JP2023516785A - 生体適合性膜、その製造方法及び埋め込み型バイオセンサー - Google Patents

生体適合性膜、その製造方法及び埋め込み型バイオセンサー Download PDF

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Abstract

本発明は、主に、成分として、架橋剤と、親水性材料と、疎水性材料と、溶媒とで製造される生体適合性膜を提供する。本発明の生体適合性膜は、酸素ガスとグルコースの両方を制御することができ、生体適合性膜溶液の安定性及び耐用年数を大幅に改善する。本発明はまた、生体適合性膜の製造方法及び埋め込み型バイオセンサーを提供する。【選択図】図２

Description

本発明はバイオセンサーの技術分野に属し、特に生体適合性膜、その製造方法及び埋め込み型バイオセンサーに関する。
近年急速に発展してきた埋め込み型人体持続モニタリングシステム、例えば埋め込み型グルコース持続モニタリングシステムは、何千人もの糖尿病患者に利益をもたらしている。糖尿病はすでに世界中よく見られる疾患になって、国際糖尿病連盟の統計によると、世界には４億人を超える糖尿病患者がいて、そのうち中国の糖尿病患者数は１億人を超えている。現在の医療技術はまだ糖尿病を根治することができないため、現在できることは最大限に血糖値を正常範囲内にコントロールして、糖尿病合併症の出現を減少、遅延することである。糖尿病患者にとって、毎日の自己血糖モニタリングは生活の一部となっている。しかし、従来の指血血糖値測定は限界が大きく、一日中のある時点の血糖値しか提供できず、信頼性のある血糖モニタリングを行うには、糖尿病患者は毎日頻繁に指血血糖値測定を行う必要があり、これは彼らの仕事と生活に大きな不便をもたらした。一方、埋め込み型グルコース持続モニタリングシステムは、より便利かつ効果的に糖尿病患者の血糖をコントロールできるようにする。間断なく血糖をリアルタイムに測定することができ、すでに血糖コントロールのための有力なツールになっている。
埋め込み型グルコース持続モニタリングシステムのバイオセンサーの主要部品及び生体と直接接触する唯一の界面として、生体適合性膜の性能は埋め込み型グルコース持続モニタリングシステムの生体適合性、感度、安定性、干渉抵抗能力や生体モニタリングを行う場合の動作寿命を直接に決定する。従来の埋め込み型継続モニタリングシステム、例えば、埋め込み型グルコース継続モニタリングシステムは、第１世代又は第２世代のバイオセンシング技術に基づいて開発されてきた。第１世代バイオセンシング技術を利用してグルコースを継続的にモニタリングしているものとして、徳康社のＤｅｘｃｏｍ Ｇ５とＧ６及びメドトロニック社のＧｕａｒｄｉａｎとｉＰｒｏ２があり、これらは、グルコースオキシダーゼによるグルコースの接触酸化の過程で酸素が還元されたときに生成する過酸化水素を電気化学的に検出することで、グルコースを間接的にモニタリングする仕組みを持っている。第１世代のバイオセンシング技術に基づいて発展してきたグルコース持続モニタリングシステムはグルコースオキシダーゼによるグルコースの接触酸化のための自然な媒体である組織液や血液中の酸素に依存してグルコースをモニタリングするが、体液中の酸素含有量（０．２～０．３ｍｍｏｌ／ｌ）がグルコース（５～１０ｍｍｏｌ／ｌ）よりもはるかに低いので、その生体適合性膜は生体適合性を高くする上に、酸素の通過を最大限に許容しつつ、グルコースの通過を効率的にシミュレートすることが必要である。グルコースに比べて酸素は疎水性であることが知られているので、その生体適合性膜も高疎水性でなければならない。しかし、高疎水性の要件は生体適合性膜の設計に巨大な挑戦をもたらし、２０年以上の探索を経たが、その性能はまだグルコース持続モニタリングを満たすことができない。例えば、メドトロニック社のＧｕａｒｄｉａｎとｉＰｒｏ２はさらに１日２回の校正が必要で、動作寿命も１週間しかない。
前世紀末、Ｈｅｌｌｅｒら（非特許文献１）は、酸化還元物質である人工酸化還元媒体（フェロシアン化物、フェロセン及びその誘導体などの酸化還元小分子又は酸化還元高分子）をバイオセンシング膜に導入し、グルコースオキシダーゼがこれらの人工媒体を介して電極との電子交換を実現できることを発見した。この原理に基づいて発展してきた第２世代のバイオセンシング技術は現在、バイオセンサー、特にグルコースバイオセンサーに広く応用されており、例えばアボット・ダイアビーツ・ケア株式会社のＦｒｅｅＳｔｙｌｅ Ｌｉｂｒｅのような埋め込み型グルコース継続モニタリングシステムのグルコースバイオセンサーを含む。第２世代のバイオセンシング技術は人工的に合成された酸化還元媒体をバイオセンサーに導入することにより、グルコースを直接電気化学的に検出することを実現するので、酸化還元媒体の分子設計と最適化により、グルコースの検出を非常に低い電位で実現することができ、それによって、埋め込み型グルコース持続モニタリングシステムの干渉抵抗能力を大幅に高める。このようなグルコースモニタリングシステムは、人工酸化還元媒体を介してグルコースを直接電気化学的に検出するため、感度も著しく改善される。一方、人工的に合成された酸化還元媒体を導入することによってグルコースの直接の電気化学的検出を実現したが、酸素はグルコースオキシダーゼがグルコースを接触酸化する自然な媒体として、必然的にグルコースの接触酸化に関与し、グルコースモニタリングの重要な干渉要素となっている。
このような埋め込み型グルコース持続モニタリングシステムの性能をさらに高めるために、様々な生体適合性膜が導入され、一方では、酸素の干渉を最大限に排除し、他方では、グルコースのモニタリング可能な範囲を拡大している。グルコースと酸素の親水性に顕著な差があることから、高親水性はこのような生体適合性膜の基本的な特性の１つである。酸素の干渉を取り除くのには非常に効果的であるものの、酸素とグルコースの両方を効果的かつ正確に制御することは困難である。グルコースを効率的に制御するためには、生体適合性膜の厚さを大幅に増加させる必要がある。厚すぎる生体適合性膜は、埋め込み型グルコース持続モニタリングシステムのグルコースに対する応答時間が長すぎることを直接引き起こし、深刻な遅延現象をもたらし、その正確性を大幅に低下させる。例えばアボット・ダイアビーツ・ケア株式会社のＦｒｅｅＳｔｙｌｅ Ｌｉｂｒｅは、ＰＢＳ（ｐＨ７．４）緩衝液中でグルコースに対する応答時間が８～１０分と長い。また、従来の生体適合性膜の処方には、化学架橋反応が存在し、これは生体適合性膜溶液の耐用年数を大幅に短縮し、埋め込み型グルコース持続モニタリングシステムの生産コストを増加させる。さらに深刻なことに、使用時間の増加に伴い、化学架橋反応が増加し、生体適合性膜溶液の粘度も増加し、製品の一貫性に重大な影響を及ぼしている。
Acounts of Chemical Research 23 (1990) 128-134
本発明の目的は、バイオセンサーの生体適合性を向上させることができ、酸素ガスとグルコースの両方を制御することができ、生体適合性膜溶液の安定性や耐用年数を向上させる生体適合性膜、その製造方法及び埋め込み型バイオセンサーを提供することである。
本発明は、主に、成分として、
架橋剤と、親水性材料と、疎水性材料と、溶媒とで製造され、
前記架橋剤は、ポリ（ジメチルシロキサン）－ジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、及び４－（２,３－グリシドキシ）－Ｎ,Ｎ－ジ（２,３－エポキシプロピル）アニリンのうちの１種又は複数種を含み、
前記親水性材料は、ポリエチレンオキシド、ポリエチレンオキシド含有共重合体、ポリプロピレンオキシド、ポリプロピレンオキシド含有共重合体、ポリビニルピロリドン、及びポリビニルアルコールのうちの１種又は複数種を含み、
前記疎水性材料は、ポリビニルピリジン、ビニルピリジン－アクリルアミド共重合体、ポリビニルピロール及びビニルピロール－アクリルアミド共重合体のうちの１種又は複数種を含む生体適合性膜を提供する。
好ましくは、前記親水性材料は、ポリエチレンオキシド又はポリエチレンオキシド含有共重合体であり、前記疎水性材料はポリビニルピリジンである。
好ましくは、前記架橋剤はポリ（ジメチルシロキサン）－ジグリシジルエーテルである。
好ましくは、生体適合性膜の原料として強化剤をさらに含み、
前記強化剤はスチレン－ビニルピリジン共重合体、スチレン－ビニルピロール共重合体、及びスチレン－アクリルアミド共重合体のうちの１種又は複数種を含む。
好ましくは、前記強化剤はスチレン－ビニルピリジン共重合体である。
好ましくは、生体適合性膜の原料としてフリーラジカル捕捉剤をさらに含み、
前記フリーラジカル捕捉剤は、エタノールアミン、プロパノールアミン、イソプロパノールアミン、アニリン、末端アミノを有するポリエチレンオキシド、エチレンオキシドの共重合体、及び末端アミノを有するポリプロピレンオキシドのうちの１種又は複数種を含む。
好ましくは、前記フリーラジカル捕捉剤はエタノールアミンである。
本発明は、
架橋剤、親水性材料及び疎水性材料を溶媒にて混合し、２０～７０℃で４０～１２０ｍｉｎ反応させ、４０～７０℃で４０～１２０ｍｉｎ反応させ、生体適合性膜溶液を得るステップＡ）であって、
前記架橋剤は、ポリ（ジメチルシロキサン）－ジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、及び４－（２,３－グリシドキシ）－Ｎ,Ｎ－ジ（２,３－エポキシプロピル）アニリンのうちの１種又は複数種を含み、
前記親水性材料は、ポリエチレンオキシド、ポリエチレンオキシド含有共重合体、ポリプロピレンオキシド、ポリプロピレンオキシド含有共重合体、ポリビニルピロリドン、及びポリビニルアルコールのうちの１種又は複数種を含み、
前記疎水性材料は、ポリビニルピリジン、ビニルピリジン－アクリルアミド共重合体、ポリビニルピロール及びビニルピロール－アクリルアミド共重合体のうちの１種又は複数種を含むステップＡ）と、
前記生体適合性溶液に基体を浸漬して、ディップコーティング法によって基体の表面に前記生体適合性膜溶液を塗布するステップＢ）と、
生体適合性膜溶液が塗布された基体を乾燥し、生体適合性膜が被覆された基体を得るステップＣ）とを含む、生体適合性膜の製造方法を提供する。
好ましくは、前記ステップＡでは、具体的には、
架橋剤、親水性材料、疎水性材料及び強化剤を溶媒にて混合し、２０～７０℃で４０～１２０ｍｉｎ反応させた後、フリーラジカル捕捉剤を加え、４０～７０℃で４０～１２０ｍｉｎ反応させ、生体適合性膜溶液を得る。
本発明は、バイオセンサー基体と、前記バイオセンサー基体の表面に被覆された生体適合性膜とを含み、
前記生体適合性膜は上記の生体適合性膜である埋め込み型バイオセンサーを提供する。
本発明は、主に、成分として、架橋剤と、親水性材料と、疎水性材料と、溶媒とで製造され、前記架橋剤はポリ（ジメチルシロキサン）－ジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、及び４－（２,３－グリシドキシ）－Ｎ,Ｎ－ジ（２,３－エポキシプロピル）アニリンのうちの１種又は複数種を含み、前記親水性材料は、ポリエチレンオキシド、ポリエチレンオキシド含有共重合体、ポリプロピレンオキシド、ポリプロピレンオキシド含有共重合体、ポリビニルピロリドン、及びポリビニルアルコールのうちの１種又は複数種を含み、前記疎水性材料は、ポリビニルピリジン、ビニルピリジン－アクリルアミド共重合体、ポリビニルピロール及びビニルピロール－アクリルアミド共重合体のうちの１種又は複数種を含む生体適合性膜を提供する。本発明は、生体適合性膜（選択的透過膜）を製造する原料として高生体適合性を有する材料を使用し、これらを組み合わせて最適化させることで、グルコースバイオセンサーの生体適合性を大幅に向上させる。選択的生体適合性膜の成分及び各成分の割合、例えば疎水性成分と親水性成分の種類及び割合を調整することにより、酸素ガスとグルコースの両方を制御することができる。また、生体適合性膜溶液を調製した後、フリーラジカル捕捉剤を加えることで、生体適合性膜溶液の安定性及び耐用年数を大幅に改善し、その安定性及び耐用年数には１年以内に明らかな変化が認められず、このため、一貫性が非常に一致する埋め込め型グルコース持続モニタリングシステムが製造される。
本発明の実施例又は従来技術の技術案をより明確に説明するために、以下、実施例又は従来技術の説明に必要な図面を簡単に説明するが、明らかに、以下の説明における図面は本発明の実施例に過ぎず、当業者にとっては、創造的な努力を必要とせずに、係る図面に基づいて他の図面を取得することもできる。
本発明の実施例１における埋め込め型グルコースバイオセンサーのグルコースのＰＢＳ緩衝溶液における電流と持ち上げ回数との関係を示す図である。 本発明の実施例１における埋め込め型グルコースバイオセンサーの電流信号への酸素ガスの影響であり、ａ曲線は実施例１における生体適合性膜が被覆されたグルコースバイオセンサーを表し、ｂ曲線は生体適合性膜のないグルコースバイオセンサーを表す。 本発明の実施例１における埋め込め型グルコースバイオセンサーの５ｍｍｏｌ／Ｌのグルコースを含有するＰＢＳ緩衝溶液における電流応答曲線であり、ａ曲線は生体適合性膜のないグルコースバイオセンサーを表し、ｂ曲線は実施例１における生体適合性膜が被覆されたグルコースバイオセンサーを表す。 本発明の実施例１における埋め込め型グルコースバイオセンサーの作動曲線であり、ａ曲線は生体適合性膜のないグルコースバイオセンサーを表し、ｂ曲線は実施例１における生体適合性膜が被覆されたグルコースバイオセンサーを表す。 本発明の実施例１における埋め込め型グルコースバイオセンサーの埋め込め型グルコース持続モニタリングシステムにおける人体実験結果である。 本発明の実施例２における埋め込め型グルコースバイオセンサー及び国外のあるブランドの連続血糖計の埋め込め型グルコース持続モニタリングシステムにおける人体の２週間の実験結果である。
本発明は、主に、成分として、
架橋剤と、親水性材料と、疎水性材料と、溶媒とで製造され、
前記架橋剤は、ポリ（ジメチルシロキサン）－ジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、及び４－（２,３－グリシドキシ）－Ｎ,Ｎ－ジ（２,３－エポキシプロピル）アニリンのうちの１種又は複数種を含み、
前記親水性材料は、ポリエチレンオキシド、ポリエチレンオキシド含有共重合体、ポリプロピレンオキシド、ポリプロピレンオキシド含有共重合体、ポリビニルピロリドン、及びポリビニルアルコールのうちの１種又は複数種を含み、
前記疎水性材料は、ポリビニルピリジン、ビニルピリジン－アクリルアミド共重合体、ポリビニルピロール及びビニルピロール－アクリルアミド共重合体のうちの１種又は複数種を含む、生体適合性膜を提供する。
本発明では、前記架橋剤は、ポリ（ジメチルシロキサン）－ジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、及び４－（２,３－グリシドキシ）－Ｎ,Ｎ－ジ（２,３－エポキシプロピル）アニリンのうちの１種又は複数種を含み、より好ましくはポリ（ジメチルシロキサン）－ジグリシジルエーテルであり、前記架橋剤の重量部は、好ましくは５００～５０００部、より好ましくは１０００～４０００部、最も好ましくは２０００～３０００部であり、具体的には、本発明の実施例では、可１５００部又は２０００部であってもよい。
前記親水性材料は、ポリエチレンオキシド、ポリエチレンオキシド含有共重合体、ポリプロピレンオキシド、ポリプロピレンオキシド含有共重合体、ポリビニルピロリドン、及びポリビニルアルコールのうちの１種又は複数種を含み、より好ましくはポリエチレンオキシド又はポリエチレンオキシド含有共重合体であり、前記親水性材料の重量部は、好ましくは５～５０部、より好ましくは１０～４０部、最も好ましくは２０～３０部であり、具体的には、本発明の実施例では、２０部であってもよい。
前記疎水性材料は、ポリビニルピリジン、ビニルピリジン－アクリルアミド共重合体、ポリビニルピロール及びビニルピロール－アクリルアミド共重合体のうちの１種又は複数種を含み、より好ましくはポリビニルピリジンであり、前記疎水性材料の重量部は、好ましくは２００～５０００部、より好ましくは５００～４０００部、最も好ましくは１０００～３０００部、最も好ましくは２０００～２５００部であり、具体的には、本発明の実施例では、１０００部又は２０００部であってもよい。
前記強化剤は疏水性材料であり、生体適合性膜の機械的強度を向上させることができ、好ましくはスチレン－ビニルピリジン共重合体、スチレン－ビニルピロール共重合体、及びスチレン－アクリルアミド共重合体のうちの１種又は複数種を含み、より好ましくはスチレン－ビニルピリジン共重合体であり、前記強化剤の重量部は、好ましくは２００～５０００部、より好ましくは５００～４０００部、最も好ましくは１０００～３０００部、最も好ましくは２０００～２５００部であり、具体的には、本発明の実施例では、１０００部又は２０００部であってもよい。
前記フリーラジカル捕捉剤は、溶液中の未反応のフリーラジカル（即ち架橋剤）を全て消費することができ、好ましくはエタノールアミン、プロパノールアミン、イソプロパノールアミン、アニリン、末端アミノを有するポリエチレンオキシド、エチレンオキシドの共重合体、及び末端アミノを有するポリプロピレンオキシドのうちの１種又は複数種を含み、より好ましくはエタノールアミンであり、前記フリーラジカル捕捉剤の重量部は、好ましくは２００～２０００部、より好ましくは５００～１０００部、最も好ましくは５００～８００部であり、具体的には、本発明の実施例では、５００部又は６００部であってもよい。
前記溶媒は、好ましくは９５体積％のアルコール類、例えばメタノール、エタノール、プロパノール及びイソプロパノールのうちの１種又は複数種であり、前記溶媒の重量部は好ましくは２００００部である。
本発明はまた、
架橋剤、親水性材料及び疎水性材料を溶媒にて混合し、２０～７０℃で４０～１２０ｍｉｎ反応させ、４０～７０℃で４０～１２０ｍｉｎ反応させ、生体適合性膜溶液を得るステップＡ）であって、
前記架橋剤はポリ（ジメチルシロキサン）－ジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、及び４－（２,３－グリシドキシ）－Ｎ,Ｎ－ジ（２,３－エポキシプロピル）アニリンのうちの１種又は複数種を含み、
前記親水性材料はポリエチレンオキシド、ポリエチレンオキシド含有共重合体、ポリプロピレンオキシド、ポリプロピレンオキシド含有共重合体、ポリビニルピロリドン、及びポリビニルアルコールのうちの１種又は複数種を含み、
前記疎水性材料はポリビニルピリジン、ビニルピリジン－アクリルアミド共重合体、ポリビニルピロール及びビニルピロール－アクリルアミド共重合体のうちの１種又は複数種を含むステップＡ）と、
前記生体適合性溶液に基体を浸漬して、ディップコーティング法によって基体の表面に前記生体適合性膜溶液を塗布するステップＢ）と、
生体適合性膜溶液が塗布された基体を乾燥し、生体適合性膜が被覆された基体を得るステップＣ）とを含む、生体適合性膜の製造方法を提供する。
本発明における生体適合性膜溶液を調製する原料の種類及び使用量は上記の原料の種類及び使用量と同じであるので、ここでは詳しく説明しない。
本発明では、まず、親水性材料、疎水性材料及び強化剤のそれぞれに適量の溶媒を加えて、親水性材料溶液、疎水性材料溶液及び強化剤溶液を調製し、使用される溶媒は全て９５体積％のアルコール類溶媒である。調製された親水性材料溶液の質量濃度は好ましくは５～２０ｍｇ／ｍＬ、より好ましくは１０～１５ｍｇ／ｍＬであり、具体的には、本発明の実施例では、１０ｍｇ／ｍＬであってもよく、前記疎水性材料溶液の質量濃度は好ましくは５０～３００ｍｇ／ｍＬ、より好ましくは１００～２００ｍｇ／ｍＬであり、具体的には、本発明の実施例では、１００ｍｇ／ｍＬであってもよく、前記強化剤溶液の質量濃度は好ましくは２５～３００ｍｇ／ｍＬ、より好ましくは５０～２００ｍｇ／ｍＬ、最も好ましくは１００～１５０ｍｇ／ｍＬであり、具体的には、本発明の実施例では、１００ｍｇ／ｍＬであってもよい。
本発明では、架橋剤、親水性材料溶液、疎水性材料溶液及び強化剤を混合して、所定時間加熱して反応させた後、フリーラジカル捕捉剤を加え、更に所定時間反応させ、生体適合性溶液を得る。
本発明では、フリーラジカル捕捉剤を加える前の反応温度は、好ましくは２０～７０℃、より好ましくは３０～６０℃、最も好ましくは４０～５０℃であり、具体的には、本発明の実施例では、３０℃又は６０℃であってもよく、フリーラジカル捕捉剤を加えるまでの反応時間は、好ましくは４０～１２０ｍｉｎ、より好ましくは５０～１００ｍｉｎ、最も好ましくは６０～８０ｍｉｎであり、具体的には、本発明の実施例では、６０ｍｉｎであってもよい。
フリーラジカル捕捉剤を加えた後の反応温度は、好ましくは２０～７０℃、より好ましくは３０～６０℃、最も好ましくは４０～５０℃であり、具体的には、本発明の実施例では、３０℃又は６０℃であってもよく、フリーラジカル捕捉剤を加えた後の反応時間は、好ましくは４０～１２０ｍｉｎ、より好ましくは５０～１００ｍｉｎ、最も好ましくは６０～８０ｍｉｎであり、具体的には、本発明の実施例では、６０ｍｉｎであってもよい。
エタノールアミンを加えることは、溶液の粘度を十分に安定化し、製品の一貫性を確保するとともに、溶液中の未反応のフリーラジカル（架橋剤）を全て消費することを目的とする。生体適合性膜溶液はエタノールアミンにより処理されると、安定性及び耐用年数が大幅に改善され、安定性及び耐用年数には１年以内に明らかな変化が認められない。
反応させて得られた生体適合性膜溶液では、２５℃における粘度は、好ましくは５０～１０００ｍＰａ、より好ましくは１００～９００ｍＰａ・ｓ、最も好ましくは２００～８００ｍＰａ・ｓ、最も好ましくは３００～７００ｍＰａ・ｓであり、具体的には、１００ｍＰａ・ｓ、２００ｍＰａ・ｓ、３００ｍＰａ・ｓ、４００ｍＰａ・ｓ、５００ｍＰａ・ｓ、６００ｍＰａ・ｓ、７００ｍＰａ・ｓ又は８００ｍＰａ・ｓであってもよい。
本発明では、生体適合性膜溶液を得た後、基体を上記の溶液に浸漬し、ディップコーティング法によって、基体の表面に生体適合性膜溶液を塗布する。
本発明では、前記基体は好ましくはバイオセンサーであり、グルコースバイオセンサー、乳酸バイオセンサー及び血中ケトンバイオセンサーを含むが、これらに限定されるものではなく、
前記ディップコーティングは、好ましくは、クラス10万のクリーン環境及び飽和エタノール蒸気の環境で行われる。前記ディップコーティングにおける降下速度は、好ましくは１００～５０００μｍ／ｓ、より好ましくは５００～４０００μｍ／ｓ、最も好ましくは１０００～３０００μｍ／ｓ、最も好ましくは１５００～２０００μｍ／ｓであり、具体的には、本発明の実施例では、２００μｍ／ｓ、２０００μｍ／ｓ又は５０００μｍ／ｓであってもよく、前記ディップコーティングにおける持ち上げ速度は、好ましくは２０～３００μｍ／ｓ、より好ましくは５０～２５０μｍ／ｓ、最も好ましくは１００～２００μｍ／ｓであり、具体的には、本発明の実施例では、２５μｍ／ｓ、１００μｍ／ｓ又は３００μｍ／ｓであってもよい。
その後、生体適合性膜が塗布された基体を厳格に制御された環境にて乾燥して成膜し、溶媒が完全に蒸発されると、これらのグルコースバイオセンサーの表面全面に亘って薄い生体適合性膜が被覆される。
本発明では、前記乾燥温度は、好ましくは２２～２５℃、より好ましくは２３～２４℃であり、前記本発明の前記乾燥時間には制限はなく、溶媒が全て蒸発されるとよく、好ましくは、前記乾燥時間は、３０～１２０ｍｉｎ、より好ましくは５０～１００ｍｉｎ、最も好ましくは６０～８０ｍｉｎである。前記乾燥成膜環境の相対湿度は好ましくは３５～４５％である。
生体適合性膜の厚さを大きくするために、上記のディップコーティング及び乾燥の工程は複数回繰り返されてもよく、通常、３～４回すれば所望の厚さが得られる。本発明における生体適合性膜は複数の成膜工程により形成されるので、酸素ガス及びグルコースに対する最終的な制御性能については、膜の厚さ（ディップコーティング回数）及び生体適合性膜溶液の処方を最適化させることにより、所望の効果が簡便且つ効果的に得られる。
本発明はまた、バイオセンサー基体と、前記バイオセンサー基体の表面に被覆された生体適合性膜とを含み、
前記生体適合性膜は上記の生体適合性膜である埋め込み型バイオセンサーを提供する。
前記生体適合性膜の厚さは、好ましくは５０～５００μｍ、より好ましくは１００～４００μｍ、最も好ましくは２００～３００μｍである。
前記バイオセンサーは、好ましくはグルコースバイオセンサーであり、前記グルコースバイオセンサーは、電気化学的に活性化されたグルコース酸化マグネシウムを含む。
より好ましくは、本発明におけるグルコースバイオセンサーは、第３世代バイオセンシング技術であるオキシドレダクターゼの電気化学活性化技術に基づくものである。第３世代バイオセンシング技術はオキシドレダクターゼの直接電気化学を利用して発展してきたバイオセンシング技術である。実験により、第３世代バイオセンシング技術に基づいて発展してきた本発明における電気化学活性化後のグルコースオキシダーゼを含有するグルコースバイオセンサーは、グルコースに対する接触酸化性能を維持しつつ、直接電気化学によるグルコースへの接触酸化効率が、天然のグルコースオキシダーゼの酸素ガスによるグルコースへの接触酸化効率よりも顕著に向上することが明らかになる。第２世代バイオセンシング技術に比べ、グルコースオキシダーゼの直接電気化学によってグルコースバイオセンサーの設計及び製造が大幅に簡素化され、また、グルコースバイオセンサーの感度、正確性、安定性、特異性や干渉抵抗能力が大幅に向上する。
一方、第２世代バイオセンシング技術と類似するように、酸素ガスは、グルコースオキシダーゼがグルコースを接触酸化する自然な媒体として、必然的にグルコースの接触酸化に関与し、グルコースモニタリングの重要な干渉要素となっている。直接電気化学によるグルコースの接触酸化効率はグルコースオキシダーゼのその自然な媒体である酸素ガスによる接触酸化効率よりもはるかに高いものの、酸素ガスの影響を徹底的に解消することができない。また、直接電気化学がグルコース検出に対して高感度であるので、グルコースを効果的に制御することも第３世代バイオセンシング技術が直面する難問である。これは、埋め込め型グルコース持続モニタリングシステムが３０年間も発展したが、ほとんどの埋め込め型グルコース持続モニタリングシステムの耐用年数が不十分であることにつながる。
さらに、本発明は、電気化学活性化後のグルコースオキシダーゼを含有するグルコースバイオセンサーの表面に本発明における高生体適合性の生体適合性膜を被覆することにより、グルコースバイオセンサーの高生体適合性を首尾よく実現しつつ、酸素ガス及びグルコースに対する正確な制御を実現する。
さらに、本発明における生体適合性膜が被覆された埋め込み型バイオセンサーは他の埋め込め型持続モニタリングシステム、例えば乳酸及び血中ケトンのモニタリングにも適用できる。
本発明における埋め込み型バイオセンサーの製造方法は、基体を電気化学活性化後のグルコースオキシダーゼを含むグルコースバイオセンサーに変更する以外、残りの操作が上記の生体適合性膜の製造方法と同じである。本発明では、詳しく説明しない。
本発明は、成分として、架橋剤５００～５０００重量部、親水性材料５～５０重量部、疎水性材料２００～５０００重量部、強化剤２００～５０００重量部、フリーラジカル捕捉剤２００～２０００重量部、溶媒２００００重量部で製造され、前記親水性材料は、ポリエチレンオキシド、ポリエチレンオキシド含有共重合体、ポリプロピレンオキシド、ポリプロピレンオキシド含有共重合体、ポリビニルピロリドン、及びポリビニルアルコールのうちの１種又は複数種を含み、前記疎水性材料は、ポリビニルピリジン、ビニルピリジン－アクリルアミド共重合体、ポリビニルピロール及びビニルピロール－アクリルアミド共重合体のうちの１種又は複数種を含み、前記強化剤は、スチレン－ビニルピリジン共重合体、スチレン－ビニルピロール共重合体、及びスチレン－アクリルアミド共重合体のうちの１種又は複数種を含み、前記フリーラジカル捕捉剤は、エタノールアミン、プロパノールアミン、イソプロパノールアミン、アニリン、末端アミノを有するポリエチレンオキシド、エチレンオキシドの共重合体、及び末端アミノを有するポリプロピレンオキシドのうちの１種又は複数種を含む、生体適合性膜を提供する。本発明では、生体適合性膜（選択的透過膜）を製造する原料として高生体適合性を有する材料を使用し、これらを組み合わせて最適化させることで、グルコースバイオセンサーの生体適合性を大幅に向上させる。選択的生体適合性膜の成分及び各成分の割合、例えば疎水性成分と親水性成分の種類及び割合を調整することにより、酸素ガスとグルコースの両方を制御することができる。また、生体適合性膜溶液を調製した後、フリーラジカル捕捉剤を加えることで、生体適合性膜溶液の安定性及び耐用年数を大幅に改善し、その安定性及び耐用年数には１年以内に明らかな変化が認められず、このため、一貫性が非常に一致する埋め込め型グルコース持続モニタリングシステムが製造される。
本発明では、本発明における高度生体適合性が被覆された生体適合性膜のグルコースバイオセンサーは、酸素ガスとグルコースの両方を非常に効果的かつ正確に制御することができ、より重要なことには、本発明における生体適合性膜の存在によりグルコースのモニタリング可能な範囲が顕著に拡大し、グルコースバイオセンサーの人体での安定性及び生体適合性が大幅に向上し、校正フリー（工場校正）埋め込め型グルコース持続モニタリングシステムの要件が満たされ、校正フリー埋め込め型グルコース持続モニタリングシステムの量産のために強固な基礎が築かれる。また、本発明における生体適合性膜は、他の埋め込め型持続モニタリングシステム、例えば乳酸及び血中ケトンのモニタリングにも適用できる。
本発明をさらに説明するために、以下、実施例を参照して本発明による生体適合性膜、その製造方法及び埋め込み型バイオセンサーを詳細に説明するが、これらは本発明の特許範囲を限定するものとして理解すべきではない。
（実施例１）
本実施例では、溶媒は全て９５％のエタノールとした。
ポリ（ジメチルシロキサン）－ジグリシジルエーテル２ｍＬ、１０ｍｇ／ｍＬポリエチレンオキシド２ｍＬ、１００ｍｇ／ｍＬポリビニルピリジン２０ｍＬ、及び１００ｍｇ／ｍＬスチレン－ビニルピリジン共重合体２０ｍＬを十分に混合し、次に、６０℃の水浴にて６０ｍｉｎ加熱反応した。反応後の生体適合性膜溶液にエタノールアミン０．５ｍＬを加え、十分に混合した後、６０℃の水浴にてさらに６０ｍｉｎ加熱反応し、生体適合性膜溶液を得た。
グラス１０万のクリーンルーム及び飽和エタノール蒸気を含有する環境にて、降下速度２０００μｍ／ｓ、持ち上げ速度１００μｍ／ｓのディップコーティング法によって、電気化学活性化後のグルコースオキシダーゼを含有するグルコースバイオセンサーに生体適合性膜溶液を均一に塗布し、次に、温度２５℃、相対湿度４０％の環境で６０ｍｉｎ乾燥した後、ディップコーティングと乾燥の工程を５回繰り返し、ディップコーティング及び乾燥を合計６サイクルすると、埋め込め型グルコースバイオセンサーを得た。
本実施例におけるグルコースバイオセンサーを５ｍｍｏｌ／ＬグルコースのＰＢＳ緩衝溶液に浸漬し、電流検出を行い、結果を図１に示し、図１は本発明の実施例１における埋め込め型グルコースバイオセンサーのグルコースのＰＢＳ緩衝溶液における電流と持ち上げ回数との関係を示す図である。
図１に示すように、グルコースバイオセンサーが完全に生体適合性膜により被覆されたときに、膜の厚さ（ディップコーティング回数）の増加に伴い、直接電気化学によるグルコースの接触酸化電流は指数関数的に急激に減少し、ディップコーティングと乾燥を６サイクルしたところ、グルコースバイオセンサーの電流は元の１％よりも小さく減少した。この実験結果から明らかなに、本発明における生体適合性膜はグルコースを非常に効果的に制御できる（グルコースの接触酸化電流により反映される）。
前記の通り、第３世代のバイオセンシング技術に基づいて発展してきたグルコースバイオセンサーは、グルコースを直接電気化学的に検出する場合、酸素ガスがグルコースオキシダーゼがグルコースを接触酸化する自然な媒体であるので、組織液や血液などの体液中の酸素ガスが必然的にグルコースの接触酸化に関与する。グルコースバイオセンサーが酸素ガスを効果的に制御しないと、酸素ガスによる干渉はグルコースを正確にモニタリングすることによって巨大な挑戦となっている。このため、本発明では、さらなる実験を通じて、図２に示すようにこの生体適合性膜が酸素ガスによる干渉をほぼ解消できることを検証し、図２は本発明の実施例１における埋め込め型グルコースバイオセンサーの電流信号への酸素ガスの影響である。１０ｍｍｏｌ／Ｌグルコースを含有するＰＢＳ緩衝溶液に酸素ガスが導入されると、実施例１において生体適合性膜が被覆されたグルコースバイオセンサーは１％よりも小さい減衰しかなく、溶液中の酸素ガスがアルゴンで完全に除去されると、電流信号もこれに伴い元のレベルに戻る（図２、曲線ａ）。一方、酸素ガスが導入されたときに、生体適合性膜のないグルコースバイオセンサーでは、電流信号に明らかな減衰が認められ、生体適合性膜のないグルコースバイオセンシング膜の安定性により、溶液中の酸素ガスがアルゴンで完全に除去された後にも、電流信号は元のレベルに戻られない（図２、曲線ｂ）。
本発明では、グルコースバイオセンサーに生体適合性膜が被覆されることにより、酸素ガス及びグルコースに対する正確な制御が実現されるが、正確性、再現性及び安定性が良好であり、埋め込め型グルコース持続モニタリングシステムに適用できるグルコースバイオセンサーを製造するには、これらのセンサーが十分な線形応答範囲及び高い安定性を有することが必要であり、これらはグルコースバイオセンサーの生体適合性膜を最適化させることで実現され得る。例えば、生体適合性膜溶液においてディップコーティングと乾燥を３サイクル受けたグルコースバイオセンサーは、いずれの生体適合性膜も被覆されていないグルコースバイオセンサーと比べて、グルコースに対する応答時間が２分間から４分間に延長するが、電流信号がこの生体適合性膜によりよく制御され、しかも、グルコースバイオセンサーの安定性も顕著に改善された（図３）。また、グルコースのモニタリング可能な範囲は１０ｍｍｏｌ／Ｌから３５ｍｍｏｌ／Ｌに広げ、糖尿患者のグルコースモニタリングニーズに対応できる（図４）。
以上の全ての実験結果から、本発明の生体適合性膜のインビトロでの優れた性能を証明しているが、生体内でモニタリングするときの性能こそ、その生体適合性にとって最も説得力のある証明である。このため、本発明では、インビトロ作動に加えて、生体適合性膜が被覆されたグルコースバイオセンサーを埋め込め型グルコース持続モニタリングシステムに適用して、人体試験を２０日間連続して行い、最初の１６日は結果が良好であり、感度（ベースライン）には明らかな減衰が認められず（図５、ａ図）、これは、今まで作動寿命が最も長い人体モニタリング用のグルコースバイオセンサーであり、より重要なことに、モニタリングされたグルコース濃度（曲線により表される）は指血血糖値測定（丸点により表される）の結果と非常に一致した（図５、ａ図）。埋め込めた後１７日目から、センサーの感度には明らかな減衰が認められ、モニタリングされたグルコース濃度は指血血糖値測定結果に対して大きな差が見られた。このため、厳密さのために、本発明における生体適合性膜の作動寿命は１５日間とした。
埋め込め型グルコース持続モニタリングシステムのグルコースバイオセンサーが皮下に埋め込まれ、モニタリングされるグルコースが組織液中のグルコースであり、組織液中のグルコースと指血血糖値とには不可避的な遅延があることが知られている。このため、本発明では、センサーを埋め込めた後１５日目の朝に、空腹時血糖から、高頻度で指血血糖値を測定した結果、この２種の方法により得られたグルコースの濃度の変化曲線が非常に一致するが、本発明における埋め込め型グルコース持続モニタリングシステムで検出された組織液中のグルコースの濃度変化曲線が、指血を用いて測定された血糖の濃度変化曲線に比べて、平均９分間の遅延が存在する（図５、ｂ図）。
（実施例２）
本実施例では、溶媒は全て９５％ｎ－プロパノールとした。
ポリ（ジメチルシロキサン）－ジグリシジルエーテル５ｍＬ、１０ｍｇ／ｍＬポリエチレンオキシド５ｍＬ、２００ｍｇ／ｍＬポリビニルピリジン５０ｍＬ、２００ｍｇ／ｍＬスチレン－ビニルピリジン共重合体５０ｍＬを十分に混合し、次に、４０℃の水浴にて１２０ｍｉｎ加熱反応した。反応後の生体適合性膜溶液にエタノールアミン２ｍＬを加え、十分に混合した後、４０℃の水浴にてさらに１２０ｍｉｎ加熱反応し、生体適合性膜溶液を得た。
クラス１０万のクリーンルーム及び飽和エタノール蒸気を含有する環境にて、降下速度２００μｍ／ｓ、持ち上げ速度２５μｍ／ｓのディップコーティング法によって、電気化学活性化後のグルコースオキシダーゼを含有するグルコースバイオセンサーに生体適合性膜溶液を均一に塗布し、次に、温度２５℃、相対湿度４０％の環境で６０ｍｉｎ乾燥した後、ディップコーティングと乾燥の工程を２回繰り返し、ディップコーティングと乾燥を合計３サイクルすると、埋め込め型グルコースバイオセンサーを得た。
本発明では、グルコースバイオセンサーに生体適合性膜が被覆されることによって、埋め込め型グルコース持続モニタリングシステムに適用できるグルコースバイオセンサーを実現した。１４日間連続人体試験では、モニタリングされたグルコースの濃度変化曲線は国外のある有名なブランドのものによりモニタリングされたグルコースの濃度変化曲線とは非常に一致した（図６）。
（実施例３）
本実施例では、溶媒は全て９５％のイソプロパノールとした。
ポリ（ジメチルシロキサン）－ジグリシジルエーテル０．５ｍＬ、１０ｍｇ／ｍＬポリプロピレンオキシド０．５ｍＬ、１００ｍｇ／ｍＬポリビニルピリジン５ｍＬ、及び１００ｍｇ／ｍＬスチレン－ビニルピリジン共重合体５ｍＬを十分に混合し、次に、７０℃の水浴にて４０ｍｉｎ加熱反応した。反応後の生体適合性膜溶液にプロパノールアミン０．２ｍＬを加え、十分に混合した後、７０℃の水浴にて４０ｍｉｎ加熱反応し、生体適合性膜溶液を得た。
クラス１０万のクリーンルーム及び飽和エタノール蒸気を含有する環境にて、降下速度５０００μｍ／ｓ、持ち上げ速度３００μｍ／ｓのディップコーティング法によって、電気化学活性化後の乳酸オキシダーゼを含有する乳酸バイオセンサーに生体適合性膜溶液を均一に塗布し、次に、温度２２℃、相対湿度３５％の環境で４０ｍｉｎ乾燥した後、ディップコーティングと乾燥の工程を３回繰り返し、ディップコーティング及び乾燥を合計４サイクルすると、埋め込め型乳酸バイオセンサーを得た。生体適合性膜が被覆されることにより、乳酸に対する応答の線形範囲は８ｍｍｏｌ／Ｌから３０ｍｍｏｌ／Ｌに拡大し、生体乳酸モニタリングのニーズに対応できる。
以上は本発明の好適な実施形態に過ぎず、当業者であれば、本発明の原理を逸脱することなく、いくつかの改良や修飾を行うことができ、これらの改良や修飾も本発明の特許範囲とみなされるべきである。

Claims (10)

  1. 主に、成分として、
    架橋剤と、親水性材料と、疎水性材料と、溶媒とで製造され、
    前記架橋剤は、ポリ（ジメチルシロキサン）－ジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、及び４－（２,３－グリシドキシ）－Ｎ,Ｎ－ジ（２,３－エポキシプロピル）アニリンのうちの１種又は複数種を含み、
    前記親水性材料は、ポリエチレンオキシド、ポリエチレンオキシド含有共重合体、ポリプロピレンオキシド、ポリプロピレンオキシド含有共重合体、ポリビニルピロリドン、及びポリビニルアルコールのうちの１種又は複数種を含み、
    前記疎水性材料は、ポリビニルピリジン、ビニルピリジン－アクリルアミド共重合体、ポリビニルピロール及びビニルピロール－アクリルアミド共重合体のうちの１種又は複数種を含む、生体適合性膜。
  2. 前記親水性材料はポリエチレンオキシド又はポリエチレンオキシド含有共重合体であり、
    前記疎水性材料はポリビニルピリジンである、ことを特徴とする請求項１に記載の生体適合性膜。
  3. 前記架橋剤はポリ（ジメチルシロキサン）－ジグリシジルエーテルである、ことを特徴とする請求項１に記載の生体適合性膜。
  4. 原料として強化剤をさらに含み、
    前記強化剤はスチレン－ビニルピリジン共重合体、スチレン－ビニルピロール共重合体、及びスチレン－アクリルアミド共重合体のうちの１種又は複数種を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の生体適合性膜。
  5. 前記強化剤はスチレン－ビニルピリジン共重合体である、ことを特徴とする請求項４に記載の生体適合性膜。
  6. 原料としてフリーラジカル捕捉剤をさらに含み、
    前記フリーラジカル捕捉剤は、エタノールアミン、プロパノールアミン、イソプロパノールアミン、アニリン、末端アミノを有するポリエチレンオキシド、エチレンオキシドの共重合体、及び末端アミノを有するポリプロピレンオキシドのうちの１種又は複数種を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の生体適合性膜。
  7. 前記フリーラジカル捕捉剤はエタノールアミンである、ことを特徴とする請求項６に記載の生体適合性膜。
  8. 架橋剤、親水性材料及び疎水性材料を溶媒にて混合し、２０～７０℃で４０～１２０ｍｉｎ反応させ、４０～７０℃で４０～１２０ｍｉｎ反応させ、生体適合性膜溶液を得るステップＡ）であって、
    前記架橋剤は、ポリ（ジメチルシロキサン）－ジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、及び４－（２,３－グリシドキシ）－Ｎ,Ｎ－ジ（２,３－エポキシプロピル）アニリンのうちの１種又は複数種を含み、
    前記親水性材料は、ポリエチレンオキシド、ポリエチレンオキシド含有共重合体、ポリプロピレンオキシド、ポリプロピレンオキシド含有共重合体、ポリビニルピロリドン、及びポリビニルアルコールのうちの１種又は複数種を含み、
    前記疎水性材料は、ポリビニルピリジン、ビニルピリジン－アクリルアミド共重合体、ポリビニルピロール及びビニルピロール－アクリルアミド共重合体のうちの１種又は複数種を含むステップＡ）と、
    前記生体適合性溶液に基体を浸漬して、ディップコーティング法によって基体の表面に前記生体適合性膜溶液を塗布するステップＢ）と、
    生体適合性膜溶液が塗布された基体を乾燥し、生体適合性膜が被覆された基体を得るステップＣ）とを含む、生体適合性膜の製造方法。
  9. 前記ステップＡでは、
    架橋剤、親水性材料、疎水性材料及び強化剤を溶媒にて混合し、２０～７０℃で４０～１２０ｍｉｎ反応させた後、フリーラジカル捕捉剤を加え、４０～７０℃で４０～１２０ｍｉｎ反応させ、生体適合性膜溶液を得る、ことを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
  10. バイオセンサー基体と、前記バイオセンサー基体の表面に被覆された生体適合性膜とを含み、
    前記生体適合性膜は請求項１～７のいずれか１項に記載の生体適合性膜又は請求項８～９のいずれか１項に記載の製造方法によって製造された生体適合性膜である、埋め込み型バイオセンサー。
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