JP6686244B2 - 電極素子及び電極の生産方法、並びに、当該電極を用いる測定システムの作製 - Google Patents
電極素子及び電極の生産方法、並びに、当該電極を用いる測定システムの作製 Download PDFInfo
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Description
[A]−1: pTS−EDOT混合液
上述したようにpTS−EDOT混合液は、pTS溶液とEDOTの混合液である。
pTS溶液は、pTS(p-toluenesulfonate)と酸化成分を含有する有機溶媒性溶液である。
EDOTは、上記のように3,4−エチレンジオキシチオフェンとして公知であり、市販もなされている。常温で液体で水溶性であり、適宜水等の水性溶媒に希釈して用いることも可能である。
上記のpTS溶液にバインダーを含有させることができる。上述したように、バインダーを含有させることによりpTS−EDOT混合液に重合促進処理を同期して施すタイミングを遅らせることができる。しかしながら、基材へのPEDOT−pTSの付着は含浸よりも、このバインダー自体の接着力による表面的な付着の要素が大きくなる。
上記のpTS溶液に、pTS−EDOT混合液の基材への付着性と、出来上がった本発明の電極素子の導電性を損なわない等、本発明の効果を量的又は質的に損なわない限り、他の成分を必要に応じて配合することができる。
pTS−EDOT混合液は、pTS溶液とEDOTを混合して得られる混合液であり、上記混合によりPEDOT−pTSへの重合反応が即座に開始する。
上述したように重合促進処理は、pTS−EDOT混合液におけるPEDOT−pTSへの重合反応を促進する処理から選ばれる1種若しくは2種以上であれば特に限定されず、例えば、加熱処理等が挙げられる。加熱処理としては、(a)該当部分における50〜90℃の放熱体の直接的若しくは間接的な接触、又は、(b)該当部分が50〜90℃になるように設定された熱風との接触、等が挙げられる。「該当部分」とは、具体的には基材上においてpTS−EDOT混合液を接触させた部分のことを意味する。
(a)該当部分における50〜90℃の放熱体の直接的若しくは間接的な接触は、(i)直接的な接触は放熱体の接触から、(ii)間接的な接触は、基材のpTS−PEDOT混合液付着部分の付着前の加熱時間を除いて、それぞれ3〜10分間の加熱時間が好適であり、特に好適には3〜6分間であり、最も好適には4〜6分間である。この好適時間以外の加熱時間であると、電極素子の電気抵抗の値を想定条件以内とすることが困難となる。ただし、上述したように、意図的に電気抵抗値を上げたい場合にはこの限りではない。
本発明の生産方法に用いられる基材は、セリシン又はフィブロインが含まれている限り限定されるものではなく、これらのタンパク質を本来的に含む絹であっても、事後的にこれらのタンパク質を付加したものであってもよい。
本発明の生産方法では、pTS−EDOT混合液の基材への接触に同期させて、上述した重合促進処理を行う「同期処理」を行う。
上述したように、本発明の電極は、本発明の生産方法により得られた電極素子(本発明の電極素子)を用いてなることを特徴とする、電極である。「用いてなる」とは、本発明の電極素子を、電極の全部又は一部として用いていることを意味するものである。また、本発明の電極は、本発明の生産方法により電極素子を生産し、次いで、当該電極素子を用いて電極を生産することを特徴とする、電極の生産方法により生産することができる。
以下、本発明の電極を生体電極(本発明の生体電極)として用いる場合の態様を示す。
表面用電極は、容積伝導により伝わって来る活動電位や脳波を皮膚の上や、直接筋肉や脳、その他の臓器の表面(以下、これらの表面を「体組織表面」ともいう)から電極の穿刺を伴わずに導出する電極であり、筋腹や頭部に貼り付けて使用する生体電極である。これを誘発電位導出用や治療用の刺激電極とすることもできる。
穿刺用電極は、文字通りに生体内に電極素子を穿刺により接触させて所望の生体シグナルを導出する電極である。これを誘発電位導出用や治療用の刺激電極とすることもできる。この態様の生体電極素子の生体組織との接触可能表面積は、好適には0.0004〜0.02cm2であり、特に好適には0.0004〜0.002cm2である。これは従来に比べて非常に小さい表面積であるが、同時に良好な導電特性ゆえに優れた生体電極機能を発揮することができる。
本発明の電極を針電極として用いる場合には、原則として硬質の線状の素材、例えば硬質絹糸を基材として用いることができる。硬質の絹糸は、精練によるセリシンの除去を行わずに提供されているものであり、これに対して上述した生産工程を経て、PEDOT−pTSの付着を行うことにより、針金に近い硬度の、線状の電極素子とすることができる。このような本発明の針電極素子に、基本的な構成を公知の手段により付加することにより、本発明の針電極を生産することができる。電極素子の硬度がこの程度であれば、皮膚の柔らかい部分であれば生体外部から体内に穿刺することが十分に可能である。また、手術等を行いながらターゲット器官に直接刺し入れることも可能である。この針電極の直接刺し入れのターゲット器官としては、例えば、脳が挙げられるが、これに限定されるものではない。脳においては、例えば、本発明の針電極に向けて通電を行って、電気刺激をした場合の体の反射を観察することにより、被験者の脳の細かな機能の診断や脳機能の解明を行うことができる。
本発明の電極をワイヤー電極として用いる場合には、電極素子とは別個に当該電極素子を生体内に刺し入れるための補助機構(以下、穿刺補助機構ともいう)が必要である。最も基本的な穿刺補助機構は、長さ方向に両端が開口した貫通孔を伴う中空針である。この中空針の貫通孔に線状の電極素子を通した状態で、皮膚外から穿刺を行い、その後中空針を引き抜くことにより、電極素子のみを生体内に存置することができる。このような本発明のワイヤー電極は、本発明の電極素子に上記補助機構等を公知の手段により付加して、所望の電極を生産することができる。
PEDOT−pTSは水分に接触すると膨潤する特性を有しており、この性質を活用した体内電極の提供も可能である。基本的な考え方は、上記のワイヤー電極と同様である。すなわち、湿潤状態から乾燥状態に向かう際のPEDOT−pTSの収縮に伴う応力によって、当該PEDOT−pTSが付着した電極素子の穿刺補助機構に対する付着を行い、これが体内電極として提供される。当該体内電極の穿刺補助機構を用いて、皮膚外からの穿刺を行うと、経時的に電極素子のPEDOT−pTSに生体内の水分が供給されて膨潤して、電極素子の穿刺補助機構に対する付着状態が解除される。この解除された状態で穿刺補助機構を皮膚から引き抜くことにより、電極素子のみを生体内に残置することができる。
前述した電極素子の生産工程においては、熱処理等の時間を調節することにより、PEDOT−pTSを用いた電極素子における電気抵抗値を調節することができる。すなわち、電極素子において、2以上の異なる導電率の領域を設けることが可能である。これは、上記の電極素子の生産工程を用いた場合の大きな特徴の一つである。通常であれば、電極素子の電気抵抗値は低ければ低いほど好適であるが、例えば、通電を行って発熱を起こして当該熱により患部を焼く等の治療を、本発明の生体内電極を用いて行う場合には、針状の電極素子の先端部側の電気抵抗値を大きくして、残りの部分の電気抵抗値を低くする。そして、穿刺初期には、活動電位や誘発電位の測定を、電圧を印加する場合であっても低電圧で行い、測定・診断後に、低電気抵抗の領域を引き抜き、高電気抵抗の部分のみを残して高電圧を印加することによって、当該電極素子近傍に熱を発生させて、相応の治療効果を提供することが可能である。
本発明の体内電極の一部に、体内に薬液を注入するための注入機構を設けて、筋肉の活動電位や脳波に応じた薬液を体内に供給することが可能である。例えば、薬物輸送のための管を注入機構として設けることが挙げられる。また、薬物輸送手段を電極素子の基材(絹繊維等)の浸透圧移動とすることにより、電極素子と薬物輸送路を一体化することも可能である。薬物としては、例えば、脳電極として本発明の体内電極を用いる場合は、中枢神経の障害を緩和する薬物、例えばGSNO(S-Nitrosoglutathione)等が挙げられる。
本発明の筋電測定システムと脳波測定システムは、電極として本発明の生体電極(表面用電極又は穿刺用電極)を用いることを特徴とするが、筋電測定システムや脳波測定システムとして必要な他の機構を備えている。例えば、電極の他に、増幅部、誘発電位を得るための各種刺激部、解析・記録・加算・校正等を行う解析部、音声や動画等により筋電や脳波の動きを表示する表示部等が必要に応じて備わっている。電気信号の伝達手段は、有線であっても無線であってもよい。本発明の筋電測定システムは、上記の生産方法により電極を生産し、次いで、当該電極を生体に接触させる電極(生体電極)として筋電測定システムに設けることにより生産することができる。この際、上記の他の機構を公知の手段により組合せて付加することにより、所望の構成の筋電測定システムを生産することができる。さらに、本発明の脳波測定システムは、上記の生産方法により電極を生産し、次いで、当該電極を生体に接触させる電極(生体電極)として脳波測定システムに設けることにより生産することができる。この際、上記の他の機構を公知の手段により組合せて付加することにより、所望の構成の脳波測定システムを生産することができる。
本発明の電極素子の基となる基材として、(1)酵素精練(タンパク質分解酵素による精練)がなされた絹糸からなる平織りの絹織物(厚さ0.4mm程度)、(2)6匁羽二重(薄絹布、厚さ0.12mm程度)、(3)ポリエステル布地にセリシンを被覆した布地(アート株式会社(群馬県桐生市)の委託製造、厚さ0.15mm程度)を用いた。
上記の基材として用いる平織りの絹織物(4cm×4cm)に対して、上記のpTS溶液を6.3mlと、EDOT220μlを準備し、これらを混合して30秒以内に、2つの互いに隣接した長方形形状(1cm×2cm)に型抜きがなされたシルクスクリーンを用いて、上記の基材として用いる絹織物の上に当該混合液を転写した。この作業は70℃の加熱雰囲気内において20分間行われた。
本実施例では、上記の熱ヘッドに代えて、900Wのドライヤーの熱風を上記2つの長方形の描画部分の温度が70℃になるように設定して、描画部分の局所の熱風処理を4分間行った。対照として、70℃の加熱雰囲気において描画を行った布状基材を用いた。
本実施例では、マスクを用いて上記の熱風処理を行った。
5cm×5cmの6匁羽二重(薄絹布)(2)上に、ミツロウ(松葉薬品社製)を70〜80℃で溶かして、これを直径3cmのガラスリング上に十分に塗布して、これを当該薄絹布上に押しつけて、略当該リング形状のミツロウ塗布領域を作成した。当該塗布領域のミツロウが十分に固まったことを確認してから、上記のpTS溶液とEDOTの実施例1と同じ容積比の混合液10mlに30秒間浸漬した後、速やかに900Wのドライヤーで表面温度70℃の条件で局所加熱を5分間行い、PEDOT−pTSの重合反応を進行させた。その後、再び70℃で加熱することでミツロウを溶融させて除去し、さらにPEDOT−pTSの洗浄を水洗により行った。その際の状態を示した写真が、図5(a)である。リング形状(一部)のミツロウ塗布領域には黒色のPEDOT−pTSは認められないことが明確に確認される。黒色部分の電気抵抗値を測定したところ、1.2×105Ω/cmと若干高い値であったが、これはミツロウの除去が十分ではなかったことに起因すると考えられる。マスク剤をミツロウに代えて、市販の型糊(田中直染料店)を用いて、使用後に水洗除去を行ったところ、5.0×104Ω/cmと低電気抵抗値であることが確認された。
2cm×5cmの6匁羽二重(薄絹布)の長さ方向全長(5cm)に、幅1cmのメンディングテープを布幅半分に貼り付けて、その上から正麩糊(田中直染料店)の4質量%水溶液を刷毛で十分に塗布し、糊が十分に乾いたことを確認してから、メンディングテープを剥がして、PEDOT−pTS重合領域を露出させた。当該重合領域の上から、上記のpTS溶液とEDOTの実施例1と同じ容積比の混合液2mlを筆で素早く塗布後、30秒間十分浸潤させた後、速やかに900Wのドライヤーで表面温度70℃の条件で局所加熱を5分間行い、PEDOT−pTSの重合反応を進行させた。その後、十分水洗を行って、PEDOT−pTSの洗浄と糊の除去を行った。その際の状態を示した写真が、図5(b)である。明瞭に、正麩糊の塗布領域には黒色のPEDOT−pTSは認められないことがはっきりと確認される。電気抵抗値を測定したところ、7.0×104Ω/cmと若干高い値であったが、これは正麩糊が僅かに残存していたことに起因すると考えられる。
加熱雰囲気中での抵抗値の時間依存性を検討した。上記した平織りの絹織物(4cm × 4cm)を、上記のpTS溶液とEDOTの、実施例1と同じ容積比の混合液10mlに浸漬して、これを30秒以内に70℃の加熱雰囲気中に載置して、当該浸漬物の経時的に電気抵抗値を測定した(図6)。その結果、雰囲気加熱後20分間で電気抵抗値は最低値となったが、当該最低値は2.0×104 Ω/cmを明白に超えており、この方法では上述した実施例1又は2程には電気抵抗値が下がらないことが明らかになった。
被験者の上腕部に、実施例1と同様の素材と熱ヘッドを用いた方法で作成した、抵抗値1.5x104Ω/cmのリボン状の表面用シルク電極(幅1cm、長さ6cm)3本(図7(a):内、1本が基準電極、残り2本は測定電極)を2cmの間隔で配置し、無線筋電計にそれぞれ接続した時に得られた筋電の時間的変化を示す。測定に際し、シルク電極と皮膚との間には、ジェル等のインピーダンスを低減させるための物質は塗布せず、直接皮膚に接触させた(図7(b))。固定のために電極全体を透明粘着シートでカバーし、皮膚表面に付着させているが、このシートは全体を固定するためであり、個々の電極を表面に粘着させるためではない。電極の皮膚への接触のために特に強い力を要しない。
硬質絹糸に対し、PEDOT−pTSを重合させたシルク電極は、その硬さ故に、脳や筋肉組織へ刺入することができる。本実施例では、3号硬質絹糸(直径0.20〜0.269mm)を基材として用いて、実施例2のドライヤーによる熱処理を用いた方法に準じて作成した硬質線状のシルク電極を、ニワトリ胚(胚齢16〜20日)の頭蓋骨を除去した脳に刺入することで脳神経活動を測定した。図8(a)は、その様子の概略図である。測定に際し、測定電極だけでなく基準電極も同一の穿刺用のシルク電極を用いた。これにより、ガンマ波(図中矢印)を含む脳波(周波数50〜70Hz)を測定することができた(図8(b))。
本実施例では、実施例2のドライヤーによる熱処理を用いた方法で作成した点以外は、実施例5と同じく3号硬質絹糸を基材として作成した穿刺用電極を、ニワトリ大腿筋の筋肉組織に刺入・留置し、動きに伴う筋肉内部の電位変化を測定した。測定に際し、基準となるシルク電極は、皮膚直下の筋肉表面に設置した。図9(a)は、その様子を示す概略図である。
2: 案内ベルト
3: インク機構
4: 熱ヘッド
5: 重合促進処理機構
6: 基材
Claims (17)
- (1)酸化成分とpTS(p-toluenesulfonate)を含有する有機溶媒性溶液と、(2)EDOT(3,4-ethylenedioxythiophene)、の混合液の、絹若しくは絹を主体とする繊維を材料とする基材、又は、セリシンを被覆した繊維基材への接触による付着を、当該(1)と(2)の混合後30秒以内に行い、かつ、当該混合液の基材への接触後1分以内に重合促進処理を当該接触箇所において開始することにより、基材にPEDOT−pTSが付着した電極素子を生産することを特徴とする、電極素子の生産方法であって、さらに当該重合促進処理は、下記(a)及び/又は(b)の局所的な加熱処理であることを特徴とする、電極素子の生産方法。
(a)該当部分における50〜90℃の放熱体の直接的若しくは間接的な接触。
(b)該当部分が50〜90℃になるように設定された熱風との接触。 - 上記生産方法において、局所的な加熱処理(a)及び/又は(b)は、3〜10分間行われることを特徴とする、請求項1に記載の電極素子の生産方法。
- 上記生産方法において、局所的な加熱処理(a)及び/又は(b)は、機械的設定若しくは自動的設定において行われることを特徴とする、請求項1又は2に記載の電極素子の生産方法。
- 上記生産方法において、基材への接触による付着は、滴下、噴霧、又は、転写により行われることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の電極素子の生産方法。
- 上記生産方法において、基材への接触による付着は、機械的設定若しくは自動的設定において行われることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の電極素子の生産方法。
- 上記生産方法において、(1)酸化成分とpTS(p-toluenesulfonate)を含有する有機溶媒性溶液と、(2)EDOT(3,4-ethylenedioxythiophene)の混合液の、基材への接触による付着部分は、基材平面上の一部における描画デザインであることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の電極素子の生産方法。
- 上記生産方法において、(1)酸化成分とpTS(p-toluenesulfonate)を含有する有機溶媒性溶液と、(2)EDOT(3,4-ethylenedioxythiophene)、の混合液の、基材への接触による付着を行う前に、当該付着予定箇所を除く部分に防染糊又はミツロウを塗布した後、少なくとも当該付着予定箇所において上記混合液との接触を行い、さらに重合促進処理を行った後に、上記防染糊又はミツロウを除去することを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載の電極素子の生産方法。
- 上記生産方法において、絹若しくは絹を主体とする繊維を材料とする基材の絹は、セッケン精練、アルカリ精練、セッケン・アルカリ精練、酵素精練、高温・高圧精練、又は、酸精練されていることを特徴とする、請求項1〜7のいずれかに記載の電極素子の生産方法。
- 上記生産方法において、基材上に2以上の異なる導電率の領域を設けることを特徴とする、請求項1〜8のいずれかに記載の電極素子の生産方法。
- 請求項1〜9のいずれかに記載の生産方法により生産されたことを特徴とする、電極素子。
- 請求項1〜9のいずれかに記載の電極素子の生産方法により電極素子を生産し、次いで、当該電極素子を用いて電極を生産することを特徴とする、電極の生産方法。
- 上記電極は、表面又は穿刺用の生体電極であることを特徴とする、請求項11に記載の電極の生産方法。
- 請求項11または12記載の生産方法により生産されたことを特徴とする、電極。
- 請求項11または12記載の生産方法により電極を生産し、次いで、当該電極を生体に接触させる電極として筋電測定システムに設けることを特徴とする、筋電測定システムの生産方法。
- 請求項13に記載の電極を用いてなることを特徴とする、筋電測定システム。
- 請求項11または12に記載の生産方法により電極を生産し、次いで、当該電極を生体に接触させる電極として脳波測定システムに設けることを特徴とする、脳波測定システムの生産方法。
- 請求項13に記載の電極を用いてなることを特徴とする、脳波測定システム。
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