DE4422068A1 - Elektrokatalytischer Glucosesensor - Google Patents

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.