JP6603190B2 - 電極形成方法及び電極形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、電極形成方法及び電極形成装置に関する。

培養液等により培養された生体組織（例えば神経細胞）の活動を計測するためには、培養皿の底面に設置された平面型の多点微小電極を用いて、生体信号から生ずる電気的信号を計測することが一般的に行われている（例えば非特許文献１）。
多点微小電極の電気的特性を制御するために、導電性高分子及びその単量体の混合液を電気化学重合することにより、多点微小電極上に導電性高分子電極を形成する手法が知られている（例えば特許文献１）。
さらに近年では、神経細胞の分散培養下で導電性高分子電極を形成する手法が提案されている（例えば非特許文献２）。

特開２００７−２０５７５６号公報

Ｓ．Ｗａｔａｎａｂｅ，Ｙ．Ｊｉｍｂｏ，ｅｔ ａｌ．，"Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｌｏｗ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ−ｉｎｄｕｃｅｄ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ ｂｕｒｓｔｉｎｇ ａｎｄ ＧＡＢＡｅｒｇｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｃｕｌｔｕｒｅｄ ｒａｔ ｎｅｏｃｏｒｔｉｃａｌ ｎｅｕｒｏｎｓ．" Ｎｅｕｒｏｓｃｉｅｎｃｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２１０（１９９６）４１−４４． Ｓ．Ｍ．Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ−Ｂｕｒｎｓ，Ｊ．Ｌ．Ｈｅｎｄｒｉｃｋｓ，ｅｔ ａｌ．，"Ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｐｏｌｙｍｅｒ ｐｏｌｙ（３，４−ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）（ＰＥＤＯＴ） ａｒｏｕｎｄ ｌｉｖｉｎｇ ｎｅｕｒａｌ ｃｅｌｌｓ．" Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ ２８（２００７）１５３９−１５５２．

しかしながら、導電性高分子から電極を形成するためには、導電性高分子及びその単量体の混合液で培養液を置換する必要があり、この際に神経細胞等の生体組織にダメージを与えてしまうという問題があった。
また、導電性高分子はゲル状の物質であり、強い衝撃等が加わると剥離や損傷により欠損してしまうという問題があった。

本発明は、生体組織等の周囲で、導電性高分子電極の形成や、剥離または損傷した導電性高分子電極の修復を行う場合にも、生体組織等へのダメージを低減することが可能な電極形成方法及び電極形成装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、空孔を有する微小管により、導電性高分子及びその単量体を含有する組成物を、液中に局所的に吐出する工程と、前記組成物の電気化学重合により、導電性高分子からなる電極を形成する工程と、を有することを特徴とする電極形成方法である。

本発明の一態様は、上記の電極形成方法であって、前記微小管が、前記空孔を有する光ファイバから構成されている。

本発明の一態様は、上記の電極形成方法であって、前記組成物が紫外線硬化型樹脂を含有し、前記導電性高分子からなる電極を形成する工程の後に、紫外線を前記電極上に照射して、前記紫外線硬化型樹脂を硬化させる工程を有する。

本発明の一態様は、上記の電極形成方法であって、光ファイバのコアを通して前記紫外線を前記電極上に照射する。

本発明の一態様は、上記の電極形成方法であって、前記紫外線を前記電極上に照射する前記光ファイバが、前記微小管を構成する前記空孔を有する光ファイバである。

本発明の一態様は、導電性高分子及びその単量体を含有する組成物を、液中に局所的に吐出するように構成された、空孔を有する微小管と、前記組成物の電気化学重合により、導電性高分子からなる電極を形成するように構成された、前記液中に配置される電極と、を有することを特徴とする電極形成装置である。

本発明の一態様は、上記の電極形成装置であって、前記微小管が、前記空孔を有する光ファイバから構成されている。

本発明により、液中において局所的に導電性高分子から電極を形成する際に、生体組織等へのダメージを低減することができる。導電性高分子電極が剥離または損傷した場合にも、導電性高分子電極を容易に修復することができる。
また、組成物が紫外線硬化型樹脂を含有する場合には、電極上で紫外線硬化型樹脂を硬化させることにより、導電性高分子電極の機械的強度を向上させることが可能になる。

空孔を有する光ファイバから構成された微小管の一実施形態の模式図である。 組成物の吐出又は紫外線の照射を行う装置の一実施形態の模式図である。 微小管を用いて組成物を液中に吐出する一実施形態の概要図である。 光ファイバを用いて電極上に紫外線を照射する一実施形態の概要図である。 実施例により導電性高分子で修飾された液中の電極の図面代用写真である。

図１に、一実施形態として用いることが可能な空孔を有する微小管として、空孔を有する光ファイバ１から構成された微小管の一例を模式的に示す。空孔を有する光ファイバ（ホーリーファイバー）としては、全反射型の導波原理を利用した光導波路であってもよいし、２次元ブラッグ反射を利用して光を閉じ込める導波原理を利用した光導波路（フォトニックバンドギャップファイバ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄ Ｇａｐ Ｆｉｂｅｒ））であってもよい。

図１に示す例の場合、クラッド２には、光ファイバ１の軸１ｂの方向（ファイバ軸方向）に沿って４つの空孔４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが形成されている。空孔４ａ〜４ｄの直径は、例えば、１〜２０μｍ程度である。光ファイバ１は、例えば石英（シリカ）系ガラス等のガラス材料から構成することができる。

光ファイバ１は、光をコア３に閉じ込めて、ファイバ軸方向に導波させることが可能である。コア３は、周囲のクラッド２よりも屈折率の高い材料を有してもよく、クラッド２と同様の材料から構成されてもよく、周囲のクラッド２よりも屈折率の低い材料を有してもよい。シリカよりも屈折率の高い材料としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）等が添加されたシリカ系ガラスが挙げられる。シリカよりも屈折率の低い材料としては、フッ素（Ｆ）等が添加されたシリカ系ガラスが挙げられる。空孔を有する光ファイバ１においては、空孔４ａ〜４ｄの内部を除くクラッド２及びコア３の全体が、添加物を含有しないシリカ（ＳｉＯ_２）から構成されてもよい。

クラッド２の直径（クラッド径）は、特に限定はされないが、例えば８０〜１２５μｍが挙げられる。また、光ファイバ１は、クラッド２の外周に樹脂被覆（図示せず）を有する光ファイバ素線であってもよい。樹脂被覆を構成する樹脂としては、紫外線硬化性樹脂、シリコーン樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂等が挙げられる。樹脂被覆の外径（素線径）は、特に限定はされないが、例えば２５０〜４００μｍが挙げられる。

光ファイバ１の外周面１ａの一部には、光ファイバ１の一部が切り欠かれることによって、空孔４ａ〜４ｄのうち少なくとも１つ（図１では空孔４ａ）に達する切欠凹部５が形成されている。切欠凹部５は、空孔４ａの少なくとも一部に達し、切欠凹部５の内面に空孔４ａの一部が露出した開口部４ａ１及び４ａ２が形成される形状であればよい。開口部４ａ１及び４ａ２は、空孔４ａの断面の一部であってもよいし、空孔４ａの断面全体であってもよい。

図示例では、切欠凹部５は、空孔４ａに達する深さとされ、切欠凹部５の内側面５ａ１及び５ａ２にそれぞれ空孔４ａが露出することによって開口部４ａ１及び４ａ２が形成されている。また、切欠凹部５が空孔４ａより深く形成されているため、空孔４ａの断面全体が内側面５ａ１及び５ａ２に露出することによって、例えば円形の開口部４ａ１及び４ａ２が形成されている。

切欠凹部５の一方の内側面５ａ１に形成された開口部４ａ１と、光ファイバ１の端面１ｄに形成された開口部４ａ３との間において、空孔４ａは、内部を流体が通過することができるように、ファイバ軸方向に連続している。切欠凹部５の他方の内側面５ａ２に形成された開口部４ａ２は、流体が侵入しないように樹脂等の封入により閉鎖されることが望ましい。

次に、導電性高分子及びその単量体を含有する組成物１０を圧力注入法により、空孔を有する光ファイバ１から培養液中に放出するための治具及び方法について説明する。

図２に、組成物の吐出又は紫外線の照射を行う装置の一実施形態を模式的に示す。図２に示す装置は、紫外線照射装置の機能を兼ね備える組成物吐出装置である。組成物吐出装置の機能を実現するため、光ファイバ１の空孔４ａには、注入用治具８を介して加圧注入装置９が接続されている。また、紫外線照射装置の機能を実現するため、光ファイバ１の端面１ｃには、紫外線７を光ファイバ１に入射するための光源６が接続されている。

注入用治具８は、光ファイバ１の外周面１ａに形成された切欠凹部５（図１参照）の近傍に装着される装着部８ａと、加圧注入装置９に連結可能な連結部８ｂとを有する。注入用治具８は、光ファイバ１に対して切欠凹部５を覆うように設置されている。
加圧注入装置９としては、例えばシリンジポンプ、チューブポンプ、ダイヤフラムポンプ、プランジャーポンプ、ギアポンプ等が挙げられる。

光ファイバ１は、導電性高分子及びその単量体を含有する組成物１０を圧力注入法により開口部４ａ１から空孔４ａに導入すると、組成物１０を端面１ｄから吐出させることが可能である。このため、光ファイバ１は、生体組織に対して組成物１０を局所的に投与するガラス微小管やカテーテル（薬液投与器具）としての使用が可能である。この場合には、切欠凹部５は組成物１０の供給口となり、空孔４ａは組成物１０の供給路となる。

また、光ファイバ１は、一方の端面１ｃ側から紫外線７をコア３に入射させると、紫外線７を他方の端面１ｄから出射させることが可能である。このため、光ファイバ１は、生体組織に対して紫外線７を局所的に照射するライトガイドとしての使用が可能である。この場合には、光源６から照射された紫外線７は、レンズ等を用いた空間カップリングあるいは光ファイバコネクタ等を用いたバットカップリング（突き合わせ接続）を介して光ファイバ１のコア３に入射される。

本実施形態の装置は、ファイバ軸方向に沿う空孔を有する光ファイバ１を用いて、空孔４ａを組成物１０の供給路とし、コア３を紫外線７のガイドとしている。これにより、組成物吐出装置の機能と、紫外線照射装置の機能とを兼ね備えており、組成物１０の放出と紫外線７の照射を独立して行うことができる。
空孔４ａに組成物１０を供給する導入部が、光ファイバ１の外周面１ａに形成された切欠凹部５により構成されているので、空孔４ａの端面１ｃ側から組成物１０を注入する必要がない。これにより、光ファイバ１の端面１ｃに紫外線７を入射させるための光学的結合（カップリング）が容易になる。

（第１実施形態）
次に、培養液１６中で局所的に導電性高分子及びその単量体を含む組成物１０を吐出し、電極１１上で導電性高分子を電気化学重合する方法について説明する。

導電性高分子としては、例えばポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（スチレンスルホン酸）（以下、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳという。）等のポリチオフェン系高分子が挙げられる。また、導電性高分子の単量体としては、３，４−エチレンジオキシチオフェン（以下、ＥＤＯＴという。）等のチオフェン系単量体が挙げられる。

組成物１０は、導電性高分子及びその単量体の混合物（混合液）でもよく、導電性高分子及びその単量体以外の成分（例えば添加物等）を含んでもよい。組成物１０の性状は、培養液１６等の液中で局所的に放出可能であれば特に限定されないが、液状等の流動状が好ましく、例えば、無溶媒混合物、溶液、分散液等が挙げられる。

図３に、微小管として、空孔を有する光ファイバ１を用いて、組成物１０を培養液１６中に吐出した後、組成物１０に含まれる導電性高分子及びその単量体の電気化学重合により、導電性高分子からなる電極を形成する工程の概要を示す。

培養液１６は、培養皿等の容器１５中に収容されている。培養液１６中（例えば容器１５の底部）に配置された電極１１の直上に、光ファイバ１の端面１ｄが配置されている。培養液１６で電極１１の近傍には電極１４が設置されている。電極１４としては、例えば白金電極が挙げられる。電極１１及び１４は、それぞれ電線１３により電源１２と接続されている。電極１１及び１４の一方が作用極、他方が対極となり、電極１１及び１４の間に通電が可能となる。

図３の光ファイバ１の上部は図示が省略されているが、図２と同様に、光源６、注入用治具８及び加圧注入装置９を設けることができる。
組成物１０は、電極１１の直上に設置された光ファイバ１の空孔４ａから培養液１６中に放出される。組成物１０の放出量は、加圧注入装置９により調節可能であり、例えば０．１〜５．０μＬ／分程度であることが望ましい。

組成物１０の放出後には、電極１１及び１４の間に電流を流すことにより、電極１１上に堆積した組成物１０に含まれる導電性高分子及びその単量体の電気化学重合を行う。ＥＤＯＴの電気化学重合により、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（以下、ＰＥＤＯＴという。）が生成し、ＰＥＤＯＴがＰＥＤＯＴ：ＰＳＳと共に導電性高分子からなる電極（以下、導電性高分子電極という。）を構成することができる。これにより、電極１１を局所的に導電性高分子電極で修飾することができる。導電性高分子電極を形成する際に、培養液１６を導電性高分子及びその単量体の混合液に置換するのではなく、培養液１６中に開口部が配置された微小管から、導電性高分子及びその単量体の混合液を電極１１の近傍に少量放出するので、生体組織に対するダメージを抑えることが可能となる。

図３においては、光ファイバ１と電極１４との両方が培養液１６中に配置された様子を示しているが、組成物１０を吐出する際には、電極１４が培養液１６外にあってもよい。また、組成物１０の電気化学重合を行う際には、光ファイバ１が培養液１６外にあってもよい。同一の電極１１上で、組成物１０の吐出と電気化学重合とを複数回繰り返してもよい。電極１１上には、特に図示しないが、生体組織（例えば神経細胞）が配置されていてもよい。この場合、生体組織の周囲や近傍等に、導電性高分子電極を形成してもよい。本実施形態によれば、電極１１上に神経細胞が培養された状態でも導電性高分子電極の形成が可能となり、導電性高分子電極の形成、剥離または損傷した導電性高分子電極の修復が実現できる。

（第２実施形態）
次に、電極１１上に形成された導電性高分子電極１７の機械的強度を増す方法について、図４を用いて説明する。

電極１１上に導電性高分子電極１７を形成する方法は、光ファイバ１から吐出する組成物１０として、導電性高分子及びその単量体と、紫外線硬化型樹脂とを含有する組成物を用いる以外は、第１実施形態（図３参照）と同様に実施することができる。培養液等の水溶液中で用いる紫外線硬化型樹脂としては、水分散型紫外線硬化型樹脂が好ましい。

まず、図３に示すように、導電性高分子及びその単量体と、紫外線硬化型樹脂とを含む組成物１０を、電極１１の直上に設置された光ファイバ１中の空孔４ａから培養液１６中で局所的に放出する。組成物１０の放出量は加圧注入装置９により調節可能であり、０．１〜５．０μＬ／分程度であることが望ましい。

その次に、電極１１上で導電性高分子を電気化学重合する。第２実施形態においては、組成物１０が紫外線硬化型樹脂を含むことにより、電極１１上に形成される導電性高分子電極１７（図４参照）も、紫外線硬化型樹脂を含むものとなる。紫外線硬化型樹脂としては、アクリル系樹脂（アクリレート等）、変性アクリル系樹脂、ウレタンアクリレート、エポキシアクリレート、エポキシ樹脂等が挙げられる。

その次に、図２に示す光源６から光ファイバ１のコア３に入射された紫外線７を、図４のように培養液１６中で導電性高分子電極１７に照射することにより、紫外線硬化型樹脂を重合硬化させる。本実施形態によれば、第１実施形態による効果に加えて、重合硬化した紫外線硬化型樹脂により、ゲル状の導電性高分子の機械的強度を増すことができる。光ファイバ１を用いて紫外線７を局所的に照射することにより、紫外線７が周囲に漏洩しないので、電極の周囲に生体組織等があっても、紫外線７による影響を抑制できる。

図５に、本手法により導電性高分子を多点電極上で電気化学重合し、紫外線を照射した実施例を示す。図５の矢印先端部は導電性高分子電極１７で修飾された電極１１である。局所的に導電性高分子により電極を修飾していることがわかる。本実施例において、容器１５中に収容された培養液１６の量は３ｍＬであり、光ファイバ１中の空孔４ａから培養液１６中に放出された組成物１０の量は１μＬである。

従来手法のように、３ｍＬの培養液を３ｍＬの導電性高分子及びその単量体の混合液で全部置換した場合と比較して、実施例における導電性高分子及びその単量体を含む組成物１０の使用量は約０．０３％となり、生体組織へのダメージを大幅に抑えることが可能となる。水分散型紫外線硬化型樹脂が、あらかじめ導電性高分子及びその単量体の混合液に添加されているので、電極１１上に局所的に形成された導電性高分子電極１７の各部分に、一定量の水分散型紫外線硬化型樹脂を分布させることができる。光ファイバ１を用いて紫外線７を局所的に照射して水分散型紫外線硬化型樹脂を硬化させることにより、導電性高分子電極１７の機械的強度を増すことができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態を説明してきたが、上記の実施形態は本発明の例示に過ぎず、本発明が上記の実施形態に限定されるものではないことは明らかである。したがって、本発明の技術思想及び範囲を逸脱しない範囲で、構成要素の追加、省略、置換、その他の変更を行っても良い。

導電性高分子としては、ポリチオフェン系高分子に限らず、ポリピロール系高分子、ポリフェニレン系高分子、ポリアニリン系高分子等の共役系高分子が挙げられる。

ポリピロール系高分子の単量体としては、例えば、ピロール等のピロール系単量体が挙げられる。ポリフェニレン系高分子の単量体としては、例えば、ベンゼン等のフェニレン系単量体が挙げられる。ポリアニリン系高分子の単量体としては、例えば、アニリン等のアニリン系単量体が挙げられる。これら以外にも、アズレン、ピレン等の芳香族化合物、フラン等の複素環化合物等が、導電性高分子の単量体として例示できる。

導電性高分子は、強酸、ヨウ素等のドーパント剤を含んでもよい。強酸としては、ポリ（スチレンスルホン酸）、ベンゼンスルホン酸、トルエンスルホン酸、これらの塩類等のスルホン酸誘導体が挙げられる。

液中に局所的に電極を形成する際、電極の周囲媒体である液は、培養液等、水を主溶媒とする水系の溶液や分散液に限らず、アルコール類、電解質溶液等の有機溶媒を含む溶液や分散液等であってもよい。

導電性高分子電極が形成される箇所は、生体組織、細胞等に限らず、非生体組織（死体組織等）、菌類、細菌類、人工構造物等であってもよい。
微小管としては、空孔を有する光ファイバに限らず、例えばシリンジ針、キャピラリー等が挙げられる。その外径としては、例えば数ｍｍ以下、１ｍｍ程度でもよい。

１…空孔を有する光ファイバ（微小管）、１ａ…外周面、１ｂ…軸、１ｃ，１ｄ…端面、２…クラッド、３…コア、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ…空孔、４ａ１，４ａ２，４ａ３…開口部、５…切欠凹部、５ａ１，５ａ２…内側面、６…光源、７…紫外線、８…注入用治具、８ａ…装着部、８ｂ…連結部、９…加圧注入装置、１０…組成物、１１，１４…電極、１２…電源、１３…電線、１５…容器、１６…培養液、１７…導電性高分子電極。

Claims (8)

1. 液中に導電性高分子からなる電極を局所的に形成する電極形成方法であって、
   空孔を有する微小管により、導電性高分子及びその単量体を含有する組成物を、液中の前記導電性高分子からなる電極が形成される箇所に局所的に吐出する工程と、
   前記組成物の電気化学重合により、前記導電性高分子からなる電極を形成する工程と、
   を有することを特徴とする電極形成方法。
2. 液中に配置された電極上に、空孔を有する微小管により、導電性高分子及びその単量体を含有する組成物を、液中に局所的に吐出する工程と、
   前記組成物の電気化学重合により、導電性高分子からなる電極を形成する工程と、
   を有することを特徴とする電極形成方法。
3. 前記微小管が、前記空孔を有する光ファイバから構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電極形成方法。
4. 前記組成物が紫外線硬化型樹脂を含有し、前記導電性高分子からなる電極を形成する工程の後に、紫外線を前記導電性高分子からなる電極上に照射して、前記紫外線硬化型樹脂を硬化させる工程を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電極形成方法。
5. 光ファイバのコアを通して前記紫外線を前記導電性高分子からなる電極上に照射することを特徴とする請求項４に記載の電極形成方法。
6. 液中に導電性高分子からなる電極を局所的に形成する電極形成装置であって、
   導電性高分子及びその単量体を含有する組成物を、液中の前記導電性高分子からなる電極が形成される箇所に局所的に吐出するように構成された、空孔を有する微小管と、
   前記組成物の電気化学重合により、前記導電性高分子からなる電極を形成するように構成された、前記液中に配置される電極と、
   を有することを特徴とする電極形成装置。
7. 導電性高分子及びその単量体を含有する組成物の電気化学重合により、導電性高分子からなる電極を形成するように構成された、液中に配置される電極と、
   前記液中に配置される電極上に、前記組成物を、液中に局所的に吐出するように構成された、空孔を有する微小管と、
   を有することを特徴とする電極形成装置。
8. 前記微小管が、前記空孔を有する光ファイバから構成されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の電極形成装置。