DE4422068A1 - Elektrokatalytischer Glucosesensor - Google Patents
Elektrokatalytischer GlucosesensorInfo
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- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
- A61B5/1486—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using enzyme electrodes, e.g. with immobilised oxidase
- A61B5/14865—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using enzyme electrodes, e.g. with immobilised oxidase invasive, e.g. introduced into the body by a catheter or needle or using implanted sensors
Description
Die Erfindung betrifft einen elektrokatalytischen Sensor in
Katheterbauweise zur Bestimmung von Glucose in Körperflüssig
keiten, insbesondere im Blut.
Die Messung der Glucosekonzentration in Körperflüssigkeiten,
insbesondere im Blut von Patienten, ist eine wichtige Aufgabe
in der Medizintechnik, beispielsweise bei der Diabetesthera
pie. Zur Glucosebestimmung dienen üblicherweise Enzymsenso
ren, bei denen Glucoseoxidase verwendet und - elektrochemisch -
entweder das bei der Oxidation entstehende Wasserstoff
peroxid oder der verringerte Sauerstoffgehalt bestimmt wird.
Aufgrund der Verwendung eines Enzyms weisen derartige Senso
ren aber nicht die geforderte Langzeitstabilität auf. Die in
der Medizin geforderte Implantationsdauer von zwei Jahren
kann nämlich mit der heute üblichen Technik nicht erreicht
werden.
Zur Bestimmung von Glucose sind auch bereits Sensoren be
kannt, bei denen die elektrochemische Oxidation der Glucose
als Meßsignal dient (siehe EP-PS 0 101 880 und EP-PS
0 103 109). Diese Sensoren, die im allgemeinen als Durchfluß
zelle aufgebaut sind, wurden bei tierexperimentellen Messun
gen erfolgreich getestet. Dabei wird die Meßzelle mittels
einer Gefäßprothese in ein großes Gefäß, insbesondere die
Arteria carotis, integriert. Für die klinische Anwendung,
d. h. als Routinebehandlung bei Patienten, ist diese Technik
aber weniger geeignet. Hierbei sollte vielmehr eine katheter
förmige Sensorkonstruktion eingesetzt werden.
Elektrokatalytische Sensoren sind auch bereits als Katheter
sensoren beschrieben (EP-OS 0 539 814). Da derartige Sensoren
eine Membran aufweisen, wären zu ihrer Realisierung aber
tubuläre, biokompatible und langzeitstabile Membranen not
wendig. Derartige Membranen mit der geforderten Geometrie,
d. h. mit einer Wandstärke von 10 bis 40 µm und einem Durch
messer von 1 bis 3 mm sind aber nicht erhältlich.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen - in Blutgefäße oder
subkutan - implantierbaren elektrokatalytischen Glucosesensor
in Katheterbauweise anzugeben, der in einfacher Weise herge
stellt werden kann und die für ein Implantat erforderliche
Langzeitstabilität aufweist.
Dies wird erfindungsgemäß durch einen Sensor erreicht, der
gekennzeichnet ist durch
- - einen in drei Abschnitte unterteilten schlauchförmigen Körper aus biokompatiblem Material,
- - eine zwischen dem ersten und dem zweiten oder zwischen dem zweiten und dem dritten Abschnitt des schlauchförmigen Körpers angeordnete hülsenförmige Bezugselektrode,
- - eine - entsprechend - zwischen dem zweiten und dem dritten oder zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt des schlauchförmigen Körpers angeordnete hülsenförmige Arbeits elektrode, welche in Längsrichtung einen sich über die volle Länge erstreckenden Spalt aufweist,
- - eine über die Arbeitselektrode gespannte hydrophile Mem bran, deren Enden durch den Spalt in das Innere der Elek trode geführt sind und die durch einen Keil aus biokompa tiblem Material im Spalt gehalten wird,
- - eine Gegenelektrode, welche das eine Ende des schlauch förmigen Körpers verschließt, und
- - innerhalb des schlauchförmigen Körpers angeordnete Zulei tungen zu den Elektroden, welche durch das andere Ende des schlauchförmigen Körpers nach außen geführt sind.
Zum Aufbau des Kathetersensors nach der Erfindung dient ein
unterteilter schlauchförmiger Körper, wobei zwischen den
einzelnen Teilen die Arbeitselektrode und die Bezugselektrode
angeordnet sind. Dazu werden die Schlauchabschnitte jeweils
über den oberen und den unteren Rand der hülsen- bzw. hohl
zylinderförmigen Elektroden geschoben und damit verklebt. Am
einen Ende wird der Schlauch durch die Gegenelektrode ver
schlossen. Diese Elektrode ist dazu als Tip-Elektrode ausge
bildet, die mit dem Ende des entsprechenden Schlauchabschnit
tes verklebt wird. Auf diese Weise sind die drei Elektroden
- voneinander isoliert - nebeneinander auf dem Kathetersensor
angeordnet, und zwar in der Reihenfolge Gegenelektrode/Be
zugselektrode/Arbeitselektrode oder Gegenelektrode/Arbeits
elektrode/Bezugselektrode.
Die Gegenelektrode ist vorzugsweise eine Glaskohlenstoff
elektrode, insbesondere in aktivierter Form; daneben kommen
als Materialien für die Gegenelektrode auch Kohlenstoff,
Titan, Platin und Gold in Betracht. Als Material für die
Arbeitselektrode dient vorzugsweise Platin, d. h. die Arbeits
elektrode weist die Form einer Metallhülse aus Platin auf;
außerdem kann diese Elektrode beispielsweise aus einer Pla
tin/Iridium-Legierung bestehen. Die Oberfläche der Arbeits
elektrode ist vorteilhaft sandgestrahlt. Die Bezugselektrode
ist im allgemeinen eine Silber/Silberchlorid-Elektrode
(Ag/AgCl). Dazu dient eine Metallhülse aus Silber, die sand
gestrahlt und oberflächlich chloriert ist.
Der schlauchförmige Körper des Kathetersensors besteht aus
biokompatiblem Material, wofür vorzugsweise Silicon verwendet
wird; daneben kommen aber auch andere geeignete Materialien
in Betracht, insbesondere Polyurethan. Der schlauchförmige
Körper weist im allgemeinen einen Durchmesser etwa zwischen
1 und 3 mm auf. Die einzelnen Schlauchabschnitte sind bei
spielsweise 20 mm, 5 mm und < 300 mm lang. Die Metallhülsen
besitzen einen entsprechenden Durchmesser wie die Schlauch
abschnitte. Die Elektroden sind beispielsweise 10 mm (Platin
hülse) und 5 mm (Silberhülse) lang. Insgesamt weist der
Kathetersensor eine Länge etwa zwischen 30 und 80 cm auf. Der
schlauchförmige Körper bzw. der Katheter kann mit Kunststoff,
wie Silicon, gefüllt sein, was beispielsweise durch Ein
spritzen eines Klebers erfolgt. Dabei sollten zumindest alle
inneren Elektrodenflächen mit Silicon bedeckt werden, um
gegen Wasser geschützt zu sein.
Sämtliche Elektroden sind mit einem Metalldraht oder einer
-litze, insbesondere aus Silber, kontaktiert. Diese Zulei
tungen werden durch das offene Ende des Katheters heraus
geführt und mit einem Anschlußstecker verbunden. Über das
Ende des Katheters und des Steckers wird ein Schrumpfschlauch
geschoben, so daß der Übergang zwischen Schlauch und Stecker
geschützt ist.
Der wesentliche Bestandteil des Kathetersensors nach der
Erfindung ist die mit einer hydrophilen Membran versehene
Arbeitselektrode. Diese Elektrode besteht aus einem Hohl
zylinder aus Metall bzw. aus einer Metallhülse, die in Längs
richtung einen sich über die volle Länge erstreckenden Spalt
aufweist, d. h. quasi in Längsrichtung aufgeschnitten ist.
Dieser Spalt dient zur einfachen und problemlosen Aufbringung
und Sicherung einer flächenhaften Membran. Diese Membran
weist eine Länge auf, die größer ist als der Umfang des
Zylinders, und eine Breite, die geringer ist als die Höhe des
Zylinders.
Zur Aufbringung auf die Arbeitselektrode wird eine der
Breitseiten der Membran durch den Längsspalt des Zylinders
gesteckt und die Membran dann um den äußeren Zylindermantel
herumgeführt. Dann wird das andere breite Ende der Membran
ebenfalls durch den Spalt geführt, d. h. in das Innere des
Zylinders. Mit einem Keil aus biokompatiblem Material, ins
besondere Silicon, dessen Länge etwa der Breite der Membran
entspricht, wird die Membran anschließend im Längsspalt
festgehalten und fest über die Zylinderoberfläche gespannt.
Die an den beiden Enden des Zylinders freibleibende Zylin
deroberfläche dient zur Verklebung mit den Schlauchabschnit
ten und zur Abdichtung.
Durch die auf der Arbeitselektrode angeordnete Membran sollen
von der Elektrode Fremdsubstanzen ferngehalten werden, welche
die Glucosebestimmung negativ beeinflussen können. Dazu dient
eine hydrophile Membran, welche im allgemeinen eine Dicke
< 50 µm aufweist; vorzugsweise beträgt die Membrandicke 10
bis 40 µm. Die Membran besteht vorteilhaft aus hydrophilier
tem Polytetrafluorethylen; daneben kommen aber auch andere
körperverträgliche Materialien in Betracht, beispielsweise
sulfoniertes Polysulfon.
Die elektrische Ansteuerung des elektrokatalytischen Glucose
sensors nach der Erfindung erfolgt in an sich bekannter
Weise, wozu insbesondere das aus der EP-PS 0 101 880 bekannte
Verfahren dient. Hierbei wird der Arbeitselektrode im Poten
tialbereich zwischen 0 und 1650 mV, gemessen gegen die rever
sible Wasserstoffelektrode, ein zeitlich in Potentialstufen
von 150 mV variierendes Potential aufgeprägt (Dauer: jeweils
10 s); die Potentialstufe bei 1650 mV dauert 30 s. Diesem
Potential wird eine Wechselspannung überlagert, wobei bei
jeder Potentialstufe bei zwei Frequenzen (beispielsweise bei
999 Hz und 4,5 Hz) gemessen und der Real- und der Imaginär
anteil der Impedanz der Arbeitselektrode bestimmt wird. Aus
diesen Werten wird ein Eichvektor ermittelt und damit die
Glucosekonzentration errechnet.
Claims (10)
1. Elektrokatalytischer Sensor in Katheterbauweise zur Be
stimmung von Glucose in Körperflüssigkeiten, insbesondere im
Blut, gekennzeichnet durch
- - einen in drei Abschnitte unterteilten schlauchförmigen Körper aus biokompatiblem Material,
- - eine zwischen dem ersten und dem zweiten oder zwischen dem zweiten und dem dritten Abschnitt des schlauchförmigen Körpers angeordnete hülsenförmige Bezugselektrode,
- - eine - entsprechend - zwischen dem zweiten und dem dritten oder zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt des schlauchförmigen Körpers angeordnete hülsenförmige Arbeits elektrode, welche in Längsrichtung einen sich über die volle Länge erstreckenden Spalt aufweist,
- - eine über die Arbeitselektrode gespannte hydrophile Mem bran, deren Enden durch den Spalt in das Innere der Elek trode geführt sind und die durch einen Keil aus biokompa tiblem Material im Spalt gehalten wird,
- - eine Gegenelektrode, welche das eine Ende des schlauch förmigen Körpers verschließt, und
- - innerhalb des schlauchförmigen Körpers angeordnete Zulei tungen zu den Elektroden, welche durch das andere Ende des schlauchförmigen Körpers nach außen geführt sind.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der schlauchförmige Körper zumindest
teilweise mit Kunststoff gefüllt ist.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß das biokompatible Material
und/oder der Kunststoff Silicon ist.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der schlauchförmige Kör
per einen Durchmesser etwa zwischen 1 und 3 mm besitzt.
5. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Arbeitselektrode aus Platin besteht.
6. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Membran aus hydrophiliertem Polytetrafluorethylen besteht.
7. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Membran eine Dicke etwa zwischen 10 und 40 µm aufweist.
8. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Gegenelektrode aus Glaskohlenstoff besteht.
9. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Bezugselektrode eine Silber/Silberchlorid-Elektrode ist.
10. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß er eine
Länge etwa zwischen 30 und 80 cm aufweist.
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