JP2009519106A - バイオセンサならびにその作製および使用方法 - Google Patents
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Abstract
Description
A.最適化された本発明のセンサ素子:
本明細書で開示するセンサの実施形態は、向上した材料特性を有する1つ以上のセンサ素子を組み込む。本明細書で開示する本発明の実施形態は本発明のセンサを作製するための最適化された方法をさらに含む。この節の以下の段落はこれらの実施形態の説明を提供する。
ただし、厚い多孔性電極は同じサイズの隣接球体の格子としてモデル化されており、他方、薄い電極は二次元表面としてモデル化されている。酵素またはタンパク質固定化に使用できる表面積はAavailであり、電極の投影面積はAprojである。電極の空隙率および厚さはそれぞれLおよびεである。厚い電極を作り上げる球体は半径Rであり、酵素またはタンパク質固定化に用いられる球体の表面積の部分はΦである。例えば、L=25μm、R=1μm、ε=0.5およびΦ=0.5を有する多孔性電極は、同じ投影面積を有する薄い電極と比較して、18倍を超える酵素固定化のための表面積を有することになる。
図2A,図2Bは、本発明の典型的なセンサ構造100の断面図を示す。センサは、一般に、センサ構造物を作製するための本発明の方法によって、互いの上に配置された種々の導電性および非導電性の構成要素の層の形態の複数の成分から形成される。例えば、図2A,図2Bに示すようにセンサ構造の簡単な特性付けが可能になるので、本明細書ではセンサの成分は概ね層と見なすこととする。しかし、当業者は、本発明の特定の実施形態では、センサ構成要素を一緒にし、それによって複数の構成要素が1つ以上の異種層を形成することを理解されよう。構成要素のそうした組合せの例示的実施形態を図10に示す。
以下の開示は、その1つ以上を本明細書に記載の他の構成要素(あるいは当業界で知られている他の構成要素)と合体して本発明のセンサを生成することができる典型的な素子/構成要素の例を提供する。これらの素子は個別的な単位(例えば、層)として説明できるが、当業者は、センサを、以下で論じる素子/構成要素(例えば、支持ベース構成要素および/または導電性構成要素、および/または被分析物質感知構成要素のためのマトリックスの両方として作用し、さらに、センサ中の電極として機能する素子)の材料特性および/または機能の一部の組合せまたはすべてを有する素子を含むように設計することができることを理解されよう。構成要素のそうした組合せの実施形態の例を図10に示す。
本発明のセンサは一般にベース構成要素(例えば、図2A,図2Bの構成要素102を参照されたい)を含む。「ベース構成要素」という用語は本明細書では、当業界で受け入れられている専門用語に従って用いられ、これは次々その頂部に積み重ねられ、かつ機能性センサを含む複数の構成要素のための支持マトリックスを一般に提供する装置中の構成要素を指す。1つの形態では、ベース構成要素は、絶縁性(例えば、電気絶縁性および/または水非浸透性)材料の薄膜シートを含む。このベース構成要素は、水非浸透性や密封性などの望ましい特性を有する様々な材料でできていてよい。いくつかの材料には、金属性セラミックおよびポリマー基体または同様のものが含まれる。任意選択で、ベースは本明細書で開示する多孔性電極マトリックスなどの電極を含むことができる。
本発明の電気化学的センサは一般に、アッセイされる被分析物質またはその副生成物(例えば、酸素および/または過酸化水素)と接触するための少なくとも1つの電極を含むベース構成要素上に配置された導電性構成要素を含む(例えば、図2A,図2Bの構成要素104を参照されたい)。「導電性構成要素」という用語は本明細書では、当業界で受け入れられている専門用語に従って用いられ、検出可能なシグナルを測定し、これを検出装置へ導くことができる電極などの電気的に導電性センサ素子を指す。この具体例は、被分析物質またはその副生成物の濃度の変化などの刺激への曝露に応答して、被分析物質、被分析物質感知構成要素110中に存在する組成物(例えば、酵素グルコースオキシダーゼ)と相互作用する際に用いられる共反応物質(例えば、酸素)、または相互作用の反応生成物(例えば、過酸化水素)の濃度の変化を経験していない基準電極と比較した電流の増減を測定できる導電性構成要素である。そうした構成要素の例には、可変濃度の過酸化水素または酸素などの分子の存在下で、可変の検出可能シグナルを生成することができる電極が含まれる。典型的には、導電性構成要素におけるこれらの電極の1つは、非腐食性金属または炭素から作製できる作用電極である。炭素作用電極はガラス質であっても黒鉛状であってもよく、固体またはペーストから作製することができる。金属性作用電極は、パラジウムもしくは金を含む白金族金属または二酸化ルテニウムなどの非腐食性金属の導電性酸化物から作製することができる。あるいは、電極は銀/塩化銀電極組成物を含むことができる。作用電極は、例えばコーティングまたはプリントにより、基体に施用されたワイヤーまたは薄い導電性フィルムであってよい。
本発明の電気化学的センサは、電極の表面と、アッセイされる環境との間に配置された干渉拒絶構成要素を任意選択で含む。具体的には、特定のセンサの実施形態は、印加された定電位での作用電極の表面上の酵素反応によって生成する過酸化水素の酸化および/または還元による。過酸化水素の直接酸化に基づくアンペロメトリック検出は比較的高い酸化電位を必要とするので、この検出スキームを用いたセンサは、アスコルビン酸、尿酸およびアセトアミノフェンなどの生体液中に存在する易酸化性種による干渉を被る可能性がある。この関連で、「干渉拒絶構成要素」という用語は本明細書では、当業界で受け入れられている専門用語に従って用いられ、感知される被分析物質によって生じるシグナルの検出を妨害するそうした易酸化性種によって生じる誤ったシグナルを阻止するように機能するセンサ中のコーティングまたは膜を指す。干渉拒絶構成要素の例には、親水性ポリウレタン、酢酸セルロース(ポリ(エチレングリコール)などの薬剤を混ぜ込んだ酢酸セルロースを含む)、ポリエーテルスルホン、ポリテトラ−フルオロエチレン、過フッ素化アイオノマーNafion(商標)、ポリフェニレンジアミン、エポキシなどの1つ以上の層またはコーティングが含まれる。そうした干渉拒絶構成要素の考察の例は、例えば、ウォードらのBiosensors and Bioelectronics 17(2002)181−189およびチョイらのAnalytical Chimica Acta 461(2002)251−260に記載されている。それらを本願に引用して援用する。
本発明の電気化学的センサはセンサの電極上に配置された被分析物質感知構成要素を含む(例えば、図2A,図2Bの構成要素110を参照されたい)。「被分析物質感知構成要素」という用語は本明細書では、当業界で受け入れられている専門用語に従って用いられ、その存在が被分析物質センサ装置によって検出される被分析物質を認識することができるかまたはそれと反応することができる材料を含む構成要素を指す。一般に、被分析物質感知構成要素中のこの材料は、通常、導電性構成要素の電極を介して感知される被分析物質と相互に作用した後、検出可能なシグナルを発生する。この関係では、被分析物質感知構成要素と導電性構成要素の電極は一緒に作用して、被分析物質センサに付随する装置で読み取られる電気シグナルを生成する。一般に、被分析物質感知構成要素は、その濃度の変化を、導電性構成要素(例えば、酸素および/または過酸化水素)の電極での電流の変化を測定することによって測定できる分子と反応することができかつ/またはそれを生成することができる酵素、例えば酵素グルコースオキシダーゼを含む。過酸化水素などの分子を生成できる酵素は、当業界で周知のいくつかの方法によって電極上に配置することができる。被分析物質感知構成要素は、センサの種々の電極のすべてまたはその一部をコーティングすることができる。この関連では、被分析物質感知構成要素は、電極を同等程度にコーティングすることができる。あるいは、被分析物質感知構成要素は、例えば、その作用電極のコーティングされた表面が、対向電極および/または基準電極のコーティングされた表面より広いというように、異なる電極を異なる程度にコーティングすることができる。
本発明の電気化学的センサは任意選択で、被分析物質感知構成要素と被分析物質調節構成要素との間に配置されたタンパク質構成要素を含む(例えば、図2A,図2Bの構成要素116を参照されたい)。「タンパク質構成要素」という用語は本明細書では、当業界で受け入れられている専門用語に従って用いられ、被分析物質感知構成要素および/または被分析物質調節構成要素と適合するように選択された担体タンパク質または同様のものを含む構成要素を指す。典型的な実施形態では、タンパク質構成要素はヒト血清アルブミンなどのアルブミンを含む。HSA濃度は約0.5%〜30%(重量/体積)で変化することができる。一般に、HSA濃度は約1〜10重量/体積%であり、最も典型的には約5重量/体積%である。本発明の代替の実施形態では、コラーゲンもしくはBSAまたはこの関係で用いられる他の構造タンパク質を、HASに代えて、またはそれに加えて用いることができる。この構成要素は、通常、当業界で認められているプロトコールによって被分析物質感知構成要素上で架橋される。
本発明の電気化学的センサは、1つ以上の接着促進(AP)構成要素を含むことができる(例えば、図2A,図2Bの構成要素114を参照されたい)。「接着促進構成要素」という用語は、本明細書では、当業界で受け入れられている専門用語に従って用いられ、センサ中の隣接する構成要素間の接着を促進するその能力のため選択される材料を含む構成要素を指す。一般に、接着促進構成要素は、被分析物質感知構成要素と被分析物質調節構成要素との間に配置される。一般に、接着促進構成要素は、任意選択のタンパク質構成要素と被分析物質調節構成要素との間に配置される。接着プロモーター構成要素は、そうした構成要素間の結合を容易にする当業界で周知の様々な材料のいずれかから作製することができ、当業界で周知の様々な方法のいずれかによって施用することができる。一般に、接着プロモーター構成要素はγ−アミノプロピルトリメトキシシランなどのシラン化合物を含む。
本発明の電気化学的センサは、センサ上に配置された被分析物質調節構成要素を含む(例えば、図2A,図2Bの構成要素112を参照されたい)。「被分析物質調節構成要素」という用語は本明細書では、当業界で受け入れられている専門用語に従って用いられ、構成要素を通してのグルコースなどの1つ以上の被分析物質の拡散を調節するように動作するセンサ上に膜を形成する構成要素を指す。本発明の特定の実施形態では、被分析物質調節構成要素は、構成要素を通してのグルコースなどの1つ以上の被分析物質の拡散を阻止するかまたは制限するように動作する被分析物質制限膜である。本発明の他の実施形態では、被分析物質調節構成要素は、構成要素を通しての1つ以上の被分析物質の拡散を容易にするように動作する。任意選択で、そうした被分析物質調節構成要素は、構成要素を通しての1つの種類の分子(例えば、グルコース)の拡散を阻止するかまたは制限するように形成させ、同時に構成要素を通しての他のタイプの分子(例えば、O2)の拡散を可能にするかさらには容易にするように形成させることができる。
本発明の電気化学的センサは、一般に電気絶縁性保護構成要素である1つ以上の被覆構成要素を含む(例えば、図2A,図2Bの構成要素106を参照されたい)。一般に、そうした被覆構成要素は、被分析物質調節構成要素の少なくとも一部の上に配置される。絶縁性保護被覆構成要素として用いるのに許容されるポリマーコーティングは、これらに限定されないが、シリコーン化合物、ポリイミド、生体適合性ソルダーマスク、エポキシアクリルコポリマーなどの非毒性の生体適合性ポリマーまたは同様のものなどを含むことができる。さらに、これらのコーティングは、それを通って導電性構成要素へ至るアパーチャのフォトリソグラフィーでの形成を容易にするために、光画像形成可能なものであってよい。典型的な被覆構成要素は、シリコーン上にスピンされものを含む。当業界で周知の通り、この構成要素は市販のRTV(室温で加硫処理した)シリコーン組成物であってよい。この関連の典型的な化合物はポリジメチルシロキサン(アセトキシをベースとした)である。
本明細書で開示する被分析物質センサ装置はいくつかの実施形態を有する。本発明の一般的な実施形態は、哺乳動物内に埋め込むための被分析物質センサ装置である。被分析物質センサは、哺乳動物の体内に埋め込み可能なように通常設計されるが、センサは特定の環境に限定されず、むしろ様々な関連、例えば全血液、リンパ液、血漿、血清、唾液、尿、大便、汗、粘液、涙、脳脊髄液、鼻汁、頸管分泌物または膣分泌物、精液、胸膜液、羊水、腹水、中耳液、滑液、胃吸引物または同様のものなどの生体液を含む大抵の液体試料分析に用いることができる。さらに、固体または乾燥された試料を適当な溶媒中に溶解して分析に適した液体混合物を提供することができる。
上記したように、本明細書で開示する本発明は、非常に薄い酵素コーティングを有するセンサを含むいくつかの実施形態を含む。本発明のそうした実施形態では、当業者は、本明細書で開示する被分析物質センサ装置の様々な並べかえが可能である。上記したように、本明細書で開示するセンサの一般的な実施形態の例は、ベース層、被覆層、およびベース層と被覆層との間に配置された電極などのセンサ素子を有する少なくとも1つの層を含む。一般に、1つ以上のセンサ素子(例えば、作用電極、対向電極、基準電極等)の曝露された部分は、適切な電極化学品(chemistry)を有する材料からなる非常に薄い層でコーティングされている。例えば、乳酸オキシダーゼ、グルコースオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼまたはヘキソキナーゼなどの酵素は、被覆層に画成された開口部またはアパーチャ内のセンサ素子の曝露された部分上に配置することができる。図2A,図2Bは本発明の典型的なセンサ構造100の断面図を示す。センサは、センサ構造100を作製するための本発明の方法によって、お互いの上に配置された種々の導電性構成要素と非導電性構成要素の複数の層から形成される。
臨床の場において、グルコースおよび/または乳酸塩などの被分析物質のレベルの正確かつ比較的迅速な判定は、電気化学的センサを用いて血液試料から測定することができる。従来のセンサは多くの使用可能部品を含んで大きな形で加工されている。すなわち、多くの状況において、小さい平面状のセンサはより好都合である。本明細書で用いる「平面状」という用語は、例えば周知の厚膜または薄膜の技術を用いて、比較的薄い材料の層を含む実質的に平面状の構造物を加工する周知の手順を指す。例えばリューらの米国特許第4,571,292号およびパパダキスらの同第4,536,274号を参照されたい。その両方を本願に引用して援用する。以下に記すように、本明細書で開示する本発明の実施形態は、当業界の既存のセンサより広い範囲の幾何学構造(例えば、平面)を有している。さらに、本発明の特定の実施形態は、薬剤輸液ポンプなどの他の装置に連結された1つ以上の本明細書で開示するセンサを含む。
多くの文献、米国特許および特許出願は、本明細書で開示する一般的方法および材料についての先行技術の状況を記載しており、さらに、本明細書で開示するセンサ設計物で用いることができる様々な素子を記載している。それらには、例えば、米国特許第6,413,393号、同第6,368,274号、同第5,786,439号、同第5,777,060号、同第5,391,250号、同第5,390,671号、同第5,165,407号、同第4,890,620号、同第5,390,671号、同第5,390,691号、同第5,391,250号、同第5,482,473号、同第5,299,571号、同第5,568,806号;米国特許出願20020090738;ならびにPCT国際公開番号WO01/58348、WO03/034902、WO03/035117、WO03/035891、WO03/023388、WO03/022128、WO03/022352、WO03/023708、WO03/036255、WO03/036310およびWO03/074107が含まれる。そのそれぞれの内容を本願に引用して援用する。
本明細書で開示する本発明の典型的な実施形態は、哺乳動物内に埋め込むためのセンサ装置を作製する方法であって、ベース層を用意するステップと、そのベース層上に、電極(通常作用電極、基準電極および対向電極)を含む導電層を形成させるステップと、その導電層上に、被分析物質の存在下、導電層中の電極で電流を変えることができる組成物を含む被分析物質検知層を形成させるステップと、任意選択で、その被分析物質検知層上にタンパク質層を形成させるステップと、被分析物質検知層または任意選択のタンパク質層上に接着促進層を形成させるステップと、接着促進層上に配置されており、かつその調節層を通る被分析物質の拡散を調節する組成物を含む被分析物質調節層を形成させるステップと、その被分析物質調節層の少なくとも一部の上に配置されており、かつ被分析物質調節層の少なくとも一部にわたってアパーチャをさらに含む被覆層を形成させるステップとを含む方法である。本発明の特定の実施形態では、被分析物質センサ装置は平面幾何構造で形成される。
本発明の一実施形態は多孔質金属マトリックスを含む。そうした材料を作製するための様々な方法は当業界で周知である。例えば、過去数年で、多孔質金属材料、特にアルミニウムまたはアルミニウム合金などの金属でできた泡状物への関心が増大してきている。したがって、本発明の特定の実施形態では、マトリックスは金属性泡状物を含むことができる。多孔質金属は平滑な表面を有する多くの細孔、すなわち閉鎖した曲線状の気体空隙を含む金属である。金属(性)泡状物は多孔質金属の特殊なものである。固体泡状物は、その中で気泡が液体中に微細に分散した液体泡状物からもたらされる。金属スポンジでは、空間は、連続的なネットワークを形成しており、かつ、これも相互につながっている空間のネットワークと共存する金属のピースで満たされている。この種の例示的方法および材料は、例えば:Cellular Metals:Manufacture,Properties and Applications:J.バンハート、N.A.フレック、A.モーテンセン(編集者);およびProceedings of the 3rd International Conference on Cellular Metals and Metal Foaming Technology(MetFoam 2003)、J.バンハート、M.F.アシュビー、N.A.フレック(編集者)に記載されている。その内容を本願に引用して援用する。
本明細書で提供する開示は、様々な周知の技術の組合せを用いて作製することができるセンサおよびセンサ設計物を含む。この開示は、非常に薄い酵素コーティングをこれらのタイプのセンサに施用する方法、ならびにそうした方法で作製されたセンサをさらに提供する。この関連では、本発明のいくつかの実施形態は、当業界で用いられている方法で基体の上にそうしたセンサを作製する方法を含む。特定の実施形態では、基体は、フォトリソグラフィーマスキング法およびエッチング法で用いるのに適した剛性で平らな構造を含む。この関係では、基体は通常、高度に均一な平面性を有する上部表面を画成する。研磨したガラス板を用いて平滑な上部表面を画成することができる。代替の基体材料には、例えばステンレス鋼、アルミニウムおよびデルリン(delrin)などのプラスチック材料が含まれる。他の実施形態では、基体は、非剛性であり、基体として用いられるフィルムまたは絶縁体、例えばポリイミドなどのプラスチックからなる別の層であってよい。
上記したように、特定のセンサ実施形態は、共反応物質としてグルコースまたは乳酸塩(センサ被分析物質)と共に酸素を消費するグルコースオキシダーゼ(GOx)または乳酸脱水素酵素(LDH)などの固定化酵素によって、その生体特異性を実現する。そうしたセンサにおける反応速度の酸素濃度に対する感度を最小にするために、過剰モルの酸素を必要とする。しかし、正常な生理学的条件では、グルコース(約5mM)と乳酸塩(約1mM)は、ほとんどの場合、酸素(約0.05mM)に対して過剰モル存在する。したがって、「酸素不足」問題に対処するために、ほとんどの既存のセンサ設計物は、被分析物質(例えば、グルコース制限膜)に対してより、酸素に対して著しく浸透性である膜を用いている。これらの選択透過性膜は、通常ポリ(ジメチルシロキサン)(PDMS)を含む。その理由は、それが、生体適合性であり、一般に酸素に対して著しく高い浸透性を有しているが、グルコースまたは乳酸塩などの被分析物質に対しては実質的に浸透性がないからである。限定された被分析物質浸透性は、PDMSを親水性ポリマー(すなわち、ジェファーミン(登録商標))と共重合させるか、または巨視的「ウィンドウ」をPDMSの管またはシート中にカットすることによってPDMSベース材料に付与する。
近年、ポリ(ジメチルシロキサン)すなわち「PDMS」などの重合した組成物の微細加工のための様々な方法が開発されており、現在、MEMSなどのデバイス(ミクロ電気機械システム)の作製のために一般に用いられており、また、自己集合型単層のミクロ−パターン化(例えば、「ソフトリソグラフィー」)において用いられている。一般に、これらの方法は、鋳型の加工を含む。その鋳型は次いで、重合性組成物(例えば、PDMSプレポリマー)で満たされ、これは硬化(重合)し、次いでリリースされて微細加工されたPDMS素子を得る。
本発明の実施形態は、哺乳動物の体内の被分析物質を感知する方法であって、本明細書で開示する実施形態の被分析物質センサを哺乳動物の中に埋め込むステップと、次いで作用電極での電流の変化を感知し、電流の変化を被分析物質と相互に関連付け、それにより被分析物質を感知するステップを含む方法である。一般に、電流の変化を感知する作用電極が陽極であるように、被分析物質センサは陽極で分極される。あるいは、電流の変化を感知する作用電極が陰極であるように、被分析物質センサは陰極で分極される。1つのそうした方法では、被分析物質センサ装置は哺乳動物中のグルコースを感知する。代替の方法では、被分析物質センサ装置は、乳酸塩、カリウム、カルシウム、酸素、pHおよび/または生理学的に関連する哺乳動物中の任意の被分析物質を感知する。
本発明の他の実施形態では、上記したような被分析物質を感知するのに有用なキットおよび/またはセンサセットを提供する。キットおよび/またはセンサセットは通常、容器、ラベルおよび上記したような被分析物質センサを含む。適切な容器は、例えば、金属箔などの材料でできた簡単に開けられる包装物、瓶類、バイアル、シリンジおよび試験管を含む。容器は金属(例えば、箔)、紙製品、ガラスまたはプラスチックなどの様々な材料で作ることができる。容器上につけるかまたはその中に入れたラベルは、そのセンサが、選択した被分析物質をアッセイするために用いられることを示す。いくつかの実施形態では、容器は、グルコースオキシダーゼなどの酵素の層でコーティングされた多孔性マトリックスを保持する。キットおよび/またはセンサセットは、被分析物質環境中へのセンサの導入を容易にするように設計された素子またはデバイス、他の緩衝液、希釈剤、フィルター、注射針、注射器および使用指図の添付文書を含む市場やユーザの観点から望ましい他の材料をさらに含むことができる。
PDMS膜の微細加工のための1つの方策は、最適に微細加工された選択透過性膜を作製するのを容易にするために、実際の鋳型微細加工、PDMS成形、およびセンサのプロトタイプ作製と合わせて、三次元の有限要素モデルを用いることである。以下に記すように、第一原理および一連の典型的なモデル上の仮定により数学的モデルを構築した。以下に示すように、モデル式は、FEMLABソフトウェアを用いて数値的手法で成功裡に解かれた。
・ここまでは、単一反復幾何形状パターンの鋳型を微細加工した(例えば、図12Aを参照されたい)。これらの鋳型で、30μmの細孔サイズ(D)、0.05(Φ)の空隙率および約200μmの厚さ(H)を有する微細加工されたPDMSを作製した。反復する幾何形状パターンの長さ(L)は式[1]を用いて計算することができる。
・PDMSはグルコース対して非透過性である。
・センサシグナルは、微細加工された膜で制限される物質移動である。したがって、グルコースと酸素は、膜の細孔の底部で即座に反応すると仮定する。
・グルコースは、反応性表面上のすべてのポイントで限界反応物質である(その濃度はほぼゼロである)。この仮定はモデル入力パラメータと設計幾何形状の有限な組合せについて有効である。数値解法によって、酸素の濃度がすべての空間およびすべての時間においてゼロより大きいことが示される限り、この仮定の有効性は保たれる。
FEMLABによってモデル化された幾何形状を大幅に簡略化するために、図12Aで示すサークルの繰り返し配列の対称面および軸を用いることができる。図12Bは、微細加工されたPDMS膜をモデル化するために、FEMLABで用いた三次元くさび形幾何形状を示す。ここでは、有限素子メッシュは、PDMS細孔の底部の反応性表面近傍で微細になっていることが示されている。これは、反応性表面について0.2μmの指定された最大素子サイズとともに、「標準的な」全体的メッシュ設定(global mesh setting)を用いて達成される。図12Bには、入力パラメータ(FEMLAB「定数(constants)」ダイアログボックス)のスクリーンショットも示す。ここで、すべての単位はSI(mMでのグルコースおよび酸素の濃度)である。
0〜60秒の時間依存性ソルバーを用いてFEMLABモデルを解いた。初期条件は、細孔およびPDMSサブドメイン内で、グルコースはゼロであり、酸素は周囲酸素とした。ソルバー(solver)パラメータの他の詳細は、GMRES線形システムソルバー、代数的多重格子プレコンディショナーおよび弱解形(weak solution form)の使用を含む。対称性マトリックスの選択はチェックしないままにした(重要!)。60秒での解は、許容誤差範囲内で定常状態解を近似していると見なされた。図12Cは、細孔中での定常状態のグルコース濃度プロファイルを示している。予想通り、グルコース濃度は、細孔開口部から底部の反応性表面まで直線的に減少する。
Claims (46)
- 埋め込み可能な被分析物質センサで使用するための膜であって、
免疫グロブリンに対して非透過性であり、
酸素、グルコースおよび乳酸塩に対して透過性である、生体適合性ポリマー組成物を含む第1層と、
機能化ポリ(ジメチルシロキサン)、機能化ポリ(ジメチルシロキサン)コポリマーまたは機能化ポリ(ジメチルシロキサン)と機能化ポリ(ジメチルシロキサン)コポリマーの混合物を含む、前記第1層に接合された第2層と、
を含み、
グルコースおよび/または乳酸塩よりも酸素に対して透過性が高いことを特徴とする膜。 - 請求項1に記載の膜であって、前記第1層が、その中に配置された複数の細孔を含むことを特徴とする膜。
- 請求項1に記載の膜であって、前記第2層が、その中に配置された複数の細孔を含むことを特徴とする膜。
- 請求項3に記載の膜であって、前記第2層中に配置された複数の細孔の少なくとも1つが、前記第2層の機能化ポリ(ジメチルシロキサン)、機能化ポリ(ジメチルシロキサン)コポリマー、または機能化ポリ(ジメチルシロキサン)と機能化ポリ(ジメチルシロキサン)コポリマーの混合物を含むことを特徴とする膜。
- 請求項1に記載の膜であって、前記第1層と第2層との間に配置されており、かつ前記第1層と第2層の間の接着を促進する接着層をさらに含むことを特徴とする膜。
- 請求項2に記載の膜であって、前記複数の細孔の平均直径が2μm〜40μmであることを特徴とする膜。
- 請求項2に記載の膜であって、前記複数の細孔の平均深さが50μm〜250μmであることを特徴とする膜。
- 請求項2に記載の膜であって、前記埋め込み可能な被分析物質センサが、グルコースオキシダーゼの層を含むグルコースセンサであり、さらに、前記細孔のサイズが、グルコースオキシダーゼと反応するグルコースと酸素の相対濃度が最適化されるように制御されることを特徴とする膜。
- 請求項2に記載の膜であって、前記埋め込み可能な被分析物質センサが、グルコースオキシダーゼの層を含むグルコースセンサであり、さらに、前記細孔の幾何形状が、グルコースオキシダーゼと反応するグルコースと酸素の相対濃度が最適化されるように制御されることを特徴とする膜。
- 請求項1に記載の膜であって、前記第1または第2層が、その中に配置された複数の細孔を含み、さらに、複数の細孔の少なくとも1つが、埋め込み可能な被分析物質センサの水和を容易にする生体適合性の親水性ポリマーを含むことを特徴とする膜。
- 請求項10に記載の膜であって、前記親水性ポリマーがエチレングリコールもしくはプロピレングリコールブロックポリマーまたはその混合物を含むことを特徴とする膜。
- 請求項10に記載の膜であって、前記親水性ポリマーがヒドロゲルであることを特徴とする膜。
- 請求項10に記載の膜であって、前記生体適合性の親水性ポリマーが、毛管作用によって前記センサ中の成分の湿潤を増進させることを特徴とする膜。
- 請求項10に記載の膜であって、前記生体適合性の親水性ポリマーが前記複数の細孔のサブセット中に選択的に配置され、前記複数の細孔のサブセットが前記複数の細孔の平均直径より少なくとも10%、20%、30%、40%または50%大きいか、または前記複数の細孔の平均深さより少なくとも10%、20%、30%、40%または50%大きい直径または深さを有することを特徴とする膜。
- 剛性のマクロ多孔性ポリマー上にタンパク質を固定化する方法であって、
(a)タンパク質を、タンパク質と架橋できる官能性部分を有する剛性のマクロ多孔性ポリマーと結合するステップと、
(b)タンパク質の官能性部分を前記剛性のマクロ多孔性ポリマーの官能性部分と架橋することによってタンパク質を前記剛性のマクロ多孔性ポリマー上に固定化することができる架橋剤を加えるステップと、
を含み、
タンパク質を前記剛性のマクロ多孔性ポリマー上に固定化することを特徴とする方法。 - 請求項15に記載の方法であって、タンパク質と架橋できる官能性部分を有する剛性のマクロ多孔性ポリマーは、タンパク質と架橋できる官能性部分を有する剛性のマクロ多孔性ポリマーが作製されるように、反応性エポキシド部分を有する剛性のマクロ多孔性ポリマーを求核化合物と結合することによって作製されることを特徴とする方法。
- 剛性のマクロ多孔性ポリマー上にタンパク質を固定化する方法であって、スルフヒドリル、アミン、カルボキシルまたはヒドロキシル部分を有するタンパク質を、前記反応性エポキシド部分を有する剛性のマクロ多孔性ポリマーと、前記タンパク質上のスルフヒドリル、アミン、カルボキシルまたはヒドロキシル部分と前記剛性のマクロ多孔性ポリマー上のエポキシド部分との間の求核反応を起こす反応条件下で結合することを含み、前記タンパク質を剛性のマクロ多孔性ポリマー上に固定化することを特徴とする方法。
- 請求項17に記載の方法であって、前記タンパク質を前記剛性のマクロ多孔性ポリマーと結合する前に、前記タンパク質上の少なくとも1つの求核性部分を封鎖することを特徴とする方法。
- 固定化酵素でコーティングされた表面を有する多孔性マトリックスを含むことを特徴とする、哺乳動物内に埋め込み可能な組成物。
- 請求項19に記載の組成物であって、前記多孔性マトリックスが、電気化学的センサの電極として作用することができることを特徴とする組成物。
- 請求項19に記載の組成物であって、前記酵素が、グルコースオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、乳酸オキシダーゼ、ヘキソキナーゼまたは乳酸脱水素酵素であることを特徴とする組成物。
- 請求項21に記載の組成物であって、前記電極が電気化学的センサ中の過酸化水素を消費することを特徴とする組成物。
- 請求項19に記載の組成物であって、前記マトリックスがミクロ多孔性ポリマーを含むことを特徴とする組成物。
- 請求項19に記載の組成物であって、前記マトリックスがミクロ多孔質金属を含むことを特徴とする組成物。
- 請求項19に記載の組成物であって、前記マトリックスがミクロ多孔質セラミックを含むことを特徴とする組成物。
- 請求項19に記載の組成物であって、前記多孔性マトリックスが粒子の格子を含むことを特徴とする組成物。
- 請求項26に記載の組成物であって、前記粒子が球状であることを特徴とする組成物。
- 請求項19に記載の組成物であって、前記多孔性マトリックスが少なくとも1,10,100または1000μmの厚さであることを特徴とする組成物。
- 請求項19に記載の組成物であって、前記多孔性マトリックスが、同一寸法の非多孔性マトリックスの表面積の少なくとも2,4,6,8,10,12,14,16または18倍の表面積を有することを特徴とする組成物。
- 請求項19に記載の組成物であって、表面上にコーティングされた前記酵素が1,0.5,0.25および0.1μm未満からなる群から選択される厚さを有する被膜層中に存在することを特徴とする組成物。
- 請求項19に記載の組成物であって、前記多孔性マトリックスの空隙率の範囲が40%〜99%であることを特徴とする組成物。
- 哺乳動物内に埋め込むための被分析物質センサ装置であって、固定化酵素でコーティングされた表面を有する多孔性マトリックスを含むことを特徴とする被分析物質センサ装置。
- 請求項32に記載の被分析物質センサ装置であって、前記多孔性マトリックスが作用電極を含み、被分析物質の存在下で被分析物質検知層が導電層中の作用電極で電流を検出可能なように変えるように、前記固定化酵素が、作用電極上に配置された被分析物質検知層内に配置されていることを特徴とする装置。
- 請求項33に記載の被分析物質センサ装置であって、前記被分析物質検知層上に配置されており、かつその調節層を通る被分析物質の拡散を調節する被分析物質調節層をさらに含むことを特徴とする装置。
- 請求項34に記載の被分析物質センサ装置であって、前記被分析物質検知層上に配置されており、かつ被分析物質検知層と、被分析物質検知層上に配置された被分析物質調節層との間の接着を促進する接着促進層をさらに含むことを特徴とする装置。
- 請求項34に記載の被分析物質センサ装置であって、被分析物質検知層と被分析物質調節層との間に配置されたタンパク質層をさらに含むことを特徴とする装置。
- 請求項34に記載の被分析物質センサ装置であって、作用電極の表面と被分析物質検知層との間に配置された妨害拒絶層をさらに含むことを特徴とする装置。
- 請求項34に記載の被分析物質センサ装置であって、前記被分析物質調節層の少なくとも一部の上に配置されており、かつ感知される被分析物質を含む溶液に、前記被分析物質調節層の少なくとも一部を曝露するアパーチャを含む被覆層をさらに含むことを特徴とする装置。
- 請求項33に記載の被分析物質センサ装置であって、前記被分析物質検知層が、グルコースオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、乳酸オキシダーゼ、ヘキソキナーゼおよび乳酸脱水素酵素からなる群から選択される酵素を含むことを特徴とする装置。
- 請求項39に記載の被分析物質センサ装置であって、前記被分析物質検知層が、酵素と実質的に一定の比で担体タンパク質をさらに含むことを特徴とする装置。
- 請求項40に記載の被分析物質センサ装置であって、前記酵素と担体タンパク質が前記酵素層全体にほぼ均一に分布していることを特徴とする装置。
- 哺乳動物の体内の被分析物質を感知する方法であって、
作用電極として機能する導電性ミクロ−多孔性マトリックスと、
前記ミクロ多孔性マトリックス上に配置されており、かつ被分析物質の存在下、前記ミクロ多孔性マトリックスで電流を検出可能なように変える被分析物質検知層と、
前記被分析物質検知層上に配置された任意選択のタンパク質層と、
前記被分析物質検知層または前記任意選択のタンパク質層上に配置されており、かつ被分析物質検知層と、被分析物質検知層上に配置された被分析物質調節層との間の接着を促進する接着促進層と、
前記被分析物質検知層上に配置されており、かつその調節層を通る被分析物質の拡散を調節する被分析物質調節層と、
前記被分析物質調節層の少なくとも一部の上に配置されており、かつ前記被分析物質調節層の少なくとも一部にわたってアパーチャをさらに含む任意選択の被覆層と、
を含む被分析物質センサを哺乳動物中に組み込むステップと、
作用電極で電流の変化を感知し、電流の変化を被分析物質の存在と相関付け、それにより被分析物質を感知するステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - 請求項42に記載の方法であって、電流の変化が感知される作用電極が陽極であるように、前記被分析物質センサを陽極で分極させることを特徴とする方法。
- 容器と、前記容器内にある請求項33に記載の被分析物質センサ装置およびその被分析物質センサ装置を用いるための説明書とを備えることを特徴とするキット。
- 所定の幾何形状の重合組成物を形成するための金属製鋳型を作製する方法であって、
(a)ベース基体を用意するステップと、
(b)前記ベース基体又は前記ベース基体の一部上に導電層を配置するステップと、
(c)前記導電層上にポジフォトレジスト層を配置するステップと、
(d)前記ポジフォトレジスト層上に犠牲金属層を配置するステップと、
(e)前記犠牲金属層上にネガフォトレジスト層を配置するステップと、
(f)UVフォトリソグラフィーによって前記ネガフォトレジスト層を現像するステップと、
(g)エッチャントを用いる前記ネガレジスト層の現像によって曝露された犠牲金属層領域を除去するステップと、
(h)成分(a)〜(g)をUVフォトリソグラフィーにかけるステップと、
(i)現像用溶媒で前記ポジフォトレジスト層を現像するステップと、
(j)成分(a)〜(i)を導電性材料の層で電気メッキするステップと、
(k)鋳型が作製されるように、ポジフォトレジスト層、犠牲金属層およびネガフォトレジスト層を、溶媒を用いて層状化基体から除去するステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - 多孔質金属マトリックスを作製するためのプリント法であって、
(a)細孔形成キャリヤ溶媒中に懸濁された微細金属粒子のインクを形成させるステップと、
(b)前記インクを基体上にプリントするステップと、
(c)任意選択でステップ(b)を繰り返して所望の厚さのフィルムを得るステップと、
(d)プリントされた金属マトリックスを乾燥して細孔形成キャリヤ溶媒を除去するステップと、
(e)金属粒子が一緒に結合するように得られた金属粉末の多孔質床を焼成するステップと、
を含み、
前記多孔質金属マトリックスを形成することを特徴とする方法。
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