JP4682360B2 - 針一体型バイオセンサー - Google Patents

Description

本発明は、針一体型バイオセンサーに関する。さらに詳しくは、皮膚を突き刺して体液(血液等)を得るための穿刺針と、皮膚の表面に取り出された体液を採取し、分析するためのバイオセンサーとを一体化した構成を有する針一体型バイオセンサーに関する。

従来より、糖尿病患者自らが採血して血中のグルコース値である血糖値を測定する場合がある。この場合、患者は採血針を着脱するランセットと称される採血器具を用い、自分の指先や腕などに採血針を刺して採血し、採血した血液を血糖値分析計に移して血糖値を測定している。このような測定方式では、患者は血糖値分析器、ランセット、採血針および分析素子といった数点からなる測定器具の一式を携帯所持し、必要時にそれらを組み合わせて測定しなければならず、操作法も長い訓練を要し、確実な測定を患者自身で行うことができるようになるまでかなりの時間を要する。実際に、指先、前腕以外の部位（腹壁、耳たぶ等）での測定は、熟練者ですら困難である。また、近年においては、より痛みの少ない低侵襲検体供給のニーズから、検体量が１μl以下で測定可能なバイオセンサーが開発されており、このような極微量な場合、またバイオセンサーへの検体を正確に供給する作業は非常に困難になる。その結果、測定の失敗を招き、被測定者である患者は再度穿刺して、またバイオセンサーも交換し、測定をやり直さなければならないという不都合がある。
特開平９−２６６８９８号公報 特公平８−２０４１２号公報

そこで、いくつかの針一体型バイオセンサーが考え出された。まず、特許文献３に示された針一体型バイオセンサーでは、穿刺針の駆動部を備えたペン型（２色ボールペン様）の測定装置の内部に穿刺針とバイオセンサーがそれぞれ別の位置にセットされており、ペン様の測定装置の先端部を被検体の皮膚に当て、穿刺した後、バイオセンサーを先端部に露出させ、採血を行なうことで血糖測定が行なわれる。しかし、この方法では針およびバイオセンサーを測定装置にそれぞれセットするという煩わしさは解消されていない。
特開２０００−２１７８０４号公報

また、特許文献４で示された針一体型バイオセンサーでは、穿刺針を外部の駆動に委ねるものであり、穿刺針が細長い小片状のバイオセンサーの長手方向に沿って平行に移動する一体構造をとっている。しかし、このタイプでは穿刺針がバイオセンサーの採血搬送路および試薬層を移動するため、穿刺針が被検体の皮膚を突き刺す前に、穿刺針の表面が試薬で汚染される危険性がある。
再公表２００２−０５６７６９号公報

さらに、使用後の廃棄には感染症などへの配慮が不十分であったり、穿刺用の駆動が測定装置側に備えられ、針一体型バイオセンサーユニットが穿刺時の駆動による衝撃に耐えられない構造であったりなど、多くの問題を残している。

本発明の目的は、ランセットに見られるような穿刺駆動部を必要としないことにより、構成が極めて簡単で、そのため組立が容易であり、試料体液の採取が少量で無駄なく確実に行なうことができる針一体型バイオセンサーを提供することにある。

かかる本発明の目的は、中空の柱状構造物で構成される穿刺針が基板に対して埋め込まれて固定され、該柱状構造物内部に少なくとも作用極および対極の２板状電極を基板に対して垂直に貫通させることにより電極を内含する穿刺針を形成せしめてなる針一体型バイオセンサーによって達成される。

本発明に係る針一体型バイオセンサーは、試料体液の採取に、ランセットに見られるような穿刺駆動部を必要としないため、構成が極めて簡単であり、そのため組立が容易であり、また毛細管現象または吸引採血法、真空採血法のいずれかの方法による採血手段を備えることで、試料体液の採取が少量で無駄なく確実に行なるという特徴を有している。このようなバイオセンサーは、カートリッジとして使用することができるため、簡易な包装により持ち運びも容易で、使用後も衛生的であるといった効果を奏する。

本発明に関わる針一体型バイオセンサーは、プラスチックなどの電気絶縁性の基板に垂直に配置された中空の柱状構造物で構成される穿刺針および少なくとも２本からなる電極系の組み合わせにより構成される。このバイオセンサーについてさらに詳しく述べる。

針一体型バイオセンサー
中空の柱状構造物で構成される穿刺針としては、中空の角柱状または円柱状のものが用いられ、その先端部の形状は、長軸方向に対し直角に切った輪切り状態または斜めに切った状態、好ましくは斜めに切った状態のものが用いられる。また、穿刺針の材質は市販の注射針と同等であることが好ましく、ステンレス等が用いられる。さらに、市販注射針を加工して使用してもよい。

少なくとも２つの電極からなる電極系としては、２本以上の平面または曲面をなす板状電極が用いられる。板状電極は板部材の一部が電極であってもよく、電極以外の部分(電極形成用基板)は絶縁性の材料、例えばプラスチック、セラミックスなどの無機材料、生分解性材料、紙などが、好ましくはポリエチレンテレフタレートが用いられる。これら２つのタイプの電極について、それぞれ説明する。

板部材の一部をなす電極は、電極形成用基板の表面に導電性材料を成膜することにより、または電極部材と電極形成用基板とを貼り合わせることにより形成される。

電極形成用基板表面への導電性材料の成膜は、スクリーン印刷法、蒸着法、スパッタリング法、箔貼り付け法、メッキ法などにより行われ、電極部材と電極形成用基板との貼り合わせは、接着剤などによって行われる。

導電性材料としては、カーボン、銀、銀／塩化銀、白金、金、ニッケル、銅、パラジウム、チタン、イリジウム、鉛、酸化錫、白金黒などを挙げることができる。また、カーボンとしては、カーボンナノチューブ、カーボンマイクロコイル、カーボンナノホーン、フラーレン、デンドリマーもしくはそれらの誘導体を用いることができる。

電極は、作用極と対極で形成される２極法または作用極と対極、参照極で形成される３極法、あるいはそれ以上の極数の電極であってもよく、また一つの板部材に２極以上形成することもできる。

少なくとも２電極を内含する穿刺針からなる針一体型バイオセンサーの形成には、基板が用いられる。基板の材質としては電気絶縁性であれば足り、穿刺針は基板に対して垂直に埋め込まれることにより、また電極(形成用基板)は穿刺針内に内含されるようにこの基板に対して垂直に貫通することにより配置され、基板を境にして電極とは反対側に測定装置にバイオセンサーからの電気信号を送る端子が設けられる。このとき、さらに電極(形成用基板)間にスペーサーを設け、電極間隔を固定することもできる。

電極(形成用基板)上には、必要に応じて試薬層が形成される。試薬層は電極表面または板部材表面へ固定化するのが好ましい。この場合、試薬層はスクリーン印刷法またはデスペンサー法により形成され、乾燥を伴う吸着法または共有結合法により電極(形成用基板)表面に固定化される。試薬は、検出対象により異なるが、例えば針一体型バイオセンサーを血糖値測定用に構成する場合には、酸化酵素であるグルコースオキシターゼおよびメディエータとしてのフェリシアン化カリウムを含むものが採用される。これらの試薬が血液によって溶解されると、酵素反応が開始される結果、試薬層に共存させているフェリシアン化カリウムが還元され、還元型の電子伝達体であるフェロシアン化カリウムが蓄積される。その量は、基質濃度、すなわち血液中のグルコース濃度に比例する。一定時間蓄積された還元型の電子伝達体は、電気化学反応により、酸化される。このとき測定される陽極電流から、グルコース濃度(血糖値)が算出される。

以上の構成よりなる針一体型バイオセンサーは、穿刺によって出血した血液が毛細管現象により中空針の内壁を辿って電極板部材に達し、電極板部材の内壁(電極反応部)が満たされて、電極反応部内に配置された試薬と血中の測定対象物質との反応が起こり、その結果を電気化学的に測定することで測定対象物質の測定が成される。このとき、血液によっては、ヘマトクリット値が高い場合など、電極が十分に覆われない可能性があるため、好ましくは採血導入部から離れた電極(形成用基板)部分はレジストで覆われる。これにより、ヘマトクリット値が高い場合でも最低限、電極を満たすことができるので、試料液の移送がその状態に左右されることなく行なえる。一方、ヘマトクリット値が低く、採血の移送が円滑に行なわれる場合にあっては、必要以上の血液の採取を防ぐために、毛細管現象を停止させる必要がある。この手段としては、基板または中空針に空気の排出口を設けることが行われる。

採血方法としては、上記毛管現象を利用するもののほかに、真空採血法を利用したもの、例えば中空穿刺針の先端にある穿刺採血部を隔膜で蓋をして内部を真空にしておくといったものが挙げられる。かかるバイオセンサーは、穿刺時に隔膜が破れ、針一体型バイオセンサー内部の陰圧が穿刺後の皮膚に向かってかかるので、この負の圧力を利用して採血が可能となる。

さらに、皮膚との密着性を高めるために、好ましくは隔膜の外側、すなわち中空穿刺針を縁取るように採血導入ガイドが設けられる。採血導入ガイドの材質としては、ゲル、弾性材料、発泡性材料などが挙げられる。採血導入ガイドは、内部の気密性を保つといった効果も奏する。また、真空採血法では、ヘマトクリット値も影響するため、高いヘマトクリット値の場合においても最小限の採血が可能な範囲で電極面積が規定され、すなわち電極板部材における電極部分は穿刺採血口付近とすることが好ましく、電極面積を規定する方法としては前述したレジストを使用することが望ましい。

穿刺針は、抗菌・抗ウィルスに効果がある光触媒機能を表面に付与させることが好ましく、蒸着法またはスパッタリング法などにより酸化チタンまたは二酸化チタンの膜が形成される。

このような針一体型バイオセンサーは、カートリッジ式になっているので、持ち運びに便利な専用容器への収納ができ、誰でも簡便かつ確実に測定装置に装着することもできる。このカートリッジ式の態様を採ることにより、針一体型バイオセンサーの利便性は従来の方法に比べ飛躍的に向上できる。また簡易な包装が可能であり、使用の前後において終始衛生的に保つことができる。さらに詳しく、包装形態について述べる。

包装形態
針一体型バイオセンサーの包装形態としては、第一に個々の針一体型バイオセンサーの包装、特に針一体型バイオセンサーの先端の穿刺採血部を保護するものが挙げられる。このような包装体としては、先端を保護するキャップ状の簡易包装体が好ましい。これにより、使用時まで穿刺採血部を衛生的かつ安全に保護できる。さらに、このような形態を有することで、使用後の再包装が可能となり、廃棄後に懸念される感染症を未然に防ぐこともでき、また別の使用方法として、穿刺採取後の体液を保存することも可能となる。

第二の包装形態としては、簡易包装したカートリッジ式の針一体型バイオセンサーを複数個まとめて持ち運びが可能とした容器が挙げられる。本発明のカートリッジ式の針一体型バイオセンサーは、簡易包装分の嵩を含めても極めて小型であるので、複数個まとめて容器に収納したとしても、包装容器全体の大きさは小さいものとなる。具体的には、携帯が容易なポケットサイズであることが望ましい。

第三の包装形態としては、包装容器そのものが、内部でカートリッジ式の針一体型バイオセンサーを個別に包装・収納可能なものが挙げられる。この場合、例えば、カートリッジ式の針一体型バイオセンサーをウェル状のトレイに個々に別けて収め、気密性を保つために包装フィルムなどで個別に包装する形態などが挙げられる。

測定装置
針一体型バイオセンサー用の測定装置は、カートリッジタイプの針一体型バイオセンサーを使用した測定が繰り返し確実に行なえるための操作性および耐久性が確保され、かつ持ち運びが容易であるものが好ましい。

具体的には、測定装置下部にある導入部にカートリッジ式の針一体型バイオセンサーを横にスライドまたは垂直方向に差し込む形態が好ましい。このとき、バイオセンサーの端子が測定装置のコネクターと接続することで測定が可能な状態となる。あとは使用者が穿刺部分を決めて穿刺を開始することで穿刺・採血・測定が自動で行なわれ、最終的に測定結果が導かれる仕組みになっている。

構造上の特徴の一例を、さらに詳しく述べる。本測定装置は、針一体型バイオセンサーの導入部、コネクター、電気化学測定用回路、メモリ部、操作パネル、バイオセンサーの電極における電気的な値を計測する計測部および計測部における計測値を表示する表示部を基本構成としており、さらに本装置に無線手段として電波、例えばブルートゥース(登録商標)を搭載することもできる。

また、暗所または弱視者による使用を考慮して、照明機能を備えることもできる。この場合、使用者がカートリッジ式の針一体型バイオセンサーの取り付けおよび穿刺を行なう上で、それらの操作性を向上させることができるような設計が好ましく、例えば測定装置の針一体型バイオセンサーの導入部から照明用の光が照射されることで、使用者が容易にカートリッジ式の針一体型バイオセンサーを測定装置に導入でき、さらにカートリッジ式の針一体型バイオセンサー取り付け後も、導入部からの照明により穿刺部が照らされる形態がよい。そのため、照明機能を備えたカートリッジ式の針一体型バイオセンサーの電極板部材を固定しているスペーサーや隔膜などの材料は、透明な材質であることが好ましい。

この暗所における表示部および穿刺部の自動照明機能の他にも、測定装置には糖尿病疾患による視覚障害に対応した音声ガイド機能及び音声認識機能、電波時計の内臓による測定データ管理機能、測定データなどの医療機関などへの通信機能、充電機能などを併せ持たせることができる。

測定装置の計測部における計測方法としては、特に限定されないがポテンシャルステップクロノアンペロメトリー法、クーロメトリー法またはサイクリックボルタンメトリー法などを用いることができる。

以上より、本発明の針一体型バイオセンサー及び針一体型バイオセンサーカートリッジ、それらの包装体は、使用者を限定することのない、すなわちユニバーサルな規格に対応し得るものとなっている。

本発明による実施態様の針一体型バイオセンサーおよびカートリッジ式の針一体型バイオセンサーについて、さらに図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り以下の実施例に限定されるものではない。

図１は、中空穿刺針が円柱状の電極板部材の外側に配置された針一体型バイオセンサーの一例を示す。図１aは構成図、図１bは図１aにおける中心線縦断面図、図１ｃは図１aにおける中心線横断面図、図１ｄは穿刺採血口９から基板５を見たときの正面図、図１eは端子３から基板５を見たときの背面図をそれぞれ示す。この針一体型バイオセンサーの場合、穿刺針６は中空であり、穿刺部１９が鋭角をなしており、その内部に電極系を備えている。穿刺針６と円柱状の電極板部材１８が基板５上に配置され、中空穿刺針６には毛細管現象停止部２２用の貫通穴８が設けられている。これにより、使用時には針一体型バイオセンサーを皮膚に穿刺後、採血が毛細管現象により自然にバイオセンサー内へ送り込まれ、試薬と反応して測定が行なわれる。ここでも、採血の個体差によるバイオセンサー内への取り込みの変動の影響を受けないように、穿刺採血口９付近の電極面積がレジストにより規定されている。

図２は、中空穿刺針が円柱状の電極板部材の外側に配置された真空採血式針一体型バイオセンサーの一例を示す。図２aは構成図、図２bは図２aにおける中心線縦断面図、図２cは穿刺採血口９から基板５を見たときの図２aにおけるB-B'断面図、図２dは端子３から基板５を見たときの背面図をそれぞれ示す。この針一体型バイオセンサーの場合、穿刺採血口９には内部を真空に保つための隔膜１２およびその表面に採血導入ガイド７が設けられている。使用時には針一体型バイオセンサーを皮膚に穿刺後、隔膜１２が破れ、採血がバイオセンサー内部の陰圧により送り込まれ、試薬と反応して測定が行なわれる。

図３は、中空穿刺針が角柱状の電極板部材の外側に配置された真空採血式針一体型バイオセンサーの一例を示す。図３aは構成図、図３bは図３aにおけるA-A'断面図、図３cは図３aにおけるB-B'断面図、図３dは端子３から基板５を見たときの背面図をそれぞれ示す。この針一体型バイオセンサーの場合、円柱状の中空穿刺針の内部に電極板部材が３本、三角柱を形成するように設けられている。穿刺採血口９には内部を真空に保つための隔膜１２およびその表面に採血導入ガイド７が設けられている。使用時には針一体型バイオセンサーを皮膚に穿刺することで、隔膜１２が破れ、採血がバイオセンサー内部の陰圧により送り込まれ、試薬と反応して測定が行なわれる。

図４は、図３に示される真空採血式針一体型バイオセンサーの穿刺作動時（穿刺直後）の様子を示す。穿刺によって隔膜１２が破れ、外気が真空の針一体型バイオセンサー内部へと入り込むこととなる。

図５は、図３および図４に示されている真空採血式針一体型バイオセンサーの使用例を断面図で示す。被検体の皮膚に斜めに、真空採血式針一体型バイオセンサーの穿刺部分を差し込む（図５a）ことで、隔膜が破れ（図５b）、その隙間から採血１７がセンサー内部へと移送されている（図５c）。

図６は、本発明のカートリッジ式の針一体型バイオセンサーの包装例および測定装置を伴う一使用例を示す。図６aは、カートリッジ式の針一体型バイオセンサーを複数個収納できる包装容器２３を示し、図６bは、その内部の様子を示す。この包装容器の形態であれば、カートリッジ式の針一体型バイオセンサー自体が小さいため、全体として小型のポケットサイズとなる。さらに、この場合には、個々のカートリッジ式の針一体型バイオセンサーがウェル状に設けられた空間に収められ、簡易包装フィルム２６によって包装されている。使用時にはこの簡易包装フィルム２６を非接着剤層である摘み部分２８からミシン目３０に沿って剥がして使用できる。この際、簡易包装フィルム２６は弱粘着性接着剤層２７の部分のみが剥離され、強力接着剤層２９部分は剥がれないようにすることでフィルム２６部分の脱落（ゴミの発生）を防げる。さらに、弱粘着性接着剤層２７は再接着が可能であれば、使用したカートリッジ式の針一体型バイオセンサーを元に戻すことができる。この場合、カートリッジ式の針一体型バイオセンサーを通常の注射器と同様に採血などのサンプリング容器として使用する場合にも便利である。

図６cは、カートリッジ式の針一体型バイオセンサー１５の簡易包装例を示し、この状態で包装容器２３内に収納される。この簡易包装体２４はキャップ状で、取り外しや、使用後の再取り付けが容易な形態であり、体液の採血および保存を目的とした使用方法にも適応できる。また、カートリッジ式の針一体型バイオセンサーのスペーサー２５を透明な材質とすることで、照明機能つきの測定装置に取り付けた場合、暗所においても、照明がスペーサーを通してなされるので、穿刺部の決定を容易にすることができる。

図６dはカートリッジ式の針一体型バイオセンサー用測定装置を示す。この測定装置３１は操作パネル３２、表示部３３、ボタン３４、フック３５、滑り止め３６および針一体型バイオセンサー導入部３７から構成され、カートリッジ式の針一体型バイオセンサー１５はキャップ２４を外した後、測定装置３１の下にある針一体型バイオセンサー導入部３７へ装着される。この測定装置３１の形状であれば持ち運びも容易であり、操作性も優れている。

図７は暗所においてカートリッジ式の針一体型バイオセンサーを測定に使用するときの操作の例を示す。図７aは測定装置３１の針一体型バイオセンサー導入部３７からの照明１４により、包装容器２３内にある一つのカートリッジ式の針一体型バイオセンサー１５包装部分を照らしている様子を示している。図７bは、照明１４が測定装置３１に取り付けられたカートリッジ式の針一体型バイオセンサー１５の透明スペーサーを通して被検体の穿刺予定部分を照らしている様子を示している。図７cは、照明１４により特定した箇所を穿刺し、採血および測定を行なっている様子を示す。この場合、表示部もバックライトなどにより視認性を高めることができる。

中空穿刺針が円柱状の電極板部材の外側に配置された針一体型バイオセンサーの一構成例を示す図である。 中空穿刺針が円柱状の電極板部材の外側に配置された真空採血式針一体型バイオセンサーの一構成例を示す図である。 中空穿刺針が角柱状の電極板部材の外側に配置された針一体型バイオセンサーの一構成例を示す図である。 真空採血式針一体型バイオセンサーの一使用例を示す図である。 真空採血式針一体型バイオセンサーの他の使用例を示す図である。 カートリッジ式の針一体型バイオセンサーの包装例および測定装置を伴う一使用例を示す図である。 カートリッジ式の針一体型バイオセンサーおよび測定装置の暗所における一使用例を示す図である。

符号の説明

１ 平板状電極（電極板部材）
３ 端子
５ 基板
６ 穿刺針
７ 採血導入ガイド
８ 空気排出口
９ 穿刺採血口
１０ 電極反応部（試薬層）
１２ 隔膜
１４ 照明
１５ 針一体型バイオセンサー
１６ 被検体
１８ 筒状電極(電極板部材)
１９ 穿刺部
２２ 毛細管現象停止部
２３ 包装容器
２４ 包装用キャップ
２５ 透明スペーサー
２６ 包装フィルム
２７ 弱粘着性接着剤層
２８ 非接着剤層（摘み）
２９ 強力接着剤層
３０ ミシン目
３１ 測定装置
３２ 操作パネル
３３ 表示部
３４ ボタン
３５ フック
３６ 滑り止め
３７ 針一体型バイオセンサー導入部

Claims (18)

1. 中空の柱状構造物で構成される穿刺針が基板に対して埋め込まれて固定され、該柱状構造物内部に少なくとも作用極および対極の２板状電極を基板に対して垂直に貫通させることにより電極を内含する穿刺針を形成せしめてなる針一体型バイオセンサー。
2. 中空の柱状構造物が中空の角柱状または円柱状である請求項１記載の針一体型バイオセンサー。
3. 基板を境にして電極とは反対側に、測定装置に電気信号を送る端子を設けた請求項１記載の針一体型バイオセンサー。
4. 電極が電極形成用基板上に成膜または電極形成用基板と貼り合わせることにより形成される請求項１記載の針一体型バイオセンサー。
5. レジストにより電極面積が規定されている請求項１記載の針一体型バイオセンサー。
6. 電極上に試薬層を形成せしめた請求項１記載の針一体型バイオセンサー。
7. 光触媒機能が付与された穿刺用中空針が用いられる請求項１記載の針一体型バイオセンサー。
8. 基板または穿刺針に貫通孔を設けることにより、毛細管現象による体液採取停止部を備えた請求項１記載の針一体型バイオセンサー。
9. 基板が透明である請求項１記載の針一体型バイオセンサー。
10. カートリッジ式である請求項１乃至９のいずれかに記載の針一体型バイオセンサー。
11. 使い捨てタイプである請求項１０記載のカートリッジ式の針一体型バイオセンサー。
12. 包装された状態である請求項１０記載のカートリッジ式の針一体型バイオセンサー。
13. 再包装が可能な状態で包装された請求項１２記載のカートリッジ式の針一体型バイオセンサー。
14. 請求項１０乃至１３のいずれかに記載のカートリッジ式の針一体型バイオセンサーを複数個収納した針一体型バイオセンサー包装体。
15. 請求項１０乃至１３のいずれかに記載のカートリッジ式の針一体型バイオセンサーと、該針一体型バイオセンサーを挿入させてセットする針一体型バイオセンサー導入部、該針一体型バイオセンサーの電極における電気的な信号を捉えるコネクター部、コネクター部を介して電気的な値を計測する計測部、計測のための操作パネル部、計測部における計測値を表示する表示部、計測値を保存するメモリ部、穿刺針の駆動部、駆動部引き金部および穿刺針による穿刺を開始する穿刺開始ボタンを備えた針一体型バイオセンサー用測定装置。
16. 計測部における計測方法として、ポテンシャルステップクロノアンペロメトリー法、クーロメトリー法またはサイクリックボルタンメトリー法が適用される請求項１５記載の針一体型バイオセンサー用測定装置。
17. カートリッジ式の針一体型バイオセンサーの挿入口を照明可能とした請求項１５または１６記載の針一体型バイオセンサー用測定装置。
18. 音声ガイド機能及び音声認識機能、電波時計の内臓による測定データ管理機能、測定データの医療機関への通信機能および充電機能の少なくとも一つの機能を備えた請求項１５乃至１７のいずれかに記載の針一体型バイオセンサー用測定装置。

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