JPH10318971A - 電気化学的バイオセンサ - Google Patents

電気化学的バイオセンサ

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JPH10318971A JP10122096A JP12209698A JPH10318971A JP H10318971 A JPH10318971 A JP H10318971A JP 10122096 A JP10122096 A JP 10122096A JP 12209698 A JP12209698 A JP 12209698A JP H10318971 A JPH10318971 A JP H10318971A
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マシュー・ケー・ムショー
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気化学的センサの新しい製造方法の提供。 【解決手段】 ふたとベースとを、スペーサーなしで直
接接合させる方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】本発明は、液体試料中の指定成分（分析対
象物）の定量に使用することができる電気化学的バイオ
センサ及びそのようなバイオセンサの製造方法に関す
る。
【０００２】考慮されるタイプの電気化学的バイオセン
サは、米国特許第５，１２０，４２０号及び第５，２６
４，１０３号明細書に開示されている。これらの特許に
開示された装置は、炭素電極をプリントされた絶縁ベー
スを有し、そのような電極が、分析対象物に特異的なオ
キシドレダクターゼとともに親水性ポリマーを含む試薬
層によって覆われている。通常、ベースの上には、ほぼ
Ｕ字形の部品を提供するように切り抜かれたスペーサ要
素と、カバー部品とが設けられ、ベース、スペーサ要素
及びカバー部品が積層されると、電極及び試薬層を含む
毛管空間が形成されるようになる。オキシドレダクター
ゼに加えて、試薬層又は毛管空間中の別の層に電子受容
体が含まれる。水性試験流体を毛管空間に引き込みやす
くするために、親水性ポリマー、たとえばカルボキシメ
チルセルロースが使用される。
【０００３】米国特許第５，１４１，８６８号明細書に
は、電極が毛管空隙に含まれるもう一つのセンサが開示
されている。この参考文献は、固体粒子、たとえば微細
ガラス粒子を含む樹脂を使用してベースとカバープレー
トとを合わせて、それらの間の所望の空間を保証し、そ
れにより空隙を形成する、センサを調製する好ましい方
法を記載している。また、ガラス又はプラスチックのシ
ート材からセンサを形成することが記載されており、ま
た、「プラスチックシート材が使用される場合、それ
は、たとえば、うねのようなスペーサを設けられて、毛
管キャビティの部品壁の制御された離間を達成する精密
成形部品の形態であることができる」と記述されてい
る。
【０００４】本発明は、二つの部分、すなわち、電極構
造及び必要に応じて付着される反応体を担持する下部
（ベース）と、圧印加工されることで毛管空間の三つの
面を形成する上部（ふた）とからなり、ふたとベースと
が合わさると、ベースが第四の面を形成する電気化学的
センサに関する。ベースとふたとは、たとえば、ふたに
塗布される熱活性化接着剤塗膜又は音波溶接によって積
層される。センサは、毛管の開口端を試験流体、たとえ
ば血液の小滴に浸すことによって使用する。試験流体が
毛管に引き込まれて、電極表面の酵素及び電子受容体を
覆うようになる。好ましい実施態様では、電極は、その
表面上の水和性ポリマーマトリックス中に分散したオキ
シドレダクターゼ及び電子受容体を担持する。ポリマー
マトリックスの水和性により、それは、水性試験流体中
に分散し、それにより、センサが血中グルコース濃度を
測定するように設計されている場合にはグルコースオキ
シダーゼであるオキシドレダクターゼが分析対象物を酸
化させて、過剰な電子を電子受容体が作用電極に輸送
し、それにより、試験流体中の分析対象物の濃度に比例
する測定可能な電流を生じさせる。
【０００５】本発明の２ピースセンサの構成は酵素層を
要しない。たとえば、電極面でじかに検出を行う一般的
な範疇のセンサがある。このようなセンサの例は、ヘマ
トクリットを検出するためのセンサ又は血中鉛を検出す
るためのセンサである。もう一つのセンサの分類は、化
学反応を開始する結合剤を電極面に有するセンサであ
る。たとえば、分析対象物が結合剤に結合したとき検出
可能な成分、たとえば陽子を放出し、pH変化を測定する
ことができる結合剤を有するセンサを本発明にしたがっ
て調製することができる。あるいはまた、結合系は、抗
体が電極面における反応を抑止又は増強するところの抗
原抗体対であることもできる。
【０００６】上述したような従来技術のセンサの製造
は、余計な部分、すなわちスペーサ層の使用と、本発明
が関連する２部品（ベースとふた）センサには不要であ
る多数の処理工程とを含む。本センサは、 ａ）ベース材料の上に電極をプリントする工程と、 ｂ）オキシドレダクターゼ及び電子受容体を含有するポ
リマーマトリックスで電極を被覆する工程と、 ｃ）接着剤層をふたの上に被覆する工程と、 ｄ）ふたを圧印加工して、平坦な面によって包囲される
凹形区域をふたに形成する工程と、 ｅ）ふたをベースにヒートシールする工程と、 を含む簡潔な手法で調製される。
【０００７】本発明は、流体試料中の分析対象物を検出
するための電気化学的センサであって、 ａ）絶縁ベースプレートと、 ｂ）ベースプレート上の電極層と、 ｃ）凹形区域を一部に備え、凹形区域を包囲する平面を
残す変形性材料のふたであって、ベースと合わさると、
ベースとで毛管空間を形成するふたと、を含み、この毛
管空間の中で、酵素が、毛管作用によって毛管空間に引
き込まれる流体試料と直接接触することができる電気化
学的センサである。
【０００８】通常、電極は、分析対象物と反応して移動
性の電子を生成する酵素と動作的に接続している。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明が関するセンサの構造を図
１に示す。センサ３４は絶縁ベース３６を含み、このベ
ースの上に、導電体パターン３８、電極パターン３９及
び４０、絶縁（誘電体）パターン４２、そして最後に試
薬層４４が、通常はスクリーン印刷技術によって順にプ
リントされる。試薬層の機能は、グルコース又は他の分
析対象物を、それが発生させる電流に関して電極パター
ン中の部品によって電気化学的に測定可能である化学種
に化学量論的に転換することである。電極プリントの二
つの部分３９及び４０が、電気化学的測定に必要な作用
電極及び基準電極を提供する。厚さ約１４μ（０．００
０５５インチ）である電極インクは通常、電気化学的に
活性な炭を含む。導体インクの成分は、極と、電極が動
作的に接続された計器との間に、センサ４５の尾びれ形
端部の導体パターンとの接触を介して、低化学抵抗路を
提供するように選択された、炭素と銀との混合物であ
る。構造全体の典型的な厚さは６μ（０．０００２５イ
ンチ）である。誘電体パターンの機能は、電極パターン
４１の中心の近くに画定された区域の中を除き、電極を
試料から絶縁して、センサ読み値の再現精度を高めるこ
とである。測定される電流は、分析対象物の濃度と、試
料を含有する分析対象物に露出された電極区域との両方
に依存するため、このタイプの電気化学的測定には、区
域の画定が重要である。典型的な誘電体層は、厚さ約１
０μ（０．０００４インチ）のＵＶ硬化アクリレート変
性ポリウレタンを含む。通常は変形性材料の平坦なシー
ト材を圧印加工することによって形成される凹形空間４
８を提供するふた４６は、通気孔５０を設けるために穿
孔され、ヒートシール処理でベース３６に接合される。
ベースとふたとは、音波溶接によってシールすることが
できる。音波溶接では、まず、ベースとふたとを重ね合
わせたのち、振動性ヒートシール部材もしくはホーンと
固定ジョーとの間にはさんで押し合わせる。ホーンは、
接触が平坦な圧印加工されていないふたの領域だけで起
こるような形状である。結晶変換器又は他の変換器から
の超音波エネルギーを使用して金属ホーン中に振動を励
起する。この機械的エネルギーがプラスチック結合にお
ける熱として放散されて、熱可塑性材料の結合を可能に
する。この手法は、米国特許第３，５０５，１３６号明
細書、第３，５７３，１３９号明細書、第３，５６２，
０４１号明細書及び第４，３１３，７７４号明細書にさ
らに詳細に記載されている。これらはまた、ふたの下面
に適用した接着剤の使用によって接合することもでき
る。この実施態様では、まず、ベースとふたとをぴった
り重ね合わせたのち、ふたの平坦な圧印加工されていな
い領域５２とだけ接触するような形状の加熱金属板によ
って押し合わせる。それにより、ふたの底面にある接着
剤塗膜が溶融し、冷却すると、ふた４６とベース３６と
を融着させるように作用する。この接着剤塗膜は、好ま
しくは水分散性ポリウレタンである。加熱板の典型的な
温度は１６５℃であり、圧力は２，２００psiである。
これらの熱及び圧力の条件下で１・１／４秒間ふたとベ
ースとを合わせて保持すると、流体試料を受け入れるた
めの毛管空間を有する所望の一体型センサが得られる。
ポリウレタン層は、ふたの平坦な領域の下で、ベースの
一番上の露出層（点線の縁の誘電体４２）に結合する。
あるいはまた、誘電体の縁はわずかに狭まり（実線の縁
の誘電体層４２によって表す）、それが、ポリウレタン
を電極プリントパターン４０の材料と結合させる。接着
剤と電極インクとの結合強度は、接着剤と誘電体材料と
の結合強度よりも大きく、それにより、より漏れにくい
毛管空間を提供するため、これは好ましい構造である。
【００１０】絶縁ベースに適した材料には、ポリカーボ
ネート、ポリエチレンテレフタレートならびに寸法安定
性のビニル及びアクリルポリマー、さらにポリマーブレ
ンド、たとえばポリカーボネート／ポリエチレンテレフ
タレート及び金属箔構造、たとえばナイロン／アルミニ
ウム／ポリ塩化ビニル積層体がある。ふたは通常、変形
性のポリマーシート材料、たとえばポリカーボネート又
は圧印加工可能な等級のポリエチレンテレフタレート、
グリコール変性ポリエチレンテレフタレートもしくは金
属箔組成物、たとえばアルミニウム箔構造から製造され
る。誘電体層は、紫外線（ＵＶ）硬化性もしくは湿分硬
化性のアクリレート変性ポリウレタン又は熱硬化性のビ
ニルポリマーから製造することができる。
【００１１】本発明は、従来技術のセンサ要素における
スペーサの使用ではなく、圧印加工したふた（図１、符
号４６）の使用を容易にする。従来技術のセンサ要素で
は、圧印加工の代わりに、スペーサ要素から毛管空間の
二つの面を形成する。圧印加工したふたの使用が、余分
な部品、すなわちスペーサの使用及び多数の加工工程を
回避させる。センサを含むスペーサを組み立てるのに伴
う工程は以下のものである。
【００１２】ｉ．試薬層を含む完全な電極構造を調製す
る（毛管空間への血液の吸収を誘発するための薬剤を一
番上の層に含める必要がある）。 ii．毛管空間への血液の吸収を誘発するための薬剤を含
むさらなる層を加える（その薬剤が薬品層に含まれるな
らば、この層を省いてもよい）。 iii.通常は、剥離ライナ／接着剤／スペーサ材料／接着
剤／剥離ライナの積層体であるスペーサ材料の中に毛管
路を打ち抜く。 iv．スペーサ材料の片側から剥離ライナを除去し、スペ
ーサをベースに取り付ける。 ｖ．剥離ライナを除去し、ふたをスペーサの反対側に組
み付ける。
【００１３】本発明は、 ｉ．ベース材料の上に電極をプリントし、場合によって
は、試薬層を電極に適用し、 ii．場合によってはふたの下面に接着剤層を被覆し、 iii.毛管空間の上面及び両側面をふたの中に圧印加工
し、 iv．ふたをベースと合わせ、熱を加えることによってそ
れらを封止することにより、センサを製造することを可
能にする。
【００１４】本発明のセンサは、ふたの配列、すなわ
ち、圧印加工された複数の凹形くぼみを中に有するふた
材料の平坦なシートを、対応するベースの配列と合わ
せ、ふた素材とベース材料のシートとを合わせて、ヒー
トシールしたのち、ダイによって個々のセンサを配列か
ら打ち抜くことによって製造することができる。
【００１５】本発明のセンサの構成は、以下の例にした
がって達成することができる。
【００１６】
【実施例】この例では、展開して平面にしたポリカーボ
ネートのロールシートから多数のセンサふたを製造し
た。このシートは多数のふたの供給源であるため、これ
を「ふた素材」と呼ぶ。
【００１７】水性ポリウレタン分散系を含む二機能性被
覆溶液を、ワイヤ巻きロッド又はスロットダイコータに
より、ポリカーボネートシートの片側に延展し、空気乾
燥させた。この材料は、ふたをベースに付着するための
接着剤として働き、また、ふたの内側に湿潤面を提供し
て、毛管空間を試験流体で満たす能力を高めるものであ
った。４０％〜５０％の典型的な固形分含量の場合、乾
燥塗膜厚さは０．０００７インチ〜０．００２インチ
（１７μ〜５０μ）の範囲であり、湿潤塗膜厚さは０．
００１４インチ〜０．００５インチ（３５μ〜１２５μ
m)の範囲であった。二機能性層は、乾燥後しばらくはい
くらか粘着を示した。シートをロールに巻き戻すとき、
一時的なライナ又はインターリーフを塗膜と接触させて
はさみ込んだ。数時間後、初期粘着性は失われ、塗膜に
損傷を加えずにポリカーボネートふた素材を展開するこ
とができた。ライナに適した材料は、ポリオレフィン又
はポリエチレンテレフタレートである。
【００１８】次の処理段階は、凹形区域の圧印加工と、
ポリカーボネートシート中の、位置合わせ及びトラッキ
ング用の種々の穴の打ち抜きとを含み、その後で、ふた
素材の引き裂いたリボンをロールに巻いた。接着剤は、
圧印加工工具及び打ち抜き工具のいずれにも付着せず、
リボン形態でロールに巻いたときにポリカーボネート支
持体にも付着しないよう、非粘着性であることが不可欠
である。また、接着剤は、打ち抜き工具又は圧印加工工
具の上に、頻繁な清浄を要するようなガム質の付着物を
形成しないことが不可欠である。
【００１９】通常はポリカーボネートであるベース素材
に対し、種々のインクでプリントして電極を形成したの
ち、露出した電極の所望の面を残すように設計された所
定のパターンで誘電体層をオーバコートした。ふたを誘
電体層に直接合わせたとき、二機能性材料が誘電体材料
に付着しなければならない。あるいはまた、誘電体材料
の一部を削除して、接着剤が電極材料に接触し、場合に
よっては、より良い結合を形成するようにすることもで
きる。ふた素材をベースに組み付けるために、ふた素材
の連続したリボンを巻き出し、特殊なラミネータに通
し、そこで、位置を合わせたのち、熱及び圧力の影響の
もと、ベース素材の細片と合わせた。ヒートシール処理
には約１秒しか要しないことが望ましく、それには、強
力な結合を非常に急速に形成することができる接着剤を
要する。ヒートシールしたのち、積層体の連続したリボ
ンをリールに巻き取った。
【００２０】もう一つの実施態様では、アルミニウム箔
構造（主としてナイロン／アルミニウム／ポリ塩化ビニ
ルからなる三層積層体）をふたとして使用した。ポリ塩
化ビニルは熱可塑性樹脂であり、熱活性化接着剤として
効果的に働く。この材料を、上述したものと同じ方法で
圧印加工し、成形したのち、ガスプラズマ処理した（酸
素０．６トル、２５０Ｗ、３．５分間）。表面エネルギ
ーは、処理の前では３２ダイン／cmであり、処理後では
６０ダイン／cmを超えた。熱及び圧力の条件の下でビニ
ルベースに積層したのち、センサを配列から切り出し
た。
【００２１】積層体リボンから個々のセンサを切り分け
るために、積層体を打ち抜き装置に通し、この中で、配
列調製物から個々のセンサを打ち抜いて、それを貯蔵用
の箔ブリスタパッケージに配置した。センサを使用する
好ましい方法では、センサは、半径方向に配設された１
０個の独立したコンパートメントを有する円形のディス
クに包装される。ディスクは、バースト箔カバーによっ
て封止されてセンサを周囲の湿分及び他のセンサから隔
離するアルミニウム箔／プラスチックの積層体から製造
されている。ディスクは、特殊な設計の計器の中に取り
付けられる。センサを取り出すには、ナイフをディスク
のハブにもっとも近い端部からバースト箔に突き刺して
細長い個々のコンパートメントに入れたのち、半径方向
にブリスタの周縁に向けて動かす。その際、ナイフが、
そのコンパートメント中のセンサの後部（尾びれ形）と
係合する。ナイフの半径方向の移動がセンサの先端をバ
ースト箔及び計器の一部に突き通して外に出すと、セン
サのノーズが完全に計器から出て、流体試料、たとえば
血液を受ける用意ができる。この段階で、センサのベー
スとふたとの間の結合が、センサが箔を突き破るときに
発生する剪断力に耐えることが不可欠である。センサを
使用に備えて提供するこの方法は、米国特許第５，５７
５，４０３号明細書で詳細に記載されている。
【００２２】使用中、毛管空間に通じる開口を含むセン
サ先端を、通常は、指を何かで突き刺すことによって得
られる血液である流体試料の小滴と接触させる。血液が
急速に毛管空間に引き込まれ、そこで、酵素との相互作
用が起こり、計器が信号を受けてその計時シーケンスを
開始する。計時シーケンスを開始するためには、毛管空
間の空間的に向きにかかわらず、血液が非常に急速に毛
管空間に引き込まれることが不可欠である。血液を毛管
空間に引き込みやすくするために、毛管空間の寸法は通
常、高さ０．１２５mm〜０．３８mm（０．００５インチ
〜０．０１５インチ）、幅２．５mm〜３．７５mm（０．
１インチ〜０．１５インチ）のオーダである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電気化学的センサの展開図であ
る。
【符号の説明】
３４ センサ ３６ 絶縁ベース ３８ 導電体パターン ３９、４０ 電極パターン ４２ 絶縁パターン ４４ 試薬層 ４６ ふた ４８ 凹形空間 ５０ 通気孔 ５２ 平坦領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラリー・ディー・ジョンソン アメリカ合衆国、インデイアナ州、46514、 エルクハート、ウエスト・ブリストル・ス トリート 726、アパートメント エフ− 103 (72)発明者 マシュー・ケー・ムショー アメリカ合衆国、インデイアナ州、46530、 グレンジャー、ノース・フェザント・コー ブ・ドライブ 10648 (72)発明者 デニス・スロムスキー アメリカ合衆国、インデイアナ州、46614、 サウス・ベンド、レッドフォックス・コー ト 59937

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 流体試料中の分析対象物を検出するため
    の電気化学的センサにおいて、底部から上方に向って、 ａ）絶縁ベースプレートと、 ｂ）該ベースプレート上の電極層と、 ｃ）ベースプレートと合わさると、ベースプレートと共
    に、その中で、電極層が、毛管作用によって毛管空間に
    引き込まれる流体試料と接触することができる毛管空間
    を形成するように、その中央部に凹形区域を有する変形
    性材料のふたと、をこの順序で含むことを特徴とするセ
    ンサ。
  2. 【請求項２】 ふたとベースとが接着剤層によって結合
    している、請求項１記載のセンサ。
  3. 【請求項３】 ふたとベースとが音波溶接技術によって
    接合している、請求項１記載のセンサ。
  4. 【請求項４】 分析対象物と反応して電極層に移動性電
    子を生成する酵素を含む反応層がある、請求項１記載の
    センサ。
  5. 【請求項５】 電極層の上にパターン化された誘電体材
    料の層を有し、誘電体層のパターンによって予め決定さ
    れる電極層の一部だけが流体試料と直接接触することが
    できる、請求項４記載のセンサ。
  6. 【請求項６】 ふたが、その縁が誘電体層と合わさるよ
    うな形状である、請求項５記載のセンサ。
  7. 【請求項７】 誘電体層が、電極層の一部をふたの縁と
    の直接接触のために露出したまま残すような形状であ
    る、請求項５記載のセンサ。
  8. 【請求項８】 反応層における酵素が親水性ポリマーと
    一緒にされている、請求項４記載のセンサ。
  9. 【請求項９】 反応層が電子受容体をも含有する、請求
    項８記載のセンサ。
  10. 【請求項１０】 電子受容体がフェリシアン化物であ
    る、請求項９記載のセンサ。
  11. 【請求項１１】 親水性ポリマーがポリ（エチレンオキ
    シド）である、請求項８記載のセンサ。
  12. 【請求項１２】 凹形区域が、変形性材料の平坦なシー
    トを圧印加工することによって形成される、請求項１記
    載のセンサ。
  13. 【請求項１３】 ふたの、ベースプレートに面する側に
    接着剤層があり、この層が、ふたのこの側を実質的に覆
    い、ふたとベースプレートとが合わさることによって形
    成される毛管空間の湿潤性を高める親水性材料である、
    請求項２記載のセンサ。
  14. 【請求項１４】 ふたの、ベースプレートに面する側に
    接着剤層があり、この層が、ふたのこの側を実質的に覆
    い、ふたとベースプレートとを合わせることによって形
    成される毛管空間の湿潤性を高めるように処理すること
    ができる材料である、請求項２記載のセンサ。
  15. 【請求項１５】 電気化学的センサを調製する方法にお
    いて、電極構造を表面に担持するベースを、毛管空間の
    三面を形成する凹形空間を提供する変形性材料のふたと
    合わせる工程を含み、ふたとベースとが、大気に通じる
    毛管空間を有する電気化学的センサに、ベースの表面上
    にあって、毛管空間に露出している電極構造を与えるこ
    とを特徴とする方法。
  16. 【請求項１６】 ふたが、ふたをベースに接着させる接
    着剤をその下面に有する、請求項１５記載の方法。
  17. 【請求項１７】 音波溶接によってふたとベースとを互
    いに接着させる、請求項１５記載の方法。
  18. 【請求項１８】 電極構造が、その表面上に、水和性ポ
    リマーマトリックス中に分散したオキシドレダクターゼ
    及び電子受容体を担持する、請求項１５記載の方法。
  19. 【請求項１９】 水和性ポリマーマトリックスがポリ
    （エチレンオキシド）からなる、請求項１５記載の方
    法。
  20. 【請求項２０】 オキシドレダクターゼがグルコースオ
    キシダーゼであり、電子受容体がフェリシアン化物であ
    る、請求項１８記載の方法。
  21. 【請求項２１】 接着剤を熱活性化し、ヒートシールに
    よってふたをベースに固着し、それにより、接着剤を活
    性化し、冷却したときふたをベースにシールする、請求
    項１６記載の方法。
  22. 【請求項２２】 ふたの下面の接着剤が親水性材料であ
    り、ふたとベースとを合わせて毛管空間を形成すると、
    毛管空間の湿潤性が高まる、請求項１６記載の方法。
  23. 【請求項２３】 多数の電気化学的センサを製造する方
    法において、 ａ）実質的に均一な熱溶融性材料の層を表面に有する変
    形性材料のシートと、形成された電極パターンを表面に
    有する絶縁材料のベースシートとを用意する工程と、 ｂ）変形性材料のシートを圧印加工して、ベースシート
    上の電極のパターンに鏡で映すように対応する一連の凹
    形区域をシート中に形成する工程と、 ｃ）変形性材料のシートの凹形区域が電極を実質的に包
    囲するように変形性材料のシートをベースシートに合わ
    せ、溶融性接着剤を溶融させるのに十分な熱及び圧力を
    加えることにより、これら二つのシートをシールする工
    程と、 ｄ）適切な形状のダイを使用して、溶融したシートから
    個々の部分を打ち抜いて、変形性材料のシートの凹形区
    域によって三面が画定され、ベースシートの打ち抜き部
    によって底が画定される毛管空間を含む個々のセンサを
    提供して、毛管作用によって毛管空間に引き込まれる流
    体試料と接触することができる電極を中に含む、大気に
    通じる毛管空間を有するセンサを提供する工程と、を含
    むことを特徴とする方法。
  24. 【請求項２４】 試験流体が毛管空間に導入されると、
    試験流体に含まれる分析対象物と反応して、移動性の電
    子を生成する酵素を含む反応層がある、請求項２３記載
    の方法。
  25. 【請求項２５】 酵素及び電子受容体を親水性ポリマー
    と合わせて、電極の表面に反応層を形成する、請求項２
    ４記載の方法。
  26. 【請求項２６】 溶融性接着剤が、毛管空間の湿潤性を
    高めるのに十分に親水性である材料を含む、請求項２３
    記載の方法。
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