電極を有するリードの実施形態を示し、電極はポリオキソメタレート（ＰＯＭ）を含む膜を有する。
【図２】本開示による、電極を有する無線電極の実施形態を示し、電極はＰＯＭを含む膜を有する。
【図３】電極を有する無線電極の追加の実施形態を示し、電極は本開示によるＰＯＭを含む膜を有する。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本明細書の図面は、最初の桁が図番号に対応し、残りの桁が図面内の素子または構成要素を特定するという付番規則に従う。異なる図面間で同じ素子または構成要素は同じ数字を用いて特定することができる。たとえば、１１０は図１の素子「１０」を指し、同様の素子が図２では２１０として参照される。図面の拡大縮小は図面に示される各種素子の正確な寸法を表していないことは自明なはずである。
【００１２】
本開示は、電極表面に金属酸化物を組み込むことによってナノコンポジット構造を形成することを定める。特に、本開示は、電極の全体の物理的寸法を増大させずに電極の電気化学的に活性な擬似容量性表面積を増大させるため、電極表面に組み込まれる金属酸化物の「クラスタ」、すなわち複合物の一種であるポリオキソメタレート（ＰＯＭ）を規定する。
【００１３】
ＰＯＭは、酸化インジウム（ＩｒＯｘ）などの疑似容量性ペーシング電極との酸化還元特性における相似性を発揮する。ＩｒＯｘと同様、ＰＯＭは、可逆性の多電極酸化還元プロセスを受ける能力を有する。ＰＯＭは、電極と組織の接合面でのファラデー酸化還元遷移を可能にするいくつかの酸化状態を電気活性種に提供することもできる。ＩｒＯｘを有する電極と同様、ＰＯＭを有する電極は、低偏光、高容量、低感知インピーダンス、および低電圧閾値を有することができる。
【００１４】
本開示によると、ＰＯＭは、結果としてできる電極表面の構造的、電気化学的、および光物理学的特性に関して多用性を提供することができる。ＰＯＭが組み込まれた電極表面は、電極を用いて伝送される電気刺激用の電位窓を良好に維持しつつ、電極の偏光損失を低減するのを助ける。ＰＯＭは、電極印加にとって有利な、過酸化水素と窒素酸化物における良好な電気触媒活動を発揮する。ＰＯＭを組み込んだ電極表面は、大幅なエネルギー損失なく、電極からの電荷移動を可能にすることもできる。概して、本開示に記載されるＰＯＭ化合物は、式（Ｉ）で表わすことができる。
【００１５】
Ａａ［ＬｌＭｍＪｚＯｙ］ （Ｉ）
式中、Ａは、第１〜１７群（ＩＵＰＡＣ）の元素、ナトリウム（Ｎａ）、ポタシウム（Ｋ）、アンモニウム、アルキルアンモニウム、アルキルホシホニウム、およびアルキルアルソニウムから成る群から選択される少なくとも１つのイオンである。Ｌは、水素と第１３〜１７群の元素からなる群から選択される少なくとも１つの元素である。Ｍは、第４および７〜１２群の金属から成る群から選択される１つの金属である。Ｊは、第５〜６群の金属から成る群から選択される１つの金属である。下添え字ａは、Ａの原子価によって乗算されたとき、括弧内のＰＯＭ複合物への電荷と釣り合う数字である。下添え字１は０〜約２０の範囲の数字、下添え字ｍは０〜約２０の範囲の数字、下添え字ｚは約１〜約５０の範囲の数字、下添え字ｙは約７〜約１５０の範囲の数字である。
【００１６】
一実施形態では、Ｌはリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、ケイ素（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、水素（Ｈ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム（Ｇａ）、およびボロン（Ｂ）の群のうちの少なくとも１つの元素、Ｍは亜鉛（Ｚｎ）、チタン（Ｔｉ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ロジウム（Ｒｈ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、銅（Ｃｕ）、およびレニウム（Ｒｅ）の群のうちの少なくとも１つの元素、Ｊはモリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、クロミウム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、およびバナジウム（Ｖ）の群のうちの少なくとも１つの金属である。さらに、下添え字Ｉは０〜約４の範囲の数字、下添え字ｍは０〜約６の範囲の数字、下添え字ｚは約６〜約２４の範囲の数字、下添え字ｙは約１８〜約８０の範囲の数字である。
【００１７】
ＰＯＭ化合物の例は、ヘキサメタレートアニオン［ＭｍＪ６−ｍＯｙ］、ケギンアニオン［Ｌ１ ｏｒ ２ＭｍＪ１２−ｍＯｙ］、およびドーソンアニオン［Ｌ２〜４ＭｍＪ１８−ｍＯｙ］を含むがそれらに限定されない。ヘテロポリオキソメタレートの具体例は、ケギンアニオンの代表的な分子構造を発揮する化合物Ｈ３ＰＷ１２Ｏ４０である同じ構造を有するヘテロポリオキソメタレートの他の例は、Ｈ４ＳｉＷ１２Ｏ４Ｏ、Ｈ３ＰＭｏ１２Ｏ４０、Ｈ５ＰＭｏ１０Ｖ２Ｏ４０、およびＨ４ＰＭｏ１１ＶＯ４０である。これらの例は、ヘテロポリオキソメタレートを単に説明することを目的としており、ヘテロポリオキソメタレートの種類を限定することを目的としていないと理解される。本開示の実施形態によると、ＰＯＭは電極表面に組み込むことができる。本明細書で説明されるように、これは、電極表面にＰＯＭを含む膜を形成することによって達成可能である。次に、ＰＯＭは、植込み型装置のサイズを増大させずに、既存の導電性電極材料の電気化学的に活性な表面積と容量を増大させるのに役立てることができる。活性表面積と容量の増大は、埋込み電極の物理的サイズの低減も可能とし、送達を容易にし、組織の外傷を低減する点で有益であろう。電極表面でのＰＯＭの使用は、適切な電気刺激用電位窓内に保持しつつ、偏光損失を低減させるのに役立つ。
【００１８】
本開示によると、様々な固定化技術が、ＰＯＭと電極との合体に有効である。たとえば、ＰＯＭは、化学的または電気化学的重合処理時にモノマーとＰＯＭを含む溶液から成長するポリマー膜に閉じ込めることができる。たとえば、電気化学的重合処理時に、モノマーは、遊離基を生成する重合電位で電気化学的に酸化させることができる。これらの遊離基は電極表面に吸着され、その後、様々な反応を経て、ＰＯＭを閉じ込めるポリマーネットワークを形成しつつ至る。重合は電極表面で局所的に発生するため、ＰＯＭは電極表面に近接して閉じ込められる。これは電極表面の被覆に特に適する。
【００１９】
他の重合可能な状態も可能である。それには、ポリマー膜へのＰＯＭの吸着、化学蒸着、静電相互作用を通じたポリマー上でのＰＯＭの層間（ＬＢＬ）自己組立などが含まれる。その他のＬＢＬ蒸着技術も、ＰＯＭをポリマー膜に組み込む際に使用することができる。さらに、ゾル−ゲル法が、電極上にＰＯＭを含む膜を形成するのに利用することができる。ラングミュアー・ブロジェット（ＬＢ）技術も、ポリマー膜上にＰＯＭの膜（たとえば、層状膜）を形成するのに利用することができる。
【００２０】
ＰＯＭを含む膜の組成、構造、厚さ、機能特性、および配向の制御は、膜が生成される蒸着方法や状態の影響を受ける可能性がある。たとえば、ＰＯＭを含むポリマー膜の成長は、ポリマーの電気的特徴に左右される場合がある。さらに、（たとえば動電位的に）電位をサイクルする、あるいは固定電位（たとえば定電位）で生成することにより生成されるポリマー膜は、膜厚とその成長の精密な制御を可能にする。
【００２１】
本明細書で説明されるように、ＰＯＭは、電極表面上にＰＯＭアニオンでドープされた導電性ポリマーの膜を形成することによって、埋込み電極に組み込むことができる。本明細書で使用される際、導電性ポリマーは、導電性を可能にするバンド構造を含む有機ポリマー半導体を含むことができる。代表的な導電性ポリマーは、ポリ（ピロール）、ポリ（チオフェン）、ポリナフタレン、ポリ（アセチレン）、ポリ（アニリン）（ロイコ−エメラルジン塩基、エメラルジン塩基、およびペルニグラニリン塩基）、ポリ（フルオレン）、ポリフェニレン、ポリ（ｐ−硫化フェニレン）、ポリ（パラ−フェニレンビニレン）、ポリフラン、およびその誘導体を含むがそれらに限定されない。膜は、たとえば、電気重合によって成長させることができる。
【００２２】
ＰＯＭとともに使用可能な導電性ポリマーおよび／またはドーピングイオンの追加例は、生物学的性質を有するもの、超容量性を発揮するもの、トランス−、およびシス−ポリアセチレン、および／またはポリビニルスルホン酸（ドーピングイオン）を含む。たとえば、陽極基板上の電気化学的重合の一実施形態は、ピロール、ナトリウムポリビニルスルホン酸、およびポタシウムポリオキシメタレートの溶液を混合し、陽極に０．４ボルト（Ｖ）〜１．２Ｖの電位を印加することである。その後、ポタシウムＰＯＭアニオンの所望のドーピングレベルは、ナトリウムポリビニルスルホン酸および／またはスルホン酸ポリスチレンのポリマードーパントで調節することができる。一実施形態では、ＰＯＭは、ＭおよびＪは本明細書に記載したとおりの［ＭｍＯｙ］ｐ−形状のイソポリアニオン、または［ＭｍＪｚＯ２］ｑ−形状のヘテロポリアニオンである。
【００２３】
導電性ポリマー膜は、膜の層間成長と、分子レベルでの各層の組成、厚み、および配向の制御とを可能にする層間（ＬＢＬ）自己組立プロセスによっても形成することができる。上記したように、ＬＢＬ組立プロセスは、薄多層膜構造を生成することのできる静電引力を介する逆荷電種の交互吸着を含む。また、ＬＢＬ自己組立プロセスは、ＰＯＭおよびジアゾ樹脂で使用することができる。この場合、化合物間で形成される通常のイオン結合であったジアゾポリマーを有するＰＯＭ複合物は、共有結合に切り替えることができ、体内での長期適用に有効な非常に安定した薄膜を作製する。
【００２４】
たとえば、ＰＯＭを含む多層膜は、一般的に、水溶液内での一連の被覆ステップを通じてＬＢＬプロセスによって形成することができる。被覆ステップ中、電極基板は、導電性ポリマー（たとえば、ポリアニリン）を含むカチオン性水溶液に浸漬し、その後、ＰＯＭを含むアニオン性水溶液に浸漬することができる。溶液のモル濃度は、酸性ｐＨ（たとえば、約ｐＨ＝５未満）で小さくすることができる（たとえば０．１Ｍ、０．０１Ｍ、または０．００１Ｍ）。このような多層膜は、中間での水洗と乾燥を伴い所定時間、所望の電極表面をカチオン導電性ポリマーおよびアニオンＰＯＭの溶液に交互に浸すことによって形成することができる。
【００２５】
他の実施形態では、ＰＯＭは、酸ベースのドーピングによって膜の重合後に電極表面に組み込むことができる。たとえば、電極表面は、塩素の物理的吸着または塩素での電極表面の化学修飾によって塩基性にすることができる。その後、ＰＯＭアニオンが塩基性の活性化された電極表面に導入されて、ＰＯＭアニオンおよびプロトン付加された塩基を備える吸着イオン対を形成するように塩基と反応する。オープンサイトまたは緩く結合した交換可能なリガンドを有するＰＯＭ化合物内の周辺ヘテロ原子へのドナー原子による直接連携があってもよい。
【００２６】
追加の実施形態では、電極表面内のＰＯＭアニオンの濃度は、他のドーピングアニオンの同時混入によって調節することができる。他のドーピングアニオンは、トリポリリン酸、クエン酸、シアン酸群、ヘパリン、または硫酸群を含むがそれらに限定されない生体分子から成る群から選択することができる。追加のドーピングアニオンとＰＯＭアニオンとを使用することにより、ＰＯＭアニオンの化学組成とドーピングレベルを変更して電極容量とインピーダンスを制御し調整することができる。
【００２７】
本開示の電極表面は、様々な物理的構造を取ることができる。たとえば、導電膜を受け取る電極表面は、多孔性にする、焼結する、および／またはパターニングすることができる。適切な多孔性電極表面の例は、白金（Ｐｔ）と、酸化インジウム、炭化タングステン、炭化ケイ素、酸化タンタル−酸化イリジウム（ＴｉＯ２−ＩｒＯ２）、酸化イリジウム−二酸化タンタル（ＩｒＯ２−ＴａＯ２）、酸化スズ、酸化インジウム、およびフラーレンなどの導電性セラミックとの群から選択される材料を含む。これらの材料は、スパッタリング、電着、またはゾル−ゲル法によって多孔性にすることができる。一方、多孔性電極表面は、ゾル−ゲル法、共蒸着（層間自己組立）の様々な方法、およびペンダント表面リガンドとの反応の群から選択されるプロセスを用いて、ＰＯＭアニオンと同時形成することもできる。
【００２８】
本開示で有効な追加の電極表面は、活性炭、炭素エアロゲル、ポリマーから得られる炭素発泡体、酸化物、水和性酸化物、ＴｉＮなどの窒化物セラミック、炭化物、窒化物、およびその他の導電ポリマーを含むがそれらに限定されない。酸化物および水和性酸化物の例は、ＲｕＯ２、ＩｒＯ２、ＮｉＯ、ＭｎＯ２、ＶＯｘ、ＰｂＯ２、およびＡｇ２Ｏなどである。さらに、炭化物と窒化物の例は、ＭｏＣｘ、ＭＯ２Ｎ、ＷＣｘ、およびＷＮｘなどである。
【００２９】
本明細書で説明されるように、電極表面に固定化されたＰＯＭアニオンは、結果としてできる電極の導電表面個所の数と容量を増大させることができる。たとえば、ＰＯＭアニオン構造（たとえば、３成分および２成分混合酸化物の様々な組み合わせ）の化学組成を調節することによって、結果としてできる電極の容量、偏光、電気化学的性能、および安定性を変更することができる。さらに、本明細書で説明したように、ＰＯＭアニオンの使用を通じて電極用の表面積を増大させることで、電極の幾何学的表面積を実質上変更せずに、電流密度を低減し、容量を増大させることができる。そのうえ、大きな表面積を提供することによって、ＰＯＭは本明細書で説明されるように、多孔率、電気的活性領域（二重層）、およびＰＯＭが経ることのできるファラデー酸化還元段階の組み合わせを提供することができる。
【００３０】
上記の電極の例は、心臓組織を感知しペースを調整するために使用される電極、除細動エネルギーを感知し心臓組織に運ぶために使用される電極、脳、脊髄、耳などの神経細胞および神経系からの電気信号を感知する、および／または脳、脊髄、耳などの神経細胞および神経系に刺激パルスを供給するために使用される電極、および血管系、血液、および／または尿路系に刺激パルスを供給するために使用される電極を含むが、それらに限定されない。
【００３１】
ＰＯＭを有する電極表面の実施形態は、リード電極および／または無線電極とともに使用することができる。各種実施形態では、ＰＯＭを有するリード電極は、リード本体、リード本体内の導体、および表面にＰＯＭを有するリード本体上の電極を含む。別の実施形態では、無線電極は、表面にＰＯＭを有する第１および第２の電極と、第１および第２の電極間に連結された誘導コイルとを有する。第１および第２の電極は、誘導コイルで受け取った無線周波数エネルギーから電位放電を生成することができる。さらに、無線電極は、誘導コイルに連結されるバッテリも含むことができ、バッテリは、外部送信器から無線周波数エネルギーを受け取る誘導コイルから生成された電流で再充電可能である。さらに、無線電極は、第１の電極と第２の電極間の電位を蓄積し送出するために誘導コイルに連結される蓄積コンデンサを含むことができる。
【００３２】
図１は、リード１００を示す。図示されるように、リード１００は、リード本体１０５と、リード本体１０５内の導体１１５とを含む。導体１１５は、表面１２７を有する電極１２５に連結されて示される。パルス発生器（たとえば、ペースメーカー）１４５も図示され、リード１００はヘッダ構造を介してパルス発生器１４５に脱着可能に装着される。一実施形態では、パルス発生器１４５は、信号の解析、処理、および制御を実行する電子部品を含むことができる。このような電子部品は、細動、頻脈、および徐脈などの心不整脈に反応して心臓に送られる心室細動、心房細動、電気除細動、および／またはペーシング（二重または単独チャンバ）に関する異なるエネルギーレベルおよびタイミングの電気ショックおよび／またはパルスの配送を決定し制御するため、感知した心臓信号の処理と評価を提供する１つまたはそれ以上のマイクロプロセッサを含むことができる。パルス発生器１４５は、電源、上記バッテリ、コンデンサ、およびその他の構成要素も含むことができる。
【００３３】
本開示によると、電極１２５の表面１２７は、本開示の実施形態に従い形成されたＰＯＭを有する膜１３５を含む。電極１２５の材料の例も、本明細書に説明される本開示の実施形態に従う。たとえば、電極１２５の材料は、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、およびイリジウム（Ｉｒ）を含むことができるがそれらに限定されない。
【００３４】
追加の実施形態では、リード本体１０５内の導体１１５は、本開示によると、ＰＯＭアニオンでドープされたポリマーから少なくとも部分的に形成することができる。本実施形態の場合、ＰＯＭアニオンでドープされたポリマーは、蒸着、鋳造、または押出成形して導体１１５を形成することができる。さらに、導体１１５を形成するＰＯＭアニオンドープされたポリマーと周囲のリード本体１０５とを同時押出成形することが可能である。リード本体１０５の材料は、当該技術において既知な材料から選択することができる。
【００３５】
他の実施形態では、リード１００は生分解性になるように構成することができる。たとえば、導体１１５は、生分解性ポリマーのリード本体１０５が周囲に形成された蒸着ＰＯＭ層から形成することができる。生分解性導体１１５を形成する１つの方法は、ＬＢＬ自己組立アプローチを利用して、適切なカチオン逆分子でアニオンＰＯＭの層を作製することである。たとえば、ＰＯＭを組み込んだチトサン層は、体内の各種塩イオンによってゆっくりと破壊され得る層間のイオン結合を形成することができる。生分解性ポリマーの他の例は、ポリカルボン酸、無水マレイン酸ポリマーを含むポリ酸無水物、ポリオルトエステル、ポリアミノ酸、ポリ酸化エチレン、ポリホスファゼン、ポリアクト酸、ポリグリコール酸およびコポリマー、ポリ（Ｌ−乳酸）（ＰＬＬＡ）、ポリ（Ｄ，Ｌ，−ラクチド）、ポリ（乳酸−グリコール酸共重合体）、５０／５０（ＤＬ−ラクチド−グリコリド共重合体）などのそのコポリマーおよび混合物、ポリジオキサノン、フマル酸ポリプロピレン、ポリデプシペプチド、ポリカプロラクトン、ポリ（Ｄ，Ｌ−ラクチド−カプロラクトン共重合体）、およびポリカプロラクトン−アクリル酸ブチル共重合体などのそのコポリマーおよび混合物、ポリヒドロキシ酪酸吉草酸塩および混合物、チロシン由来ポリカーボネートやアリレートなどのポリカーボネート、ポリイミノカーボネート、ポリジメチル−トリメチルカーボネート、シアノアクリレート、リン酸カルシウム、ポリグリコサミノグリカン、多糖類などの巨大分子（ヒアルロン酸、セルロース、およびヒドロキシプロピルメチルセルロース、ゼラチ、スターチ、デキストラン、アルギン酸およびその誘導体を含む）、タンパク質およびポリペプチド、上記のいずれかの混合物およびコポリマーを含むことができるがそれらに限定されない。生分解性ポリマーも、ポリヒドロキシ酪酸およびそのコポリマー、ポリカプロラクトン、ポリ酸無水物（結晶質および非結晶質の両方）、および無水マレイン酸コポリマーなどの表面浸食可能なポリマーであってよい。
【００３６】
さらに、膜１３５を含む電極１２５は、本開示にしたがい形成されるＰＯＭアニオンでドープされた生分解性導電性ポリマーで形成することもできる。本実施形態では、電極１２５は、鉄（Ｆｅ）および／またはマグネシウム（Ｍｇ）などの酸化しやすい材料で形成することができる。
【００３７】
図２は、本開示に係る無線電極２１０を示す。無線電極２１０は第１の電極２２０および第２の電極２４０を含み、誘導コイル２５０が電極２２０、２４０の間に連結される。第１および第２の電極２２０、２４０の表面の一方または両方が、本開示によるＰＯＭを有する膜２３５をさらに含む。誘導コイル２５０は、電極２２０、２４０間に電位放電を生成するために、平行な角度で誘導コイル２５０と交差するエネルギー２６０を受け取る。
【００３８】
さらに別の実施形態では、無線電極２１０は、生分解性を有するように構成することができる。たとえば、誘導コイル２３０は、ＰＯＭの層を重ねた後、生分解性ポリマー絶縁体外装でＰＯＭを絶縁することによって作製することができる。さらに、電極２２０および２４０は、本明細書で説明されるように、１つまたはそれ以上の生分解性ポリマーおよび／または酸化金属から形成することができる。
【００３９】
図３は、バッテリ３７０、誘導コイル３５０に連結される蓄積コンデンサ３８０、およびＡＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）をさらに含む無線電極３１０の追加の実施形態を示す。バッテリ３７０は、外部送信器から受け取ったＲＦエネルギー３６０から誘導コイル２５０により生成される電流で再充電可能である。次に、誘導コイル３５０に連結される蓄積コンデンサ３８０は、第１の電極３２０と第２の電極３４０との間の電位を蓄積し送出するために使用することができる。このような無線電極の例は、譲受人共通の米国特許出願「リード線なし心臓刺激システム（Ｌｅａｄｌｅｓｓ Ｃａｒｄｉａｃ Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）」（ＢＳＣＩ Ｄｏｃｋｅｔ＃０４−０２２９）に提示されており、引用により全文が本明細書に組み込まれるものとする。
【００４０】
本開示の追加の実施形態は、周囲組織の治癒を促進するため、ＰＯＭアニオンを有する植込み型医療装置の表面に電気刺激を与えることである。たとえば、ＰＯＭアニオンを有する電極表面は本明細書で説明されるように、植え込まれた、または遠隔のエネルギー源により刺激パルスが植込み装置近接の組織に送られる、人工血管、合成心臓弁、および左心室補助装置（ＬＶＡＤ）表面などの植込み装置の表面に一体化させることができる。パルスの電圧振幅は、細胞を刺激するのに十分でなければならないが、電極表面での有害な反応を防ぐため閾値未満でなければならない。これは、本明細書の実施形態に記載されるように、植込み装置の幾何学的表面積を増加させずに電極表面積を増大させる電極にＰＯＭを含む膜を貼付することによって部分的に達成可能である。このような医療装置の例は、譲受人共通の米国特許出願「植込み装置表面での細胞成長刺激（Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｅｌｌ Ｇｒｏｗｔｈ ａｔ Ｉｍｐｌａｎｔ Ｓｕｒｆａｃｅｓ）」（ＢＳＣＩ Ｄｏｃｋｅｔ＃０４−００６２）に提示されており、引用により全文が本明細書に組み込まれるものとする。
【００４１】
本発明は、各種特定の実施形態を参照して説明し、実施例に関して説明した。しかしながら、実施例と詳細な説明に示されるものを超えた、本発明の基本テーマに関する多くの拡張、変形、および修正があり、それらは本発明の精神と範囲に含まれると理解される。
【００４２】
本明細書で引用される特許、特許文書、および参考文献の開示は、それらが個々に組み込まれた場合と同様、その全文が引用により本明細書の一部をなすものとする。本開示の様々な変更や修正は、本開示の範囲と精神を逸脱せずに当業者にとって自明である。本開示は、本明細書に記載される実施形態や例によって不当に制限されることを目的としておらず、上記例と実施形態は以下本明細書に記載される請求項によってのみ限定される本開示の範囲を単に例示のために述べたものであると理解されたい。
【００４３】
上記の詳細な説明において、本開示を簡潔化する目的で、様々な特徴が一緒にグループ化されている。この開示方法は、本開示の実施形態が各請求項に明確に記載されるよりも多くの特徴を要するという意図を反映するものと解釈すべきではない。むしろ、以下の請求項が反映するように、発明の主題は単独の開示された実施形態の全特徴よりも少ない。よって、以下の請求項はこれにより詳細な説明の一部をなすものとし、各請求項は別個の実施形態として自身に基づく。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリオキソメタレート（ＰＯＭ）を有する電極表面を備える、埋込み電極。
【請求項２】
前記ＰＯＭが前記電極表面上の膜に含まれる、請求項１に記載の埋込み電極。
【請求項３】
前記膜が前記ＰＯＭでドープされた導電性ポリマーである、請求項２に記載の埋込み電極。
【請求項４】
前記導電性ポリマーが、ポリピロール、ポリビニルスルホン酸、ポリチオフェン、ポリアニリン、およびポリフランから成るグループから選択される、請求項３に記載の埋込み電極。
【請求項５】
前記ＰＯＭが、前記電極表面上の前記膜の電気重合中に、前記電極表面に閉じ込められる、請求項２〜４のいずれか１項に記載の埋込み電極。
【請求項６】
前記膜が、ＰＯＭおよびジアゾポリマーを含んで提供される、請求項２に記載の埋込み電極。
【請求項７】
前記電極表面が、前記埋込み電極の疑似容量性電極表面を提供する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の埋込み電極。
【請求項８】
前記電極表面が多孔性担体の被覆を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の埋込み電極。
【請求項９】
前記電極が前記多孔性担体で被覆される前に、前記ＰＯＭが前記多孔性担体と同時形成される、請求項８に記載の埋込み電極。
【請求項１０】
前記多孔性担体が、白金（Ｐｔ）、酸化イリジウム、炭化タングステン、炭化ケイ素、酸化チタニウム−酸化イリジウム（ＴｉＯａ−ＩｒＯ２）、酸化インジウム−二酸化タンタル（ＩｒＯ２−ＴａＯ２）、酸化スズまたは酸化インジウム、およびフラーレンから成るグループから選択される、請求項８に記載の埋込み電極。
【請求項１１】
表面にポリオキソメタレート（ＰＯＭ）を有する第１の電極と、
表面にＰＯＭを有する第２の電極と、
前記第１と第２の電極との間に連結される誘導コイルと、
を備え、前記第１および第２の電極が、前記誘導コイルで受け取られる無線周波数エネルギーから電位放電を生成することができる、無線埋込み電極。
【請求項１２】
前記ＰＯＭが、前記電極表面上の導電性ポリマー膜に含まれる、請求項１１に記載の無線埋込み電極。
【請求項１３】
前記無線電極が生分解性である、請求項１１または１２に記載の無線埋込み電極。
【請求項１４】
前記誘導コイルに連結されるバッテリを含み、前記バッテリが、外部送信器から無線周波数エネルギーを受け取る前記誘導コイルから生成される電流で再充電可能である、請求項１１〜１２のいずれか１項に記載の無線埋込み電極。
【請求項１５】
前記第１の電極と前記第２の電極間の電位を蓄積し且つ送出するために前記誘導コイルに連結された蓄積コンデンサを含む、請求項１１または１２に記載の無線埋込み電極。
【請求項１６】
ポリオキソメタレート（ＰＯＭ）を重合可能な混合物に組み込むステップと、
前記ＰＯＭを混入した前記重合可能な混合物の膜を埋込み電極の表面に形成するステップと、
を備える方法。
【請求項１７】
前記膜を形成するステップが、電気重合を実行して、前記埋込み電極の前記表面上に前記膜を形成するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記膜の重合可能な混合物が導電性ポリマーである、請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記膜を形成するステップが、前記膜に前記ＰＯＭを均一に閉じ込めるステップを含む、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
前記膜を形成するステップが、前記ＰＯＭが前記電極の前記表面上のポリカチオンによって安定化される層間プロセスを含む、請求項１６〜１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
前記膜の電気的性能を変更するために前記ＰＯＭの化学組成および構造を調節するステップを含む、請求項１６〜２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
前記電極の前記表面が、前記電極を形成する導電材料を蒸着することによって形成される多孔性構造を有する、請求項１６〜２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１】
ポリオキソメタレート（ＰＯＭ）を有する電極表面を備える、埋込み電極。
【請求項２】
前記ＰＯＭが前記電極表面上の膜に含まれる、請求項１に記載の埋込み電極。
【請求項３】
前記膜が前記ＰＯＭでドープされた導電性ポリマーである、請求項２に記載の埋込み電極。
【請求項４】
前記導電性ポリマーが、ポリピロール、ポリビニルスルホン酸、ポリチオフェン、ポリアニリン、およびポリフランから成るグループから選択される、請求項３に記載の埋込み電極。
【請求項５】
前記ＰＯＭが、前記電極表面上の前記膜の電気重合中に、前記電極表面に閉じ込められる、請求項２〜４のいずれか１項に記載の埋込み電極。
【請求項６】
前記膜が、ＰＯＭおよびジアゾポリマーを含んで提供される、請求項２に記載の埋込み電極。
【請求項７】
前記電極表面が、前記埋込み電極の疑似容量性電極表面を提供する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の埋込み電極。
【請求項８】
前記電極表面が多孔性担体の被覆を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の埋込み電極。
【請求項９】
前記電極が前記多孔性担体で被覆される前に、前記ＰＯＭが前記多孔性担体と同時形成される、請求項８に記載の埋込み電極。
【請求項１０】
前記多孔性担体が、白金（Ｐｔ）、酸化イリジウム、炭化タングステン、炭化ケイ素、酸化チタニウム−酸化イリジウム（ＴｉＯａ−ＩｒＯ２）、酸化インジウム−二酸化タンタル（ＩｒＯ２−ＴａＯ２）、酸化スズまたは酸化インジウム、およびフラーレンから成るグループから選択される、請求項８に記載の埋込み電極。
【請求項１１】
表面にポリオキソメタレート（ＰＯＭ）を有する第１の電極と、
表面にＰＯＭを有する第２の電極と、
前記第１と第２の電極との間に連結される誘導コイルと、
を備え、前記第１および第２の電極が、前記誘導コイルで受け取られる無線周波数エネルギーから電位放電を生成することができる、無線埋込み電極。
【請求項１２】
前記ＰＯＭが、前記電極表面上の導電性ポリマー膜に含まれる、請求項１１に記載の無線埋込み電極。
【請求項１３】
前記無線電極が生分解性である、請求項１１または１２に記載の無線埋込み電極。
【請求項１４】
前記誘導コイルに連結されるバッテリを含み、前記バッテリが、外部送信器から無線周波数エネルギーを受け取る前記誘導コイルから生成される電流で再充電可能である、請求項１１〜１２のいずれか１項に記載の無線埋込み電極。
【請求項１５】
前記第１の電極と前記第２の電極間の電位を蓄積し且つ送出するために前記誘導コイルに連結された蓄積コンデンサを含む、請求項１１または１２に記載の無線埋込み電極。
【請求項１６】
ポリオキソメタレート（ＰＯＭ）を重合可能な混合物に組み込むステップと、
前記ＰＯＭを混入した前記重合可能な混合物の膜を埋込み電極の表面に形成するステップと、
を備える方法。
【請求項１７】
前記膜を形成するステップが、電気重合を実行して、前記埋込み電極の前記表面上に前記膜を形成するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記膜の重合可能な混合物が導電性ポリマーである、請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記膜を形成するステップが、前記膜に前記ＰＯＭを均一に閉じ込めるステップを含む、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
前記膜を形成するステップが、前記ＰＯＭが前記電極の前記表面上のポリカチオンによって安定化される層間プロセスを含む、請求項１６〜１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
前記膜の電気的性能を変更するために前記ＰＯＭの化学組成および構造を調節するステップを含む、請求項１６〜２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
前記電極の前記表面が、前記電極を形成する導電材料を蒸着することによって形成される多孔性構造を有する、請求項１６〜２１のいずれか１項に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公表番号】特表２０１０−５０３４６２（Ｐ２０１０−５０３４６２Ａ）
【公表日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５２８３１８（Ｐ２００９−５２８３１８）
【出願日】平成１９年９月１４日（２００７．９．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０２００８１
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０３３５４６
【国際公開日】平成２０年３月２０日（２００８．３．２０）
【出願人】（５００３３２８１４）ボストン サイエンティフィック リミテッド (627)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月１４日（２００７．９．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０２００８１
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０３３５４６
【国際公開日】平成２０年３月２０日（２００８．３．２０）
【出願人】（５００３３２８１４）ボストン サイエンティフィック リミテッド (627)
【Ｆターム（参考）】
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