JP2014236758A

JP2014236758A - センサ

Info

Publication number: JP2014236758A
Application number: JP2011215766A
Authority: JP
Inventors: 松本　淳; Atsushi Matsumoto; 淳松本; 嵩陳; Takashi Chin; 貴平時本; Takahira Tokimoto
Original assignee: Terumo Corp; Olympus Corp
Current assignee: Terumo Corp; Olympus Corp
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2014-12-18
Also published as: WO2013047216A1

Abstract

【課題】生体内に挿入されたセンサにおいて、アナライト成分の濃度をより高精度に計測できると共に、挿入針の抜去時において生体外への脱抜又は折れ曲がることで生じるエラーを防止する。
【解決手段】センサ１０を構成するセンサ本体１２は、その内部にベース基板１４、フィルタ１６及び発光素子１８が収納され、該センサ本体１２は、例えば、ハイドロゲルから所定硬度で形成されると共に、ベースとなるハイドロゲルに対して、例えば、ステロイド剤やアセチルサリチル酸等の炎症抑制剤が含有される。そして、センサ１０が生体内に挿入された際、時間の経過と共にセンサ本体１２が軟化し始めると共に、炎症抑制剤が前記センサ本体１２の周りに拡散される。
【選択図】図２

Description

本発明は、生体内に埋め込まれアナライト成分の濃度の検出を行うセンサに関する。

従来から、被験者（使用者）の生体内にセンサを留置あるいは埋め込み、該センサによって前記被験者の血液又は体液中のアナライト、例えば、血液中の血糖値等の検出が行われている。このセンサは、例えば、皮膚を穿刺する挿入針を有した挿入装置に装填され、該センサの装填された挿入針を被験者に対して穿刺し、生体内において前記センサを所望の位置に留置あるいは埋め込み、その後、前記挿入針のみを生体外へと抜去することで、前記センサのみを所望部位に留置する（例えば、特許文献１参照）。

特許第４０６５５７５号公報

しかしながら、上述したようなセンサは、挿入針を介して生体内に留置された後、前記挿入針を生体外へと抜く動作と連動して該挿入針と共に前記生体外へと抜け出てしまったり、折れ曲がってエラーが生じたりすることがある。この場合には、センサを再び挿入装置に装填して生体内に挿入したり、あるいは新たな別のセンサを使用しなければならないこととなり、その作業が煩雑であると共に、被験者に対する負担も増大してしまうこととなる。

また、センサを生体内に挿入した際、生体内組織の炎症反応が生じ、該センサの周りに炎症性被膜が形成されてしまうことがあり、該被膜によってアナライト（例えば、血液や体液成分）の透過が妨げられることがある。その結果、センサによるアナライトの濃度の測定を高精度に行うことができないという問題が生じる。

本発明は、前記の課題を考慮してなされたものであり、アナライト成分の濃度をより高精度に計測できると共に、挿入針の抜去時において生体外へ取り出されたり、折れ曲がったりすることを防止可能なセンサを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、生体内に挿入され該生体中のアナライト成分の検出を行うセンサにおいて、
センサ本体と、
前記センサ本体に収納され、前記アナライト成分の検出を行う検出部と、
を備え、
前記センサ本体は、前記生体内の流体と接すると湿潤する生体適合性材料からなり、前記センサ本体が前記生体内に挿入される前の状態における第１の硬度と、生体内に挿入され、前記生体内において湿潤した第２の硬度とを有し、前記第１の硬度が前記第２の硬度より高いことを特徴とする。

本発明によれば、センサを構成するセンサ本体を、例えば、生体内の流体と接すると湿潤する生体適合性材料から第１の硬度で形成することにより、前記センサを挿入針を用いずにセンサのみで生体内へと挿入した後、時間の経過と共に前記センサ本体が水分等の流体を吸入して徐々に軟化し第２の硬度へと軟化する。

従って、挿入針を用いてセンサを生体内へと留置し、前記挿入針だけを生体外へと取り出す必要がなく、従来の挿入針を用いて生体内に挿入されていたセンサと比較し、挿入針を取り出す際のセンサの脱抜や折れ曲がりによるエラーの発生を確実に防止することができる。また、センサ本体が、アナライト成分を好適に内部へ拡散・透過させることが可能であり、生体内の流体と接すると湿潤する生体適合性材料で形成されているため、検出部によって前記アナライト成分を高精度に検出することができる。

さらに、センサ本体には、生体内に挿入された際に該生体の炎症を抑制可能な炎症抑制剤を含有させることにより、センサが生体内に挿入された際、前記炎症抑制剤が前記生体内へと拡散されるため、生体内の組織との炎症を抑制し、アナライト成分の拡散を妨げる厚い被膜の形成を回避することができる。その結果、センサ本体を通じてアナライト成分を好適に内部へと透過させることができ、検出部において前記アナライト成分の濃度を迅速且つ高精度に検出することが可能となる。

さらにまた、生体内の流体と接すると湿潤する生体適合性材料として用いる親水性高分子は、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、メタクリル酸２−ヒドロキシエチル（ＨＥＭＡ）、アクリルアミドとアクリル酸のコポリマなどの親水性合成樹脂とするとよい。また、生体内の流体と接すると溶解する素材であっても良く、ゼラチンなどの常温では硬いが体温でやわらかくなる素材であっても良い。

本発明によれば、以下の効果が得られる。

すなわち、センサを構成するセンサ本体を、例えば、生体内の流体と接すると湿潤する生体適合性材料から第１の硬度で形成することにより、前記センサを生体内へと挿入した後、時間の経過と共に前記センサ本体が水分等の流体を吸入して徐々に軟化し第２の硬度へと変化するため、前記センサを生体外へと取り出す必要がなく、従来の挿入針を用いて生体内に挿入されていたセンサと比較し、前記挿入針を取り出す際のセンサの脱抜や折れ曲がりによるエラーを確実に防止することができる。また、センサ本体が、生体内の流体と接すると湿潤する生体適合性材料で形成されているため、前記センサ本体を通じてアナライト成分を好適に内部へ透過させることができ、前記アナライト成分を検出部で迅速且つ高精度に検出することが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係るセンサの外観斜視図である。図１のセンサの断面図である。図３Ａは、図２のセンサが生体に挿入される前の状態を示し、図３Ｂは、前記センサが生体内に挿入された状態を示し、図３Ｃは、図３Ｂのセンサの一部が軟化した状態を示す説明図である。本発明の第２の実施の形態に係るセンサの一部省略断面図である。図５Ａは、図４のセンサが生体に挿入される前の状態を示し、図５Ｂは、前記センサが生体内に挿入された状態を示し、図５Ｃは、図５Ｂのセンサの一部が軟化した状態を示す説明図である。

本発明に係るセンサについて好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。

図１において、参照符号１０は、本発明の第１の実施の形態に係るセンサを示す。

このセンサ１０は、図１及び図２に示されるように、円筒状のセンサ本体１２と、該センサ本体１２の内部に設けられたベース基板１４と、前記ベース基板１４上に設けられた枠状の封止体２０と、前記ベース基板１４上に設けられた光電変換素子２２と、前記光電変換素子２２の上面に設けられるフィルタ１６と、前記フィルタ１６を介して前記ベース基板１４に装着される発光素子１８と、前記センサ本体１２の内部の前記ベース基板１４及び封止体２０で形成される空間に充填される透明樹脂層３０と、該透明樹脂層３０の上面に設けられたインジケータ層２４とを含む。なお、図１及び図２において、センサ本体１２の左側、すなわち、生体Ｓ（図３Ａ〜図３Ｃ参照）にセンサ１０が挿入される際の挿入方向（矢印Ａ方向）側を「先端」側、前記センサ本体１２の右側（矢印Ｂ方向）を「基端」側と呼び、他の各図についても同様とする。

センサ本体１２は、軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に沿った先端が生体を穿刺可能な程度に鋭利な形状を有しており、軸方向（矢印Ａ方向）に沿って徐々に先細状となるように形成される。

本センサ１０により測定されるアナライトとしては、種々選択できるが、例えば、血液等の体液中に含まれるグルコース、尿酸、コレステロール、たんぱく質、ミネラルなどの成分のほかｐＨや微生物、酵素など蛍光色素の選択により多様な用途に対応できる。

このセンサ本体１２は、生体内の流体（例えば、水分等）と接すると湿潤する生体適合性材料で形成されている。生体内の流体に接すると湿潤する生体適合性材料としては、例えば、親水性高分子であるポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、メタクリル酸２−ヒドロキシエチル（ＨＥＭＡ）、アクリルアミドとアクリル酸のコポリマ等のハイドロゲルを含む生体適合性の高い材料が用いられ、上述した材料から第１の強度を有する硬度で形成される。なお、上述したポリアクリルアミド等の代わりに、センサ本体１２の表面をゼラチンから形成するようにしてもよい。

この第１の硬度としては、生体を穿刺できる程度の硬度を有していればよく、例えば、数ＧＰａである。また、第１の硬度は、例えば、上述した生体適合性材料が乾燥した状態で得られる硬度である。一方、第２の硬度は、第１の硬度以下の硬度、例えば、数ｋＰａから１０００ｋＰａ程度である。換言すれば、第２の硬度においては、センサ本体１２が軟化し、柔軟な状態を有している。

また、センサ本体１２は、ベースとなる生体内の流体と接すると湿潤する生体適合性材料、例えばハイドロゲルに対して、例えば、ステロイド剤やアセチルサリチル酸等の炎症抑制剤、ヘパリンや硫酸デキストラン、アンチトロビンＩＩＩなどのトロンビン抑制作用を有する抗血栓剤が含有される。

ベース基板１４としては、例えば、金属、半導体、ガラス、セラミック、シリコン、樹脂材料など様々な材料を用いることができる。センサとして光学センサを用いる場合には、外部からの遮光が必要であるため遮光性の材料を使用することが好ましいが、遮光性の膜を被着させるような構成であっても良い。また、シリコン基板を用いる場合は、後述する光電変換素子などを直接作成することができる。

また、ベース基板１４には、その表面に蛍光などの光学信号を電気信号へと変換可能な光電変換素子２２が設けられる。光電変換素子２２としては、例えば、フォトダイオード素子やフォトトランジスタ素子が挙げられ、特定の蛍光波長に最適な感度特性を有するものを選択して用いることができる。

また、ベース基板１４及び光電変換素子２２の表面には、前記光電変換素子２２を覆うようにフィルタ１６が設けられている。フィルタ１６としては、例えば、シリコン、炭化シリコン、シリコン酸化層、シリコン窒化層の単層層、または多層層からなる多重干渉型フィルタ、あるいは光吸収型フィルタを用いることができ、ＣＶＤ、蒸着、スパッタなどの公知の半導体プロセスの成膜技術を用いることができ、さらには接着剤を用いることもできる。このフィルタ１６は、後述する発光素子１８からの発光が光電変換素子２２に直接入射するのを防止し、目的波長の蛍光のみが前記ベース基板１４側へと透過される。

発光素子１８は、励起光を発光するものであり、前記発光素子１８が発光する励起光によりインジケータ層２４が血液、体液成分中のアナライト量に応じた蛍光を発する。また、発光素子１８としては、例えば、ＬＥＤ素子、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子、レーザーダイオード素子など所望の波長の励起光を発光する発光素子が選択可能である。

また、発光素子１８は、インジケータ層２４が発光する蛍光などを透過するような材料を選択して作成するのが好ましい。さらに、発光素子１８は、透過率、光発生効率、励起光の波長選択の自由度、励起作用のある波長以外は発光しないなどの特性からＬＥＤ素子を用いるのが好ましい。さらに好適には、ＬＥＤ素子の中でも特に可視光波長の蛍光に対する透過率が高いサファイア基板上に形成された窒化ガリウム系化合物半導体からなる紫外ＬＥＤ素子が特に好ましい。

封止体２０は、ベース基板１４の上部に枠状に形成され、前記ベース基板１４とで１面が開放された箱状の収納部を形成する。封止体２０としては、例えば、ベース基板１４と同種の材料を用いることができる。

ベース基板１４及び封止体２０とで形成された収納部に透明樹脂層３０が設けられ、前記透明樹脂層３０は、励起光及び蛍光の双方を透過でき、励起波長で自己蛍光を発しにくい材料が好ましく、例えば、石英、ガラス、フッ素やシリコーン系の樹脂材料が挙げられる。

また、透明樹脂層３０は、レンズやプリズムといった光学機能を有していても良い。励起光を集光する機能を有していた場合、インジケータ層２４が発光する蛍光量を増加させることができる。なお、透明樹脂層３０は、接着、圧着、コーティングなど公知の接着技術により形成される。

インジケータ層２４は、アナライト濃度に応じた蛍光を発生し、前記アナライト濃度に応じた蛍光を発する蛍光色素が含まれた材料から構成されており、ベース材料は発光素子１８からの励起光と、蛍光色素からの蛍光の双方が良好に透過できる程度に透明であることが好ましい。なお、ここで蛍光色素とはアナライトそのものであっても良い。

インジケータ層２４に用いることができるベース材料としては、例えば、メチルセルロースもしくはデキストランなどの多糖類、アクリルアミド、メチロールアクリルアミド、ヒドロキシエチルアクリレート等のモノマーを重合して作成するアクリル系ハイドロゲル、またはポリエチレングリコールとジイソシアネートから作成するウレタン系ハイドロゲルなどを用いることができる。また、ベース材料としては、水を含みやすいハイドロゲルなどに蛍光色素を内包させて形成するようにしてもよい。

インジケータ層２４内の蛍光色素としては、アナライトの種類に応じて選択可能であり、アナライト量に応じて発光する蛍光の光力が可逆的に変化する蛍光色素であればいずれであってもよい。例えば、グルコースなどの糖類を測定する場合には、フェニルボロン酸誘導体が適している。このほかにも、酵素センサ、ｐＨセンサ、免疫センサなど多様な用途に適用が可能であることはいうまでもない。

また、インジケータ層２４は、透明樹脂層３０の上に設けられ、シランカップリング材などによる接着層を介して接合、固定する方法や、前記透明樹脂層３０上に容器形状に形成してインジケータ層２４の全部又は一部を固定するように設けても良い。

さらに、インジケータ層２４の生体側の面にはカバー層（図示しない）が設けられている。カバー層は、アナライトは通過するが、センサ１０の外部からの光（外乱光）を遮蔽する。カバー層としては、厚さ十数マイクロメートルの多孔質のセルロース膜にカーボンブラックなどを含有させた物などで用いることができる。

本発明の第１の実施の形態に係るセンサ１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。

先ず、被験者が、図３Ａに示されるように、センサ１０を把持し、その先端が被験者側となるように正対させた後に、前記被験者の皮膚を穿刺してセンサ１０を留置すべき位置まで生体Ｓ内へと挿入する。このとき、センサ本体１２は、生体を穿刺できる程度の強度を有する第１の硬度であるため、生体への穿刺が可能である。

図３Ｂに示されるように、センサ１０が生体内における所望位置まで挿入された際、前記センサ１０のセンサ本体１２が生体内の組織に覆われた状態となる。そして、図３Ｃに示されるように、時間の経過と共にセンサ本体１２が前記組織の水分等を吸入して徐々に軟化して第２の硬度を有する状態となる。

また、センサ本体１２に含まれた炎症抑制剤が生体Ｓ内へと拡散され、それに伴って、該センサ本体１２の生体内の組織との激しい炎症を抑えることでき、アナライト成分の拡散を妨げる厚い被膜の形成が回避される。

次に、図示しない電源からの通電によって発光素子１８が発光し、その発光がインジケータ層２４に入射することによって該インジケータ層２４がグルコース濃度（アナライド成分濃度）に応じた蛍光を発光する。このインジケータ層２４からの蛍光が、発光素子１８及びフィルタ１６を通過した後に、光電変換素子２２で受光される。そして、光電変換素子２２において電気信号へと変換される。

最後に、変換された電気信号が図示しない生体外部の受信機（図示せず）などに送信され、グルコース濃度が測定される。

以上のように、第１の実施の形態では、センサ１０を構成するセンサ本体１２を、生体内の流体と接すると湿潤する生体適合性材料、例えば、ハイドロゲルから所定強度を有する第１の硬度で形成することにより、前記センサ１０を生体Ｓ内へと挿入した後、時間の経過と共に前記センサ本体１２が水分等を吸入して第２の硬度へと軟化させることができる（図３Ｃ中、実線形状）。そのため、センサ１０を生体Ｓへ留置する際、挿入針を用いてセンサを挿入後に該挿入針のみを生体外へと取り出す必要がなく、従来の挿入針を用いて生体Ｓ内に挿入されていたセンサの場合に懸念されていた挿入後の生体Ｓ外への脱抜や折れ曲がりによるエラーの発生を確実に防止することができる。

換言すれば、センサ１０のセンサ本体１２が、従来の挿入針の機能を兼ね備えているため、前記挿入針を必要とせず、該挿入針を生体Ｓ外へと引き抜く際に、前記センサ１０が取り出されてしまうという不具合が生じることがない。

さらに、センサ本体１２において、ベースとなるハイドロゲルに対して炎症抑制剤を含有させることにより、センサ１０を生体Ｓ内へと挿入した後、前記炎症抑制剤が前記センサ本体１２の周囲において前記生体Ｓ内へと拡散されるため、生体Ｓ内の組織と前記センサ本体１２との間に過剰な炎症が生じ、アナライト成分の分散を妨げる厚い被膜が形成されるのを回避できる。換言すれば、従来のセンサでは、該センサの周囲に形成される炎症性の被膜によって大きな測定ディレイが生じるという課題があったが、本実施の形態に係るセンサ１０では、該センサ１０を生体Ｓ内へと挿入した後、いち早く透過性のよい被膜を形成でき、測定時のディレイを最小限に留めることができる。

その結果、ハイドロゲルからなるセンサ本体１２を通じてグルコースを好適に内部へと透過させることができ、迅速且つ高精度にグルコース濃度の検出を行うことが可能となる。

次に、第２の実施の形態に係るセンサ５０を図４及び図５に示す。なお、上述した第１の実施の形態に係るセンサ１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。

この第２の実施の形態に係るセンサ５０は、図４に示されるように、センサ本体５２が生体適合性材料で形成され、その基端側には、図示しない電気機器部に対して電気的に接続されるリード線５４の挿通される挿通孔５６が延在している。この挿通孔５６は、封止体２０によって囲まれる収納部と連通し、前記リード線５４が前記収納部内に設けられた光電変換素子２２等に接続される。

そして、上述したセンサ５０を被験者の生体Ｓ内へと挿入する場合、先ず、図５Ａに示されるように、前記被験者がセンサ５０を把持して先端から前記被験者の皮膚を穿刺して前記センサ５０を留置すべき位置まで生体Ｓ内へと挿入して留置する（図５Ｂ参照）。この際、センサ本体５２は、生体Ｓを穿刺できる程度の強度を有する第１の硬度である。

この生体Ｓ内の組織に覆われたセンサ５０は、所定時間が経過するのに伴って、図５Ｃに示されるように、前記組織の水分等を吸入して徐々に軟化して第２の硬度を有する状態となる。

また、センサ本体５２には、炎症抑制剤が含有されているため、該炎症抑制剤が生体Ｓ内へと拡散され、それに伴って、該センサ本体５２の生体Ｓ内の組織との激しい炎症を抑えることでき、アナライト成分の拡散を妨げる厚い被膜の形成を回避しうる。

以上のように、第２の実施の形態では、センサ５０を構成するセンサ本体５２が、ハイドロゲルから形成され、しかも、前記センサ本体５２に挿通されるリード線５４も軟質材料で形成されているため、前記センサ本体５２が軟化して第２の硬度となった後に、生体Ｓ外へと抜き出すことが容易である。

なお、本発明に係るセンサは、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０、５０…センサ１２、５２…センサ本体
１４…ベース基板１６…フィルタ
１８…発光素子２０…封止体
２２…光電変換素子２４…インジケータ層

Claims

生体内に挿入され、該生体中のアナライト成分の検出を行うセンサにおいて、
センサ本体と、
前記センサ本体に収納され、前記アナライト成分の検出を行う検出部と、
を備え、
前記センサ本体は、前記生体内の流体と接すると湿潤する生体適合性材料からなり前記センサ本体が前記生体内に挿入される前の状態における第１の硬度と、生体内に挿入され、前記生体内おいて湿潤した第２の硬度とを有し、前記第１の硬度が前記第２の硬度より硬度が高いことを特徴とするセンサ。
請求項１記載のセンサにおいて、
前記センサ本体には、生体内に挿入された際に該生体の炎症を抑制することができる炎症抑制剤が含有されることを特徴とするセンサ。
請求項１又は２記載のセンサにおいて、
前記生体適合性材料は、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、メタクリル酸２−ヒドロキシエチル（ＨＥＭＡ）、アクリルアミドとアクリル酸のコポリマであることを特徴とするセンサ。
請求項３記載のセンサにおいて、
前記センサ本体は、前記第１の硬度を有する状態が乾燥状態であることを特徴とするセンサ。