KR20130122696A - 효소 생체내 센서에 대한 개선된 확산층 - Google Patents

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에프. 호프만-라 로슈 아게
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Abstract

본 발명은, 전극 시스템 주위의 체액으로부터 고정된 효소 분자들로의 분석물의 확산을 제어하는 개선된 확산 배리어 그리고 고정된 효소 분자들을 갖는 전극을 포함하는, 생체내 조건 하에서 분석물의 농도를 측정하기 위한 전극 시스템에 관한 것이다.

Description

효소 생체내 센서에 대한 개선된 확산층{IMPROVED DIFFUSION LAYER FOR AN ENZYMATIC IN-VIVO SENSOR}
본 발명은, 전극 시스템 주위의 체액으로부터 고정된 효소 분자들로의 분석물의 확산을 제어하는 개선된 확산 배리어 그리고 고정된 효소 분자들을 갖는 전극을 포함하는, 생체내 조건 하에서 분석물의 농도를 측정하기 위한 전극 시스템에 관한 것이다.
이식 가능한 또는 삽입 가능한 전극 시스템들을 갖는 센서들이, 예를 들어 환자의 신체 내의 포도당 또는 젖산와 같은 생리학적으로 중요한 분석물들의 측정을 용이하게 한다. 이러한 종류의 시스템들의 작업 전극들은 분석물 분자들의 촉매 전환에 의해 전하 캐리어들을 방출하는 효소 분자들이 결합되는 전기 전도성 효소층들을 갖는다. 그 공정에서, 전류가 그 진폭이 분석물 농도와 상관되는 측정 신호로서 발생된다.
이러한 전극 시스템들은 예를 들어 WO 2007/147475 및 WO 2010/028708 로부터 공지되어 있고, 그 개시내용들은 본 명세서에 참조로서 통합된다.
전극 시스템의 작업 전극들에는 확산 배리어가 제공되며, 확산 배리어는 전극 시스템 주위의 체액 또는 조직으로부터 효소층에 고정되어 있는 효소 분자들로 결정되는 분석물의 확산을 제어한다. WO 2010/028708 에 따르면, 전극 시스템의 확산 배리어는 적어도 2개의 상이한 폴리머들, 바람직하게는 아크릴레이트류의 고용체이다. 폴리머들은 코폴리머들, 예컨대 메틸 메타크릴레이트와 히드록시에틸 메타크릴레이트의 코폴리머들 또는 부틸 메타크릴레이트와 히드록시에틸 메타크릴레이트의 코폴리머들일 수도 있다.
WO 2007/147475 에는, 쌍성이온성 구조를 갖는 폴리머로 이루어진 확산 배리어가 개시되어 있다. 이러한 폴리머의 예는 폴리(2-메타크릴로일옥시에틸 포스포릴콜린-코-n-부틸메타크릴레이트)이다. 쌍성이온성 폴리머는 다른 폴리머, 예를 들어 폴리우레탄과 혼합될 수도 있다.
그러나, 폴리머 또는 코폴리머 혼합물들의 사용은, 혼합물의 조제 및 센서에 대한 그것의 도포가 오래 걸리고 잠재적으로 문제시된다는 결점을 가진다. 통상, 혼합될 폴리머들은 개별적으로 용해되고, 그 후에 얻어진 용액들이 원하는 비율로 혼합된다. 하지만, 이것은 성분들 중 하나의 성분의 침전을 초래할 수도 있고, 따라서 작업성 문제, 예컨대, 분무 공정을 초래할 수도 있다. 혼합물이 이온성 특징들을 갖는 폴리머를 포함할 때에, 즉, 혼합될 폴리머들 중 하나의 폴리머가 음이온성 또는 양이온성 기들을 갖는 모노머를 포함할 때에 곤란함이 증대된다. 그러나, 이러한 하전된 기들의 존재는, 용해도에 대한 강한 영향을 가지며, 하전된 폴리머와 비하전된 폴리머 둘다에 대해 적합한 용매를 찾는 것을 어렵게 한다.
WO 2006/058779 에는, 적어도 하나의 폴리머 재료 및 효소를 내포하는 입자들을 포함하는 조합된 확산 및 효소층을 갖는 효소-기반 센서가 개시되어 있으며, 여기서 입자들은 폴리머 재료에 분산되어 있다. 폴리머는 소수성 폴리머 사슬 시퀀스뿐만 아니라 친수성 폴리머 사슬 시퀀스를 포함할 수도 있고, 예를 들어, 폴리머는 높은 또는 낮은 물 흡수 폴리에테르-폴리우레탄 코폴리머일 수도 있다. 확산층으로서 적어도 하나의 친수성 블록 및 적어도 하나의 소수성 블록을 갖는 블록 코폴리머들의 사용은 개시되어 있지 않았다.
EP-A-2 163 190 에는, 전기 컨덕터를 갖는 카운터 전극, 및 고정된 효소 분자들을 포함하는 효소층이 상부에 위치되는 전기 컨덕터를 갖는 작업 전극을 포함하는 생체내의 분석물 농도의 측정을 위한 전극 시스템이 기재되어 있다. 확산 배리어는 주위 체액들로부터 효소 분자들로의 분석물의 확산을 제어한다. 확산 배리어는, 폴리에틸렌글리콜 및 폴리프로필렌글리콜일 수도 있는 디올 혼합물들과 4,4'-메틸렌-비스-(시클로헥실이소시아네이트)의 중축합에 의해 획득 가능한 친수화된 폴리우레탄류를 포함할 수도 있다. 친수성 폴리우레탄층은 스페이서, 예컨대, 부틸 메타크릴레이트와 2-메타크릴로일옥시에틸-포스포릴 콜린의 코폴리머로 커버될 수도 있다. 확산층으로서 적어도 하나의 친수성 블록 및 적어도 하나의 소수성 블록을 갖는 블록 코폴리머들의 사용은 개시되어 있지 않았다.
본 발명의 목적은, 바람직한 물리 화학적 특징들을 제공하며 용이하게 제조될 수 있는 확산 배리어를 효소 생체내 센서의 전극 시스템에 대해 제공하는 것이다.
이 목적은 적어도 하나의 친수성 블록 및 적어도 하나의 소수성 블록을 갖는 단일 블록 코폴리머로 이루어지는 확산 배리어를 제공함으로써 충족된다. 친수성 및 소수성 블록들은 서로 공유적으로 링크되어 있다. 바람직하게, 블록들은 (메타)아크릴레이트 폴리머 블록들이다.
블록 코폴리머 기반 확산 배리어는 다음과 같이 우수한 물리 화학적 특징들을 제공한다:
(i) 결정되는 분석물에 대한 확산 배리어의 투과성
(ii) 전극의 단기간 거동 (습윤성) 및 장기간 거동 (센서 드리프트) 에 적합한 확산 배리어의 투과성 특성들
(iii) 연장된 다수 전극들을 갖는 생체내 센서들의 제조를 허용하는, 확산 배리어의 역학적 유연성,
(iv) 확산층 내로의 이온성 기들의 유효 통합, 즉, 폴리머 내부의 양이온성 또는 음이온성 전하들의 밀도가 유효하게 조절될 수 있고, 이것은 하전된 분석물들의 끌림 또는 반발, 및/또는 예컨대, 주위 체액 또는 조직으로부터의 단핵구들의 세포 부착의 제어에 관련된다.
본 발명의 주제는, 전극 시스템의 외부로부터 고정된 효소 분자들로의 분석물의 확산을 제어하는 확산 배리어 그리고 고정된 효소 분자들을 갖는 전극을 포함하는, 생체내 조건 하에서 분석물의 농도를 측정하기 위한 전극 시스템이며, 확산 배리어는 적어도 하나의 친수성 블록 및 적어도 하나의 소수성 블록을 갖는 블록 코폴리머를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 확산 배리어는, 적어도 하나의 친수성 블록 및 적어도 하나의 소수성 블록을 갖는 단일 블록 코폴리머, 즉 하나의 블록 코폴리머만을 포함하며, 즉, 다른 폴리머들 또는 코폴리머들이 존재하지 않는다. 보다 바람직하게, 확산 배리어는 적어도 하나의 친수성 블록 및 적어도 하나의 소수성 블록을 갖는 단일 블록 코폴리머로 이루어진다.
본 발명의 전극 시스템은 신체, 예컨대, 인간 신체와 같은 포유동물 신체 안으로 삽입 또는 이식하기에 적합하다. 전극 시스템은, 체액 및/또는 신체 조직 내, 예컨대 세포 밖의 공간 (간질) 내, 혈액 또는 림프관들 내 또는 세포사이 공간 내의 원하는 분석물을 측정하기 위해 적응된다.
삽입된 또는 이식된 전극 시스템은 단기간 적용 (예컨대 3 내지 14일), 또는 장기간 적용 (예컨대, 6 내지 12개월) 에 적합하다. 삽입 또는 이식 기간 동안 원하는 분석물은 연속적 또는 불연속적 측정들에 의해 결정될 수도 있다.
본 발명의 전극 시스템은 효소 비유체 (ENF; enzymatic non-fluidic) 센서의 부분인 것이 바람직하고, 여기서 분석물의 효소 전환이 결정된다. 바람직하게, 센서는 전기 신호의 생성을 야기하는 분석물의 전환을 위한 고정된 효소 분자들을 갖는 작업 전극을 포함한다. 효소들은 전극을 커버하는 층에 존재한다. 추가적으로, 전도성 입자들 및 포어 형성재들 (pore formers) 뿐만 아니라 산화환원반응 매개체들 및/또는 전기 촉매들이 존재할 수도 있다. 이러한 종류의 전극은 예컨대 WO 2007/147475 에 기재되어 있으며, 그 개시내용이 본 명세서에 참조로서 통합된다.
작업 전극의 면적은 센서의 감지 면적이다. 이 감지 면적에는, 전극 시스템 주위의 외부, 예컨대 체액 및/또는 조직으로부터 효소 분자들로의 분석물의 확산을 제어하는 확산 배리어가 제공된다. 확산 배리어는, 예를 들어, 효소층을 커버하는 커버층, 즉, 효소를 갖지 않는 층일 수 있다. 하지만, 확산-제어 입자들이 효소층 내로 도입되어 확산 배리어로서 기능하는 것이 가능하긴 하다. 예를 들어, 효소층의 포어들은 분석물 분자들의 확산을 제어하는 폴리머로 충진될 수 있다. 확산 배리어의 두께는 통상 약 2-20 ㎛ 이고, 예컨대 약 2-15 ㎛, 또는 약 5-20 ㎛, 특히 약 5-10 ㎛ 또는 약 10-15 ㎛ (건조 상태에서) 이다.
본 발명의 전극 시스템의 확산 배리어는 블록 코폴리머, 바람직하게는 적어도 하나의 친수성 블록 및 적어도 하나의 소수성 블록을 갖는 단일 블록 코폴리머를 포함한다. 블록 코폴리머는 교대 시퀀스의 블록들을 포함할 수도 있으며, 즉, 친수성 블록이 소수성 블록에 링크된다. 친수성 및 소수성 블록들은 폴리머 분자 내부에 서로 공유적으로 링크되어 있다. 폴리머 (중량으로) 의 평균 분자량은 통상 20-70 kD 이고, 특히 25-60 kD 이고, 보다 특별히 30-50 kD 이다. 블록 코폴리머에 있어서의 소수성 부분에 대한 친수성 부분의 몰비는 통상 약 75% (친수성) : 25% (소수성) 내지 약 25% (친수성) : 75% (소수성) 의 범위 내, 약 65% (친수성) : 35% (소수성) 내지 약 35% (친수성) : 65% (소수성) 의 범위 내, 또는 약 60% (친수성) : 40% (소수성) 내지 약 40% (친수성) : 60% (소수성) 의 범위 내에 있다.
블록 코폴리머의 친수성 블록은 적어도 90% 의 친수성 모노머 단위들, 적어도 95% 의 친수성 모노머 단위들, 특히 전적으로 친수성 모노머 단위들로 이루어진다. 통상 50-400 모노머 분자들의 길이를 가지며, 예컨대 50-200, 또는 150-300, 특히 100-150, 또는 200-250 모노머 분자들의 길이를 갖는다. 코폴리머의 소수성 블록은 적어도 90% 의 소수성 모노머 단위들, 보다 특히 적어도 95% 의 소수성 모노머 단위들, 보다 더 특히 전적으로 소수성 모노머 단위들로 이루어진다. 통상 50-300 모노머 단위들의 길이를 가지며, 예컨대 50-200, 또는 150-250, 특히 80-150, 또는 170-200 모노머 단위들의 길이를 갖는다.
친수성 블록들 및/또는 소수성 블록들은 (메타)아크릴계 단위들로 이루어지는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게, 친수성 블록들 및 소수성 블록들 둘다는 (메타)아크릴계 모노머 단위들로 이루어진다.
친수성 블록의 친수성 모노머 단위들은 바람직하게 친수성 (메타)아크릴 에스테르류, 즉, 극성 기를 갖는 에스테르류 (즉, 에스테르의 알코올 부분 내부에 OH, OCH3 또는 OC2H5 기가 있음), 아미드 (NH2) 또는 N-알킬- 또는 N,N-디알킬아미드기를 가지며 선택적으로 OH, OCH3 또는 OC2H5 와 같은 친수성 기들을 갖는 친수성 (메타)아크릴아미드류, 하전된 기, 예컨대 음이온성 또는 양이온성 기를 갖는 적합한 (메타)아크릴 단위들, 이를테면 아크릴산 (아크릴레이트) 또는 메타크릴산 (메타크릴레이트) 로부터 선택되며, 여기서 알킬기는 1-3개의 C 원자들을 포함한다. 또한, 모노머 단위들의 조합들이 채용될 수도 있다.
친수성 블록에 대한 바람직한 모노머 단위들의 구체예들은:
2-히드록시에틸 아크릴레이트,
2-히드록시에틸 메타크릴레이트 (HEMA),
2-메톡시에틸 아크릴레이트,
2-메톡시에틸 메타크릴레이트,
2-에톡시에틸 아크릴레이트,
2-에톡시에틸 메타크릴레이트,
2- 또는 3-히드록시프로필 아크릴레이트,
2- 또는 3-히드록시프로필 메타크릴레이트 (2- 또는 3-HPMA),
2- 또는 3-메톡시프로필 아크릴레이트,
2- 또는 3-메톡시프로필 메타크릴레이트,
2- 또는 3-에톡시프로필 아크릴레이트,
2- 또는 3-에톡시프로필 메타크릴레이트,
1- 또는 2-글리세롤 아크릴레이트,
1- 또는 2-글리세롤 메타크릴레이트,
아크릴아미드,
메타크릴아미드,
N-알킬- 또는 N,N-디알킬 아크릴아미드, 및 N-알킬- 또는 N,N-디알킬 메틸아미드 (여기서 알킬은 메틸, 에틸 또는 프로필과 같은 1-3개의 C 원자들을 포함한다)
아크릴산 (아크릴레이트),
메타크릴산 (메타크릴레이트)
및 이들의 조합들로부터 선택된다.
바람직한 친수성 모노머들은 2-히드록시에틸 메타크릴레이트 (HEMA) 및/또는 2- 또는 3-히드록시프로필 메타크릴레이트 (2- 또는 3-HPMA) 이다. 보다 바람직하게, 친수성 블록은 적어도 2개의 상이한 친수성 모노머 단위들로 이루어진다. 예를 들어, HEMA 및 2-HPMA 와 같은 적어도 2개의 상이한 친수성 모노머 단위들의 랜덤 코폴리머일 수도 있다.
이온성 기들을 모노머 내로 도입하기 위해서, 아크릴산 (아크릴레이트) 및/또는 메타크릴산 (메타크릴레이트) 와 같은 하전된 모노머 단위들이 친수성 블록 내에 통합될 수도 있다. 그리하여, 본 발명의 특정 실시형태에 있어서, 친수성 블록은 적어도 하나의 비이온성 친수성 모노머 단위 (예컨대, 상술한 바와 같음) 로 이루어질 수 있고, 그리고 적어도 하나의 이온성 친수성 모노머 단위로 이루어질 수 있으며, 여기서 이온성 모노머 단위는 바람직하게 1-20 몰% 의 몰량으로 존재한다. 친수성 블록이 아크릴산 또는 메타크릴산과 같은 이온성 모노머 단위를 포함하는 경우에, (메타)아크릴아미드류, 특히 N,N-디알킬 아크릴- 또는 메타크릴아미드류의 그룹으로부터 선택되는 친수성 모노머와의 공중합이 바람직하다.
소수성 블록의 소수성 모노머 단위들은 바람직하게 소수성 아크릴 및/또는 메타크릴 단위들, 스티렌-계 모노머 단위들 또는 이들의 조합들로부터 선택된다. 바람직하게, 소수성 모노머 단위들은 소수성 (메타)아크릴 에스테르류, 예컨대, 친수성기를 갖지 않으면서 1-3개의 C 원자들을 갖는 알코올 부분을 갖는 에스테르류로부터 선택된다. 소수성 블록에 대한 모노머 단위들의 구체예들은:
메틸 아크릴레이트,
메틸 메타크릴레이트 (MMA),
에틸 아크릴레이트,
에틸 메타크릴레이트 (EMA),
n- 또는 i-프로필 아크릴레이트,
n- 또는 i-프로필 메타크릴레이트,
n-부틸 아크릴레이트,
n-부틸 메타크릴레이트 (BUMA),
네오펜틸 아크릴레이트,
네오펜틸 메타크릴레이트,
및 이들의 조합들로부터 선택된다.
소수성 블록은 바람직하게, 예컨대 랜덤 코폴리머로서 존재하는 적어도 2개의 상이한 소수성 모노머 단위들을 포함한다. 바람직한 실시형태에 있어서, 소수성 블록은 메틸 메타크릴레이트 (MMA) 및 n-부틸 메타크릴레이트 (BUMA) 를 포함한다. 특히 바람직한 실시형태에 있어서, 소수성 블록은 MMA 와 BUMA 의 랜덤 코폴리머이다. MMA 와 BUMA 간의 몰비는 바람직하게 약 60% (MMA) : 40% (BUMA) 내지 약 40% (MMA) : 60% (BUMA), 예컨대, 약 50% (MMA) : 50% (BUMA) 이다. 소수성 블록의 유리 전이 온도는 바람직하게 100 ℃ 이하, 90℃ 이하, 또는 80℃ 이하이며, 예컨대, 약 40-80℃ 이다. 다른 실시형태에 있어서, 소수성 블록은 스티렌 단위들, 예컨대 약 95℃ 의 유리 전이 온도를 갖는 폴리스티렌으로 이루어질 수도 있다.
본 발명에 사용되는 블록 코폴리머들은 공지된 방법들 (
Figure pct00001
et al., Macromolecules 34 (2001), 7477-7488) 에 따라 제조될 수도 있다.
블록 코폴리머들은 통상의 기법들에 의해, 예컨대, 미리 제작된 전극 시스템에 적용되는 적합한 용매 또는 용매 혼합물 (예컨대 에테르와 같은 유기 용매) 에 블록 코폴리머의 용액을 제공함으로써, 전극 시스템에 적용되고 그 후에 건조될 수도 있다.
블록 코폴리머가 물과 접촉할 때에, 그것은 온도 37℃ 및 pH 7.4 (수계 인산염 완충제 10 mM KH2PO4, 10 mM NaH2PO4 및 147 mM NaCl) 에서 바람직하게 약 15-30 중량% 의 물 흡수를 나타낸다.
확산 배리어는 블록 코폴리머 이외에도 또한 추가적인 성분들, 특히 폴리머에 분산 및/또는 용해될 수도 있는 비중합성 성분들을 포함할 수도 있다. 이들 추가적인 성분들은 가소제들, 특히 생체에 적합한 가소제들, 이를테면 트리-(2-에틸헥실) 트리멜리테이트 및/또는 글리세롤을 포함한다.
본 발명의 확산 배리어는 포도당에 대한 높은 유효 확산 계수 Deff 를 가지며, 포도당에 대한 유효 확산 계수 Deff 는 바람직하게는 10-10 ㎠/s 이상, 보다 바람직하게는 5·10-10 ㎠/s 이상, 보다 더 바람직하게는 10-9 ㎠/s 이상이며, 예컨대 온도 37℃ 및 pH 7.4 에서 10-7 또는 10-8 ㎠/s 까지 이른다. 유효 확산 계수는 바람직하게 하기 식에 따라 실시예 4 에 기재된 바와 같이 결정된다:
Figure pct00002
여기서 SEm 은 작업 전극의 감도이고, F 는 작업 전극의 면적이고, Lm 은 확산 배리어의 층 두께이다. SEm 및 Lm 은 실시예들에 기재된 바와 같이 결정될 수도 있다.
본 발명의 전극 시스템은 생체내 조건 하에서, 즉, 신체 안으로 삽입 또는 이식될 때에 분석물의 농도를 측정하기에 적합하다. 분석물은 조직 또는 체액 내에 존재하는 임의의 분자 또는 이온일 수도 있는데, 예를 들어 산소, 이산화 탄소, 염들 (양이온들 및/또는 음이온들), 지방들 또는 지방 성분들, 탄수화물들 또는 탄수화물 성분들, 단백질들 또는 단백질 성분들, 또는 다른 종류의 생체분자들일 수도 있다. 체액 (예컨대, 혈액) 과 조직 (이를테면, 산소, 이산화 탄소, 나트륨 양이온들, 염화물 음이온들, 포도당, 요소, 글리세롤, 젖산 및 피루베이트) 사이에 유효하게 전달될 수 있는 분석물들을 결정하는 것이 특히 바람직하다.
전극 시스템은 전극 상에 고정된 효소를 포함한다. 효소는 원하는 분석물의 결정에 적합하다. 바람직하게, 효소는 분석물을 촉매적으로 전환할 수 있고 그리고 이에 따라 작업 전극의 전기 컨덕터에 의해 검출 가능한 전기 신호를 생성할 수 있다. 분석물을 측정하기 위한 효소는 바람직하게 산화효소 (예컨대 포도당 산화효소 또는 젖산 산화효소) 또는 탈수소효소 (예컨대 포도당 탈수소효소 또는 젖산 탈수소효소) 이다. 효소층은 효소 이외에도 또한 전기 촉매 또는 산화환원반응 매개체를 포함할 수도 있으며, 전기 촉매 또는 산화환원반응 매개체는 전자들을 작업 전극의 전도성 성분들, 예컨대 그래파이트 입자들로 전달시키는데 알맞다. 적합한 전기 촉매들은 이산화 망간과 같은 금속 산화물들 또는 코발트 프탈로시아닌과 같은 유기금속 화합물들이다. 바람직한 실시형태에 있어서, 산화환원반응 매개체는 과산화수소를 분해시킬 수 있고 이에 따라 작업 전극의 주위에서의 산소의 감소에 반작용할 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 산화환원반응 매개체는 효소에 공유 결합될 수도 있고, 이에 따라 작업 전극으로의 직접적인 전자 전달에 영향을 줄 수도 있다. 직접적인 전자 전달에 대한 적합한 산화환원반응 매개체들은 보결 분자단들, 이를테면 피롤로 퀴놀린 퀴논 (PQQ), 플래빈 아데닌 디뉴클레오티드 (FAD) 또는 다른 공지된 보결 분자단들이다. 전극들 상에 고정된 효소들은, 예컨대 WO 2007/147475 에 기재되어 있으며, 그 개시내용이 본 명세서에 참조로서 통합된다.
전극 시스템의 바람직한 실시형태는 전기 컨덕터를 갖는 카운터 전극, 그리고 효소층 및 확산 배리어가 상부에 배열되어 있는 전기 컨덕터를 갖는 작업 전극을 포함한다. 효소층은 바람직하게, 서로로부터 떨어져, 예컨대 적어도 0.3 mm 또는 적어도 0.5 mm 떨어져 작업 전극의 컨덕터 상에 배열되는 다중 필드들의 형태로 디자인된다. 작업 전극의 개별 필드들은 일련의 개별 작업 전극들을 형성할 수도 있다. 이들 필드들 사이에는, 작업 전극의 컨덕터가 절연체에 의해 커버될 수도 있다. 전기 절연층의 개구들의 정상부에 효소층의 필드들을 배열함으로써, 신호대 잡음비가 개선될 수 있다. 이러한 배열은 WO 2010/028708 에 개시되어 있으며, 그 개시내용이 본 명세서에 참조로서 통합된다.
본 발명의 전극 시스템은 또한 작업 전극에 대한 기준 전위를 공급할 수 있는 기준 전극, 예컨대 Ag/Ag-Cl 기준 전극을 포함할 수도 있다. 게다가, 본 발명에 따른 전극 시스템은 추가적인 카운터 전극들 및/또는 작업 전극들을 가질 수 있다.
전극 시스템은, 예컨대, 포텐티오스탯 (potentiostat) 그리고 전극 시스템의 측정 신호들의 증폭을 위한 증폭기에 연결됨으로써, 센서의 부분일 수도 있다. 센서는 바람직하게 효소 비유체 (ENF) 센서이고, 보다 바람직하게 전기화학 ENF 센서이다. 전극 시스템의 전극들은 포텐티오스탯을 내포하는 기재 상에 배열될 수도 있고 또는 포텐티오스탯을 내포하는 회로 보드에 부착될 수도 있다.
본 발명의 다른 주제는 효소 전극에 대한 확산 배리어로서 적어도 하나의 친수성 블록 및 적어도 하나의 소수성 블록을 갖는 블록 코폴리머의 사용에 관련된다. 블록 코폴리머는 바람직하게는 상기 기재된 바와 같으며, 예컨대 단일 블록 코폴리머이다. 확산 배리어 및 효소 전극은 바람직하게는 또한 상기 기재된 바와 같다.
본 발명의 다른 상세사항들 및 이점들에 대해 첨부 도면들을 참조하면서 예시적인 실시형태에 기초하여 설명한다.
도 1 은 본 발명에 따른 전극 시스템의 예시적인 실시형태를 나타낸다.
도 2 는 도 1 의 상세도를 나타낸다.
도 3 은 도 1 의 다른 상세도를 나타낸다.
도 4 는 도 2 의 단면 라인 C-C 에 따르는 단면을 나타낸다.
도 5 는 배리어층들로서 상이한 블록 폴리머들 (C, F, D, B) 을 구비한 (10 mM 포도당에서) 4개의 포도당 센서들의 감도 (표준 편차를 가짐) 를 나타낸다.
도 6 은 배리어층들로서 상이한 블록 코폴리머들 (A, C, D, F) 을 구비한 4개의 포도당 센서들의 센서 드리프트를 나타낸다.
도 7 은 시간에 따른 블록 코폴리머 A 의 전도율을 나타낸다 (2개의 실험).
도 8 은 시간에 따른 블록 코폴리머 F 의 전도율을 나타낸다 (3개의 실험).
도 9 는 층 두께 2.77 ㎛ 또는 4.43 ㎛ 각각에 대해 시간에 따른 블록 코폴리머 H 의 전도율을 나타낸다.
도 1 은 인간 또는 동물의 신체 조직 안으로, 예를 들어 진피 (cutis) 또는 피하 지방 조직 안으로 삽입하기 위한 전극 시스템의 예시적인 실시형태를 나타낸다. 상세도 A 의 확대가 도 2 에 나타나 있고, 상세도 B 의 확대가 도 3 에 나타나 있다. 도 4 는 도 2 의 단면 라인 C-C 에 따르는 대응하는 단면도를 나타낸다.
나타낸 전극 시스템은 작업 전극 (1), 카운터 전극 (2) 및 기준 전극 (3) 을 갖는다. 전극들의 전기 컨덕터들 (1a, 2a, 3a) 은, 바람직하게는 팔라듐 또는 금으로 이루어지는 금속 컨덕터 경로의 형태로 기재 (4) 상에 배열된다. 나타낸 예시적인 실시형태에서, 기재 (4) 는, 예컨대 폴리에스테르로 이루어진 유연성 플라스틱 판이다. 기재 (4) 는 두께가 0.5 ㎜ 미만, 예를 들어 100 내지 300 마이크로미터이며, 따라서 그의 삽입 이후 에워싸는 신체 조직의 운동에 적응할 수 있도록 구부러지기 쉽다. 기재 (4) 는 신체 외측에 배열되는 전극 시스템에 연결하기 위한 넓은 헤드 및 환자의 신체 조직 안으로 삽입하기 위한 좁은 축을 갖는다. 기재 (4) 의 축은 바람직하게는 길이가 적어도 1 ㎝, 특히 2 ㎝ 내지 5 ㎝ 이다.
나타낸 예시적인 실시형태에서, 측정 설비의 일 부분, 즉 기재의 헤드는 사용 동안 환자의 신체로부터 돌출한다. 대안적으로는, 전체 측정 설비를 이식하고 측정 데이터를 무선 방식으로 신체의 외측에 배열되는 수신기에 송신하는 것이 또한 가능하긴 하다.
작업 전극 (1) 은 분석물의 촉매 변환을 위해 고정된 효소 분자들을 함유하는 효소층 (5) 을 내포한다. 효소층 (5) 은, 예를 들어 효소 분자들, 산화환원반응 매개체 또는 전기 촉매, 중합성 결합제, 및 탄소 입자들의 경화 페이스트의 형태로 도포될 수 있다. 이러한 종류의 효소층 (5) 의 제조의 상세사항들은, 예를 들어 이러한 내용이 참조되는 WO 2007/147475 에 개시되어 있다.
나타낸 예시적인 실시형태에서, 효소층 (5) 은 작업 전극 (1) 의 컨덕터 (1a) 에 연속적으로 도포되지 않으며, 오히려 서로 떨어져서 배열되는 개별 필드의 형태로 도포된다. 나타낸 예시적인 실시형태에서의 효소층 (5) 의 개별 필드는 연속하여 배열되어 있다.
작업 전극 (1) 의 컨덕터 (1a) 는 도 2 에서 특히 잘 나타나는 효소층 필드들 사이의 좁은 구역들을 갖는다. 카운터 전극 (2) 의 컨덕터 (2a) 는 작업 전극 (1) 의 컨덕터 (1a) 의 코스를 따르는 윤곽을 갖는다. 이러한 수단은 유리하게는 짧은 전류 경로 및 낮은 전류 밀도에 의해 카운터 전극 (2) 과 작업 전극 (1) 의 끼워지는 또는 맞물리는 배열을 초래한다.
그의 유효 표면을 증가시키기 위해, 카운터 전극 (2) 에는 카운터 전극 (2) 의 컨덕터 (2a) 에 개별 필드의 형태로 위치되는 다공성 전기 전도층 (6) 이 제공될 수 있다. 작업 전극 (1) 의 효소층 (5) 과 같이, 이 층 (6) 은 중합성 결합제 및 탄소 입자들의 경화 페이스트의 형태로 도포될 수 있다. 층 (6) 의 필드들은, 비록 의무적이지는 않지만, 바람직하게는 효소층 (5) 의 필드와 동일한 치수를 갖는다. 하지만, 카운터 전극의 표면의 증가를 위한 대책이 선행되는 것이 가능하긴 하며, 카운터 전극 (2) 은, 어떠한 종류의 코팅도 갖지 않거나, 또는 기재된 블록 코폴리머로 이루어진 코팅 및 선택적으로 스페이서를 갖는 선형 컨덕터 경로로 디자인되는 것이 가능할 수 있다.
기준 전극 (3) 은 작업 전극 (1) 의 컨덕터 (1a) 와 카운터 전극 (2) 의 컨덕터 (2a) 사이에 배열된다. 도 3 에 나타낸 기준 전극은, 전도성 은/은 염화물 페이스트의 필드 (3b) 가 상부에 배열되는 컨덕터 (3a) 로 이루어진다.
도 4 는 도 2 의 단면 라인 C-C 를 따르는 개략적인 단면도를 나타낸다. 단면 라인 C-C 는 작업 전극 (1) 의 효소층 필드들 (5) 중 하나를 통과하여 그리고 카운터 전극 (2) 의 전도층 (6) 의 필드들 사이에 뻗어있다. 컨덕터 경로들 (1a, 2a) 의 금속에 의해 다르게 촉매 작용될 수도 있는 간섭 반응을 방지하기 위해, 전도층들 (6) 의 필드들 사이의 카운터 전극 (2) 의 컨덕터 (2a) 와 마찬가지로, 효소층 (5) 의 필드들 사이에, 작업 전극 (1) 의 컨덕터 (1a) 는 전기 절연층 (7) 으로 커버될 수 있다. 효소층 (5) 의 필드들은 따라서 절연층 (7) 의 개구들에 위치된다. 마찬가지로, 카운터 전극 (2) 의 전도층 (6) 의 필드들은 절연층 (7) 의 개구들의 정상부에 또한 놓일 수도 있다.
효소층 (5) 은, 측정될 분석물에 대한 확산 내성을 주고 따라서 확산 배리어로서 작용하는 커버층 (8) 에 의해 커버된다. 확산 배리어 (8) 는 상술한 바와 같이 교대하는 친수성 블록 및 소수성 블록을 갖는 단일 코폴리머로 이루어진다.
커버층 (8) 의 유리한 두께는, 예를 들어 3 내지 30 ㎛, 특히 약 5 내지 10 ㎛ 또는 약 10 내지 15 ㎛ 이다. 그의 확산 내성 때문에, 커버층 (8) 은 단위 시간당 더 적은 분석물 분자들이 효소층 (5) 에 도달하는 것을 야기한다. 따라서, 커버층 (8) 은 분석물 분자들이 전환되는 비율을 줄이고, 따라서 작업 전극의 주위에서의 분석물 농도의 감소에 반작용한다.
커버층 (8) 은 본질적으로는 작업 전극 (1) 의 컨덕터 (1a) 의 전체 면적에 걸쳐 연속적으로 뻗어있다. 커버층 (8) 상에, 주위 신체 조직의 세포와 효소층 (5) 사이에 최소 거리를 확립하는 스페이서 (9) 로서 생체에 적합한 막이 배열될 수도 있다. 이러한 수단은 유리하게 효소층 필드 (5) 의 주위의 유체 교환의 전이적 방해의 경우 분석물 분자들이 대응하는 효소층 필드 (5) 에 도착할 수 있는 분석물 분자들을 위한 저장소를 생성한다. 전극 시스템의 주위의 체액의 교환이 전이적으로 제한 또는 심지어 방지된다면, 스페이서 (9) 에 저장되는 분석물 분자들은 이 분석물 분자들이 전환되는 작업 전극 (1) 의 효소층 (5) 으로 계속해서 확산한다. 따라서 스페이서 (9) 는 분석물 농도의 눈에 띄는 감소와 측정 결과의 대응하는 변조가 현저히 더 장기간 이후에만 발생하게 한다. 나타낸 예시적인 실시형태에서, 스페이서 (9) 를 형성하는 막은 또한 카운터 전극 (2) 및 기준 전극 (3) 을 커버한다.
스페이서 막 (9) 은, 예를 들어 투석 막 (dialysis membrane) 일 수 있다. 이러한 문맥에서, 투석 막은 최대 크기보다 더 큰 분자들에 대하여 불투과성인 막인 것으로 이해된다. 투석 막은 별개의 제조 공정에서 미리 제작될 수 있고 그 후 전극 시스템의 제작 동안 적용될 수 있다. 투석 막이 투과시킬 수 있는 분자들의 최대 크기는, 분석물 분자들이 통과할 수 있고 더 큰 분자들은 남겨지도록 선택된다.
대안적으로, 투석 막 대신에, 예를 들어 폴리우레탄을 기본으로 하는, 분석물과 물에 대하여 매우 투과성인 폴리머로 이루어진 코팅이, 스페이서 막 (9) 으로서 전극 시스템에 걸쳐 도포될 수 있다.
바람직하게, 스페이서는 (메타)아크릴레이트들의 코폴리머로 이루어진다. 바람직하게, 스페이서 막은 적어도 2 또는 3개의 (메타)아크릴레이트들로부터의 코폴리머이다. 보다 바람직하게, 스페이서 막은 50 몰% 초과, 적어도 60 몰% 또는 적어도 70 몰% 의 친수성 모노머 단위들, 예컨대, HEMA 및/또는 2-HPMA 그리고 40 몰% 까지 또는 30 몰% 까지에 이르는 친수성 단위들, 예컨대, BUMA 및/또는 MMA 를 포함한다. 스페이서는 랜덤 또는 블록 코폴리머일 수도 있다. 특히 바람직한 스페이서 막은 소수성 부위로서의 MMA 또는 BUMA 그리고 친수성 부위로서의 2-HEMA 및/또는 2-HPMA 를 포함한다. 스페이서 막은 분석물에 대해 매우 투과성이며, 즉 스페이서 막은 약 20 ㎛ 미만, 바람직하게는 약 5 ㎛ 미만의 층 두께를 가진 채, 작업 전극의 면적 당 감도를 상당히 저하시키는데, 예를 들어 20 % 이하, 또는 5 % 이하로 저하시킨다.
효소층 (5) 은 촉매 산화환원반응 매개체로서 금속 산화물 입자들, 바람직하게는 이산화망간 입자들을 함유할 수 있다. 이산화망간은, 예컨대 포도당 및 다른 생분석물 (bioanalyte) 들의 효소 산화에 의해 형성되는 수소 과산화물을 촉매적으로 전환한다. 수소 과산화물의 저하 동안, 이산화망간 입자들은 전자들을 작업 전극 (1) 의 전도성 성분, 예컨대 효소층 (5) 의 그래파이트 입자들로 전달한다. 수소 과산화물의 촉매 저하는 효소층 (5) 의 산소 농도의 어떠한 감소에 반작용한다. 유리하게는 이는 효소층 (5) 에서 검출될 분석물의 전환이 국부 산소 농도에 의해 한정되지 않게 한다. 촉매 산화환원반응 매개체의 사용은 따라서 낮은 산소 농도에 의한 측정 결과의 변조에 반작용한다. 촉매 산화환원반응 매개체의 다른 이점은 수소 과산화물의 세포 손상 농도의 발생을 방지한다는 것이다.
본 명세서에 기재된 바람직한 스페이서 막 폴리머는 본 발명의 확산 배리어에 대한 외곽 코팅으로서 사용될 수도 있고 또한 일반적으로 전극 시스템, 특히 전극 시스템의 외부로부터 고정된 효소 분자들로의 분석물의 확산을 제어하는 확산 배리어 그리고 고정된 효소 분자들을 갖는 전극을 포함하는, 생체내 조건 하에서 분석물의 농도를 측정하기 위한 전극 시스템의 외곽 코팅으로서도 사용될 수도 있다.
그리하여, 본 발명의 다른 목적은, 바람직하게 전극 시스템의 외부로부터 효소 분자들로의 분석물의 확산을 제어하는 확산 배리어 그리고 고정된 효소 분자들을 갖는 전극을 포함하는, 생체내 조건 하에서 분석물의 농도를 측정하기 위한 전극 시스템으로서, 스페이서 막이 전극 시스템의 외곽 층의 적어도 부분을 형성하고, 스페이서 막은 아크릴 및/또는 메타크릴 모노머들의 친수성 코폴리머를 포함하고, 폴리머는 50 몰% 초과의 친수성 모노머들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 시스템을 제공하는 것이다.
특히 전극 시스템의 구조, 분석물 및 효소 분자들에 관련하여 이 실시형태의 특징들은 본 명세서에 기재된 바와 같다. 확산 배리어는 바람직하게는 본 명세서에 기재된 바와 같으며, 하지만 확산 배리어는 또한 상이한 조성을 가질 수도 있고 또는 존재하지 않을 수도 있다. 스페이서 막 코폴리머의 바람직한 아크릴 및 메타크릴 모노머들은 본 명세서에 기재된 바와 같다. 외곽 스페이서 막은 바람직하게는 적어도 효소 분자들을 포함하는 작업 전극 부분을 커버하며, 선택적으로 또한 다른 부분들, 예컨대 카운터 전극도 커버한다.
실시예 1 : 하나의 단일 블록 코폴리머로 이루어진 확산층을 가지며 경피 (transcutaneous) 이식을 위한 분산 전극들을 갖는 효소 비유체 ( ENF ) 포도당 센서의 투과성
센서는 두께 250 ㎛ 를 갖는 폴리에스테르 기판 상의 미리 제작된 팔라듐 스트립 컨덕터 구조 상에 장착된다. 작업 전극 (WE) 및 카운터 전극 (CE) 은 분산 배열된다 (도 1 및 도 2 에 나타낸 바와 같음).
CE 의 필드들은 탄소 페이스트로 오버프린트되었고, 스트립 컨덕터의 나머지가 절연되었다. WE 의 필드들은 가교된 포도당 산화효소 (효소), 전도성 폴리머 페이스트 및 전기 촉매, 여기서는 산화 망간(IV) (Technipur) 의 혼합물로 오버프린트되었다. 스트립 컨덕터의 나머지 경로들은 또 다시 절연되었다. 기준 전극 (RE) 은 Ag/AgCl 페이스트로 이루어진다. 전극들은 약 1 cm 의 센서 축을 커버한다.
WE 필드들은 HEMA 블록 및 BUMA 블록으로 이루어진 블록 코폴리머 확산층으로 코팅되었다. 그 층의 두께는 7 ㎛ 이다.
4개의 센서 배치 (sensor batch) 들을 제조하였고, 각각은 확산층으로서 특정 블록 코폴리머를 구비하였다 (하기 리스트 참조). 모든 블록 코폴리머들은 Polymer Source, Montreal 로부터 입수되었고, 하기 표 1 에 나열되어 있다.
Figure pct00003
각각의 블록 코폴리머는 유기 용매 (25% 농도) 에 용해되었고, 센서들이 그것으로 코팅되었다. 벨트 드라이어들에 의해 건조시킨 후 (2 분, 30 내지 50℃), 코팅된 센서들은 상이한 농도들의 포도당 용액들 안에서 시험관내 (in-vitro) 시험되었다. 각각의 센서 중에서, 10개의 센서들이 랜덤 샘플로서 측정되었다. 시험관내 감도에 대한 측정으로서, 10 mM 및 0 mM 포도당 농도에서의 측정 전류들의 차이에 의해 신호가 계산되었고, 그 후 10 mM 에 의해 제산되었 (실시예 4 참조).
모든 센서들은 350 mV 대 Ag/AgCl 의 분극 전압에서 동작되었고, 측정 온도는 37℃ 에서 일정하게 유지되었다. 이 측정 시리즈를 위해 사용된 센서들은 WO 2010/028708 에 기재된 스페이서를 포함하지 않았지만, 시험된 신호 레벨을 감안하여 어떠한 차이도 생기지 않았다. 도 5 는 4개의 상이한 확산층들에 대한 표준 편차들을 갖는 센서 감도를 나타낸다.
블록 코폴리머들 C, D 및 F 에 관하여, 친수성 블록에 비교한 소수성 블록의 몰비 및 시험관내 감도 사이에 명백한 관련이 있다. 코폴리머의 대략 동일한 전체 사슬 길이에서, 친수성 블록 (HEMA) 의 양이 증가함에 따라 감도가 증가한다.
블록 코폴리머 B 의 확산층을 갖는 센서들은 예외이다. 폴리머 B 는 폴리머 F 와 유사하게 소수성 대 친수성 양의 몰비를 갖고 있지만, 감도 및 그에 따른 포도당에 대한 투과성이 감소된다. 경험적으로, 폴리머 B 의 경우에 코폴리머 분자의 분자량 (전체) 에 대응하는 전체 사슬 길이가, 층의 투과성이 감소될 정도로 크다고 말할 수 있다. 이는 또한 나머지 폴리머들과 비교해서 블록 코폴리머 B 의 중량 측정에 의해 결정된 물 흡수에서도 알 수 있다. 폴리머 B 는 10.6%±1.5% (폴리머 건조 중량에 대해 언급된 중량 퍼센트) 의 물 흡수를 갖는다. 폴리머 C 는 15.6%±0.0% 이고, 폴리머 F 는 16.5%±3.1% 이고, 폴리머 D 는 27%±1.7% 이다.
실시예 2 : ENF 포도당 센서의 확산층의 역학적 유연성
센서는 WO2010/028708 에 기재된 바와 같이 제작되었지만, 본 발명에 따른 확산층을 갖고 있다. 유리 전이 온도 (Tg) 가 역학적 유연성에 대한 대체 파라미터이라고 가정하였다. 또한, 소수성 블록에 할당될 수도 있는 유리 전이 온도가 생체내 응용시에 역학적 유연성을 결정한다고 가정하였다. 블록들의 개수에 대응하여, 하나의 블록 코폴리머에 대해 수개의 Tg 가 정의될 수도 있음에 유의해야 한다.
센서들은 실시예 1 에서와 동일한 전극 페이스트들로 코팅되었다. 그 후, 센서들의 일부는 MMA-HEMA (Polymer Source, Montreal 제조) 로부터 선택된 코폴리머로 코팅되었다. 이 폴리머 (E 라 함) 는 전체 분자량 41 kD 를 가지며, MMA (소수성 양) 대 HEMA 의 몰비가 60%:40% 이다. 소수성 블록의 유리 전이 온도는, 10℃/min 의 가열 속도 및 DSC 에 의해 111℃ 이라고 결정되었다.
그 외에, 다른 센서들에는 본 발명의 블록 코폴리머 (A 라 함) 의 확산층이 제공되었다. 상기 코폴리머 A 의 소수성 블록은 랜덤 시퀀스에서 동일 몰량으로 MMA 및 BUMA 를 함유한다. 또한, 소수성 부분 대 친수성 부분의 몰비는 60%:40% 이다. 분자량은 36 kD 이다. MMA 및 BUMA (Tg 약 45℃) 의 랜덤 시퀀스로 인해, 소수성 블록의 Tg 가 73℃ 로 감소한다.
확산층들 둘다는 에테르 중의 코폴리머들의 각각의 용액 (25%) 로부터 생성되었으며, 실시예 1 에서와 같이 건조되었다. 확산층들의 두께는 7 ㎛ 이었다. 후속하여 스페이서 층이 딥 코팅을 통해 도포되었고, 실온에서 24 시간 건조되었다. 스페이서 층은 NOF Japan 제조의 Lipidure CM 5206 로 이루어졌다.
조직으로부터의 체외 배향 이후에, 코폴리머 E 확산층을 갖는 센서들은 확산층 내에 산발적인 크랙을 나타냈다. 이는 역학적 부하의 영향이라고 여겨진다. 대조적으로, 코폴리머 A 확산층을 갖는 센서들은 동일한 부하 하에서 어떠한 크랙도 나타내지 않았다. 이는 명백히, 코폴리머의 역학적 안정성을 증가시키는 Tg 의 감소에 기인한 것이다. WO2010/028708 에 개시된 바와 같은, 2종의 코폴리머들의 물리적 혼합물이 더 이상 필요하지 않다.
실시예 3 : 본 발명에 따른 확산층 및 분산 전극을 갖는 ENF 포도당 센서의 최적 투과 거동
실시예 1 에 기재된 바와 같이 제작되었지만, 전체 센서 축 상에 추가적인 스페이서 층을 갖는 센서가 제작되었다. 각각의 확산층을 갖는 센서들은 실시예 1 및 2 의 코폴리머들 A, C, D 및 F 에 대해 제조되었다. 이러한 목적을 위해, 코폴리머의 24% 에테르 용액이 생성되었다. 각각의 용액은 센서들의 세트 (N=10) 상에 도포되었고, 그 후 밴드 드라이어에서 건조되었다. 그리하여, 두께 7㎛ 를 갖는 확산층들이 획득되었다.
그 후에, 센서들에는 실시예 2 에 기재된 바와 같이 스페이서 층이 제공되었다.
센서는 센서 보드 상에서 측정 시스템과 연결되었고, 측정 시스템은 측정 데이터를 데이터 스토어로 전달한다. 시험관내 측정들은 7 일의 측정 기간 동안 실시예 1 에서와 같이 실시되었다. 측정 데이터로부터, 각 센서에 대한 각각의 측정 기간 동안 감도 드리프트가 계산되었다. 도 6 은 각 센서 변종, 즉, 확산층의 변종에 대하여, 그룹에 대한 시험관내 드리프트 값의 평균 값을 나타낸다. 측정의 초기 페이즈 - 첫번째 6 시간, 소위 시동 페이즈 - 는 계산으로부터 제외되었다.
BUMA 의 소수성 블록을 갖는 코폴리머들 C, D 및 F 모두에 대해, 양의 드리프트가 존재하며, 즉 감도가 시간에 따라 증가한다. 대조적으로, MMA 및 BUMA 의 랜덤 코폴리머의 소수성 블록을 갖는 코폴리머 A 는 매우 낮은 드리프트, 약간 음의 드리프트를 야기한다.
이들 차이들은 추가적인 실험들에서 측정된 각각의 확산층들의 장시간 투과성 응답에 의해 설명될 수도 있다. WE 페이스트를 갖지 않고 정의된 활성 표면을 갖는, 즉, 효소층도 또한 갖지 않은 팔라듐 센서들은 - 결과물들에 대한 그의 팽윤 (swelling) 거동의 영향을 제외함 - 상기 폴리머 용액으로 코팅되었고, 건조 후에, 그 층의 두께가 측정되었다. 후속하여, 나트륨- 및 염화물-함유 완충제 용액으로 전도율이 측정되었다.
도 7 은 코폴리머 A 의 전도율이 짧은 시동 페이즈 이후에 거의 일정하게 유지됨을 나타낸다.
이는, 도 8 에서 알 수 있듯이, 동일한 측정 조건 하이더라도, 코폴리머 F 에 대한 경우에는 그렇지 않다. 이 경우에, 코폴리머 F 의 확산층의 장기간 및 강한 투과성 응답이 관찰되었고, 층 두께에 실제로 독립적이었다. BUMA 의 소수성 블록을 갖는 코폴리머 F - 및 또한 코폴리머들 C 및 D (나타내지 않음) - 에 대해, 장기간 동안에도 투과성의 증가가 생긴다. 측정시에, 이는 분산된 효소층을 갖는 센서 상으로 확산층이 도포된다면 감도의 연속적 증가를 야기한다. 이는 관찰된 양의 센서 드리프트를 설명한다.
반대로, 블록 코폴리머 A 를 갖는 센서는 무시할 수 있는 드리프트를 나타내는데, 이는 전도율 측정에서 매우 낮은 투과성 변화에 기인한다. 하지만, 측정 시작 직후에 (그 후에 약 1 시간까지), 코폴리머 A 에서 전도율의 강한 증가가 관찰된다. 여기서, 약 1 시간 후에 종료되는 매우 빠른 시동이 관찰된다. 이때, 확산층은 완전히 젖어 있고, 물 흡수로 인해 그것의 구조적 재조직을 종료하였다. 구조적 변화의 정도는 아마도 Tg 에 의존한다. 주변 온도의 범위 내의 Tg 를 갖는 코폴리머에 비해서, 시간 및 진폭에 제한되는, 증가된 Tg 를 갖는 코폴리머는 재조직을 통과할 것이다.
또한, 코폴리머 A 를 갖는 센서들은 코폴리머 F 확산층을 갖는 센서들에 비해서 측정의 시작시에 비교적 높은 감도를 나타낸다고 말할 수 있다. 이는 소수성 블록과 친수성 블록 간의 동일한 상대 비율에 기인한다고 예상된다. 달성된 감소 범위 1 내지 1.5 nA/mM (실시예 1 참조) 이 이상적이라고 간주된다. 이 감도는 코폴리머 A 로 이루어지는 확산층을 갖는 센서들에 대해 마찬가지로 획득된다.
3개의 물리 화학적 특징들 - 투과성, 역학적 안정성 및 투과성 응답 - 의 전부에 관련하여, 최적의 센서는 바람직하게, 블록 코폴리머 A 와 같이, 적어도 2개의 상이한 랜덤 배열된 소수성 모노머 단위들을 갖는 소수성 블록을 갖는, 블록 코폴리머의 확산층을 가지고 획득될 수도 있다. 소수성 블록들이 단일 모노머 단위로 이루어지는 다른 블록 코폴리머들은, 3개의 파라미터들 모두에 있어서 코폴리머 A 에 필적할 수 있는 품질에 도달하지 못한다.
실시예 4 : 블록 코폴리머들의 특징
포도당의 연속 측정을 위한 다중 필드 센서 (각각 작업 전극들 및 카운터 전극들의 10개의 필드들) 가 제조되었고, 시험관내에서 특징화되었다.
센서에는, 랜덤 공중합된 메틸 메타크릴레이트 (MMA) 및 n-부틸 메타크릴레이트 (BUMA) 의 소수승 블록 그리고 2-히드록시에틸 메타크릴레이트 (HEMA) 의 친수성 블록을 포함하는 블록 코폴리머로 이루어진 확산층이 제공되었다. 이들 폴리머들 (G 및 H 로 특정됨) 은 Polymer Source, Montreal 에서 제조되었고, 여기에 참조로서 포함되는 실시예들 1 내지 3 으로부터의 폴리머 A 보다 더 투과성이 있다.
하기 표 2 에, 그 코폴리머들이 기재된다:
Figure pct00004
각 블록의 분자량 Mn 은 상기 표 2 에 개별적으로 나타나 있고, 폴리머들이 특정 평균 값 주위에서 분자 사슬 길이들의 분산을 갖는 것으로 알려져 있기 때문에, 각 블록의 분자량 Mn 은 평균 값들을 나타낸다. 이는 또한 표 2 에 도출된 양에 적용된다.
소수성 블록들의 나타낸 유리 전이 온도들은 역학적 유연성을 보장하기 위해 원하는 범위 내에 있다.
분석물에 대한 확산 배리어의 투과성에 관한 결정 파라미터는 작업 전극의 면적 단위 (즉, 기하학적 면적) 당 감도이다. 감도 SE 는 분석되는 센서들 각각에 대해 인산염-완충제 용액 (pH 7.4) 중의 10 mM 및 at 0 mM 포도당에서 전류 (I) 측정으로부터 nA/mM 단위로 계산되었다:
Figure pct00005
개별적 측정 값들 (N=8) 로부터, 평균 감도 SEm 가 결정되었다. 획득된 감도 값들은 다중-필드 센서 상의 모든 작업 전극의 미시적으로 측정된 기하학적 전체 면적 F 에 의해 제산되었다. 이에 따라 감도 밀도 SEm/F 가 획득되었다.
시험관내 기능 곡선의 선형성 Y 는 작업 전극 상의 폴리머 커버층의 확산 제어 기능성의 표시이다. 그것은 분석되는 센서들 각각에 대해 20 mM, 10 mM 및 0 mM 포도당 농도에서 전류 측정들로부터 % 단위로 계산되었다:
Figure pct00006
개별적 측정 값들로부터, 평균 선형성 값 및 그 표준 편차가 결정되었다 (표 3 참조).
마지막으로, 센서들의 확산 배리어의 층 두께 L 은 폴리머들 각각에 대한 최적 측정에 의해 결정되었다. 동일 폴리머를 갖는 23 이상의 셈서들의 샘플에 대해 대응하는 평균 값들이 컴퓨팅되었다. 그것으로부터, 커버층의 유효 확산 계수 Deff 가 ㎠/s 단위로 계산될 수도 있다:
Figure pct00007
여기서 SEm 및 Lm 은 감도 및 층 두께에 대한 각각의 평균 값들이며, F 는 모든 작업 전극 스폿들의 전체 면적이다.
센서 드리프트가 7일의 시험관내 측정 동안 포도당 농도 스테이지들의 반복으로부터 계산되었다. 매우 일정한 전도율을 나타내는 폴리머 H 에 대한 결과들이 도 9 에 나타나 있다.
하기 표 3 은 기능적 특징의 결과를 나타낸다:
Figure pct00008
(포도당에 대해 더욱 투과성인) 더욱 친수성 폴리머 G 에 대해, 확산 계수가 또한 대안적인 방법에 의해, 예컨대, 포도당 용액을 갖는 챔버로부터 폴리머의 필름을 통과해서 포도당이 없는 완충제를 갖는 챔버 내로 포도당의 투과에 따라 결정되었다. 이 방법에 따르면, 확산 계수에 대한 유사한 값이 획득되었다 (1.17·10-9 ㎠/s).

Claims (20)

  1. 생체내 조건 하에서 분석물의 농도를 측정하기 위한 전극 시스템으로서, 상기 전극 시스템의 외부로부터 고정된 효소 분자들로의 분석물의 확산을 제어하는 확산 배리어 그리고 상기 고정된 효소 분자들을 갖는 전극을 포함하며,
    상기 확산 배리어는 적어도 하나의 친수성 블록 및 적어도 하나의 소수성 블록을 갖는 블록 코폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    (i) 상기 블록 코폴리머의 친수성 블록은 50 내지 200, 또는 150 내지 300, 특히 100 내지 150, 또는 200 내지 250개의 모노머 단위들의 길이를 가지며, 및/또는
    (ii) 상기 블록 코폴리머의 소수성 블록은 50 내지 200, 또는 150 내지 250, 특히 80 내지 150, 또는 170 내지 200개의 모노머 단위들의 길이를 갖는, 전극 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 친수성 블록은, 극성 기, 예컨대 OH, OCH3 또는 OC2H2 기를 갖는 친수성 (메타)아크릴에스테르류, 친수성 (메타)아크릴아미드류, (메타)아크릴산 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 친수성 모노머 단위들로 이루어지는, 전극 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 친수성 블록에 대한 모노머 단위들은:
    2-히드록시에틸 아크릴레이트,
    2-히드록시에틸 메타크릴레이트 (HEMA),
    2-메톡시에틸 아크릴레이트,
    2-메톡시에틸 메타크릴레이트,
    2-에톡시에틸 아크릴레이트,
    2-에톡시에틸 메타크릴레이트,
    2- 또는 3-히드록시프로필 아크릴레이트,
    2- 또는 3-히드록시프로필 메타크릴레이트 (2- 또는 3-HPMA),
    2- 또는 3-메톡시프로필 아크릴레이트,
    2- 또는 3-메톡시프로필 메타크릴레이트,
    2- 또는 3-에톡시프로필 아크릴레이트,
    2- 또는 3-에톡시프로필 메타크릴레이트,
    1- 또는 2-글리세롤 아크릴레이트,
    1- 또는 2-글리세롤 메타크릴레이트,
    아크릴아미드,
    메타크릴아미드,
    N-알킬- 또는 N,N-디알킬 아크릴아미드, 및 N-알킬- 또는 N,N-디알킬 메틸아미드 (여기서 알킬은 1 내지 3개의 C 원자들을 포함한다)
    아크릴산,
    메타크릴산
    및 이들의 조합으로부터 선택되는, 전극 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 친수성 블록은 적어도 2개의 상이한 친수성 모노머 단위들, 특히 적어도 하나의 비이온성 친수성 모노머 단위 및 적어도 하나의 이온성 친수성 모노머 단위를 포함하고,
    상기 이온성 모노머 단위는 바람직하게는 1 내지 20 몰% 의 몰량으로 존재하는, 전극 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소수성 블록은 소수성 (메타)아크릴에스테르류, 스티렌-계 모노머들 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 모노머 단위들로 이루어지는, 전극 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 소수성 블록에 대한 모노머 단위들은:
    메틸 아크릴레이트,
    메틸 메타크릴레이트 (MMA),
    에틸 아크릴레이트
    에틸 메타크릴레이트 (EMA),
    n- 또는 i-프로필 아크릴레이트,
    n- 또는 i-프로필 메타크릴레이트,
    n-부틸 아크릴레이트,
    n-부틸 메타크릴레이트 (BUMA),
    네오펜틸 아크릴레이트,
    네오펜틸 메타크릴레이트,
    및 이들의 조합으로부터 선택되는, 전극 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소수성 블록은 적어도 2개의 상이한 소수성 모노머 단위들을 포함하는, 전극 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 소수성 블록은 약 40 내지 80 ℃ 의 유리 전이 온도를 갖는, 전극 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 친수성 블록 : 상기 소수성 블록의 몰비는 75% (친수성) : 25% (소수성) 내지 25% (친수성) : 75% (소수성) 의 범위 내에 있고, 특히 65% (친수성) : 35% (소수성) 내지 35% (친수성) : 65% (소수성) 의 범위 내에 있고, 더욱 특별히 60% (친수성) : 40% (소수성) 내지 40% (친수성) : 60% (소수성) 의 범위 내에 있는, 전극 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기 컨덕터 (2a) 를 갖는 카운터 전극 (2), 및
    상기 고정된 효소 분자들 (5) 및 상기 확산 배리어 (8) 가 상부에 배열되어 있는 전기 컨덕터 (1a) 를 갖는 작업 전극 (1) 을 포함하는, 전극 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정된 효소 분자들 (5) 은, 서로로부터 떨어져 작업 전극 (1) 의 컨덕터 (1a) 상에 배열되는 다중 필드들의 형태로 존재하는, 전극 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확산 배리어 (8) 는, 바람직하게는 2 내지 20 ㎛, 보다 바람직하게는 5 내지 20 ㎛, 보다 더 바람직하게는 10 내지 15 ㎛ 의 두께를 갖는 효소층 (5) 을 커버하는 층을 형성하는, 전극 시스템.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    효소층 (5) 및 확산층 (8) 이 스페이서 (9) 에 의해 커버되고,
    상기 스페이서는 바람직하게 50 몰% 초과의 친수성 모노머 단위들을 포함하는 (메타)아크릴레이트류로부터의 코폴리머인, 전극 시스템.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확산 배리어는 하나의 블록 코폴리머만을 포함하는, 전극 시스템.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확산 배리어는 가소제를 더 포함하는, 전극 시스템.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확산 배리어는 포도당에 대한 유효 확산 계수 Deff 가 10-10 ㎠/s 이상, 보다 바람직하게는 5·10-10 ㎠/s 이상, 보다 더 바람직하게는 10-9 ㎠/s 이상인, 전극 시스템.
  18. 신체 안에 삽입가능하거나 또는 이식가능한 센서로서, 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 기재된 전극 시스템을 포함하는, 센서.
  19. 제 18 항에 있어서,
    포도당의 측정 용도인, 센서.
  20. 효소 전극에 대한 확산 배리어로서 적어도 하나의 친수성 블록 및 적어도 하나의 소수성 블록을 갖는 블록 코폴리머의 사용.
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