DE69029911T2

DE69029911T2 - Verfahren zur erhöhung der funktionslebensdauer eines implantierbaren fühlers

Info

Publication number: DE69029911T2
Application number: DE69029911T
Authority: DE
Inventors: David A. Cardiff-By-The-Sea Ca 92007 Gough; Joseph Y. Saugus Ca 91350 Lucisano
Original assignee: University of California; University of California Berkeley
Current assignee: University of California; University of California Berkeley
Priority date: 1989-12-14
Filing date: 1990-12-13
Publication date: 1997-09-04
Anticipated expiration: 2010-12-14
Also published as: ATE148790T1; WO1991009302A1; JPH05504836A; AU651803B2; CA2071829C; NO922271D0; EP0505442B1; CA2071829A1; EP0505442A4; AU6915691A; NO922271L; EP0505442A1; JP3105243B2; NO303851B1; DE69029911D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung hierin betrifft implantierbare Fühler zur Messung der konzentrationen von chemischen Spezies in körperflüssigkeiten. Spezieller betrifft sie Verfahren zur Verlängerung der Lebensdauer solcher Fühler.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Der elektrochemische Sauerstoff-Fühler ist ein leistungsfähiges Instrument zum Offenbaren der Rolle von Sauerstoff in biologischen Systemen gewesen. Der Einsatz dieses Fühlers ist die wichtigste experimentelle Methodenlehre in vielen Tausenden von Studien über mehr als 40 Jahre gewesen. Jedoch sind dies im Grunde genommen alles Studien gewesen, in welchen der Fühler für eine Zeitdauer von lediglich einigen wenigen Tagen verwendet worden ist, bestenfalls bevor eine Nachkalibrierung erforderlich ist. Noch kürzlicher ist ein stabiler Sauerstoff-Fühler entwickelt worden, der für einen ununterbrochenen Einsatz bei Langzeitüberwachungssituationen ohne das Erfordernis häufiger Nachkalibrierung geeignet ist. Ein solcher Fühler macht bestimmte wichtige Sauerstoff-Überwachungseinsätze möglich, die früher nicht durchführbar waren.
Dieser Fühlertyp und sein Einsatz als eine komponente eines auf Elektroden basierenden Enzymsystems zum kontinuierlichen Überwachen von Glukose sind in mehreren früheren Patenten beschrieben worden: US-Patente Nr.4,650,547; 4,671,288; 4,703,756 und 4,781,798. Das Überwachungssystem für Glukose erfordert zwei derartige Sauerstoff-Fühler, wobei einer mit immobilisierten Enzymen gekoppelt ist, um durch die Enzymreaktion modulierten Sauerstoff zu detektieren, und der andere zum Überwachen der Hintergrundkonzentration an Sauerstoff vorgesehen ist.
Wenn eine Arbeitselektrode aus Edelmetall (in der Regel Platin oder Gold) in ein elektrisch leitfähiges Medium eingetaucht und auf einem Potential gehalten ist, das genügend kathodisch bezüglich einer geeigneten Referenzelektrode ist, werden in Kontakt mit der Oberfläche befindliche Sauerstoffmoleküle reduziert und ein Sauerstoff-Diffusionsgradient erzeugt, was einen elektrischen Strom zur Folge hat. Der Strom fließt zwischen den Arbeits- und Referenzelektroden, falls ein Zwei-Elektrodensystem verwendet wird, oder hauptsächlich zwischen der Arbeitselektrode und einer indifferenten Zählerelektrode, die von der Referenzelektrode separiert ist, falls ein Drei-Elektrodensystem verwendet wird. Diese Erscheinung wurde im 19. Jahrhundert beobachtet und berichtet. Unter bestimmten Bedingungen kann der Reduktionsstrom in Relation zur Sauerstoffkonzentration in dem Medium gesetzt werden. Eine bezüglich Sauerstoff permeable Membran kann über die Elektroden angeordnet werden, um sie von dem Analysemedium zu separieren und die für einen Sauerstoffmassentransfer und eine elektrochemische Sauerstoffreduktion geeigneten Bedingungen bereitzustellen. Dieses Prinzip bildet die Basis amperometrischer (strommessender) elektrochemischer Sauerstoff-Fühler. Amperometrische Fühler mit drei Elektroden werden oft als potentiometrische Fühler erwähnt, da sie mit potentiostatischen Meßmethoden betrieben werden. Es ist erkannt worden, daß der Einsatz dieses Prinzips durch Faktoren beeinflußt wird wie bspw.: Fremdstoffe in den Medien, pH und Reaktions-Zwischenstufen, interstitiell in der metallischen Elektrode gelöster Sauerstoff, die Natur des Hintergrundelektrolyts und der Grad an Oxidbedeckung der Elektrodenoberfläche.
Die Reaktionswege sind komplex. Sie umfassen die Kinetik der Sauerstoffadsorption auf und in die Elektrode und die Bildung multipler Metall-Sauerstoff-Komplexe, die kurzlebige Zwischenstufen umfassen. Eine detaillierte Betrachtung dieser Wege ist hier nicht erforderlich, jedoch sind vereinfachte Modelle der Elektrodenreaktionen, die hinsichtlich vieler Aspekte für erklärend gehalten werden, beim Verständnis der Erfindung hilfreich. Ein weitreichend allgemein anerkannter Mechanismus in sauren Medien ist die folgende Zwei-Stufen-Reaktionsfolge:
O&sub2;+2H&spplus;+2e&supmin;TH&sub2;O&sub2; (1.1)
H&sub2;O&sub2;+2H&spplus;+2e&supmin;T2H&sub2;O (1.2)
In alkalischen Medien ist eine ähnliche Reaktionsfolge vorgeschlagen worden:
O&sub2;+H&sub2;O+2e&supmin;THO&sub2;&supmin;+OH&supmin; (2.1)
HO&sub2;&supmin;+H&sub2;O+2e&supmin;T3OH&supmin; (2.2)
HO&sub2; ist die ionisierte Form von H&sub2;O&sub2;, das in alkalischen Medien vorliegt. Diese beiden Gleichungssätze zeigen an, daß eine Sauerstoffreduktion durch entweder eine Zwei- oder Vier-Elektronen-Reaktionsfolge auf Platin in wässrigen Lösungen vonstatten gehen kann.
Wenn die Elektrode innerhalb eines bestimmten kathodischen Bereichs polarisiert ist, ist die elektrochemische Reaktionsgeschwindigkeit ausreichend hoch, damit die Reaktionsfolge massentransfer-Iimitiert und durch die Massentransfer-Limitierung der Membran und des Analysemediums bestimmt wird. Dies resultiert in ein Strom-"Plateau", innerhalb welchem eine relativ geringe Veränderung des Stroms mit dem angelegten Potential vorliegt. Die Elektrode kann am leichtesten in diesem Potentialbereich als Teil eines Fühlers betrieben werden.
Bestimmte Drei-Elektrodenfühler dieses Typs, insbesondere die in den vorgenannten US-Patenten beschriebenen Fühler, sind mit einer Langzeitstabilität unter wohldefinierten in vitro- und in vivo-Bedingungen gezeigt worden. Es ist jedoch herausgefunden worden, daß solche Sensoren nach einer Betriebsperiode dazu neigen, in die eine oder die andere von zwei charakteristischen Betriebsarten zu fallen. In den meisten Fällen stieg der Strom abrupt an und kehrte zu dem ursprünglichen Wert zurück, und dies mehrmals innerhalb der Zeitdauer von einigen wenigen Stunden, bevor er schließlich auf einem hohen, außerhalb des Anzeigebereichs liegenden Wert blieb. Bei anderen Fühlern begann der Strom plötzlich nach unten wegzulaufen und fiel der Strom innerhalb einer Zeitdauer von mehreren Wochen.
Ein Artikel in Analytical Chemistry, 1987, 59, 736 mit dem Titel "In Vitro Stability of an Oxygen Sensor" diskutierte das Problem der Verlängerung der Lebensdauer implantierbarer Drei-Elektroden-Fühler. Keine Lösungen wurden in diesem Artikel vorgeschlagen.
Es wäre von bedeutsamem Wert, über ein Verfahren zum Verhindern oder Hinausschieben solcher Fehler zu verfügen, da man erwartet, daß ein solches Verfahren die Betriebslebensdauer der Fühler wesentlich verlängert. Es ist deshalb eine Aufgabe dieser Erfindung, ein solches Verfahren bereitzustellen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung hierin ist ein Verfahren zur Verlängerung der Lebensdauer implantierbarer Fühler, die korrodierbare Elektroden enthalten, welches umfaßt in einem Fühlerstromkreis, der einen Fühler mit einer korrodierbaren Referenzelektrode, zumindest einer kathodischen Arbeitselektrode aus Edelmetall und zumindest einer bei einer niedrigen Impedanz gehaltenen anodischen Zählerelektrode aus Edelmetall umfaßt, ein Betreiben des Fühlerstromkreises in einer ersten elektrischen Konfiguration, in welcher sowohl die Referenzelektrode als auch die Arbeitselektrode in einem ersten elektrischen Zustand sind, und vor dem Auftreten eines Fühlerversagens, ein Schalten des Fühlerstromkreises in eine zweite elektrische Konfiguration, in welcher der elektrische Zustand von zumindest einer der Referenzelektrode und der Arbeitselektrode in einen zweiten elektrischen Zustand verändert ist, und ein Fortsetzen des Betriebs des Fühlers in der zweiten elektrischen konfiguration für eine Periode an Zeit, die sich über die Zeit hinaus erstreckt, bei welcher der Fühler versagt hätte, wäre die erste elektrische konfiguration des Fühlerstromkreises beibehalten worden.
In speziellen Ausführungen kann die Veränderung der Konfiguration des elektrischen Stromkreises umfassen: Erhöhen der Impedanz bei der Referenzelektrode, vorzugsweise während eines Abschirmens der Elektrode gegen Auswirkungen einer Streukapazität; elektrisches Umkehren der beiden Elektroden; Vorsehen einer Vielzahl von Arbeits- und/oder Referenzelektroden, wobei nur eine von ihnen jederzeit aktiv ist, und sequentielles Ersetzen der wirksamen Elektrode in dem Fühlerstromkreis durch eine zweite gleiche Elektrode, die vorher inaktiv war; periodisches Umkehren des elektrischen Potentials an den Arbeits- und Referenzelektroden und Halten dieses umgekehrten Zustands für eine ausgedehnte Zeitdauer und/oder Herbeiführen eines geringen, kontinuierlichen kathodischen Stroms zum Durchfließen durch die Referenzelektrode.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

FIGUR 1 ist eine perspektivische Ansicht, teilweise geschnitten, die den grundlegenden, für diese Erfindung geeigneten Fühleraufbau darstellt.
FIGUR 2 ist ein schematischer elektrischer Plan, der den grundlegenden Stromkreis der für diese Erfindung geeigneten Fühler zeigt.
FIGUR 3 ist ein schematischer elektrischer Plan, der den Stromkreis einer Ausführung dieser Erfindung zeigt, in welcher eine Vielzahl von Arbeits- und/oder Referenzelektroden verwendet ist.
FIGUR 4 ist ein schematischer elektrischer Plan, der den Stromkreis einer Ausführung dieser Erfindung zeigt, in welcher die Polaritäten der Arbeits- und Referenzelektroden umkehrbar sind.
FIGUR 5 ist ein schematischer elektrischer Plan, der den Stromkreis einer Ausführung dieser Erfindung zeigt, in welcher die Funktionen der Arbeits- und Zählerelektroden umkehrbar sind.
FIGUR 6 ist ein schematischer elektrischer Plan, der den Stromkreis einer Ausführung dieser Erfindung zeigt, in welcher ein geringer kathodischer Strom zum Durchfließen durch die Referenzelektrode herbeigeführt ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Diese Erfindung ist das Ergebnis von Entdeckungen, die während des Studiums der Ausfallmechanismen der in den obengenannten Patenten beschriebenen Fühler gemacht wurden. Es ist deshalb wichtig, den normalen Betrieb solcher Fühler und die hinsichtlich der Ausfallarten gemachten Entdeckungen zu beschreiben, so daß das Verfahren dieser Erfindung und seine speziellen Ausführungen zur Verlängerung der Funktionslebensdauer solcher Fühler vollständig verstanden werden.
Der grundlegende Fühler ist in Figur 1 dargestellt. Die Platin-Arbeitselektrode 6, die Silber-/Silberchlorid-Referenzelektrode 4 und die Platin-Zählerelektrode 8 sind dünne Drähte, die in einen Epoxidharz- oder Glaszylinder 10 eingebettet und mit nicht gezeigten, festeren Zuleitungsdrähten verbunden sind. Die aktiven Elektroden erstrecken sich aus einem Ende des isolierenden Zylinders und die Zuleitungsdrähte erstrecken sich aus dem entgegengesetzten Ende heraus. Die Elektroden sind über ein wässriges Elektrolytgel 12 in elektrolytischem Kontakt und mittels einer äußeren hydrophoben Schicht 16 ummantelt. Die dünne, zylindrische Form des aktiven Bereichs dieses Sauerstoff-Fühlers ermöglicht leicht seinen Einschluß in den in den obengenannten Patenten beschriebenen zweidimensionalen Glukosefühler. Alternativ können eine oder mehrere der Elektroden die Form von Scheiben anstelle von Zylindern annehmen, wobei die exponierte Oberfläche mit der Oberfläche des isolierenden Zylinders bündig ist.
Testfühler wurden nach einer Betriebsperiode (gewöhnlich 120 Tage) zur detaillierten mikroskopischen Untersuchung auseinandergebaut. Bei einer typischen Analyse wurde herausgefunden, daß sich die Referenzelektrode (ursprünglich ausgebildet aus einem festen Silberdraht mit einem konstanten Durchmesser von 0,075 mm) teilweise aufgelöst hatte, porös geworden und beträchtlich korrodiert war, wobei nur etwa eine Hälfte ihres ursprünglichen Materials zum Zeitpunkt der Untersuchung verblieben ist. Der beobachtete Korrosionsgrad war etwa der Betriebsdauer des Fühlers proportional. Ähnliche Untersuchungen der Arbeitselektrode zeigten, daß sie im Gebrauch eine körnige Oberflächenstruktur angenommen hatte, die gemäß Röntgenelementaranalyse eine Ablagerung einer dünnen Schicht aus Silber war.
In den Fällen eines allmählichen Fühlerausfalls konnte das ursprüngliche Signal durch eine geeignete Polarisationsbehandlung der Arbeitselektrode wieder hergestellt werden. In den Fällen eines abrupten Fühlerausfalls hatte eine dendritische Silberstruktur einen Kontakt zwischen den Arbeits- und Referenzelektroden gebildet, welche anscheinend von der Arbeitselektrode aus wächst. In allen Fällen behielt die Zählerelektrode ihre ursprüngliche Oberflächenzusammensetzung und Mikrostruktur und zeigte im übrigen keine Veränderung.
Die mikroskopische Untersuchung zeigt an, daß man glaubt, daß während des Betriebs unterschiedliche Prozesse auftreten. Die Arbeitselektrode wird allmählich mit Silber beschichtet, da sie bezüglich der Silberquelle, der Referenzelektrode, kathodisch polarisiert ist. An diesem Punkt tritt der Sauerstoffreduktionsprozeß nicht länger auf den darunterliegenden Platinoberflächen auf, dauert jedoch auf der abgelagerten äußeren Silberbeschichtung unbeeinflußt an. Die Ablagerung von Silber beeinflußt das Signal anscheinend so lange nicht, wie kein dendritischer Kontakt mit den anderen Elektroden hergestellt ist. Die Übertragung von Silber von der Referenzelektrode war jedoch etwas überraschend, da die Referenzelektrode bei einer sehr hohen Impedanz durch den Potentiostat-Stromkreis gehalten ist (> 10¹² Ohm, basierend auf der Eingangsimpedanz des Referenzoperationsverstärkers). Berechnungen zeigen, daß ein Verluststrom von 10&supmin;¹² A zwischen den beiden Elektroden in manchen Fällen ausreichend ist, um für die geringe, übertragene Materialmenge verantwortlich zu sein. Transiente lokale kapazitive Ströme in Folge einer unzulänglichen Abschirmung der Zuleitungsdrähte können ebenfalls eine Rolle gespielt haben. Diese durch externe elektromagnetische Felder induzierten Ströme wurden mit erreichten Peakwerten in einer Höhe von 5 x 10&supmin;&sup9; A in anderen Experimenten beobachtet, welche Elektroden umfassen, die in elektrisch "lauten" Umgebungen angeordnet sind.
In den meisten Fällen wurde die Fühlerlebensdauer durch Korrosion der Referenzelektrode limitiert, wobei der Ausfall auftritt, wenn ein dendritischer Kontakt (eine aus gelöstem Silber gebildete Ablagerung) die Arbeits- und Referenzelektroden endgültig verbindet.
Basierend auf diesen Beobachtungen wurden die unterschiedlichen Gestaltungen des Verfahrens dieser Erfindung entwickelt. Alle basieren auf dem grundlegenden Prinzip der Veränderung von zumindest einer der Arbeitselektrode und der Referenzelektrode von dem elektrischen Zustand, in welchem sie ursprünglich betrieben ist, zu einem zweiten elektrischen Zustand und dem anschließenden Fortsetzen des Betriebs des Fühlers, wobei die Elektrode oder Elektroden in diesem zweiten elektrischen Zustand arbeiten. Man glaubt, daß die Verlängerung der Lebensdauer der gemäß dem Verfahren dieser Erfindung betriebenen Fühler auf die Veränderung des elektrischen Zustands zurückzuführen ist, die den Transfer von Metall von einer Elektrode zu der anderen und/oder die Bildung dendritischer Strukturen aus Metall zwischen den Elektroden umkehrt oder verlangsamt.
Eine Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens umfaßt ein Erhöhen der Eingangsimpedanz bei der Referenzelektrode, vorzugsweise während eines Abschirmens der Elektrode, um den Auswirkungen einer Streukapazität entgegenzuwirken, welche lokale Ströme verursachen würde. Es ist jedoch erkannt, daß, da die anfängliche Impedanz schon hoch ist (> 10¹² Ohm), diese Ausgestaltung, obwohl sie einen bestimmten Effekt zeigt, in ihrem Langzeitpotential etwas limitiert und daher weniger bevorzugt als andere beschriebene Ausführungen ist.
Eine zweite Ausführung umfaßt vor der Bildung irgendeiner dendritischen, die beiden Elektroden überbrückenden Struktur, wie in Figur 3 gezeigt, ein Umkehren der elektrischen Verbindungen zu den Arbeits- und Zählerelektroden, so daß jede die vorherige Betriebsfunktion der anderen übernimmt. Dies bewirkt, daß die neue Zählerelektrode von ihrer akkumulierten Schicht aus abgelagertem Silber gereinigt wird und Silber auf der neuen Arbeitselektrode abgelagert wird. Diese Umkehr kann solange wiederholt werden, wie die Referenzelektrode funktionsfähig bleibt und eine genügende Menge an Silber enthält. Dies würde eine relativ große Referenzelektrode erfordern.
Eine dritte Ausführung umfaßt, wie in Figur 4 gezeigt, ein Einfügen einer Vielzahl von Arbeits- und/oder Referenzelektroden in die Fühlerstruktur. Nur einer von jedem Elektrodentyp würde jederzeit als Arbeits- oder Referenzelektrode wirksam sein, und alle Elektroden von jedem einzelnen Typ würden derart konstruiert sein, daß sie sequentiell in den Fühlerstromkreis geschaltet werden könnten. Daher könnte, wenn jede Arbeits- und/oder Referenzelektrode die Grenze ihrer Funktionslebensdauer aufgrund von Metallablagerung oder -entfernung erreicht hätte, eine zweite, vorher unbenutzte Elektrode an ihren Platz geschaltet werden. In einer bevorzugten Version dieser Ausführung sind die zusätzlichen Arbeitselektroden anfangs als Zählerelektroden in den Fühlerstromkreis integriert und jede arbeitet als solche bis zu der Zeit, zu der sie als Ersatzarbeitselektrode benötigt ist. Dies ermöglicht, daß die Ersatzarbeitselektroden eine ablagerungsfreie Oberfläche beibehalten, bis jede als Ersatz für eine vorherige Arbeitselektrode verwendet wird.
Bezüglich der Ersatzreferenzelektroden würden diese am wirksamsten sein, wenn sie relativ groß wären.
Die vierte Ausführung dieses vorliegenden Verfahrens umfaßt ein periodisches Umkehren der Polarisation der Elektroden, um galvanisch abgeschiedenes Metall (in der Regel Silber) von der Arbeitselektrode zurück zu der Referenzelektrode zu treiben. Dies kann verwirklicht werden durch ein Umkehren der Polarität des Stromkreises, so daß die Silberreferenzelektrode kathodisch wird und die Arbeitselektrode anodisch wird, und zwar für eine Periode an Zeit, die ausreicht, um die erforderliche Anzahl an Coulombs an Silber von der Arbeitselektrode zu der Referenzelektrode zu leiten.
Die fünfte Ausführung dieses vorliegenden Verfahrens umfaßt das Gebrauchen von Mitteln zum Leiten eines geringen, kontinuierlichen kathodischen Stroms durch die Referenzelektrode. Dieser Strom wirkt zum Verhindern einer Korrosion des Elektrodenmaterials, während er nicht groß genug ist, um eine signifikante Polarisation der Elektrode zu verursachen.
Es wird erkannt sein, daß diese Ausführungen in unterschiedlichen Kombinationen miteinander verwendet werden können und daß solche Kombinationen weiter verlängerte Funktionslebenszeiten erzeugen können. Bspw. kann eine Vielzahl von Arbeits- und/oder Referenzelektroden vorliegen und in das System geschaltet werden, während gleichzeitig die Lebensdauer einer jeden individuellen Elektrode durch periodisches Umkehren der Polarisation der Elektrode verlängert werden kann. Dies sollte eine Verlängerung der Lebensdauer jeder individuellen Elektrode zur Folge haben und daher die Zeit zwischen den erforderlichen Auswechselungen von Elektroden aus dem mehrfachen Vorrat an Elektroden verlängern. Auch kann an jede aktuell in Gebrauch befindliche Referenzelektrode ein geringer, kathodischer Strom angelegt werden, um ihre Korrosionsgeschwindigkeit zu reduzieren. Daher ist der kumulative Effekt der Kombination von Ausführungen eine beträchtlich verlängerte Lebensdauer des Fühlers selbst und viel längere Intervalle zwischen den Einsätzen unverbrauchter Fühler.
Die Durchsicht der Figuren der Zeichnungen wird die Ausführungen dieser Erfindung weiter erläutern. Unter Bezugnahme auf zunächst die Figur 1 ist der grundlegende, in dem vorliegenden Verfahren verwendete Fühler 2 dargestellt. Es liegen drei Elektroden vor, die Referenzelektrode 4, die Arbeitselektrode 6, und die Zählerelektrode 8. Die Referenzelektrode 4 ist eine Silber-/Silberchloridelektrode, während die Arbeitselektrode 6 und die Zählerelektrode 8 Elektroden aus Edelmetall (vorzugsweise Platin) sind. Die drei Elektroden sind aus feinem, in ein Glas- oder Epoxidharz-Zylindergehäuse 10 eingebettetem Draht gebildet und sind mit festeren Zuleitungsdrähten (nicht gezeigt) verbunden. Die Elektroden sind über ein wässriges Elektrolytgel 12 in elektrischem Kontakt. Die Elektroden 4, 6 und 8 sind außerhalb des Gehäuses 10 in einem verengten oder reduzierten Bereich 14 gebündelt, der durch eine hydrophobe, sauerstoffdurchlässige Schicht 16 aus einem Material wie bspw. Silikongummi abgedeckt ist.
Der Fühler 2 ist nach dem klassischen potentiostatischen Prinzip betrieben, das in Figur 2 schematisch dargestellt ist. Wie bei anderen Fühlertypen wird Sauerstoff an der Oberfläche der Platinarbeitselektrode 6 elektrochemisch reduziert, wobei ein Elektrodenstrom erzeugt wird, der proportional zum Sauerstofffluß ist. Das Potential der Platinarbeitselektrode ist im Hinblick auf die Silber-/Silberchlorid-Referenzelektrode 4 festgesetzt. In dieser Betriebsart ist die Referenzelektrode 4 jedoch elektronisch bei einer sehr hohen Impedanz gehalten, um einen signifikanten Stromanstieg zu vermeiden. Der Hauptstrom fließt zu der inerten Zählerelektrode 8, die bei niedriger Impedanz gehalten ist. Der Operationsverstärker-Stromkreis 18 hält das gewünschte Potential zwischen den Arbeits- und Referenzelektroden 6 und 4 durch Anlegen des geeigneten Potentials zwischen den Arbeits- und Zählerelektroden 6 und 8. Die entlang dem Rückkopplungswiderstand Rf ausgebildete Spannung ist dem Elektrodenstrom proportional. Diese Spannung wird durch einen anderen, nicht gezeigten Stromkreis gemessen und verarbeitet.
Dieses Drei-Elektrodensystem sieht separate Elektroden für die beiden Funktionen vor, die bei früheren Konstruktionen durch die Anode ausgeführt sind, und hat den Vorteil, einen sehr kleinen Strom zu der Referenzelektrode 4 zu leiten. Es ermöglicht den Einsatz von viel größeren Verhältnissen von der Fläche der Arbeitselektrode 6 zu derjenigen der Zählerelektrode 8, wodurch größere Ströme erzeugt werden. Dies macht eine Signalverstärkung und Geräuschreduktion bei Fühlern mit geringem Außenmaß weniger kritisch.
Ausführungen des Verfahrens sind in den Figuren 3-6 graphisch dargestellt. Figur 3 zeigt eine Auführung, in welcher eine Vielzahl von Arbeitselektroden vorliegen, die sequentiell in das System geschaltet werden können. Drei Elektroden (als A, B und C benannt) umfassen die Arbeits- und Referenzelektroden. In der in Figur 3 gezeigten Version ist die Elektrode A als die Arbeitselektrode verdrahtet, ist die Elektrode B als eine zusätzliche Zählerelektrode (zusammen mit der regulären Zählerelektrode 8) verdrahtet und ist die Elektrode C außerhalb des Stromkreises. Die Auswahl, welche Elektrode die Arbeitselektrode zu jeder gegebenen Zeit ist, erfolgt mittels der Kombination aus dem dreipoligen, sequentiellen Umschalter 20 und dem individuellen Zwei- Weg-Schließschalter 22 (bzw. 22A, 22B und 22C in jedem Pfad). Wenn jede einzelne Arbeitselektrode schlechter wird oder einer Beschichtung oder einer Brückenbildung unterworfen ist, wird sie durch ein Öffnen ihres Schalters 22 (d.h., ein Bewegen des Schalters zu der außermittigen Position wie bei 22C), ein Bewegen des Schalters 20 zu der nächsten sequentiellen Position und ein Schließen des Schalters 22 der nächsten Elektrode, wie bei 22A gezeigt, aus dem Stromkreis herausgeschaltet. Obgleich die verbleibenden unverbrauchten Elektroden, falls gewünscht, außerhalb des Systems gelassen werden können (durch Offenlassen ihrer Schalter 22), ist es bevorzugt, sie, wie bei der Elektrode B und dem Schalter 22B gezeigt, vorübergehend als zusätzliche Zählerelektroden in den Stromkreis geschaltet zu haben, um zu vermeiden, daß sie mit Metallablagerungen beschichtet werden.
Es wird augenscheinlich sein, daß Figur 3 auch den Typ an Stromkreis darstellt, der für das Vorsehen einer Vielzahl von schaltbaren Referenzelektroden erforderlich ist. In diesem Fall würde der Schalter 20 in die Leitung 24 zwischen die Batterie 26 und die Vielzahl von Elektroden geschaltet werden. Jeder der Schalter 22 könnte ein einpoliger Ausschalter sein, welche mit Ausnahme der besonderen Elektrode, die dann im Einsatz ist, alle offen wären, da keine Absicht besteht, die zusätzlichen Elektroden alternativ als Zählerelektroden dienen zu lassen. Man kann auch die Anwesenheit von sowohl zusätzlichen Arbeits- als auch Referenzelektroden kombinieren, und zwar durch ein Vorsehen separater Schalter 20 in jeder Leitung 24 und 28 und ein Einreihen der beiden Teile des Stromkreises unabhängig voneinander, wenn erforderlich.
Obgleich in Figur 3 nur drei Elektroden gezeigt sind, wird es offensichtlich sein, daß dort jede Anzahl vorliegen kann, die nur durch die Anzahl an Elektrodendrähten limitiert ist, die bequem in dem Fühler 2 in Kombination mit den Elektroden 4, 6 und 8 gebündelt werden können.
Figur 4 stellt die Ausführung dar, wo die Polarität der Arbeits- und Referenzelektroden umkehrbar ist. In diesem Fall führen die Leitungen 24 und 28 in den zweipoligen Umschalter 34, der derart verdrahtet ist, daß ein Schalten des Schalters die Zuleitungen zu den Elektroden 30 und 32 umkehrt. Daher sind die Elektroden 30 und 32 alternativ als die Arbeitselektrode in der Leitung 28 oder die Referenzelektrode in der Leitung 24 geschaltet.
Figur 5 stellt die Ausführung dar, wo die Funktionen der Arbeits- und Zählerelektroden umkehrbar sind. In diesem Fall führen die Leitungen 28 und 42 (die letztere von der Erde 48 aus) in den zweipoligen Umschalter 36, der derart verdrahtet ist, daß ein Schalten des Schalters die Verbindungen zwischen den Leitungen 28 und 42 und den Zuleitungen 38 und 40 von den Elektroden 44 und 46 umkehrt. Daher sind die Elektroden 44 und 46 alternativ als die Arbeitselektrode in der Leitung 28 oder die über die Leitung 42 geerdete Zählerelektrode geschaltet.
Figur 6 stellt die Ausführung dar, wo eine gesteuerte Stromquelle 50 zwischen die Arbeitselektrodenzuleitung 52 und die Referenzelektrodenzuleitung 54 geschaltet ist. Diese Stromquelle arbeitet, um einen geringen, kontinuierlichen kathodischen Strom durch die Referenzelektrode 6 zu leiten. Es wird erkannt sein, daß die Stromquelle auch in andere Bereiche des Stromkreises geschaltet werden und dasselbe Ergebnis erreichen könnte.
Die folgenden Beispiele illustrieren die Fühler, bei denen das Verfahren zur Verlängerung der Lebensdauer und Ausführungen dieser Erfindung angewandt werden können. Elektroden wurden durch Schweißen eines kleinen Segments eines Platin- oder Silberdrahts mit einem Durchmesser von 0,003 oder 0,005 Inch an ein Ende eines langen, PTFE-isolierten Zuleitungsdrahts aus rostfreiem Stahl hergestellt. Die geschweißten Bereiche zweier solcher Platinelektroden und einer Silberelektrode wurden dann individuell in die Lumen eines kurzen Abschnitts eines Borsilikat-Glasrohrstrangs mit mehreren Bohrungen (0,010 Inch Innendurchmesser, 0,062 Inch Außendurchmesser; Friedrich and Dimmock, Inc.) eingekapselt, so daß sich die Elektroden und Zuleitungsdrähte von entgegengesetzten Enden des Glasgehäuses wegerstreckten. Ein Bisphenol A/Epichlorhydrin-basiertes Epoxidharz (Stycast 1266, Emerson and Cuming, Inc.) wurde für die Einkapselung verwendet. Die Elektroden wurden sorgfältig in die in Figur 1 gezeigte parallele Anordnung gebogen und auf eine Länge von 0,02 bis 0,10 inch gestutzt. Die Arbeits- und Zählerelektroden wurden auf einen Rauhigkeitsfaktor von etwa 800 platiniert, wie er durch anodisches Wasserstoffstrippen abgeschätzt ist. Das Elektrolytgel wurde um die Elektroden herum gebildet durch Eintauchen des Endes des Aufbaus in eine 10-20 %-ige Lösung aus Poly(Hydroxyethylmethacrylat) (Polysciences, Inc.) in Methanol, Verdunstenlassen des Lösungsmittels und Hydratisieren mit dem Elektrolyten. Der Elektrolyt war ein 0,01 M Phosphatpuffer, pH 7,3, der 0,01 M KCl enthält. Das Gel wurde in die Zwischenräume zwischen den Elektroden gefüllt und lieferte eine dünne Beschichtung auf den äußeren Seiten. Nach dem Trocknen wurde die äußere hydrophobe Schicht durch Eintauchen des Endes des Aufbaus in eine Lösung von 25% Silikongummi (RTV 3140, Dow Corning Corp.) in Toluol gebildet. Das Lösungsmittel wurde verdampft und den Silikongummi ließ man trocknen. Dies erzeugte eine etwa 10-25 Mikrometer dicke Schicht. Das Gel konnte ohne einen Verlust an Reaktionsfähigkeit dehydriert und durch Aussetzen einer wässrigen Probe rehydriert werden. Der Aufbau wurde dann in einem Silikongummirohr (0,040 Inch Innendurchmesser, 0,085 Inch Außendurchmesser, Dow Corning Corp.) derart fixiert, daß die Zuleitungsdrähte in das Rohr erstreckt waren und der aktive Elektrodenbereich ein Ende einnahm. Diese eingelassene Konstruktion liefert einen ringförmigen Raum um die Elektroden herum, der mit einem Enzymgel für Enzymelektrodenanwendungen befüllt werden kann. Der ringförmige Hohlraum wurde mit Silikongummi (RTV 3140) befüllt oder das Rohr wurde gestutzt, um den mit einer hydrophoben Membran abgedeckten Elektrodenaufbau zu exponieren. Der die Zuleitungsdrähte umgebende Raum wurde mit Silikongummi (RIV 615, General Electric Co.) befüllt, um mechanische Festigkeit zu liefern. Ein elektrischer Miniaturverbinder (Microtech, Inc.) wurde an den Zuleitungsdrähten an deren Austritt aus dem Rohr befestigt. Diese einfache Herstellungsmöglichkeit ergab typischerweise eine hohe Ausbeute an haltbaren, funktionsfähigen Fühlern.
Die Fühler wurden vor Langzeitprüfungen im Hinblick auf ihre Einheitlichkeit kontrolliert. Die Unversehrtheit der Silikongummibeschichtung wurde durch Messen des Widerstands bezüglich einer externen Elektrode unter Verwendung eines Elektrometers mit hoher Impedanz (Keithley Instruments Co., Modell 616) bestimmt. Fühler mit einem scheinbaren Widerstand von 10 x 10&sup9; Ohm oder größer konnten in komplexen Medien ohne eine gegenseitige Beeinflussung durch diffundierbare polare Lösungsprodukte verwendet werden und galten als Fühler mit einer wirksamen Barriere. Fühler mit einem signifikant niedrigeren scheinbaren Widerstand wurden nachbeschichtet. Der Hintergrundstrom in Abwesenheit von Sauerstoff wurde gemessen und als unbedeutsam bestimmt. Die Linearität des Ansprechens über einen physiologischen Sauerstoffkonzentrationsbereich wurde durch Aussetzen von Fühlern hinsichtlich Sauerstoffkonzentrationen verifiziert, die von 0,02 bis 0,24 mM reichen und die durch abgleichende Pufferlösungen mit analysierten Gasgemischen von 2, 5, 10 und 21% Sauerstoff hergestellt wurden. Die Fühler erforderten typischerweise etwa eine Minute, um nach einem Stufenwechsel der Sauerstoffkonzentration in einen stabilen Zustand zurückzukehren.
Die Fühler wurden hinsichtlich ihrer Stabilität in abgedichteten Thermostatgefäßen bei 37ºC bewertet, die 0,01 M Phosphatpuffer, pH 7,3, enthalten. Die Lösungen wurden bei den gewünschten Sauerstoffkonzentrationen durch Abgleichen mit analysierten Gasgemischen gehalten. Die Konzentration wurde in Intervallen von mehreren Tagen verändert, um die Empfindlichkeit zu demonstrieren. Der Elektrodenstrom wurde kontinuierlich aufgezeichnet.
Sechs Fühler wurden kontinuierlich in einem abgedichteten Thermostatgefäß bei 37ºC betrieben, das 0,01 M Phosphatpuffer, pH 7,3, enthält. Die Sauerstoffkonzentration wurde durch Abgleichen mit gefilterter Raumluft auf atmosphärischen Niveaus göhalten. Einige Fühler umfaßten spezifische, unten beschriebene Konstruktionsmodifikationen, um deren Einfluß auf das Schlechterwerden der Referenzelektrode zu bestimmen. Die Fühler waren im übrigen mit den in Figur 1 gezeigten Fühlern identisch. Fünf Fühler wurden nach 70 Tagen an kontinuierlichem Betrieb auseinandergebaut. Ein Fühler wurde nach 10 Tagen an kontinuierlichem Betrieb auseinandergebaut. Die Referenzelektroden wurden aus den Fühlern entfernt, und Rasterelektronen-Mikroskopie wurde eingesetzt, um das Ausmaß des Schlechterwerdens der Referenzelektrode in jedem Fall zu bewerten. Sämtliche Referenzelektroden waren ursprünglich aus festem Silberdraht mit einem Durchmesser von 0,075 mm ausgebildet.
Eine Referenzelektrode wurde von einem Fühler genommen, der den Testbedingungen 70 Tage lang ausgesetzt war, jedoch nicht mit irgendeinem externen Stromkreis zum Bewirken einer Polarisation der Arbeitselektrode verbunden war. In diesem Fall waren sämtliche Elektroden mit "offener" Leitung gehalten und waren deshalb nicht in der Lage, einen Gleichstrom aufrechtzuhalten. Diese Elektrode diente als eine Kontrolle in dem Experiment, da jegliche Korrosion in diesem Fall das Ergebnis einer einfachen Elektrolyt-Silber-Wechselwirkung oder eines passiven Geräuschauffangens in den Zuleitungsdrähten wäre. Eine genaue Untersuchung mittels. Mikrobild offenbarte geringe oder keine Korrosion dieser Elektrode.
Eine Analyse mittels Mikrobildern wurde an Referenzelektroden durchgeführt, die von Fühlern genommen waren, die unabgeschirmte bzw. abgeschirmte Referenzelektroden-Zuleitungsdrähte gebrauchten. Beide Fühler waren vor dem Auseinanderbau 70 Tage lang kontinuierlich betrieben. Die Referenzelektrode vom unabgeschirmten Fühler zeigte wesentlich mehr Korrosion als diejenige vom abgeschirmten Fühler. Jedoch selbst die Elektrode in dem abgeschirmten Fall zeigte bedeutsame Korrosion über 20-30% ihrer Oberfläche. Dies zeigt an, daß das Abschirmen des Zuleitungsdrahts, obgleich hilfreich bei der Reduktion von Korrosion, sie unter den hier beschriebenen Bedingungen nicht vollständig eliminiert.
Auch mittels Mikrobild wurde eine Referenzelektrode analysiert, die von einem Fühler genommen war, der keine äußere hydrophobe Membran hatte. Dieser Fühler wurde vor der Zerlegung 70 Tage lang kontinuierlich betrieben. Die Elektrode zeigte nur minimale Korrosion. Die Abwesenheit der hydrophoben Membran ermöglicht in diesem Fall Produkten aus den Anoden- und Kathodenreaktionen, aus dem die Elektroden umgebenden Elektrolytgel herauszudiffundieren. Dies resultiert während des Fühlerbetriebs in eine niedrigere Dauerzustandskonzentration der spezies an der Oberfläche der Referenzelektrode. Das minimale Schlechterwerden dieser Referenzelektrode legt nahe, daß die unidentifizierten Reaktionsprodukte inhärent korrosiv hinsichtlich der Elektrode sein können. Alternativ könnte die veränderte Ionenstromverteilung zwischen den Arbeits- und Zählerelektroden für die reduzierte Korrosion in diesem Fall verantwortlich sein.
Auch mittels Mikrobildern wurden Referenzelektroden analysiert, die von Fühlern genommen wurden, die vor der Zerlegung 10 bzw. 70 Tage lang kontinuierlich betrieben wurden. In diesen beiden Fällen wurden die Referenzelektroden einem konstanten Gleichstrom ausgesetzt, anstatt sie bei einer hohen Impedanz zu halten. Die Stromdichte war in jedem Fall 5,0 x 10&supmin;&sup7; A/cm². Eine Referenzelektrode wurde einem anodischen Strom ausgesetzt, während die andere Elektrode einem kathodischen Strom ausgesetzt war. Die in diesen Elektroden mittels des erzwungenen Stroms induzierte Polarisation wurde gemessen und als weniger als 0,5 mV herausgefunden. Diese Resultate demonstrieren dramatisch die Wirkungen von Gleichstromverlustströmen auf die Korrosion einer Referenzelektrode. Der Fühler mit dem angelegten anodischen Strom arbeitete nur 10 Tage lang, bevor er aufgrund eines dendritischen Kontakts zwischen den Referenz- und Arbeitselektroden ausfiel. Die Korrosionsgeschwindigkeit der Referenzelektrode war bei diesem Fühler viel höher als diejenige eines jeden anderen Aufbaus. Der Fühler mit dem angelegten kathodischen Strom demonstrierte jedoch eine sehr niedrige Korrosionsgeschwindigkeit, wie es durch das Fehlen des Anfressens der Oberfläche indiziert ist. Einige Oberflächenablagerungen (wahrscheinlich Silberchlond) waren auf dieser Probe wahrnehmbar.
Es wird augenscheinlich sein, daß es andere Ausführungen gibt, die oben nicht ausdrücklich bekanntgemacht sind, die jedoch klar innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen. Deshalb ist die obige Beschreibung als lediglich beispielhaft anzusehen und ist der Umfang der Erfindung ausschließlich durch die beigefügten Patentansprüche zu definieren.

Claims

1. Verfahren zur Verlängerung der Lebensdauer implantierbarer Fühler (2), die korrodierbare Elektroden (4, 6, 8) enthalten, welches umfaßt in einem Fühlerstromkreis, der einen Fühler (2) mit einer korrodierbaren Referenzelektrode (4), zumindest einer kathodischen Arbeitselektrode (6) aus Edelmetall und zumindest einer bei einer niedrigen Impedanz gehaltenen anodischen Zählerelektrode (8) aus Edelmetall umfaßt, ein Betreiben des Fühlerstromkreises in einer ersten elektrischen Konfiguration, in welcher sowohl die Referenzelektrode (4) als auch die Arbeitselektrode (6) in einem ersten elektrischen Zustand sind, und vor dem Auftreten eines Fühlerversagens, ein Schalten des Fühlerstromkreises in eine zweite elektrische Konfiguration, in welcher der elektrische Zustand von zumindest einer der Referenzelektrode (4) und der Arbeitselektrode (6) in einen zweiten elektrischen Zustand verändert ist, und ein Fortsetzen des Betriebs des Fühlers (2) in der zweiten elektrischen Konfiguration für eine Periode an Zeit, die sich über die Zeit hinaus erstreckt, bei weicher der Fühler (2) versagt hätte, wäre die erste elektrische Konfiguration des Fühlerstromkreises beibehalten worden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die korrodierbare Elektrode (4) eine silbergefertigte oder silberimprägnierte Elektrode (4) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Schalten der elektrischen Konfiguration ein Erhöhen der Eingangsimpedanz bei der Referenzelektrode (4) umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, worin die Referenzelektrode (4) auch abgeschirmt ist, um den Auswirkungen einer Streukapazität entgegenzuwirken, welche lokale Ströme verursachen würde.

5. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Schalten der elektrischen Konfiguration vor der Bildung irgendeiner dendritischen, die Arbeits- (6) und Referenzelektroden (4) überbrückenden Struktur ein Umkehren der elektrischen Verbindungen zu den Arbeits- (6) und Zählerelektroden (8) umfaßt, so daß jede die vorherige Betriebsfunktion der anderen übernimmt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Schalten der elektrischen Konfiguration ein Einfügen einer Vielzahl von Arbeits- (6) oder Referenzelektroden (4) in den Fühler (2) umfaßt, wobei nur eine von der Vielzahl von Elektroden jederzeit wirksam ist und wobei alle Elektroden derart angepaßt sind, daß sie sequentiell in den Fühlerstromkreis geschaltet sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, worin es Vielzahlen von sowohl den Arbeits- (6) als auch den Referenzelektroden (4) gibt und wobei die Elektroden in jeder Vielzahl derart angepaßt sind, daß sie sequentiell in den Stromkreis geschaltet sind.

8. Verfahren nach Anspruch 6, worin die Vielzahl aus den Arbeitselektroden (6) besteht und die Elektroden in der Vielzahl, die noch nicht als die wirksame Arbeitselektrode (6) verwendet worden sind, als zusätzliche Zählerelektroden (8) in den Stromkreis geschaltet sind und jede als solche bis zu der Zeit arbeitet, zu der sie als eine Ersatzarbeitselektrode (6) in den Stromkreis geschaltet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, worin in der Vielzahl der Arbeitselektroden (6) Elektroden in der Vielzahl, die noch nicht als die wirksame Arbeitselektrode (6) verwendet worden sind, als zusätzliche Zählerelektroden (8) in den Stromkreis geschaltet sind und jede als solche bis zu der Zeit arbeitet, zu der sie als eine Ersatzarbeitselektrode (6) in den Stromkreis geschaltet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Schalten der elektrischen Konfiguration ein periodisches Verändern der Polarisation der Arbeits- (6) und Referenzelektroden (4) umfaßt, um galvanisch abgeschiedenes Metall von der Arbeitselektrode (6) zurück zu der Referenzelektrode (4) zu treiben.

11. Verfahren nach Anspruch 10, worin das Verändern der Polarisation ein Umkehren der Polarität des Stromkreises umfaßt, so daß die Referenzelektrode (4) kathodisch wird und die Arbeitselektrode (6) anodisch wird, und zwar für eine Periode an Zeit, die ausreicht, um die erforderliche Anzahl an Coulombs an Silber von der Arbeitselektrode (6) zu der Referenzelektrode (4) zu leiten.

12. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Schalten der elektrischen Konfiguration ein Anlegen eines geringen, kontinuierlichen kathodischen Stroms an die Referenzelektrode (4) umfaßt.