JPH0216134B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は生体成分を測定するための金属電極に
関し、更に詳しくは金属電極とこれを覆う絶縁被
覆層の間の剥離の少ない金属電極に関する。

［従来の技術］ 従来より血液や組織中の生体成分を電極を用い
て電気的に測定する方法が知られている。中でも
例えば酸素ガス成分、各種イオン等を測定する方
法、特に成分の濃度変化を連続的に測定する方法
としてポーラログラフイの原理を応用した測定方
法が広く用いられてきた。血液や組織中の生体成
分としては種々の成分が電極を用いて測定されて
いるが、本発明では酸素分圧の測定を例にとり説
明する。ポーラグラフイの原理を応用した測定方
法としては、金、白金、銀等の貴金属製電極と銀
−塩化銀等による不関電極を用い、両電極間に微
小電圧を印加して関電極（隠極）表面で酸素の還
元を行ない、この際生ずる還元電流を測定するこ
とにより液中の酸素ガス濃度を測定するものであ
る。

一方、生体中の酸素ガス濃度（酸素分圧）が生
体に及ぼす影響は重大であり、特に新生児、麻酔
科、心臓外科、脳外科、消化器外科等において酸
素分圧の推移を正確に連続してとらえることの重
要性が認識されるにともない血管中あるいは組織
の測定したい部位における酸素分圧変化を測定し
たいという要望が強くなつている。

しかるに、上記測定法は隠極表面と液中との酸
素濃度勾配に基づく拡散電流を基本としている
が、生体は心筋の動き、血液の脈動等たえず運動
しており、これによつて拡散電流は大きく影響さ
れ微小な酸素分圧を正確に測定することは困難で
あつた。この欠点を改良するため種々の検討が行
なわれ、関、不関電極及び電解液を酸素透過性の
膜中に内蔵したいわゆる複合電極あるいは関電極
表面をポリヒドロキシエチルメタクリレート、セ
ロフアン等の親水性水膨潤膜で被覆し、分子間に
とりこまれた水を通して酸素の電極表面への移動
を行なわしめる方法等が提案され、一部実用に供
されている。しかし、前者は電極形態が大きく、
そのため特定の部位例えば太い血管中にしか挿入
できず、後者は水膨潤膜の保持状態で変ると測定
感度が変化するため充分な測定精度が得られない
という問題があり、又、乾燥するともろくなり膜
の破損が生じ易いという問題があり、改良が要望
されている。

本発明者等はこのような現状に鑑み、生体組
織、血管中の全てにわたる部位に挿入でき、組織
あるいは血液の動きに影響されることなく連続的
にしかも安定して正確に酸素分圧を測定できる生
体用電極として金属線電極表面を多孔質膜で被覆
した生体用電極を提案した（特願昭56−2828号）。

［発明が解決しようとする問題点］ この生体用電極は生体組織、血管中の全てにわ
たる部位に挿入でき、組織あるいは血液の動きに
影響されることなく連続的に安定して酸素分圧を
測定できる点では優れているものの、数多くの電
極を同じような条件で製造しても応々にして出力
値にばらつきがあり、このような問題のない生体
用電極が要望されていた。

本発明者等は上記状況の原因について鋭意検討
の結果、金属電極の金属線と、該金属線の周囲に
設けた絶縁被覆層との剥離が生じ、これにより有
効電極表面積が各々の電極で異なることが主因で
あることを見出した。このような剥離は個々の電
極間の出力のばらつきのみでなく、長時間連続測
定している時にここから剥離がさらに進んで出力
値や異常に変動するような原因にもなり得、更
に、使用時初期に出力値が安定になるまでのいわ
ゆる安定化時間も長くなり、使い易く、かつ、高
精度の測定用電極を得るためには解決しておかね
ばならない問題である。又、金属電極と絶縁被覆
層との間の剥離はポーラログラフイ法に限らず、
どのような電極においても問題となるものであ
り、本願発明がポーラログラフイ法用電極に限定
されないことは明らかである。

［問題点を解決するための手段］ 即ち、本発明の要旨は少なくとも多孔質膜で覆
われる部分の近傍において貴金属線の周囲に遷移
金属からなる層を設け、さらにその外側に絶縁被
覆層を設けた金属線からなる金属電極であつて該
絶縁被覆層の遷移金属層に接する部分の少なくと
も一部が三次元架橋されたエポキシ樹脂からなる
金属電極の先端及び／又は側面の一部が遷移金属
層と絶縁被覆層のかわりに直接多孔質膜で覆われ
てなる生体用電極にある。

本発明において貴金属とは金、銀、白金属元素
等の金属をいい、生体用電極として体内に挿入し
た時の侵襲を考慮する該金属線の直径は細い方が
好ましく、作業性等を考慮すると直径が20〜
500μmであることが好ましく、50〜300μmである
ことがより好ましい。遷移金属とは原子番号21
（スカンジウム）から原子番号30（亜鉛）までに含
まれる金属を指す。ここで用いる遷移金属は１種
類であつても２種類以上であつてもよく、複数種
の遷移金属が多層構造をとつていてもよい。該遷
移金属層の厚みはできるだけ薄い方が電極性能の
面、特に測定初期の安定性等の面からみて好まし
く、貴金属線の直径の10％以下の厚みになるよう
にすることが好ましく、均一な厚みになつている
ことが好ましい。但し、上記10％の範囲を越えな
ければ遷移金属層は必ずしも全面に形成されてい
る必要はなく、特に膜近傍での剥離を生じないよ
うな程度充分に存在していればこれ以外の部分で
は必ずしも存在している必要はない。このように
必要な部分に遷移金属層を設ける方法としては電
解メツキ、無電解メツキ、スパツタリング等通常
金属層を形成させる方法を採用することができ
る。

絶縁被覆層の材質としてはポリウレタン、ポリ
エステル、ポリアミド、エポキシ樹脂等通常金属
線の被覆に用いられる高分子化合物が用いられる
が、遷移金属との接着性が最も良好であり、且
つ、高圧蒸気滅菌等の湿熱に対して最も安定な高
分子化合物として三次元架橋されたエポキシ樹脂
を挙げることができる。該三次元架橋されたエポ
キシ樹脂としては例えばビスフエノールＡ型エポ
キシ樹脂とフエノール樹脂及び／又はメラミン樹
脂とからなる配合物の加熱硬化された樹脂等を挙
げることができる。この絶縁被覆層としては三次
元架橋されたエポキシ樹脂単独であつてもよい
が、多層構造をとつていてもよい。該絶縁被覆層
の最外層はポリウレタンであることが該金属線の
屈曲等による絶縁破壊を防止する点で好ましい。
該三次元架橋されたエポキシ樹脂は必ずしも絶縁
被覆層の遷移金属層に接する部分全てに形成され
ている必要はなく、多孔質膜近傍での剥離を生じ
ないような程度充分に存在していればよい。この
ように必要な部分に三次元架橋されたエポキシ樹
脂を形成させる方法としては外側に遷移金属層を
設けた貴金属線に浸漬、吹き付け等通常の方法で
エポキシ樹脂を付着させて加熱硬化する方法をと
ることができる。

該絶縁被覆層の厚みは電気的絶縁状態を保つこ
とができ、かつ、使用時の外的な力、例えば屈曲
等がかかつても絶縁状態を維持できる程度の厚み
があればよく、又、厚すぎると電極が不必要に太
くなるため５〜30μmの厚みであることが好まし
い。多層構造の場合のエポキシ樹脂層の厚みは
5μm以上あることが好ましい。

本発明の生体用電極は金属電極の先端及び／又
は側面の一部が遷移金属層及び絶縁被覆層のかわ
りに多孔質膜で覆われていることが必要であり、
この部分が電極の有効電極表面積に直接関係す
る。金属電極の先端及び／又は側面の一部を遷移
金属層及び絶縁被覆層のかわりに多孔質膜で覆う
方法としては例えば周囲に遷移金属層を設け、さ
らにその外側に絶縁被覆層を設けた白金線を長さ
方向に直角に切断して生じる白金面及びその周囲
にある遷移金属層の面、あるいはさらにその近傍
の絶縁被覆層を剥して金属が露出した部分を多孔
質膜で覆えばよい。これらの露出した金属面が有
効電極面となる。

本発明において多孔質膜は少なくとも0.7μm以
下の平均孔径の微細孔が外面から金属に接する面
にかけて貴通しているものであり、0.7μm以下の
平均孔径の微細孔を有する緻密層を最外層に有
し、該最外層に連続して最外層の孔径に等しい
か、それ以上の孔径を有する内層とからなる多孔
質膜であることが好ましい。このような多孔質膜
で覆われた電極は血液や組織中に挿入された場
合、電極表面に多孔質膜で保護されて安定した水
膜層を形成し、酸素ガスは最外層の孔を通過した
後この水膜層を経て速やかに電極表面に達する。
最外層の平均孔径が0.7μmより大きくなると血液
中の高分子量物や固形成分が孔を通過したり孔を
塞ぐ可能性があり、これにより酸素ガスの透過を
阻害して電極の性能を低下せしめる可能性があ
る。この観点から平均孔径は0.5μm以下であるこ
とがより好ましい。多孔質膜の厚みは電極を挿入
する部位により異なるが、要請される物理的強度
及び多孔質膜内で形成される安定した水膜層に必
要な厚み等から決定されるが大略５〜200μmであ
ることが好ましく、20〜100μmであることがより
好ましい。多孔質膜の空孔率は大きいほど電極感
度の点で好ましいが、膜の物理的強度とのからみ
で適宜定めればよい。多孔質膜の材質としてはど
のようなものも用い得るが、水中に浸漬した時に
過度に膨潤しないものであることが好ましい。こ
のような素材の例としてセルロースアセテート、
セルロース、ポリウレタン等を挙げることができ
る。これらの中ではポリウレタンが膜強度等の点
で好ましい。ポリウレタンとしてはポリエステル
型でもポリエーテル型でもよいが、ポリウレタン
を均質フイルムにした時そのフイルムの100％モ
ジユラスが10Kg／cm²以上であるものが多孔質膜の
安定性の点で好ましい。

多孔質膜を形成させる方法としては多孔質膜を
形成させる高分子化合物を適当な溶媒に溶解して
なる溶液を前述の金属電極の金属が露出した面全
体に付着させた後、空気中あるいは溶媒と相溶す
る該高分子化合物の非溶媒中で脱溶媒して該高分
子化合物を凝固させる方法をとることができ、孔
径の調整は溶液組成、濃度、例えば凝固浴組成等
による脱溶媒速度の調整、あるいは溶液への塩類
や界面活性剤等の第３成分の添加等により行なう
ことができる。該溶液を金属面に付着させる方法
としては浸漬、塗布、吹付け等種々の方法を採用
することができる。

上記多孔質膜は前述した露出金属面を直接被覆
するものであるが該多孔質膜のずれや脱落を防止
する意味から近傍の絶縁被覆層をも一部被覆して
いることが好ましい。ここにいう近傍とは絶縁被
覆部と金属露出部の境界から0.5mm〜１mm以内の
部分をいう。膜と絶縁被覆層の接着性の観点から
多孔質膜と絶縁被覆最外層の両者がポリウレタン
であることが好ましい。

［実施例］ 以下に実施例を用いて本発明をさらに詳しく説
明する。

実施例 １ 直径100μmの白金線の周囲に厚みが約0.05μm
になるようにニツケルを電解メツキにより被覆し
た。次いでその外側に厚さが10μmになるように
エポキシフエノール樹脂（Ｂ内面ニス、大日本イ
ンキ化学社製）を塗布、330℃の焼付けを繰り返
し実施し、次いでポリウレタン樹脂（東特塗料社
製ポリエステル型ポリウレタン）を塗装、300℃
の焼付けを繰り返し5μmの厚さになるようにして
合計15μmの絶縁被覆層を形成させた。この金属
線を長さ30cmになるように鋭利な刃物で長さ方向
に直角に切断し、新しい白金断面を露出させた。

一方ポリエステル型ポリウレタン（ニツポラン
5109、商品名、日本ポリウレタン社製）を固形分
濃度20％になるようにジメチルホルムアミドに溶
解して均一な溶液を準備し、上記金属線を該ポリ
ウレタン溶液に切断面から約５mmの長さまで浸漬
し、次いで室温のイオン交換水中に浸漬し、脱溶
媒させ、再び上記ポリウレタン溶液に該先端部分
のみを接触させてポリウレタン溶液を付着させた
後室温のイオン交換水中に浸漬し脱溶媒を完全に
行なつた。この電極のポリウレタン多孔質膜の表
面及び断面、該金属線の断面を走査型電子顕微鏡
及びＸ線マイクロアナライザーで分析した結果、
多孔質膜の最外層には平均0.3μmの孔が均一に分
散してあいており、内層にいくにつれて大きな孔
径があり、膜の外面から金属面に接触する面にわ
たつて孔が貫通している多孔質膜が形成されてお
り、膜厚は25μmであつた。又、多孔質膜と絶縁
被覆層とはよく接着しており、絶縁被覆層と白金
との間にはニツケル層が介在しておりこれらの間
には剥離は認められなかつた。

このようにして得られた電極のポリウレタン多
孔質膜で被覆されていない側の端の絶縁被覆層を
約２mm剥し酸素分圧測定装置につないで関電極と
して用い、銀−塩化銀電極として用いた。

ガス交換部、加熱部を有する循環装置を用い
て、生理食塩水を37℃、100ml／minで循環させ、
該循環系に上記両電極の先端を挿入した。次いで
空気をガス交換部に流入し、生理食塩水が常時空
気で飽和されている状態にした後、測定を開始し
た。測定値は液の流れによる影響がなく、一定値
を示した。飽和空気による電流値を酸素分圧150
mmHgと読みかえた後、空気の代りに窒素ガスを
該循環系のガス交換部に流入すると同時に該電極
による測定値は150mmHgに相当する電流値から直
線的に低下し、ほぼ酸素分圧０mmHgに相当する
ところで安定値に達した。この値を０mmHgとし
て検量線を求めた。次いで、酸素ガスと窒素ガス
の比率を適当に選択した種々の気体を各々該循環
系のガス交換部に流入させて各々の値を求めたと
ころ、先に求めた検量線にほぼ一致し、精度の高
い酸素分圧測定が可能であつた。又、生理食塩水
を空気で飽和されている状態にして100時間の連
続測定を行なつた結果、出力値に変動はなく、測
定期間中安定した出力値を示していた。

上記に示したほぼ同一の条件で作成した電極の
安定化時間は遷移金属層を設けていないものに比
べ大幅に、又、絶縁被覆層の最内部にエポキシ樹
脂層を設けていないものに比べても短縮され、電
極の挿入印加から10分前後で測定可能であつた。
又、同じ電極を用いて繰り返し測定した時の電解
電流値の再現性も大幅に向上した。

実施例 ２ 実施例１と同様にして作成したポリウレタン多
孔質膜被覆白金電極を犬の心筋及び頚動脈に直接
挿入し、心筋の酸素分圧の測定を行なつた結果、
心筋の激しい動き、血液の流れによる影響を全く
受けず、安定した値が得られた。又、吸入ガスの
酸素濃度変化に対し応答が極めて速く、頚動脈に
挿入した電極の酸素分圧値は採血して測定した血
液ガス分析による酸素分圧測定とよい対応を示し
た。又、冠動脈の結さく−解除による心臓の変化
に対応して速やかに応答し、解除とともに元のレ
ベルに戻つた。又、８時間の連続計測中、酸素分
圧値が異常に変化することなく安定した計測がで
き、測定後電極を引き抜き観察したところ、血栓
や蛋白質の付着は認められなかつた。

実施例 ３ 直径150μmの白金線の周囲に厚みが約0.5μmに
なるように銅を電解メツキにより被覆した。次い
でその外側に厚さが10μmになるようにエポキシ
フエノールムラミン樹脂（大日本インキ化学社
製）を塗布、330℃の焼付けを繰り返し実施し、
次いでポリウレタン樹脂（東特塗料社製ポリエス
テル型ポリウレタン）を塗装、300℃の焼付けを
繰り返し6μmの厚さになるようにして合計16μm
の絶縁被覆層を形成させた。この金属線を長さ20
cmになるように鋭利な刃物で長さ方向に直角に切
断し、新しい白金断面を露出させた。一方ポリエ
ーテル型ポリウレタン（クリスボン1846、商品
名、大日本インキ化学社製）を固形分濃度20％に
なるようにジメチルホルムアミドに溶解して均一
なポリウレタン溶液を作成した。この溶液を用い
て実施例１と同様にして金属線の先端にポリウレ
タンの多孔質膜を形成させた。

このポリウレタン多孔質膜被覆電極を走査型電
子顕微鏡で観察した結果、多孔質膜の最外層には
平均0.5μmの孔が均一に分散してあいており、内
層にいくにつれて大きな孔径の孔があり、膜の外
面から金属面に接触する面にわたつて孔が貫通し
ている多孔質膜が形成されていた。又、多孔質膜
と絶縁被覆層とはよく接着しており、ポリウレタ
ン絶縁被覆層と白金との間には厚さ1.6μmの銅層
が介在しておりこれらの間に剥離は認められなか
つた。

この電極を用いて実施例１と同様にして酸素分
圧を測定した結果、安定化時間も短く、酸素分圧
変動に伴なう出力変化の応答性に優れ、100時間
の連続測定でも出力値における変動が極く小さ
く、優れた電極であることがわかつた。

［発明の効果］ 本発明の電極は貴金属と絶縁被覆層との間の剥
離がなく、又膜が多孔質膜であるため水膨潤性膜
を被覆した電極に比べ物理的強度に優れ生体への
挿入、抜去時にも膜の損傷もなく、性能のばらつ
きも少なく、安定化時間も従来のものに比べて短
く、応答が速く、精度が高く、長時間測定を続け
ても出力変化が小さく、信頼性に優れた電極であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも多孔質膜で覆われる部分の近傍に
   おいて貴金属線の周囲に遷移金属からなる層を設
   け、さらにその外側に絶縁被覆層を設けた金属線
   からなる金属電極であつて該絶縁被覆層の遷移金
   属層に接する部分の少なくとも一部が三次元架橋
   されたエポキシ樹脂からなる金属電極の先端及
   び／又は側面の一部が遷移金属層と絶縁被覆層の
   かわりに直接多孔質膜で覆われてなる生体用電
   極。 ２ 絶縁被覆層の最外層がポリウレタンであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の生体
   用電極。 ３ 多孔質膜がポリウレタンからなることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の生
   体用電極。