JP4547535B2 - 針一体型バイオセンサー - Google Patents

Description

本発明は、針一体型バイオセンサーに関する。さらに詳しくは、皮膚を突き刺して血液を得るための穿刺針と、皮膚の表面に取り出された体液を採取し、分析するためのバイオセンサーとを一体化した構成を有する針一体型バイオセンサーに関する。

従来より、糖尿病患者自らが採血して血中のグルコース値である血糖値を測定する場合がある。この場合、患者は採血針を着脱するランセットと称される採血器具を用い、自分の指先や腕などに採血針を刺して採血し、採血した血液を血糖値分析計に移して血糖値を測定している。このような測定方式では、患者は血糖値分析器、ランセット、採血針および分析素子といった数点からなる測定器具の一式を携帯所持し、必要時にそれらを組み合わせて測定しなければならず、操作法も長い訓練を要し、確実な測定を患者自身で行うことができるようになるまでかなりの時間を要する。実際に、指先、前腕以外の部位（腹壁、耳たぶ等）での測定は、熟練者ですら困難である。また、近年においては、より痛みの少ない低侵襲検体供給のニーズから、検体量が１μl以下で測定可能なバイオセンサーが開発されており、このような極微量な場合、またバイオセンサーへの検体を正確に供給する作業は非常に困難になる。その結果、測定の失敗を招き、被測定者である患者は再度穿刺して、またバイオセンサーも交換し、測定をやり直さなければならないという不都合がある。
特開平９−２６６８９８号公報 特公平８−２０４１２号公報

そこで、いくつかの針一体型バイオセンサーが考え出された。まず、特許文献３に示された針一体型バイオセンサーでは、穿刺針の駆動部を備えたペン型（２色ボールペン様）の測定装置の内部に、穿刺針とバイオセンサーがそれぞれ別の位置にセットされており、ペン様の測定装置の先端部を被検体の皮膚に当て、穿刺した後、バイオセンサーを先端部に露出させ、採血を行なうことで血糖測定が行なわれる。しかし、この方法では、針およびバイオセンサーを測定装置にそれぞれセットするという煩わしさは解消されていない。
特開２０００−２１７８０４号公報

また、特許文献４で示された針一体型バイオセンサーでは、穿刺針を外部の駆動に委ねるものであり、穿刺針が細長い小片状のバイオセンサーの長手方向に沿って平行に移動する一体構造をとっている。しかし、このタイプでは穿刺針がバイオセンサーから露出するため、穿刺針の先端を保護するカバーが必要であり、さらに穿刺後の採血をバイオセンサーへ送液するには毛細管現象のみを利用する他なかった。
再公表２００２−０５６７６９号公報

さらに、従来の針一体型バイオセンサーでは、構造が複雑で、試料液として必要な採血量が多く、かつ無駄なスペースへの入り込みなどの影響があった。

本発明の目的は、穿刺後の採血を効率よくバイオセンサー内へ送液することを可能とする針一体型バイオセンサーを提供することにある。

かかる本発明の目的は、２枚の電気絶縁性基板に挟まれた空間に、電極およびスペーサーが設けられたバイオセンサーと、該バイオセンサー内に配置された被検体の皮膚を突き刺して体液を採取するための穿刺針とが穿刺針支持体を介して一体となって構成されたバイオセンサーにおいて、該穿刺針の先にある穿刺採血口が穿刺可能な軟質材料で密閉され、該穿刺針の後部は伸縮性材料により２枚の基板と該穿刺針支持体との隙間を密閉するとともに、バイオセンサー内部を陰圧に保ち、該穿刺針が外部からの駆動を受けて軟質材料と皮膚の両方を同時に突き破ることで、吸引採血し、検出成分を測定することを特徴とした針一体型バイオセンサーによって達成される。

本発明に係る針一体型バイオセンサーは、採血をバイオセンサー内へ送液するに際して毛細管現象に加えて吸引手段が併用されるため、穿刺後の採血を効率よくバイオセンサー内へ送液することができる。また、穿刺針がバイオセンサーに内包されているため、その先端を保護するカバーが必要なく、安全性の面においてもすぐれている。さらに、電極の長軸方向に平行して、穿刺針を配置した場合には、電極上に形成される試薬層などと穿刺針の接触を避けることができるため、穿刺針が試薬などによって汚染されるといった不具合を回避することが可能となる。

基板としては、電気絶縁性のものであれば足り、例えばプラスチック、生分解性材料、紙などが用いられ、好ましくはポリエチレンテレフタレートが、２枚用いられる。

電極は、基板上にスクリーン印刷法、蒸着法、スパッタリング法、箔貼り付け法、メッキ法などにより形成され、その材料としては、カーボン、銀、銀／塩化銀、白金、金、ニッケル、銅、パラジウム、チタン、イリジウム、鉛、酸化錫、白金黒などが挙げられる。ここで、カーボンとしては、カーボンナノチューブ、カーボンマイクロコイル、カーボンナノホーン、フラーレン、デンドリマーもしくはそれらの誘導体を用いることができる。

電極は、作用極と対極で形成される２極法または作用極と対極、参照極で形成される３極法、あるいはそれ以上の極数の電極法であってもよい。ここで、３極法を採用すると、測定対象物質の電気化学測定の他に、搬送路内に導入される採血の移動速度の計測ができ、これによりヘマトクリット値が測定できる。また、２組以上の電極系で構成されていても良い。これらの電極は、一枚の基板上にまとめて、あるいは２枚の基板上に分かれて形成される。

電極が形成された基板上には、試薬層(電極反応部)を形成することができる。試薬層はスクリーン印刷法またはデスペンサー法により形成され、この試薬層の電極表面または基板表面への固定化は、乾燥を伴う吸着法または共有結合法により行うことができる。バイオセンサーの電極反応部に配置する試薬としては、例えば血糖値測定用に構成する場合、酸化酵素であるグルコースオキシターゼおよびメディエータとしてのフェリシアン化カリウムを含むものが挙げられる。試薬が血液によって溶解されると、酵素反応が開始される結果、反応層に共存させているフェリシアン化カリウムが還元され、還元型の電子伝達体であるフェロシアン化カリウムが蓄積される。その量は、基質濃度、すなわち血液中のグルコース濃度に比例する。一定時間蓄積された還元型の電子伝達体は、電気化学反応により酸化される。後述する測定装置本体内の電子回路は、このとき測定される陽極電流から、グルコース濃度（血糖値）を演算・決定し、本体表面に配置された表示部に表示する。

また、採血口の周辺および電極あるいは試薬層(電極反応部)表面に界面活性剤、脂質を塗布することができる。界面活性剤や脂質の塗布により、試料の移動を円滑にさせることが可能となる。

ここで、試料搬送路内への試薬層、界面活性剤あるいは脂質の塗布により、その内部に収まる穿刺針が汚染される可能性がある。このような汚染を防ぐためには、穿刺針先端の周囲にこれらの試薬を塗布しないようにすることが好ましい。

以上の採血が満たされる電極上に試薬層が設けられたバイオセンサーは、採血口から送り込まれる採血が電極上の試薬層と接触することにより、採血と試薬とが反応する。この反応は、電極における電気的な変化としてモニタリングされる。

これらの電極はレジスト層により規定されていてもよい。レジストとしては、基板と反応あるいは溶解しないものであれば特に限定されないが、例えば、紫外線硬化型のビニル・アクリル系樹脂、ウレタンアクリレート系樹脂、ポリエステルアクリレート系樹脂などが挙げられる。レジストの使用目的は、主に電極パターンを明確にし、電極面積の規定をはっきりさせることにあるが、このほか試薬層が存在しない試料搬送路を絶縁するなどの目的もある。後者を目的を達成するためには、レジスト層は電極を形成した基板上に設けることが好ましい。さらに、このレジスト層を電極よりも厚く設けることで、穿刺針と電極との接触を抑えることができる。かかるレジスト層は、スクリーン印刷法などにより形成することが可能であり、例えば上記のいずれかの材料により約5〜500μm、好ましくは約10〜100μmの厚さで形成され、かかるレジスト層はスペーサーとしても作用する。

２枚の基板は、アクリル樹脂系接着剤などの接着剤を介して接着されてバイオセンサーを構成する。かかる接着剤層も、スクリーン印刷法により形成することが可能であり、約5〜500μm、好ましくは約10〜100μmの厚さで形成され、かかる接着剤層はレジスト層同様スペーサーとしても作用する。なお、接着剤層中に上記試薬を含有させることもできる。接着剤層はレジスト層と同様のパターンあるいは異なるパターンのいずれであってもよい。

バイオセンサーの試料搬送路内には、例えば電極の長軸方向に平行して、被検体の皮膚を突き刺して体液を採取するための穿刺針が配置される。

被検体の皮膚から体液を採取するための穿刺針については、後述する軟質材料を貫通して、さらに被検体を穿刺する必要があるため、これに耐え得る強度を持ち、鋭利であることが望ましく、また穿刺時の痛みを抑えるために、細い穿刺針であることが好ましい。具体的には、テルモ社製で、21〜33ゲージのものが用いられる。穿刺針は被検体の皮膚を突き破ることができれば中空針であっても棒状針でも良い。さらに、穿刺針は使用されるまでバイオセンサー内に衛生的に収納されている必要があることから、抗菌・抗ウィルスに効果がある光触媒機能を針の先端表面に付与させても良い。その場合、酸化チタンまたは二酸化チタンの膜が望ましい。

以上の構成よりなるバイオセンサーの穿刺採血口は、シリコーンゴム、軟質ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、発泡スチロールなどの軟質材料で覆われ、また穿刺駆動側についてはバイオセンサーを構成する２枚の基板と穿刺針の支持体との間が、天然ゴムなどの伸縮性材料(伸縮材)などで密栓状態となるように構成される。かかるバイオセンサーは、その製造時において、外気よりも陰圧の条件下、好ましくは真空条件下においてセンサー内部が密閉されることにより、バイオセンサーの試料搬送路内部は外気圧よりも陰圧とされる。このように、本発明に係る針一体型バイオセンサーにあっては穿刺後の採血を円滑に行なうため、試料搬送路内への採血の移動を毛細管現象に加えて、吸引手段が併用される。このとき、穿刺直後に穿刺針を穿刺方向とは反対にさらに引っ張ることで伸縮性材料が伸び、内部の陰圧がさらに強くなるようにして採血を吸引することもできる。

本発明に係る針一体型バイオセンサーは、穿刺駆動を備えた測定装置にセットすることにより穿刺・採血・測定の一連の操作が成されることが望ましい。その場合、例えば穿刺駆動については針がバイオセンサーの軟質材を貫通して被検体の皮膚を突き破る機構と、穿刺直後、速やかに元の位置に戻る機構を備えていることが望ましい。

さらに、針一体型バイオセンサーによる採血時の吸引力を高めるために、測定装置内の穿刺駆動系をさらに改良することもできる。すなわち、穿刺直後に穿刺針の配置を元に戻す方向の機構を使って、穿刺針を穿刺方向とは反対方向にさらに引っ張ることで、前述した如く伸縮性材料が伸び、内部の陰圧がさらに強くなるようにすることもできる。

針一体型バイオセンサー用測定装置としては、針一体型バイオセンサーを使用した測定が繰り返し確実に行なえるための操作性および耐久性が確保され、かつ持ち運びが容易であるものが用いられ、測定装置は、下部にある導入部に針一体型バイオセンサーを穿刺針支持体が上を向くように挿入させ、バイオセンサーの端子が測定装置のコネクターと接続することで測定が可能な状態となり、次に、穿刺駆動を針一体型バイオセンサー内部に与えるために引き金を引くことで測定の準備が完了し、あとは穿刺開始ボタンのスイッチを押すことで穿刺・採血・測定の順序で自動的に作動し、最終的に測定結果が導かれる仕組みのものが用いられる。

測定装置の構造上の特徴の一例を、さらに詳しく述べる。本測定装置は穿刺針駆動部と測定装置部が一体化しており、穿刺針駆動部は引き金部、穿刺開始ボタン部、バネなどの弾性体による駆動部から構成される。一方、測定装置部については、センサー導入部、コネクター、電気化学測定用回路、メモリ部、操作パネル、バイオセンサーの電極における電気的な値を計測する計測部および計測部における計測値を表示する表示部を基本構成としており、さらに、無線手段として電波、例えばブルートゥース(登録商標)を搭載することもできる。かかるスライド構造により、針一体型バイオセンサーを確実にホールドした状態を保ったまま穿刺駆動を受けるので、測定装置全体としての強度を高めることができる。

測定装置の穿刺駆動は、針一体型バイオセンサー上部を鉛直方向にたたいた後、速やかに戻る機構がよく、さらに被検体の皮膚を穿刺する深度が調整可能な機構を有することが好ましい。

測定装置には糖尿病疾患による視覚障害に対応した音声ガイド機能及び音声認識機能、電波時計の内蔵による測定データ管理機能、測定データなどの医療機関などへの通信機能、充電機能などを併せ持たせることができる。

測定装置の計測部における計測方法としては、特に限定はしないがポテンシャルステップクロノアンペロメトリー法、クーロメトリー法またはサイクリックボルタンメトリー法などを用いることができる。

以上より、本発明の針一体型バイオセンサーは、使用者を限定することのない、すなわち、ユニバーサルな企画に対応し得るものとなっている。

本発明による実施態様の針一体型バイオセンサーについて、それぞれ図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り以下の実施例に制限されるものではない。

図１は、本発明の針一体型バイオセンサーの一組立例を示している。図１a)〜e)は針一体型バイオセンサーの製作例であり、i)およびiii)は針一体型バイオセンサーの製作に要する構成材料、ii)では、その成形体を示している。図１a)にはバイオセンサーの下部基板１表面に導電体７が形成されている板部材とレジスト層６が示されている。該レジスト層６はスペーサー２の役割も果たすほか、電極面積を規定し、また、電極表面と穿刺針との接触を防ぐためにも設けられる。従って、該レジスト６層には貫通穴４が設けられている。ここで、下部基板１及び上部基板９は角を丸めることで安全に使用できるものとなっている。図１b)はレジスト層６の上に接着剤層５が形成される様子を示している。ここで、接着剤層５も下部基板１と上部基板９の板部材間に設けられるので、レジスト層６と同様、スペーサー２の役割を果たす。また、図１b)ii)ではレジスト層６と接着剤層５とで面積が規定された電極１０およびその電極反応部１３が示されている。図１c)は接着剤層５の下部を覆うように伸縮材１６が設けられる様子を示している。伸縮材１６は図１d)に示すように穿刺針部１４と下部基板１とをそれぞれ接着し、その状態で上部基板９が覆われることで、図１e)に示すように穿刺針部１４と上部基板９とをそれぞれ接着し、最終的には試料搬送路を成す穿刺針通路８内を外気と遮断することとなる。穿刺針部１４は、図１d)i)に示される如く穿刺針２０とそれを支える支持体１９および外部駆動の接続部１７から構成され、外部駆動接続部１７が穿刺駆動を備えた測定装置に接続されることで測定装置からの穿刺駆動を得られる仕組みとなっている。また、図１d)には穿刺針部１４が電極１０の長軸方向に平行して配置されている様子がわかる。この図が示すように、穿刺針部１４は電極表面１０との接触をレジスト層６の形成により避けられる構造を採っている。さらに、図１e)では、針一体型バイオセンサー３の穿刺採血口１２付近に軟質材１５の層を形成することでセンサー内部の気密性を保てる構造となっている。

図２は図1で示した針一体型バイオセンサー３の構成例を断面図で示している。図２b)は図２a)で示した中心線縦断面図を示している。この図が示すように、バイオセンサーの下部基板１上に設けられたパターン表面に穿刺針部１４が配置されている。さらに、該穿刺針部１４は伸縮材１６によって下部基板１および上部基板９と接着部２３によって固定されている。図２c)は図２a)で示したB-B’断面図を示している。下部基板１および上部基板９の中心部に穿刺針部１４が配置されている。

図３は図1および図２で示した針一体型バイオセンサー３の使用例を示している。図３ではa)〜d)で各工程を示し、i)とii)ではそのときの針一体型バイオセンサー３の状態をi)では構成図、ii)はi)で示した針一体型バイオセンサーの中心線縦断面図で示している。図３a)は穿刺駆動つきの測定装置に接続された針一体型バイオセンサー３の使用前の状態を示す。このとき、被検体としての皮膚が、針一体型バイオセンサー３の穿刺採血口１２に設けられた軟質材１５に密着している。図３b)は穿刺の状態が示されており、穿刺針２０が軟質材１５を貫通している状態を示している。図示されてはいないが、このとき穿刺針２０は皮膚も突き刺している。また、伸縮材１６は縮んでいる様子がわかる。図３c)は穿刺後に穿刺針部１４が元の位置に戻った状態を示している。ここでは、穿刺針２０によって貫通された軟質材１５が示されている。この状態では、バイオセンサー内の陰圧が穿刺された皮膚に向かってかけられている。図３d)は、その後、穿刺した皮膚からの採血２４を内部の陰圧によって吸引している状態を示している（ii-1）。図３d)ii)-2では、測定装置の押さえ具２５によって、針一体型バイオセンサー３の両側を押さえ、固定することで、ii-1の状態にある針一体型バイオセンサー３の穿刺針部１４を、穿刺方向とは反対の向きに引くことができ、センサー内部をさらに陰圧にしている様子を示す。このとき、伸縮材１６が引き伸ばされているのがわかる。

図４は本発明の針一体型バイオセンサーを取り付け可能な穿刺駆動付き測定装置２６の例を示す。図４a)は測定装置２６に針一体型バイオセンサー３を導入する前の状態を示している。この図について、測定装置の説明をする。測定装置２６は、針一体型バイオセンサー３の導入部２７、穿刺駆動用の引き金部２８、操作パネル２９及び穿刺開始ボタン３３で構成されている。操作パネル２９上には表示部３０及び操作ボタン３１が、また穿刺開始ボタン３３には滑り止め具３４が設けられている。図４(b)は測定装置２６にセンサー３を導入して、上部にある引き金２８を引くことで測定装置の電源が入り、測定モードに入った状態を示す。図４(c)はセンサー３を測定装置２６に導入した後の様子を横から示している。この図が示すように、表示部の裏側にはフック３５が設けられ、測定装置本体が胸ポケットや内ポケットなどに収め易くなっている。図４(d)はセンサー３および測定装置２６を下方から見たときの様子で、図４(e)では、センサー３を測定装置２６に下方から挿入した場合を示している。センサー３は、図１で示したものである。

本発明に係る針一体型バイオセンサーの一組み立て例を示す図である。 本発明に係る針一体型バイオセンサーの一構成例を示す図である。 本発明に係る針一体型バイオセンサーの一使用例を示す図である。 本発明に係る針一体型バイオセンサー用の穿刺駆動つき測定装置の一構成例を示す図である。

符号の説明

１ 下部基板
２ スペーサー
３ 針一体型バイオセンサー
４ 貫通穴
５ 接着剤層
６ レジスト層
７ 導電体
８ 試料搬送路・穿刺針通路
９ 上部基板
１０ 電極
１１ 端子
１２ 穿刺採血口
１３ 電極反応部（試薬層）
１４ 穿刺針部
１５ 軟質材
１６ 伸縮材
１７ 外部駆動接続部
１９ 穿刺針支持体
２０ 穿刺針
２３ 接着部
２４ 採血
２５ 押さえ具
２６ 穿刺駆動内蔵測定装置
２７ 針一体型バイオセンサー導入部
２８ 引き金部
２９ 操作パネル
３０ 表示部
３１ 操作ボタン
３３ 穿刺開始ボタン
３４ 滑り止め具
３５ フック

Claims (14)

1. ２枚の電気絶縁性基板に挟まれた空間に、電極およびスペーサーが設けられたバイオセンサーと、該バイオセンサー内に配置された被検体の皮膚を突き刺して体液を採取するための穿刺針とが穿刺針支持体を介して一体となって構成されたバイオセンサーにおいて、
   該穿刺針の先にある穿刺採血口が穿刺可能な軟質材料で密閉され、該穿刺針の後部は伸縮性材料により２枚の基板と該穿刺針支持体との隙間を密閉するとともに、バイオセンサー内部を陰圧に保ち、
   該穿刺針が外部からの駆動を受けて軟質材料と皮膚の両方を同時に突き破ることで、吸引採血し、検出成分を測定することを特徴とした針一体型バイオセンサー。
2. 電極上および／またはその周辺に試薬層が設けられている請求項１記載の針一体型バイオセンサー。
3. スペーサーが、レジスト層および／または接着剤層により構成される請求項１記載の針一体型バイオセンサー。
4. レジスト層が、電極よりも厚く形成される請求項３記載の針一体型バイオセンサー。
5. 穿刺針がバイオセンサー内において、電極の長軸方向に平行に設置される請求項１または２記載の針一体型バイオセンサー。
6. 軟質材料がゲル、弾性材料または発泡性材料である請求項１または２記載の針一体型バイオセンサー。
7. 弾性材料が、シリコーンゴムである請求項６記載の針一体型バイオセンサー。
8. 伸縮性材料が、天然ゴムである請求項１または２記載の針一体型バイオセンサー。
9. 穿刺直後、穿刺針支持体を穿刺方向と反対方向に引くことで、該穿刺針の後部とバイオセンサー基板とカバーとの間に設けられた伸縮性材料が伸長し、バイオセンサー内部をさらに陰圧にすることを特徴とする請求項１または２記載の針一体型バイオセンサー。
10. 穿刺駆動を備えた針一体型バイオセンサー用測定装置により、穿刺、採血、測定の一連の操作が自動で行われることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の針一体型バイオセンサー。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の針一体型バイオセンサーと、該バイオセンサーを挿入させてセットする針一体型バイオセンサー導入部、該バイオセンサーの電極における電気的な信号を捉えるコネクター部、コネクター部を介して電気的な値を計測する計測部、計測のための操作パネル部、計測部における計測値を表示する表示部、計測値を保存するメモリ部、穿刺針の駆動部、駆動部引き金部および穿刺針による穿刺を開始する穿刺開始ボタンを備えた針一体型バイオセンサー用測定装置。
12. 穿刺駆動とともに、穿刺針とバイオセンサーとを結ぶ伸縮性材料の伸長機構を備えた請求項１１記載の針一体型バイオセンサー用測定装置。
13. 計測部における計測方法として、ポテンシャルステップクロノアンペロメトリー法、クーロメトリー法またはサイクリックボルタンメトリー法が適用される請求項１１または１２記載の針一体型バイオセンサー用測定装置。
14. 音声ガイド機能及び音声認識機能、電波時計の内蔵による測定データ管理機能、測定データの医療機関への通信機能および充電機能の少なくとも一つの機能を備えた請求項１１乃至１３のいずれかに記載の針一体型バイオセンサー用測定装置。

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