JPS61187837A - 生体用電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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ィの
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。ポーラログラフィ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（陰極）表面で酸素の還元を行ない、この除土ずる
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っている。

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、これによって
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った。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間型極表
面をポリヒドロキシエチルメタクリレート、セロファン
等の親木性水膨潤膜で被覆し１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、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０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１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１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曹被覆
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。即ち、
通常、電極として使用する金属線としては化学的安定性
の点から貴金属、中でも白金が主として用いられ絶縁被
覆層としてはポリウレタン、ポリエステル、ポリアミド
等の高分子化合物が用いられる。しかし白金にこのよう
な高分子化合物を直接被覆しても白金の安定性のため絶
縁被覆層との間の接着性が充分でなく剥離が生ずること
がある。

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
に進んで出力値が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
フィ法に限らず、どのような電極においても問題となる
ものであり１本願発明がボーテログラフィ法用電極に限
定されないことは明らかである。一方、白金の代りに金
又は銀を用いると接着性は白金の場合より向上するが、
金を金属線として用いると金は柔らかすぎるため電極と
して用いる場合に操作性に難点を生ずる。又、銀は白金
や金に比べて経時的な化学変化が生じることがあり好ま
しくない、金属電極においては一般的にその電極に使用
する金属材料の純度が高いほど測定精度がよくなるとさ
れており、９９．９９％以上の純度を有するものが用い
られてきた。しかし、生体用電極として血液ガス成分や
その他の生体からの情報を連続的にモニタリングすると
いう実用上の観点からは白金線の側面表面に金や銀の被
覆層を設けたものを用いても何ら支障がなく、且つ、白
金線を単独で用いた時の剥離に関する欠点を解消できる
ことを見出し、本発明に到達したものである。

［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
分の近傍において白金線の周囲に金もしくは銀からなる
暦を設け、さらにその外側に絶縁被覆層を設けた金属線
からなる金属電極の先端及び／又は側面の一部の絶縁被
覆層又はさらに金もしくは銀からなる層に覆われていな
い部分が多孔質膜で覆われてなる生体用電極にある。

本発明の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
を考慮すると絶縁層を含めた直径が２０〜５００　ｐｍ
であることが好ましく、５０〜３００ＪＬｍであること
がより好ましい、金又は銀の層の厚みは白金線の直径の
１０％以下の厚みになるようにすることが好ましく、均
一な厚みになっ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金又は銀の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
部分に金又は銀の暦を設ける方法としては電解メッキ、
無電解メッキ、スパッタリング、蒸着等通常金属層を形
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。この絶縁被覆層としては単一の高分子化合物からな
るものでもよいが、多層構造をとっていてもよい、単一
構造であれ、多層構造であれ。

該絶縁被覆層の最外層はポリウレタンである゛ことが剥
離がより少なくなる点で好ましい。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っ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５〜３０ｇｍの厚みであることが好ま
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
一部の絶縁被覆層又はさらに金もしくは銀からなる層に
覆われていない部分が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
金又は銀からなる層を設け、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金又は銀の面、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
極面となるが、白金線を銀で被覆した場合は有効電極面
の５０％以上が白金面であることが好ましい０本発明に
おいて多孔質膜は少なくとも０．７７ｔｍ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貫通して
いるものであり、０．フルｍ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゜
７ｇｍ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０．５１Ｌｍ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〜
２００　ＩＬｍであることが好ましく、２０”ｌ１００
ＩＬ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ィルムにし
た時そのフィルムの１００％モジュラスが１０ｋｇ／ｃ
ｍ″以上であるものが多孔質膜の安一定性の点で好まし
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
で脱溶媒して懸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（す等積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１００４ｍの白金線の周囲に厚みが約０．　ＩＩＬ
ｍになるように金を電解メッキにより被覆した。

次いでその外側に厚さがｌＯＩＬｍになるようにポリウ
レタンを塗装焼付けし、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、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にツボラン５１０９．
商品名１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１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
行なった。この電極のポリウレタン多孔質膜の表面及び
断面、該金属線の断面を操作型電子顕微鏡及び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、３　ｐ、　ｍの孔が均一に分散しておいてお
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って孔が貫通してい
る多孔質膜が形成されており、Ｓ厚は３０Ｂｍであった
。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金層が介在しておりこれらの
間に剥離は認められなかった。

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、
銀−塩化銀電極を不関電極として酸素分圧測定装置の間
型極として用いた。

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℃、５０ｍＪＬ／ｍｉｎで循環させ、該循環系
に上記両電極の先端を挿入した０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。又、循環流量をｌＯｍｊ
Ｌから１００　ｍ　ｌの間で変化させても電流値は変化
しなかった０次に空気で飽和させた液で測定した時の値
を酸素分圧１４９ｍｍＨｇ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１４９ｍｍＨｇに相当する電流値
から直線的に低下し、はぼ８ｉ素分圧Ｏｍ　ｍ　ＨＨに
相当するところで安定値に達した。この値をＯｍｍＨｇ
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った。又、生理食塩
水を空気で飽和されている状態にして８０時間の連続測
定を行なった結果、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多数の電極を作成して測
定したところ、初期電流値が異常に高い値を示す電極の
比率は金メッキをしないものに比べて大幅に減少した。

又、安定化時間も大幅に短縮され、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？ 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左大腿動脈に挿入し、酸素分
圧測定を行なった結果、動脈血の酸素分圧値の変動と心
筋の酸素分圧値の変動とは対応しており、心筋の動き、
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、冠動脈の結さく一回復あるいは強心剤の投与
による心臓の変化に対応して酸素分圧の増減傾向は１０
秒以下の応答時間で表れ、応答精度が高いことが確認さ
れた。８時間の連続計測後電極を取り出し調べたところ
、心筋への挿入、抜去による被覆膜の損傷、脱落は認め
られず、血栓あるいは蛋白の付着は認められなかった。

又、充分な洗浄の検線電極を指の間にはさみ指でしごい
ても膜のずれはなく再使用が可能であった。

実施例３ 直径２００ＩＬｍの白金線の周囲に厚みが約１．０ｇｍ
になるように銀を電解メッキにより被覆した。

次いでその外側に厚さが１５ｇｍになるようにポリウレ
タンを塗装焼付けし、絶縁被覆層とした。

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にツボラン５１１０、
商品名１日本ポリウレタン社製）を固形分濃度２５％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
レタン固形分濃度の１７２になるように添加し良く攪拌
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操作型電子顕微鏡
で観察し、Ｘ線マイクロアナライザーで分析した。その
結果、多孔質膜の最外層には平均０、２　、　ｍの孔が
均一に分散しておいており、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っ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、厚さ１５ＩＬｍのポリウレタン絶縁液［
２層と白金との間には厚さ０、８　ｐ、　ｍの銀層が介
在しておりこれらの間に剥離は認められなかった。

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、酸素分圧変動に伴なう出力変化の応答性に優
れ、４日間の連続測定でも出力値における変動が極〈小
さく、優れた電極であることがわかった。

［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
   白金線の周囲に金もしくは銀からなる層を設け、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
   の先端及び／又は側面の一部の絶縁被覆層又はさらに金
   もしくは銀からなる層に覆われていない部分が多孔質膜
   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。