JP3946766B2 - 酸素発生包帯 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、皮膚創傷への酸素供給の調節に有用な包帯、創傷ドレッシングまたはパッチ（貼布剤）の技術に関する。本発明は特に、従来技術である加圧酸素チャンバ技術を用いた場合に見られることがある、過剰酸素供給に伴う全身的有毒副作用を招くことなく、局所的に所定量の濃縮酸素を直接皮膚創傷に外用的に供給することにおいて有用である。
加圧酸素療法は、新しい皮膚組織の増殖を促進するために血管増殖を誘発させて虚血性創傷を癒合し治癒するために用いられる。しかしこの全身療法は欠点を有する。例えば加圧酸素は血管収縮、毒性および組織破壊を引き起こす。これが全身に施される場合、中枢神経系および肺に毒性をもたらす危険性がある。一方、局所的加圧酸素療法は、全身的毒性を回避でき、開放性創傷に対して有用であり、処置不能な皮膚創傷の治癒に対し効果的であることが知られている。局所的な過剰酸素による毒性効果は、創傷周囲の内皮細胞に対し毒性となり得るので、治癒停止につながる可能性がある。血流が途絶すれば血管は新生しない。しかしながら局所的な有毒量酸素によって起こる損傷は、単に処置を止めることにより一般的には約２週間後には治癒する。
局所的加圧酸素療法は、解放性創傷への酸素の直接適用を要する。酸素は組織液に溶解し、細胞内液中の酸素含有量を増加させる。かかる皮膚創傷への酸素の直接適用は利点を有する。例えば、該酸素は潰瘍基底部に直接適用されるので、拡散が必要とされる全身加圧酸素療法に比べ、創傷治癒促進のために必要とされる酸素圧ははるかに低圧で済む。局所的加圧酸素で処置し得る皮膚障害としては、骨髄炎、火傷および湯傷、壊死性筋膜炎、壊疽性膿皮症、抗療性潰瘍、糖尿病性足潰瘍、褥瘡性潰瘍（とこずれ）が挙げられる。また、切傷、擦過傷および外科手術による創傷または切開部にも局所的酸素療法が利用されている。
従来技術は、人の患部肢全体を圧力密閉制御および自動調節制御の機能を有する気密チャンバに配置して、加圧酸素を局所的に適用することを教示している。このチャンバは、創傷部位だけでなく、該肢全体に加圧または通常圧の酸素を供給する。かかる四肢用加圧酸素チャンバの欠点としては、高価であること、消毒困難であることおよび交叉感染の可能性があることが挙げられる。これらの欠点を克服するために、恒久的チャンバに代えて使い捨てのポリエチレン袋を使用することが提案されている。この技術は消毒の問題を解決し費用を部分的に削減するとはいえ未だ欠点を残している。その一つは、外部酸素源を備えなければならないことである。たとえ該酸素チャンバが非常に小型になり得るとはいえ、１．０４気圧という低レベルの圧縮度であっても圧縮した空気を外部備蓄部から供給しなければならない。このため、処置中患者は酸素タンクの近辺に置かれる必要がある。加えて、肢全体がチャンバまたはポリエチレン袋の中に置かれるため、広範囲の皮膚が必要以上に潜在的毒性レベルの酸素にさらされる場合がある。また、チャンバまたは袋の密封機構が、処置を受ける肢に対し望ましくない止血効果をもたらす可能性もある。
本発明は、濃縮加圧酸素の皮膚創傷への供給を調節するための改良された装置および方法を企図するものである。本装置は使い捨てであり、従って交叉感染の危険性を排除する。また、これにより患者が加圧酸素源の近辺にとどめられることがなくなる。加圧酸素を、処置部位への血流を不必要に制限することなく、経済的かつ便利に皮膚の局所的部位に直接適用することができる。加えて、本装置は創傷部位から酸素を奪うことも可能であり、細胞を低酸素症的状態に至らしめる。中度の低酸素症的状態は毛細血管の新生と増殖を促進することが見出されている。初期の組織低酸素症的状態に抗し新たな毛細血管が形成される（血管新生）。血流増加の結果、組織中の酸素圧の増加は創傷を癒合する複合的治癒プロセスを促進する。よって、酸素供給を増加または減少させること（即ち調節）により、創傷治癒を最も有益な方法で促進することができる。
発明の概要
本発明は、調節された加圧酸素による皮膚創傷の局所的処置を提供する装置および方法に関する。本装置は、酸素処置可能な皮膚創傷を覆うように構成された創傷ドレッシングパッチまたは包帯を備える。さらに本発明は、酸素調節器または濃縮器を含み、これが電気化学的プロセスによって酸素を発生し、該酸素を皮膚創傷へ供給する。
本発明によれば、加圧酸素による創傷処置の方法は、酸素発生包帯を皮膚創傷を覆うように置くことを要する。周囲の空気は取り込まれて、包帯と一体化したガス透過性陰極と接触する。該空気中に存在する酸素は、陰極において一、二または四電子プロセスに従って、超酸化物イオンおよび過酸化物イオン並びにそれらの種々のプロトン化および非プロトン化中性状態（ＨＯ₂、ＨＯ₂ ^-、Ｏ₂ ^2-）またはヒドロキシルイオン等の負に帯電したイオンまたは未解離のＨ₂Ｏ₂に還元される。これらの化学種の一以上が電解質を介して拡散し、陽極において酸化され、高濃度（約１００％）の酸素を発生する。該酸素は、陽極から皮膚創傷に送られる。処置サイクル中、酸素富化雰囲気が加圧下で維持される。
電気化学的プロセスは、内蔵または外部電力源によって駆動される。電力源の極性反転により該プロセスは反転し、非常に低レベル（酸素濃度約０％の低濃度）の酸素が創傷に供給される。これにより、創傷処置部位における酸素レベルが調節される。酸素レベル調節においては、治癒を促進するところの組織中の酸素圧を加減することにより、創傷治癒の速度が制御される。
本発明の利点は、毒性量の酸素を創傷またはその周囲の領域に供給する危険を冒すことなく濃縮酸素を皮膚創傷に局所的に供給できることにある。よって全身投与による毒性効果は回避される。
本発明の他の利点としては、包帯または創傷ドレッシング自体が携帯可能であり、加圧酸素の外部からの供給を要せずに周囲の空気から加圧酸素を発生させ、これを患者へ供給することが挙げられる。
他の利点としては、該包帯が創傷部位の周辺を十分閉鎖することが挙げられる。十分に包みこまれた創傷は空気感染から保護され、その一方で非空気感染性バクテリアが該酸素療法で破壊される。さらに、包帯内では、電極における電気化学的破壊により化学的（即ち、電気的発生に発生させた微量の過酸化物によって）および電気化学的な消毒も行なわれる。
本発明の更なる利点としては、該包帯が皮膚創傷への加圧酸素供給のための経済的かつ便利な装置を提供することが挙げられる。該酸素包帯は、多様な圧力において機能し得る。例えば、０．５〜５気圧の範囲が挙げられるが、さらに望ましくは０．７５〜２．５気圧の範囲であり、最も望ましくは０．９５〜１．１気圧の範囲である。実際の作動圧力は必要な酸素濃度、治癒される創傷の種類、継続時間、患者の快適さ等の変数に依存する。例えば、適用時間が短い場合には、かなりの低圧または高圧が望ましい場合もあろう。
本技術における熟練当業者が以下の詳細な説明を読み理解すれば、本発明のその他の利点および有益性は明白となろう。
【図面の簡単な説明】
本発明は、所定の部品および部品を物理的に配置した形態を有する。本発明の好ましい実施様態は本明細書で詳細に説明され、かつ本明細書の一部を構成する添付図面で図解される。
図１は、本発明による酸素発生パッチの側面概略図である。
図２は、複数の電池を含む、本発明による酸素発生パッチの平面概略図である。
好ましい態様の詳細な説明
参照する図面中に図示された内容は、本発明の好ましい態様を図示するのみの目的に用いるものであって、本態様に限定するものではなく、図は濃縮加圧酸素を発生させて皮膚の創傷を治癒させるための新規で多目的なアプローチを示すものである。最初に、本発明の装置またはパッチの側面概略図を図１に示す。酸素分子は、ガス透過性陰極１０、固定電解質に埋設された隔膜１４およびガス透過性陽極１８から構成される三層サンドイッチ型構造により電気化学的に製造される。陰極は大気に曝され、陽極は皮膚の創傷に曝露させることを意図している。電解質はプロトン伝導性固体高分子電解質膜等のようなアルカリ性でも酸性でも良く、さらに酸性溶液で濡れていてもドープされていても良い。
図１に概略を示した装置は、本明細書の一部としてここに援用する特許第５３３８４１２号に記載された装置とほぼ同様に作動する。該特許において、空気から供給される酸素分子は過酸化水素イオンに還元され、薄い電解質を通過する。このイオンは、陽極において酸化され濃縮酸素を供給する。本明細書に記述するパッチまたは包帯は、酸素濃縮プロセス中の相当部分を担うものである。ここで、２２における大気から供給される酸素分子は、ガス透過性陰極１０において一、二または四電子プロセスに従って、超酸化物イオンおよび過酸化物イオン並びにそれらの種々の非プロトン化およびプロトン化状態（ＨＯ₂、ＨＯ₂ ^-、Ｏ₂ ^2-）またはヒドロキシルイオン等の負に帯電したイオンまたは未解離のＨ₂Ｏ₂に還元される。該陰極は、燃料電池に用いられるタイプのものである。これら化学種の一種以上が、薄い隔壁／電解質構造体または膜１４を通過してガス透過性陽極１８へ移動し、そこにおいて酸素分子に再転化する。酸素分子は陽極２４から流出するのでこれを、皮膚の創傷に適用するものとする。
図１に示すパッチは、一般的な補聴器用電池に用いられる部品と同様の部品を具備しかつ三層構造の直上に配設される空気電池、本件では亜鉛／空気電池を電源としている。二極型に設計すれば製造が単純化できて有利である。小量の亜鉛粉とゲル化したアルカリ性電解質とを常法で混合し、亜鉛電極２８としてのガス供給用陰極の頂部に設置する。その後、隔壁または膜３２で完全に被覆する。ガス供給用陽極１８を該構造体の周囲に折り重ねかつ隔壁の直上で電池の正極３６となるように設置し、電池を完成する。換言すれば、単一のガス透過性電極が二重の役割を果たす。すなわち、２４における酸素発生用陽極１８および亜鉛／空気電池における正極３６または空気電極との両者である。動作中を通じ、空気が３８に例示したもののような亜鉛／空気電池に流入する。
図１に示すように電気絶縁体４０は、陰極１０、膜１４、膜３２および正極３６の周囲に位置し、電子的にもイオン的にも、包帯および電池の活動部品の各々を的確に隔離する。酸素が治療域から容易に流出しないように、パッチを皮膚創傷上に旦って固定するための接着剤が４４に図示される。該パッチは、空気抜きを可能ならしめる数個の盲端バルブまたはキャピラリー孔を有していても良い。該包帯は全側面で密閉可能で、抗生物質または防腐剤を付加的に用いることもできるが、これらを用いずに抗菌制御作用を提供する。
該酸素発生包帯は、それ自身が、患者の快適さと治癒を向上させるために、綿ガーゼ層、ポリエチレンオキシド−水ポリマー層の他、外用軟膏および抗生物質、防腐剤、成長因子および活細胞を含むその他の医薬を含有する層等を包含する多重層を有していてもよい。付加的な各層は、電池、センサおよび／または酸素濃縮器を含むことができる。層の重ね方に所定の必須順序はなく、また全ての層が動作装置に含まれている必要はない。
図１に示す該装置は、複数の利点を有する。例えば、亜鉛の量は、一定量の酸素分子を発生させるように制御できる。このようにすれば、治療期間後に患者が誤ってパッチをはずしてしまった等の理由による酸素過剰投与（治癒停止に至る有害な生物学的効果を有することが既知）の可能性が完全に回避できる。空気電極（複数）は、全体として亜鉛／空気電池を構成し、製造中は密閉しておき使用直前に酸素陰極を大気に曝すことによって活性化することができる。
図２に注目すると、単一のパッチ４８は数個の密閉亜鉛／空気電池５０を具備することができる。これは、現在の治療で通例となっている患者への断続的酸素供給を可能にする。各々の電池は、予定された寿命に従って製造することができる。例えば、各電池は１時間、２時間、４時間、あるいはそれより長いまたは短い時間使用できるように設定可能である。創傷の洗浄のためドレッシングを除去する以前の期間に、同一のパッチを適所に維持しておくために、異なる容量の電池を単一のパッチに包含させることができる。これによって創傷に適用する酸素の異なる時間設定用量が可能になる。例えば、１日目に１時間の治療を施し、２日目に２時間の治療をすることなどが可能である。各々の電池は、ピールオフステッカー（剥離紙）を有している。このステッカーを除去した時、亜鉛／空気電池または他の空気作動電池が空気に曝され、動作開始となる。５４は酸素発生部分を示す。
複数の電池を有する別態様の包帯では、７日間またはそれより長い酸素治療処置のために、電子タイミング装置を有する単一電池を含有させることができる。より長期間の治療も本発明の範囲内であるが、創傷を洗浄できるように周期的に創傷ドレッシングを除去する必要があり、非実際的である。パッチは一体構造であるため、原則として任意の大きさまたは形状に製造でき、また創傷直上に透明プラスチック窓を配置してパッチの除去を要することなく治癒プロセス（血管新生）を視覚的に監視することができる。図２において５８はそのような検査または点検用の窓である。使用時、創傷は窓の下に置かれる。図１に示すようにパッチは周辺部の簡単な接着層４４により皮膚に固定させることができる。パッチは手袋、ソックス、袖等の数多くの形に製作することができ、また寸法に合わせて裁断できる。
図２はプラスチック枠６２を含む別の態様を示す。枠は酸素発生包帯６６を取り囲む。プラスチック枠は皮膚に枠をしっかりと固定するため縁７０に沿って接着剤を有する。枠が酸素発生包帯を支持する。縁７０に沿う接着剤は酸素が逃げないよう封止する。これにより包帯は患者の皮膚を傷つけることなく取り外し可能となり、患者の快適度が高まる。プラスチック枠はガス抜きを考慮し一方向圧力弁または逃がし弁として機能する開口部を有するかあるいはそのような開口部となることができる。このような弁または小毛細孔は装置を破裂させる可能性を有する偶発的な過圧を防止する。さらに弁または小毛細孔は初期の濃縮酸素蓄積期間に創傷窩より空気を除去する働きを有する。
図１および２に示す亜鉛／空気電池系を備えたパッチを使用するとファラデーの法則により亜鉛６５．４グラムから１気圧常温下２２．４リットルの酸素を製造できる。
パッチの作動中における圧力上昇を防止するため陽極仕切り部からガスを逃がす目的でパッチのごく一部に一方向弁を取りつけるかまたは小毛細孔を配設する。処置を一時中断した後、創傷部位を通常の空気状態に戻し、新生血管に対する有毒過剰曝露を防止する。
図１および２のパッチは酸素発生または調節包帯を示す。包帯は一、二、または四電子プロセスに従って酸素を発生させる内蔵式電気化学的装置を有する。反応は空気駆動の電池によって進行する。図中の包帯および関連する電気化学的装置はより好ましい使用態様を説明するものである。
酸素の発生および／または奪取は各種の電気化学的反応によって起き得る。反応は前記の二電子プロセスに加え、一または四電子プロセスや一、二、および／または四電子プロセスの組合わせに基づいてどのような温度でも起き得る。前記の通り二電子プロセスでは陰極において空気供給ガス中の酸素を過酸化物イオンおよび／またはＨ₂Ｏ₂に変換し、その過酸化物イオンおよび／またはＨ₂Ｏ₂を電解質中を通過させ陽極においてそれらを酸素に変換する。一電子プロセスでは供給された酸素を超酸化物またはそのプロトン化した形態に変換し、それらを電解質中を通過させ陽極において酸素に変換する。よりエネルギーを要する手法としては、四電子プロセスを通じ供給される気体中の酸素を減らすことおよび／または水素ガス（Ｈ₂）を発生させることがある。この手法は水の電気分解を含む。この手法ではヒドロキシルイオンおよび／または（Ｈ₂）を発生させ図１中１８で表わされる電極で四電子プロセスによって水を酸化し酸素分子を得る。この方法によると、反応の速度論的不可逆性を克服するため一方または両方の電極に触媒が必要となる。しかし実際の作動中派生する水素量は僅少であるため危険性はないと思われる。
創傷個所に高濃度の酸素供給を必要とする場合には、陽極が創傷に向けられる。治療領域で酸素欠乏雰囲気を作り出すには治療領域に接する電極上の酸素を減少させるためにパッチへの電力供給の極性を反転する。その時該電極は陰極として作用し、外気と接する電極、即ち陽電極で酸素が発生する。酸素は外気圧より高圧または低圧に調整した圧力で皮膚の創傷に供給できる。極性を反転させる必要が生ずる場合には内蔵式二極蓄電池以外の電力供給が必要になる。
数多くの他の手段で酸素調節（即ち酸素発生および／または奪取）反応を駆動することは明らかに本発明の範囲に含まれる。酸素濃縮器への電力はパッチと別体の電源から供給してもよい。別体の電力制御機構は電子タイミング装置、一次および二次蓄電池の両方、コンデンサー、スーパーコンデンサー（supercapacitors）、光電池、交流（A.C.）電力に接続用の変換器、および前記内蔵式二極蓄電池を配設したものから構成されていてもよい。前記電源は包帯／パッチ内外何れにも配設できる。
好ましくは酸素を発生させたり奪取したりするために使用される方法は電気化学的性質のものであるが、治療領域の酸素量調節のため非電気化学的方法も実行可能である。例えば酸素の放出または吸収を制御できるような化学的または熱的反応を用いることができる。また前記方法には酸素濃度、湿度、圧力、またパラメータ（即ち電流密度）を監視・制御し最適治癒を促進するためのその他の条件に対する廉価なセンサーと制御回路を含むことができる。
以上本発明をそのより好ましい態様に即して説明した。本明細書を通読理解すれば出願人以外の者にも修正変更がなし得ることは明らかであろう。そのような修正変更が添付の本特許請求の範囲またはその均等物の範囲内におけるものである限りにおいて本発明は前記修正変更をも包括するものである。

Claims (22)

1. 酸素処置可能な皮膚創傷を覆うようになされた創傷ドレッシングパッチと；
   皮膚創傷への酸素の供給を調節するために前記創傷ドレッシングパッチ内に設けられた酸素調節器とを有する、皮膚創傷の局所治療のために酸素の供給を調節する装置であって、酸素調節器は、電気化学的に酸素を発生しかつ、
   供給ガス中の酸素を負イオンおよび／または中性種に還元するための陰極と、負イオンおよび／または中性種を拡散させるための電解質と、該電解質と連通して負イオンおよび／または中性種を酸化し高濃度の酸素を発生させて皮膚創傷に供給するための陽極とを含む、皮膚創傷の局所治療のために酸素の供給を調節する装置。
2. 酸素の発生が一、二または四電子プロセスによって起こるものである、請求の範囲１に記載の、皮膚創傷の局所治療のために酸素の供給を調節する装置。
3. 負イオンが種々の非プロトン化およびプロトン化状態にある、請求の範囲１に記載の、皮膚創傷の局所治療のために酸素の供給を調節する装置。
4. 負イオンが、プロトン化状態にあるものを含む超酸化物イオンである、請求の範囲１に記載の、皮膚創傷の局所治療のために酸素の供給を調節する装置。
5. 負イオンが、ヒドロキシルイオンであり、プロセスが全体として水の電気分解を包含する、請求の範囲１に記載の、皮膚創傷の局所治療のために酸素の供給を調節する装置。
6. 酸素調節器は電源を含み、これによって陰極と陽極との間に電位差をもたらして周囲の空気から濃縮酸素を発生させる、請求の範囲１に記載の、皮膚創傷の局所治療のために酸素の供給を調節する装置。
7. 電源がパッチ内に含められたものである、請求の範囲６に記載の、皮膚創傷の局所治療のために酸素の供給を調節する装置。
8. 電源が前記装置内に含められた二極電極である、請求の範囲７に記載の、皮膚創傷の局所治療のために酸素の供給を調節する装置。
9. 前記装置内に含められた亜鉛／空気電極が空気からの酸素の濃縮を一、二または四電子プロセスによって行うための電力を供給する、請求の範囲７に記載の、皮膚創傷の局所治療のために酸素の供給を調節する装置。
10. 電源がパッチの外部にある、請求の範囲６に記載の、皮膚創傷の局所治療のために酸素の供給を調節する装置。
11. 電源がコンデンサー、スーパーコンデンサー、光電池、蓄電池、および交流用変換器から成る群から選択される、請求の範囲６に記載の、皮膚創傷の局所治療のために酸素の供給を調節する装置。
12. 電源の極性が酸素濃度を調節するために反転可能である、請求の範囲６に記載の、皮膚創傷の局所治療のために酸素の供給を調節する装置。
13. 酸素調節装置が大気圧より低圧の圧力から大気圧より高圧の圧力に亘る種々の圧力で皮膚創傷に対する酸素の供給を調節する、請求の範囲１に記載の、皮膚創傷の局所治療のために酸素の供給を調節する装置。
14. 前記圧力が約０．５気圧〜約５気圧の範囲である、請求の範囲１３に記載の、皮膚創傷の局所治療のために酸素の供給を調節する装置。
15. 前記圧力が約０．７５気圧〜約２．５気圧の範囲である、請求の範囲１３に記載の、皮膚創傷の局所治療のために酸素の供給を調節する装置。
16. 前記圧力が約０．９５気圧〜約１．１気圧の範囲である、請求の範囲１３に記載の、皮膚創傷の局所治療のために酸素の供給を調節する装置。
17. 前記装置が複数の層を含む、請求の範囲１に記載の、皮膚創傷の局所治療のために酸素の供給を調節する装置。
18. 第一の層が蓄電池を含む、請求の範囲１７に記載の、皮膚創傷の局所治療のために酸素の供給を調節する装置。
19. 第二の層が医薬を含む、請求の範囲１７に記載の、皮膚創傷の局所治療のために酸素の供給を調節する装置。
20. 第三の層がセンサを含む、請求の範囲１７に記載の、皮膚創傷の局所治療のために酸素の供給を調節する装置。
21. センサが最適な治癒を促進するための制御回路を含む、請求の範囲２０に記載の、皮膚創傷の局所治療のために酸素の供給を調節する装置。
22. 第三の層が酸素濃縮器を含む、請求の範囲１７に記載の、皮膚創傷の局所治療のために酸素の供給を調節する装置。

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