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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-30
(45)【発行日】2024-11-08
(54)【発明の名称】ｒＧＯ層のスタックを含む還元型酸化グラフェン膜及びその用途
(51)【国際特許分類】
C01B 32/198 20170101AFI20241031BHJP
A61N 1/05 20060101ALI20241031BHJP
【ＦＩ】
C01B32/198
A61N1/05
【請求項の数】
21
(21)【出願番号】P 2021549933
(86)(22)【出願日】2020-02-27
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-06-02
(86)【国際出願番号】 EP2020055195
(87)【国際公開番号】W WO2020174066
(87)【国際公開日】2020-09-03
【審査請求日】2023-01-23
(31)【優先権主張番号】19382146.9
(32)【優先日】2019-02-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(73)【特許権者】
【識別番号】516375001
【氏名又は名称】ファンダシオ インスティテュット カタラ デ ナノシエンシア イ ナノテクノロジア （アイシーエヌ２）
(73)【特許権者】
【識別番号】516374820
【氏名又は名称】インスティテュシオ カタラナ デ レセルカ イ エステュディス アバンキャッツ
(73)【特許権者】
【識別番号】314000752
【氏名又は名称】ザ・ユニバーシティ・オブ・マンチェスター
【氏名又は名称原語表記】ＴＨＥ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＭＡＮＣＨＥＳＴＥＲ
(74)【代理人】
【識別番号】100092783
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 浩
(74)【代理人】
【識別番号】100120134
【弁理士】
【氏名又は名称】大森 規雄
(74)【代理人】
【識別番号】100158481
【弁理士】
【氏名又は名称】石原 俊秀
(72)【発明者】
【氏名】ガリド アリザ，ジョーズ アントニオ
(72)【発明者】
【氏名】ヴィアナ，ダミア
(72)【発明者】
【氏名】コスタレロス，コスタンティノス
(72)【発明者】
【氏名】ブルロック，クリストファー ジョン
(72)【発明者】
【氏名】ビュシー，シリル
(72)【発明者】
【氏名】ウォルストン，ステーブン，トレメイン
【審査官】廣野 知子
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１８－５０６４１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０２７９３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／０２１９３６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２０１９－５０７０８１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ０１Ｂ ３２／００－３２／９９１
Ａ６１Ｎ １／０５
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴＣｈｉｎａ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
フレークを含む還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）層のスタックを含む、総膜厚が２０ｎｍから５マイクロメートルの還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜であって、連続する２つの層間の距離が０．２から０．７ｎｍであり、前記ｒＧＯ層のスタックが、１００から５０００００のフレークの層を含む、
還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜。
【請求項2】
前記連続する２つの層間の距離が、０．３から０．５ｎｍである、請求項１に記載の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜。
【請求項3】
前記総膜厚が、５００から２０００ｎｍである、請求項１から２のいずれか一項に記載の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜。
【請求項4】
前記ｒＧＯ層のスタックが、３００００から１０００００のフレークの層を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜。
【請求項5】
Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）による測定で、０．８から２．０の炭素対酸素比を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜。
【請求項6】
非還元型酸化グラフェンに特徴的なＣｕＫα線（１．５４０５９８Å）を用いたＸ線回折装置で測定される１１±０．５、σ＝４、２シータ度のピークが実質的に存在しないＸ線回折スペクトルを示す（ただし、実質的に存在しないとは、１１±０．５のピークの面積／面積％が約１％以下であることを意味する）、請求項１から５のいずれかに記載の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜。
【請求項7】
ＣｕＫα線（１．５４０５９８Å）を用いたＸ線回折装置で測定される前記Ｘ線回折スペクトルにおいて、２３±０．５、σ＝４、２シータ度にピークを示す、請求項６に記載の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜。
【請求項8】
前記ｒＧＯ膜が上面及び前記上部を有し、前記ｒＧＯ膜の前記上面が、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による測定で、２５×２５μｍ２の面積に対して、１から２００ｎｍの二乗平均平方根粗さを有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜。
【請求項9】
２０×２０μｍ２の面積に対してラマンスペクトルにおいて０．９以上のＤ対Ｇ比を示す、請求項１から８のいずれか一項に記載の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜。
【請求項10】
約０．０１から１０Ω・ｃｍの抵抗率を示す、請求項１から９のいずれか一項に記載の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜。
【請求項11】
元素組成が、原子組成の約８０％以上の量の炭素と、原子組成の約２０％以下の量の酸素とから本質的になる、請求項１から１０のいずれか一項に記載の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜。
【請求項12】
直径約２５マイクロメートルの電極に実装された場合に、電解質ベースのシステムにおいて、１ｋＨｚの周波数で２から１０ｍＣ／ｃｍ２の電荷注入限界（ＣＩＬ）及び／又は１０から１００ｋΩのインピーダンスを提供することができる、請求項１から１１のいずれか一項に記載の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜。
【請求項13】
１０８から１０１０ｍ－１の表面積対体積比（ＳＡＶＲ）を有する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜。
【請求項14】
請求項１から１３のいずれか一項に記載の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜と、前記ｒＧＯ膜が堆積された追加の導電性支持体とを含む電気的にバックコンタクトの導電性還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）構造であって、前記バックコンタクトとは、前記ｒＧＯ膜の下面が前記導電性支持体の一方の表面と接触するように、前記ｒＧＯ膜が前記追加の導電性支持体上に配置されることを意味する、導電性還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）構造。
【請求項15】
前記追加の導電性支持体が、金属、単層グラフェン（ＳＬＧ）、少数層グラフェン（ＦＬＧ）、及び多層グラフェン（ＭＬＧ）からなる群から選択される、請求項１４に記載の電気的にバックコンタクトの導電性構造。
【請求項16】
フレークを含む還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）層のスタックを含む、総膜厚が２０ｎｍから５マイクロメートル、連続する２つの層間の距離が０．２から０．７ｎｍである還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜の製造方法であって、ｉ）酸化グラフェン（ＧＯ）溶液を、多孔質膜を通して濾過し、それによって、前記多孔質膜の上部にＧＯ膜を形成する工程であって、前記酸化グラフェン（ＧＯ）溶液が水溶液であり、前記溶液中の酸化グラフェン（ＧＯ）の濃度が０．００１から５ｍｇ／ｍＬであり、濾過される体積が５から１０００ｍＬである、工程と、
ｉｉ）前記ＧＯ膜が形成された前記多孔質膜から犠牲基板上に前記ＧＯ膜を転写する工程であって、前記ＧＯ膜が上部の前記多孔質膜と下部の前記犠牲基板との間に配置される、工程と、
ｉｉｉ）前記膜を除去する工程であって、それによって前記ＧＯ膜が前記犠牲基板上に付着したまま残る、工程と、
ｉｖ）１００から２４０℃の温度で、１０５から４×１０８Ｐａの圧力下、１分から２４時間の期間、水の存在下で、前記ＧＯ膜を水熱還元して還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）材料を形成する工程と、
ｖ）前記ｒＧＯ材料を前記犠牲基板から取り外す工程と、
を含む、還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜の製造方法。
【請求項17】
フレークを含む還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）層のスタックを含む、総膜厚が２０ｎｍから５マイクロメートル、連続する２つの層間の距離が０．２から０．７ｎｍである還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜と、前記ｒＧＯ膜が堆積された追加の導電性支持体とを含む電気的にバックコンタクトの導電性還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）構造の製造方法であって、前記バックコンタクトとは、前記ｒＧＯ膜の下面が前記導電性支持体の一方の表面と接触するように、前記ｒＧＯ膜が前記追加の導電性支持体上に配置されることを意味し、
ｉ）酸化グラフェン（ＧＯ）溶液を、多孔質膜を通して濾過し、それによって、前記多孔質膜の上部にＧＯ膜を形成する工程であって、前記酸化グラフェン（ＧＯ）溶液が水溶液であり、前記溶液中の酸化グラフェン（ＧＯ）の濃度が０．００１から５ｍｇ／ｍＬであり、濾過される体積が５から１０００ｍＬである、工程と、
ｉｉ’）前記ＧＯ膜が形成された前記多孔質膜から前記追加の導電性支持体上に前記ＧＯ膜を転写する工程であって、前記ＧＯ膜が上部の前記多孔質膜と下部の前記追加の導電層との間に配置される、工程と、
ｉｉｉ’）前記膜を除去する工程であって、それによって前記ＧＯ膜が前記追加の導電性支持体上に付着したまま残る、工程と、
ｉｖ’）１００から２４０℃の温度で、１０５から４×１０８Ｐａの圧力下、１分から２４時間の期間、水の存在下で、前記ＧＯ膜を水熱還元して還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）材料を形成する工程と、
を含む、導電性還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）構造の製造方法。
【請求項18】
前記水熱還元がオートクレーブの内部の密閉容器内で行われ、前記ＧＯ膜が水と直接接触していない、請求項１６から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項19】
請求項１から１３のいずれか一項に記載の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜、又は、請求項１４から１５のいずれか一項に記載の電気的にバックコンタクトの導電性還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）構造を含む、電気信号を検出、受信及び／又は誘導するための電子デバイス。
【請求項20】
神経電極である、請求項１９に記載の電子デバイス。
【請求項21】
前記ｒＧＯ膜又は前記電気的にバックコンタクトの導電性ｒＧＯ構造の上に堆積される、導電性リードでパターニングされた可撓性基板と、上部に開口部を有する封入層とを備える、請求項１９から２０のいずれか一項に記載の電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は、２０１９年２月２７日に出願された欧州特許出願第１９３８２１４６．９号の利益を主張する。本出願につながるプロジェクトは、欧州連合のＨｏｒｉｚｏｎ ２０２０研究及びイノベーションプログラム（助成金契約番号７８５２１９）に基づくグラフェンフラッグシッププログラム（グラフェンコア２）から資金提供を受けている。
【0002】
本発明は、電解質ベースのシステムにおいて高い導電性を示すｒＧＯ層のスタックを含む還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜に関する。これらのｒＧＯ膜は、神経インターフェース用の埋込み型電子デバイス（例えば、脳深部電気刺激又は末梢神経系刺激のための神経刺激デバイス、人工内耳及び網膜インプラント、ペースメーカー、脳コンピュータインターフェースなど）など、高電荷及び高速電荷注入が必要とされるデバイスに組み込むことができる。
【背景技術】
【0003】
神経補綴デバイスは、神経系と電気的にインターフェースすることによって、神経の疾患、障害及び状態を監視、予防及び治療するための強力なツールである。それらは、神経組織に埋め込まれると、電気的な神経活動を記録及び刺激することができる。現在、ほとんどの神経補綴技術は、電極上の神経組織とのインターフェースに基づいている。
【0004】
インターフェースは、ファラデー電流又は容量電流を介して発生し得る。一方で、ファラデー電流は、電極／組織界面で起こる酸化還元反応に関連する。これらの反応は、最終的に電極を分解し、組織を損傷することになる。一方、容量電流は、導電体が液体環境に置かれたときに現れる二重層の充放電に起因する。インプラントの場合、容量電流は組織に害を与えたり、電極材料を劣化させたりしないため、ファラデー電流よりも常に好ましい。したがって、高容量は、神経組織との効果的かつ安全なインターフェースを実現するために理想的である。容量は、材料の電荷注入限界（ＣＩＬ）及びそのインピーダンスなどの性能値を設定する。神経系の神経活動を記録及び刺激する場合、高レベルの電荷注入及び低インピーダンスが望ましい。電極のサイズは、電極を構成する材料の性能によって制限され、高性能の材料は、高容量に関して、より高いレベルの小型化を可能にする。
【0005】
しかしながら、インターフェースの精度及びデバイスの耐久性は、技術の受け入れを増加させ、その治療応用を改善し、術後合併症を減少させるために改善されるべき特性である。インターフェースの精度は、電極サイズを小さくし、電極アレイの分解能を高めることによって改善することができる。典型的には、電極は、電極を構成する材料の固有インピーダンス及び電荷注入限界（ＣＩＬ）に起因する小型化の限界を示す。デバイスの耐久性は、電極材料の化学的安定性、生体適合性、及び生体組織との機械的コンプライアンスに依存する。
【0006】
材料に対する身体の免疫応答は、生体組織にデバイスを埋め込むときに考慮すべきもうひとつの要素である。例えば、インプラント領域の周囲には、瘢痕組織の形成と炎症が起こり得る。免疫応答は異物をカプセル化する傾向があり、これは経時的にデバイスの電気的性能を低下させる。埋め込まれた組織との強い剛性の不一致を有する材料は、身体によってより積極的に攻撃される。したがって、硬い材料や厚い材料よりも可撓性で柔らかい材料が望ましい。免疫応答を最小限に抑えるためには、薄いデバイスであることも必要である。
【0007】
材料の長期安定性もまた、常用的なインプラントを検討する上で重要な特性であり、化学的及び機械的に高い安定性を持つ材料が求められる。
【0008】
標準的な市販の神経インターフェースは、Ｐｔ、白金－イリジウム（Ｐｔ／Ｉｒ）、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）又は窒化チタン（ＴｉＮ）で作られた金属マイクロ電極に基づいている。これらの材料は、ファラデー電流と容量電流との組み合わせを介して生体組織と相互作用し、劣った化学的安定性を示し、柔軟性に欠ける。金属性能は、直径数十マイクロメートルのマイクロ電極で大きく低下し、さらに、金属は、連続的な組織刺激によって劣化する。
【0009】
最近、ポリマー混合物ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）ポリスチレンスルホネート（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）などの導電性ポリマーが、金属マイクロ電極の限界を克服するための有望な候補として浮上している。しかし、埋め込まれたとき、組織とのそのインターフェースもまた、ファラデー電流と容量電流との組み合わせを介する。金属のインピーダンス及びＣＩＬをそれらの可撓性と共に改善することにより、神経組織の記録及び刺激においてより高い性能を達成することができる。しかしながら、層間剥離が生じる可能性があり、それによって長期安定性が損なわれる。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳは、作動中に化学的及び機械的に分解するため、刺激中に問題を有すると言われている。
【0010】
グラフェンは、神経インターフェースにとって非常に興味深い特性を有する材料である。導電性であり、可撓性であり、機械的に堅牢であり、高度に不活性であるため、水性環境での安全な電気的インターフェースの有望な候補である。しかしながら、単層グラフェンマイクロ電極の性能は、神経インターフェース、特に、神経組織の刺激を必要とする用途において、最適とは程遠い。インピーダンスは、グラフェン／組織界面のキャパシタンスによって制限され、刺激は容量プロセスであるため、この問題を克服するために、大きな面積対体積比を有する三次元多孔質グラフェン系材料が提案されている。しかしながら、還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）から作られたものを含む、これまでに報告された多孔質グラフェン系材料を含むフレークから加工されたそのようなグラフェン材料は、刺激に関して有効な特性を達成するために数百マイクロメートルの範囲の厚さを必要とすることが報告されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0011】
【文献】Hebert, et al., “Flexible Graphene Solution-Gated Field-Effect Transistors:Efficient Transducers for Micro-Electrocorticography”, Advanced Functional Materials,Vol.28(12), (2018.03)
【文献】Badia, et al., “Comparative analysis of transverse intrafascicular multichannel,longitudinal intrafascicular and multipolar cuff electrodes for the selective stimulation of nerve fascicles”, J Neurl Eng, (2011.06)
【文献】Taer,E. et al., “The Relationship of Surface Area to Cell Capacitance for Monolith Carbon Electrode from Biomass Materials for Supercapacitor Aplication”, Journal of Physics:Conference Series,Volume 1116,Issue 3
【文献】Hess, Lucas H. et al., “Graphene Transistors for Bioelectronics”, Proceedings of the IIEEE|Vol.101,No.7, 2013.07)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
したがって、従来技術の問題を克服するために、デバイスに容易に組み込むことができ、長持ちする高性能の薄いグラフェン系材料を開発することに依然として関心が寄せられている。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明者らは、炭素の原子単層（単層グラフェン）と比較して著しく増加した電気化学的活性表面積を示す、ｒＧＯフレークのスタックを含む還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）の安定な薄膜を開発した。結果として、これらのｒＧＯ膜は、その機能寿命の間、効率的かつ一貫した態様で高い電荷注入特性を提供することができる。これらのグラフェン材料は、低い界面インピーダンス（Ｚ）、非常に高い電荷注入限界（ＣＩＬ）及び顕著な安定性を示すマイクロ電極などの電子デバイスの製造に使用することができる。これらのｒＧＯ膜は、非常に多孔質である。
【0014】
本発明のｒＧＯ膜は、特に水溶液中で、柔軟性があり、機械的及び化学的に非常に安定している。さらに、それらの生産は容易に拡張可能であり、大量の製造プロセスと相性がいい。
【0015】
本発明のｒＧＯ膜を含む電子デバイスは、神経インターフェースとして使用される場合、良好な生体適合性を示すため、体内に埋め込まれたときに安全に使用し得るという利点を有する。特に、実施例に示されるように、本発明のｒＧＯ膜は、神経組織環境で遭遇する細胞との生体適合性を示した。さらに、本発明のｒＧＯ膜の生物学的組織と直接接触している上面が低い粗さを有するという事実に起因して、本発明のｒＧＯ膜は、組織を損傷せず、剥離したり、望ましくない残渣を残したりしない。その結果、これらのインプラントは、神経組織からの炎症（局所又は全身）反応が最小限に抑えられる。
【0016】
さらに、それらの高い導電率及び電荷注入容量のために、本発明のｒＧＯ材料を含むデバイスは、小型化することができ（例えば、約１０μｍ未満の直径及び約１μｍ未満の厚さ）、それにより、神経系とインターフェースするためのそれらの機能性が拡張し、一方で、領域が現在の商用技術の約１／２５となり、他方では、低侵襲性となる。さらに、身体のより広い領域を観察したい場合、本発明のｒＧＯ膜を含むデバイスは、様々な密度のアレイの形態で配置することができる。
【0017】
最後に、実施例に示されるように、本発明のｒＧＯ材料を含むデバイスは、金電極と比較して、信号対雑音比（ＳＮＲ）の有意な改善と電気干渉ノイズの実質的な低減を実現する。それらは、ニューロンの集合とさらに個々のニューロンの信号（約２５μｍの直径を有する電極について約３μＶの二乗平均平方根（ｒｍｓ）以下のノイズレベル）の検出、及び、ニューロンの集合の検出を可能にする。それらはまた、広い領域（数十ｃｍ２まで）及び高い空間分解能（数百μｍ２のアクティブな記録部位）の記録を可能にする。さらに、本発明のｒＧＯ膜を含む神経内インプラントを介して、げっ歯類においてインビボで試験した場合、神経刺激は、低い電流閾値と高い選択性をもって、坐骨神経の神経束内の軸索の特定のサブセットを活性化することが実証された。
【0018】
これらのすべての特徴（生体適合性、耐久性、高性能、刺激用途に適した電荷注入能力、埋め込むときの材料の設置面積の最小化、サイズの小ささなど）により、それらは、神経インターフェースとして使用する場合に、特に興味深いものになる。
【0019】
したがって、本発明の第一の態様は、２０ｎｍから５マイクロメートルの総膜厚を有する還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜であって、フレークを含むｒＧＯ層のスタックを含み、連続する２つの層の間の距離が０．２から０．７ｎｍである、還元型酸化グラフェン膜に関する。特に、当該膜は、以下の工程、すなわち、
ｉ）酸化グラフェン（ＧＯ）溶液を、多孔質膜を通して濾過し、それによって、膜の上部にＧＯ膜を形成する工程であって、特に、酸化グラフェン（ＧＯ）溶液が水溶液であり、溶液中の酸化グラフェン（ＧＯ）の濃度が０．００１から５ｍｇ／ｍＬであり、濾過された体積が５から１０００ｍＬである、工程と、
ｉｉ）膜から犠牲基板上にＧＯ膜を転写する工程であって、ＧＯ膜が上部の膜と下部の犠牲基板との間に配置される、工程と、ｉｉｉ）膜を除去する工程であって、それによってＧＯ膜が犠牲基板上に付着したまま残る、工程と、ｉｖ）特に、１００から２４０℃の温度で、１０５から４×１０８Ｐａの圧力下、１分から２４時間の期間、水の存在下で、ＧＯ膜を水熱還元して還元型ＧＯ材料（ｒＧＯ）を形成する工程と、
ｖ）ｒＧＯ材料を犠牲基板から取り外す工程と、
を含む方法によって得ることができる。
ｉ）酸化グラフェン（ＧＯ）溶液を、多孔質膜を通して濾過し、それによって、膜の上部にＧＯ膜を形成する工程であって、特に、酸化グラフェン（ＧＯ）溶液が水溶液であり、溶液中の酸化グラフェン（ＧＯ）の濃度が０．００１から５ｍｇ／ｍＬであり、濾過された体積が５から１０００ｍＬである、工程と、
ｉｉ）膜から犠牲基板上にＧＯ膜を転写する工程であって、ＧＯ膜が上部の膜と下部の犠牲基板との間に配置される、工程と、ｉｉｉ）膜を除去する工程であって、それによってＧＯ膜が犠牲基板上に付着したまま残る、工程と、ｉｖ）特に、１００から２４０℃の温度で、１０５から４×１０８Ｐａの圧力下、１分から２４時間の期間、水の存在下で、ＧＯ膜を水熱還元して還元型ＧＯ材料（ｒＧＯ）を形成する工程と、
ｖ）ｒＧＯ材料を犠牲基板から取り外す工程と、
を含む方法によって得ることができる。
【0020】
本発明のｒＧＯ膜の容量特性を改善するために、それらを、任意選択で、単層グラフェン（ＳＬＧ）、少数層グラフェン又は多層グラフェン（ＦＬＧ、ＭＬＧ）、並びに、インジウムスズ酸化物、白金又は金などの金属などの他の導電性基板、などの追加の導電性材料又は支持体に付着させることができる。このように、本発明の別の態様は、先に定義したｒＧＯ膜とｒＧＯが堆積された追加の導電性支持体とを含む電気的にバックコンタクトの導電性還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）構造に関する。
【0021】
本発明の別の態様は、先に定義したｒＧＯ膜の調製のためのプロセスであって、以下の工程、すなわち、
ｉ）酸化グラフェン（ＧＯ）溶液を、多孔質膜を通して濾過し、それによって、膜の上部にＧＯ膜を形成する工程であって、特に、酸化グラフェン（ＧＯ）溶液が水溶液であり、溶液中の酸化グラフェン（ＧＯ）の濃度が０．００１から５ｍｇ／ｍＬであり、濾過された体積が５から１０００ｍＬである、工程と、
ｉｉ）膜から犠牲基板上にＧＯ膜を転写する工程であって、ＧＯ膜が上部の膜と下部の犠牲基板との間に配置される、工程と、
ｉｉｉ）膜を除去する工程であって、それによってＧＯ膜が犠牲基板上に付着したまま残る、工程と、
ｉｖ）特に、１００から２４０℃の温度で、１０５から４×１０８Ｐａの圧力下、１分から２４時間の期間、水の存在下で、ＧＯ膜を水熱還元して還元型ＧＯ材料（ｒＧＯ）を形成する工程と、
ｖ）ｒＧＯ材料を犠牲基板から取り外す工程と、
を含む方法に関する。
ｉ）酸化グラフェン（ＧＯ）溶液を、多孔質膜を通して濾過し、それによって、膜の上部にＧＯ膜を形成する工程であって、特に、酸化グラフェン（ＧＯ）溶液が水溶液であり、溶液中の酸化グラフェン（ＧＯ）の濃度が０．００１から５ｍｇ／ｍＬであり、濾過された体積が５から１０００ｍＬである、工程と、
ｉｉ）膜から犠牲基板上にＧＯ膜を転写する工程であって、ＧＯ膜が上部の膜と下部の犠牲基板との間に配置される、工程と、
ｉｉｉ）膜を除去する工程であって、それによってＧＯ膜が犠牲基板上に付着したまま残る、工程と、
ｉｖ）特に、１００から２４０℃の温度で、１０５から４×１０８Ｐａの圧力下、１分から２４時間の期間、水の存在下で、ＧＯ膜を水熱還元して還元型ＧＯ材料（ｒＧＯ）を形成する工程と、
ｖ）ｒＧＯ材料を犠牲基板から取り外す工程と、
を含む方法に関する。
【0022】
本発明の別の態様は、先に定義した、電気的にバックコンタクトの導電性還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）構造を調製するためのプロセスであって、以下の工程、すなわち、
ｉ’）酸化グラフェン（ＧＯ）溶液を、多孔質膜を通して濾過し、それによって、膜の上部にＧＯ膜を形成する工程であって、特に、酸化グラフェン（ＧＯ）溶液が水溶液であり、溶液中の酸化グラフェン（ＧＯ）の濃度が０．００１から５ｍｇ／ｍＬであり、濾過された体積が５から１０００ｍＬである、工程と、
ｉｉ’）膜から追加の導電性支持体上にＧＯ膜を転写する工程であって、ＧＯ膜が上部の膜と下部の追加の導電性支持体との間に配置される、工程と、
ｉｉｉ’）膜を除去する工程であって、それによってＧＯ膜が追加の導電性支持体上に付着したまま残る、工程と、
ｉｖ’）特に、１００から２４０℃の温度で、１０５から４×１０８Ｐａの圧力下、１分から２４時間の期間、水の存在下で、ＧＯ膜を水熱還元して還元型ＧＯ材料（ｒＧＯ）を形成する工程と、
を含む方法に関する。
ｉ’）酸化グラフェン（ＧＯ）溶液を、多孔質膜を通して濾過し、それによって、膜の上部にＧＯ膜を形成する工程であって、特に、酸化グラフェン（ＧＯ）溶液が水溶液であり、溶液中の酸化グラフェン（ＧＯ）の濃度が０．００１から５ｍｇ／ｍＬであり、濾過された体積が５から１０００ｍＬである、工程と、
ｉｉ’）膜から追加の導電性支持体上にＧＯ膜を転写する工程であって、ＧＯ膜が上部の膜と下部の追加の導電性支持体との間に配置される、工程と、
ｉｉｉ’）膜を除去する工程であって、それによってＧＯ膜が追加の導電性支持体上に付着したまま残る、工程と、
ｉｖ’）特に、１００から２４０℃の温度で、１０５から４×１０８Ｐａの圧力下、１分から２４時間の期間、水の存在下で、ＧＯ膜を水熱還元して還元型ＧＯ材料（ｒＧＯ）を形成する工程と、
を含む方法に関する。
【0023】
上述したように、任意選択で、追加の導電性支持体に取り付けられた本発明のｒＧＯベースの膜は、神経インターフェース用の電子デバイス（埋込み型又は非埋込み型）に統合され得る。このように、本発明のｒＧＯ膜は、特に、ヒトに埋め込むのに適しており、特に、ヒトにおいて電気信号を検出、受信及び／又は誘導するのに適している。
【0024】
したがって、本発明のさらなる態様は、電気信号を検出、受信及び／又は誘導するための先に定義したｒＧＯ膜又は先に定義した電気的にバックコンタクトの導電性還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）構造を含む電子デバイスに関する。
【0025】
本発明の別の態様は、哺乳動物、特にヒトにおいて電気信号を検出、受信及び／又は誘導するための方法であって、先に定義したｒＧＯ膜を含む電子デバイスを哺乳動物、特にヒトに埋め込むことを含む方法に関する。
【0026】
本発明の別の態様は、哺乳動物、特にヒトにおいて電気信号を検出、受信及び／又は誘導する方法であって、先に定義した還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜又は電気的にバックコンタクトの導電性還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）構造材料を含む電子デバイスを哺乳動物、特にヒトに埋め込むことを含む方法に関する。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【0028】
【図3】図３（ａ）は、材料の断面ラメラに沿ったＨＲＴＥＭによる本発明のｒＧＯ膜の断面図である。スケールバーは２０ｎｍに対応する。図３（ｂ）は、図３（ａ）の不連続線に沿ったプロファイルを示す図であり、図の強度は０．４ｎｍごとに周期的に振動している。図３（ｃ）は、図３（ａ）のパワースペクトルを示す。スケールバー＝１／１０ｎｍである。図３（ｄ）では、１／２．７ｎｍに２つの対称的なピークが現れ、０．３７ｎｍでのフレークのスタックにおける優先方向を示している。図３（ｅ）は、金基板上のＧＯ膜（水熱還元前）及び実施例５のＨＴｒＧＯ膜のＸ線回折スペクトルを示す。ＧＯ膜は、膜中に約０．８１ｎｍの積層間距離を有するＧＯフレークの平行積層に特徴的な１１°のピークを示しているが、ｒＧＯ膜では、１１°のピークが消失し、約０．３９ｎｍの積層間距離を有するＧＯフレークの平行積層に特徴的な新たなピークが２３°に現れている。図３（ｆ）は、ＧＯ及びＨＴｒＧＯの平均ラマンスペクトルを示す。ＤピークとＧピークとの比は、水熱処理後に増加する。
【0029】
【0030】
【0031】
【図6】図６（ａ）は、神経活動記録の実験設定の概略図である。マイクロ電極からなる可撓性アレイを聴覚皮質の表面に配置して、１６ｋＨｚの純音を提示した。図６（ｂ）は、本発明によるアレイ（ＥＧＮＩＴＥ）及びＰｔアレイの１ｋＨｚでのインピーダンス測定値を示す。図６（ｃ）は、聴覚皮質上に配置された本発明によるμＥＣｏｇデバイスを示す。図６（ｄ）は、本発明によるマイクロ電極を用いて測定した１６ｋＨｚの純音及び２００ｍｓの持続時間（影）による誘発局所電場電位を示す。死後信号が重なっている。図６（ｅ）は、Ｐｔマイクロ電極を用いた同上を示す。図６（ｆ）は、インビボ条件及び死後条件の両方での本発明のマイクロ電極及びＰｔマイクロ電極のパワースペクトル密度（ＰＳＤ）を示す。図６（ｇ）は、図６（ｆ）からのインビボ条件と死後条件との間のシグナルの比から計算されたシグナル対ノイズ比を示す。
【0032】
【0033】
【発明を実施するための形態】
【0034】
本出願で使用されるすべての用語は、特に明記しない限り、当分野で公知の通常の意味で理解されるものとする。本出願で使用される特定の用語の他のより具体的な定義は、以下で説明するとおりであり、明細書及び特許請求の範囲を通して一律に適用されることを意図している。
【0035】
本明細書で使用される「約」又は「およそ」という用語は、指定された値の±１０％の範囲の値を指す。例えば、「約１０」や「およそ１０」という表現は、１０の±１０％、すなわち、９から１１を含む。
【0036】
本発明では、「酸化グラフェン」（ＧＯ）という用語は、グラフェンのように炭素原子を含むが、集団又はある量の酸素官能基をも含む材料を指す。「還元型酸化グラフェン」（ｒＧＯ）という用語は、例えば、水熱還元プロセスなどの還元プロセスによって還元された酸化グラフェン（ＧＯ）を指し、その結果、還元工程前のＧＯ（すなわち、非還元型ＧＯ）と比較して酸素含有量が減少する。「ＨＴｒＧＯ」という用語は、水熱還元型酸化グラフェン（ＧＯ）を指す。
【0037】
本明細書で使用される「電極」という用語は、２つの媒体をインターフェースする導電体を指し、この場合、電極は、身体（又は身体からの組織）を、電気信号を（例えば、神経刺激を提供するために）引き出す及び／又は電気信号を（例えば、神経活動を監視するために）受信するためのデバイスに接続する。
【0038】
「容量」という用語は、コンデンサに蓄積された電荷と所与の電位差との比を指す。キャパシタンスは、ファラド（Ｆ）で測定される。
【0039】
本明細書で使用される「電荷蓄積容量（ＣＳＣ）」という用語は、誘電体媒体によって分離された２つの導電性媒体からなるシステムが所与の電位差で耐えることができる最大電荷量を指す。システムの電荷蓄積容量を得るために、サイクリックボルタンメトリー技術を実施することができる。そのために、それに印加される電圧は周期的に変化し、電流が測定される。測定された電流による蓄積電荷は、電荷蓄積容量に相当する。電荷蓄積容量は、クーロン（Ｃ）で測定される。
【0040】
本明細書で使用される「電荷注入限界（ＣＩＬ）」という用語は、不可逆的なファラデー反応を誘発することなく電極を通して電解質媒体に注入することができる最大電荷量を指す。理想的には、電荷は、容量電流のみを介して注入され、可逆的なファラデー反応を回避する。電荷注入限界は、ｍＣ／ｃｍ２で測定される。
【0041】
本明細書で使用される「インピーダンス」という用語は、電圧が印加されたときに回路が電流に対して呈する抵抗の尺度を指す。電気回路のインピーダンスは、電気回路を流れる電流を印加された電圧信号で除算することによって得ることができる。インピーダンスは、オーム（Ω）で測定される。電流及び電圧の挙動に応じて、キャパシタンスを識別し、インピーダンスに適合させることができる。電極に言及する場合、インピーダンスは、界面インピーダンスと呼ばれる。
【0042】
「抵抗率」という用語は、電流に抵抗するか又は電流を伝導する強さを定量化する材料の特性であり、オームメータ（Ω・ｍ）で測定される。高い抵抗率値が、材料が不十分な導体であることを示す一方で、低い値は、材料が良好な導電性であることを示す。
【0043】
本明細書で使用されるｒＧＯ膜の「安定性」という用語は、少なくとも１億パルスの連続的な電気パルスに対する界面インピーダンスの増加がないこととして理解される。
【0044】
ｒＧＯ膜の「表面積対体積比（ＳＡＶＲ）」という用語は、表面積対体積の比であり、ｍ－１で測定される。ＳＡＶＲは、表面積をｒＧＯ膜の体積で割ることによって測定することができる。ｒＧＯ膜の表面積は、リン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）電解質中、５０ｍＶ／ｓの走査速度で－０．９から０．９Ｖの間のサイクリックボルタンメトリーにおいて０Ｖで測定したｒＧＯ膜の電流を、単層グラフェンの固有界面容量（２－５μＦ／ｃｍ２）の走査速度（５０ｍＶ／ｓ）倍の値で除することによって得ることができる（Taer,E.ら, Journal of Physics:Conference Series, Volume 1116, Issue 3, Hess,Lucas H.ら, Proceedings of the IEEE | Vol.101,No.7,2013年7月を参照されたい）。
【0045】
本発明は、炭素の原子単層に比して増加した電気化学的活性表面積を示す、ｒＧＯ層のスタックを含む還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）薄膜に関する。
理論に束縛されるものではないが、０．２から０．７ｎｍのフレークのグラフェン層間の積層距離と、高密度のグラフェンのスタックにおけるイオン輸送ショートカットとして作用することができる開放チャネルの両方のおかげで、電気化学的性能の向上が達成されると考えられる。イオン輸送ショートカットの開放及び積層間距離は、酸素基がフレークの基底面から除去される水熱還元工程を含む本発明のｒＧＯ膜の調製プロセスに起因すると考えられる。
理論に束縛されるものではないが、０．２から０．７ｎｍのフレークのグラフェン層間の積層距離と、高密度のグラフェンのスタックにおけるイオン輸送ショートカットとして作用することができる開放チャネルの両方のおかげで、電気化学的性能の向上が達成されると考えられる。イオン輸送ショートカットの開放及び積層間距離は、酸素基がフレークの基底面から除去される水熱還元工程を含む本発明のｒＧＯ膜の調製プロセスに起因すると考えられる。
【0046】
電気化学的活性表面積の増加は、水溶液中のｒＧＯ膜の界面容量を測定することによって証明することができる。本発明のいくつかの実施形態では、表面積は、厚さ１～２μｍの膜で１０４倍増加する。これは、インピーダンス分光データから導き出すことができる。これはまた、非還元型ＧＯ膜のより高い抵抗率値と比較して、還元後のｒＧＯ膜の抵抗率値がより低いことによって証明することができる（図４ｃ）。
【0047】
一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、先に定義された還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜であって、厚さが１０００から２０００μｍ（おおむね、約５０００層のフレークを含む膜に相当する）であり、積層間距離が約０．４ｎｍである還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜は、電解質ベースの系、より詳細には水性系において、１０から６０ｍＦ／ｃｍ２の静電容量を提供することができるような電気化学的表面積を有する。
【0048】
一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、先に定義したｒＧＯ膜の表面積対体積比（ＳＡＶＲ）は、先に定義したように測定して、１０８から１０１０ｍ－１である。
【0049】
特定の一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、先に定義した還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜は、０．０１から１０、より詳細には、０．０５から５又は０．１から１の抵抗率を示し、さらにより詳細には、約０．２Ω・ｃｍである。
【0050】
フレークを含むｒＧＯ層のスタックを含む本発明のｒＧＯ膜の構造は、以下で説明する、ＳＥＭ、ＴＥＭ、ＡＦＭ、ＨＡＡＤＦ、ＳＴＥＭ－ＥＥＬＳ、ＸＲＤ、ＸＰＳ及びラマンなどの様々な技術によって評価することができる。
【0051】
本発明では、本明細書で使用される「スタック」という用語は、水平に整列又は配列された、すなわち、互いに重なって配置された、複数の、すなわち１を超える、特に１００から５０００００の層を指す。積層構造は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像（図２Ａ）によって評価することができる。「フレーク」という用語は、平坦で薄い形状を有する材料を指す。複数のフレークが層を形成する。
【0052】
「積層」距離又は「積層間」距離という用語は、一方が他方の上に堆積されるフレーク又は層の２つの連続した層又は平面の間の距離を指し、Ｘ線回折（ＸＲＤ）データ及び高分解能透過電子（ＨＲＴＥＭ）によって測定することができる。
【0053】
一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、フレークは、穴あきフレークである。「穴あきフレーク」という用語は、ｒＧＯ構造に二次元の穴を含むフレークを指す。フレークの穴は、空隙、空洞、開口部、又は間隔として定義することもできる。これらの間隔はまた、電気化学的性能を高め、水熱還元工程から生じる。
【0054】
一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、ｒＧＯ層のスタックは、１００から５０００００、より詳細には３００００から１０００００、さらにより詳細には３００００から８００００、さらにより詳細には５００００から６００００のフレークの層を含む。
上述したように、本発明の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜は、２０ｎｍから５マイクロメートルの総膜厚を有する。
上述したように、本発明の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜は、２０ｎｍから５マイクロメートルの総膜厚を有する。
【0055】
一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜は、５００から２０００ｎｍ、又は２５ｎｍから１マイクロメートル、より詳細には２５から５００ｎｍ、さらにより詳細には２５から２００ｎｍの総膜厚を有する。この厚さは、透明材料をもたらし、透明電極と組織との間の界面を光学技術によって観察することができるので、いくつかの用途においてさらなる利点を提供する。
【0056】
本発明のｒＧＯ膜の厚さは、例えば、走査型及び／又は透過型電子顕微鏡（ＳＥＭ、ＴＥＭ）によって測定することができる。図２Ａは、本発明の一実施形態のｒＧＯ膜の断面の顕微鏡写真を示す。
【0057】
一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、本発明の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜は、図４ａ及び／又は４ｂに示すＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）スペクトルを示す（ＨＴｒＧＯを参照されたい）。
【0058】
別の実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、本発明の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜は、０．８から２．０又は１．２から２．０、より詳細には１．０から１．５又は１．６から１．８、さらにより詳細には約１．２２の炭素対酸素比（原子百分率）を有する。炭素対酸素比は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）から算出することができる。
【0059】
上述したように、本発明のｒＧＯ膜における積層距離は、膜の調製に使用される水熱還元工程の結果である。したがって、例えば、水熱還元前後の特定のサンプルのフレーク間の積層距離をＸ線回折（ＸＲＤ）によって調査した場合、還元前（ＧＯ）の０．８１±０．０８ｎｍから還元後（ｒＧＯ）の０．３９±０．０６ｎｍへの減少が観察された（図３ｅ）。
【0060】
したがって、一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、本発明の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜は、図３ｅに示すＸ線回折（ＸＲＤ）スペクトルを有する（ＨＴｒＧＯを参照されたい）。
【0061】
一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、本発明の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜は、図３ｂに示すように、ＨＲＴＥＭで測定された材料断面の強調線（図３ａ）に沿ったプロファイルを示す。
【0062】
一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、本発明の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜は、図３ｄに示すように、材料断面のパワースペクトルの強調線（図３ｃ）に沿ったプロファイルを示す。
【0063】
一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、フレークの２つの連続する層の間の距離は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）による測定で、０．３から０．５、より詳細には０．３７から０．４３、さらにより詳細には約０．４ｎｍである。
【0064】
一方、非還元型ＧＯ結晶膜のＸ線回折スペクトルは、典型的には、ＣｕＫα線（１．５４０５９８Å）を用いたＸ線回折装置（ＸＲＤ）で測定される１１±０．５、σ＝４、２シータ度にピークを示し、これは膜中のＧＯ（非還元）フレークの平行積層の特徴である。対照的に、ＧＯ膜が還元されて無秩序状態を有する場合、このピークは対応するＸ線回折スペクトルには実質的に存在しない（図３ｅ）。ＸＲＤ測定（シータ－２シータスキャン）は、例えば、Ｍａｌｖｅｒｎ ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ社のＭａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｅｒ（ＭＲＤ）で実行することができる。この回折計は、４つの円形状の水平オメガ－２シータゴニオメータ（半径３２０ｍｍ）を備えており、Ｃｕ Ｋαアノード（ｌ＝１．５４０５９８Å）を有するセラミックＸ線管で動作する。使用した検出器は、Ｍｅｄｉｐｉｘ２テクノロジーに基づく高速Ｘ線検出器であるＰｉｘｃｅｌである。
【0065】
したがって、一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、先に定義した還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜は、非還元型酸化グラフェンに特徴的なＣｕＫα放射線（１．５４０５９８Å）を用いたＸ線回折装置で測定される１１±０．５、σ＝４、２シータ度のピークが実質的に存在しないＸ線回折スペクトルを示し、換言すれば、本発明のｒＧＯ膜には、せいぜい非常に短い範囲の秩序しか存在しない。本明細書で使用される「実質的に存在しない」という用語は、非還元型ＧＯ結晶膜に対応するピークの存在が、約１％面積／面積以下、より詳細には０．１％面積／面積以下であることを指す。より詳細には、先に定義した還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜は、図３ｅ（ＨＴｒＧＯ）に示すＸ線回折スペクトルを示す。
【0066】
別の実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴に併せて、先に定義した還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜は、ＣｕＫα線（１．５４０５９８Å）を用いたＸ線回折装置で測定されるＸ線回折スペクトルにおいて、２３±０．５、σ＝４、２シータ度にピークを示す。上述したように、本発明のｒＧＯ膜は、埋め込まれたときの神経組織からの炎症（局所又は全身）応答が最小限である。このことは、生体組織と直接接触している本発明のｒＧＯ膜の上面が、低い粗さを有し、望ましくない残留物を残さないということから、少なくとも部分的に説明することができる。ｒＧＯ膜の上面の粗さは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって測定することができる。図２Ｂに示すように、本発明の一実施形態のｒＧＯ膜の表面は、２５×２５μｍ２の面積に対して約５５ｎｍという低い二乗平均平方根粗さを有することが観察された。この値は、組織損傷を防止すると同時に、細菌との相互作用を最小限に抑えながら細胞の接着及び増殖を促進することが期待される。
【0067】
一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、膜が埋め込まれたときに生体組織と直接接触する本発明のｒＧＯ膜の上面は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による測定で、２５×２５μｍ２の面積に対して、１から２００、より詳細には１０から１００、さらにより詳細には約５５ｎｍの二乗平均平方根粗さを有する。
【0068】
ラマン分光法はまた、本発明の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜を特性評価するために使用され得る。強度ＤとＧの比（Ｄ／Ｇ）バンドは、グラフェン構造体に存在する欠陥の尺度である。一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、先に定義した還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜は、２０×２０μｍ２の面積に対するラマンスペクトルにおいて、０．９以上、より詳細には０．９から２．４、さらにより詳細には０．９から１．５、さらにより詳細には約１．１４のＤ対Ｇ比（ピーク振幅／ピーク振幅）を示す。より詳細には、先に定義した還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜は、図３ｆに示すラマンスペクトルを有する。
【0069】
上述したように、本発明の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜は、電解質ベースの系において高い導電性を示す。一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、本発明の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜は、直径約２５マイクロメートルの電極に実装された場合、電解質ベースのシステム、より詳細には水性システムにおいて、２から１０ｍＣ／ｃｍ２の電荷注入限界（ＣＩＬ）と、１ｋＨｚの周波数での１０から１００ｋΩのインピーダンスとを提供することができる。
【0070】
本発明の還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜の調製に使用されるプロセスの結果として、得られたｒＧＯ膜の元素組成は、非還元の膜と比較して酸素含有量が減少している。ｒＧＯ膜の外側及び内側の化学組成は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）及び電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）を用いて調べることができる。一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、ｒＧＯ膜の外面及びその内部（バルク部分）の元素組成は均一である（図５）。
【0071】
したがって、１つの特定の実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、ｒＧＯ膜の元素組成は、原子組成の約８０％以上の量の炭素と、原子組成の約２０％以下の量の酸素とから本質的になり、より具体的には、原子組成の約８５％以上の量の炭素と、原子組成の約１５％以下の量の酸素とから本質的になり、さらにより具体的には、原子組成の約８８％以上の量の炭素と、原子組成の約１２％以下の量の酸素とから本質的になる。
【0072】
本発明では、「元素組成物が本質的に～からなる」という用語は、特定の追加的な成分が膜中に存在し得ること、すなわち、還元型酸化グラフェンの本質的な特性に実質的に影響を及ぼさない成分が膜中に存在し得ることを意味する。一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、ｒＧＯ膜の元素組成は、上記の量の炭素及び酸素からなる。
【0073】
上述したように、本発明はまた、先に定義したｒＧＯ膜と、ｒＧＯが堆積された追加の導電性支持体とを含む電気的にバックコンタクトの導電性還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）構造に関する。
【0074】
本発明では、本明細書で使用される「バックコンタクト」という用語は、ｒＧＯ膜が追加の導電性支持体上に配置され、その結果、ｒＧＯ膜の下面が導電性支持体の一方の表面と接触することを意味する。
追加の導電層は、本発明のｒＧＯ膜の電気的アクセス抵抗の低下に寄与する。
追加の導電層は、本発明のｒＧＯ膜の電気的アクセス抵抗の低下に寄与する。
【0075】
一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、追加の導電性支持体は、金属、単層グラフェン（ＳＬＧ）、少数層グラフェン（ＦＬＧ）、及び多層グラフェン（ＭＬＧ）からなる群から選択される。より詳細には、追加の導電性支持体は、単層グラフェン（ＳＬＧ）である。ＳＬＧは市販されている。別法として、ＳＬＧは、実施例に示すように、銅箔上に化学蒸着によって成長させることができる。
【0076】
追加の導電性支持体として使用することができる金属の例には、白金、金、イリジウム、タングステン、インジウムスズ酸化物、ステンレス鋼、銀、銅、ニッケル、及び合金、又はそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。
【0077】
前述のｒＧＯ材料の特定の構造は、酸化グラフェンの蒸発工程、又は、膜上の酸化グラフェンの濾過工程とその後の支持体への転写及び材料の還元を含む方法によって得ることができる。
【0078】
したがって、先に定義した還元型酸化グラフェン材料も本発明の一部を形成し、それは、特に１００から２４０℃の温度で、１０５から４×１０８Ｐａの圧力下、１分から２４時間の期間、水の存在下でＧＯ膜を水熱還元することを含む方法によって得ることが可能である。したがって、本発明はまた、先に定義した水熱還元されたＧＯ膜に関する。
【0079】
上述したように、本発明はまた、に定義した還元型酸化グラフェン材料に関し、これは、以下の工程、すなわち、
ｉ）酸化グラフェン（ＧＯ）溶液を、多孔質膜を通して濾過し、それによって、膜の上部にＧＯ膜を形成する工程であって、特に、酸化グラフェン（ＧＯ）溶液が水溶液であり、溶液中の酸化グラフェン（ＧＯ）の濃度が０．００１から５ｍｇ／ｍＬであり、濾過された体積が５から１０００ｍＬである、工程と、
ｉｉ）膜から犠牲基板上にＧＯ膜を転写する工程であって、ＧＯ膜が上部の膜と下部の犠牲基板との間に配置される、工程と、
ｉｉｉ）膜を除去する工程であって、それによってＧＯ膜が犠牲基板上に付着したまま残る、工程と、
ｉｖ）特に、１００から２４０℃の温度で、１０５から４×１０８Ｐａの圧力下、１分から２４時間の期間、水の存在下で、ＧＯ膜を水熱還元して還元型ＧＯ材料（ｒＧＯ）を形成する工程と、
ｖ）ｒＧＯ材料を犠牲基板から取り外す工程と、
を含む方法によって得ることが可能である。
ｉ）酸化グラフェン（ＧＯ）溶液を、多孔質膜を通して濾過し、それによって、膜の上部にＧＯ膜を形成する工程であって、特に、酸化グラフェン（ＧＯ）溶液が水溶液であり、溶液中の酸化グラフェン（ＧＯ）の濃度が０．００１から５ｍｇ／ｍＬであり、濾過された体積が５から１０００ｍＬである、工程と、
ｉｉ）膜から犠牲基板上にＧＯ膜を転写する工程であって、ＧＯ膜が上部の膜と下部の犠牲基板との間に配置される、工程と、
ｉｉｉ）膜を除去する工程であって、それによってＧＯ膜が犠牲基板上に付着したまま残る、工程と、
ｉｖ）特に、１００から２４０℃の温度で、１０５から４×１０８Ｐａの圧力下、１分から２４時間の期間、水の存在下で、ＧＯ膜を水熱還元して還元型ＧＯ材料（ｒＧＯ）を形成する工程と、
ｖ）ｒＧＯ材料を犠牲基板から取り外す工程と、
を含む方法によって得ることが可能である。
【0080】
本発明の「方法によって得ることができる」組成物という表現は、本明細書においては、その調製方法によってｒＧＯ材料を定義するために使用され、先に定義した工程ｉ）からｖ）を含む調製方法によって得ることができるｒＧＯ材料を指す。本発明では、「得ることができる」、「得られた」という表現及びこれに類似する同等の表現は、互換的に使用され、いずれの場合も、「得ることができる」という表現は「得られた」という表現を包含する。
【0081】
本発明はまた、先に定義した工程ｉ）からｖ）を含む、先に定義した還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜の調製方法に関する。本発明のｒＧＯ膜の調製方法の一実施形態を図１に示す。
【0082】
上記方法の工程ｉ）で使用される出発酸化グラフェン（ＧＯ）は市販されている。酸化グラフェンは、その基底面にヒドロキシル基やエポキシ基のような高密度酸素官能基を含み、その縁部にカルボキシルを含む。代替的な電気化学的酸化に関するいくつかの報告があるが、それは、主に天然黒鉛の化学的酸化によって合成される。
【0083】
一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、工程ｉ）の酸化グラフェン（ＧＯ）溶液は、水溶液である。より詳細には、工程ｉ）で使用される酸化グラフェン（ＧＯ）溶液は、０．００１から５ｍｇ／ｍＬの濃度を有する。典型的には、濾過されるＧＯ溶液の体積は、５から１０００ｍＬになる。
【0084】
別の実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、工程ｉ）で使用される酸化グラフェン（ＧＯ）は、０．５から１．０の典型的な炭素対酸素比を有する。炭素対酸素比は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）から算出することができる。
【0085】
別の実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、工程ｉ）で使用される出発酸化グラフェン（ＧＯ）は、幅が＞２００ｎｍ及び＜２０μｍ、より詳細には、＞５００ｎｍ及び＜２０μｍで、厚さが０．３～１００ｎｍの厚さのフレークの形態である。
【0086】
別の実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、工程ｉ）で使用される多孔質膜は、ニトロセルロースからなる群から選択される材料で作られる。
【0087】
工程ｉ）で使用される膜の細孔は、出発ＧＯフレークのサイズよりも小さくなければならない。典型的には、膜は、０．０２５μｍから２００μｍの孔径を有する。
【0088】
工程ｉ）の濾過は、大気圧以下の圧力、例えば、１から１００ＫＰａの圧力で行うことができる。したがって、一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、工程ｉ）は、１から１００ＫＰａ、より具体的には１から１０ＫＰａの圧力で行われる。
【0089】
濾過工程ｉ）の結果として、ＧＯ膜が膜上に形成される。特定の実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、工程ｉ）が終了したら、膜を室温で２～１０時間乾燥させる。
【0090】
別法として、本発明の方法のいずれかにおける濾過工程は、基板上の酸化グラフェン（ＧＯ）溶液を蒸発させることによって行われてもよく、ここで、具体的には、酸化グラフェン（ＧＯ）溶液は水溶液であり、溶液中の酸化グラフェン（ＧＯ）の濃度は０．００１から５ｍｇ／ｍＬであり、体積は５から１０００ｍＬである。
【0091】
本発明の方法に関連する、ｒＧＯ膜又は電気的にバックコンタクトの導電性還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）構造を調製するための、膜上の酸化グラフェン（ＧＯ）溶液を濾過する工程を含む、上述したすべての特定の実施形態は、膜上の酸化グラフェン（ＧＯ）溶液を濾過する代わりに酸化グラフェン（ＧＯ）溶液を蒸発させる工程を行う同様の方法にも適用される。
【0092】
特定の一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、濾過工程ｉ）の後であって、工程ｉｉ）の前に、膜の裏面が水和される。より具体的には、湿潤紙がその目的のために使用される。水のように、多孔質膜と直接接触しているＧＯを溶解することができ、膜を損傷又は溶解することなくそれを通過することができる他の溶媒も使用することができる。
【0093】
濾過されたＧＯの量に応じて、層の数及び膜の厚さが変化し、その結果、透明度がより高くなったり、より低くなったりする場合がある。一般的に言えば、より高い濃度のＧＯを濾過すると、より多くの層が形成され、その結果、透明度が低下する。２００ｎｍより厚い膜は、４００から１１６０ｎｍの波長における全透過率に対して約５％未満の光透過率を有する。
【0094】
特定の実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、工程ｉ）の後であって工程ｉｉ）の前に、多孔質膜を反転させる。この場合、最初に上にあったＧＯ膜の表面が底面となり、この表面が次の工程で犠牲基板と接触して配置される。
【0095】
本明細書で使用される「犠牲基板」という用語は、本発明の還元型酸化グラフェン材料を保持するために使用され、その後、基板のない還元型酸化グラフェン材料を生成するために除去される基板を意味する。
【0096】
工程ｉｉ）で使用される犠牲基板は、剛性又は可撓性を有し得る。犠牲基板は、導電性であってもなくてもよい。基板の性質によって、本発明の還元型酸化グラフェン材料が、特にＧＯ膜の底部に配置された導電性材料の追加の層をさらに含む場合には、最終的な基板として使用することができる。
【0097】
一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、工程ｉｉ）で使用される基板は、ＳｉＯ２ウェハ、単層グラフェン（ＳＬＧ）、少数層グラフェン（ＦＬＧ）、多層グラフェン（ＭＬＧ）、及び導電性金属化合物からなる群から選択される。基板として使用することができる導電性金属化合物の非限定的な例としては、金属、例えば、白金、金、チタン、イリジウム、タングステン、ステンレス鋼、銀、銅、ニッケル、及びそれらの合金又は組み合わせ、並びに、酸化イリジウム、塩化銀、及び窒化スズが含まれる。より詳細には、工程ｉｉ）で使用される基板は、ＳｉＯ２ウェハである。使用され得る他の基板には、ＳｉＯ２ウェハの上に堆積されたポリイミド又はパリレンＣなどのポリマーが含まれる。堆積技術は、スピンコーティング又は蒸着であり得る。
【0098】
ＧＯ膜が上述したように基板上に配置した後、膜は、任意選択的に、例えば、ＧＯ膜と接触していない側から基板に向かって空気／Ｎ２を吹き付けることによって乾燥させることができる。典型的には、空気／Ｎ２は、この目的のために、１から６０秒吹き付けられる。
【0099】
特定の一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、工程ｉｉ）の膜から犠牲基板上へのＧＯ膜の転写は、膜に付着したＧＯ膜を犠牲基板と接触させて配置することによって行われ、それによって、ＧＯ膜は、上部の膜と下部の犠牲基板との間に配置され、膜は、１～５００Ｋｇ／ｃｍ２の圧力で（例えば、ローラーで）プレスされる。
【0100】
工程ｉｉｉ）において、膜が除去され、それによって、ＧＯ膜は、犠牲基板上にのみ付着したまま残る。別の特定の実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、多孔質膜を剥離することによって除去が行われる。
【0101】
次いで、工程ｉｖ）において、基板上のＧＯ膜を水熱還元する。還元は、水の存在下、特にオートクレーブ内で実施される。塩基（ＮＨ３など）又は酸（ＨＮＯ３又はＨＣｌなど）も存在し得る。１つの特定の実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、水熱還元は、水以外のあらゆる塩基又は酸又は他の成分の非存在下で行われる。典型的には、還元は、１００から２４０℃の温度で、１０５から４×１０８Ｐａ、より詳細には１０５から１０６Ｐａの圧力下で、１分から２４時間、より詳細には１分から２０時間の期間実施される。
【0102】
水の存在下で還元を実施しても、より高い収率を得るためには、オートクレーブからの水がＧＯ膜と直接接触しないことが有利である。したがって、一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、水熱還元は、ＧＯ膜が水と直接接触しないように、密閉容器内、より具体的には、オートクレーブの内側のテフロン（登録商標）ライニング容器内で実施される。
【0103】
別の実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、還元を１００から２４０℃、より詳細には１００から１５０℃、さらにより詳細には約１３４℃の温度で実施する。
【0104】
別の実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、１０５から４×１０８Ｐａ、より具体的には１０５から１０６Ｐａ、さらにより具体的には１０００００から３０００００Ｐａの圧力で還元を実施する。
【0105】
別の実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、水熱還元は、１分から２４時間、より具体的には１分から２０時間、さらにより具体的には１から６時間、さらにより具体的には約３時間の期間実施される。この工程で使用される時間に応じて、また、化学的還元の範囲の結果として、ｒＧＯの特性、具体的には、結果として得られる還元されたＧＯ膜の静電容量が調節され得る。
【0106】
最後に、分離されたｒＧＯ膜を得るために、これを基板から取り外す。これは、還元型ＧＯ材料（ｒＧＯ）を水に浸漬し、浮遊する還元型ＧＯ材料（ｒＧＯ）を回収することによって行うことができる。
【0107】
特定の実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上と併せて、本発明はまた、先に定義した還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜の調製方法に関し、それは、以下の工程、すなわち、
ａ）酸化グラフェン（ＧＯ）溶液を、多孔質膜を通して濾過し、それによって、膜の上部にＧＯ膜を形成する工程であって、特に、酸化グラフェン（ＧＯ）溶液が水溶液であり、溶液中の酸化グラフェン（ＧＯ）の濃度が０．００１から５ｍｇ／ｍＬであり、濾過された体積が５から１０００ｍＬである、工程と、
ｂ）膜を乾燥させる工程と、
ｃ）膜の裏側に水分を補給する工程と、
ｄ）膜を反転させる工程と、
ｅ）膜から犠牲基板上にＧＯ膜を転写する工程であって、ＧＯ膜が上部の膜と下部の犠牲基板との間に配置される、工程と、
ｉｉｉ）膜を除去する工程であって、それによってＧＯ膜が犠牲基板上に付着したまま残る、工程と、
ｉｖ）特に、１００から２４０℃の温度で、１０５から４×１０８Ｐａの圧力下、１分から２４時間の期間、水の存在下で、ＧＯ膜を水熱還元して還元型ＧＯ材料（ｒＧＯ）を形成する工程と、
ｖ）上記ｒＧＯ材料を犠牲基板から取り外す工程と、
を含む。
ａ）酸化グラフェン（ＧＯ）溶液を、多孔質膜を通して濾過し、それによって、膜の上部にＧＯ膜を形成する工程であって、特に、酸化グラフェン（ＧＯ）溶液が水溶液であり、溶液中の酸化グラフェン（ＧＯ）の濃度が０．００１から５ｍｇ／ｍＬであり、濾過された体積が５から１０００ｍＬである、工程と、
ｂ）膜を乾燥させる工程と、
ｃ）膜の裏側に水分を補給する工程と、
ｄ）膜を反転させる工程と、
ｅ）膜から犠牲基板上にＧＯ膜を転写する工程であって、ＧＯ膜が上部の膜と下部の犠牲基板との間に配置される、工程と、
ｉｉｉ）膜を除去する工程であって、それによってＧＯ膜が犠牲基板上に付着したまま残る、工程と、
ｉｖ）特に、１００から２４０℃の温度で、１０５から４×１０８Ｐａの圧力下、１分から２４時間の期間、水の存在下で、ＧＯ膜を水熱還元して還元型ＧＯ材料（ｒＧＯ）を形成する工程と、
ｖ）上記ｒＧＯ材料を犠牲基板から取り外す工程と、
を含む。
【0108】
先に定義した電気的にバックコンタクトの導電性還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）構造を形成する追加の導電層を有するｒＧＯ材料を調製するために、犠牲基板の代わりに追加の導電層を使用するという条件で、工程ｉ）からｉｖ）を含む前述の方法と同様の方法を使用することができる。この場合、工程ｖ）（ｒＧＯ材料を分離するための基板の除去）を行う必要はない。
【0109】
したがって、一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、先に定義した電気的にバックコンタクトの導電性還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）構造が、以下の工程、すなわち、
ｉ’）酸化グラフェン（ＧＯ）溶液を、多孔質膜を通して濾過し、それによって、膜の上部にＧＯ膜を形成する工程であって、特に、酸化グラフェン（ＧＯ）溶液が水溶液であり、溶液中の酸化グラフェン（ＧＯ）の濃度が０．００１から５ｍｇ／ｍＬであり、濾過された体積が５から１０００ｍＬである、工程と、
ｉｉ’）膜から追加の導電性支持体上にＧＯ膜を転写する工程であって、ＧＯ膜が上部の膜と下部の追加の導電層との間に配置される、工程と、
ｉｉｉ’）膜を除去する工程であって、それによってＧＯ膜が追加の導電性支持体上に付着したまま残る、工程と、
ｉｖ’）特に、１００から２４０℃の温度で、１０５から４×１０８Ｐａの圧力下、１分から２４時間の期間、水の存在下で、ＧＯ膜を水熱還元して還元型ＧＯ材料（ｒＧＯ）を形成する工程と、
を含む方法によって得られる。
ｉ’）酸化グラフェン（ＧＯ）溶液を、多孔質膜を通して濾過し、それによって、膜の上部にＧＯ膜を形成する工程であって、特に、酸化グラフェン（ＧＯ）溶液が水溶液であり、溶液中の酸化グラフェン（ＧＯ）の濃度が０．００１から５ｍｇ／ｍＬであり、濾過された体積が５から１０００ｍＬである、工程と、
ｉｉ’）膜から追加の導電性支持体上にＧＯ膜を転写する工程であって、ＧＯ膜が上部の膜と下部の追加の導電層との間に配置される、工程と、
ｉｉｉ’）膜を除去する工程であって、それによってＧＯ膜が追加の導電性支持体上に付着したまま残る、工程と、
ｉｖ’）特に、１００から２４０℃の温度で、１０５から４×１０８Ｐａの圧力下、１分から２４時間の期間、水の存在下で、ＧＯ膜を水熱還元して還元型ＧＯ材料（ｒＧＯ）を形成する工程と、
を含む方法によって得られる。
【0110】
別法では、追加の導電層を有するｒＧＯ材料は、工程ｉ）からｖ）を含む上記の方法を経た後に、グラフェン材料を追加の導電層に付着させるか、又は、工程ｉ）からｉｖ）を含む上記の方法を経た後に、グラフェン材料を追加の導電層に転写し、犠牲基板を除去するかのいずれかによって調製することができる。
【0111】
ｒＧＯ膜の調製方法に関連する上述した特定の実施形態は、電気的にバックコンタクトの導電性還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）構造の調製方法にも適用される。
【0112】
特定の実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、電気的にバックコンタクトの導電性還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）構造は、電解質系、より詳細には、水性環境で電気的に活性化される。この活性化は、材料を電解質に入れることと、材料／電解質界面を通して電気信号を送ることとを含む。これは、界面インピーダンスを低下させながら、導電性及び界面容量を改善するという利点を有する。典型的には、この方法は、ｒＧＯ膜の厚さに応じて、１０ｍＣ／ｃｍ２まで注入することができるようになるまで、電極の不可逆的損傷を伴うことなく適用することができる。
【0113】
上述したように、高い電荷注入特性を有する還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）材料は、電子デバイス、より詳細には、マイクロ電極などの埋込み型デバイスの製造に使用され得る。したがって、還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）膜又は電気的にバックコンタクトの導電性還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）構造を含む、電気信号を検出する、受信する、かつ／又は、引き出すための電子デバイスも本発明の一部を形成する。
【0114】
一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、先に定義した電子デバイスは、神経電極、より詳細には、マイクロ電極である。より詳細には、マイクロ電極は、円形であり、１から３００マイクロメートルの直径を有する。
【0115】
神経インターフェースとして使用され得る電子デバイス（埋込み型及び非埋込み型）の例としては、皮質電極（術中脳マッピングに使用される）、網膜インプラント（視力を改善するために使用される）、脊髄刺激デバイス（慢性疼痛に使用される）、脳深部電気刺激（ＤＢＳ）インプラント（パーキンソン病に使用される）、蝸牛インプラント（聴力を改善するために使用される）、迷走神経刺激デバイス（ＶＮＳ）（てんかんに使用される）、仙骨神経刺激デバイス（失禁のための神経調節に使用される）などが挙げられるが、これらに限定されない。
【0116】
一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、先に定義した電子デバイスは、導電性リード、例えば、Ａｕ、Ｐｔのような金属又はインジウムスズ酸化物のような他の導体でパターン化された可撓性基板であって、その上にｒＧＯ膜又は電気的にバックコンタクトの導電性ｒＧＯベースの材料が堆積された、可撓性基板と、上部に開口部を有する封止（パッシベーション層又は絶縁層とも呼ばれる）とを備える。パッシベーション層は、導電性リードを覆い、グラフェン電極層を露出させたままにする。
【0117】
本発明では、「可撓性」という用語は、デバイスが破損又は亀裂を生じることなく曲げられる能力を指す。一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、可撓性基板は、ポリイミド又はパリレンＣで作製される。
【0118】
別の実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、封入層は、ポリイミド、パリレンＣ又はＳＵ８（例えば、ＳＵ－８ ２０００、Ｍｉｃｒｏｃｈｅｍ）で作製され、これは、マイクロ機械加工及び他のマイクロ電子用途のために設計された高コントラストのエポキシ系フォトレジストである。
【0119】
先に定義した電子デバイスは、異なる形状を有してもよい。すなわち、特定の用途ごとに適切な形状を選択することができる。一実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、先に定義した埋込み型電子デバイスは、円形、六角形、又は環状の断面を有する。
【0120】
特定の実施形態では、任意選択で、上記又は下記に記載される様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、先に定義した電子デバイスは、１０から３０μｍの厚さを有する。
【0121】
複数の電極は、電極アレイに形成されてもよい。したがって、別の実施形態では、任意選択で、上記又は下記の様々な実施形態の１つ以上の特徴と併せて、先に定義した電子デバイスは、マイクロ電極のアレイである。アレイは、典型的には、４から２５６個のマイクロ電極、より詳細には、５から１００マイクロメートルの範囲の直径を有する円形のマイクロ電極を含むことができる。マイクロ電極は、典型的には、１０から３００マイクロメートルの範囲であり得る電極間距離で離間されていてもよい。
【0122】
電子デバイスは、以下の工程、すなわち、金属基板を画定する工程と、任意選択で、金属上にＳＬＧを堆積させる工程と（任意選択）、追加の導電層を転写する工程と、ＧＯ膜を調製して前述のように転写（上下逆）する工程と、グラフェン含有マイクロ電極を画定する工程と、デバイスに埋め込まれたＧＯ膜を先に開示したように不動態化及び水熱還元する工程とを含む方法によって製造することができる。
【0123】
一実施形態では、電子デバイスは、以下の工程、すなわち、
ａ）標準的な光リソグラフィ法を用い、フォトレジストを使用して第１の基板（ＳｉＯ２ウェハなど）をパターニングして、所望のパターン、例えば、フォトレジスト内の直径約２５マイクロメートルの円形パターンを開く工程と、
ｂ）工程ａ）の第１の基板上に、クロム、チタン、及び／又は金の層を蒸着させる工程と、
ｃ）フォトレジストを、例えば、ウェハをアセトンに浸し、次にイソプロパノールに浸すことによって除去する工程と、
ｄ）工程ｃ）の第１の基板をブロー乾燥する工程と、
ｅ）任意選択で、先に定義した追加の導電層、例えば、ＳＬＧを、工程ｄ）の第１の基板上に転写する工程と、
ｆ）酸化グラフェン（ＧＯ）溶液を、多孔質膜を通して濾過し、それによって、多孔質膜の上部にＧＯ膜を形成する工程であって、特に、酸化グラフェン（ＧＯ）溶液が水溶液であり、溶液中の酸化グラフェン（ＧＯ）の濃度が０．００１から５ｍｇ／ｍＬであり、濾過された体積が５から１０００ｍＬである、工程と、
ｇ）膜から工程ｅ）の導電層上にＧＯ膜を転写する工程であって、ＧＯ膜が上部の多孔質膜と下部の導電層との間に配置される、工程と、
ｈ）膜を除去する工程であって、それによってＧＯ膜が導電層上に付着したまま残る、工程と、
ｉ）フォトリソグラフィと反応性イオンエッチングの組み合わせを用いてグラフェン含有マイクロ電極の面積を画定する工程と、
ｊ）パッシベーション層、例えば、ポリイミド層をスピンコーティングし、それを硬化させて金属接点を電気的に絶縁する工程と、
ｋ）パッシベーション層を介したフォトリソグラフィ反応性イオンエッチングを用いてマイクロ電極領域をパターンニングして開口する工程と、
ｌ）工程ｋ）のマイクロ電極を、特に、１００から２４０℃の温度で、１０５から４×１０８Ｐａの圧力下、１分から２４時間の期間、水の存在下で、水熱還元する工程と
を含む方法によって製造することができる。
ａ）標準的な光リソグラフィ法を用い、フォトレジストを使用して第１の基板（ＳｉＯ２ウェハなど）をパターニングして、所望のパターン、例えば、フォトレジスト内の直径約２５マイクロメートルの円形パターンを開く工程と、
ｂ）工程ａ）の第１の基板上に、クロム、チタン、及び／又は金の層を蒸着させる工程と、
ｃ）フォトレジストを、例えば、ウェハをアセトンに浸し、次にイソプロパノールに浸すことによって除去する工程と、
ｄ）工程ｃ）の第１の基板をブロー乾燥する工程と、
ｅ）任意選択で、先に定義した追加の導電層、例えば、ＳＬＧを、工程ｄ）の第１の基板上に転写する工程と、
ｆ）酸化グラフェン（ＧＯ）溶液を、多孔質膜を通して濾過し、それによって、多孔質膜の上部にＧＯ膜を形成する工程であって、特に、酸化グラフェン（ＧＯ）溶液が水溶液であり、溶液中の酸化グラフェン（ＧＯ）の濃度が０．００１から５ｍｇ／ｍＬであり、濾過された体積が５から１０００ｍＬである、工程と、
ｇ）膜から工程ｅ）の導電層上にＧＯ膜を転写する工程であって、ＧＯ膜が上部の多孔質膜と下部の導電層との間に配置される、工程と、
ｈ）膜を除去する工程であって、それによってＧＯ膜が導電層上に付着したまま残る、工程と、
ｉ）フォトリソグラフィと反応性イオンエッチングの組み合わせを用いてグラフェン含有マイクロ電極の面積を画定する工程と、
ｊ）パッシベーション層、例えば、ポリイミド層をスピンコーティングし、それを硬化させて金属接点を電気的に絶縁する工程と、
ｋ）パッシベーション層を介したフォトリソグラフィ反応性イオンエッチングを用いてマイクロ電極領域をパターンニングして開口する工程と、
ｌ）工程ｋ）のマイクロ電極を、特に、１００から２４０℃の温度で、１０５から４×１０８Ｐａの圧力下、１分から２４時間の期間、水の存在下で、水熱還元する工程と
を含む方法によって製造することができる。
【0124】
アモルファスｒＧＯ膜の調製方法に関連する上述した特定の実施形態は、電子デバイスの調製方法にも適用される。
【0125】
本明細書及び特許請求の範囲を通して、「含む」という語及びこの語の変形は、他の技術的特徴、添加剤、構成要素又は工程を排除することを意図するものではない。さらに、「含む」という語は、「からなる」の場合を包含する。本発明のさらなる目的、利点及び特徴は、本明細書を検討することで当業者に明らかになり、あるいは、本発明の実施によって理解することができる。以下の実施例及び図面は例示として提供され、それらは本発明を限定することを意図するものではない。さらに、本明細書に記載の特定の好ましい実施形態のすべての可能な組み合わせが本発明の射程に入る。
【実施例】
【0126】
本発明の膜の形態学的及び化学的特性評価
本発明の膜のすべての特性評価試験のためのベース基板は、Ｓｉ／ＳｉＯ２（４００μｍ／１μｍ）の正方形（１×１ｃｍ２）であった。
本発明の膜のすべての特性評価試験のためのベース基板は、Ｓｉ／ＳｉＯ２（４００μｍ／１μｍ）の正方形（１×１ｃｍ２）であった。
【0127】
ＸＰＳ
ＸＰＳ測定は、単色アルミニウムＫα Ｘ線源（１４８６．７４ｅＶ）を使用して、超高真空条件（ベース圧力５×１０－８Ｐａ）で、Ｐｈｏｉｂｏｓ １５０分析器（ＳＰＥＣＳ ＧｍｂＨ、ベルリン、ドイツ）を用いて行った。パスエネルギー５０ｅＶ、ステップサイズ１ｅＶで概要スペクトルを取得し、パスエネルギー２０ｅＶ、ステップサイズ０．０５ｅＶで高分解能スペクトルを取得した。これらの最後の条件における全体的な分解能は、スパッタされた銀のＡｇ ３ｄ５／２ピークの半値幅を測定することによって決定されるとおり、０．５８ｅＶである。
ＸＰＳ測定は、単色アルミニウムＫα Ｘ線源（１４８６．７４ｅＶ）を使用して、超高真空条件（ベース圧力５×１０－８Ｐａ）で、Ｐｈｏｉｂｏｓ １５０分析器（ＳＰＥＣＳ ＧｍｂＨ、ベルリン、ドイツ）を用いて行った。パスエネルギー５０ｅＶ、ステップサイズ１ｅＶで概要スペクトルを取得し、パスエネルギー２０ｅＶ、ステップサイズ０．０５ｅＶで高分解能スペクトルを取得した。これらの最後の条件における全体的な分解能は、スパッタされた銀のＡｇ ３ｄ５／２ピークの半値幅を測定することによって決定されるとおり、０．５８ｅＶである。
【0128】
ＸＲＤ
ＸＲＤ測定（θ－２θスキャン）を、Ｍａｌｖｅｒｎ ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌのＭａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｅｒ（ＭＲＤ）で行った。この回折計は、４つの円形状の水平オメガ－２シータゴニオメータ（半径３２０ｍｍ）を有し、Ｃｕ Ｋαアノード（λ＝１．５４０５９８Å）を有するセラミックＸ線管で動作した。使用した検出器は、Ｍｅｄｉｐｉｘ２テクノロジーに基づく高速Ｘ線検出器であるＰｉｘｃｅｌである。
ＸＲＤ測定（θ－２θスキャン）を、Ｍａｌｖｅｒｎ ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌのＭａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｅｒ（ＭＲＤ）で行った。この回折計は、４つの円形状の水平オメガ－２シータゴニオメータ（半径３２０ｍｍ）を有し、Ｃｕ Ｋαアノード（λ＝１．５４０５９８Å）を有するセラミックＸ線管で動作した。使用した検出器は、Ｍｅｄｉｐｉｘ２テクノロジーに基づく高速Ｘ線検出器であるＰｉｘｃｅｌである。
【0129】
ＴＥＭ
ＥＧＮＩＴＥサンプルの断面試験のために、ＦＩＢラメラをＨｅｌｉｏｓ ＮａｎｏＬａｂ ＤｕａｌＢｅａｍ（ＬＭＡ－ＩＮＡ、サラゴサ）で準備した。ＨＲＴＥＭ及びＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ技術を含む、２００ｋＶで操作したＴＥＣＮＡＩ Ｆ２０ ＴＥＭを使用した透過型電子顕微鏡法によって構造分析を行った。
ＥＧＮＩＴＥサンプルの断面試験のために、ＦＩＢラメラをＨｅｌｉｏｓ ＮａｎｏＬａｂ ＤｕａｌＢｅａｍ（ＬＭＡ－ＩＮＡ、サラゴサ）で準備した。ＨＲＴＥＭ及びＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ技術を含む、２００ｋＶで操作したＴＥＣＮＡＩ Ｆ２０ ＴＥＭを使用した透過型電子顕微鏡法によって構造分析を行った。
【0130】
ＳＴＥＭ－ＥＥＬＳ
ＳＴＥＭ－ＥＥＬＳ実験は、２００ＫｅＶで動作するＴｅｃｎａｉ Ｆ２０顕微鏡で、５ｍｍの開口、３０ｍｍのカメラ長、収束角１２．７ｍｒａｄ及び収集角８７．６ｍｒａｄで行った。コア損失取得の開始エネルギーとして０．５ｅＶ／ｐｘ及び２５０ｅＶを使用したため、１８３９ｅＶで予想されるＳｉ ｋエッジ、２１２２ｅＶでのＰｔ Ｍエッジ、及び２２０６ｅＶでのＡｕ Ｍエッジは取得されなかった。相対的なＣ－Ｏ原子組成は、ＧＯ層に注目し、分析されたエッジ（この場合はＣとＯ）の合計が１００％であると仮定して取得した。この仮定は、ＳＩマップで証明されるように、本発明の場合に有効である。エネルギー微分断面積は、Ｈａｒｔｒｅｅ－Ｓｌａｔｅｒモデルを使用して計算し、バックグラウンドは、低出力モデルを使用して計算した。
ＳＴＥＭ－ＥＥＬＳ実験は、２００ＫｅＶで動作するＴｅｃｎａｉ Ｆ２０顕微鏡で、５ｍｍの開口、３０ｍｍのカメラ長、収束角１２．７ｍｒａｄ及び収集角８７．６ｍｒａｄで行った。コア損失取得の開始エネルギーとして０．５ｅＶ／ｐｘ及び２５０ｅＶを使用したため、１８３９ｅＶで予想されるＳｉ ｋエッジ、２１２２ｅＶでのＰｔ Ｍエッジ、及び２２０６ｅＶでのＡｕ Ｍエッジは取得されなかった。相対的なＣ－Ｏ原子組成は、ＧＯ層に注目し、分析されたエッジ（この場合はＣとＯ）の合計が１００％であると仮定して取得した。この仮定は、ＳＩマップで証明されるように、本発明の場合に有効である。エネルギー微分断面積は、Ｈａｒｔｒｅｅ－Ｓｌａｔｅｒモデルを使用して計算し、バックグラウンドは、低出力モデルを使用して計算した。
【0131】
実施例１－ＳｉＯ２上の水熱還元型酸化グラフェン膜（ＨＴｒＧＯ）
水熱還元型酸化グラフェン膜は、以下の３つの工程で合成される。
工程１：濾過 ２０ｍＬの０．１５ｍｇ／ｍＬ酸化グラフェン水溶液（ＧＯ）（Ｎ００２－ＰＳ－１．０酸化グラフェン溶液、Ａｎｇｓｔｒｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓを使用すると、このＧＯは通常、０．５から１．０のＣ／Ｏ比を示す）を、２５ｎｍの細孔を有するニトロセルロース膜（ＶＳＷＰ０４７００、ＭＦ－Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ（商標）メンブレンフィルター、親水性、０．０２５μｍ、４７ｍｍ、白色、無地）を通して濾過した。名目上、ＧＯ溶液は、幅５５４ｎｍ（平均ｘ－ｙ横方向寸法）で厚さ１～１．２ｎｍ（平均ｚ方向寸法）のフレークを含有した。膜の上に厚さ１５００ｎｍのＧＯ膜を置いて濾過した。濾過プロセスでは、１０ＫＰａの真空を生成することができるポンプを使用する。
水熱還元型酸化グラフェン膜は、以下の３つの工程で合成される。
工程１：濾過 ２０ｍＬの０．１５ｍｇ／ｍＬ酸化グラフェン水溶液（ＧＯ）（Ｎ００２－ＰＳ－１．０酸化グラフェン溶液、Ａｎｇｓｔｒｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓを使用すると、このＧＯは通常、０．５から１．０のＣ／Ｏ比を示す）を、２５ｎｍの細孔を有するニトロセルロース膜（ＶＳＷＰ０４７００、ＭＦ－Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ（商標）メンブレンフィルター、親水性、０．０２５μｍ、４７ｍｍ、白色、無地）を通して濾過した。名目上、ＧＯ溶液は、幅５５４ｎｍ（平均ｘ－ｙ横方向寸法）で厚さ１～１．２ｎｍ（平均ｚ方向寸法）のフレークを含有した。膜の上に厚さ１５００ｎｍのＧＯ膜を置いて濾過した。濾過プロセスでは、１０ＫＰａの真空を生成することができるポンプを使用する。
【0132】
工程２：転写 その後、ニトロセルロース膜の裏面を、１ｃｍ２当たり１ｍｌのジオン化水を使用して再水和した。次に、膜を、ＧＯ膜を間に挟んで、ＳｉＯ２ウェハ（ＭｉｃｒｏＣｈｅｍｉｃａｌｓ ＧｍｂＨ）に対して配置した。窒素を膜側から３０秒間吹き付け、膜－ＧＯ膜－ＳｉＯ２を２０ｋｇ／ｃｍ２を少なくとも１秒間印加することによってプレスした。この工程の後、膜をＳｉＯ２から剥離すると、ＧＯ膜はＳｉＯ２ウェハ上に付着したまま残った。
【0133】
工程３：還元 次いで、ＧＯ膜を有するＳｉＯ２ウェハをオートクレーブに入れ、１３５℃で３時間水熱還元した。
【0134】
上記のようにして調整した膜は、以下の特性を示した。
－ＸＰＳによって示される還元型ＧＯ（図４ａ及び４ｂ）
－ＸＰＳによって示される還元型ＧＯ（図４ａ及び４ｂ）
【0135】
実施例２－追加の導電性支持体（単層グラフェン）を備えた水熱還元型酸化グラフェン膜（ＨＴｒＧＯ）
単層グラフェン（ＳＬＧ）を、銅箔（Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ Ｃｏａｔｅｄ）上に化学蒸着によって成長させた。銅箔を、３ゾーンオーブンによって加熱した平面石英管（長さ：１６００ｍｍ、内径：６０ｍｍ）に入れた。１００００Ｐａ（１０ＫＰａ）で４００ｓｃｃｍのアルゴン流下、１０１５℃で１時間の最初のアニーリング工程に続いて、１０００ｓｃｃｍのアルゴン、２００ｓｃｃｍの水素及び２ｓｃｃｍのメタンのガス混合下、１２００Ｐａ（１．２ＫＰａ）で１５分間の成長工程を行った。
単層グラフェン（ＳＬＧ）を、銅箔（Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ Ｃｏａｔｅｄ）上に化学蒸着によって成長させた。銅箔を、３ゾーンオーブンによって加熱した平面石英管（長さ：１６００ｍｍ、内径：６０ｍｍ）に入れた。１００００Ｐａ（１０ＫＰａ）で４００ｓｃｃｍのアルゴン流下、１０１５℃で１時間の最初のアニーリング工程に続いて、１０００ｓｃｃｍのアルゴン、２００ｓｃｃｍの水素及び２ｓｃｃｍのメタンのガス混合下、１２００Ｐａ（１．２ＫＰａ）で１５分間の成長工程を行った。
【0136】
湿式化学法を用いて、グラフェンを銅箔からＳｉＯ２基板に転写した。最初に、ポリ（メチルメタクリレート）ＰＭＭＡ Ａ２（ＭｉｃｒｏＣｈｅｍ）をグラフェン／銅箔上に堆積させ、１２時間乾燥させた。続いて、裏面グラフェンをエッチングした。これを達成するために、ＦｅＣｌ３／ＨＣｌ（０．５Ｍ／２Ｍ）で構成されたエッチャント溶液の表面にサンプルを２分間置いた。次いで、サンプル側の背面を水で洗い流した。サンプルをエッチング液上に置き、少なくとも６時間銅を除去した。次いで、サンプルを水中で数回洗浄し、ＳｉＯ２ウェハ上に転写した。ウェハをホットプレート上で４０℃にて３０分間乾燥させ、次いで真空オーブン内で１８０℃まで徐々にアニールした。最後に、ＰＭＭＡをアセトン及びイソプロパノールに溶解した。
【0137】
ＧＯ膜を実施例１の工程１及び２で説明したように調整及び転写し、ＳｉＯ２ウェハをこの実施例に記載されるＳＬＧ／ＳｉＯ２スタックで置き換えた。使用される転写方法は、Hebertら, Advanced Functional Materials,Vol.28(2018年3月）に記載されているものである。最後に、ＧＯ／ＳＬＧ／ＳｉＯ２ウェハをオートクレーブに入れ、１３５℃で３時間水熱還元した。
【0138】
ＨＴｒＧＯの構造特性は実施例１と同様であった。ただし、この場合、ＧＯ膜は、導電性透明層（ＳＬＧ）上に配置された。
【0139】
実施例３－ＨＴｒＧＯ／ＳＬＧスタック（ＥＧＮＩＴＥ）に基づくマイクロ電極
単層グラフェン（ＳＬＧ）を実施例２で説明したように成長させた。
金属マイクロ電極を以下のようにＳｉＯ２ウェハ上に画定した。最初に、標準的な光リソグラフィ法を使用してフォトレジスト（ＡＺ５２１４ ＭｉｃｈｒｏＣｈｅｍｉｃａｌｓ ＧｍｂＨ）でウェハをパターニングし、その結果、直径２５マイクロメートルの円形パターンがフォトレジストに開口した。その後、クロム（１０ｎｍ）／金（２００ｎｍ）の層をウェハ上に蒸着した。その後、ウェハをアセトンに浸漬し、次いでイソプロパノールに浸漬することによってフォトレジストを除去し、最後にウェハをブロー乾燥した。次いで、実施例２で説明したように、マイクロ電極付きウェハ上にＳＬＧを転写した。濾過されたＧＯ膜を、実施例１の工程１及び２に記載されているようにＳＬＧ上に転写し、このとき、ＳｉＯ２ウェハは、実施例２に記載されているＳＬＧ／ＳｉＯ２スタックによって置き換えられる。このとき、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチングを組み合わせを用いることによって、グラフェン含有マイクロ電極の面積を画定した。次に、ポリイミドＰＩ ２６１１（ＨＤ ＭｉｃｒｏＳｙｓｔｅｍｓ）の層のパッシベーションをスピンコーティングし、硬化させて金属接点を電気的に絶縁した。次いで、マイクロ電極領域をフォトリソグラフィでパターニングし、ポリイミドを介した反応性イオンエッチングで開口した。
単層グラフェン（ＳＬＧ）を実施例２で説明したように成長させた。
金属マイクロ電極を以下のようにＳｉＯ２ウェハ上に画定した。最初に、標準的な光リソグラフィ法を使用してフォトレジスト（ＡＺ５２１４ ＭｉｃｈｒｏＣｈｅｍｉｃａｌｓ ＧｍｂＨ）でウェハをパターニングし、その結果、直径２５マイクロメートルの円形パターンがフォトレジストに開口した。その後、クロム（１０ｎｍ）／金（２００ｎｍ）の層をウェハ上に蒸着した。その後、ウェハをアセトンに浸漬し、次いでイソプロパノールに浸漬することによってフォトレジストを除去し、最後にウェハをブロー乾燥した。次いで、実施例２で説明したように、マイクロ電極付きウェハ上にＳＬＧを転写した。濾過されたＧＯ膜を、実施例１の工程１及び２に記載されているようにＳＬＧ上に転写し、このとき、ＳｉＯ２ウェハは、実施例２に記載されているＳＬＧ／ＳｉＯ２スタックによって置き換えられる。このとき、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチングを組み合わせを用いることによって、グラフェン含有マイクロ電極の面積を画定した。次に、ポリイミドＰＩ ２６１１（ＨＤ ＭｉｃｒｏＳｙｓｔｅｍｓ）の層のパッシベーションをスピンコーティングし、硬化させて金属接点を電気的に絶縁した。次いで、マイクロ電極領域をフォトリソグラフィでパターニングし、ポリイミドを介した反応性イオンエッチングで開口した。
【0140】
最後に、ＧＯ／ＳＬＧ／金属マイクロ電極を含むウェハをオートクレーブに入れ、１３５℃で３時間水熱還元した。
【0141】
直径２５マイクロメートルの電極の電気化学的特性を、３電極構成を使用するＳＰ－２００ Ｂｉｏ－Ｌｏｇｉｃポテンショスタットを備えたリン酸緩衝液（ＰＢＳ）０．５Ｍ中で特性評価した。作用電極をグラフェンマイクロ電極に接続し、対極を大きな白金線とし、参照電極をＡｇ／ＡｇＣｌとした。
【0142】
サイクリックボルタンメトリー特性評価（－０．９から＋０．９Ｖ）により、１．８Ｖの広い電位窓を有する準理想的な容量挙動が明らかになった。これらの測定から、５０ｍＦ／ｃｍ２の静電容量（直径２５マイクロメートルの電極の幾何学的面積によって正規化される）及び４０ｍＣ／ｃｍ２の電荷蓄積容量（ＣＳＣ）が得られた。表面積対体積比（ＳＡＶＲ）は、２×１０９ｍ－１である。
【0143】
電荷注入限界を調べるために、電流パルス実験（パルス幅１ｍｓ）をマイクロ電極に注入した。この測定により、電位窓の安全限界を超えることなく、８ｍＣ／ｃｍ２の電荷注入限界を注入できることが証明された。
【0144】
マイクロ電極の電気化学インピーダンス分光法により、１ｋＨｚの周波数で２０ｋΩのインピーダンスが明らかになった。
【0145】
実施例４－ＨＴｒＧＯ／ＳＬＧスタックに基づく可撓性マイクロ電極アレイ
８×８マトリックスに配列され、１．４４ｍｍ２の総面積をカバーする６４個のマイクロ電極のアレイを用意した。マイクロ電極は、２５μｍの直径を有し、互いに３００μｍ離間している。
８×８マトリックスに配列され、１．４４ｍｍ２の総面積をカバーする６４個のマイクロ電極のアレイを用意した。マイクロ電極は、２５μｍの直径を有し、互いに３００μｍ離間している。
【0146】
まず、厚さ１０μｍのポリイミド（ＰＩ，ＰＩ ２６１１ ＨＤマイクロシステム）の層をＳｉＯ２ウェハの上にスピンコーティングし、硬化させた。この基板ＰＩ層上に、光リソグラフィと電子ビーム金属蒸着を用いて、金リード（Ｔｉ及びＡｕ、１０ｎｍのＴｉ及び２００ｎｍのＡｕ、の二層からなる）をパターニングした。これに続いて、ＳＬＧ及びＧＯ膜を転写し、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングによってそれらのパターニングを行った。次に、マイクロ電極上に開口部を有するＰＩのパッシベーション層によって、リードのいかなる漏れも防止した。次いで、光リソグラフィと反応性イオンエッチングの組み合わせを用いて、ＰＩの基板及びパッシベーション層を切断することによってデバイスの縁部をパターニングした。最後に、デバイスをＳｉＯ２ウェハから剥がし、滅菌パウチに入れて１３５℃のオートクレーブに３時間入れた。
【0147】
可撓性アレイ内のマイクロ電極の電気化学的特性（電荷蓄積容量、電荷注入限界、及びインピーダンス）は、製造された個々のマイクロ電極について実施例３で報告されたものと同じである。
【0148】
実施例５－追加の導電性支持体（金）を備えたＨＴｒＧＯに基づく可撓性マイクロ電極アレイ（ＥＧＮＩＴＥ）
デバイスを４インチＳｉ／ＳｉＯ２（４００μｍ／１μｍ）ウェハ上に作製した。まず、厚さ１０μｍのポリイミド層（ＰＩ－２６１１、ＨＤ ＭｉｃｒｏＳｙｓｔｅｍｓ）をウェハ上にスピンコートし、窒素リッチの雰囲気中、３５０℃で３０分間ベークした。金属トレースを、画像反転フォトレジスト（ＡＺ５２１４、Ｍｉｃｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓ ＧｍｂＨ、ドイツ）の光リソグラフィを使用してパターニングした。電子ビーム蒸着を使用して、２０ｎｍのＴｉ及び２００のＡｕを堆積させた。
実施例１の工程１及び２で説明したようにＧＯ膜を調整及び転写し、ＳｉＯ２ウェハを金ポリイミドシリコンオキシドで置換し、次いでＧＯ膜を厚さ１００ｎｍのアルミニウムマスクを使用して構造化した。具体的には、アルミニウムのカラムを電子ビーム蒸着し、負のフォトレジスト（ｎＬＯＦ ２０７０、Ｍｉｃｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓ ＧｍｂＨ、ドイツ）を使用したリフトオフによって将来のマイクロ電極の上に画定した。次に、ＧＯ膜を、５００Ｗで５分間、酸素反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を使用して、将来のマイクロ電極を除くすべての場所をエッチングした。その後、保護Ａｌカラムをリン酸及び硝酸の希釈溶液でエッチングした。この工程で得られたＧＯ膜は、導電体基板の上に完全に置かれていた。その後、ＰＩ－２６１１の厚さ３μｍの層をウェハ上に堆積させ、先のように焼成した。次いで、マイクロ電極上のＰＩ－２６１１開口部を、後続の酸素ＲＩＥのマスクとして機能するポジ型の厚いフォトレジスト（ＡＺ９２６０、Ｍｉｃｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓ ＧｍｂＨ、ドイツ）を使用して画定した。その後、再びＡＺ９２６０フォトレジスト及びＲＩＥを使用して、デバイスをＰＩ層上にパターニングした。次いで、フォトレジスト層をアセトン中で除去し、ウェハをイソプロピルアルコール中で洗浄し、乾燥させた。最後に、デバイスをウェハから剥がし、滅菌パウチに入れ、標準的なオートクレーブ中、１３４℃で３時間水熱還元した。
デバイスを４インチＳｉ／ＳｉＯ２（４００μｍ／１μｍ）ウェハ上に作製した。まず、厚さ１０μｍのポリイミド層（ＰＩ－２６１１、ＨＤ ＭｉｃｒｏＳｙｓｔｅｍｓ）をウェハ上にスピンコートし、窒素リッチの雰囲気中、３５０℃で３０分間ベークした。金属トレースを、画像反転フォトレジスト（ＡＺ５２１４、Ｍｉｃｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓ ＧｍｂＨ、ドイツ）の光リソグラフィを使用してパターニングした。電子ビーム蒸着を使用して、２０ｎｍのＴｉ及び２００のＡｕを堆積させた。
実施例１の工程１及び２で説明したようにＧＯ膜を調整及び転写し、ＳｉＯ２ウェハを金ポリイミドシリコンオキシドで置換し、次いでＧＯ膜を厚さ１００ｎｍのアルミニウムマスクを使用して構造化した。具体的には、アルミニウムのカラムを電子ビーム蒸着し、負のフォトレジスト（ｎＬＯＦ ２０７０、Ｍｉｃｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓ ＧｍｂＨ、ドイツ）を使用したリフトオフによって将来のマイクロ電極の上に画定した。次に、ＧＯ膜を、５００Ｗで５分間、酸素反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を使用して、将来のマイクロ電極を除くすべての場所をエッチングした。その後、保護Ａｌカラムをリン酸及び硝酸の希釈溶液でエッチングした。この工程で得られたＧＯ膜は、導電体基板の上に完全に置かれていた。その後、ＰＩ－２６１１の厚さ３μｍの層をウェハ上に堆積させ、先のように焼成した。次いで、マイクロ電極上のＰＩ－２６１１開口部を、後続の酸素ＲＩＥのマスクとして機能するポジ型の厚いフォトレジスト（ＡＺ９２６０、Ｍｉｃｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓ ＧｍｂＨ、ドイツ）を使用して画定した。その後、再びＡＺ９２６０フォトレジスト及びＲＩＥを使用して、デバイスをＰＩ層上にパターニングした。次いで、フォトレジスト層をアセトン中で除去し、ウェハをイソプロピルアルコール中で洗浄し、乾燥させた。最後に、デバイスをウェハから剥がし、滅菌パウチに入れ、標準的なオートクレーブ中、１３４℃で３時間水熱還元した。
【0149】
上記のようにして作製した膜は、以下の特性を示した。
－ｒＧＯ層のスタックを含む約１５００ｎｍの総膜厚を有する膜（図２Ａを参照）
－２５×２５μｍ２の面積に対して約５５ｎｍの二乗平均平方根粗さ（図２Ｂ）
－ＨＲＴＥＭ（図３ａ～ｄ）及びＸＲＤ（図３ｅ）によって明らかにされる約０．４ｎｍの積層間距離
－ラマンスペクトルにおけるＤ対Ｇ比は、２０×２０μｍ２の面積に対して１．１４であり、欠陥のある炭素材料であることを示していた（図３ｆ参照）
－約０．２Ω・ｃｍの抵抗率（図４ｃ）
－ＥＥＬＳ－ＥＤＸから推定される膜のバルクの元素組成は、炭素８５％超、酸素１５％未満であった（図５）
－ｒＧＯ層のスタックを含む約１５００ｎｍの総膜厚を有する膜（図２Ａを参照）
－２５×２５μｍ２の面積に対して約５５ｎｍの二乗平均平方根粗さ（図２Ｂ）
－ＨＲＴＥＭ（図３ａ～ｄ）及びＸＲＤ（図３ｅ）によって明らかにされる約０．４ｎｍの積層間距離
－ラマンスペクトルにおけるＤ対Ｇ比は、２０×２０μｍ２の面積に対して１．１４であり、欠陥のある炭素材料であることを示していた（図３ｆ参照）
－約０．２Ω・ｃｍの抵抗率（図４ｃ）
－ＥＥＬＳ－ＥＤＸから推定される膜のバルクの元素組成は、炭素８５％超、酸素１５％未満であった（図５）
【0150】
実施例６－げっ歯類における皮質活性のインビボ記録
このセクションでは、低ノイズでインビボ神経活動を記録するための実施例４のマイクロ電極アレイの適合性を示す。そのために、本発明によるマイクロ電極のアレイを含む可撓性マイクロ皮質電図検査（μＥＣｏＧ）デバイスを、聴覚刺激を提示しながら聴覚皮質の表面に配置して、その領域の神経生理学的活動を記録した（図６（ａ））。
このセクションでは、低ノイズでインビボ神経活動を記録するための実施例４のマイクロ電極アレイの適合性を示す。そのために、本発明によるマイクロ電極のアレイを含む可撓性マイクロ皮質電図検査（μＥＣｏＧ）デバイスを、聴覚刺激を提示しながら聴覚皮質の表面に配置して、その領域の神経生理学的活動を記録した（図６（ａ））。
【0151】
使用されるデバイスの設計 ２つの可撓性マイクロ皮質電図デバイスを使用した、すなわち、１つは本発明のアレイ（ＥＧＮＩＴＥと呼ばれる）に基づくものとし、もう１つは白金（Ｐｔ）基づくものとした。両方のデバイスは、６４個のマイクロ電極の可撓性アレイから構成されていた。本発明のマイクロ電極の直径は２５μｍであり、Ｐｔ電極の直径は６０μｍであった。マイクロ電極間の間隔は、本発明のアレイでは３００μｍであり、Ｐｔアレイでは５００μｍであった。
【0152】
使用するデバイスの作製実施例４で説明したように、本発明によるデバイスを作製した。Ｐｔベースのデバイスは、商業的に入手した（Ｅ６４－５００－２０－６０、ＮｅｕｒｏＮｅｘｕｓ、米国）。
【0153】
使用したデバイスの特性評価 実験を開始する前に、両方のアレイのインピーダンスを１ｋＨｚで測定した。発明によるデバイスについては、５５±１５ｋΩのメジアンインピーダンスが得られた一方で、Ｐｔアレイについては、６５０±２００ｋΩが得られた（図６ｂ）。
【0154】
インビボ神経記録設定及びプロトコル 次に、マイクロ皮質電図検査（μＥＣｏＧ）デバイスをげっ歯類の聴覚新皮質上に同時に配置せず（図６（ｃ）の本発明によるデバイス）、８ｋＨｚの純音を表示した。神経生理学的シグナルを増幅し、多重化し、デジタル化し、０．１Ｈｚでハイパスフィルタリングした。
【0155】
インビボ神経記録結果図６（ｄ）及び図６ｅは、それぞれ本発明によるデバイス及びＰｔデバイスによって記録された信号を示す。これらの両方において、誘起局所場電位（ＬＦＰ）は、オーディオ信号の開始後約３０ｍｓでベースラインに対して約５００μＶの振幅に達することを検出することができた。本発明のマイクロ電極のみが、おそらくは聴覚皮質におけるその局在化のために、音声信号のオフセットにＬＦＰを記録した。死後の条件下での電極の固有ノイズは、本発明によるデバイス及びＰｔについても、それぞれ図６（ｄ）及び（ｅ）において、誘発されたＬＦＰ上に重なって示されている。本発明によるデバイスの場合、ピーク間振幅は１２μＶであったのに対し、Ｐｔは１５μＶに達した。
【0156】
インビボ及び死後の信号からのパワースペクトル密度（ＰＳＤ）を観察することで、本発明によるデバイスの記録能力をさらに検証して、Ｐｔと比較することができる（図６（ｆ））。死後のデータの分析から、ＰＳＤを１０Ｈｚと１０ｋＨｚとの間で積分した場合、Ｐｔの３．２μＶに対して、本発明によるデバイスでは、２．９μＶのｒｍｓノイズが得られた。インビボデータのＰＳＤ試験は、本発明のマイクロ電極が、２０Ｈｚから１０ｋＨｚにおいて、Ｐｔ電極よりも多くの神経生理学的データを捕捉できることを示した。この現象は、図６（ｇ）でも観察することができ、この図では、シグナル対ノイズ比（ＳＮＲ）を、インビボ及び死後のシグナルを使用して計算した。そこでは、本発明のマイクロ電極の固有ノイズがＰｔに対してより低いために、本発明によるデバイスのＳＮＲは、２Ｈｚから２ｋＨｚで、Ｐｔを１桁上回り、２～８ｋＨｚの範囲で５倍に達した。
【0157】
実施例７－ラットにおけるインビボ神経活性刺激
このセクションでは、選択的神経刺激のための埋込み型神経補綴デバイスに使用される本発明によるマイクロ電極の適合性を提示する。そのために、実施例４のマイクロ電極アレイを作製し、急性実験においてラットの坐骨神経に横方向に埋め込んだ。デバイスは、神経内の異なる神経束の軸索サブセットを選択的に刺激し、その間に、足底（ＰＬ）、腓腹筋（ＧＭ）及び前脛骨筋（ＴＡ）の筋肉の活性化を筋電図（ＥＭＧ）信号によって記録した（図７（ａ））。
このセクションでは、選択的神経刺激のための埋込み型神経補綴デバイスに使用される本発明によるマイクロ電極の適合性を提示する。そのために、実施例４のマイクロ電極アレイを作製し、急性実験においてラットの坐骨神経に横方向に埋め込んだ。デバイスは、神経内の異なる神経束の軸索サブセットを選択的に刺激し、その間に、足底（ＰＬ）、腓腹筋（ＧＭ）及び前脛骨筋（ＴＡ）の筋肉の活性化を筋電図（ＥＭＧ）信号によって記録した（図７（ａ））。
【0158】
使用されるデバイスの設計 インプラントは、それぞれが本発明による直径２５μｍの１８個のマイクロ電極を上面に有する長い可撓性の折り畳み可能なストライプから構成されていた。ストライプは、１８個のマイクロ電極が９個からなる２つのアレイに振り分けられ、それぞれがストライプの片側に面するようにＶ字形に折り畳まれた。このようにして、２つのアレイは、それぞれ、ラットの坐骨神経の直径と同様の長さである１．２ｍｍの全長に及ぶ。
【0159】
使用するデバイスの作製 実施例４で説明したようにデバイスを作製した。
【0160】
使用したデバイスの特性評価 埋め込みを開始する前に、マイクロ電極の特性評価を行い、４００μＡ及び１００μｓ／相持続時間の二相パルスで８ｍＣ／ｃｍ２を確実に注入するのに適していること、及び、平均インピーダンスが５５±１５ｋΩであることを実証した。
【0161】
インビボ神経刺激設定及びプロトコル 次に、デバイスを、麻酔をかけたラットの坐骨神経の線維束内に、９個のマイクロ電極からなる２つのアレイがＰＬ、ＧＭ及びＴＡ筋の神経支配を担う束又は副束を横切るように、埋め込んだ（図７（ｂ、ｃ））。その後、電気刺激を各マイクロ電極を通して神経に注入し、３つの筋肉のそれぞれで取り出される複合筋活動電位（ＣＭＡＰ）の振幅を、ＧＭ、ＰＬ及びＴＡ筋腹に挿入した単極針を通してモニタリングした。測定された振幅は、坐骨神経におけるステンレス鋼針電極を使用した最大強度での外部刺激によって事前に得られた最大ＣＭＡＰ振幅に対して正規化した。刺激は、神経の近位に配置された外部参照電極に対して０から１００μＡの範囲の増加する電流振幅を有する１００個の二相性パルスの列で構成された。
【0162】
インビボ神経刺激の結果 ＰＬ、ＧＭ及びＴＡの３つの筋肉はすべて、誘発された刺激の結果として収縮を示した（図７（ｄ、ｅ））。刺激と筋反応との間の遅延は、神経に沿った信号伝達時間に起因して約２０ｍｓであった。筋反応は、注入された電流の振幅と共に増加し、特定の閾値より上でのみ生じた。閾値よりも連続的に高い電流を注入すると、最終的に筋収縮が飽和する（図６）。低い閾値を実現することは、組織に起こり得る損傷を最小限に抑えるために非常に重要である。本発明によるデバイスを用いて得られた閾値を文献（表１）と比較すると、本発明によるマイクロ電極を用いて行われた刺激（ＥＧＮＩＴＥ）は、すべての場合において、５％及び９５％について以前に報告された最小活性化閾値の両方を、２倍から３倍低下させ得るということが起こっている。
【0163】
【表1】
【0164】
実施例８－生体適合性試験
基板へのタンパク質吸着
熱不活化ウシ胎児血清（ＦＢＳ、Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）を異なる基板（すなわち、実施例５のＥＧＮＩＴＥ；ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）ポリスチレンスルホネート、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、以後ＰＥＤＯＴと呼ぶ、又は、組織培養ポリスチレン、ＴＣＰＳ）の４つのリピート上にドロップキャスト（１５０μＬ）した。室温で４時間インキュベートした後、過剰のＦＢＳを吸引し、基板をＰＢＳ（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）で２回洗浄して非吸着タンパク質を除去した。次いで、サンプルを、蒸留水（Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ、Ｍｅｒｃｋ、英国）中１％ドデシル硫酸ナトリウム（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）と共に室温で３０分間インキュベートして、吸着したタンパク質を脱着させた。Ｐｉｅｒｃｅ ＢＣＡ Ａｓｓａｙ Ｋｉｔ（Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ、英国）及び吸光度測定用の５６２ｎｍで作動する分光測光プレートリーダー（Ｆｌｕｏｓｔａｒ Ｏｍｅｇａ、ＢＭＧ Ｌａｂｔｅｃｈ、英国）を使用し、製造元の取扱説明書に従って、総タンパク質含有量を定量した。得られた結果によれば、細胞が基板上に付着して増殖する能力について、ＥＧＮＩＴＥとＴＣＰＳとの間に有意差（基準となる組織培養ポリスチレン）は予測されない。
基板へのタンパク質吸着
熱不活化ウシ胎児血清（ＦＢＳ、Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）を異なる基板（すなわち、実施例５のＥＧＮＩＴＥ；ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）ポリスチレンスルホネート、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、以後ＰＥＤＯＴと呼ぶ、又は、組織培養ポリスチレン、ＴＣＰＳ）の４つのリピート上にドロップキャスト（１５０μＬ）した。室温で４時間インキュベートした後、過剰のＦＢＳを吸引し、基板をＰＢＳ（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）で２回洗浄して非吸着タンパク質を除去した。次いで、サンプルを、蒸留水（Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ、Ｍｅｒｃｋ、英国）中１％ドデシル硫酸ナトリウム（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）と共に室温で３０分間インキュベートして、吸着したタンパク質を脱着させた。Ｐｉｅｒｃｅ ＢＣＡ Ａｓｓａｙ Ｋｉｔ（Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ、英国）及び吸光度測定用の５６２ｎｍで作動する分光測光プレートリーダー（Ｆｌｕｏｓｔａｒ Ｏｍｅｇａ、ＢＭＧ Ｌａｂｔｅｃｈ、英国）を使用し、製造元の取扱説明書に従って、総タンパク質含有量を定量した。得られた結果によれば、細胞が基板上に付着して増殖する能力について、ＥＧＮＩＴＥとＴＣＰＳとの間に有意差（基準となる組織培養ポリスチレン）は予測されない。
【0165】
ニューロン細胞培養物
ヒト神経芽腫細胞（ＳＨ－ＳＹ５Ｙ（ＡＴＣＣ（登録商標）ＣＲＬ－２２６６（商標））、ＬＧＣ標準、英国）をＤＭＥＭ、すなわち、２０ｍＭグルタミン（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）、１０％ ＦＢＳ（英国Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃのＧｉｂｃｏ）、１０００単位ペニシリン及び１ｍｇ／ｍＬストレプトマイシン（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）を補充したＦ１２細胞培養培地（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）で、加湿５％のＣＯ２インキュベーター（ＮｕＡｉｒｅ、米国）中、３７℃で維持した。細胞を、８０％のコンフルエンスに達したときに、０．０５％トリプシンＥＤＴＡ溶液（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）を使用して週に２回継代した。すべての実験は、２０未満の継代数を有する細胞を使用して行った。
ヒト神経芽腫細胞（ＳＨ－ＳＹ５Ｙ（ＡＴＣＣ（登録商標）ＣＲＬ－２２６６（商標））、ＬＧＣ標準、英国）をＤＭＥＭ、すなわち、２０ｍＭグルタミン（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）、１０％ ＦＢＳ（英国Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃのＧｉｂｃｏ）、１０００単位ペニシリン及び１ｍｇ／ｍＬストレプトマイシン（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）を補充したＦ１２細胞培養培地（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）で、加湿５％のＣＯ２インキュベーター（ＮｕＡｉｒｅ、米国）中、３７℃で維持した。細胞を、８０％のコンフルエンスに達したときに、０．０５％トリプシンＥＤＴＡ溶液（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）を使用して週に２回継代した。すべての実験は、２０未満の継代数を有する細胞を使用して行った。
【0166】
細胞生存率アッセイ
ＳＨＳＹ５Ｙ細胞を、１２ウェルプレート（最終容量１ｍＬ、Ｃｏｒｎｉｎｇ、米国）に基板あたり５００００細胞（すなわち、実施例５のＥＧＮＩＴＥ、ＰＥＤＯＴ、ＴＣＰ）で播種した。ＴＣＰＳウェル上で増殖させた細胞の培地に１０％ ＤＭＳＯを添加することによって、細胞死のポジティブコントロールを確立した。異なる基板上での２４時間の細胞増殖後、レサズリンナトリウム塩（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）をＰＢＳに溶解して０．１５ｍｇ．ｍＬ－１（１０×溶液）にすることによって得られた滅菌濾過レサズリン溶液を各ウェルに添加して、１０倍希釈にした。３７℃で２時間インキュベートした後、１５０μＬの細胞培養上清を黒色９６ウェルプレート（Ｇｒｅｉｎｅｒ Ｂｉｏ－ｏｎｅ、ドイツ）に移し、残りの培地を吸引し、細胞をＰＢＳで洗浄し、新鮮な完全細胞培養培地を添加し、細胞を次回のために３７℃でインキュベートした。９６ウェルプレートから生じる蛍光を、Ｆｌｕｏｓｔａｒ Ｏｍｅｇａプレートリーダー（ＢＭＧ Ｌａｂｔｅｃｈ、英国）を使用して、５６０ｎｍの励起波長及び５９０ｎｍの発光波長で測定した。蛍光値を正規化して、ＴＣＰＳサンプルの平均蛍光とした。異なる基板上での４８時間の細胞増殖後、同じ手順を行った。４８時間での残りの細胞を使用して、細胞計数を行った（トリパンブルーアッセイ）。
ＳＨＳＹ５Ｙ細胞を、１２ウェルプレート（最終容量１ｍＬ、Ｃｏｒｎｉｎｇ、米国）に基板あたり５００００細胞（すなわち、実施例５のＥＧＮＩＴＥ、ＰＥＤＯＴ、ＴＣＰ）で播種した。ＴＣＰＳウェル上で増殖させた細胞の培地に１０％ ＤＭＳＯを添加することによって、細胞死のポジティブコントロールを確立した。異なる基板上での２４時間の細胞増殖後、レサズリンナトリウム塩（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）をＰＢＳに溶解して０．１５ｍｇ．ｍＬ－１（１０×溶液）にすることによって得られた滅菌濾過レサズリン溶液を各ウェルに添加して、１０倍希釈にした。３７℃で２時間インキュベートした後、１５０μＬの細胞培養上清を黒色９６ウェルプレート（Ｇｒｅｉｎｅｒ Ｂｉｏ－ｏｎｅ、ドイツ）に移し、残りの培地を吸引し、細胞をＰＢＳで洗浄し、新鮮な完全細胞培養培地を添加し、細胞を次回のために３７℃でインキュベートした。９６ウェルプレートから生じる蛍光を、Ｆｌｕｏｓｔａｒ Ｏｍｅｇａプレートリーダー（ＢＭＧ Ｌａｂｔｅｃｈ、英国）を使用して、５６０ｎｍの励起波長及び５９０ｎｍの発光波長で測定した。蛍光値を正規化して、ＴＣＰＳサンプルの平均蛍光とした。異なる基板上での４８時間の細胞増殖後、同じ手順を行った。４８時間での残りの細胞を使用して、細胞計数を行った（トリパンブルーアッセイ）。
【0167】
細胞計数アッセイ
ＳＨＳＹ５Ｙ細胞を、１２ウェルプレート（最終容量１ｍＬ、Ｃｏｒｎｉｎｇ、米国）に基板あたり５００００細胞（すなわち、実施例５のＥＧＮＩＴＥ、ＰＥＤＯＴ、ＴＣＰ）で播種した。ＴＣＰＳ基板上で増殖させた細胞にＤＭＳＯ １０％を添加したものを、このアッセイのポジティブコントロールとして使用した。４８時間の細胞増殖後、上清を捨て、細胞をＰＢＳ（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）で２回洗浄した後、トリプシンＥＤＴＡの溶液を塗布して（０．０５％、Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）、細胞を剥離した。次いで、細胞懸濁液のアリコートをトリパンブルーの滅菌溶液（０．４％、Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ、英国）と１：１で混合した後、血球計算器（ＢＲＡＮＤ計数チャンバＢＬＡＵＢＲＡＮＤ Ｎｅｕｂａｕｅｒの改良型）を使用して細胞計数を行った。
ＳＨＳＹ５Ｙ細胞を、１２ウェルプレート（最終容量１ｍＬ、Ｃｏｒｎｉｎｇ、米国）に基板あたり５００００細胞（すなわち、実施例５のＥＧＮＩＴＥ、ＰＥＤＯＴ、ＴＣＰ）で播種した。ＴＣＰＳ基板上で増殖させた細胞にＤＭＳＯ １０％を添加したものを、このアッセイのポジティブコントロールとして使用した。４８時間の細胞増殖後、上清を捨て、細胞をＰＢＳ（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）で２回洗浄した後、トリプシンＥＤＴＡの溶液を塗布して（０．０５％、Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）、細胞を剥離した。次いで、細胞懸濁液のアリコートをトリパンブルーの滅菌溶液（０．４％、Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ、英国）と１：１で混合した後、血球計算器（ＢＲＡＮＤ計数チャンバＢＬＡＵＢＲＡＮＤ Ｎｅｕｂａｕｅｒの改良型）を使用して細胞計数を行った。
【0168】
細胞傷害性アッセイ
ＳＨＳＹ５Ｙ細胞を、１２ウェルプレート（すなわち、最終容量１ｍＬ）に基板あたり５００００細胞（すなわち、実施例５のＥＧＮＩＴＥ、ＰＥＤＯＴ、又はＴＣＰＳ）で播種した。ＴＣＰＳ基板上で増殖させた細胞にＤＭＳＯ １０％を添加したものを、このアッセイのポジティブコントロールとして使用した。細胞傷害性を評価するために、改変バージョンの乳酸脱水素酵素（ＬＤＨ）アッセイを行った（ＣｙｔｏＴｏｘ ９６非放射性細胞傷害アッセイ、Ｐｒｏｍｅｇａ ＬＤＨアッセイキット）。簡潔に説明すると、上清培地を吸引し、細胞をＰＢＳで２回洗浄した。次いで、ウェルの底部の生細胞を２００μＬ溶菌液（水中０．９％のＴｒｉｔｏｎ Ｘ（Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ））で、３７℃で４５分間溶解した。細胞溶解物（５０μＬ）をＬＤＨ反応溶液と１：１で混合した。混合物を、安定した赤色が現れるまで室温で１５～２０分間インキュベートした後、５０μＬの停止溶液を各ウェルに添加した。次いで、Ｆｌｕｏｓｔａｒ Ｏｍｅｇａプレートリーダー（ＢＭＧ Ｌａｂｔｅｃｈ、英国）を使用して、ウェルの吸光度を４９０ｎｍで測定した。吸光度値をＴＣＰＳコントロールと比較して表した。
ＳＨＳＹ５Ｙ細胞を、１２ウェルプレート（すなわち、最終容量１ｍＬ）に基板あたり５００００細胞（すなわち、実施例５のＥＧＮＩＴＥ、ＰＥＤＯＴ、又はＴＣＰＳ）で播種した。ＴＣＰＳ基板上で増殖させた細胞にＤＭＳＯ １０％を添加したものを、このアッセイのポジティブコントロールとして使用した。細胞傷害性を評価するために、改変バージョンの乳酸脱水素酵素（ＬＤＨ）アッセイを行った（ＣｙｔｏＴｏｘ ９６非放射性細胞傷害アッセイ、Ｐｒｏｍｅｇａ ＬＤＨアッセイキット）。簡潔に説明すると、上清培地を吸引し、細胞をＰＢＳで２回洗浄した。次いで、ウェルの底部の生細胞を２００μＬ溶菌液（水中０．９％のＴｒｉｔｏｎ Ｘ（Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ））で、３７℃で４５分間溶解した。細胞溶解物（５０μＬ）をＬＤＨ反応溶液と１：１で混合した。混合物を、安定した赤色が現れるまで室温で１５～２０分間インキュベートした後、５０μＬの停止溶液を各ウェルに添加した。次いで、Ｆｌｕｏｓｔａｒ Ｏｍｅｇａプレートリーダー（ＢＭＧ Ｌａｂｔｅｃｈ、英国）を使用して、ウェルの吸光度を４９０ｎｍで測定した。吸光度値をＴＣＰＳコントロールと比較して表した。
【0169】
上記の実験は、ＥＧＮＩＴＥ膜上で４８時間培養した後に、ＴＣＰＳと比較して生存率と細胞増殖が増加したことを示した。
【0170】
ＥＧＮＩＴＥでの初代海馬ニューロン成長
初代ニューロン細胞培養物を、３日齢の新生ラット脳（ＲＥＦ Ｐａｃｉｆｉｃ）から抽出した海馬から調製した。英国内務省からの倫理的承認に従い、１９８６年制定の英国動物（科学的手順）法及びＡＲＲＩＶＥガイドラインに従って、プロジェクトライセンス番号Ｐ０８９Ｅ２Ｅ０Ａの下で、新生児動物の屠殺を行った。生細胞の数を決定した後、最初の３日間、細胞を、Ｂ２７サプリメント（英国Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃのＧｉｂｃｏ）、１０００単位ペニシリン及び１ｍｇ／ｍＬストレプトマイシン（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）、及び０．５ｍＭグルタミン（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）を含有する無血清神経基礎培地（英国Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃのＧｉｂｃｏ）中、基板あたり４００００細胞の密度で、ガラスカバースリップ又は実施例５のＥＧＮＩＴＥ（両方とも５０μｇ／ｍＬポリ－Ｌ－リジンでプレコーティングされている）のいずれかに播種した。培養物を加湿５％のＣＯ２インキュベーター（ＮｕＡｉｒｅ、米国）中３７℃で１４日間維持し、ウェルの体積の半分を３日ごとに変えた。
初代ニューロン細胞培養物を、３日齢の新生ラット脳（ＲＥＦ Ｐａｃｉｆｉｃ）から抽出した海馬から調製した。英国内務省からの倫理的承認に従い、１９８６年制定の英国動物（科学的手順）法及びＡＲＲＩＶＥガイドラインに従って、プロジェクトライセンス番号Ｐ０８９Ｅ２Ｅ０Ａの下で、新生児動物の屠殺を行った。生細胞の数を決定した後、最初の３日間、細胞を、Ｂ２７サプリメント（英国Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃのＧｉｂｃｏ）、１０００単位ペニシリン及び１ｍｇ／ｍＬストレプトマイシン（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）、及び０．５ｍＭグルタミン（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）を含有する無血清神経基礎培地（英国Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃのＧｉｂｃｏ）中、基板あたり４００００細胞の密度で、ガラスカバースリップ又は実施例５のＥＧＮＩＴＥ（両方とも５０μｇ／ｍＬポリ－Ｌ－リジンでプレコーティングされている）のいずれかに播種した。培養物を加湿５％のＣＯ２インキュベーター（ＮｕＡｉｒｅ、米国）中３７℃で１４日間維持し、ウェルの体積の半分を３日ごとに変えた。
【0171】
細胞の免疫染色
培養後、ＳＨＳＹ５Ｙと初代ニューロンの両方をＰＢＳ（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）で３回洗浄した後、ＰＢＳ中４％ ＰＦＡ（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）で、室温で１０分間固定した。次いで、固定した細胞を、ＰＢＳで希釈した０．１％ Ｔｒｉｔｏｎ Ｘ（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）で５分間透過処理した後、ヤギ血清の５％ ＰＢＳ溶液（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）で１時間ブロッキングした。次いで、細胞を一次抗体の溶液と共に室温で２時間インキュベートした（β－ＩＩＩチューブリン、ＡＢＣＡＭ ａｂ１８２７、ウサギ、１：２００で使用）。一次抗体とのインキュベーション後、細胞をＰＢＳで３回洗浄した後、二次抗体（ＣＹ３とコンジュゲートした抗ウサギ、Ｊａｃｋｓｏｎ １１１－１６５－１４４、１：１００で使用）と室温で１時間インキュベートした。染色後、細胞を十分に洗浄した後、ＤＡＰＩ（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ、Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ、英国）を含有するＰｒｏｌｏｎｇ Ｇｏｌｄ Ａｎｔｉｆａｄｅ ｍｏｕｎｔａｎｔのカバーガラスを取り付けた。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ又はＴＣＰＳと比較して、ＥＧＮＩＴＥ上で細胞がより繁殖し、より健康であり、より多数であることが観察された。
培養後、ＳＨＳＹ５Ｙと初代ニューロンの両方をＰＢＳ（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）で３回洗浄した後、ＰＢＳ中４％ ＰＦＡ（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）で、室温で１０分間固定した。次いで、固定した細胞を、ＰＢＳで希釈した０．１％ Ｔｒｉｔｏｎ Ｘ（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）で５分間透過処理した後、ヤギ血清の５％ ＰＢＳ溶液（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｅｒｃｋ Ｓｉｇｍａ、英国）で１時間ブロッキングした。次いで、細胞を一次抗体の溶液と共に室温で２時間インキュベートした（β－ＩＩＩチューブリン、ＡＢＣＡＭ ａｂ１８２７、ウサギ、１：２００で使用）。一次抗体とのインキュベーション後、細胞をＰＢＳで３回洗浄した後、二次抗体（ＣＹ３とコンジュゲートした抗ウサギ、Ｊａｃｋｓｏｎ １１１－１６５－１４４、１：１００で使用）と室温で１時間インキュベートした。染色後、細胞を十分に洗浄した後、ＤＡＰＩ（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ、Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ、英国）を含有するＰｒｏｌｏｎｇ Ｇｏｌｄ Ａｎｔｉｆａｄｅ ｍｏｕｎｔａｎｔのカバーガラスを取り付けた。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ又はＴＣＰＳと比較して、ＥＧＮＩＴＥ上で細胞がより繁殖し、より健康であり、より多数であることが観察された。
【0172】
β－ＩＩＩチューブリン免疫反応性の顕微鏡画像化
共焦点レーザー走査型顕微鏡観察をＺｅｉｓｓ ＬＳＭ ８８０（Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ Ｃｅｎｔｒｅ，Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ Ｂｉｏｉｍａｇｉｎｇ Ｆａｃｉｌｉｔｙ，Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｂｉｏｌｏｇｙ，Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｈｅａｌｔｈ，ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ）で行った。１ ＡＵピンホール及び２％レーザー出力を使用して画像をキャプチャした。Ｚｅｉｓｓ ＺＥＮソフトウェアパッケージを使用して事後的に画像処理を行った。表示される画像は、１０個の共焦点スライスの最大強度投影であり、スケールバーは１００μｍである。
共焦点レーザー走査型顕微鏡観察をＺｅｉｓｓ ＬＳＭ ８８０（Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ Ｃｅｎｔｒｅ，Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ Ｂｉｏｉｍａｇｉｎｇ Ｆａｃｉｌｉｔｙ，Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｂｉｏｌｏｇｙ，Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｈｅａｌｔｈ，ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ）で行った。１ ＡＵピンホール及び２％レーザー出力を使用して画像をキャプチャした。Ｚｅｉｓｓ ＺＥＮソフトウェアパッケージを使用して事後的に画像処理を行った。表示される画像は、１０個の共焦点スライスの最大強度投影であり、スケールバーは１００μｍである。
【0173】
得られた結果によれば、１４日間の培養後、ＥＧＮＩＴＥ上で増殖させたニューロンは、十分に個別化された分岐ニューロンのネットワークを形成したが、ガラスカバースリップ上で増殖させたニューロンは凝集する傾向があり、それらの延長部が束ねられた。
【0174】
統計解析
Ｇｒａｐｈｐａｄ Ｐｒｉｓｍソフトウェアを使用するマン・ホイットニーのＵ検定を、すべてのインビトロ細胞培養アッセイに適用した。すべての実験について、ｐ値を、（＊）ｐ＜０．０５、（＊＊）ｐ＜０．０１、（＊＊＊）ｐ＜０．００５、（＊＊＊＊）ｐ＜０．０００１、のように表示した。
Ｇｒａｐｈｐａｄ Ｐｒｉｓｍソフトウェアを使用するマン・ホイットニーのＵ検定を、すべてのインビトロ細胞培養アッセイに適用した。すべての実験について、ｐ値を、（＊）ｐ＜０．０５、（＊＊）ｐ＜０．０１、（＊＊＊）ｐ＜０．００５、（＊＊＊＊）ｐ＜０．０００１、のように表示した。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
