JPS61362A - 鉱物イオン浸透器 - 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】 本発明は、生体外から半導体鉱物イオンを生体内に選択
的継続的に浸透せしめる鉱物イオン浸透器に関する。

人体等の動植物の生体内には、細胞構成物質が所定濃度
含有されており、そのバランスがくずれると正常な生体
機能維持が阻害される。たとえば、動物細胞の内外では
ナトリウム、カリウム濃度比［Ｎａ”ｌ／　［Ｋ”］が
それぞれ異なる一定値に保たれており、細胞内のナトリ
ウムイオン濃度が高まると血圧が上昇し、逆にカリウム
イオン濃度が高まると血圧が降下するという性質がある
。また、植物細胞中のマグネシウムイオン濃度が低下す
る　　・と葉緑素の生成が阻害され、成育異常をきたす
。

同様に動物細胞の鉄イオンや銅イオン濃度が低下すると
貧血をおこす。逆に通常生体に含有されていない元素で
も生体内に取込まれることが好ましい場合がある。たと
えば、導入されると抗体反応が自己活性化し、マクロフ
ァージやインターフェロンの生成に有用といわれるゲル
マニウムやシリコン、セレニウムなどの半導体やガン細
胞を死滅させるための放射性同位元素などである。これ
ら元素は、選択的に適当濃度生体内に取込まれるならば
生体に対する治療上好ましい。

上記したような必要元素イオンの生体内摂取は、従来食
物や薬品類の内服または養分の根からの吸収や注射湿布
などの外用によって行なわれてきた。

しかし、生体細胞膜や原形質膜を通じての吸収排出は、
生体メカニズムの範囲内で行なわれるため限界がある。

注射などの直接注入法も生体皮膚内に所定の薬品類を搬
入するという意味では効果的であるが、注入された薬品
の生体細胞内への吸収という点では生体メカニズムにの
っとっているため、必ずしも充分効果があがらない場合
がある。

ｊ　　　　　　　　　本発明１″Ｉ′必゛要元素摂取１
°関す６従来技術０問題点に対応して生体外から物理的
メカニズムを利用して生体に必要な前記半導体鉱物イオ
ンを選択的かつ継続的に生体必要個所に供給することを
目的としている。

前記目的を達成するために、本発明では概略第１図（ａ
）又は（ｂ）の構成になる鉱物イオン浸透器を開示する
。すなわち、標準単極電位ＥＯのより高い導電性鉱物と
して金属甲（図ではＡ）と標準単極電位Ｅ、のより低い
導電性鉱物半導体結晶乙（図ではＢ）とを電気的に接続
し、これを生体に装着する。装着は第１図（ａ）のごと
く生体皮膚面４に甲、乙を直接圧触しても、第１図（ｂ
）のごとく甲２を生体皮膚内に穿刺して行なってもよい
。

この時前記条件からＥＯＡ＞ＥＯＢである。第１図（ａ
）、（ｂ）では金属甲と半導体結晶乙は直接接合しない
で導線によって連結されている。この場合半導体結晶乙
（Ｂ）の表面には導電帯に空乏層（ｄｅｐｌａｔｉｏｎ
ｌａｙａｒ）が形成されており、金属導線との接合個所
には、金属−半導体のいわゆるショットキー障壁（電位
障壁）ができているものとする。

半導体結晶乙は単結晶かまたは少数キャリアの拡散長よ
り充分広い単結晶領域を有する多結晶（一般には平均粒
界サイズが少数キャリヤ拡散長の１０倍以上である多結
晶）であることが望ましい。第１図（ａ）の如き金属甲
−導線−半導体結晶乙の組合せをエネルギーバンドダイ
ヤグラムで示すと第２図のようになる。半導体結晶乙は
非ドープのｎ型単結晶とした。したがって少数キャリヤ
は正孔（ｐｏｓｉｔｉｖｅ　　ｈｏｌｅ）である。第２
図（ａ）は生体皮膚面４に装着前の熱平衡状態、第２図
（ｂ）は、装着後の状態を表わす。熱平衡状態では、導
線と乙との間のショットキー障壁αは高く、実効的に電
流は流れていない。装着後はＥｏＡ＞ＥｏＢなる関係、
すなわち甲の正電極効果によって、（ｂ）の如きバンド
傾斜ができる。つまり、生体皮膚面４は導電体のため陽
極甲→生体→陰極乙→感線→陽極甲の閉回路が形成され
、図の方向に偏倚される。ここで重要なことは、甲の正
電位によってショットキー障壁αが順偏倚され、乙と生
体皮膚面４との間に形成されるショットキー障壁βが逆
偏倚されることである。この結果、障壁αは低くなるた
め半感体結晶乙の伝導帯（バンド端エネルギーＥｃ）に
ある多数キャリア電子が界面を越えて導線→甲→生体皮
膚面４へと注入されるが、障壁βは高くなるため生体皮
膚面４から乙への電子流入は妨げられる。したがって、
半導体結晶乙の伝導帯には電子が不足するので、結晶内
でこれを補う電離が生ずる。不純物ドープされた結晶で
は電離はエネルギー的に小さな不純物原子でまず生ずる
が、非ドープの場合第２図のようにたとえば外部の光エ
ネルギー、熱エネルギーを吸収し結晶欠陥を介して半導
体原子そのものが電離かる。もっとも活性度が高いのは
乙と生体皮膚面４との界面領域である。この領域では界
面準位が活性化して生体の過剰電子をトラップしたり一
旦トラップした電子を伝導帯に放出したりする。また生
体の触媒作用によって半導体結晶表面が活性化するので
結晶原子のイオン化が生ずる。結晶原子のイオン化は次
のプロセスで進行すると考えられる。ショットキー障壁
βが逆偏倚されて空乏層領域が広がる結果界面近傍領域
の充満帯（バンド端エネルギーＥｖ）にある少数キャリ
ア正孔がドリフトして生体皮膚面４との界面に達する。

界面の結晶原子はその価電子が正孔を捕えることにより
電離して陽イオンとなる。この段階ではまだ陽イオン半
導体結晶を構成しているがイオン化しているため不安定
な状態にある。したがってこの状態に生体の触媒作用が
加わると半導体陽イオンは結晶から解離して生体内に浸
透し、新しい中性の原子面が表面に出る。

同様なプロセスでこの原子が陽イオン化し次々に解離す
るため半導体乙はイオン源として非常に有効に働く。半
導体中では増熱平衡状態でも少数キャリア密度（この場
合は正孔密度）が保存されることが安定条件なので、界
面原子陽イオン化、解離で失われた正孔も補給されねば
ならない。このためにも第２図（ｂ）のような結晶内電
離は活発に生ずると考えられる。

さて、生体皮膚面４或は生体内では以下のような電荷交
換反応が生ずると考えられる。生体内に７＋　　　　　
　　　″′６適当″′５価″わ１１２；＊＆Ｃ’ｌＬ・
０は１価・２価の陽イオンでＥｏｃ＞ＥＯＢであると仮
定する。

生体内では電荷移動によってＣイオンの酸化還元が可能
であり ｃ”→Ｃ十又はＣ＋→Ｃ＋Ｑ なる反応を生じる。第１図（ａ）又は（ｂ）の如き生体
への装着によって第２図（ｂ）で示すように金属甲（標
準単極電位Ｅ　ＯＡ）から生体皮膚面４を介して生体内
に電子が注入される。この結果標準単極電位の大きさに
よって陽極甲直下の生体内で次のいずれかの反応が生ず
る。

（１）　　Ｅ　ｏｃ＞　Ｅ　ＯＡ＞　Ｅ　ＯＢの場合Ｃ
”＋ｅ−−＊Ｃ＋、すなわちｃ”の還元（１）　　Ｅ　
ＯＡ＞　Ｅ　ｏｃ＞　Ｅ　ＯＢの場合ｊ）金属Ａのイオ
ンＡ＋が生体内に分布している時 Ａ”＋ｅ−→Ａ、すなわちＡ＋の還元と電極Ａへの析出 （Ａ＋の生体外排出） ■）金属ＡのイオンＡ＋が生体内に分布してい゛゛　　
　　　　　　　　　　　　　８Ｃ”＋ｅ−→Ｃ十 一方、陰極乙直下の生体内では前記したように半導体結
晶乙の解離による陽イオンの放出Ｂ＋がある。要するに
本発明の金属−半導体接合生体電池の特徴は、陽極から
の電子放出と陰極からの陽イオン放出にあり、電子、イ
オンの発生源はいずれも半導体結晶陰極である。

第１図（ｂ）の如き偏倚電源の接続や甲、乙の穿刺配置
は、上記反応を促進する上で大きな効果をもつ。また第
１図（ｃ）、　（ｄ）のように導線を用いず金属Ａと半
導体Ｂを直接接合して用いることも（ｅ）のようにＡＢ
間に絶縁物１５を挟み、導線１６で連結して用いること
もできる。なお、（ｃ）、（ｄ）の場合はＡとＢが直接
ショットキー障壁を形成する。ＡやＢとして元素単体の
みでなく、いわゆる合金や化合物を用いることができる
ことは自明である。

本発明の鉱物イオン浸透器で用いる半導体結晶乙は単結
晶または粒界サイズの充分大きな多結晶が望ましいこと
を上述した。これは、粒界サイズの小さな多結晶、たと
えば特開昭５６−１１６０号で開示されている如き金属
とゲルマニウム半導体粒子の焼結体では半導体の比表面
積（表面積と体積との比）が大きくなり、少数キャリア
の拡散長（数〜１０μｍ程度）の範囲が粒界の影響を受
けるため、電離したキャリアがすぐに内部再係合して陽
イオンの発生につながらないためである。この現象を第
１図（Ｃ）、　（ｄ）に示したような構成の鉱物イオン
浸透器の場合で説明すると以下のようになる。

第３図は、半導体結晶乙が少数キャリア正孔の拡散長程
度のサイズで粒界を３ヶ含む多結晶である場合のエネル
ギーバンドダイヤグラムを示す。（ａ）は熱平衡状態、
（ｂ）は生体皮膚面４に甲、乙が共に圧触される如く粘
着した場合のバンドダイヤグラムである。閉回路形成に
よって金属甲の陽極効果が現われ、エネルギーバンドが
傾斜する。ところでこの場合、半導体結晶陰極 障壁α、βの他に粒界面に形成される小電位障壁γ、δ
、εがあり粒界面には高密度の結晶欠陥（電子−正孔の
再結合中心）が分布している。第３図（ｂ）の如く金属
甲の陽極効果が発生した場合、ショットキー障壁αが低
くなりα近傍の電子が金属甲に注入されると同時に、小
電位障壁γ、δ。

εも順偏倚されて低くなるため再結合中心が活性化する
。なすわち、それぞれの小電位障壁より右側に位置する
電子は左方に拡散する際ショットキー障壁αに到達する
前に再結合中心に吸入され、図示したように少数キャリ
ア正孔と再結合消滅する。少数キャリア拡散長の範囲内
に粒界があるとこのようなプロセスで少数キャリアがど
んどん失なわれるので、結晶欠陥を介した電離（電子−
正孔対の発生）も盛んになるが、発生した少数キャリア
は結局多数キャリアとの再結合で消費されるのでショッ
トキー障壁β側に流れて陽イオン発生に貢献することは
できない。第３図は小サイズ粒界多結晶の例であるが半
導体イオンの単一サイズが少数キャリア拡散長程度の場
合（特開昭５６−１１６０号の場合）も同様の効果によ
って半導体結晶６中で発生した少数キャリアが失われ陽
イオンの発生に貢献することはできない。

（一方、標準単極電位Ｅ・を異にする２種類の導電性鉱
物Ａ、Ｂが共に金属である場合、第１図（Ｃ）（ｄ）に
相当する構造の器具を皮膚面４に貼布すると、エネルギ
ーバンドダイヤグラムは第４図のようになる。すなわち
、ＥＯＡ＞ＥＯＢであるから金属Ａの陽極効果によって
伝導帯は図のように傾斜し、金属Ｂ（陰極）から電子が
金属Ａ（陽極）に流入する。この電子は生体皮膚面４を
経由して生体内に流れる。生体内では鉱物イオンｃ十、
ｃ”の酸化還元反応が惹起し、陰極直下領域からは過剰
の自由電子が金属Ｂに流入する。すなわち、本発明の金
属−半導体接合の場合とは異なり、たとえば実開昭５７
−１０３７４３号で開示されている如く金属Ｂ→金属Ａ
→生体→金属Ｂという電子流回路が形成されてループ状
の電流が流れる。この場合、金属Ａへの流出によって失
われた金属Ｂの電子は生体側から速やかに補給されるた
め、金属Ｂは自由電子創成のため電離する必要がなく、
イオン生成効果は薄い。金属Ｂが標準単極電位の低い（
マイナス符号の大きな）イオン性金属（たとえば水素標
準電極基準でＥｏ＝−２，３７Ｖのカルシウムなど）の
場合は、生体の触媒作用によって皮膚接触面である程度
イオン化解離が生ずるが、通常の金属ではあまり有効な
イオン源とはならない。すなわち、導電性鉱物Ａ、Ｂが
共に金属である場合は、Ｂはイオン源としてよりも電流
源として働く。この点本発明の金属−半導体接合器具と
は機能的に全く異なると云える。

以上説明したように、本発明の鉱物イオン浸透器を用い
れば適当な陽極金属を選定することにより、生体に必要
な半導体イオンの注入を生理現象ではなく物理化学現象
によって継続的に行なうことが出来、理想的である。

以下、本発明を実施例に基づいて詳しく述べる。

（実施例１）一旦溶融後水平ブリッジマン法で結晶化し
た非ドープＧｅｏ　、ａ　Ｓ　ｉｏ、ｚ合金単結晶（禁
制帯幅約０．７ａＶのｎ型半導体）インコツトから５×
５×２ｒｒｎ３のペレットを切出し化学エツチングして
表面歪層を除去した後樹脂被覆法を利用して面積５Ｘ５
ｍｍ’の一表面を除く全表面に厚さ約５μｍの銀薄膜を
形成した。被覆面の樹脂を除去すると第１図（ｃ）に縦
断面を示す鉱物イオン浸透器が得られる。この場合金′
属Ａが銀８．半導体結晶Ｂがｎ　−Ｇｅｏ、Ｂ　５ｉ６
４単結晶１６となる。該鉱物イオン浸透器をアルコール
洗浄したトマトの実表面にパンソウコラ３で圧着貼布し
た。トマトは水耕栽培されており、比較のために異なる
樹３本を選び、各欄につき１ケの検体を選んで装着を行
なった。

装着後７６時間を経て鉱物イオン浸透器を取りはずし、
被検体を樹より切り離し、装着個所直下領域（１０Ｘ　
１０　Ｘ　５　ｍｍ３）の果肉を摘出してすりつぶし、
分析を行なった。蛍光Ｘ線分析によると各検体に含有さ
れていたＧｅ濃度は１００−２００ｐｐｍ　、　Ｓ　ｉ
濃度は１０−５０ｐｐｍであり、３検体共有意差は認め
られなかった。一方、上記鉱物イオン浸透器を装着しな
いトマトの実に含有されているＧｅ濃度は検出限界（−
１ｐｐｍ）以下であり、またＳｊ濃度も１　ｐｐｍ程度
であった。この結果は２、前記作用に基づく半導体結晶
のイオン化生体内浸透効果を顕著に示すものと考えられ
る。

また、小粒子半導体結晶によるイオン浸透効果を調べる
ために上記した非ドープＧ　ｅＯ，８Ｓ　ｊｏ　、２単
結晶の一部を破砕し、平均粒径１０〜２０μｍの小粒子
とした。これを純銀小粒子（粒径５〜１０μｍ）８と１
対１のモル比で混合し、直径８　ｒｔｔｎ　、高さ５ｒ
＠の円筒状ペレットにプレス整形し、８００℃で焼結し
た素子を作った。この素子をパンソウコラ３で、洗浄し
たトマトの実表面に貼着した。上記実験同様３検体を選
び７６時間装着後取りはずして含有Ｇｅ。

Ｓｉ濃度を調べた。装着直下領域（直径１　ａｎ　、深
さ５ＮＩ）の果肉を摘出し、すりつぶして蛍光Ｘ線分析
すると平均含有Ｇｅ濃度は１　ｐｐｍ程度、Ｓｉ濃度も
ｌｐｐｍ程度であり、未装着のトマトとあまり相違ない
データが得られた。

次に、標準単極電位の異なる２種類の導電性鉱物が共に
金属である素子を作ってイオン浸透実験を行なった。３
Ｘ３Ｘ３ｍｍ３の銅ペレットと同サイズのインジウムペ
レットを用意し、それらの１表面を密着させて１５０℃
に短時間加熱すると第１図（ｄ）に縦断面を示したよう
な素子ができる。こＡ　　　　　　　　の場合Ａが銅、
Ｂがインジウムである。この素子を前記同様パンソウコ
ラ３で異なる樹に結実したトマトの表面に貼着した。７
６時間を経て取りはずし、貼着直下領域（１０×１０×
５１ｗ１１３）の果肉を摘出してすりつぶし分析した所
、インジウムの平均含有濃度は１１−５ｐｐ程度であっ
た。未装着試料のインジウム含有濃度は１　ｐｐｍ以下
であったので、わずかにイオン浸透効果が認められるが
、本発明のイオン浸透器（金属−半導体結晶接合利用型
）に比べて桁違いに浸透効果が小さいことがわかる。

以上実装結果で述べたように、鉱物イオン浸透効果は、
陽極に標準単極電位の高い金属、陰極に標準単極電位の
低い半導体単結晶を用いた本発明の鉱物イオン浸透器で
目立って著しい。

（実施例２）第５図に示したようにｌａｎ角、厚み０．
５＋ｎｍのＧｅ板５および銅板６を並べて銅線７でハン
ダ付けする。この連結板をイヌのモモ肉に直接貼布し、
約１２０時間経過後該連結板を取りはずし、貼布個所直
下のモモ肉と反対側の脚のモモ肉（いずれも皮膚下的５
ｍｎ深さの領域）を採取し、すりつぶして銅とゲルマニ
ウムの含有量を比較した。

戸 この結果第５図の連結板を貼布したモモ肉では、反対側
の脚のモモ肉に比べてゲルマニウム含有濃度が３桁以上
高く、逆に銅イオン含有濃度は殆ど変わらなかった。こ
れはゲルマニウム陰極側でＧｅ−＋　Ｇｅ”＋　２　ｅ
　− なる反応が生じてＧｅＱ＋ｅオンが生体内に浸透し、逆
に銅陽極付近で ２　Ｆｅ”＋　２　ｅ　−−＋　２　Ｆｅ”なる反応が
生じて体内のＦｅ３＋イオンがＦｅ’＋イオンに還元さ
れた結果と考えられる。Ｆｅ”＋イオンはヘモグロビン
形成時必要なイオンであり、生体内に高濃度分布してい
る。体内銅イオンが電極に析出することなく、鉄イオン
が還元されたのは標準単極電位の違いによるものであり
、前記説明（１）の場合に該当する。

一方、第５図銅線７を中間で切断し、銅板６側をマイナ
ス、Ｇｅ板板側側プラスとするようにして水銀電池およ
び直列可変抵抗を接続し偏倚した。

この装置を上記のようにイヌのモモ肉に直接貼布し、前
記直列可変抵抗を操作して閉回路に２ｍＡの直流電流を
流し１０時間後該装置をはずした。

上記の如くして両脚のモモ肉組織を検査すると、連結板
を貼布した個所のモモ肉から、反対側脚部の肉に比べて
３桁以上高源度のＧｅが検出された。

これは、偏倚電源による通電によって前記化学反応が促
進され、Ｇｅの生体内浸透速度が１０倍以上高まったこ
とを示している。

（実施例３）銀粒子（直径５−１０μｍ）８および非ド
ープセレン化銅（Ｃｕ２Ｓｅ）単結晶９を破砕したもの
（平均粒径１００−１５０μｌｌ１）をそれぞれアルミ
ナ治具でプレス整形し、中央部に直径１肛、長さ５ｍの
突起を有する直径３ｎｗｎφ、厚さ３圃のペレットに仕
上げた。その上面のみに金１０を約１μｍの厚さに真空
蒸着し、両ペレット（Ａｇ８およびＣｕ２Ｓｅ９）のＡ
に蒸着膜どうしをＳｎｎ線上１接結した。

これを第６図に示す。この浸透器を図に示す如くこの連
結ペレットをヌードマウス右下肢外側面にペレット間隔
３皿で貼着した。装着にあたっては図で示す如く、上記
突起がヌードマウス皮膚内に穿刺されるようにして圧着
し、パンソウコラ３で貼着した。１００時間経過後連結
ペレットをはがし、貼着領域の皮下組織と、これより５
ａｎ以上離れた領域の皮下組織とを採取して元素分析を
行なった。

この結果、前記連結ペレット貼着領域の皮下組織では、
離れた領域の皮下組織に比べてＳｅイオン濃度が約４桁
増加し、逆にＦｅイオン濃度が約２０％減少しているこ
とがわかった。これはＣｕ、Ｓｅ陰極側で化合物イオン
Ｃｕ２Ｓｅが発生してヌードマウス体内に浸透拡散し、
Ａｇ陽極側ではヌードマウス体内にＡｇイオンがないた
めＦｅイオンの還元反応と一部ＦｅのＡｇ電極への析出
が生じたことを示している。

以上の実施例で詳述したように、本発明の鉱物イオン浸
透器を用いることによって、生体に必要な半導体イオン
の選択的摂取が生理反応に依存することなく効果的に行
ないうる。これは、一種の生体電池反応（物理化学現象
）を応用した機器であり、生体の成長促進や治療などを
目的として、生体外から連続的に使用することにより容
易に前記ｊ　　　　　　　　目的を達成しうる・なお、
上記実施例は本発明の一部について述べたものであり、
本発明の鉱物イオン浸透器を生体皮膚面の一部だけでな
く、全体にわたって適用すれば、生体への半導体イオン
浸透がより広範囲に行なわれることは自明である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｅ）は本発明の実施例図、第２図（ａ
）、（ｂ）、第３図（ａ）　、　（ｂ）　、第４図は、
本発明の詳細な説明するための図であり、第５，６図は
本発明のそれぞれ別の実施例を説明するための図である
。図に台いて、３はパンソウコラ、４は生体皮膚面、５
はＧｅ、６はＣｕ、７はＣｕリード線。 ８はＡｇ、９はＣｕ２Ｓｅ、１０はＡｕ、１６はＧｅｏ
、Ｂ５１ｏ、２である。 特許出願人　株式会社ポリトロニクス 東京電子材料工業株式会社 代理人弁理士　秋　　本　　正　　実 第１図 ｊａ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　（ｂ）（Ｃ）　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　”ノ（ｅ） ５ｑ 第２図 （ａ） （ｂ） 第３図 （ａ） 第４図 第５図 第６図 手続補正帯（自発） 事件の表示 昭和６０年特許願第１１９７３１、 発明の名称 鉱物イオン浸透器 補正をする者 事件との関係　　特許出願人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、標準単極電位を異にする２種類の導電性鉱物を電気
   的に接合した導電体から成り、該導電性鉱物のうち標準
   単極電位の高い鉱物が金属（以下甲と称する）であり、
   被浸透イオンを発生する標準単極電位の低い鉱物が半導
   体単結晶または平均粒界サイズが少数キャリアの拡散長
   より１０倍以上大きい半導体多結晶（以下乙と称する）
   であり、甲および乙が各々生体の皮膚表面に圧触または
   皮膚内に穿刺される如くして配置したことを特徴とする
   鉱物イオン浸透器。 ２、特許請求の範囲第１項記載の鉱物イオン浸透器にお
   いて、前項記載の項および乙が元素、合金、化合物より
   成る群から選んだ一種である鉱物イオン浸透器。 ３、特許請求の範囲第１項記載の鉱物イオン浸透器にお
   いて、２種類の導電性鉱物間に標準単極電位のより低い
   乙を正に、より高い甲を負に偏倚するような向きに直流
   電源を接続した鉱物イオン浸透器。