2018 Fiscal Year Annual Research Report
広視野の視覚を再建する眼球内完全埋植・低侵襲フレキシブル人工網膜の開発
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18H04159
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
田中 徹 東北大学, 医工学研究科, 教授 (40417382)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福島 誉史 東北大学, 工学研究科, 准教授 (10374969)
木野 久志 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (10633406)
富田 浩史 岩手大学, 理工学部, 教授 (40302088)
清山 浩司 長崎総合科学大学, 工学研究科, 准教授 (60412722)
菅野 江里子 岩手大学, 理工学部, 准教授 (70375210)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 生体医工学 / 医用システム / 人工視覚 / 三次元集積回路 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では高齢化に伴い急増する失明患者の視覚を工学的手法で再建する新しい人工網膜を開発する。光電変換素子/視覚情報処理回路/刺激電流生成回路を積層した三次元積層人工網膜チップをソフトかつフレキシブルな基板上に複数個一括して高密度集積する。それを眼球内に完全埋植し網膜の中心窩及びその周辺部に配置することにより現在の単チップ埋植の4倍以上の視野角を実現する。
(1)人工網膜回路設計・試作：マルチチップ人工網膜の動作チップ選択回路を設計・試作した。シングルチップを順次動作させるモードと幾つかのチップを組み合わせて動作させるモードを有しており、外部からの切り替え制御信号でモードを選択可能である。試作チップの基本特性を測定し、所望のモードで動作することを確認した。また、ピクセル回路毎の特性ばらつきに起因する低周波刺激電流ノイズを抑制する回路を設計・試作した。基本特性を測定し、視覚再生を阻害する低周波刺激電流を完全に無くすことに成功した。
(2)積層化・マルチチップフレキシブル人工網膜作製：フレキシブル基板上に複数の人工網膜チップを実装し、電気的に接続するプロセス技術開発を行った。基板としてポリイミドやシリコーン材料を使用して、複数のシリコンチップを埋め込み、金属配線で良好な電気的導通を得ることに成功した。繰り返し曲げ信頼性を評価し、曲げ半径20mmで1000回曲げを行っても配線抵抗が変化しないことを実証した。
(3)細胞・動物実験評価：人工網膜チップの開口率向上と刺激電流による細胞ダメージ低減のために透明刺激電極の開発を行っている。AlやBをドープしたZnO電極、及びPEDOT:PSSをベースとする金属ナノワイヤ電極を用いて細胞実験を行い、両電極とも刺激電極として使用できる可能性があることを示した。また、電気特性の面からも通常の刺激電極と同程度のインピーダンスを有することを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
(1)人工網膜回路設計・試作
マルチチップ人工網膜の動作チップ選択回路を設計・試作した。チップに動作スイッチを組み込み、外部からの切り替え制御信号で動作チップを選択する。チップを組み合わせて動作させるモードでは2x2の4チップずつを動作させ、4チップを順次変更して全チップを動作させる。これによりチップ消費電力を低減可能である。実際にチップ特性を測定し、設計通りのモードで動作することを確認した。また、エッジ強調において非動作ピクセル回路の低周波電流ノイズが問題となっていたが、低周波の刺激電流生成を停止する回路を設計・試作した。実際に非動作時の低周波刺激電流を完全に停止することに成功し、エッジ強調の品質向上を実現した。
(2)積層化・マルチチップフレキシブル人工網膜作製
フレキシブル基板上に複数の人工網膜チップを埋め込み、半導体リソグラフィ技術を用いて金属電気配線とチップコンタクトを同時に行うFOWLPベースの実装プロセス技術開発を行った。ポリイミドやシリコーン材料を使用した基板に100μm以下まで薄層化した複数のシリコンチップを埋め込み、5μm幅の金属配線で良好な導通を得ることに成功した。当該基板の繰り返し曲げ信頼性を評価し、半径20mmで1000回曲げ後に配線にクラックや断線はなく、配線抵抗が変化しないことを実証した。
(3)細胞・動物実験評価
人工網膜チップの開口率向上と刺激電流による細胞ダメージ低減のために透明刺激電極の開発を行っている。刺激電極を透明にすることにより、フォトダイオード面積を大きくできる。また、刺激電流密度を小さくすることで細胞ダメージを減らせる。AlやBをドープしたZnO電極、及びPEDOT:PSSベースの金属ナノワイヤ電極を用いて細胞実験を行い、両電極とも刺激電極として使用できる可能性がある。また、通常の刺激電極と同程度のインピーダンスを有することを示した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究によってマルチチップフレキシブル人工網膜の医用システムとしての完成度を向上させ本格的前臨床試験の足がかりとする。
(1)人工網膜回路設計・試作：明暗感度や刺激電流の各種パラメータ調整回路、及び発熱補償・供給電力補償・刺激電流補償・起動補償などの安全保障回路を含む機能を追加した37x37画素の人工網膜チップを開発する。また、回路動作を評価し、人工網膜チップ設計を完成させる。
(2)積層化・マルチチップフレキシブル人工網膜作製：2000画素に必要な直径6μmのTSV数千本で三次元積層するプロセス技術と弾性樹脂からなるフレキシブル基板上に多数の積層チップを高密度一括集積するプロセス技術を開発する。また、マルチチップ全体の高信頼包埋技術を開発する。
(3)細胞・動物実験評価：透明刺激電極アレイに関して細胞レベルの多面的な信頼性評価を行い、マルチチップフレキシブル人工網膜の長期安全性を確立する。また、人工網膜チップモジュールを作製して動物実験を行い、機能評価及び性能評価を行う。
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