JP2004511791A - バイオセンサー用の多孔質高分子膜を製造するためのスクリーン印刷可能なペースト材 - Google Patents

Abstract

本発明は多孔質な高分子膜を製造するためのスクリーン印刷可能なペースト材に関する。このペースト材は少なくとも１種類の高分子、１００℃よりも高い沸点を有する上記高分子に対応する１種類以上の溶媒、上記各溶媒の沸点よりも高い沸点を有する上記各高分子に対応する１種類以上の非溶媒物質（気孔形成剤）を含有しており、さらに親水性の粘度改質材を含有している。

Description

【０００１】
本発明は特に全血サンプルの統合化した調製のための電気化学的なセンサー、特に電気化学的なバイオセンサーにおいて使用できる多孔質高分子膜を製造するためのスクリーン印刷可能なペースト材に関する。
【０００２】
バイオセンサーは、例えば、血液等の体液における種々の因子の濃度決定における多数の診断方法において既に用いられている。この関係における目的は（血液）サンプルの入念な方法を必要とせずに、試験片に血液を供給することにより迅速な結果を得ることである。このことは、例えば、決定するべき成分の酵素的な変換等の特定の生物化学的な反応を生じることを必要とし、この反応はその後において異なる電極（作用電極および基準電極）の間における電子の移動を生じて、定量的に決定できる。
【０００３】
既知の電気化学的なバイオセンサーの大半における不都合点は、試験片におけるこの目的のために備えられた領域に血液を供給すると、これにより生じる生物化学的な反応がその血液中に存在している別の成分、特に赤血球（成熟赤血球）により影響を受ける。従って、例えば、ヘマトクリットの値（＝容量・重量％における血液の合計量の割合としての赤血球の容量）が高い場合に、従来的な血液グルコース・センサーによりグルコースについて測定した値が実際の値よりも低くなる。この不利な作用は赤血球が、バイオセンサーの反応層上に吸着することにより、当該センサー内およびその電極へのグルコースの拡散に影響して測定される信号を減少するという事実により生じる。
【０００４】
上記の問題を解決するために、試験片の各電極上に配置される酵素の層から赤血球を分離するために、この酵素の層の上部に置かれる種々の膜が提案されている。
【０００５】
従って、例えば、米国特許第５，６５８，４４４号はセンサーのための赤血球排除膜を記載しており、この膜は水不溶性で疎水性の高分子、水溶性で親水性の高分子および赤血球凝集剤により構成されていて、試験片の表面上に噴霧することにより製造されている。
【０００６】
上記の膜の不都合点の一つはこの膜の気孔の直径がその噴霧処理の距離および噴霧圧力の関数として変化することである。加えて、試験片の製造中におけるこの膜の噴霧処理はその試験片の残りの部分の製造とは異なる付加的な処理を意味し、それゆえ、手間がかかることになり、製造プロセスを複雑にしてコストを高める。
【０００７】
それゆえ、本発明の目的は残りの処理に対して適合している方法によりバイオセンサーの製造処理中に供給可能であり、それゆえ、コスト面において効果的であり、一定の気孔寸法の膜を製造するという理由により上記の不都合点を持たない多孔質膜の製造用のペースト材を提供することである。
【０００８】
上記目的は（本明細書の特許請求の範囲における）請求項１に記載されている多孔質高分子膜用のペースト材により達成される。また、有利な進展的変形が請求項２乃至請求項１８により明らかになる。
【０００９】
図１は本発明の高分子膜を備えている試験片の構造を示している図である。カーボン層の形態の電極構造２は、さらに絶縁材料３により部分的に被覆されていて、ポリエステル支持材料１の上に配置されている。酵素および媒介物質の層４は絶縁材料により被覆されていない電極層の領域の上に配置されている。血液グルコース・センサーの場合に、この層は、例えば、酵素のグルコース・オキシダーゼおよび媒介物質のＦｅ^３＋により構成されている。本発明の高分子膜５は酵素および媒介物質の層４の上方に配置されている。さらに、これらの全体が接着剤層６およびカバー・シート７により被覆されている。
【００１０】
バイオセンサーの大量生産において、電極、絶縁材料および酵素の各層を含む種々の層を印刷するためにスクリーン印刷法を採用する。本発明は同一の技法により供給できる膜を提供する。また、本発明は上記膜を印刷するために、それゆえセンサーの製造プロセス全体にわたり、同一のスクリーン印刷装置を使用することができるという利点を有しており、この利点は大量生産における莫大な経済的利益を含む。また、スクリーン印刷法の再現性により均一な厚さおよび気孔寸法の膜を製造することが可能になり、この可能性はスピンコーティング処理、浸漬塗布または噴霧処理等の別の方法では確実化されない。
【００１１】
スクリーン印刷により上記高分子膜を製造するために使用されるペースト材を供給可能にするためには、その高分子に対応して内部に存在している各溶媒は印刷機内における材料の時期尚早な乾燥を避けるために可能な限り高い（１００℃よりも高い）沸点を有することが必要である。加えて、このペースト材は上記高分子に対応する非溶媒物質を含み、この非溶媒物質は気孔形成剤として作用して使用される各溶媒よりも高い沸点を有している。
【００１２】
さらに、上記ペースト材は印刷中にスクリーンを通して均一な流れを確実にするために一定の適当な粘度（３００００ｃｐｉ乃至５００００ｃｐｉ）を有している。このペースト材の粘度は好ましくは、図２における流動学的な特性において示されているように、剪断力に対する曝露の際に減少する。
【００１３】
本発明のペースト材において好ましく用いられる高分子は酢酸セルロース（５０ｋＤａ）である。この酢酸セルロースはスクリーン印刷可能なペースト材中において約８重量％の割合で存在している。加えて、存在可能な別の高分子は１０重量％までの割合の硝酸セルロースである。
【００１４】
上記高分子に対応して使用可能な溶媒は、例えば、１，４−ジオキサン（沸点：１０２℃）および／または４−ヒドロキシメチルペンタノン（沸点：１６５℃）である。好ましい組成は０重量％乃至２０重量％、さらに好ましくは２０重量％の１，４−ジオキサンおよび０重量％乃至７０重量％、さらに好ましくは５６重量％の４−ヒドロキシメチルペンタノンを含み、この４−ヒドロキシメチルペンタノンを酢酸エチルまたはエチレン・グリコール・ジアセテートに換えることが可能である。
【００１５】
１５０℃よりも高い（＞１５０℃）沸点を有する長鎖アルコールが上記スクリーン印刷可能な膜のペースト材用の気孔形成剤として適当であることが明らかになっており、この場合の好ましい材料はｎ−オクタノールであり、この材料は１９６℃の沸点を有しており、および／または、２−メチル−２，４−ペンタンジオール（ＭＰＤ）であり、この材料は１９７℃の沸点を有している。
【００１６】
上記ペースト材は２−メチル−２，４−ペンタンジオール（ＭＰＤ）を気孔形成剤として使用した場合にジオキサンの蒸発に対して幾分裕度がひろい。さらに、酢酸セルロースは溶媒中に比較的長く残り、この材料は上記ペースト材が印刷可能な状態に維持される時間を延ばす。このように延長された「ポット・ライフ（ｐｏｔ ｌｉｆｅ）」（可使時間）により、一定の品質の比較的に大形のバッチを製造することが可能になる。
【００１７】
上記気孔形成剤は５重量％乃至２０重量％、好ましくは１２重量％乃至１５重量％の割合で存在させる必要がある。
【００１８】
上記粘度の改質剤は、例えば、親水性のシリカ・キセロゲルまたはこれと等価物の「ヒュームド・シリカ（ｆｕｍｅｄ ｓｉｌｉｃａｓ）」、ベントナイト、クレー、ナトロソル（Ｎａｔｒｏｓｏｌ）またはカーボン・ブラックである。これらは上記スクリーン印刷可能なペースト材に対して１重量％乃至１０重量％の割合で添加する必要がある。好ましい材料は４重量％の割合におけるＣａｂ−Ｏ−Ｓｉｌ Ｍ５、Ｃａｂ−Ｏ−Ｓｉｌ Ｈ５、Ｃａｂ−Ｏ−Ｓｉｌ ＬＭ５０、Ｃａｂ−Ｏ−Ｓｉｌ ＬＭ１３０等の親水性Ｃａｂ−Ｏ−Ｓｉｌ類（Ｃａｂｏｔ ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ社により販売されているシリカ・キセロゲルの専有名）である。
【００１９】
また、Ｔｗｅｅｎ ２０、Ｔｒｉｔｏｎ Ｘ、Ｓｉｌｖｅｔ ７６００または７２８０、硫酸ラウリル（ＳＤＳ）、その他の洗浄剤、およびグリセロール等のポリオール、またはポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）またはビニルピロリドン／ビニル・アセテートのコポリマー（ＰＶＰ／ＶＡ）等の親水性高分子を含む別の添加物も本発明のペースト材に加えることができる。
【００２０】
上記の添加物の１種類以上を添加することは上記の膜を製造するために必須ではないが、これらが上記膜のぬれ性を改善してセンサー応答の速度を高めることが明らかになっている。使用において好ましい材料は上記スクリーン印刷可能なペースト材中において０．１重量％の割合におけるＰＶＰ／ＶＡまたはＰＶＰである。
【００２１】
さらに、添加剤であるビオタージ（Ｂｉｏｔｅｒｇｅ）、ポリエチレンイミン、ＢＳＡ、デキストラン、フタル酸ジシクロヘキシル、ゼラチン、スクロースおよび／またはビウレットの添加は赤血球と血漿との分離を改善できる。
【００２２】
さらに、上記酵素の層の印刷をバイオセンサーの製造プロセス内において実行可能にするために、上記酢酸セルロースのペースト材に、例えば、グルコース・オキシダーゼ等の酵素を均一に添加することが可能である。
【００２３】
上記印刷用のペースト材の均一な層を適当な下地に塗布した後に、上記膜がその乾燥処理中に形成される。この場合に、使用している各溶媒は上記気孔形成剤よりも低い沸点をそれぞれ有していて、各溶媒が速やかに追随して蒸発し、酢酸セルロースの高分子が気孔形成剤の残った膜の中に沈殿するので、連続的な膜ではなく多孔質の層が形成される。
【００２４】
しかしながら、バイオセンサーに関しては、使用している各酵素／タンパク質が過度に高い温度の場合に変性するために、上記乾燥処理において高い温度のみを使用することが許容されない。最良の結果は全血におけるグルコースを決定する場合のバイオセンサーに関して約７０℃の乾燥温度により達成される。なお、上記使用する各溶媒および気孔形成剤の沸点は諸条件に従って選択する必要がある。
【００２５】
上記気孔形成において重要なファクターは使用する粘度改質剤であり、この材料は上記高分子の構造を安定化するために上記気孔形成剤と共にゲルを形成する。これらの物質を使用する場合に、そのシリカ・キセロゲルにおけるＯＨ基と長鎖アルコール（例えば、オクタノール）との間の相互作用によりゲルが生成される。上記乾燥処理中に生成されるこのゲルの量および分布が結果として展開する各気孔の寸法および形状を決定する。
【００２６】
また、粘度改質剤を添加しない場合には、気孔形成剤はそれ自体で上記高分子の骨格を安定化することができないので、上記溶媒および気孔形成剤によりエマルジョンが形成される。この結果は捕捉された状態の気孔形成剤を伴う白色で、滑らかな無構造状態の膜であり、横方向の液体の移動を可能にしない。これに対して、気孔形成剤をペースト材において使用しない場合には透明な膜が得られる。
【００２７】
また、上記粘度改質剤の量が過度に少なければ（１重量％よりも少ない）、結果として得られる膜は、図３ａにおいて示されているように、不適当に展開した気孔構造のみを有する。
【００２８】
種々の適当な粘度改質剤は異なる表面特性を有しているので、上記粘度改質剤は必要とされる膜または必要とされるバイオセンサーに応じて選択できる。例えば、長い印刷時間または高い押圧力による極めて薄い層の印刷等の、高い機械的応力により、上記Ｃａｂ−Ｏ−Ｓｉｌ Ｈ５は「破砕される（ｃｒｕｓｈｅｄ）」。このような表面は微視的に鋭い破砕したエッジ部分を示し、これらは赤血球の溶解を引き起こす可能性がある。
【００２９】
上記の特性はセンサーの基本的な電流を増加するので、血液グルコース・センサーの場合に不所望な特性である。一方、この結果は最適化可能であり、細胞の血漿がその電気化学的な検出のためにセンサー内において直接的に利用できる。実用的な一例は赤血球内のヘモグロビンの検査であると考えられる。この場合に、例えば、カリウム・ヘキサシアノフェレート（ＩＩＩ）等の上記バイオセンサー中の媒介物質はヘモグロビンにおけるＦｅ（ＩＩ）の基に対して反応して、カリウム・ヘキサシアノフェレート（ＩＩ）を生成し、この反応結果がバイオセンサーの電極において直接的に決定できる。なお、この媒介物質はヘモグロビンに対して直接的に反応するので、グルコース決定における場合と同様の酵素はこの場合には不要である。また、血液グルコースのモニターにおける場合と同様の測定設備により患者のヘマクリット値の決定の実施がこの方法により可能であり、毛細管および遠心分離の時間のかかる使用が不要になる。
【００３０】
Ｃａｂ−Ｏ−Ｓｉｌ ＬＭ １５０はＨ５よりも小さい粒子により構成されており、それゆえ、これらは比較的に安定であり、印刷処理中に機械的な応力により損傷されない。それゆえ、この粘度改質剤は血液グルコース・センサーのための膜を製造する場合に最も適当である。
【００３１】
上記の説明から分かるように、溶媒と気孔形成剤との間の沸点における差は、粘度改質剤による高分子の骨格の安定化に加えて、適当な膜の形成のために重要である。この場合における上記の差は約３０℃にする必要があり、上記膜の高分子が沈殿できる十分に高い濃度の気孔形成剤を含む膜が上記乾燥処理において形成される。この沸点の差が比較的に小さければ、上記気孔形成剤は溶媒と気孔形成剤との間の一定の臨界比率に到達する前に蒸発を始めて、その膜の高分子が沈殿する。
【００３２】
既に説明した組成を有するスクリーン印刷可能なペースト材を印刷して、溶媒を蒸発した後に、セルロース・エステルの析出により、０．１μｍ乃至２μｍの平均気孔寸法を有する膜が形成され、使用している長鎖アルコールの量によりこの気孔寸法に影響を及ぼすことが可能である。この膜の電子顕微鏡写真が図３ｂにおいて示されている。赤血球は８μｍ乃至１０μｍの平均寸法を有しているので、上記の膜はこれらを酵素の層から分離すると共に、血漿を妨げずに通過させることができる。加えて、この膜は酵素の層の機械的な安定性に寄与して、血液サンプルの供給時に酵素が電極から離脱すること、およびその後に電気化学的な反応において利用不能になることを防止する。
【００３３】
図４は本発明の膜を備えている試験片が一定のグルコース濃度において、膜を備えていない試験片と対比した場合に、ヘマクリット値の増加に従って一定の結果を示すが、膜を備えていない試験片の場合の応答は赤血球濃度の増加に従って減少するという事実を一連の測定により示している。なお、上記酵素の層と血液サンプルとの間に増加された拡散バリヤーにより、膜を備えているセンサーの場合に全体の応答が幾分減少している。
【００３４】
本発明を以下の各実施例により説明する。
【００３５】
印刷用ペースト材の製造
以下の各実施例において示されている各量の比率に従って、溶媒（例えば、ヒドロキシメチルペンタノン、ジオキサン）および機構形成剤（例えば、オクタノール、ＭＰＤ）の混合物を製造してこれら２種類の物質の均一な分布を確認した。次の工程において、全ての添加物（例えば、ＰＶＡ／ＶＡ）を加えて溶解し、必要に応じて、超音波の補助を採用した。その後、膜の高分子（酢酸セルロース、５０ｋＤａ）を既に製造した溶媒と速やかに混合して均一な懸濁状の結果物にした。この懸濁液を密閉した容器の中で４８時間にわたりロールにより混練して透明なゲル状の結果物にした段階で、この結果物に粘度改質剤（例えば、Ｃａｂ−Ｏ−Ｓｉｌ）を添加することが可能になる。さらに、この仕上げ状態の印刷用ペースト材を２４時間にわたりロール混練して粘度改質剤を確実に均一に分布させる。
【００３６】

【００３７】

【００３８】

【００３９】

【００４０】
図５は血液グルコースの各センサーの臨床的性能を示している図である。
（ａ）高分子膜を備えていない
（ｂ）高分子膜（実施例２の組成）を備えている
（ｃ）高分子膜（実施例３の組成）を備えている
（ｄ）高分子膜（実施例４の組成）を備えている
【００４１】
臨床的な各調査の比較において、上記種々のセンサーによる測定の結果を基準方法（ＹＳＩモデル２３００、Ｓｔａｔ Ｐｌｕｓ）による測定結果と比較して、偏差のパーセント値を個々の血液サンプルにおけるヘマトクリットの各値に対してプロットした。理想的な場合における結果はｘ軸に対して水平な測定線である。表１において示されている上記各測定線の勾配は使用しているセンサー・システムに対するヘマクリットの干渉についての情報を提供している。
【表１】

【００４２】
上記のデータは好ましい膜（実施例４の組成）を備えているセンサー・システムの優れた特性を大まかに示している。この改善は電極の前方におけるネルンスト（Ｎｅｒｎｓｔ）の拡散層が赤血球を伴う領域内に延在し得なくなり、それゆえに、ヘマトクリット値による影響を受けなくなったことによる、電極の直前における全血と血漿との分離により達成される。
【００４３】
以下の各比較例は気孔形成剤、各溶媒および粘度改質剤の間における適当な調和性のない印刷用ペースト材を説明している。
【００４４】

【００４５】

【００４６】

【００４７】
比較例１において、この印刷用ペースト材において使用した溶媒（エチレン・グリコール・ジアセテート）と気孔形成剤（ｎ−オクタノール）の各沸点の間における差が小さすぎるために多孔質の膜が形成されない。これに対して、（実施例１において説明したように）ｎ−デカノールを気孔形成剤として用いた場合には、溶媒と気孔形成剤との間の沸点の差が十分に大きいので、乾燥処理の後に多孔質の膜が得られる。
【００４８】
比較例２において、気孔形成剤のＯＨ基と反応し得ない疎水性のＣａｂ−Ｏ−Ｓｉｌの使用により高分子骨格の安定化が不適当であるために、この気孔形成剤と粘度改質剤との間に不適当なゲルのみが形成される。このことは多孔質膜の形成を妨げる。
【００４９】
実施例３においても多孔質の膜が形成されず、この場合においては、気孔形成剤において使用した高分子（セルロース・アセテート・プロピオネート）の溶解性が高すぎる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の膜を備えている試験片の構造を概略的に示している図である。
【図２】
本発明のペースト材の流動学的特性を示している図である。
【図３ａ】
不適当に展開している気孔構造を有する高分子膜の電子顕微鏡写真を示している図である。
【図３ｂ】
十分に展開している気孔構造を有する本発明の高分子膜の電子顕微鏡写真を示している図である。
【図４】
ヘマトクリット値の増加について比較している２種類のバイオセンサーの場合の測定結果を示しており、これらのセンサーの内の一つは本発明の膜を備えている。
【図５ａ】
４種類のグルコース・センサーの比較における臨床的な性能を示している図である。
【図５ｂ】
４種類のグルコース・センサーの比較における臨床的な性能を示している図である。
【図５ｃ】
４種類のグルコース・センサーの比較における臨床的な性能を示している図である。
【図５ｄ】
４種類のグルコース・センサーの比較における臨床的な性能を示している図である。
【符号の説明】
１　支持材料
２　電極構造
３　絶縁材料
４　酵素および媒介物質の層
５　高分子膜
６　接着剤層
７　カバー・シート

Claims (18)

1. 多孔質高分子膜を製造するためのスクリーン印刷用ペースト材において、少なくとも１種類の高分子、１００℃よりも高い沸点を有する前記高分子に対応する１種類以上の溶媒、前記各溶媒よりも高い沸点を有する前記高分子に対応する１種類以上の非溶媒物質（気孔形成剤）、および親水性の粘度改質剤を含有しているスクリーン印刷可能なペースト材。
2. 前記溶媒と気孔形成剤との間の各沸点の差が少なくとも３０℃であることを特徴とする請求項１に記載のスクリーン印刷可能なペースト材。
3. 前記ペースト材が前記高分子として酢酸セルロースを含有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスクリーン印刷可能なペースト材。
4. 前記ペースト材が１，４−ジオキサンおよび／または４−ヒドロキシメチルペンタノンおよび／または酢酸エチルを溶媒として含有していることを特徴とする請求項３に記載のスクリーン印刷可能なペースト材。
5. 前記ペースト材が長鎖アルコールを気孔形成剤として含有していることを特徴とする請求項１乃至請求項４の少なくとも１項に記載のスクリーン印刷可能なペースト材。
6. 前記ペースト材がｎ−オクタノールおよび／または２−メチル−２，４−ペンタンジオールを気孔形成剤として含有していることを特徴とする請求項５に記載のスクリーン印刷可能なペースト材。
7. ｎ−オクタノールおよび／または２−メチル−２，４−ペンタンジオールが５重量％乃至２０重量％の割合で存在していることを特徴とする請求項６に記載のスクリーン印刷可能なペースト材。
8. 前記ペースト材が親水性のシリカ・キセロゲルを粘度改質剤として含有していることを特徴とする請求項１乃至請求項７の少なくとも１項に記載のスクリーン印刷可能なペースト材。
9. 前記シリカ・キセロゲルが１重量％乃至１０重量％の割合で存在していることを特徴とする請求項８に記載のスクリーン印刷可能なペースト材。
10. 前記ペースト材がさらにビニルピロリドン／酢酸ビニルのコポリマー（ＰＶＰ／ＶＡ）および／またはポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）を含有していることを特徴とする請求項１乃至請求項９の少なくとも１項に記載のスクリーン印刷可能なペースト材。
11. 前記ＰＶＰ／ＶＡまたはＰＶＰが０．１重量％の割合で存在していることを特徴とする請求項１０に記載のスクリーン印刷可能なペースト材。
12. 前記ペースト材がさらに１種類以上の酵素を含有していることを特徴とする請求項１乃至請求項１１の少なくとも１項に記載のスクリーン印刷可能なペースト材。
13. スクリーン印刷可能なペースト材を製造するための方法において、
    一定の高分子に対応する１種類以上の溶媒および一定の高分子に対応する１種類以上の非溶媒物質（気孔形成剤）の混合物を製造する工程、
    均一な懸濁液が得られるまで前記高分子中において混合する工程、
    透明なゲルが得られるまで前記懸濁液をロールにより混練する工程、
    親水性の粘度改質剤を添加する工程、および
    前記粘度改質剤が均一に分布するまで前記混合物をロールにより混練する工程を含む方法。
14. 多孔質高分子膜を製造するための請求項１乃至請求項１２の少なくとも１項に記載のペースト材の使用方法。
15. 前記高分子膜がバイオセンサー試験片に導入される請求項１４に記載の使用方法。
16. 前記バイオセンサーが血液グルコース濃度を測定するために設計されていることを特徴とする請求項１５に記載の使用方法。
17. 前記バイオセンサーがヘマクリット値を決定するために設計されていることを特徴とする請求項１５に記載の使用方法。
18. 請求項１乃至請求項１２の少なくとも１項に記載のスクリーン印刷可能なペースト材により製造した多孔質高分子膜。

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