CN1189224C

CN1189224C - 初始电阻较低的电传输电极组合件

Info

Publication number: CN1189224C
Application number: CNB998024805A
Authority: CN
Inventors: E·R·斯科特
Original assignee: Alza Corp
Current assignee: Alza Corp
Priority date: 1998-01-28
Filing date: 1999-01-28
Publication date: 2005-02-16
Anticipated expiration: 2019-01-28
Also published as: ES2232111T3; JP2002513596A; AU2346599A; EP1051220A1; DE69921090T2; CA2319638A1; ATE279232T1; US6195582B1; KR20010034444A; JP4262410B2; WO1999038565A1; PT1051220E; KR100535732B1; EP1051220B1; CA2319638C; DE69921090D1; DK1051220T3; CN1289261A

Abstract

本发明总的涉及一个用来向患者体表经皮或跨粘膜输送有益的物质(如药物)或用来经皮或跨粘膜抽取机体分析物的电传输装置(10)。更具体地说，本发明涉及一个具有一定构型的电化学反应性电极组合件(60)，该电极的启动电学性能以及达到合适的物质输送的滞后时间有所改善。

Description

初始电阻较低的电传输电极组合件

技术领域

本发明总的涉及用于经皮或跨粘膜输送有益物质(如药物)给患者或经皮或跨粘膜从患者体内抽取机体分析物(例如葡萄糖)的电传输装置。更具体地说，本发明涉及电学性能改善的(例如装置启动时的电阻较低，以及达到规定的经皮物质通量所需的时间较短)、具有一定形状的电极组合件。

背景技术

术语“电传输”通常指将至少一种物质或药物(带电荷的、不带电荷的，或它们的混合物)输送通过膜(例如皮肤、粘膜或指甲)，其中该输送至少部分是靠电学方法来诱导产生的，或靠施加电势帮助实现的。本文所用的术语“药物”和“物质”可互换使用，包括在输送给活生物体时产生所需的、通常是有益效果的治疗活性物质。例如，有益的治疗剂可以通过电传输输送通过皮肤来导入患者全身性循环中。

已经发现电传输方法可用于药物的经皮给药，这些药物包括利多卡因、氢化可的松、氟化物、青霉素和地塞米松和其它许多药物。电传输的常见用途是在诊断囊性纤维化中通过离子电渗方法输送毛果碱。毛果碱刺激产生汗液。然后收集汗液并分析其中的氯化物含量，以检测该疾病的存在。最近，“反向”电传输方法已经用来经皮抽提体内分析物(如葡萄糖)，以便测定血糖浓度。关于反向离子电渗装置和分析物取样的方法的描述参见Guy等人的美国专利5,362,307。

电传输装置通常采用两个电极，每个电极均与患者身体的某些部分(例如皮肤)紧密接触。对于药物输送，活性电极(或称供体电极)将治疗剂(如药物)输送到体内。反电极(或称返回电极)和供体电极一起形成一个通过患者身体的闭合电路。电源(如电池)通过电极向身体提供电流。例如，如果待输送到体内的治疗剂带正电荷(即阳离子)，则阳极是供体电极，而阴极是反电极，从而完成了电路。如果待输送的治疗剂带负电荷(即阴离子)，则阴极是供体电极，阳极是反电极。药物输送的速率通常与施加的电传输电流成比例。出于该原因，常用的电传输系统采用了电路来控制这些装置施加的电流。对于抽提体内的分析物，活性的或取样电极从体内抽提出机体分析物。反电极或返回电极和该活性电极闭合形成一个通过患者身体的闭合电路。如果待从体内抽提出的机体分析物是阳离子性的，则阴极是活性电极，阳极是反电极，从而完成了电路。如果待抽提的身体分析物是阴离子性的，则阳极是活性电极，阴极是反电极。在抽提葡萄糖的情况下，葡萄糖是不带电荷的分子，因此阳极和阴极之一或两者均可为活性电极。因为葡萄糖会因电渗透现象而以相对相同的速度抽提至两个电极内。

一种广泛使用的电传输方法-离子电渗(也称为电迁移)-及电诱导的传输带电荷的离子。另一类电传输称为电渗透，它涉及在施加的电场作用下含有待输送或取样的(例如不带电荷或非离子性的)物质的液体溶剂经皮流动。还有一类电传输方法称为电穿孔，它涉及通过施加高压脉冲在生物膜(如皮肤)中形成一个暂时存在的孔。在任何给定的电传输系统中，这些方法中的多种方法可以在一定程度上同时发生。

大多数经皮电传输装置具有一个阳极电极组合件以及一个阴极电极组合件，每个电极组合件包含一个导电的电极，该电极与离子导电的液体贮器成离子传送关系，该贮器在使用时与患者的皮肤接触。凝胶贮器(例如Webster美国专利4,383,529中描述的那些)是较佳的贮器形式，因为水化的凝胶比填充了液体的容器更容易处理和生产。水是这些贮器中所用的较佳的液体溶剂，其部分原因是许多药物盐是水溶性的，部分原因是水具有优秀的生物相容性，从而延长了水凝胶贮器与皮肤之间从刺激角度来说可以接受的接触。

用于经皮电传输装置的电极通常有两类：从没有电化学反应性的材料制得的电极以及从具有电化学反应性的材料制得的电极。没有电化学反应性的电极，如不锈钢、铂和碳为基材的电极，有促进电极/贮器界面处液体溶剂发生电化学氧化或还原的趋势。当溶剂是水时，氧化反应(在阳极界面处)产生了水合氢离子，而还原反应(在阴极界面处)产生了氢氧根离子。因此，使用没有电化学反应性电极的一个严重的缺点是，在装置运行时会由于电极/贮器界面处发生的水的氧化和还原反应产生pH变化。利用电化学反应性电极，如Phipps等人的美国专利4,747,819中讨论的电极，就可以很大程度地避免水的氧化和还原反应。用于阳极电极的较佳的可电化学氧化的材料包括金属，如银、铜和锌。其中银是最佳的，因为与其它大多数金属相比，它具有较佳的生物相容性。用于阴极电极的较佳的可电化学还原的材料包括金属卤化物。其中卤化银(如氯化银)是最佳的。尽管这些电极材料为电传输贮器中的pH漂移问题提供了较好的解决方案，但是它们却具有其自身的一系列问题。例如，银阳极氧化产生银离子( )。银的阳离子从阳极经过离子电渗输送入患者的皮肤，这些皮肤在接触日光后会马上变成灰色或黑色。已经尝试限制电化学产生的银离子从阳极电极电迁移。例如参见Phipps等人US 4,747,819和Phipps等人WO96/39224，它们公开了通过在阳极贮器中采用卤化物药物盐来提供卤离子，该卤离子与电化学产生的银离子反应产生了基本上不溶的卤化银，从而防止银离子迁移进入皮肤。另见Phipps等人的WO95/27530，该申请公开了在阳极贮器中采用卤化物树脂来提供卤离子，该卤离子与电化学产生的银离子反应产生了基本上不溶的卤化银，从而防止银离子迁移进入皮肤内。不幸的是，这两种防止银离子迁移进入皮肤的方法均有它们自身的缺点。对于Phipps等人的US 4,747,819和Phipps等人的WO96/39224中描述的第一种方法，有时(特别是在长期输送药物时)为了提供足够的卤离子来防止银迁移，必须要在阳极贮器中加入非常大量或“过量”的卤化物药物盐。这是不利的，因为许多药物的成本很高，因此这是一种成本很高的解决银迁移问题的手段。对于Phipps等人WO95/27530中描述的第二种方法，已经发现卤化物树脂含有许多不能从树脂中有效除去的杂质和不反应的单体组分。已经发现，这些组分中至少有一些会在树脂用于电传输贮器中时引起不希望的皮肤刺激，这可能是因为杂质被施加的电传输电流经皮输送到皮肤内。

解决可氧化金属阳极所遇到的金属离子迁移问题的一种潜在的方法是采用如Phipps等人US 4,747,819和5,573,503中指出的嵌入化合物。尽管使用嵌入化合物确实避免了金属离子迁移进入患者皮肤的问题，但是这些物质中至少有一些(例如聚苯胺)还没有被广泛使用，其部分原因是它们的初始(即在电传输装置开始施加电传输电流时)的电阻非常高。高电阻的问题将在下文结合现有技术的卤化银阴极作更详细的讨论。

因此，需要有一种改进的阳极电极，它没有以下问题：(1)如在常规可氧化金属制成的阳极中发现的产生竞争性金属离子，和/或(2)有高的初始电阻。

在阴极方面，卤化银阴极在电化学还原( )时只产生卤化物(例如氯化物)离子。尽管电化学产生的卤化物(如氯化物)的离子确实有从阴极输送至患者体内的趋势，但氯化物以相当大的量天然存在于体内，因此从阴极输送氯离子没有副作用。因此，尽管卤化银阴极是非常生物相容的，但它们却具有一个严重的缺点，就是它们基本上是不导电的，至少在足量的卤化银被还原成金属银之前是不导电的。这与嵌入化合物(如聚苯胺)形成的阳极中发现的高初始电阻问题是相似的，该阳极不传导大量的电流直至足量的例如聚苯胺被氧化。这可能会导致顺应性装置运行的开始延迟，因为对于用来为患者穿戴的小电传输装置提供电力的小电池(例如钮扣电池)所提供的较小的电压而言，卤化银阴极和/或聚苯胺阳极的电阻太高。当然，在电极和液体电解质之间界面处，按照如下反应式，卤化银逐渐电化学还原形成金属银，还原形式(即无色)的聚苯胺逐渐电化学氧化形成了更具导电性(即氧化的或翠绿亚胺(emaraldine))形式的聚苯胺：

阳极的聚苯胺(PA)氧化：PA_无色→PA_翠绿亚胺+2H⁺+2e^-

阴极的氯化银还原：

无色形式的聚苯胺的还原反应在Cushman等人″聚苯胺的分光电化学研究：pH-电势相图的构建″，电分析化学杂志，291(1986)，335-346。尽管阴极/液体电解质界面处的金属银的形成以及阳极/液体电解质界面处氧化型聚苯胺的形成逐渐提高了电极的电导率，但这是一个相当慢的过程。结果，由于电传输装置运行开始时的电阻较高，因此如图1所示的传统电极构型是不合需要的。图1所示的电极组合件50包括一个具有凹陷部位或孔25的外壳20，该凹陷部位或孔含有一个电极52、一个电解质贮器53和一个导电的电流收集器51。电流收集器51包括电极52和装置电源(图1中未显示)之间的一部分电连接，另一部分电连接包括金属触点(即突出部)58和导电膜72，该导电膜可以是金属导线，但更通常地是通过将少量导电物质沉积到不导电的电路板18上制得的。开始时，电极52有高的电阻，因此使导电的电流收集器51与电解质贮器53(通常是凝胶)绝缘。由于这种绝缘作用，电解质贮器53和电极52之间的界面56不能获得足够的电子流，从而严重地抑制了氧化还原物质的氧化或还原，使得横跨电极52的电阻较高。即，横跨电极52的初始电压降很大。

电极52的电阻用欧姆定律来计算：R_电极＝ΔV/i，其中ΔV是通过电极的电压降，i是施加的电流。电传输装置一“侧”(即阳极侧或阴极侧)的电阻通常认为是(1)电极组合件和(2)施加了电极组合件的患者体表(例如皮肤)之电阻的总和。尽管在首次打开电传输装置时，皮肤的初始电阻通常非常高(例如大于约50000欧姆-平方厘米)，但是该皮肤电阻会在装置运行的最初2至5分钟期间非常迅速地降低至非常适合电传输装置电源(通常施加2至10伏的电压)的水平范围内。在此期间，由于重要的是所有能获得的能量均用来克服皮肤电阻，因此因电极电阻引起的过量的电压降将减少治疗可获得的电流。如果电极电阻高于预定值，则会缺乏顺应性(compliance)，这意味着装置不能施加预定的电流，因为电极电阻对于电源有限的电压来说是太高了。不幸的是，聚苯胺阳极和卤化银阴极的电阻不象人皮肤那样迅速降低。因此，会等很长的时间(例如30分钟以上)直至电极电阻降低至使电传输装置变得顺应并能输送预定电流的水平。这种达到装置顺应的延迟也称为启动滞后时间。在此启动滞后时间期间，阳极电阻随着例如聚苯胺反应形成导电的氧化的聚苯胺而降低，阴极电阻随着卤化银反应形成导电的金属银而降低。更重要的是，这种顺应药物输送的滞后时间使得聚苯胺阳极和卤化银阴极在电传输药物输送中的应用不能为许多场合所接受。例如，许多经皮电传输药物输送的场合需要到达顺应的滞后时间非常短，这些场合例如是输送抗偏头痛药来治疗偏头痛，或输送麻醉性止痛药来治疗疼痛。

当然，达到电传输装置顺应性运行的延迟时间可以通过增加电池电压来减少，但是这需要更多(或更昂贵)的电池来为装置提供电源，从而不利地增加了电传输药物输送的成本。达到电传输装置顺应性运行的延迟还可通过在嵌入阳极或卤化银阴极中加入导电的填料(如金属粉或碳粉)来加以克服(如Myers等人，US 5,147.297中所述的那样)。然而，这使得这些电极的生产更为困难，因为导电填料必须非常好的均匀的分布在整个电极基体中，并且还使得电极更为昂贵。

因此，需要有一种用于电传输装置的改进的电极，该电极能迅速地实现顺应的物质输送，没有因高初始电阻而产生的明显的电压降，而且不需要提供大的电源电压或其它昂贵的导电填料来克服高的初始电极电阻。

发明详述

本发明克服了图1所示现有技术电极组合件50所具有的缺点，在该组合件中，电极52一开始是电流收集器51与界面56(该界面在电解质贮器和电极52所含氧化还原物质之间)之间的高电阻屏障。本发明提供了一个用于输送或抽提某物质通过体表(如皮肤)的电传输装置。该装置包括一对电极组合件，一个为阴极一个为阳极，两者均与电源(例如一个或多个电池)电连接。电极组合件的至少一个包括一个电极，连接电极与电源的电流收集器，以及与电极成离子传送关系的电解质贮器。在使用时，电解质贮器与体表(如皮肤)成离子传送关系放置。

本发明提供了一种用来透过体表输送或抽提物质的电传输装置，该装置包括一个阳极电极组合件，一个阴极电极组合件以及与阳极和阴极电极组合件电连接的电源，阳极以及阴极电极组合件中的至少一个包括：一个电极，它至少部分由固相电化学反应性物质组成，该电极具有初始电阻，电极在接触电流后电阻变小；一个电解质贮器，它在使用时与体表成离子传送关系放置；以及一个电流收集器，它与电极分开，具有的电阻小于电极的电阻，该电流收集器在电源和电极之间传导电流；该装置的特征在于：

电极、电流收集器和电解质贮器形成电传输电流流动的肉眼能见的可测量的交叉点。

电极由至少部分固相电化学反应性(如可发生电化学氧化或还原)材料组成。电极具有高的初始薄层电阻，它通常高于约100Ω/□，并随着电极接触电流而减小。在这种接触时，电化学反应性材料被氧化或还原成电阻较低的形式，从而使电极的薄层电阻低于其初始的薄层电阻。

电流收集器的初始电阻很低(即它是高度导电的)，并包含装置电源和电极之间的至少一部分电连接。因此，电流收集器在电源和电极之间传导电流。

在电传输装置开始施加电传输电流后，电极、电流收集器和电解质贮器形成了一个共同的边界。该共同的边界条件给予本发明的电极组合件较短的滞后时间来实现顺应性电传输输送和较低的最初电阻，因此装置运行需要较低的电源电压。

本发明的电极组合件可以是(1)一个阳极电极组合件，其中电极由有电阻性的可氧化形式的物质(如无色形式的聚苯胺)组成，或(2)阴极电极组合件，其中电极由电阻性的可还原的物质(如卤化银)组成。

附图简述

图1是现有技术中电传输电极组合件构型的截面图；

图2是本发明的电传输电极组合件的典型构型的截面图；

图3是本发明的电流收集器和电极的底透视图；

图4是本发明的典型电传输装置的分解视图；

图5是本发明的电极组合件的截面图；

图6是本发明的另一个电极组合件的截面图；

图7是本发明还有一个电极组合件的截面图；和，

图8是阴极电压对时间的图线，该图线说明在电传输装置启动期间，本发明的阴极电极组合件的滞后时间有所减小。

实施发明的方式

定义

本文所用的术语“电化学反应性物质”指能发生电化学氧化或还原的化合物或组合物，其中反应过的(即氧化的或还原的)形式的物质具有的电阻低于未反应过的(即分别是可氧化的或可还原的形式)形式的物质。该术语还包括嵌入主体材料，它本身可被直接氧化或还原，或是可嵌入的可被氧化或还原的掺杂剂。

本文所用的术语“共同的边界”指电流收集器、电极和电解质贮器的肉眼能见的可测量的交叉点。

本文所用的术语“电极组合件”包括至少下列三个元件的集合：一个电流收集器、一个电极和一个电解质贮器。

本文所用的术语“薄层电阻”指单位方形材料相对边缘之间的表面电阻。薄层电阻(有时文献中也称为表面电阻)在文献中通常用符号ρ_s表示，用来表征在一表面上的电流。经过方形材料的电阻与方形材料的大小无关，薄层电阻的单位是欧姆，或更广泛地说(如本文所用的)是Ω/□(ohm/square)。由于导电表面总是具有限定厚度t的一层，因此薄层电阻通过下列方程式与该层的体积电阻率ρ_v相关：ρ_s＝ρ_v÷t。任何给定电极或电流传导器的薄层电阻均可根据美国测试和材料协会(ASTM)，WestConshohocken，PA，10.02卷，测试标准编号D 4496-87(1993年重新批准)，题为“中等导电材料的D-C电阻或电导的标准测试方法”中描述的方法来测定。

本文所用的术语“身体表面(体表)”包括活动物的皮肤，粘膜和/或指甲。它特别包括活人的皮肤。

本文所用的术语“电解质贮器”指含有或在装置运行时接收溶解的离子的液体。该术语包括用于反电极中的盐溶液，以及供体电极中的药物溶液或悬液。该术语还包括含有这种溶液或悬液的基体如海绵、织物，或聚合物如凝胶。该术语包括水性和非水性的溶液(例如电解质溶解在乙二醇或甘油中的溶液)。

本文所用的术语“应允的(顺应的、合适的)(compliant)物质输送”指在规定的电传输电流下物质靠电传输输送通过体表。当电传输装置甚至在最大施加电压下也不能提供规定的电传输电流时，则称没有顺应的物质输送，因为装置组件和/或皮肤具有太高的电阻。

本文所用的术语“滞后时间”指电传输装置施加非顺应性电流的时间。通常，滞后时间从电传输装置开始施加电传输电流起测定到开始施加规定的电传输电流为止。

图2描述了本发明的电极组合件60的一个例子。与现有技术电极组合件50相似，电极组合件60也包括一个具有孔或凹陷部位25的外壳20，该孔或凹陷部位含有一个电流收集器61、一个电极62和一个电解质贮器63。电流收集器61包括电极62与装置电源(图2中未显示)之间的一部分电连接，另一部分电连接包括一个金属触点(即突出部)68和一个导电电路71，该导电电路通常由导电的痕量物质沉积到不导电的电路板18上制得。与图1所示的电极组合件50一样，本发明的电极组合件60包括一个电极62，该电极由具有初始高电阻的氧化还原物质组成。通常，电极62的初始薄层电阻高于约100Ω/□，较佳的高于约10000Ω/□，电极62能氧化或还原形成薄层电阻低于其初始薄层电阻的形式。电极62的氧化还原物质应是固相的，且应不易溶于毗邻电解质贮器63的液相中。较佳的，氧化还原物质在电解质贮器63所含液体中的溶解度宜低于约1毫克/毫升。最佳的，电极62完全或基本上完全由氧化还原物质组成。

与现有技术的电极组合件50不同的是，本发明的电极组合件60采用了一个电极62，该电极的侧向尺寸(即长度和/或宽度)小于电流收集器61，从而导致电流收集器61、电极62和电解质贮器63之间有一个共同的边界64，64′。该共同边界64，64′提供了一个区域，在该区域中，电流收集器61携带的电子、电极62含有的氧化还原物质以及电解质贮器63均相互紧密接触。这三个元件的紧密接触使得电极组合件60的初始电阻比没有这种共同边界条件的电极组合件50的初始电阻大大降低。

当电极组合件60是阴极电极组合件时，电极62是由可电化学还原的物质(如氯化银)组成的阴极。氯化银是固态的氧化还原物质，基本上不溶于水。因此，当贮器63中的液体是水性液体时，氯化银一点也不溶于贮器63中的液体内。电解质贮器63通常是含有液体电解质的聚合物凝胶形式。当电极组合件60是供体电极组合件时，凝胶内的液体电解质通常是药物溶液。当电极组合件60是反电极组合件时，凝胶中的液体电解质通常是盐溶液。

图3显示了电流收集器61和电极62的透视图。除去电解质贮器63是为了更好地显示共同边界64。在该实施方案中，共同边界64包括四条线，它们形成矩形形状。

较佳的，电流收集器61的薄层电阻小于电极62的薄层电阻的一半。更佳的，电流收集器61的薄层电阻小于约50000Ω/□，更佳的甚至小于1000Ω/□，最佳的小于约10Ω/□。电流收集器61可以是金属箔或碳箔(例如银、不锈钢、铂或石墨)，或可以是装有导电填料(如碳纤维、碳颗粒或金属颗粒)的聚合物膜。最佳的，电流收集器61是导电的痕量物质形式，或是导电的胶粘剂，该胶粘剂由含有金属和/或导电碳纤维的胶粘性聚合物粘合剂组成。胶粘剂与触点68以及电极62粘附，以便维持这些元件之间良好的电学连贯性。

随着阴极氯化银电极62表面上还原反应的进行，氯化银的还原在开始时发生在共同边界64，64′处，从而产生金属银，使毗邻共同边界64、64′的区域变得更具导电性。随着装置的运行，氯化银继续被还原，最终覆盖了阴极电极62的整个外表面。

在共同边界64、64′处，电极62被迅速还原，因为电流收集器61容易提供电子，并且离子可利用电解质贮器63中的液体来迁移，从而建立了由在电解质贮器63和患者体表之间流动的离子组成的电传输电流。例如，当电极62包含氯化银时，氯化银被还原，产生金属银和氯离子。电解质贮器63中的阴离子迁移至体表，为物质的输送或抽取建立了电流。物质在合适的输送速度下被输送或抽取通过皮肤，而阴极处没有任何明显的电压降或滞后时间，因为氯化银全部沿着共同边界64、64′被迅速地大量还原。

相反，如图1所示，现有技术的电极组合件50具有一个电极52，它与电流收集器51以及电解质贮器53没有共同的边界。氯化银电极52和电解质贮器53之间的界面56不易提供电子，因为氯化银电极52基本上不导电。因此，电极52基本上隔绝电流收集器51提供的电子达到电解质贮器53和电极52之间的边界56处，从而阻碍了电极52的界面56处的氯化银还原。因此，电阻增加的净效应是顺应的电路电压可能在开始时不足以实现顺应的物质输送。

当电极组合件60是阳极电极组合件时，电极62是由能电化学氧化的物质(如聚苯胺)组成的阳极。电解质贮器63通常是含有液体电解质的聚合物凝胶形式。当电极组合件60是供体电极组合件时，凝胶中的液体电解质通常是药物溶液。当电极组合件60是反电极组合件时，凝胶中的液体电解质通常是盐溶液。

随着阳极聚苯胺(无色形式)电极62表面上氧化反应的进行，在开始时，共同边界64、64′处的聚苯胺发生氧化，产生氧化的聚苯胺(翠绿亚胺形式，它比还原的无色形式的聚苯胺更具导电性)，从而导致毗邻共同边界64、64′的区域更具导电性。随着装置的运行，聚苯胺继续进行氧化，最终覆盖了阳极电极62的整个外表面。

在共同边界64，64′处，电极62被迅速氧化，因为电流收集器61容易提供电子，且离子能利用电解质贮器63中的液体来进行迁移，从而建立了由在电解质贮器63和患者体表之间流动的离子组成的电传输流。例如，当电极62包括无色聚苯胺时，无色的聚苯胺被氧化，产生了导电的氧化的聚苯胺。电解质贮器63中的阳离子迁移至体表，形成了用来输送或抽取物质的电流。物质在顺应的输送速度下被输送或抽取通过皮肤，而阳极处没有任何明显的电压降或滞后时间，因为聚苯胺全部沿着共同边界64、64′迅速的大量还原。

相反，如图1所示，现有技术的电极组合件50具有一个电极52，它与电流收集器51以及电解质贮器53没有共同的边界。无色的聚苯胺电极52和电解质贮器53之间的界面56没有容易提供电子的途径，因为聚苯胺电极52在开始时(即在发生大量氧化反应之前)基本上不导电。因此，电极52基本上使电流收集器51与电解质贮器53和电极52之间的边界56隔绝，从而阻碍了电极52的界面56处的无色聚苯胺氧化。因此，电阻增加的净效应是顺应的电路电压可能不足以输送所需或必需的治疗性电流。

电流收集器61、电极62和电解质贮器63之间的共同边界可以具有任何形状或构型，只要存在至少一个共同边界，且共同边界的长度足以将电极62之不能接受的高初始电阻降低至电极组合件60总体上能接受的初始电阻。例如，电极62可以偏离电流收集器61，形成一个共同边界(64或64′)。另外，共同边界可以是圆形、三角形、椭圆形或任何其它形状(个别的或集合的)，只要至少有一个共同边界即可。另外，电极62可以有一个孔或任何形状的槽缝(例如环形电极)，从而允许电解质贮器63与电流收集器61直接接触。

在一些情况下，希望用一种物质的薄层(如胶粘剂或亲水性表面涂层)来涂覆电极62和/或电流收集器61，以改善电极62和/或电流收集器61的粘合性或亲水性，改善电极62与电流收集器61之间的粘合或这些元件与电解质贮器63之间的粘合。电极62和/或电流收集器61上的亲水性表面涂层还可用来改善这些元件之一或两者与(例如水性)电解质贮器63之间的表面相互作用。这些涂层可能会使电极62和/或电流收集器61与电解质贮器63物理分离。然而，只要电极62和/或电流收集器61上的这些涂层是薄的且电子导电或离子导电，就不应认为该涂层是共同边界的障碍(若非涂层的话，应存在共同边界)。

共同边界的最低必需长度将取决于许多因素，它们包括电源能施加的最大电压、电传输电流的规定水平以及电极62的初始薄层电阻。通常，适合隐蔽地穿戴在衣服下面的小的电传输经皮输送和取样装置所具有的电源之最大电压在小于约20伏范围内，更通常地在约2至10伏范围内。另外，这些装置施加的电传输电流通常小于1毫安，更通常地小于0.5毫安。另外，由含有颗粒形式的氧化还原物质的聚合物组分制成的电极(例如含有氯化银颗粒的聚异丁烯基体)的薄层电阻通常大于约1000Ω/□，更通常地大于约10000Ω/□。在这样的“典型条件”下，共同边界的长度应至少约为0.1厘米，较佳的至少约1厘米。用共同边界长度(1)与施加的电传输电流(i)之比表示，比例应至少为0.1厘米/毫安，较佳的至少约1厘米/毫安。

图5中示出了本发明的另一个电极组合件例子70。在该构型中，电极62与电流收集器61的面对侧具有相同的表面积，并层压在一起形成了一个双层层压物结构。结果，共同边界64在电极62/电流收集器61层压物的边上。

图6示出了本发明另一个电极组合件例子80。在该构型中，电极62比电流收集器61宽。结果，共同边界64在电极62之“突出端”的下面。

图7示出了本发明另一个电极组合件例子90。在该构型中，多个相互隔开的电极62与电流收集器61层压在一起。电解质贮器63与电流收集器61接触，形成多个共同边界64。本发明还可考虑采用其它构型，只要存在长度足够的共同边界。图2至7所示的构型只是起例举作用。

通常，电极62包含的材料在开始时处于高电阻状态，但经氧化或还原后变得电阻较低。在阴极电极62的情况下，电极至少部分由可电化学还原的物质组成。可还原的物质可以选自金属化合物、金属配合物、嵌入化合物、载有碱金属的碳嵌入主体以及可电化学氧化或还原的聚合物。特别佳的一类可还原的物质是由式MX定义的化合物，其中M是能用电学方法还原的金属(非碱土金属)，X选自聚合物阴离子和低分子量阴离子，如卤离子、硫酸根离子和磷酸根离子，但较佳的是卤离子。最佳的X是氯化物。M宜为银、锌或铜，更佳的为银。用于本发明阴极的最佳的可电化学还原的物质是基本上纯的氯化银。

用于本发明阴极的另一类可还原的物质是嵌入化合物，如碱金属钨酸盐。碱金属钨酸盐显示的还原反应如下：

其中M是碱金属，较佳的是钠。

其它可还原和氧化的物质列在《CRC化学和物理手册》第57版，D-141至D-146中，该文纳入本文作参考。

用于本发明阳极的较佳的可电化学氧化的物质是无色形式的聚苯胺。

本文所用的术语“物质”包括从机体内抽取出的物质(例如用于诊断目的)，以及从装置输送到体内来实现治疗效果的治疗剂。在用于诊断目的的抽提物质方面，该物质可以是任何机体分析物，包括取样用来进行诊断性测试(如测定血糖)的电解质或葡萄糖。在治疗剂输送方面，术语“物质”可以和“药物”互换使用，两者均给出了本领域中最广泛的合理解释，指在输送给活生物体时产生所需的、通常是有益效果的治疗活性物质。例如，“物质”包括来自所有治疗剂种类的治疗性化合物和分子，它们包括但不局限于：抗感染剂(如抗生素和抗病毒剂)、止痛药(如芬太尼、舒芬太尼、丁丙诺啡和止痛药组合物)、麻醉药、抗关节炎药、抗哮喘药(如特布他林)、抗惊厥药、抗抑郁药、抗糖尿病药、止泻药、抗组胺药、消炎药、抗偏头痛药、抗晕动制剂(如东莨菪碱和昂丹司琼(ondansetron))、抗肿瘤药、抗帕金森病药、止痒药、精神抑制药、退热药、镇痉药(包括肠胃和泌尿道)、抗胆碱能药、拟交感神经药、黄嘌呤及其衍生物、心血管制剂(包括钙通道阻滞药如硝苯地平)、β-激动剂(如多巴酚丁胺和利托君)、β阻滞药、抗心律失常药、抗高血压药(如阿替洛尔)、ACE抑制剂(如赖诺普利)、利尿药、血管舒张药(包括全身的、冠状动脉、外周和脑)、中枢神经系统兴奋剂、咳嗽和感冒制剂、减充血剂、诊断剂、激素(如甲状旁腺激素)、安眠药、免疫抑制剂、肌肉弛缓剂、抗副交感神经药、拟副交感神经药、前列腺素、蛋白质、肽、精神兴奋剂、镇静剂和安定药。

本发明的电传输装置还可输送以下的药物和/或制剂，它们包括：巴氯芬、倍氯米松、倍他米松、丁螺环酮、色甘酸钠、地尔硫、多沙唑嗪、氟哌利多、恩卡尼、芬太尼、氢化可的松、吲哚美辛、酮洛芬、利多卡因、甲氨蝶呤、甲氧氯普胺、咪康唑、咪达唑仑、尼卡地平、吡罗昔康、哌唑嗪、东莨菪碱、舒芬太尼、特布他林、睾酮、丁卡因和维拉帕米。

本发明的电传输装置还可输送肽类、多肽、蛋白质、寡核苷酸、多糖和其它大分子。这些分子是本领域中已知因其体积而难以经皮或跨粘膜输送的大分子。例如，这些分子的分子量可以在300-40000道尔顿范围内，其包括但不局限于LHRH及其类似物(如布舍瑞林、戈舍瑞林、戈那瑞林、那普瑞林(naphrelin)和亮丙瑞林(leuprolide))、GHRH、GHRF、胰岛素、胰岛素激素(insulinotropin)、肝素、降钙素、奥曲肽、内啡肽、TRH、NT-36或N-[[(s)-4-氧代-2-氮杂环丁烷基]羰基]L-组氨酰-L-脯氨酰胺]、利普来辛(liprecin)、垂体激素(如HGH、HMG、HCG、乙酸去氨加压素)、卵泡类黄体素、a-ANF、生长激素释放因子(GFRF)、b-MSH、生长抑素、缓激肽、促生长素、血小板衍生生长因子、天冬酰胺酶、硫酸博来霉素、木瓜凝乳蛋白酶、缩胆囊素、绒毛膜促性腺素、促肾上腺皮质激素(ACTH)、促红细胞生成素、环氧二羟基前列腺素二烯酸(血小板凝集抑制剂)、高血糖素、水蛭素类似物(hirulog)、透明质酸酶、干扰素、白细胞介素-2、尿促性素(如尿促卵泡素(FSH)和LH)、催产素、链激酶、组织纤溶酶原激活剂、尿激酶、加压素、去氨加压素、ACTH类似物、ANP、ANP清除抑制剂、血管紧张肽II拮抗剂、抗利尿激素激动剂、抗利尿激素拮抗剂、缓激肽拮抗剂、CD4、ceredase、CSF′s、脑啡肽、FAB片段、IgE肽抑制剂、IGF-1、神经营养因子、集落刺激因子、甲状旁腺激素和激动剂、甲状旁腺激素拮抗剂、前列腺素拮抗剂、pentigetide、蛋白质C、蛋白质S、肾素抑制剂、胸腺素α-1抗胰蛋白酶(重组体)和TGF-β。

图4描述了可结合本发明使用的典型的电传输输送装置。装置10包括一个上壳16、电路板组合件18、下壳20、电极42和42′、电解质凝胶贮器26和28，以及与皮肤相容的胶粘剂30。上壳16有侧翼15，它有助于将装置10保持在患者皮肤上。上壳16宜由可注射模铸的弹性体(例如乙烯乙酸乙烯酯)组成。印刷线路板组合件18包含一个或多个电组件19(如集成电路)和电池32。电路板组合件18靠通过开孔13a和13b的端子(图4中未示出)与上壳16相连，该端子的末端经过加热或熔融，以便将电路板组合件18热铆接到上壳16上。下壳20通过胶粘剂30与上壳16连接，胶粘剂30远离皮肤侧与下壳20以及包括侧翼15底表面的上壳16粘合。

电路板组合件18的输出端(图4中未示出)分别通过电流收集器22和24与电极42′和42电接触。电流收集器22和24由导电的胶粘剂组成，它们分别粘附在电极42′和42的远离皮肤侧。电流收集器22和24的远离皮肤侧与通过下壳20中形成的开口23′，23的电路板组合件18下侧的电路输出端(未显示)相连。电极42和42′再进而与电解质凝胶贮器26和28的远离皮肤侧直接机械接触和电接触。电解质凝胶贮器26、28的靠近皮肤的一侧通过胶粘剂30中的开口29′和29与患者皮肤接触。

装置10有一个任选的特征，它能允许患者用该电传输装置给予自己一剂药物。在按下按钮开关12时，电路板组合件18上的电子电路将预定的直流电流输送至电极/电解质贮器42′，42以及26和28，输送预定长度的间隔时间。按钮开关12方便地位于装置10的顶部，易隔开衣物来启动。宜通过在短时间(如3秒)内按该按钮开关12两次来启动装置进行药物输送，从而最大程度地减少了无意启动装置10的可能性。较佳的，该装置通过LED 14变亮和/或来自″笛音器″的听觉信号向使用者传递确认药物输送期开始的视觉和/或听觉信号。通过在预定输送时间内的电传输，将药物输送通过患者的皮肤(例如在手臂上)。

根据本发明，电极42和42′分别在电解质凝胶贮器28和26的远离皮肤侧的凹陷部位中。由于这些凹陷部位的深度大致等于电极42和42′的厚度，因此在装置10的两个电极组合件中均存在一个椭圆形的共同边界。因此，电流收集器22、电极42′和电解质凝胶贮器26之间有一个共同边界。电流收集器24、电极42以及电解质凝胶贮器28之间也有一个共同边界。尽管装置10描述了共同边界在装置10的两“侧”(即阳极侧和阴极侧)，但是仅在电传输装置10的一侧(即阳极侧或阴极侧)采用共同边界条件也在本发明的范围内。

按钮开关12、电路板组合件18上的电子电路以及电池32被胶粘性地“封合”在上壳16和下壳20之间。上壳16宜由橡胶或其它弹性体材料组成。下壳20宜由塑性或弹性体片材(例如聚乙烯或聚对苯二甲酸乙二酯共聚物)组成，该材料容易模铸形成凹陷部位25，25′，并切割形成开口23，23′。组装起来的装置10宜是抗水的(即防溅的)，最好是防水的。系统具有易符合身体的较薄的轮廓，从而能使穿戴处及其周围自由移动。电解质凝胶贮器26和28位于装置10的皮肤接触侧，并充分隔开，以防止正常处理和使用时偶然的电路短路。

装置10通过周围的(即电解质凝胶贮器26和28周围的)胶粘剂30与患者体表(例如皮肤)粘合。胶粘剂30具有粘性，该粘性确保装置10在使用者正常活动时保持在身体位置上，并且能在穿戴预定时间(例如24小时)后方便地除去。

电解质凝胶贮器26和28各自包括含有液体电解质的凝胶基体。当装置10是经皮输送药物的装置时，凝胶贮器26和28中的至少一个含有药物溶液或悬液。药物浓度可以在大约1×10^-4M至1.0M或更高的范围内，药物浓度在较低部分的范围内是较佳的。凝胶基体的合适聚合物可包含基本上任何非离子性合成的和/或天然存在的聚合物材料。当活性剂是极性的和/或能电离时，为了增强物质的溶解度，极性的性质是较佳的。任选的，凝胶基体是水能溶胀的。合成聚合物的合适例子包括，但不局限于，聚丙烯酰胺、聚(丙烯酸2-羟基乙酯)、聚(丙烯酸2-羟基丙酯)、聚(N-乙烯基-2-吡咯烷酮)、聚(n-羟甲基丙烯酰胺)、聚(二丙酮丙烯酰胺)、聚(甲基丙烯酸2-羟基乙酯)、聚(乙烯醇)和聚(烯丙醇)。羟基官能性缩聚物(如聚酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸乙酯)也是极性合成聚合物的合适例子。适合用作凝胶基体的极性的天然存在的聚合物(或其衍生物)例子有，纤维素醚、甲基纤维素醚、纤维素和羟基化纤维素、甲基纤维素和羟基化的甲基纤维素，树胶如瓜耳胶、刺槐豆胶、刺梧桐树胶、黄原胶、明胶及其衍生物。离子性聚合物也可用作基体，只要可获得的抗衡离子是所带电荷与活性物质相反的药物离子或其它离子。

尽管本发明已经结合其较佳的具体例子作了描述，应理解前文的叙述以及下文的实施例只是为了进行描述，而并没有限制本发明的范围。在本发明范围内的其它方面、优点和改动对于本领域技术人员来说是显而易见的。

对比例1

图8显示了以下两种电极的比较：(1)是根据图1的现有技术的阴极电极组合件，它采用氯化银阴极，但没有共同边界；(2)是根据图2或3的本发明的阴极电极组合件，它也采用氯化银阴极，并且还利用了电流收集器、电极以及液体电解质之间的共同边界。

现有技术的阴极电极组合件(阴极A)包括一个氯化银箔阴极，它层压在一个由导电胶粘剂组成的薄层电阻为10Ω/□的电流收集器上。箔面积为2.85平方厘米，液体电解质是含有盐溶液的凝胶。在阴极A中，使凝胶与氯化银箔接触但不与导电的胶粘剂接触。这样，就没有本发明所述的共同边界。凝胶/箔的接触面积为2.0平方厘米。

本发明的阴极电极组合件(阴极B)包括一个氯化银箔，它层压在一个薄层电阻也为10Ω/□的导电胶粘剂上。箔是面积为1平方厘米的圆片，胶粘剂的面积为2.85平方厘米。因此，凝胶与电极的接触面积为1.0平方厘米，共同边界的长度等于电极的周长，即3.54厘米。现有技术的阴极是0.05毫米(0.002英寸)厚的AgCl条。阴极B是比阴极A小的氯化银箔(即1.0平方厘米)。

氯化银箔由Engelhard-CLAL of Carteret，New Jersey提供的氯化银条制得。氯化银条的厚度为0.051毫米(0.002英寸)，将其切下并层压到导电的胶粘剂片上。

在两个阴极电极例子的电池组合件中，液体电解质/凝胶配方是约10毫升的15％聚乙烯醇(PVOH)、2％羟丙基甲基纤维素(HPMC)、0.1M NaCl，其余的是去离子水。盐溶液的初始pH为6.26。

使两个电极组合件在相同的电流密度0.3毫安/平方厘米下放电，由于阴极A的表面积(2平方厘米)比阴极B(1平方厘米)大，因此阴极A的放电电流(0.6毫安)相应地高于阴极B的放电电流(0.3毫安)。通过将阴极电极组合件与恒流器的负极电连接，进行放电。使银箔阳极与恒流器的正极电连接，并靠凝胶的空闲表面放置。在放电时，测定阴极A和B对Ag/AgCl准参比电极的电压。

如图8所示，阴极在放电早期(即滞后期)的放电行为明显不同。如图8所示，现有技术阴极(阴极A)的初始放电电压(即启动电压)为5.68伏，而本发明的阴极(阴极B)的启动电压只有0.21伏。在这些实验中，滞后时间定义为恒流器施加的电压下降至低于0.30伏所需的时间。阴极A的滞后时间为7.1分钟，而阴极B的滞后时间只有9秒。

在如上所述的三个现有技术阴极和三个本发明阴极上进行额外的实验。现有技术阴极的平均启动电压为3.71伏，而本发明的三个阴极的平均启动电压为0.41伏。现有技术阴极的平均滞后时间为9.8分钟，而本发明的三个阴极的平均滞后时间只有8.6秒。

在电传输系统或几乎所有的医学装置中，非常希望具有低的启动电压和滞后时间，从而导致性能改善，电源消耗减少。总之，本发明的性能出人意料地超过了现有技术的阴极。

对比例2

制造两个电传输装置(装置A和装置B)，每个装置有一个电源和一对电极组合件，一个为阳极，一个为阴极。每个电极组合件包括一个铜箔电流收集器、一个电极和一个含有盐溶液的聚乙烯醇凝胶贮器。每个装置的阴极电极组合件包含一个氯化银阴极，并具有图1所示的构型，即任一装置的阴极电极组合件中没有共同的边界。装置A的阳极电极组合件由无色聚苯胺条组成，其具有图1所示的构型，即装置A的阳极电极组合件中没有共同的边界。另一方面，装置B的阳极电极组合件由无色聚苯胺条组成，并具有图2所示的构型，即装置B的阳极电极组合件中具有共同的边界。每个装置的电极组合件与施加0.5毫安电传输电流的恒流器相连。具有共同边界的无色聚苯胺阳极的装置B的启动电压明显低于具有无色聚苯胺阳极电极组合件而无共同边界的装置A的启动电压。另外，与装置A相比，装置B中恒流器到达输出电压为0.3伏的滞后时间明显较短。

因此，在总体描述了本发明并详细描述了某些较佳的实施方案后，本领域技术人员显然能不脱离由下文权利要求所确定的本发明范围而作各种变动。

Claims

1.一种用来透过体表输送或抽提物质的电传输装置(10)，该装置包括一个阳极电极组合件，一个阴极电极组合件以及与阳极和阴极电极组合件电连接的电源，阳极以及阴极电极组合件(60)中的至少一个包括：一个电极(62)，它至少部分由固相电化学反应性物质组成，该电极(62)具有初始电阻，电极(62)在接触电流后电阻变小；一个电解质贮器(63)，它在使用时与体表成离子传送关系放置；以及一个电流收集器(61)，它与电极(62)分开，具有的电阻小于电极(62)的电阻，该电流收集器(61)在电源(32)和电极(62)之间传导电流；该装置(10)的特征在于：

电极(62)、电流收集器(61)和电解质贮器(63)形成用于电传输电流流动的共同边界，电极(62)、电流收集器(61)和电解质贮器(63)在所述共同边界处相互接触。

2.根据权利要求1所述的装置，其中电极(62)的初始薄层电阻大于100Ω/□。

3.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中电极(62)在接触电流时氧化或还原成具有比所述初始薄层电阻低的薄层电阻的形式。

4.根据权利要求1所述的装置，其中电源(32)通过电流收集器(61)向电极(62)施加一电流为i，共同边界(64)的长度为l，l与i之比至少为0.1厘米/毫安。

5.根据权利要求1所述的装置，其中共同边界(64)的长度至少为0.1厘米。

6.根据权利要求1所述的装置，其中固相电化学反应性物质在电解质中的溶解度小于1毫克/毫升。

7.根据权利要求1所述的装置，其中电流收集器(61)的薄层电阻小于电极(62)的薄层电阻的一半。

8.根据权利要求1所述的装置，其中电极(62)全部由电化学反应性物质组成。

9.根据权利要求1所述的装置，其中电极(62)包含聚合物基体，电化学反应性物质包含在所述基体中。

10.根据权利要求9所述的装置，其中聚合物基体在使用前不含任何导电的物质。

11.根据权利要求1所述的装置，其中电流收集器(61)由选自金属和碳的物质组成。

12.根据权利要求1所述的装置，其中电解质贮器(63)含有水性溶液。

13.根据权利要求1所述的装置，其中有共同边界(64)的电极组合件(60)是阴极电极组合件，电化学反应性物质是可还原的物质。

14.根据权利要求13所述的装置，其中可还原的物质选自金属化合物、金属配合物、嵌入化合物、载有碱金属的碳插入主体和可电化学还原的聚合物。

15.根据权利要求14所述的装置，其中可还原的物质是下列中的至少一种：(i)式为M_x(WO₃)_y的嵌入化合物，其中M是金属，x是大于等于0的数，y是大于0的数；(ii)式为M_x[Fe(CN)₆]_y的金属化合物，其中x和y是大于0的数；和(iii)式为MX的化合物或配合物，其中M是可电化学还原的金属离子，X选自卤化物阴离子、聚合物阴离子和低分子量阴离子。

16.根据权利要求1所述的装置，其中电极(62)由氯化银组成。

17.根据权利要求1所述的装置，其中具有共同边界(64)的电极组合件(60)是阳极电极组合件，电化学反应性物质是可氧化的物质。

18.根据权利要求17所述的装置，其中可氧化的物质选自无色形式的聚苯胺，嵌入过渡金属卤化物的碳或石墨。

19.根据权利要求1所述的装置，其中物质是待由该电传输装置(10)输送通过皮肤的治疗剂，阳极和阴极电极组合件的至少一种具有含有该治疗剂的贮器(26，28)。

20.根据权利要求1所述的装置，其中物质是待由该电传输装置(10)经皮抽提的机体分析物，阳极和阴极电极组合件中的至少一个中包括有接收机体分析物的贮器(26，28)。