JP6510388B2 - Biocompatible gel material, method of manufacturing biocompatible gel material, biocompatible gel electrode, and biological tissue adsorption device - Google Patents
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Description
本発明は、生体適合性ゲル材料、生体適合性ゲル材料の製造方法、生体適合性ゲル電極、及び生体組織吸着デバイスに関する。 The present invention relates to a biocompatible gel material, a method for producing a biocompatible gel material, a biocompatible gel electrode, and a biological tissue adsorption device.
近年、インターネットやビッグデータ解析などの情報通信技術の進展により、巨大で複雑なデータ集合の集積物の処理・解析技術が向上している。特に、医療分野において、人間の生体情報に関するリアルタイムセンシング技術の研究開発がさかんに行われている。 In recent years, with the progress of information communication technologies such as the Internet and big data analysis, processing and analysis techniques for large and complex data aggregations have been improved. In particular, in the medical field, research and development of real-time sensing technology related to human biological information has been actively conducted.
皮膚表面に装着するウェアラブルデバイスによる心拍や心電の計測や、ペースメーカなどの体内埋植型センサを直接臓器に接着化することによって生体からの情報を精度良く計測するためには、体内埋植型センサが測定対象となる臓器等に物理的に接触していることが望ましいとされている。しかしながら、状来のシリコンなどの剛直な素材で製造されたセンサデバイスでは、測定する臓器に接触させた場合、装着時の違和感や運動阻害が生じる等の問題があった。 In order to measure information from the living body with high accuracy by measuring heart rate and electrocardiogram with wearable device attached to the skin surface or directly attaching an implantable sensor such as a pacemaker to an organ It is desirable for the sensor to be in physical contact with the organ or the like to be measured. However, in the case of a sensor device manufactured from a rigid material such as silicon, there is a problem such as an uncomfortable feeling at the time of wearing or movement inhibition when contacting an organ to be measured.
上記問題を解決するために、有機トランジスタや有機ELといったエラストマフィルムの中に電子回路を集積させて、柔軟性のある電子回路として生体に直接貼り付ける研究開発がさかんに行われてきた。例えば、非特許文献1,2には、柔軟性に優れており、組織に損傷を与えない状態で生体の表面にセンサを貼り付けて、組織からの信号を計測する方法が開示されている。 In order to solve the above problems, research and development has been extensively carried out in which an electronic circuit is integrated in an elastomer film such as an organic transistor or an organic EL, and is directly attached to a living body as a flexible electronic circuit. For example, Non-Patent Documents 1 and 2 disclose a method of measuring a signal from a tissue by applying a sensor to the surface of a living body with excellent flexibility and without damaging the tissue.
しかしながら、従来のセンサは、柔軟性には長けているものの、いずれも液中や空気中において対象となる生体組織との親和性が依然として低いという課題があった。そのため、例えば体内埋植型センサの接着化後に、生体表面と接触している電極の位置がずれたり、生体組織が動くとセンサが滑り落ちて脱落したりして、長時間にわたって体内埋植型センサ等の計測デバイスを測定対象となる臓器等の生体組織に物理的に接触させることが困難であるという課題があった。 However, although the conventional sensor is excellent in flexibility, there is a problem that the affinity to the target living tissue in the liquid or in the air is still low. Therefore, for example, after the adhesion of the implantable sensor, the position of the electrode in contact with the surface of the living body shifts, or if the living tissue moves, the sensor slips off and falls off, and the implant is implanted for a long time There is a problem that it is difficult to physically contact a measuring device such as a sensor with a living tissue such as an organ to be measured.
ところで、非特許文献3には、有機トランジスタの集積回路が描画された高分子フィルムの周囲に、ポリロタキサンとポリビニルアルコールとを均一に混合分散させた粘着性ゲルを塗布することにより、心電計測に成功した例が開示されている。しかしながら、非特許文献3に開示された粘着性ゲルでは、生体中で分解もしくは拡散してしまうため、3時間以上の計測はいまだ実現できないのが実状であった。 By the way, in Non-Patent Document 3, for the electrocardiographic measurement, an adhesive gel in which polyrotaxane and polyvinyl alcohol are uniformly mixed and dispersed is applied around the polymer film on which the integrated circuit of the organic transistor is drawn. Successful examples are disclosed. However, in the case of the adhesive gel disclosed in Non-Patent Document 3, since it is decomposed or diffused in the living body, it has been the case that measurement for three hours or more can not be realized yet.
上記事情に鑑み、本発明は、高い機械的強度及び優れた柔軟性を有し、任意の形状に成形することが可能であって、長時間にわたって生体組織と接触させることが可能な生体適合性を有する材料、及びその製造方法を提供することを課題とする。 In view of the above circumstances, the present invention has biocompatibility which has high mechanical strength and excellent flexibility, can be formed into any shape, and can be in contact with living tissue for a long time It is an object of the present invention to provide a material having the
また、本発明は、生体表面への親和性が高く、伸縮時に破断せず、かつ湿潤環境下であっても生体組織の上でもすべらずに安定した接着状態を維持することが可能な電極、及びこれを備える生体組織吸着デバイスを提供することを課題とする。 In addition, the present invention provides an electrode which has high affinity to the surface of a living body, does not break during expansion and contraction, and can maintain a stable adhesion state without slipping on a living tissue even in a wet environment. An object of the present invention is to provide a biological tissue adsorption device including the same.
本発明の一態様は、架橋網目構造を形成可能であって生体適合性を有する2以上の成分と、導電性高分子とを配合してなり、前記成分が架橋網目構造からなるネットワークを形成したハイドロゲルであって、前記生体適合性を有する成分の一つが、シルクフィブロインである、生体適合性ゲル材料である。 One aspect of the present invention is formed by blending a conductive polymer and two or more components capable of forming a crosslinked network structure and having biocompatibility, and the component forms a network composed of the crosslinked network structure What hydrogel der, one of the components having the biocompatible is a silk fibroin, a biocompatible gel material.
上記生体適合性ゲル材料は、前記導電性高分子が、(3、4−エチレンジオキシチオフェン)/ポリ(4−スチレンスルホン酸)であることが好ましい。
また、前記導電性高分子は、前記ハイドロゲルの網目構造中に内包されることが好ましい。
また、前記生体適合性を有する成分として、さらにポリエチレングリコールジメタクリレートを含むことが好ましい。
さらに、前記ハイドロゲルが、前記シルクフィブロインと前記ポリエチレングリコールジメタクリレートとからなるダブルネットワークゲルであることが好ましい。
The biocompatible gel material, before Kishirube conductive polymer is preferably a (3,4-ethylenedioxythiophene) / poly (4-styrenesulfonic acid).
Moreover, it is preferable that the said conductive polymer is included in the network structure of the said hydrogel.
Moreover, it is preferable to further include polyethylene glycol dimethacrylate as the component having biocompatibility.
Furthermore, it is preferable that the hydrogel is a double network gel composed of the silk fibroin and the polyethylene glycol dimethacrylate.
本発明の別の態様は、上述した一態様の生体適合性ゲル材料の製造方法であって、架橋網目構造を形成可能であって生体適合性を有する2以上の成分の原料と導電性高分子とを配合した混合溶液を得る工程と、前記導電性高分子が前記混合溶液中に分散した状態で、前記混合溶液をゲル化して、前記成分が架橋網目構造からなるネットワークを形成する工程と、を含む、生体適合性ゲル材料の製造方法である。 Another aspect of the present invention is a method for producing the biocompatible gel material according to one aspect described above , wherein the raw material of two or more components capable of forming a crosslinked network and having biocompatibility and a conductive polymer And b. Forming a network in which the component is a crosslinked network structure by gelling the mixed solution in a state where the conductive polymer is dispersed in the mixed solution. And a method of making a biocompatible gel material.
本発明の他の態様は、吸着対象となる生体組織と接触する環状の接触部と、前記接触部を開口部とし、内部に中空構造を有する有底筒状の吸引部と、からなる吸盤構造を有する電極であって、前記電極が、架橋網目構造を形成可能であって生体適合性を有する2以上の成分と導電性高分子とを配合してなり、前記成分が架橋網目構造からなるネットワークを形成したハイドロゲルであって、前記生体適合性を有する成分の一つが、シルクフィブロインである、生体適合性ゲル材料から構成される、生体適合性ゲル電極である。 Another aspect of the present invention is a suction cup structure comprising: an annular contact portion in contact with a living tissue to be adsorbed; and a bottomed cylindrical suction portion having the hollow portion as an opening and the contact portion as an opening. Wherein the electrode is formed by blending two or more components capable of forming a crosslinked network structure and having biocompatibility with a conductive polymer, and the component comprises the crosslinked network structure A biocompatible gel electrode composed of a biocompatible gel material , wherein one of the components having biocompatibility is silk fibroin .
また、本発明の他の態様は、生体内かつ湿潤環境下において生体組織に吸着させるためのデバイスであって、吸盤構造を有する1以上の電極部と、前記電極部に接続される1以上の配線部と、を備え、少なくとも前記電極部が、架橋網目構造を形成可能であって生体適合性を有する2以上の成分と導電性高分子とを配合してなり、前記成分が架橋網目構造からなるネットワークを形成したハイドロゲルであって、前記生体適合性を有する成分の一つが、シルクフィブロインである、生体適合性ゲル材料から構成される、生体組織吸着デバイスである。
Another aspect of the present invention is a device for adsorbing to a living tissue in vivo and in a wet environment, comprising: at least one electrode unit having a sucker structure; and at least one electrode unit connected to the electrode unit. A wiring portion, wherein at least the electrode portion is formed by blending two or more components capable of forming a crosslinked network structure and having biocompatibility and a conductive polymer, and the components are formed of a crosslinked network structure And a hydrogel having a network formed thereon, wherein one of the components having biocompatibility is silk fibroin, which is composed of a biocompatible gel material.
本発明の生体適合性ゲル材料により、高い機械的強度及び優れた柔軟性を有し、任意の形状に成形することが可能であって、長時間にわたって生体組織と接触させることが可能な生体適合性を有する材料を提供することができる。 The biocompatible gel material of the present invention has high mechanical strength and excellent flexibility, can be formed into any shape, and can be in contact with living tissue for a long time It is possible to provide a material having a property.
また、本発明の生体適合性ゲルの製造方法により、任意の形状の生体適合性ゲル材料を簡便に製造することができる。 In addition, according to the method for producing a biocompatible gel of the present invention, a biocompatible gel material of any shape can be easily produced.
また、本発明の生体適合性ゲル電極により、生体表面への親和性が高く、伸縮時に破断せず、かつ湿潤環境下であっても生体組織の上でもすべらずに安定した接着状態を維持することができる。 In addition, the biocompatible gel electrode of the present invention has high affinity to the surface of the living body, does not break during stretching, and maintains a stable adhesion state even in a wet environment without sliding on living tissue. be able to.
また、本発明の生体組織吸着デバイスにより、生体内かつ湿潤環境下であっても、2以上の電極部を長時間にわたって測定対象となる生体組織に物理的に接触させることができるため、長時間の多点計測が可能となる。 In addition, the biological tissue adsorption device of the present invention allows two or more electrode parts to be in physical contact with the biological tissue to be measured for a long time, even in a living environment and in a wet environment, Multi-point measurement of
本願発明者は、動物などの形態や特性、デザインにヒントを得て、工学や材料科学の分野で製品の機能を高める「生物模倣」技術に着眼した。例えば、ヤモリの手の構造を模した炎症を起こしにくい絆創膏(非特許文献4を参照)や、オオヒメグモの粘液を模倣した合成接着剤(非特許文献5を参照)の開発など、動物を手本にすることで飛躍的に素材の機能を高めることに成功している。そこで、本願発明者は、組織に安定的に付着する動物として寄生虫に属する線虫や蟯虫、条虫に着目した。それらは宿主動物に感染すると、体内の凹凸のあるあらゆる組織の表面にも、体液や消化液といった流体に曝された湿潤環境にあるにもかかわらず、それらの吸盤と鉤(フック)構造を活用して吸着する。その吸着力は、心臓の拍動や腸管の蠕動運動、消化物の流れから受けるずり応力にも屈しない強度を持つため、組織への貼り付けデバイスにおける対組織安定吸着機構に寄与する内容を多く有する。本願発明者は、それらが持つ感染した組織への安定した吸着機構を活用することを見出し、本願発明を完成させた。 The inventor of the present application took notice of the form, characteristics, and design of animals and the like, and focused on “biomimetic” technology that enhances the function of products in the fields of engineering and material science. For example, the model of an animal is developed, such as the development of a bandage that does not easily cause inflammation that mimics the structure of the gecko's hand (see Non-Patent Document 4), and a synthetic adhesive that mimics the mucus of B. typhinum (see Non-Patent Document 5). It has succeeded in improving the function of the material dramatically. Therefore, the inventor of the present application focused attention on nematodes, helminths and cestodes belonging to parasites as animals that stably attach to tissues. When they infect a host animal, they utilize their sucker and hook structure even on the surface of any uneven tissue in the body, even in a moist environment exposed to fluids such as body fluids and digestive fluids. And adsorb. Its adsorptive power has strength that does not yield to heart pulsation, peristaltic movement of the intestinal tract, or shear stress received from the flow of digestive matter, so many of the contents contributing to the tissue stabilization adsorption mechanism in the attachment device to the tissue Have. The inventors of the present invention have found that they utilize a stable adsorption mechanism to infected tissues, and completed the present invention.
以下、本発明を適用した一実施形態である生体適合性ゲル材料について、その製造方法、これを用いた生体適合性ゲル電極、及び生体組織吸着デバイスの構成とともに図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。 Hereinafter, a biocompatible gel material which is an embodiment to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings together with a method of manufacturing the same, a biocompatible gel electrode using the same, and a configuration of a biological tissue adsorption device. In the drawings used in the following description, in order to make the features easy to understand, the features that are the features may be enlarged for the sake of convenience, and the dimensional ratio of each component may be limited to the same as the actual Absent.
<生体適合性ゲル材料>
先ず、本発明を適用した一実施形態である生体適合性ゲル材料の構成について説明する。
本実施形態の生体適合性ゲル材料は、架橋網目構造を形成可能であって生体適合性を有する2以上の成分を配合してなり、上記成分が架橋網目構造からなるネットワークを形成したハイドロゲルからなる材料である。
<Biocompatible gel material>
First, the configuration of a biocompatible gel material according to an embodiment of the present invention will be described.
The biocompatible gel material of the present embodiment is formed of a hydrogel in which a crosslinked network structure can be formed and two or more components having biocompatibility are blended, and the above components form a network formed of the crosslinked network structure. Material.
生体適合性を有する成分(すなわち、ゲル構造を構成するゲルの素材)としては、細胞接着性や生体親和性を有し、透明性が高く、親水性を有するものであれば、特に限定されるものではなく、合成分子及び生体分子のいずれも用いることができる。 The component having biocompatibility (that is, the material of the gel constituting the gel structure) is particularly limited as long as it has cell adhesiveness and biocompatibility, high transparency, and hydrophilicity. Instead, both synthetic molecules and biomolecules can be used.
上述した合成分子としては、例えば、ポリエチレングリコールやアクリルアミドなどの親水性アクリル系分子が挙げられる。これらの中でも、ポリエチレングリコールジメタクリレート(以下、「PEGDMA」と称することもある)は、伸縮性高分子であり、細胞や生体組織への親和性だけでなく、伸縮性、粘弾性、堅牢性を向上することができるために好ましい。 Examples of the synthetic molecule described above include hydrophilic acrylic molecules such as polyethylene glycol and acrylamide. Among these, polyethylene glycol dimethacrylate (hereinafter sometimes referred to as "PEGDMA") is a stretchable polymer, and it has stretchability, visco-elasticity, and fastness as well as affinity to cells and living tissues. It is preferable because it can be improved.
また、生体分子としては、例えば、アルギン酸ナトリウムなどの多糖類、ゼラチンやシルクなどのタンパク質材料、コラーゲンなどの細胞外マトリクスなどが挙げられる。これらの中でも、タンパク質を多く含有する材料が好ましい。したがって、本実施形態の生体適合性ゲル材料としては、生体適合性を有する成分の一つとしてシルクフィブロインゲルを用いることが好ましい。タンパク質を多く含有するシルクフィブロインゲルを用いることにより、ゲル材料の表面では、生体適合性が高く、細胞の接着性の促進が観察されるほど細胞毒性を少なくすることができる。 Further, examples of biomolecules include polysaccharides such as sodium alginate, protein materials such as gelatin and silk, and extracellular matrices such as collagen. Among these, materials containing a large amount of protein are preferable. Therefore, as the biocompatible gel material of the present embodiment, it is preferable to use silk fibroin gel as one of the components having biocompatibility. By using a silk fibroin gel containing a large amount of protein, on the surface of the gel material, the biocompatibility is high, and the cell toxicity can be reduced to such an extent that promotion of cell adhesion can be observed.
上述した合成分子及び生体分子は、高分子であってもよいし、低分子であってもよい。ここで、高分子の分子量(Mw)としては、当該高分子がゲル構造を構成可能であれば特に限定されず、例えば分子量が5千〜100万Da程度の高分子を使用することができる。 The synthetic molecules and biomolecules described above may be macromolecules or small molecules. Here, the molecular weight (Mw) of the polymer is not particularly limited as long as the polymer can form a gel structure, and for example, a polymer having a molecular weight of about 50,000 to 1,000,000 Da can be used.
本実施形態の生体適合性ゲル材料において、ゲル構造は架橋網目構造からなるネットワークであることが好ましい。ここで、架橋網目構造からなるネットワークとは、架橋網目構造を形成可能な2つの成分のそれぞれがネットワークを形成したダブルネットワークであってもよいし、3つ以上の成分がそれぞれネットワークを形成した多重ネットワークであってもよい。添加する成分によって、複数の特性を付与することができるため、3つ以上の成分によってゲル材料を構築することがより好ましい。例えば、ポリアクリル酸の成分を添加して導電性の生体適合性ゲル材料を構築した場合、ゲル材料の導通性をより高めることができる。 In the biocompatible gel material of the present embodiment, the gel structure is preferably a network composed of a crosslinked network structure. Here, the network consisting of a crosslinked network structure may be a double network in which each of two components capable of forming a crosslinked network structure forms a network, or a network in which three or more components form a network. It may be a network. It is more preferable to construct a gel material by three or more components because plural components can be imparted by the components to be added. For example, when the component of polyacrylic acid is added to construct a conductive biocompatible gel material, the conductivity of the gel material can be further enhanced.
また、本実施形態の生体適合性ゲル材料では、架橋網目構造からなるネットワークが、2以上の各成分がランダムに共有結合することによってネットワークを形成し、複数種類の架橋網目構造が存在する態様であってもよい。このように、複数種類の成分(ポリマー)がランダムに共有結合することにより、高強度性や高伸縮性などの機能を新たに追加できるために好ましい。 Further, in the biocompatible gel material of the present embodiment, the network composed of the crosslinked network structure forms a network by randomly bonding two or more components at random, and a plurality of crosslinked network structures exist. It may be. Thus, it is preferable because functions such as high strength and high stretchability can be newly added by covalently bonding a plurality of types of components (polymers) at random.
なお、本実施形態の生体適合性ゲル材料は、皮膚表面や細胞等の生体組織に対する親和性を向上させる観点から、ゲル構造内に水が含まれることが好ましい。すなわち、水分を含有するハイドロゲルであることが好ましい。ゲル材料中に含まれる水分の含有量は特に限定されないが、構造的強度を維持する観点から、例えば、生体適合性ゲル材料の総質量に対する水分含量は、5〜95質量%が好ましく、10〜80質量%がより好ましく、20〜70質量%がさらに好ましい。ゲル構造を構成する分子の種類や含有量(ゲル濃度)を調整することによって、前記水分含量を調整することができる。 In addition, it is preferable that water is contained in gel structure from a viewpoint of improving affinity with respect to biological tissue, such as a skin surface and a cell, of the biocompatible gel material of this embodiment. That is, it is preferable that it is a hydrogel containing water. The content of water contained in the gel material is not particularly limited, but from the viewpoint of maintaining the structural strength, for example, the water content relative to the total mass of the biocompatible gel material is preferably 5 to 95% by mass, 10 to 10%. 80 mass% is more preferable, and 20-70 mass% is further more preferable. The water content can be adjusted by adjusting the type and content (gel concentration) of molecules constituting the gel structure.
また、本実施形態の生体適合性ゲル材料は、高い導電性を付与することを目的として、導電性高分子を含んでいてもよい。これにより、生体適合性及び導電性を併せ持つゲル材料を提供することができる。 In addition, the biocompatible gel material of the present embodiment may contain a conductive polymer for the purpose of imparting high conductivity. Thereby, a gel material having both biocompatibility and conductivity can be provided.
導電性高分子としては、特に限定されるものではなく、生体適合性を有する従来公知の導電性高分子を用いることができる。具体的には、例えば、ポリピロール系高分子、ポリチオフェン系高分子、ポリアニリン系高分子からなる群より選ばれる一種類又は二種類以上の混合物等が挙げられる。これらの中でも、特に、親水性である導電性ポリマの(3、4−エチレンジオキシチオフェン)/ポリ(4−スチレンスルホン酸)(以下、「PEDOT:PSS」と称することもある)を用いることが好ましい。 The conductive polymer is not particularly limited, and conventionally known conductive polymers having biocompatibility can be used. Specifically, for example, one or a mixture of two or more selected from the group consisting of polypyrrole polymers, polythiophene polymers, and polyaniline polymers can be mentioned. Among these, use of (3,4-ethylenedioxythiophene) / poly (4-styrenesulfonic acid) (hereinafter sometimes referred to as "PEDOT: PSS") of a conductive polymer which is hydrophilic is particularly preferable. Is preferred.
さらに、本実施形態の生体適合性ゲル材料は、他の成分として、細胞外マトリクスや成長因子のような因子を内包してもよい。これにより、さらに細胞や組織との親和性を高めたゲル材料を得ることができる。 Furthermore, the biocompatible gel material of the present embodiment may contain, as another component, a factor such as an extracellular matrix or a growth factor. In this way, it is possible to obtain a gel material having an increased affinity to cells and tissues.
ここで、本実施形態の生体適合性ゲル材料の具体的な構成の一例として、生体適合性を有する成分(すなわち、ゲルの素材)であるシルクフィブロイン及びPEGDMAの2成分と導電性高分子であるPEDOT:PSSとを配合した、PEDOT:PSS含有PEGDMA/シルクゲルについて説明する。 Here, as an example of a specific configuration of the biocompatible gel material of the present embodiment, two components of silk fibroin and PEGDMA which are components having biocompatibility (that is, a material of the gel) and a conductive polymer are used. The PEDOT: PSS-containing PEGDMA / silk gel formulated with PEDOT: PSS will be described.
上記例のPEDOT:PSS含有PEGDMA/シルクゲルにおいて、シルクフィブロインおよびPEGDMAは、架橋構造をとることでともに化学ゲルとなり、混合体としてゲル化処理を行うことで架橋構造を破壊しない限り溶解しない化学的安定性を有するダブルネットワークゲルを形成する。 In the PEDOT: PSS-containing PEGDMA / silk gel of the above example, silk fibroin and PEGDMA both form a chemical gel by taking a cross-linked structure, and performing gelation treatment as a mixture chemically stable so long as the cross-linked structure is not broken. Form a double network gel with sex.
生体適合性を有する成分の配合比としては、特に限定されるものではなく、生体適合性ゲル材料に付加したい特性に応じて適宜選択することができる。具体的には、シルクフィブロインおよびPEGDMAの2成分系において、例えば、10mg/mLのシルクフィブロインゲルを使用する場合、シルクフィブロインゲル:PEGDMA(体積比)を1:2〜1:10の範囲とすることにより、均一性と柔軟性の両方の特性を生体適合性ゲル材料に付与することができる。 It does not specifically limit as a compounding ratio of the component which has biocompatibility, According to the characteristic to add to a biocompatible gel material, it can select suitably. Specifically, when using a 10 mg / mL silk fibroin gel in a two-component system of silk fibroin and PEGDMA, for example, the silk fibroin gel: PEGDMA (volume ratio) is in the range of 1: 2 to 1:10. Thereby, both uniformity and flexibility properties can be imparted to the biocompatible gel material.
また、シルクフィブロインおよびPEGDMAからなるダブルネットワークゲルには、親水性であるPEDOT:PSS粒子が配合されており、ゲルの網目構造の中に導電性高分子が内包されているため、高い導電性の付加も達成される。 In addition, the double network gel consisting of silk fibroin and PEGDMA contains PEDOT: PSS particles that are hydrophilic and contains a conductive polymer in the network structure of the gel, so it is highly conductive. Addition is also achieved.
PEDOT:PSS粒子の粒子径としては、特に限定されるものではなく、平均一次粒子径が20〜400nmの範囲であることが好ましい。なお、粒子径分布は、散乱光強度の追跡を行うことが可能な市販の装置によって測定することができる。 The particle diameter of the PEDOT: PSS particles is not particularly limited, and the average primary particle diameter is preferably in the range of 20 to 400 nm. The particle size distribution can be measured by a commercially available device capable of tracking the scattered light intensity.
導電性高分子の配合量(添加量)としては、特に限定されるものではなく、生体適合性ゲル材料に付加したい導電性に応じて適宜選択することができる。具体的には、シルクフィブロインおよびPEGDMAの2成分からなるダブルネットワークゲル100質量部に対して、例えば、PEDOT:PSSを10〜50質量部の範囲とすることにより、安定した導電性を生体適合性ゲル材料に付与することができる。 The blending amount (addition amount) of the conductive polymer is not particularly limited, and can be appropriately selected according to the conductivity to be added to the biocompatible gel material. Specifically, for example, when PEDOT: PSS is in the range of 10 to 50 parts by mass with respect to 100 parts by mass of a double network gel consisting of silk fibroin and PEGDMA, stable conductivity is biocompatibility. It can be applied to gel materials.
ところで、既存研究(上記非特許文献6を参照)において、シルクフィブロインゲルとPEDOT:PSSを混合することにより、シルクフィブロインゲルの網目構造がPEDOT:PSS粒子間の電子のホッピング現象を誘導することにより、抵抗値を低下させることが知られている。上記例のPEDOT:PSS含有PEGDMA/シルクゲルにおいても、シルクフィブロインおよびPEGDMAからなるダブルネットワークゲルにPEDOT:PSSを混合することにより、同様の結果が得られる。 By the way, by mixing silk fibroin gel and PEDOT: PSS in the existing research (see the above-mentioned non-patent document 6), the network structure of the silk fibroin gel induces the electron hopping phenomenon between PEDOT: PSS particles. It is known to lower the resistance value. Similar results are obtained by mixing PEDOT: PSS with the double network gel consisting of silk fibroin and PEGDMA in the PEDOT: PSS-containing PEGDMA / silk gel of the above example.
上述したように、上記例のPEDOT:PSS含有PEGDMA/シルクゲルによれば、導電性だけでなく、細胞や生体組織への親和性、伸縮性、粘弾性、堅牢性の向上が可能となる。また、PEDOT:PSS含有PEGDMA/シルクゲルは、その表面に細胞を培養し生育させられるほど高い生体適合性を有する。 As described above, according to the PEDOT: PSS-containing PEGDMA / silk gel of the above example, it is possible to improve not only conductivity but also affinity to cells and living tissues, elasticity, viscoelasticity, and robustness. In addition, PEDOT: PSS-containing PEGDMA / silk gel has biocompatibility high enough to culture and grow cells on its surface.
<生体適合性ゲル材料の製造方法>
次に、本発明を適用した一実施形態である生体適合性ゲル材料の製造方法について説明する。
本実施形態の生体適合性ゲル材料の製造方法は、架橋網目構造を形成可能であって生体適合性を有する2以上の成分の原料を配合した混合溶液を得る工程(第1工程)と、前記混合溶液をゲル化して、前記成分が架橋網目構造からなるネットワークを形成する工程(第2工程)と、を含んで概略構成されている。以下、本実施形態の具体的な製造方法の一例として、PEDOT:PSS含有PEGDMA/シルクゲルの製造方法について説明する。
<Method of producing biocompatible gel material>
Next, a method for producing a biocompatible gel material, which is an embodiment to which the present invention is applied, will be described.
The method for producing a biocompatible gel material according to the present embodiment is a step (first step) of obtaining a mixed solution in which raw materials of two or more components capable of forming a crosslinked network structure and having biocompatibility are blended; And gelling the mixed solution to form a network consisting of a crosslinked network (second step). Hereinafter, a method for producing PEDOT: PSS-containing PEGDMA / silk gel will be described as an example of a specific method for producing the present embodiment.
先ず、第1工程では、生体適合性を有する2以上の成分の原料を配合した混合溶液を得る。具体的には、シルクを水に溶解させて得られるシルクフィブロイン水溶液に、エチレングリコールジメタクリレートのモノマおよびPEDOT:PSSを添加して、ゲル成分の含有量が40〜80質量%の混合溶液(水溶液)を調製する。 First, in the first step, a mixed solution in which raw materials of two or more components having biocompatibility are blended is obtained. Specifically, a monomer of ethylene glycol dimethacrylate and PEDOT: PSS are added to a silk fibroin aqueous solution obtained by dissolving silk in water, and a mixed solution containing 40 to 80% by mass of a gel component (aqueous solution )).
なお、混合溶液の調製方法は、一例であり、これに限定されるものではない。例えば、それぞれの成分の原料溶液(水溶液)をそれぞれ調整した後、これらを混合して混合溶液を調製してもよい。 In addition, the preparation method of a mixed solution is an example, and is not limited to this. For example, after preparing each raw material solution (aqueous solution) of each component, you may mix these and prepare a mixed solution.
次に、第2工程では、第1工程で調製した混合溶液をゲル化する。具体的には、導電性高分子であるPEDOT:PSSが混合溶液中に分散した状態で、各成分のネットワークを形成する。ゲル化処理の方法としては、特に限定されるものではなく、ゲル成分の種類等によって適宜選択することができる。具体的なゲル化処理としては、光照射による光硬化、熱処理による熱硬化、エタノール溶液への暴露等の溶液処理のいずれか1つを行ってもよいし、2以上を組み合わせた処理としてもよい。 Next, in the second step, the mixed solution prepared in the first step is gelled. Specifically, in the state where the conductive polymer PEDOT: PSS is dispersed in the mixed solution, a network of each component is formed. The method of gelation treatment is not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the type of gel component and the like. As a specific gelation treatment, any one of solution treatment such as light curing by light irradiation, heat curing by heat treatment, exposure to an ethanol solution, etc. may be performed, or a treatment combining two or more may be used. .
ここで、シルクフィブロインとPEGDMAから成るダブルネットワークゲルは、光硬化性を利用して成形することができるため、バルクの材料のみではなく、任意の形状や部分的なパターンを有するゲル材料を製造することができる。 Here, a double network gel composed of silk fibroin and PEGDMA can be shaped using photo-curing, and therefore, a gel material having not only a bulk material but also an arbitrary shape or partial pattern is manufactured. be able to.
具体的には、本実施形態の生体適合性ゲル材料の製造方法では、位置合わせが簡便で任意のCADデータによる設計ができるため、複雑な構造体における部分的な導通回路のパターンの形成に応用することが可能である。 Specifically, in the method for producing a biocompatible gel material according to this embodiment, alignment is easy and design based on arbitrary CAD data can be performed. Therefore, the method is applied to formation of a partial conductive circuit pattern in a complex structure. It is possible.
また、光硬化性を利用して成形する場合、任意のタイミングで光を照射することによってゲル化が始まるため、3Dプリンタを用いて造形した鋳型やシリコンチューブに混合溶液に充填することで、目的の形状に容易に成形することが可能となる。 In addition, in the case of molding using light curing property, gelation starts by irradiating light at an arbitrary timing, so the purpose is to fill the mixed solution in a mold or a silicon tube that is shaped using a 3D printer. It can be easily molded into the shape of
なお、鋳型は、3Dプリンタや光造形装置によって目的の三次元構造体をデザインする。また、3Dプリンタによる造形物はABS樹脂を用いることができるが、その用途に応じて光造形装置により作製されるレジン系の構造体や、転写されたポリジメチルシロキサン(PDMS)などの透明色のエラストマでも製作が可能である。 In addition, a mold designs the target three-dimensional structure with a 3D printer or an optical shaping apparatus. In addition, although an ABS resin can be used as a three-dimensional object by a 3D printer, a resin-based structure manufactured by an optical forming apparatus according to the application or a transparent color such as transferred polydimethylsiloxane (PDMS) Elastomers can also be made.
<生体組織吸着デバイス>
次に、上述した生体適合性ゲル材料を用いた生体組織吸着デバイスの構成の一例について、説明する。
本発明を適用した一実施形態である生体組織吸着デバイスは、吸盤構造を有する1以上の電極部と、上記電極部に接続される1以上の配線部と、を備え、少なくとも電極部が、架橋網目構造を形成可能であって生体適合性を有する2以上の成分と導電性高分子とを配合してなる生体適合性ゲル材料から構成されている。
<Bio-tissue adsorption device>
Next, an example of the configuration of a biological tissue adsorption device using the above-mentioned biocompatible gel material will be described.
A biological tissue adsorption device according to an embodiment of the present invention includes one or more electrode units having a suction structure and one or more wiring units connected to the electrode units, and at least the electrode units are crosslinked. It is composed of a biocompatible gel material formed by blending two or more components capable of forming a network structure and having biocompatibility and a conductive polymer.
図1(a)は、本実施形態の生体組織吸着デバイスの構成の一例を示す斜視図である。
図1(a)に示すように、生体組織吸着デバイス10は、吸盤構造を有する複数の電極部1と、この電極部(後述する生体適合性ゲル電極)1に接続する複数の配線部2と、これらの配線部2が形成された導電性を有さないゲル基板3と、を備えて、概略構成されている。
FIG. 1A is a perspective view showing an example of the configuration of the biological tissue suction device of the present embodiment.
As shown in FIG. 1A, the biological tissue adsorption device 10 includes a plurality of electrode units 1 having a suction structure and a plurality of wiring units 2 connected to the electrode units (biocompatible gel electrodes described later) 1. And a conductive gel substrate 3 on which the wiring portions 2 are formed.
電極部1は、ゲル基板3上にそれぞれ交差することなく形成された配線部2上に突出するように設けられている。また、電極部1は、ゲル基板3の平面上に分散して配置されている。したがって、各電極部1は、それぞれ独立した電極として機能する。 The electrode portion 1 is provided so as to protrude on the wiring portion 2 formed without crossing on the gel substrate 3. In addition, the electrode portions 1 are dispersedly disposed on the plane of the gel substrate 3. Therefore, each electrode unit 1 functions as an independent electrode.
配線部2は、電極部1が設けられた以外の部分が図示略の絶縁物によって被覆されている。なお、上記絶縁物としては、熱化学気相成長を用いたポリパラキシレン(パリレン)などが挙げられる。 The wiring portion 2 is covered with an insulator (not shown) except for the portion where the electrode portion 1 is provided. Examples of the insulator include polyparaxylene (parylene) using thermal chemical vapor deposition.
本実施形態の生体組織吸着デバイス10は、導電性ポリマを含むゲルと、導電性ポリマを含まないゲルと、を組み合わせて配置することにより、部分的な導通性回路を容易に形成することができる。 The biological tissue adsorption device 10 of the present embodiment can easily form a partial conductive circuit by arranging a gel containing a conductive polymer and a gel not containing a conductive polymer in combination. .
具体的には、例えば、導電性を有する「PEDOT:PSS含有PEGDMA/シルクゲル」を電極部1及び配線部2に適用し、導電性を有しない「PEGDMA/シルクゲル」をゲル基板3に適用することにより、電極部1、配線部2及びゲル基板3の伸縮性が高く、電極部1及び配線部2の部位のみが導電性を有するという構成となるため、生体組織吸着デバイス10は、空気中・液中を問わず動的な組織に追従可能なセンサとして機能することができる。 Specifically, for example, applying “PEDOT: PSS-containing PEGDMA / silk gel” having conductivity to the electrode part 1 and the wiring part 2 and applying “PEGDMA / silk gel” having no conductivity to the gel substrate 3 Thus, the stretchability of the electrode unit 1, the wiring unit 2 and the gel substrate 3 is high, and only the portions of the electrode unit 1 and the wiring unit 2 have conductivity. It can function as a sensor capable of following dynamic tissue regardless of fluid.
上述したように、本実施形態の生体組織吸着デバイス10は、空気中・液中を問わず動的な組織に追従可能なフィルム状(あるいはシート状)のセンサであり、皮膚だけでなく心臓のような運動する体内の組織にも貼り付けて用いることができる。したがって、体内埋植型電子システムに応用することが可能であり、生体に直接貼り付けるだけで、生体のダイナミックな運動に追従できる多点計測のセンサとして、24時間ストレスなく生体情報を計測することが可能となる。 As described above, the biological tissue adsorption device 10 of the present embodiment is a film-like (or sheet-like) sensor capable of following dynamic tissue regardless of whether in the air or in liquid, and it is not only skin but also heart. It can be used by sticking to tissues in the body that exercise. Therefore, it is possible to apply it to an implantable electronic system, and measure biological information without stress as a multipoint measurement sensor that can follow dynamic motion of the living body simply by directly attaching it to the living body. Is possible.
<生体適合性ゲル電極>
次に、上述した生体組織吸着デバイスの電極部に適用可能な生体適合性ゲル電極の構成の一例について、説明する。
本発明を適用した一実施形態である生体適合性ゲル電極は、吸着対象となる生体組織と接触する環状の接触部と、上記接触部を開口部とし、内部に中空構造を有する有底筒状の吸引部と、からなる吸盤構造を有する電極であって、生体適合性を有する2以上の成分と導電性高分子とを配合してなる生体適合性ゲル材料から構成されている。以下に、本実施形態の生体適合性ゲル電極の形状について、説明する。
<Biocompatible gel electrode>
Next, an example of the configuration of the biocompatible gel electrode applicable to the electrode unit of the above-described biological tissue adsorption device will be described.
The biocompatible gel electrode according to one embodiment to which the present invention is applied has a bottomed cylindrical shape having a hollow structure inside with an annular contact portion in contact with a living tissue to be adsorbed and the contact portion as an opening. An electrode having a suction structure comprising: a suction portion; and a biocompatible gel material obtained by blending two or more components having biocompatibility and a conductive polymer. Hereinafter, the shape of the biocompatible gel electrode of the present embodiment will be described.
図1(b)は、本実施形態の生体適合性ゲル電極の構成の一例を示す斜視図である。
図1(b)に示すように、本実施形態の生体適合性ゲル電極1は、吸着対象となる生体組織と直接接触するリング状(環状)の接触部4と、上記接触部4を開口部とし、内部に中空構造6を有する有底筒状の吸引部5と、からなる吸盤構造を有する。
FIG. 1 (b) is a perspective view showing an example of the configuration of the biocompatible gel electrode of the present embodiment.
As shown in FIG. 1 (b), the biocompatible gel electrode 1 of this embodiment has a ring-shaped (annular) contact portion 4 in direct contact with a living tissue to be adsorbed, and the contact portion 4 as an opening. And, it has a suction cup structure consisting of a bottomed cylindrical suction part 5 having a hollow structure 6 inside.
生体適合性ゲル電極1の吸盤構造は、筒状の吸引部5の内部に中空構造6を有しており、接触部4が目的の組織と接触した際に吸引部5が縦方向に歪む(すなわち、中空構造5が縦方向に歪む)ことによって、吸盤としての機能を高めるものである。より具体的には、目的の組織にリング状の接触部4が吸着し、リングに垂直方向に応力がかかると吸盤全体が歪み、吸引部5の内腔部分の体積が減少する。この体積変化により吸盤内部に内圧がかかるため、中空構造6の内部の物質が気体であっても液体であっても安定的に吸着することができる。 The suction cup structure of the biocompatible gel electrode 1 has a hollow structure 6 inside the cylindrical suction part 5, and when the contact part 4 comes in contact with the target tissue, the suction part 5 is distorted in the longitudinal direction ( That is, the hollow structure 5 is distorted in the longitudinal direction to enhance the function as a suction cup. More specifically, when the ring-shaped contact portion 4 is adsorbed to the target tissue and stress is applied in the vertical direction to the ring, the entire suction cup is distorted and the volume of the lumen portion of the suction portion 5 is reduced. Since an internal pressure is applied to the inside of the suction cup due to this volume change, it is possible to stably adsorb whether the substance inside the hollow structure 6 is a gas or a liquid.
図1(c)は、本実施形態の生体適合性ゲル電極の構成の他の例を示す断面図である。
図1(c)に示すように、生体適合性ゲル電極1の吸盤構造は、吸盤に歪みが生じる際に、内部構造6の体積変化を増加させるため、互いに連通する上部空間6Aと下部空間6Bとに分割された内部構造6を有する構成としてもよい。
FIG. 1 (c) is a cross-sectional view showing another example of the configuration of the biocompatible gel electrode of the present embodiment.
As shown in FIG. 1 (c), the suction cup structure of the biocompatible gel electrode 1 increases the volume change of the internal structure 6 when distortion occurs in the suction cup, so that the upper space 6A and the lower space 6B communicate with each other. It is good also as composition which has internal structure 6 divided into two.
吸盤構造による生体組織への接着は、吸盤内部を満たす気体ないし液体の体積変化による内圧の変化が起因している。このため、上部空間6Aから下部空間6Bの方向に垂直方向の外力が加わると、まず上部空間6Aの周囲の対象物と接着しているゲルが同一方向に歪み、さらにその歪みが下部空間6Bの内部構造にも伝達して体積変化につながる。したがって、上部空間6Aのみを有する構成の吸盤よりも総体積とその変化量が増えるため、より効率的に吸着機能を向上させることができる。 The adhesion to the living tissue by the sucker structure is caused by the change in internal pressure due to the volume change of the gas or liquid filling the inside of the sucker. For this reason, when an external force in the direction perpendicular to the direction from the upper space 6A to the lower space 6B is applied, first, the gel adhering to the object around the upper space 6A is distorted in the same direction, and the distortion further occurs in the lower space 6B. It also transfers to the internal structure, leading to volume change. Therefore, since the total volume and the amount of change thereof are increased as compared with the suction cup having a configuration having only the upper space 6A, the adsorption function can be more efficiently improved.
上述したように、本実施形態の生体適合性ゲル電極1は、生体適合性ゲル材料から構成されており、ゲル表面が吸盤構造を有しているため、生体組織に接着時に安定的に固定することができる。したがって、上述した生体組織吸着デバイス10において、生体電気信号を計測する生体電極(すなわち、電極部1)として適用することができる。 As described above, the biocompatible gel electrode 1 of the present embodiment is composed of a biocompatible gel material, and since the gel surface has a sucker structure, it is stably fixed to living tissue at the time of adhesion. be able to. Therefore, the biological tissue adsorption device 10 described above can be applied as a biological electrode (that is, the electrode unit 1) that measures a bioelectric signal.
以上説明したように、本実施形態の生体適合性ゲル材料によれば、架橋網目構造を形成可能であって生体適合性を有する2以上の成分を配合したものであって、これらの成分が架橋網目構造からなるネットワークを形成する構成であるため、高い機械的強度及び優れた柔軟性を有し、任意の形状に成形することが可能であって、長時間にわたって生体組織と接触させることができる。 As explained above, according to the biocompatible gel material of this embodiment, two or more components capable of forming a crosslinked network structure and having biocompatibility are blended, and these components are crosslinked Since the network structure is a network structure, it has high mechanical strength and excellent flexibility, can be molded into any shape, and can be in contact with living tissue for a long time .
また、生体適合性を有する2以上の成分として、シルクフィブロインとポリエチレングリコールジメタクリレート(PEGDMA)とを用いた場合には、これらが架橋構造をとることによってともに化学ゲルとなり、架橋構造を破壊しない限り溶解しない化学的安定性を有するダブルネットワークゲルを形成することができる。 In addition, when silk fibroin and polyethylene glycol dimethacrylate (PEGDMA) are used as two or more components having biocompatibility, they become both chemical gels by taking a cross-linked structure, as long as the cross-linked structure is not broken. It is possible to form double network gels with non-dissolving chemical stability.
さらに、生体適合性の高いゲルの素材としてシルクフィブロインとPEGDMAを用いるととともに、導電性ポリマとして親水性を有する(3、4−エチレンジオキシチオフェン)/ポリ(4−スチレンスルホン酸)(PEDOT:PSS)をダブルネットワークゲル内に分散混合させることにより、生体適合性ゲル材料に導電性を付加することができる。 In addition to using silk fibroin and PEGDMA as highly biocompatible gel materials, the conductive polymer has hydrophilicity (3,4-ethylenedioxythiophene) / poly (4-styrenesulfonic acid) (PEDOT: Conductivity can be added to the biocompatible gel material by dispersing and mixing PSS) in a double network gel.
更にまた、PEDOT:PSS含有PEGDMA/シルクゲルによれば、導電性だけでなく、細胞や生体組織への親和性、伸縮性、粘弾性、堅牢性を向上することができる。 Furthermore, according to PEDOT: PSS-containing PEGDMA / silk gel, not only conductivity, but also affinity to cells and living tissues, elasticity, viscoelasticity, and robustness can be improved.
また、本実施形態の生体適合性ゲルの製造方法によれば、架橋網目構造を形成可能な生体適合性を有する2以上の成分の原料を配合した混合溶液を得る工程と、得られた混合溶液をゲル化する工程と、を含む構成であるため、任意の形状の生体適合性ゲル材料を簡便に製造することができる。 In addition, according to the method for producing a biocompatible gel of the present embodiment, a step of obtaining a mixed solution containing raw materials of two or more components having biocompatibility capable of forming a crosslinked network structure, and the obtained mixed solution And the step of gelling, a biocompatible gel material of any shape can be easily produced.
また、シルクフィブロインとPEGDMAから成るダブルネットワークゲルは、光硬化性を利用して成形することができるため、任意の形状や部分的なパターンを有するゲルを簡便に製造することができる。 Moreover, since the double network gel which consists of silk fibroin and PEGDMA can be shape | molded using photocurability, the gel which has arbitrary shapes and a partial pattern can be manufactured simply.
さらに、混合溶液を調製する際に、細胞外マトリクスや成長因子のような因子を混合溶液に内包することにより、細胞や組織との親和性をさらに高めることができる。 Furthermore, when preparing the mixed solution, the affinity to cells and tissues can be further enhanced by encapsulating factors such as extracellular matrix and growth factor in the mixed solution.
また、本実施形態の生体組織吸着デバイス10によれば、導電性を有する生体適合性ゲル材料によって形成された吸盤構造を有する1以上の電極部(生体適合性ゲル電極)1と、この電極部1に接続される1以上の配線部2と、を備える構成であり、生体内かつ湿潤環境下であっても、複数の電極部1を長時間にわたって測定対象となる生体組織に物理的に接触させることができるため、長時間の多点計測が可能となる。 Moreover, according to the biological tissue adsorption device 10 of the present embodiment, one or more electrode parts (biocompatible gel electrode) 1 having a sucker structure formed of a biocompatible gel material having conductivity, and this electrode part 1 or more wiring parts 2 connected to 1 and physically contact a plurality of electrode parts 1 with a living tissue to be measured for a long time even in a living body and in a wet environment Since it can be made to do, multipoint measurement of a long time becomes possible.
また、本実施形態の生体適合性ゲル電極1によれば、生体組織と接触する環状の接触部4と、内部に中空構造6を有する有底筒状の吸引部5と、からなる吸盤構造を有しており、この吸盤構造が導電性を有する生体適合性ゲル材料によって形成された構成であるため、生体表面への親和性が高く、伸縮時に破断せず、かつ湿潤環境下であっても生体組織の上でもすべらずに安定した接着状態を維持することができる。すなわち、生体内かつ湿潤環境下において、安定して生体組織に吸着させることができる。 In addition, according to the biocompatible gel electrode 1 of the present embodiment, a suction disk structure including an annular contact portion 4 in contact with a living tissue and a bottomed cylindrical suction portion 5 having a hollow structure 6 inside is provided. Since the suction cup structure is formed of a conductive biocompatible gel material, it has high affinity to the surface of the living body, does not break when stretched, and is in a wet environment. It is possible to maintain a stable adhesion without slipping even on a living tissue. That is, it can be stably adsorbed to a living tissue in vivo and in a moist environment.
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。 The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes design and the like within the scope of the present invention.
例えば、上述した実施形態では、シート状の生体組織吸着デバイス10を用いる構成を一例として説明したが、従来型の生体信号計測装置と組み合わせることによって簡便に生体電気信号の解析を行うことができる構成としてもよい。 For example, in the embodiment described above, the configuration using the sheet-like biological tissue adsorption device 10 has been described as an example, but a configuration that can easily analyze the bioelectric signal by combining with a conventional biological signal measuring device It may be
具体的には、図1(d)に示すように、生体組織7に密着した生体適合性ゲル電極11と生体信号計測装置8との間を、配線材料12が結合しているセットアップを採用してもよい。この際、配線材料12としては、吸盤構造を構成する導電性ハイドロゲルによって製作してもよいが、市販されている金属細線を用いてもよい。 Specifically, as shown in FIG. 1D, a setup in which the wiring material 12 is coupled between the biocompatible gel electrode 11 in close contact with the living tissue 7 and the biosignal measuring device 8 is employed. May be Under the present circumstances, although you may manufacture with the conductive hydrogel which comprises a sucker structure as the wiring material 12, you may use the metal fine wire marketed.
また、上述した実施形態では、生体組織に吸着する電極の材料として導電性を有する生体適合性ゲル材料の構成を一例として説明したが、細胞培養の担体として適用してもよい。 Further, in the above-described embodiment, the configuration of the biocompatible gel material having conductivity has been described as an example of the material of the electrode to be adsorbed to the living tissue, but it may be applied as a carrier for cell culture.
具体的には、細胞の接着をさらに促進し、より高い親和性と長期的な細胞接着維持を実現するために、多重ネットワークゲルに対してフィブロネクチンやコラーゲン、ラミニンなどの細胞外マトリクス溶液を適宜添加する構成としてもよい。 Specifically, in order to further promote cell adhesion and achieve higher affinity and long-term cell adhesion maintenance, extracellular matrix solutions such as fibronectin, collagen and laminin are appropriately added to the multi-network gel. It may be configured to
図1(e)は、培養皿状に培養液を満たし、その中に溶液置換後のゲルを浮遊させ、そのゲルの表面上に細胞を播種した際、ゲル表面上に培養された接着性細胞(CHO細胞)の1週間培養後の様子を示す図である。図1(e)に示すように、ゲル表面9では、培養皿13の表面と変わらず、接着性細胞14が伸展かつ増殖を繰り返しており、生育基板として有用であることを確認することができる。 Fig. 1 (e) shows that when the culture solution is filled in a culture dish, the gel after solution substitution is suspended therein, and cells are seeded on the surface of the gel, the adherent cells cultured on the gel surface It is a figure which shows the mode after 1 week culture | cultivation of (CHO cell). As shown in FIG. 1 (e), on the gel surface 9, the adherent cells 14 repeat spreading and proliferating similarly to the surface of the culture dish 13, and it can be confirmed that they are useful as a growth substrate. .
以下、本発明の効果について、以下の実施例を用いて詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。 Hereinafter, the effects of the present invention will be described in detail using the following examples. The present invention is not limited by the following examples.
<実施例1>
ゲルの原料として、ポリエチレングリコールジメタクリレートとシルクを用いた。絹糸(フジックス、タイヤー絹糸縫糸、白9号)を溶液化することで得られる、濃度10mg/mLのシルクフィブロイン溶液を100μLと、エチレングリコールジメタクリレート(EGDMA、東京化成工業株式会社)50μLの混合モノマ溶液を用意し、その中に4−ヒドロキシブチルアクリレート(4HBA、東京化成工業株式会社)400μLと導電性高分子PEDOT:PSS溶液(ヘリウス社製、「クレビオスP」)400μLを混合した後、目的の形状を有する鋳型に注入し、硬化させて吸盤構造を有する生体適合性ゲル電極を作製した。
Example 1
Polyethylene glycol dimethacrylate and silk were used as raw materials of the gel. 100 μL of a silk fibroin solution with a concentration of 10 mg / mL and 50 μL of a mixed monomer of ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA, Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.), obtained by dissolving silk thread (Fujix, Tya-Silk thread, White No. 9) Prepare a solution, and after mixing 400 μL of 4-hydroxybutyl acrylate (4HBA, Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and 400 μL of a conductive polymer PEDOT: PSS solution (manufactured by Helius, “Clebios P”), The mixture was poured into a mold having a shape and cured to prepare a biocompatible gel electrode having a sucker structure.
なお、ゲルの硬化方法として、光重合を用いた。具体的には、重合開始剤としてLAP(lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate)を添加し、光源として300Wキセノン光源(朝日分光株式会社、MAX−302)を用いて、約30mW/cm2の放射照度で3分間照射した。 In addition, photopolymerization was used as a hardening method of gel. Specifically, LAP (lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate) is added as a polymerization initiator, and using a 300 W xenon light source (Asahi Spectroscopic Co., Ltd., MAX-302) as a light source, about 30 mW / cm 2 Irradiated at an irradiance of 3 minutes.
鋳型は、3Dプリンタにより目的の三次元構造体をデザインしたものを形成した。この際、3Dプリンタによる造形物には、ABS樹脂を用いた。 The mold formed what designed the target three-dimensional structure by 3D printer. Under the present circumstances, ABS resin was used for the modeling thing by 3D printer.
<実施例2>
実施例1において作製した吸盤構造を有するゲル電極を、皮膚やラットの心臓の表面に直接貼り付けて、ひずみのような物理量や心電など生理電気信号を計測することができた。聴診器のように心臓表面に押し当てるだけで、組織に安定的に吸着する検証を行った。心臓表面と接している吸盤状構造の部分が導電性高分子を含有しているため、接触部分からの電気信号を特異的に計測することができた。
Example 2
The gel electrode having a sucker structure manufactured in Example 1 was directly attached to the surface of the skin or rat heart, and physiological electrical signals such as physical quantities such as strain and electrocardiograms could be measured. As in the case of a stethoscope, it was verified that the tissue could be stably adsorbed by simply pressing it on the surface of the heart. Since the portion of the sucker-like structure in contact with the heart surface contains a conductive polymer, it was possible to specifically measure the electrical signal from the contact portion.
具体的には、図2(a)に示すように、空気中において摘出した体液により湿ったラットの心臓表面15に吸着を試みると、吸盤構造が安定的に組織表面に吸着した。 Specifically, as shown in FIG. 2 (a), when adsorption is attempted on the rat heart surface 15 moistened by fluid removed in the air, a sucker structure is stably adsorbed on the tissue surface.
さらに純水中に浸潤させた摘出後の臓器とそこに接触した吸盤の状態を図2(b)に示す。摘出した臓器は心臓15、胸腺17、気道、一対の肺18により構成され、心臓表面に吸盤16を接着させた状態を維持して胸腺部分をピンセットで把持することで、純水中に固定、振動させ、固定状態と位置の安定性を検証した。 Furthermore, the state of the suctioned organ which contacted the organ after extraction which was made to infiltrate in a pure water is shown in FIG.2 (b). The removed organ is composed of the heart 15, the thymus 17, the airway, and a pair of lungs 18, and is fixed in pure water by holding the thymus part with tweezers while keeping the sucker 16 attached to the heart surface. It was vibrated and the stability of the fixed state and position was verified.
これにより、実施例1において作製したデバイスは親水性の高いゲルで構成されるため、心膜表面に吸盤構造を介して張り付けられるだけでなく、また水中での振動試験でも脱離することなく良好なコンタクトを維持することが分かった。また、外力を加えて、接着面に垂直の方向に引っ張ることで、吸盤構造は容易に心臓表面から離脱させることが可能であった。なお、本ゲルの接着化は、吸盤構造を介して物理的に接着しているため、接着化と脱離の工程中に対象の組織を傷つけることはなかった。 As a result, the device produced in Example 1 is made of a highly hydrophilic gel, so that it can be attached not only to the pericardial surface via a suction disk structure, but also in a vibration test in water without detachment. Was found to maintain good contacts. In addition, by applying an external force and pulling in a direction perpendicular to the adhesive surface, the sucker structure could be easily detached from the surface of the heart. In addition, since the adhesion of this gel was physically adhered via the suction disk structure, the target tissue was not damaged during the process of adhesion and detachment.
また、PEDOT:PSSは、熱硬化処理を行うと電解質溶液中では安定であるが、純水中においては依然不安定であり、容易に溶出する性質を有するが、本ゲルでは、ゲルの網目構造中にPEDOT:PSS粒子を包含しているため、純水に浸けても溶出することはなく、安定的に形状と導電性に維持に成功した。 Moreover, PEDOT: PSS is stable in the electrolyte solution when heat-cured, but is still unstable in pure water and has the property of easily eluting, but in this gel, the network structure of the gel Since it contains PEDOT: PSS particles in it, it does not elute when immersed in pure water, and successfully maintained its shape and conductivity stably.
純水中へのPEDOT:PSS粒子の溶出は、粒子の持つ色の強度を時間の経過とともに測定し、その輝度の強度の変化により測定を行った。これにより心膜15や腎被膜など、硬膜に囲まれた比較的表面粗さの低い組織に対して有効であることが分かった。 The elution of PEDOT: PSS particles into pure water was measured by measuring the intensity of the color of the particles with the passage of time, and the change in the intensity of the luminance. This proves to be effective for tissues with relatively low surface roughness surrounded by dura such as pericardium 15 and kidney capsule.
<実施例3>
図3(a)及び図3(b)に、ラットより摘出された心臓の膜表面に吸着させた吸盤を示す。体外に取り外された心臓19と、吸盤構造を有する電極1との間に高い密着性が確認された。
Example 3
Fig. 3 (a) and Fig. 3 (b) show a suction cup adsorbed on the membrane surface of the heart isolated from a rat. High adhesion was confirmed between the heart 19 removed outside the body and the electrode 1 having a sucker structure.
吸盤構造を有する電極1と、これに接続する配線部分2とを接合することにより、心臓に対しては吸盤が安定的に吸着し、かつ三次元方向のいずれの方向に対しての歪みにおいても、心臓の拍動のような激しい動きに対して形状追随をし、断線や抵抗値を生体信号計測装置8によって計測することで、外力が加わった際の抵抗値の変化や断線が起きにくいことが確認された。 By joining the electrode 1 having a suction disk structure and the wiring portion 2 connected thereto, the suction disk can be stably adsorbed to the heart, and in any strain in any of the three-dimensional directions. By following the shape of a violent movement such as the heart beat and measuring the disconnection or resistance value with the biological signal measuring device 8, it is difficult to cause a change in resistance value or disconnection when an external force is applied. Was confirmed.
組織深部と乾燥状態の導電性ゲルの末端部分においても導通が確認されたため、電気信号の計測に応用が可能であることが確認された。 Since conduction was confirmed also in the deep part of the tissue and at the terminal part of the conductive gel in the dry state, it was confirmed that the application to measurement of electric signals is possible.
また、図3(c)に示すように、組織内への埋め込みによってゲルは膨潤するが、体内の血液や組織液を吸引した後でも吸着能に変化はないことが、開胸し横隔膜を切断、肋骨20を開いた拍動する心臓への貼り付けにより確認された。 In addition, as shown in Fig. 3 (c), although the gel swells by being embedded in the tissue, there is no change in the adsorptive capacity even after aspiration of blood or tissue fluid in the body, thoracotomy and cutting the diaphragm, It was confirmed by sticking to a beating heart with an open rib 20.
また、本ゲル電極をアレイ化21することにより、同一組織(心臓)表面の多点の情報を同時計測することが可能となった。計測を続けている間、本ゲル電極には、導通確認時、もしくは0.1Hz〜100kHzの交流電圧をかけて検証した際に、抵抗値の変化はPEDOT:PSSの濃度とゲルの形状に応じて1〜200kΩの範囲の中で一定値を取り、変化は生じず、PEDOT:PSS粒子の漏出も確認されなかった。 Moreover, by arraying 21 of the gel electrodes, it becomes possible to simultaneously measure information of multiple points on the surface of the same tissue (heart). While the measurement is continued, this gel electrode is checked at the time of conduction check or when applied with an alternating voltage of 0.1 Hz to 100 kHz, the change in resistance value corresponds to the concentration of PEDOT: PSS and the shape of the gel. The value was constant in the range of 1 to 200 kΩ, no change occurred, and no leakage of PEDOT: PSS particles was observed.
なお、吸盤構造に垂直方向の外力を加えると、組織と反対方向への力が与えられた際、計測後にデバイスを心臓に負担を掛けずに簡単に外すことが可能であった。 In addition, when an external force in the vertical direction was applied to the suction disk structure, it was possible to easily remove the device after measurement without applying a load to the heart when a force in the direction opposite to the tissue was applied.
1…電極部(生体適合性ゲル電極), 2…配線部, 3…ゲル基板, 4…接触部, 5…吸引部, 6…内空構造, 6A…上部空間, 6B…下部空間, 7…生体組織, 8…生体信号計測装置, 9…ゲル表面, 10…生体組織吸着デバイス, 11…生体適合性ゲル電極, 12…配線材料, 13…培養皿, 14…接着性細胞 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrode part (Biocompatible gel electrode), 2 ... Wiring part, 3 ... Gel board | substrate, 4 ... Contact part, 5 ... Suction part, 6 ... Interior space structure, 6A ... Upper space, 6B ... Lower space, 7 ... Biological tissue, 8: biological signal measuring device, 9: gel surface, 10: biological tissue adsorption device, 11: biocompatible gel electrode, 12: wiring material, 13: culture dish, 14: adhesive cell
Claims (8)
前記成分が架橋網目構造からなるネットワークを形成したハイドロゲルであって、
前記生体適合性を有する成分の一つが、シルクフィブロインである、生体適合性ゲル材料。 Composed of two or more biocompatible components capable of forming a crosslinked network structure and a conductive polymer ,
What hydrogel der said component to form a network of crosslinked network,
A biocompatible gel material , wherein one of the components having biocompatibility is silk fibroin .
前記成分が架橋網目構造からなるネットワークを形成したハイドロゲルであって、
前記生体適合性を有する成分の一つが、シルクフィブロインであり、
前記導電性高分子が、(3、4−エチレンジオキシチオフェン)/ポリ(4−スチレンスルホン酸)である、生体適合性ゲル材料。 Composed of two or more biocompatible components capable of forming a crosslinked network structure and a conductive polymer ,
What hydrogel der said component to form a network of crosslinked network,
One of the components having biocompatibility is silk fibroin,
A biocompatible gel material , wherein the conductive polymer is (3,4-ethylenedioxythiophene) / poly (4-styrenesulfonic acid) .
架橋網目構造を形成可能であって生体適合性を有する2以上の成分の原料と導電性高分子とを配合した混合溶液を得る工程と、
前記導電性高分子が前記混合溶液中に分散した状態で、前記混合溶液をゲル化して、前記成分が架橋網目構造からなるネットワークを形成する工程と、を含む、生体適合性ゲル材料の製造方法。 A method for producing the biocompatible gel material according to any one of claims 1 to 5, comprising:
Obtaining a mixed solution in which a conductive polymer and a raw material of two or more components capable of forming a crosslinked network structure and having biocompatibility are obtained;
A process of gelling the mixed solution in a state where the conductive polymer is dispersed in the mixed solution to form a network of the crosslinked network structure, and a method of producing a biocompatible gel material .
前記接触部を開口部とし、内部に中空構造を有する有底筒状の吸引部と、からなる吸盤構造を有する電極であって、
前記電極が、架橋網目構造を形成可能であって生体適合性を有する2以上の成分と導電性高分子とを配合してなり、前記成分が架橋網目構造からなるネットワークを形成したハイドロゲルであって、前記生体適合性を有する成分の一つが、シルクフィブロインである、生体適合性ゲル材料から構成される、生体適合性ゲル電極。 An annular contact portion in contact with the living tissue to be adsorbed;
An electrode having a suction cup structure comprising a bottomed cylindrical suction part having a hollow structure inside and having the contact part as an opening,
The electrode is a hydrogel formed by blending two or more components capable of forming a crosslinked network structure and having biocompatibility and a conductive polymer, and the components forming a network composed of a crosslinked network structure. A biocompatible gel electrode composed of a biocompatible gel material , wherein one of the components having biocompatibility is silk fibroin .
吸盤構造を有する1以上の電極部と、前記電極部に接続される1以上の配線部と、を備え、
少なくとも前記電極部が、架橋網目構造を形成可能であって生体適合性を有する2以上の成分と導電性高分子とを配合してなり、前記成分が架橋網目構造からなるネットワークを形成したハイドロゲルであって、前記生体適合性を有する成分の一つが、シルクフィブロインである、生体適合性ゲル材料から構成される、生体組織吸着デバイス。 A device for adsorbing to living tissue in vivo and in a moist environment, comprising:
And one or more electrode parts having a suction structure, and one or more wiring parts connected to the electrode parts,
Hydrogel in which at least the electrode portion is formed by blending two or more components capable of forming a crosslinked network structure and having biocompatibility and a conductive polymer, and the components forming a network formed of a crosslinked network structure A biological tissue adsorption device composed of a biocompatible gel material , wherein one of the biocompatible components is silk fibroin .
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