NO303851B1 - FremgangsmÕte for Õ forlenge driftslevetiden for en implanterbar sensor - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår implanterbare sensorer for å måle konsentrasjonen av kjemiske bestanddeler i kroppsvæsker. Nærmere bestemt gjelder en fremgangsmåte for å forlenge driftslevetiden for sådanne sensorer.

Den elektrokjemiske oksygenføler har vært et effektivt verktøy for å få kjennskap til den rolle oksygen spiller i biologiske systemer. Anvendelse av denne føler har vært den eksperimentelle hovedmetode i mange tusen studier og i mer enn førti år. I nesten alle disse studier er imidlertid føleren bare blitt brukt over en periode på høyst få dager før ny kalibrering er nødvendig. I den senere tid er det blitt utviklet en stabil oksygenføler som er egnet for uavbrutt anvendelse i langvarige overvåkingssituasjoner uten behov for hyppig nykalibrering. En sådan føler har gjort det mulig å gjennomføre visse viktige oksygenovervåkingsanvendelser som tidligere ikke har kunnet gjennomføres.

Denne type sensor og dens anvendelse som en komponent i et elektrodebasert enzymsystem for kontinuerlig overvåkning av glukose, er blitt beskrevet i flere tidligere patentskrifter, nemlig US-patent nr. 4 650 547, 4 671 288, 4 703 756 og 4 781 798. Glukose-overvåkingssystemet krever to sådanne oksygenfølere, nemlig en koblet for å stanse enzymer for å påvise oksygen modulert av enzymreaksjonen, og den annen for å overvåke bakgrunnskonsentrasjonen av oksygen.

Når en arbeidselektrode av edelmetall (vanligvis platina eller gull) nedsenkes i et elektrisk ledende medium og holdes på et potensial som er tilstrekkelig katodisk i forhold til en passende referanseelektrode, vil oksygenmolekyler i kontakt med elektrodeoverflat-en bli redusert og en oksygendiffusjonsgradient opprettet, hvilket fører til en elektrisk strøm. Denne strøm flyter da mellom arbeidselektroden og referanseelektroden hvis et system av to elektroder anvendes, eller hovedsakelig mellom arbeidselektroden og en indifferent motelektrode adskilt fra referanseelektroden, i det tilfelle et tre-elektrodesystem benyttes. Dette fenomen ble observert og rapportert allerede i det 19. århundre. Under visse betingelser kan reduksjonsstrømmen settes i sammenheng med oksygenkonsentrasjonen i mediet. En membran som er gjennomtrengelig for oksygen kan anbringes over elektrodene for å skille disse fra analytt-mediet og opprette de korrekte betingelser for masseoverføring av oksygen og elektrokjemisk oksygenreduksjon. Dette prinsipp danner grunnlaget for amperometriske (strømmålende) elektrokjemiske oksygensensorer. Amperometriske sensorer med tre elektroder betegnes ofte som potensiometriske følere, da de drives ved hjelp av potensiostatisk instrumentering. Det er erkjent at anvendelsen av dette prinsipp vil være påvirket av slike faktorer som urenheter i mediet, Ph og mellomreaksjonsprodukter, oksygen oppløst i elektrodens metallstruktur, bakgrunnselektrolyttens art, samt graden av oksydbelegg på elektrode-overflaten.

Reaksjonsbanene er kompliserte. De omfatter oksygenadsorbsjonens kinetikk på og inn i elektroden samt dannelse av mange metall/oksygen-komplekser som innbefatter kortlivede mellomprodukter. En detaljert betraktning av disse reaksjonsbaner er ikke påkrevet her, men forenklede modeller av elektrodereaksjonene antas å kunne forklare mange aspekter og vil være til hjelp for å forstå foreliggende oppfinnelse. En bredt godtatt mekanisme i syrlige media er følgende to-trinns prosess:

I alkaliske medier er en lignende prosess blitt foreslått:

H02- er den ioniserte form av H202som foreligger i alkaliske media. Disse to ligningssett angir at oksygenreduksjon kan finne sted ved enten en 2-elektrons eller en 4-elektrons prosess på platina i vandige løsninger.

Når elektroden polariseres innenfor et visst katodisk område, vil den elektrokjemiske reaksjon forløpe tilstrekkelig raskt til at prosessen blir masseovergangsbegrenset og fastlegges ved de foreliggende masseoverføringsbegrensninger som membranen og analyttmediet gir. Dette fører til et "strømplatå", hvor det er liten strømvariasjon som funksjon av påtrykt potensial. Elektroden kan lett drives som en del av en sensor innenfor dette potensialområde. Det vises i denne sammenheng til en artikkel av J.Y. Lucisano m.fl. med tittel " In Vitro Stability of an Oxygen Sensor" offentliggjort i Analytical Chemistry, bind 59, 1987, side 736 - 739.

Visse tre-elektrodefølere av denne type, særlig de som er beskrevet i ovenfor nevnte patentskrifter, har vist seg å ha langtidsstabilitet under veldefinerte former in vitro samt in vivo tilstander. Det er imidlertid funnet at etter en viss driftsperiode, har slike sensorer en tendens til å svikte i den ene eller den annen av to karakteristiske arbeidsmodi. I de fleste tilfeller vil da strømmen stige plutselig og vende tilbake til sin opprinnelige verdi flere ganger innenfor en tidsperiode på noen få timer, før den endelig forblir på en høy verdi utenfor måleskalaen. I andre sensorer begynte strømmen plutselig å drive nedover og avtok over en periode på flere uker.

Det vil da være av vesentlig verdi å ha tilgang til en fremgangsmåte som kan forhindre eller forsinke sådan arbeidsfunksjonssvikt, da dette forventes i vesentlig grad å øke driftslevetiden for følerne.

Det er derfor et formål for foreliggende oppfinnelse å komme frem til en slik fremgangsmåte som øker driftslevetiden for implanterbare følere eller sensorer som inneholder potensielt korroderbare elektroder (fortrinnsvis slike som sølv- eller sølvimpregnerte elektroder), særlig med tanke på sensorer beregnet på påvisning av oksygen og/eller glukose i kroppsvæsker.

Foreliggende oppfinnelse gjelder således en fremgangsmåte for å forlenge driftslevetiden til en implanterbar sensor som inneholder korroderbare elektroder, og hvor en sensorkrets omfatter en sensor som har en korroderbar referanseelektrode, minst én katodisk arbeidselektrode av edelmetall og minst én anodisk motelektrode av edelmetall som holdes på tav impedans, idet fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen har som særtrekk at nevnte sensorkrets drives i en første elektrisk konfigurasjon hvor både referanseelektroden og arbeidselektroden befinner seg i en første elektrisk tilstand og at, før en sensorsvikt skjer, svitsjes sensorkretsen til en andre elektrisk konfigurasjon hvor den elektriske tilstand til i det minste én av nevnte referanse- og arbeidselektroder forandres til en andre elektrisk tilstand, for å fortsette driften av nevnte sensor i nevnte andre elektriske konfigurasjon i en tidsperiode som strekker seg utover det tidspunkt hvor sensoren ville ha sviktet dersom sensorkretsens første elektriske konfiguarsjon var blitt opprettholdt.

I spesielle utførelser kan svitsjingen av den elektriske konfigurasjon som bestemmer arbeids- og/eller referanseelektrodenes elektriske tilstand, alternativt omfatte økning av impedansen på referanseelektroden, fortrinnsvis samtidig som elektroden avskjermes mot virkningene av spredekapasitans, elektrisk ombytting av de to elektroder, anvendelse av flere arbeids- og/eller referanseelektroder, med bare en elektrode av hvert slag aktiv til enhver tid, idet den arbeidende elektrode i sensorkretsen etterhvert utskiftes med den annen lignende elektrode som tidligere ikke var aktiv, det elektriske potensial på henholdsvis arbeids- og referanseelektroden vendes om periodisk, og den omvendte tilstand opprettholdes i en forlenget tid, og/eller at en liten, kontinuerlig katodestrøm bringes til å passere gjennom referanseelektroden.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere forklart med henvisning til de vedføyde tegninger, på hvilke: Fig. 1 er en perspektivkisse med bortskårne partier og som anskueliggjør den

grunnleggende sensorutføreise som gjelder foreliggende oppfinnelsesgjenstand, fig. 2 er et skjematisk elektrisk skjema som viser den grunnleggende kretsoppbygning

som benyttes ved sensorer i henhold til foreliggende oppfinnelse,

fig. 3 er et skjematisk elektrisk skjema som viser den elektriske krets for en utførelse av foreliggende oppfinnelse, og hvor flere arbeids- og/eller referanseelektroder

anvendes,

fig. 4 er et elektrisk skjema som viser den elektriske krets for en utførelse av foreliggende oppfinnelse, og hvor polaritetene for arbeids- og referanseelektroden kan vendes,

fig. 5 er et elektrisk skjema som viser kretskoblingen for en utførelse av foreliggende oppfinnelse og hvor arbeidsfunksjonen for arbeids- og motelektroden kan vendes

om, og

fig. 6 er et elektrisk skjema som viser koblingskretsen for en utførelse av foreliggende oppfinnelse og hvor en svak katodestrøm bringes til å flyte gjennom referanseelektroden.

Foreliggende oppfinnelse er basert på oppdagelser som er gjort under studium av sviktmekanismene for de følere som er beskrevet i de ovenfor omtalte patenter. Det er derfor viktig å kunne beskrive den normale drift for sådanne følere og de oppdagelser som er gjort angående deres sviktmodi, således at fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse og dens spesielle anvendelse for å forlenge driftslevetiden for sådanne sensorer vil kunne bli forstått fullt ut.

Den mest grunnleggende sensorutførelse er vist i fig. 1. Arbeidselektroden 6 av platina, referanseelektroden 4 av sølv/sølvklorid og motelektroden 8 av platina er alle fine tråder innleiret i epoksyharpiks eller en glassylinder 10 samt koblet til kraftigere blytråder som ikke er vist. De aktive elektroder strekker seg fra den ene ende av isolasjonssylinderen, og blytrådene strekker seg ut fra den motsatte ende. Elektrodene befinner seg i elektrolytisk kontakt gjennom en vandig elektrolyttgel 12 som er omsluttet av et ytre hydrofobt lag 16. Den tynne sylinderform av det aktive område av denne oksygensensor gjør at den uten videre kan innpasses i den to-dimensjonale glukoseføler som er beskrevet i de ovenfor omtalte patenter. Alternativt kan en eller flere av elektrodene anta form av skiver i stedet for sylindre, med de frie sideflater i flukt med overflaten av isolasjonssylinderen.

Prøvesensorene ble tatt fra hverandre etter en driftsperiode (vanligvis 120 dager) for detaljert mikroskopisk undersøkelse. Ved en sådan typisk analyse ble det funnet at referanseelektroden (som opprinnelig var utformet fra en fast sølvtråd med konstant diameter på 0,075 mm) delvis hadde gått i oppløsning samt blitt porøs og i betraktelig grad korrodert, idet bare omtrent halvparten av det opprinnelige material var igjen ved undersøkelsestidspunktet. Den observerte korrosjonsgrad var omtrent proporsjonal med sensorens driftstid. Lignende undersøkelse av arbeidselektroden viste at denne hadde antatt en granulær overflatestruktur ved bruk, hvilket i henhold til elementanalyse ved hjelp av røntgenstråler, var en avleiring av et tynt lag av sølv.

I tilfellet av gradvis sensorsvikt kunne det opprinnelige signal gjenvinnes ved passende polarisasjonsbehandling av arbeidselektroden. I tilfellet av plutselig sensorsvikt hadde dendrittisk sølvstruktur dannet kontakt mellom arbeidselektroden og referanseelektroden, idet denne syntes å vokse ut fra arbeidselektroden. I alle tilfeller opprettholdt motelektroden sin opprinnelige overflatetilstand og mikrostruktur samt oppviste forøvrig ingen forandring.

Den mikroskopiske undersøkelse angir at forskjellige prosesser kan antas å opptre i drift. Arbeidselektroden blir gradvis belagt med sølv som en følge av at den er katodisk polarisert med hensyn til sølvkilden, nemlig referanseelektroden. Ved dette tidspunkt vil oksygenreduksjonsprosessen ikke lenger finne sted på den underliggende platinaover-flate, men fortsette upåvirket på det påførte ytre sølvbelegg. Påføringen av sølv synes ikke å påvirke signalet så lenge ingen dendritt-kontakt er opprettet til de øvrige elektroder. Overføringen av sølv fra referanseelektroden var imidlertid noe overraskende, da referanseelektroden holdes på meget høy impedans av potensiostat-kretsen (>10<12>Q basert på inngangsimpedansen for den referansedrevne forsterker). Beregninger viser at en lekkasjestrøm på 10"<12>A mellom de to elektroder er tilstrekkelig i visse tilfeller til å forklare den lille mengde overført material. Tilfeldige lokale kapasitive strømmer som en følge av utilstrekkelig skjerming av blytrådene kan også ha spilt en rolle. Disse strømmer, som er indusert av ytre elektromagnetiske felt, ble observert å nå topper så høye som 5 * 10"<9>A under andre forsøk som omfattet elektroder anbragt i elektrisk "støyende" omgivelser.

I de fleste tilfeller ble følerens driftslevetid begrenset av korrosjon av referanseelektroden, idet funksjonssvikt fant sted når dendrittisk kontakt (en avsetning dannet av oppløst sølv) til slutt dannet kontakt mellom arbeids- og referanseelektroden.

På grunnlag av disse observasjoner ble de forskjellig utførelser av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen utviklet. Alt hviler på det grunnleggende prinsipp at minst en elektrode i elektrodeparet bestående av arbeidselektrode og referanseelektrode bringes til å forandre tilstand fra den elektriske stillstand som den opprinnelig ble drevet i, til en annen elektrisk tilstand, for derpå å fortsette sensorens driftsfunksjon med elektroden eller elektrodene arbeidende i denne annen elektriske tilstand. Det antas at forlengelsen av driftslevetiden for sensorer som ble drevet i samsvar med oppfinnelsens fremgangsmåte, har sin grunn i den elektriske tilstandsforandring som vender om eller nedsetter metallovergangen fra den ene elektrode til den annen og/eller dannelsen av dendrittiske metallstrukturer mellom elektrodene.

En mulig utførelse omfatter en økning av inngangsimpedansen for referanseelektroden, fortrinnsvis samtidig som elektroden avskjermes for å motvirke virkningene av spredekapasitans som vil forårsake lokale strømmer. Det er imidlertid erkjent at siden den opprinnelige impedans allerede er høy (>10<12>Q) vil denne utførelse, skjønt den viser en påtagelig virkning, være noe begrenset med hensyn til dens langtidspotensial, og er derfor foretrukket i mindre grad enn andre utførelser som er beskrevet.

En annen utførelse går ut på at det før det dannes dendrittisk struktur som danner bro mellom de to elektroder, reverseres de elektriske forbindelser til arbeids- og motelektroden, slik som vist i fig. 3, således at hver av disse elektroder antar den tidligere arbeids-funksjon til den annen. Dette vil bringe den nye motelektrode til å bli renset for sitt oppsamlede lag av påført sølv, idet sølv istedet avsettes på den nye arbeidselektrode. Denne ombytting kan gjentas så lenge som referanseelektroden er funksjonsdyktig og inneholder en tilstrekkelig mengde sølv. Dette vil kreve en forholdsvis stor referanseelektrode.

En tredje utførelse omfatter at flere arbeids- og/eller referanseelektroder inngår i sensorstrukturen, slik som vist i fig. 4. Bare en elektrode av hver type vil da være i drift som arbeids- eller referanseelektrode til enhver tid, og samtlige elektroder av hver type vil være utført slik at de vil kunne kobles etter tur inn i sensorkretsen. Etterhvert som således hver arbeids- og/eller referanseelektrode når grensen av sin driftslevetid på grunn av metallavsetning eller metallfjerning, kan en annen tidligere ubrukt elektrode kobles inn i dens sted. I en foretrukket variant av denne utførelse blir de ekstra arbeidselektroder innledningsvis innkoblet i sensorkretsen som motelektrode og hver av dem drives som en sådan elektrode inntil den tid kommer da den er påkrevet som erstatning for en arbeidselektrode. Dette vil sette reserve-arbeidselektrodene i stand til å opprettholde en avsetningsfri overflate inntil hver av dem skal anvendes som erstatning for en tidligere arbeidselektrode.

Med hensyn til reserve-referanseelektrodene, vil disse være mest effektive hvis de gjøres forholdsvis store.

Den fjerde utførelse av foreliggende fremgangsmåte går ut på at elektrodenes polarisering periodisk reverseres, således at det elektrolytisk påførte metall (vanligvis sølv) drives fra arbeidselektroden tilbake til referanseelektroden. Dette kan oppnås ved å vende om polariteten for kretsen, slik at referanseelektroden av sølv blir katodisk mens arbeidselektroden blir anodisk i en viss tidsperiode, som da må være tilstrekkelig til å overføre det påkrevde antall ladningsenheter av sølv fra arbeidselektroden til referanseelektroden.

Den femte utførelse av denne fremgangsmåte omfatter anvendelse av utstyr for å føre en liten kontinuerlig katodisk strøm gjennom referanseelektroden. Skjønt den ikke er sterk nok til å frembringe vesentlig polarisering av elektroden, vil denne strøm likevel fungere slik at den hindrer korrosjon av elektrodematerialet.

Det vil erkjennes at disse utførelser kan anvendes i forskjellige kombinasjoner med hverandre, og at sådanne kombinasjoner kan frembringe ytterligere forlenget driftslevetid. Det kan for eksempel foreligge flere arbeids- og/eller referanseelektroder som kan kobles inn i systemet, samtidig som levetiden for hver enkelt elektrode kan økes ved å reversere elektrodenes polarisering periodisk. Dette bør da føre til en forlengelse av driftslevetiden for hver enkelt elektrode og således forlenge tiden mellom hver nødvendig erstatning av elektroder fra elektrodeforrådet av flere elektroder. Likeledes kan enhver referanseelektrode som er løpende i bruk påtrykkes en liten katodisk strøm for å redusere dens korrosjonsrate. Den kummulative virkning av disse kombinasjoner av utførelser er da en sterkt øket driftslevetid for sensoren selv, samt meget lengre tidsintervaller mellom implanteringer av ferske sensorer.

Betraktning av figurene på tegningene vil ytterligere forklare utførelsene av foreliggende oppfinnelse. Det skal først henvises til fig. 1 hvor grunnprinsippet for den anvendte sensor 2 ved foreliggende fremgangsmåte er vist. Det foreligger tre elektroder, nemlig referanselektrode 4, arbeidselektrode 6 og motelektrode 8. Referanseelektroden 4 er en sølv/sølvklorid-elektrode, mens arbeidselektroden 6 og motelektroden 8 er elektroder av edelmetall (fortrinnsvis platina). De tre elektroder er dannet av fine tråder innleiret i et sylinderformet hus 10 av glass eller epoksy samt koblet til kraftigere blytråder (ikke vist). Elektrodene befinner seg i elektrisk kontakt gjennom en vandig elektrolyttgel 12. Elektrodene 4, 6 og 8 er buntet sammen på utsiden av huset i et avsmalnet eller hals-lignende parti 14, som er dekket av et hydrofobt oksygengjennomtrengelig lag 16 av et material slik som silikongummi.

Sensoren 10 drives i samsvar med det klassiske potensiostatiske prinsipp som er vist skjematisk i fig. 2. Slik som ved andre typer av sensorer reduseres oksygen elektrokjemisk på overflaten av arbeidselektroden 6 av platina hvilket frembringer en elektrisk strøm som er proporsjonal med oksygenfluksen. Potensialet på arbeidselektroden av platina er fastlagt i forhold til referanseelektroden 4 av sølv/sølvklorid. I denne driftsmodus holdes imidlertid referanseelektroden 4 elektronisk på en meget høy impedans for å unngå vesentlig strømopptak. Hovedstrømmen går til den inerte motelektrode 8, som holdes på lav impedans. Operasjonsforsterkerkretsen 18 opprettholder det ønskede potensial mellom arbeidselektroden 6 og referanseelektroden 4 ved å påtrykke passende potensial mellom arbeidselektroden 6 og motelektrode 8. Spenningsfallet over tilbakekoblingsmotstanden Rf er proporsjonal med elektrode-strømmen. Denne spenning måles og behandles av andre kretser, som ikke er vist.

Dette tre-elektrodesystem gir separate elektroder for de to funksjoner som ble utført av anoden i tidligere utførelsesformer, og har den fordel at det føres meget liten strøm til referanseelektroden 4. Det blir da mulig å utnytte meget større forholdsverdier mellom overflatearealene av henholdsvis arbeidselektroden 6 og motelektroden 8, således at det frembringes sterkere strømmer. Dette gjør signalforsterking og støyreduksjon mindre kritisk for sensorer med lite totalt omfang.

Utførelser for utnyttelse av foreliggende fremgangsmåte er anskueliggjort grafisk i fig. 3 - 6. Fig. 3 viser en utførelse hvor det foreligger flere arbeidselektroder som kan kobles

etter tur inn i systemet. Tre elektroder (merket A, B og C) angir arbeids- og referanseelektroder. I den driftsversjon som er vist i fig. 3, er elektrode A innkoblet som arbeidselektrode, mens elektrode B er koblet som en ekstra motelektrode (sammen med den vanlige motelektrode 8) og elektrode C er koblet ut av kretsen. Valg av hvilken elektrode som skal være arbeidselektrode til enhver gitt tid kan utføres ved kombinasjon av en tre-polet velgeromkobler 20 og de enkelte SPDT-sentrerte brytere 22 (henholdsvis 22A, 22B og 22C i hver strømbane). Etterhvert som hver arbeidselektrode blir nedbrutt eller er gjenstand for belegg eller brodannelse, kobles den ut av kretsen ved å åpne dens bryter 22 (hvilket vil si at bryteren bringes til den sentrale utkoblingsstilling som er vist ved 22C), hvorpå omkobleren 20 flyttes til sin neste stilling i rekkefølgen og den nærmest påfølgende elektrodebryter 22 lukkes slik som angitt ved 22A. Skjønt de gjenværende ferske elektroder kan holdes utenfor systemet (ved å ha sin tilsvarende bryter 22 åpen) hvis så ønskes, er det å foretrekke å ha disse elektroder midlertidig koblet inn i kretsen som ytterligere motelektroder, slik som vist ved elektrode B og bryteren 22B, for derved å forhindre at elektrodene blir dekket med metallavsetninger.

Det vil være åpenbart at fig. 3 også viser den type krets som er nødvendig for å ha flere referanseelektroder som kan kobles inn etter ønske. I dette tilfelle vil omkobleren 20 være plassert i ledningen 24 mellom batteriet 26 og de forskjellige elektroder. Hver av bryterne 20 kan være SPST-brytere som alle vil være åpne, bortsett fra bryteren for den spesielle elektrode som da var i bruk, da det her ikke har noen hensikt å la de ekstra

elektroder alternativt tjene som motelektroder. Man kan også kombinere nærvær av både ekstra arbeids- og referanseelektroder med å ha separate omkoblere 20 i hver ledning 24 og 28, samt koble inn de to deler av kretsen innbyrdes uavhengig etter behov.

Skjønt bare tre elektroder er vist i fig. 3, vil det være åpenbart at det kan foreligge et

i hvilket som helst antall, bare begrenset av det antall elektroder som hensiktsmessig kan føres i bunt inn i sensoren 2 i kombinasjon med elektrodene 4, 6 og 8.

Fig. 4 viser en utførelse hvor flere arbeids- og referanseelektroder kan kobles om. I

dette tilfelle fører ledninger 24 og 28 til DPDT-omkobleren 34 som er innkoblet slik at

> omkastning av omkobleren bytter om ledningsføringen til de to elektroder 30 og 32.

Elektrodene 30 og 32 vil da være koblet alternativt som arbeidselektrode i ledning 28 eller referanseelektrode i ledning 24. Fig. 5 viser den utførelse hvor driftsfunksjonene for henholdsvis arbeidselektroden og motelektroden kan byttes om. I dette tilfelle fører ledningene 28 og 42 (den sistnevnte fra jord 48) til DPDT-omkobleren 36 som er koblet slik at omkastning av omkobleren bytter om forbindelsene mellom ledningene 28 og 42 og ledningsføringene 38 og 40 fra elektrodene 44 og 46. Elektrodene 44 og 46 vil da avvekslende kunne kobles som arbeidselektrode i ledning 28 eller motelektrode jordet gjennom ledning 42. Fig. 6 viser den utførelse hvor en regulert strømkilde 50 er plassert mellom arbeids-elektrodeledningen 52 og referanseelektrodeledningen 54. Denne strømkilde fungerer slik at den fører en liten vedvarende katodisk strøm gjennom referanseelektroden 6. Det vil erkjennes at denne strømkilde også kunne vært anbragt på andre steder i kretsen og likevel oppnå samme resultat.

De følgende eksempler vil beskrive sensorer hvor foreliggende fremgangsmåte kan utnyttes for å øke driftslevetiden og hvor utførelser i henhold til foreliggende oppfinnelse kan anvendes. Elektrodene ble fremstilt ved å sveise et lite avsnitt av platina- eller sølvtråd med diameter 0,076 eller 0,127 mm til den ene ende av en lang PTFE-isolert rustfri ståltråd. De sveisede områder for to sådanne platinaelektroder og en sølv-elektrode ble så kapslet inn hver for seg i lysåpningene for et kort avsnitt av et boro-silikatglassrør med flere utboringer (innerdiameter 0,0254 mm, ytterdiameter 1,575 mm, Friederich and Dimmock, Inc.), således at elektrodene og blytrådene rager ut fra motsatte ender av glasshuset. En bispenol A/epiklorohydrin-basert epoksyharpiks (Stycast 1266, Emerson and Cumin Inc.) ble anvendt for innkapsling. Elektrodene ble omsorgs-fullt bøyd til det parallell-arrangement som er vist i fig. 1, samt trimkuttet til en lengde på 0,51 - 2,54 mm. Arbeids- og motelektroden ble platinabelagt til en ruhetsfaktor på omtrent 800, anslått ved anodisk hydrogenstripping. Elektrolyttgelet ble dannet rundt elektrodene ved å dyppe enden av sammenstillingen ned i en 10 - 20% løsning av poly(hydroksyetylmetakrylat) (Polysciences, Inc.) i metanol, hvorpå løsningsmiddelet tillates å fordampe og hydreres med elektrolytten. Elektrolytten var 0,01 M fosfatbuffer, pH 7,3, som inneholdt 0,01 M KCI. Gelet fylte mellomrommene mellom elektrodene og dannet et tynt belegg på de ytre partier. Etter tørking ble det ytre hydrofobe lag dannet ved å dyppe enden av sammenstillingen ned i en løsning på 25% silikongummi (RTV 3140, Dow Corning Corp.) i toluen. Løsningsmiddelet ble fordampet og silikongummien tillatt å herdes. Dette frembragte et lag av tykkelse omtrent 10-25 um. Gelet kunne dehydreres og hydreres på nytt ved å utsettes for en vandig prøve, uten tap av aktivitet. Sammenstillingen ble så festet i et silikongummirør (innerdiameter 1,016 mm, ytterdiameter 2,16 mm, Dow Corning Corp.) på sådan måte at blytrådene forløp inne i røret og det aktive elektrodeområdet opptok en rørende. Denne inntrukkede utførelse oppviser et ringformet område omkring elektrodene, som kan fylles med en enzymgel for enzym-elektrodeanvendelser. Det ringformede hulrom ble fylt med silikongummi (RTV 3140) eller røret ble avskåret for å frilegge sammenstillingen av hydrofob membran og dekkede elektroder. Mellomrommene omkring blytrådene ble fylt med silikongummi (RTB 615, General Electric Co.) for å gi mekanisk styrke. Et elektrisk miniatyrkoblingsstykke (Microteck, Inc.) ble koblet til blytrådene ved deres utløp fra røret. Denne enkle frem-stillingsmåte ga typisk høyt utbytte av robuste funksjonsdyktige sensorer.

Sensorene ble utprøvet med hensyn på likeverdighet før langtidsutprøving. Fastheten av silikongummibelegget ble fastlagt ved å måle motstanden i forhold til en ytre elektrode ved anvendelse av et høyimpedanselektrometer (Keithley Instruments Co., Modell 616). Sensorer med en tilsynelatende motstand på 10 x 1 o9 Q eller større kunne vært anvendt i komplekse media uten å påvirkes fra diffuserbare polare løsninger og ble ansett å utgjøre en effektiv barriere. Sensorer med vesentlig lavere tilsynelatende motstand ble belagt på nytt. Bakgrunnsstrømmen ved fravær av oksygen ble målt og fastlagt til å være ubetydelig. Lineariteten av reaksjonen overfor et fysiologisk oksygenkonsentra-sjonsområde ble fastlagt ved å utsette sensorene for oksygenkonsentrasjoner fra 0,02 til0,24mM opprettet ved å avbalansere bufferløsninger med analyserte gassblandinger på 2, 5, 10 og 21 % oksygen. Sensorene behøvde typisk omkring ett minutt for å vende tilbake til stabil tilstand etter en plutselig forandring i oksygenkonsentrasjonen.

Sensorene ble vurdert med hensyn på stabilitet i avtettede termostatiske kar ved 37°C, og som inneholdt 0,01 M fosfatbuffer, pH 7,3. Løsningene ble opprettholdt på ønskede oksygenkonsentrasjoner ved avbalansering med analyserte gassblandinger. Konsentrasjonen ble forandret med mellomrom på flere dager for å påvise følsomhet. Elektrode-strøm ble registrert uten avbrudd.

Seks sensorer var i drift uavbrutt i en avtettet termostatbeholder ved 37°C, og som inneholdt 0,01 M fosfatbuffer, pH 7,3. Oksygenkonsentrasjonen ble opprettholdt på atmosfærenivåer ved avbalansering med filtrert romluft. Noen sensorer hadde spesielle konstruksjonsmodifikasjoner som beskrevet nedenfor for å fastlegge disse modifikasjoners innflytelse på referanseelektrodenes nedbrytning. Sensorene var forøvrig av samme art som vist i fig. 1. Fem sensorer ble tatt fra hverandre etter 70 dager uavbrutt drift. En sensor ble tatt fra hverandre etter 10 dager kontinuerlig drift. Referanseelektrodene ble fjernet fra sensorene og avsøkende elektronmikroskopi ble anvendt for å fastlegge graden av referanseelektrode-nedbrytningen i hvert tilfelle. Alle referanseelektroder ble opprinnelig fremstilt fra faste sølvtråder med diameter 0,075 mm.

En referanseelektrode ble tatt ut fra en sensor som hadde vært utsatt for prøvebetingels-ene i 70 dager, men ikke var koblet til noen ytre krets for å frembringe polarisering av arbeidselektroden. I dette tilfelle ble alle elektroder holdt i "åpen krets" og var derfor ikke i stand til å opprettholde likestrøm. Denne elektrode tjente som kontroll under utprøv-ningen, da enhver korrosjon i dette tilfelle ville være resultatet av enkel elektrolytt/sølv-påvirkning eller passivt støyopptak i blytrådene. Inspeksjon ved hjelp av mikrofotografi viste liten eller ingen korrosjon av denne elektrode.

Analyse ved hjelp av mikrobilder ble utført på referanseelektroder som var tatt ut fra sensorer som benyttet henholdsvis uskjermede og skjermede blytråder til referanseelektroden. Begge disse sensorer hadde vært i drift kontinuerlig i 70 dager før de ble tatt fra hverandre. Referanseelektroden fra den uskjermede sensor oppviste betraktelig mer korrosjon enn den fra den skjermede sensor. I det skjermede tilfelle oppviste likevel elektroden vesentlig korrosjon over 20 - 30% av sin overflate. Dette angir at blytråd-skjermingen, skjønt den bidrar til å redusere korrosjon, ikke er i stand til å fjerne denne totalt under de forhold som er beskrevet her.

For analyse ved hjelp av mikrobilde ble også en referanseelektrode tatt fra en føler som manglet en ytre hydrofob membran. Denne sensor hadde også blitt drevet kontinuerlig i 70 dager før den ble tatt fra hverandre. Elektroden oppviste bare minimal korrosjon. Fravær av den hydrofobe membran tillot i dette tilfelle produkter fra anode- og katode-reaksjonene å diffundere ut av den elektrolyttgel som omgir elektrodene. Dette fører til en lavere konsentrasjon i stabil drift av disse bestanddeler på overflaten av referanseelektroden under drift av sensoren. Den minimale nedbrytning av denne referanseelektrode antyder at de uidentifiserte reaksjonsprodukter kan være iboende korroderende for elektroden. Alternativt kan den forandrede fordeling av ionestrøm mellom arbeids- og motelektroden være grunnen til den nedsatte korrosjon i dette tilfelle.

Analysert ved mikrobilder ble også referanseelektroder tatt fra følere som var drevet uavbrutt i henholdsvis 10 og 70 dager før de ble tatt fra hverandre. I disse to tilfeller var referanseelektrodene utsatt for en konstant likestrøm i stedet for å være holdt på høy impedans. Strømtettheten i hvert tilfelle var 5,0 x 10"<7>A/cm<2>. En av referanseelektrodene ble utsatt for anodisk strøm, mens den annen elektrode ble påtrykket katodisk strøm. Den frembragte polarisering av disse elektroder ved hjelp av den tilførte strøm ble målt og funnet å være mindre enn 0,5 mV. Disse resultater viser dramatisk virkningen av lekkasjelikestrømmer på referanseelektrodens korrosjon. Sensoren med påtrykket anodestrøm var i drift bare 10 dager før den sviktet pga. dendrittisk kontakt mellom referanseelektroden og arbeidselektroden. Korrosjonstakten på referanseelektroden i denne sensor var meget større enn påvist i noe annet tilfelle. Sensoren med påtrykt katodestrøm oppviste imidlertid meget lav korrosjonstakt, hvilket ga seg til kjenne ved fravær av overflategroper. Noen overflateavsetninger (sannsynligvis sølvklorid) var merkbare på dette prøveeksemplar.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte for å forlenge driftslevetiden til en implanterbar sensor (2) som inneholder korroderbare elektroder (4, 6, 8), og hvor en sensorkrets omfatter en sensor (2) som har en korroderbar referanseelektrode (4), minst én katodisk arbeidselektrode (6) av edelmetall og minst én anodisk motelektrode (8) av edelmetall som holdes på lav impedans, karakterisert vedat nevnte sensorkrets drives i en første elektrisk konfigurasjon hvor både referanseelektroden (4) og arbeidselektroden (6) befinner seg i en første elektrisk tilstand og at, før en sensorsvikt skjer, svitsjes sensorkretsen til en andre elektrisk konfigurasjon hvor den elektriske tilstand til i det minste én av nevnte referanse- og arbeidselektroder (4, 6) forandres til en andre elektrisk tilstand, for å fortsette driften av nevnte sensor (2) i nevnte andre elektriske konfigurasjon i en tidsperiode som strekker seg utover det tidspunkt hvor sensoren (2) ville ha sviktet dersom sensorkretsens første elektriske konfiguarsjon var blitt opprettholdt.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert vedat nevnte korroderbare elektrode er en sølv- eller sølvimpregnert elektrode (4).

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert vedat nevnte svitsjing av den elektriske konfigurasjon innebærer at inngangsimpedansen på referanseelektroden (4) øker.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert vedat referanseelektroden (4) også skjermes for å motvirke virkningene av spredekapasitans som vil frembringe lokale strømmer.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert vedat nevnte svitsjing av den elektriske konfigurasjon innebærer at, før det dannes noen dentrittisk struktur som bygger bro mellom arbeids-og referanseelektroden (6, 4), vendes de elektriske tilslutninger til nevnte arbeids- og motelektrode (6, 8) om, slik at hver av disse elektroder antar den annens tidligere driftsrolle.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert vedat nevnte svitsjing av den elektriske konfigurasjon innebærer at, når flere arbeids- eller referanseelektroder (6, 4) bygges inn i nevnte sensor (2), holdes til enhver tid bare én av nevnte flere elektroder i drift, idet samtlige nevnte elektroder anordnes for å kobles i rekkefølge inn i sensorkretsen.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 6, karakterisert vedat det anordnes flere sett av elektroder både som arbeidselektrode (6) og referanseelektrode (4), idet elektrodene i hvert elektrodesett anordnes for å kobles i rekkefølge inn i nevnte krets.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 6, karakterisert vedat nevnte sett av arbeidselektroder (6) samt de elektroder i nevnte sett som ennå ikke er blitt anvendt som den virksomme arbeidselektrode (6), kobles inn i nevnte krets som ytterligere motelektroder (8), som hver drives som en sådan inntil den kobles inn i kretsen som en erstattende arbeidselektrode (6).

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 8, karakterisert vedat i nevnte sett av arbeidselektroder (6) kobles de elektroder som ennå ikke er blitt anvendt som den virksomme arbeidselektrode (6) inn i nevnte krets som ytterligere motelektroder (8), som hver drives som en sådan inntil den kobles inn i kretsen som en erstattende arbeidselektrode (6).

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert vedat nevnte svitsjing av den elektriske konfigurasjon innebærer at polariseringen av nevnte arbeids- og referanseelektroder (6, 4) forandres periodisk, slik at elektrolyttisk påført metall drives fra arbeidselektroden (6) tilbake til referanseelektroden (4).

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 10, karakterisert vedat nevnte forandring av polaritet utføres ved å vende om polariteten for nevnte krets, slik at referanseelektroden (4) blir katodisk og arbeidselektroden (6) blir anodisk i en tidsperiode som er tilstrekkelig til å overføre det påkrevde antall ladningsenheter av sølv fra arbeidselektroden (6) til referanseelektroden (4).

12. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert vedat nevnte svitsjing av den elektriske konfigurasjon innebærer at referanseelektroden (4) påføres en svak, kontinuerlig katodisk strøm.