JPH0217172B2 - - 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、そのような金属電極の保
存安定性及び測定の精度を向上せしめるための金
属電極表面の改良に関する。

〔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、以下、本明細書においては酸素分圧
の測定を例にとり説明する。ポーラログラフイの
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−塩化銀等でできた不関電極
を用い、両電極間に微小電圧を印加して関電極
（陰極）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
要性が認織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、上記測定法は陰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アクリレート、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が変ると測定感
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、また、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、従つて、常
時水に浸しておかなければならないという不便が
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〕

上記の多孔質膜で被覆した生体用電極は、生体
組織血管中の全ての部位に挿入でき、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、滅菌前後における酸素還元電流の値にズレが
生じることがあり、また、長時間の保存において
酸素還元電流の値が経時的に変化する場合があ
り、これらの問題のない生体用電極が要望されて
いた。

本発明者等は、上記のような問題点の原因につ
いて鋭意検討の結果、出力値に再現性が得られな
かつたり、安定な出力になるまでに時間がかかり
すぎるという現象は、金属線電極表面を被覆して
いる多孔質膜が滅菌あるいは保存期間中に乾燥す
るために酸素の拡散状態が変化することが主因で
あることを見い出し、本発明に到達した。即ち、
乾燥そのことが膜の再湿潤化までに長時間を必要
とすること、更に乾燥により多孔質膜の孔径など
の孔形状が変化するということが主因となつてい
るのである。

〔問題点を解決するための手段〕

上述の問題点は、本発明の生体用電極、すなわ
ち、周囲に絶縁被覆層を設けた貴金属線の先端及
び／または側面の絶縁被覆層のない部分が多孔質
膜で被覆され、該多孔質膜の少くとも外側が水溶
性の実質的に室温では蒸発しない化合物で被覆さ
れていることを特徴とする生体用電極によつて解
決される。

本発明において「貴金属線」とは金、銀、およ
び白金属元素等の貴金属からなる金属線あるいは
該金属線の周囲に原子番号21（スカンジウム）か
ら原子番号30（亜鉛）までに含まれる遷移金属か
らなる層を設けた金属線をいう。生体用電極とし
て体内に挿入した時の侵襲を考慮すると該貴金属
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。

該貴金属線が、その外周に遷移金属層を設けた
線の場合、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、複数種が多層構造をと
つていてもよい。用いる遷移金属の種類は用いた
貴金属の種類、絶縁被覆層の材質を勘案して適宜
選択すればよい。該遷移金属層の厚みはできるだ
け薄い層を形成させる方が電極性能の面、特に測
定初期の安定性等の点からみて、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。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。この絶縁被覆層は単一の高分子化合物からな
るものでもよいが、多層構造をとつていてもよ
い。

電極の耐屈曲性等からみて絶縁被覆層の最外層
はポリウレタンであることが好ましい。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い。
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。

本発明の生体用電極は、貴金属線の先端及び／
又は側面の一部が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る。多孔質膜で覆
うには、周囲に絶縁被覆層を設けた貴金属線を長
さ方向に直角に切断して露出する金属面あるいは
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。

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て金属線表面に付
着したり、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は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は好
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
しては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。

多孔質膜を形成する方法としては、多孔質膜を
形成す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る。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
覆層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。

本発明の生体用電極は、上記多孔質膜の少くと
も外側が水溶性の実質的に室温では蒸発しない化
合物で被覆されていることを特徴とし、それ故に
多孔質膜の乾燥を防ぐことができる。

本発明にいう水溶性の実質的に室温では蒸発し
ない化合物とは、沸点が少くとも100℃以上あり、
水に対して易溶性であつて、室温における蒸気圧
が非常に低く、室温下で開放された状態で放置し
ても重量減少をほとんどおこさないものを指す。
かかる化合物としては、生体に対し安全なものを
選ぶべきである。具体的にはグリセリン、ポリエ
チレングリコール、プロピレングリコール等をあ
げることができる。

一般的に、多孔質膜の乾燥を防ぐ方法として、
例えば中空繊維をグリセリンで処理する方法が知
られている。

しかしながら、この膜は、使用時必ず付着して
いるグリセリンを洗浄除去しなければならず、さ
もなければ、分離されたものの中にグリセリンが
混入し、不都合を生じる。

本発明のような生体用電極では、一般に使用前
に電極を洗浄することは行なわれない。従来は、
本発明において用いるような化合物で処理したも
のは、その化合物を除去することが難かしく、従
つて、電極の安定化、再現性に支障があると考え
られていた。ところが、本発明者等は本発明のよ
うな生体用電極では、上記化合物は電極使用時、
使用に支障のない程度まで速やかに除去される
か、あるいは水を保持して多孔質膜内が実質上水
で充填されている状態にあるか、使用に支障のな
い程度の時間で速やかに水を吸収することを見い
出した。

上記化合物は、多孔質膜の少くとも外側を被覆
している必要がある。これにより、膜内にとじこ
められた水を保持したり、水を吸収しやすくする
機能を果す。

多孔質膜にポリウレタンを使用する場合、上記
化合物としては、グリセリンを用いるのが出力の
再現性の点で最も好ましい。例えば、ポリエチレ
ングリコールの場合では、長時間ポリエチレング
リコールで被覆したまま放置しておくと、ポリウ
レタン膜が若干膨潤するため、保存前後での出力
値の再現性が得られないことがある。しかしなが
ら、この場合でも、出力値の変化を連続して測定
する時にはそのまま使用できる。また、絶対値の
精度を求める場合には、計測前に既知濃度の液を
測定し較正することにより、較正後の測定を精度
よく実施できる。

被覆の方法としては、予め多孔質膜を水または
電解質を含む水で充填し、ついで、上記化合物で
被覆処理、例えば、上記化合物中あるいはその溶
液中への浸漬処理を行う方法をあげることができ
る。

上記化合物で被覆処理された生体用電極は、生
体特に人体への使用にあたつては滅菌をする必要
があり、滅菌法としては、エチレンオキサイドガ
ス滅菌、γ−線滅菌等を例示できる。

〔実施例〕

以下、実施例について本発明を更に詳しく説明
する。

実施例 １ 直径100μｍの白金線の周囲に厚みが約0.5μｍ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
にエポキシ樹脂を塗付焼付けし、更にその外側に
ポリウレタンを4μｍになるように塗布焼付けし、
絶縁被覆層とした。この金属線を長さ20cmになる
ように鋭利な刃物で長さ方向に直角に切断して新
しい金属面を露出させた。

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、上記貴金属線を該ポ
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
な孔径の孔があり、膜厚は25μｍであることが判
明した。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２cm剥し、銀−塩化銀電極を不関電極として酸
素分圧測定装置の関電極として用いた。

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
150mmHg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を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。

次いで、この電極を生理食塩水から取り出し、
25℃にした局法濃グリセリン液（グリセリン濃度
98％）に30分間浸漬した。この時グリセリン液は
よく撹拌された状態にしてあつた。30分間の浸漬
処理後、電極をグリセリン液から取り出し、エチ
レンオキサイドガスによる滅菌を行い、室温下で
約１ケ月保存した。保存後、先に述べた測定浴及
び装置を用いてグリセリン処理前に実施したと同
じ測定を行つた結果、測定値は前回と±５％以内
で前回作成した検量線と一致し、精度よく測定を
行うことができた。この時の安定化までの時間は
約15分と速やかであつた。

実施例 ２ 実施例１と同様の手法により作成したポリウレ
タン多孔質膜の電極を、実施例１で用いた測定系
を使用して、電極の出力値を計測した。次いで、
この電極を生理食塩水から取り出し、撹拌下40℃
に加温したポリエチレングリコール分子量400に
30分間浸漬したのち、この電極を室温にて２週間
放置後、電極の出力値を再計測した。この結果、
出力値は±10％以内で一致しており、続いて８時
間の連続計測においても安定した出力を得ること
ができた。測定浴への吹込みを空気から窒素ガス
へ、更に50％酸素ガスへの変化に対しても瞬時に
応答し、その出力値は空気と平衡時の出力値を基
に計算した値と一致した。

この電極の安定化時間は約15分であつた。

実施例 ３ 直径150μｍの白金線にポリウレタンを厚み10μ
ｍになるように塗装焼付けし、絶縁被覆層とし
た。この貴金属線を長さ20cm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
1367、商品名、大日本インキ化学社製）を固形分
濃度15％になるようにジメチルホルムアミドに溶
解し、これにさらに平均分子量400のポリエチレ
ングリコールをポリウレタン固形分と同量になる
ように添加して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操作型電
子顕微鏡で観察した結果、多孔質膜の最外層には
平均0.2μｍ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いており、
膜厚は一番厚い箇所で約50μｍであつた。このも
のの絶縁被覆層の厚みは12μｍであつた。

この電極と同一手法により得られた電極を用い
て実施例１と同様にして酸素分圧を測定した。さ
らに、実施例１と同様にグリセリンで多孔質膜を
処理した後、室温にて２ケ月間保存した。２ケ月
後、酸素分圧の測定を上記と同様の方法で行つた
結果、計測値は前回とほぼ同じ値を示した。

実施例 ４ 直径150μｍの白金線の周囲にポリウレタンを
厚み10μｍになるように塗装焼付けし、絶縁被覆
層とした。この貴金属線を長さ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、アセチル含有量42％以上のセルロースア
セテートを90％ギ酸に固型分濃度５％になるよう
に溶解し均一な溶液とした。この溶液に上記貴金
属線の先端を接触させ、先端に該溶液を付着させ
た後、速やかに50℃のイオン交換水中に浸漬し、
脱溶媒した。この操作を２回繰り返し行つた後、
室温のイオン交換水でよく洗浄し、実施例１と同
様にして酸素分圧を測定した。次いで、この電極
を室温の98％グリセリン中に60分浸漬後、室温下
にて１ケ月保存後上記と同様の方法にて酸素分圧
を測定した。この時の安定化時間は約20分であ
り、出力値はほぼ一致した。

〔発明の効果〕

本発明の電極は、滅菌前後における酸素還元電
流の値にズレが生じることなく、また、長時間の
保存においても酸素還元電流の値は変化なく、安
定化時間も短かく、応答が速く、精度の高い信頼
性に優れた電極である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 周囲に絶縁被覆層を設けた貴金属線の先端及
   び／または側面の絶縁被覆層のない部分が多孔質
   膜で被覆され、該多孔質膜の少くとも外側が水溶
   性の実質的に室温では蒸発しない化合物で被覆さ
   れていることを特徴とする生体用電極。