A novel approach towards electrode openings for flexible neural implants

Abstract

Der anhaltente technologische Fortschritt, lässt sich auch im medizinischen Bereich feststellen und führt zu einem wachsenden Markt für mikro-medizinische Implantate, die simultan neurologische Signale detektieren, wie auch das umliegende Gewebe stimulieren können. Als Beispiel für elektrisch aktive Implantate in der medizinischen Anwendung sind Retina- Implantate und Gehirnimplantate zu nennen. Während Erstere die degenerierte Retina des menschlichen Auges ersetzen und so Augenlicht wiederherstellen, stimulieren Letztere das menschliche Gehirn von Parkinson-Patienten und unterdrücken erfolgreich den resultierenden Tremor. Im Gegensatz zu herkömmlichen medizinisch elektrisch aktiven Implantate wie dem Cochlea- Implantat oder Herzschrittmachern, sind moderne neurologische Implantate nicht von einem starren Keramik- oder Metallgehäuse umgeben, aus dem lediglich die Elektroden herausgeführt werden. Stattdessen verweilt die Elektronik bei modernen Implantaten neben den Elektrodenöffnungen auf einem flexiblen Substrat und ist dennoch hermetisch gegenüber dem Gewebe abgeschirmt, während die Elektroden geöffnet bleiben und so ein elektrischer Kontakt zum Gewebe hergestellt wird. Als flexible, biokompatible und biostabile Materialien haben sich Parylen und Polyimid durchgesetzt. Beide sind allerdings wasserdampfdurchlässig, was negative Effekte wie Korrosion und Lagenablösung zur Folge hat. Durch Einbringen von Metalllagen in die Passivierung soll eine Wasserdampfundurchlässigkeit garantiert werden. Diese Metalllagen sind an den Elektrodenöffnungen exponiert und können dort zu Kurzschlüssen führen. Gleichzeitig ist die Elektrodenseitenwand selbst ungeschützt gegenüber negativen Effekten wie Korrosion und Lagendelamination. Daher wurde eine Möglichkeit der Elektrodenseitenwandpassivierung entwickelt und ist in dieser Arbeit vorgestellt. Dazu wurden sowohl nicht-flexible wie auch flexible polyimid-basierte Testsubstrate mikrotechnologisch unter Verwendung von Reinraumtechnologie und Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung entwickelt und hergestellt. Ein Multilayer, bestehend aus Titan und Gold wurde als Leiterbahnmaterial gewählt, um die Haftung der Leiterbahnen an das umgebende passivierende Polyimid herzustellen. Die Elektrodenöffnungen wurden per reaktivem Ionenstrahlätzen, sowie Ionendünnung realisiert. Neben der Herstellung neuartiger Substrate wurden auch zwei Messaufbauten entwickelt, angefertigt, validiert und zu einem komplett automatisierten Messstand kombiniert. Die erste Messanordnung kann (Leck-) Ströme in der Größenordnung von 1 ∙ 10−12 A über mehrere Kanäle hinweg detektieren. Der zweite Messaufbau simuliert kleinste flüssigkeits-induzierte mechanische Bewegungen auf flexible Substrate, wie sie auch im menschlichen Körper auftreten. Aber auch Materialtests bis an die Grenzen der flexiblen Substrate sind möglich. Durch die Kombination beider Aufbauten ist eine komplett autonome elektrische Analyse flexibler Substrate möglich, während sie parallel mechanisch definiert belastet werden. Zum Zeitpunkt dieser Arbeit existiert keine vergleichbare Messanordnung. Atomlagenabscheidung wurde genutzt, um dünne Titandioxid Schichten herzustellen, die ausgiebig auf ihre elektrischen Eigenschaften wie auch Schichtbegebenheit getestet wurden. Die Biokompatibilität von diesen Schichten ist bekannt und viele Arbeitsgruppen haben eine Steigerung der Biostabilität von Substraten durch die Nutzung dieser bestätigt. Nach Prüfung aller Voraussetzungen wurden Elektrodenseitenwände hergestellter Substrate mit Titandioxid passiviert und analysiert. Die Steigerung der Biostabilität von elektrisch aktiven, flexiblen, Implantat-ähnlichen Substraten durch die Passivierung der Elektrodenseitenwand wird in dieser Arbeit zusammen mit einigen Anwendungen der neuartigen Passivierung vorgestellt.