特許 7357231 生体用電極およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-09-28

(45)【発行日】2023-10-06

(54)【発明の名称】生体用電極およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   A61B 5/263 20210101AFI20230929BHJP

【ＦＩ】

A61B5/263

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2020037169

(22)【出願日】2020-03-04

(65)【公開番号】P2021137296

(43)【公開日】2021-09-16

【審査請求日】2022-12-12

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106518

【弁理士】

【氏名又は名称】松谷 道子

(74)【代理人】

【識別番号】100145403

【弁理士】

【氏名又は名称】山尾 憲人

(72)【発明者】

【氏名】豊田 慶

【審査官】▲高▼木 尚哉

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０２６５５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０００８５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２７９８２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１６８４５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００４／０１２１６１９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平０４－０９１１６９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ６１Ｂ ５／０５－５／０５３８

Ａ６１Ｂ ５／２４－５／３９８

Ａ６１Ｎ １／００－１／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

無機材料基材と、前記無機材料基材を被覆する導電性層とを含む生体用電極であって、
前記導電性層が、エポキシ基およびアルコキシシリル基を有する第１化合物に由来する部分を含む重合体と、前記重合体に担持されたアルカリ金属イオンおよび第２族元素イオンの少なくとも一方とを含み、
前記重合体において、前記エポキシ基に由来する部分が開環重合し、かつ、前記アルコキシシリル基に由来する部分がシロキサン結合を形成している、生体用電極。

【請求項2】

前記エポキシ基がグリシドキシ基を構成している、請求項１に記載の生体用電極。

【請求項3】

前記シロキサン結合は、前記第１化合物のアルコキシシリル基に由来する部分と、
炭化水素基およびアルコキシシリル基を有する第２化合物のアルコキシシリル基に由来する部分とにより形成されている、請求項１または２に記載の生体用電極。

【請求項4】

前記無機材料基材は、円相当直径１００μｍ以上５ｍｍ以下の繊維状である、請求項１～３のいずれか一項に記載の生体用電極。

【請求項5】

前記無機材料基材は尖端構造部分を有する、請求項４に記載の生体用電極。

【請求項6】

前記無機材料基材はガラスまたは金属を含む、請求項４または５に記載の生体用電極。

【請求項7】

前記重合体において、さらに環状ポリエーテル構造が形成されている、請求項１～６のいずれか一項に記載の生体用電極。

【請求項8】

前記導電性層は導電性粒子をさらに含む、請求項１～７のいずれか一項に記載の生体用電極。

【請求項9】

前記導電性粒子は、炭素、銀および銅からなる群から選択される少なくとも一種以上を含み、且つ０．５ｎｍ以上１００μｍ以下の平均粒径を有する、請求項８に記載の生体用電極。

【請求項10】

前記導電性粒子は、カーボンナノチューブおよび／またはグラファイトパウダーである、請求項８または９に記載の生体用電極。

【請求項11】

エポキシ基およびアルコキシシリル基を有する第１化合物を含む液体に、アルカリ金属塩および第２族元素の塩の少なくとも一方を溶解させた溶解液を用意する工程と、
前記溶解液を無機材料基材に塗布する工程と、
塗布された前記溶解液を硬化させる工程と、を含む生体用電極の製造方法。

【請求項12】

前記溶解液を用意する工程後、前記溶解液を前記無機材料基材に塗布する工程前に、導電性粒子を前記溶解液に混合する工程をさらに含む、請求項１１に記載の製造方法。

【請求項13】

前記液体は、炭化水素基およびアルコキシシリル基を有する第２化合物をさらに含む、請求項１１または１２に記載の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、生体用電極およびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

生体用電極は、主に人体の神経系統を伝達する電位信号を検出するために必要とされ、身近なところでは心電図または脳波計測などに用いられる。

【0003】

今後、機械類および／またはロボットを意のままに操作できる、人体および機械が融合した社会を実現していくためには、電位信号を高精度に測定、解析および変換し、電気機器などに伝達する必要がある。そのためには、より高精度に生体から電位信号を検出できる生体用電極が必要となる。

【0004】

生体用電極として、特許文献１には、ゴムにカーボンナノチューブなどの炭素材料粉末を配合した電極が開示され、特許文献２には、シリコーンゴムシートに銀粒子が配合されたものが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開第２０１５－４１４１９号公報

【文献】国際公開第２０１９／１３９１６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１および２の生体用電極は、人体表面（皮膚）からの電位変化計測を意図しており、ゴム製で柔軟である。このような形状変化しやすい電極は、人体の深部および／または神経細胞などの微細部から高精度に信号を得ることには適しているとはいえない。一方、単に硬い金属電極を生体用電極として長期的に使用すると、電気分解などにより測定精度が低下し、また、場合によっては金属が人体に対してアレルギー症状を引き起こし得る。

【0007】

本発明の実施形態は、このような状況を鑑みてなされたものであり、その目的の１つは、剛性が高く、且つ生体と接触させるための表面が主に非金属材料で構成された生体用電極を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の態様１は、
無機材料基材と、前記無機材料基材を被覆する導電性層とを含む生体用電極であって、
前記導電性層が、エポキシ基およびアルコキシシリル基を有する第１化合物に由来する部分を含む重合体と、前記重合体に担持されたアルカリ金属イオンおよび第２族元素イオンの少なくとも一方とを含み、
前記重合体において、前記エポキシ基に由来する部分が開環重合し、かつ、前記アルコキシシリル基に由来する部分がシロキサン結合を形成している、生体用電極である。

【0009】

本発明の態様２は、前記エポキシ基がグリシドキシ基を構成している、請求項１に記載の生体用電極である。

【0010】

本発明の態様３は、前記シロキサン結合が、前記第１化合物のアルコキシシリル基に由来する部分と、
炭化水素基およびアルコキシシリル基を有する第２化合物のアルコキシシリル基に由来する部分とにより形成されている、態様１または２に記載の生体用電極である。

【0011】

本発明の態様４は、前記無機材料基材が、円相当直径１００μｍ以上５ｍｍ以下の繊維状である、態様１～３のいずれか１つに記載の生体用電極である。

【0012】

本発明の態様５は、前記無機材料基材が尖端構造部分を有する、態様４に記載の生体用電極である。

【0013】

本発明の態様６は、前記無機材料基材がガラスまたは金属を含む、態様４または５に記載の生体用電極である。

【0014】

本発明の態様７は、前記重合体において、さらに環状ポリエーテル構造が形成されている、態様１～６のいずれか１つに記載の生体用電極である。

【0015】

本発明の態様８は、前記導電性層が導電性粒子をさらに含む、態様１～７のいずれか１つに記載の生体用電極である。

【0016】

本発明の態様９は、前記導電性粒子が、炭素、銀および銅からなる群から選択される少なくとも一種以上を含み、且つ０．５ｎｍ以上１００μｍ以下の平均粒径を有する、態様８に記載の生体用電極である。

【0017】

本発明の態様１０は、前記導電性粒子が、カーボンナノチューブおよび／またはグラファイトパウダーである、態様８または９に記載の生体用電極である。

【0018】

本発明の態様１１は、エポキシ基およびアルコキシシリル基を有する第１化合物を含む液体に、アルカリ金属塩および第２族元素の塩の少なくとも一方を溶解させた溶解液を用意する工程と、
前記溶解液を無機材料基材に塗布する工程と、
塗布された前記溶解液を硬化させる工程と、を含む生体用電極の製造方法である。

【0019】

本発明の態様１２は、前記溶解液を用意する工程後、前記溶解液を前記無機材料基材に塗布する工程前に、導電性粒子を前記溶解液に混合する工程をさらに含む、態様１１に記載の製造方法である。

【0020】

本発明の態様１３は、前記液体が、炭化水素基およびアルコキシシリル基を有する第２化合物をさらに含む、態様１１または１２に記載の製造方法である。

【発明の効果】

【0021】

本発明の実施形態によれば、剛性が高く、且つ生体と接触させるための表面が主に非金属材料で構成された生体用電極を提供することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】図１は、第１化合物としてγ－グリシドキシプロピルメチルジメトキシシランを用い、アルカリ金属イオンとしてリチウムイオン（Ｌｉ^＋）を用いた場合の、本発明の実施形態に係る生体用電極の構造を説明する概念図である。

【図2A】図２Ａは、実施例１の溶解液の全反射ＦＴＩＲスペクトルである。

【図2B】図２Ｂは、実施例１の導電性層の全反射ＦＴＩＲスペクトルである。

【図3】図３は、実施例１の導電性層の紫外可視吸収スペクトルである。

【図4】図４は、実施例５のＧＰＣ測定結果である。

【図5】図５は、実施例５の導電性層の紫外可視吸収スペクトルである。

【図6】図６は、実施例１～１３および比較例１～３の評価結果をまとめた表である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

本願発明者らは、剛性が高く、且つ生体と接触させるための表面が主に非金属材料で構成された生体用電極を実現するべく、様々な角度から検討した。

【0024】

その結果、無機材料基材と、前記無機材料基材を被覆する導電性層とを含む生体用電極であって、前記導電性層が、エポキシ基およびアルコキシシリル基を有する第１化合物に由来する部分を含む重合体と、前記重合体に担持されたアルカリ金属イオンおよび第２族元素イオンの少なくとも一方とを含む、生体用電極およびその製造方法を見出した。

【0025】

図１に、第１化合物としてγ－グリシドキシプロピルメチルジメトキシシランを用い、アルカリ金属イオンとしてリチウムイオン（Ｌｉ^＋）を用いた場合の、本発明の実施形態に係る生体用電極の構造を示す概念図を示す。
図１に示すように、本発明の実施形態に係る生体用電極１では、無機材料基材１００を導電性層が被覆している。導電性層中には、第１化合物に由来する部分を含む重合体２０１を含み、重合体２０１はアルカリ金属イオンおよび／または第２族元素イオン２０２（図１においてはリチウムイオン（Ｌｉ^＋））を担持している。重合体２０１は、エポキシ基に由来する部分が開環重合した部分２０１Ａ（以下「ポリエチレンオキサイド構造２０１Ａ」と称することがある）と、アルコキシシリル基に由来する部分が加水分解縮合することによりシロキサン結合を形成した部分２０１Ｂ（以下、「シロキサン結合構造２０１Ｂ」と称することがある）とを含み、シロキサン結合構造２０１Ｂは、無機材料基材１００と結合した部分２０１Ｃ（以下、「基材／導電性層結合部分２０１Ｃ」と称することがある）を有し得る。

【0026】

図１に示すような構造では、（１）無機材料基材１００により剛性を高くすることができ、（２）生体と接触させるための表面である導電性層が、主に非金属材料で構成されており、（３）シロキサン結合構造２０１Ｂにより、導電性層と無機材料基材１００との密着性を確保でき、（４）ポリエチレンオキサイド構造２０１Ａと、アルカリ金属イオンおよび／または第２族元素イオン２０２とにより、イオン伝導性を確保できる。

【0027】

以下に、本発明の実施形態に係る生体用電極について説明する。

【0028】

＜無機材料基材＞
本発明の実施形態に係る無機材料基材１００は、主成分が（すなわち、基材の全体質量に対し５０質量％超が）金属、ガラスおよびセラミクス、ならびにそれらの混合物であるものをいう。このような無機材料基材を用いることで、剛性が高い生体用電極とすることができる。

【0029】

上記無機材料基材１００は、無機酸化物を含むことが好ましい。無機酸化物を含む基材は、表面に水酸基が形成され得る。水酸基は、第１化合物のアルコキシシリル基が加水分解したもの（すなわちシラノール基）と脱水縮合反応して、基材／導電性層結合部分２０１Ｃを形成し得る。そのため、無機酸化物を含む無機材料基材１００は、導電性層との密着性を向上させ得る。

【0030】

無機材料基材１００に好適に用いられる無機酸化物としては、ガラスが挙げられる。ガラスとしては、二酸化ケイ素を主原料とする珪ホウ酸ガラス、ＢＫ７、合成石英、無水合成石英、ソーダ石灰ガラス、結晶ガラスなどが挙げられる。また、それらのガラスにアルミナ、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、ホウ酸、酸化ナトリウム、酸化カリウムなどが含有されていてもよい。

【0031】

また、無機材料基材１００は、金属を含んでいても好ましい。金属を含む基材の場合、金属表面に薄い酸化物が形成され、さらにその最表面には水酸基が形成され得るためである。

【0032】

無機材料基材１００に好適に用いられる金属としては、例えば、白金、金、銀、銅、ステンレス、アルミニウムなどが挙げられる。

【0033】

無機材料基材１００の形状は、特に限定されないが、断面方向における円相当直径が１００μｍ以上５ｍｍ以下の繊維状であることが好ましい。このような形状にすることにより、人体の深部および／または神経細胞などの微細部との接触面積を小さくすることができ、当該微細部からの電気信号をより高精度に計測することができる。一方、人体表面に貼り付けて電気信号を計測することを想定して、無機材料基材１００の形状を板状にしてもよい。
なお、本明細書でいう「繊維状」とは、繊維のような細長い形状であって、断面方向と長さ方向とを有し、断面方向の最大長さよりも、長さ方向の長さの方が大きい形状を指す。繊維状としたときの断面形状は特に限定されず、例えば、円、楕円、四角、三角などにすることができる。長さ方向において断面形状が異なっている場合、長さ方向の両端部の断面方向における円相当直径のうち、小さい方の円相当直径が１００μｍ以上５ｍｍ以下であればよい。繊維状のものとして、例えば、円柱状のもの、角柱状のもの、ファイバ状のもの、針状のもの、錐状のものなどが挙げられる。円柱状またはファイバ状のものの場合（すなわち断面形状が円の場合）、外径が１００μｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。

【0034】

微細部からの電気信号をより高精度に計測するために、無機材料基材１００は尖端構造部分を有することがより好ましい。これにより、人体の深部および／または神経細胞などの微細部との接触面積をより小さくすることができる。

【0035】

＜導電性層＞
本発明の実施形態に係る導電層は、エポキシ基およびアルコキシシリル基を有する第１化合物に由来する部分を含む重合体２０１と、前記重合体２０１に担持されたアルカリ金属イオンおよび／または第２族元素イオン２０２とを含んでいる。前記重合体２０１において、エポキシ基に由来する部分が開環重合し、ポリエチレンオキサイド構造２０１Ａを形成すると共に、アルコキシシリル基に由来する部分がシロキサン結合構造２０１Ｂを形成する。さらに、シロキサン結合構造２０１Ｂは、基材／導電性層結合部分２０１Ｃを有し得る。すなわち、アルコキシシリル基に由来する部分は、シロキサン結合を形成すると共に無機材料基材の表面とも結合し得る。
また、導電性層は、無機材料基材との上記の界面構造に加えて、重合鎖が３次元的に成長する。具体的には、エポキシ基に由来する部分の開環重合部分が無機材料基材の表面から遠ざかる形で重合鎖を形成し、無機材料基材の表面から遠ざかった箇所においても、アルコキシシリル基に由来する部分がシロキサン結合を形成することとなる。導電性層の厚みとしては特に制限されず、適宜調整し得る。

【0036】

本発明の実施形態に係る第１化合物は、エポキシ基およびアルコキシシリル基を有し、下記一般式（１）で表すことができる。

ＧＣ_ｎＨ_{２ｎ－２ｍ－４ｆ}ＳｉＲ^２ _３－ｇ（ＯＲ^３）_ｇ ・・・（１）

【0037】

ここで、Ｇはエポキシ基を有する官能基であり得、エポキシ基を有する官能基の例としては、グリシドキシ基、エポキシシクロヘキシル基などが挙げられるが、反応性が高く重合物を得やすいという観点から、グリシドキシ基が好適に使用される。すなわち、本発明の実施形態において、エポキシ基がグリシドキシ基を構成していることが好ましい。

【0038】

Ｒ^２およびＲ^３は、各出現において独立して、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、イソプロピル基、ペンチル基、イソブチル基、ヘキシル基、フェニル基、シクロヘキシル基のいずれかであり得、Ｒ^２とＲ^３が同一であっても異なっていてもよい。加水分解しやすく、且つ無機材料基材１００表面、特にガラス基材表面への吸着性が高いという観点で、メチル基およびエチル基を好適に使用できる。

【0039】

ｎは、０以上８以下の整数であり得る。ｎを８以下にしておくことで、第１化合物の疎水性が過度に高まることを抑制し、第１化合物の液体への、アルカリ金属塩および／または第２族元素の塩の溶解性を確保でき好ましい。また、エポキシ基同士の開環重合の際、Ｓｉ（シリコン）原子との距離を確保することにより、Ｓｉ原子に結合しているアルコキシ基（ＯＲ^３）による立体障害を抑制できるという観点で、ｎは３以上であることが好ましい。Ｃ_ｎＨ_{２ｎ－２ｍ－４ｆ}で表される炭化水素において、ｍは、当該炭化水素中の、２重結合の数と環構造の数の合計であり、ｆは、当該炭化水素中の３重結合の数である。

【0040】

ｇは、１以上３以下の整数である。ｇが小さい程、アルコキシ基同士の結合の割合が少なくなり、重合時の体積収縮を抑制でき、重合体の体積収縮に起因した、導電性層中の内部クラックの発生を抑制できる。一方、ｇが大きい程、基材／導電性層結合部分２０１Ｃの形成に寄与するアルコキシ基数が増えるため、導電性層と無機材料基材１００との密着性が増大する。内部クラックの抑制および密着性を両立できるという観点から、ｇは２であることが好ましい。

【0041】

上記のような第１化合物として、γ―グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ―グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ―グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、γ―グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、２－(３，４-エポキシシクロヘキシル)トリメトキシシラン、２－(３，４-エポキシシクロヘキシル)メチルジメトキシシラン、２－(３，４-エポキシシクロヘキシル)トリエトキシシラン、２－(３，４-エポキシシクロヘキシル)メチルジエトキシシランなどが挙げられる。

【0042】

本発明の実施形態に係る第１化合物に由来する部分を含む重合体２０１は、アルカリ金属イオンおよび／または第２族元素イオン２０２を担持しており、エポキシ基に由来する部分が開環重合し、かつ、アルコキシシリル基に由来する部分がシロキサン結合を形成している。

【0043】

第１化合物のエポキシ基に由来する部分が、例えば、アルカリ金属塩および／または第２族元素の塩により開環重合すると、主としてポリエチレンオキサイド構造２０１Ａが形成され得る。ポリエチレンオキサイド構造２０１Ａが形成され、さらにアルカリ金属イオンおよび／または第２族元素イオン２０２を担持していると、重合体２０１を含む導電性層は、イオン伝導性を有するようになる。

【0044】

導電性層中において、さらに第１化合物のエポキシ基が環状に重合することにより、環状ポリエーテル構造を含む重合物が形成されていることが好ましい。これにより、アルカリ金属イオンおよび／または第２族元素イオン２０２を安定的に担持することができ、イオン伝導性を向上させることができる。リチウムイオン、ナトリウムイオンおよびカリウムイオンなどのアルカリ金属イオンが担持しやすいという観点から、エポキシ基が４以上６以下の個数で環状に重合したものであることが好ましい。

【0045】

環状ポリエーテル構造を含む重合物は、紫外線を吸収するため、その含有量は紫外可視吸収スペクトルにおける紫外部、例えば４５０ｎｍの吸光度で規定できる。ここで、導電性層の４５０ｎｍの吸光度は、０．２００以上であることが好ましい。この範囲にしておくことで、十分な環状ポリエーテル構造を含む重合物量を確保でき、イオン伝導性がより向上する。一方、環状ポリエーテル構造が形成されるには時間がかかるため、生産性の観点から、導電性層の４５０ｎｍの吸光度は２．５０以下とすることが好ましい。

【0046】

重合体２０１中に担持されるアルカリ金属イオンとしては、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオンなどが挙げられる。重合体２０１中に担持される第２族元素イオンとしては、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、ストロンチウムイオンなどが挙げられる。

【0047】

第１化合物のアルコキシシリル基は、主として、加水分解してシラノール基となり、シラノール基同士が脱水縮合してシロキサン結合構造２０１Ｂを形成し得る。シロキサン結合構造２０１Ｂを含む導電性層は、基材／導電性層結合部分２０１Ｃを有し得るため、無機材料基材との密着性を確保するのに適している。

【0048】

シロキサン結合構造２０１Ｂは、第１化合物のアルコキシシリル基に由来する部分と、炭化水素基およびアルコキシシリル基を有する第２化合物の、アルコキシシリル基に由来する部分とにより形成されていてもよい。第１化合物および第２化合物によりシロキサン結合構造２０１Ｂを形成する場合、第１化合物のみでシロキサン結合構造２０１Ｂを形成するよりも架橋密度が低下し、導電性層中のクラック発生を抑制できる。また、架橋密度が低下すると、イオン伝導パスがより多く形成され、生体用電極１のイオン伝導性が向上するため好ましい。

【0049】

第２化合物は、下記一般式（２）で表すことができる。

Ｘ_ｐＹ_ｑＺ_ｒＳｉ（ＯＲ^４）_ａ（ＯＲ^５）_ｂ（ＯＲ^６）_ｃ ・・・（２）

【0050】

Ｘ、ＹおよびＺは特に限定されないが、例えば一般式Ｃ_ｓＨ_{２ｓ＋１－２ｔ－４ｕ}で表される炭素水素基とすることができ、ｓは１以上２０以下とすることができる。ｓを２０以下とすることにより、過度に立体障害が大きくなることを防ぎ、重合体の形成を比較的容易にできる。ｔは炭化水素基中の２重結合と環構造の数の合計であり、ｕは３重結合の数である。Ｘ、ＹおよびＺは、全て同一でも異なっていてもよい。

【0051】

Ｘ、ＹおよびＺの具体例として、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ヘキシル基、フェニル基、シクロヘキシル基、オクチル基、デシル基、アリル基などが挙げられる。

【0052】

Ｒ^４、Ｒ^５およびＲ^６は炭化水素基であり得、炭素数１以上５以下のアルキル基であることが好ましい。

【0053】

ｐ、ｑ、ｒ、ａ、ｂおよびｃは、１≦ｐ＋ｑ＋ｒ≦３、１≦ａ＋ｂ＋ｃ≦３およびｐ＋ｑ＋ｒ＋ａ＋ｂ＋ｃ＝４を満たすような０以上の整数である。

【0054】

第２化合物は、上記式（２）で表される化合物の混合物であってもよい。第２化合物が混合物である場合、アルコキシシリル基の数（すなわちａ＋ｂ＋ｃ）を２個とした化合物および３個とした化合物の混合物とすることで、シロキサン結合構造２０１Ｂの架橋密度を制御し、さらに内部クラックの抑制および密着性を両立した導電性層とすることができる。

【0055】

第２化合物の添加量としては、第１化合物と第２化合物のモル数の合計に対する第２化合物のモル数の比が０．１以上０．５以下とすることができる。０．１以上とすることにより、架橋密度低下の効果を得やすく、０．５以上とすることにより、ポリエチレンオキサイド構造２０１Ａの濃度を高めることができ、十分な導電性を得やすくなる。

【0056】

上記導電性層には、導電性粒子が含まれていてもよい。これにより、生体用電極としての電気抵抗を低下させることができ好ましい。導電性粒子としては、限定されるものではないが、例えば、グラファイトパウダーおよびカーボンナノチューブなどの炭素材料、銀および銅などの金属材料を含む粒子が挙げられる。なお、導電性層中において、導電性粒子は重合体２０１に覆われる。

【0057】

導電性粒子の平均粒径としては、０．５ｎｍ以上とすることが好ましい。０．５ｎｍ以上とすることで、粒子同士が凝集することを抑制し、より均一に分散させることができる。また大きすぎても、沈降などの影響により、導電性層中で均一に分散させることが難しくなるため、導電性粒子の平均粒径は１００μｍ以下とすることが好ましい。さらには、１００ｎｍ以上５０μｍ以下とすることが、分散性と導電性を両立しやすく、より好ましい。
なお、ここでいう「平均粒径」とは、体積標準のメジアン径（Ｄ５０）のことをいう。

【0058】

導電性層中の導電性粒子の添加量としては、体積比率で１０％以上とすることが好ましい。１０％以上とすることで、粒子同士の距離を一定距離以内に保つことができ、導電性を向上させることができる。より好ましくは３０％以上である。一方で、空気の噛み込みおよび表面への露出を抑制して均一な重合物を得るため、導電性粒子の添加量は、体積比率で６０％以下とすることが好ましい。より好ましくは、５０％以下である。

【0059】

導電性粒子の形状は、限定されるものではなく、粒子形状の他、繊維状であってもよい。繊維状の場合、隣り合う粒子の接触が起こりやすく、イオン伝導性を向上させる上で好ましい。

【0060】

本発明の実施形態の目的が達成される範囲内で、本発明の実施形態に係る生体用電極には他の成分が含まれていてもよい。

【0061】

以下、本発明の実施形態に係る生体用電極の製造方法について説明する。

【0062】

本発明の実施形態に係る生体用電極の製造方法は、
（ａ）溶解液を用意する工程と、
（ｂ）上記溶解液を無機材料基材に塗布する工程と、
（ｃ）塗布された上記溶解液を硬化させる工程と、を含む。

【0063】

［（ａ）溶解液を用意する工程］
エポキシ基およびアルコキシシリル基を有する第１化合物を含む液体に、アルカリ金属塩および第２族元素の塩の少なくとも一方を溶解させた溶解液を用意する。溶解方法は特に限定されないが、３０℃以上６０℃以下の温度で１分以上加熱攪拌することが好ましい。３０℃以上とすることにより溶解を容易にでき、６０℃以下とすることにより、溶解液作成段階で重合およびそれによる高粘度化を抑制し、無機材料基材上に塗布する際に厚みバラつき発生を抑制し得る。加熱攪拌時間としてより好ましくは１０分以上である。攪拌には、例えばスターラーなどを用いることができる。

【0064】

工程（ａ）におけるアルカリ金属塩および／または第２族元素の塩は、特に限定されないが、アルカリ金属および／または第２族元素の陽イオンと、陰イオンとの組み合わせからなる。上記陽イオンとしては、例えばリチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオンおよびストロンチウムイオンなどが挙げられる。陰イオンとしては、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン、過塩素酸イオン、チオシアン酸イオン、テトラフルオロホウ酸イオン、硝酸イオン、硫酸イオン、ヘキサフルオロヒ酸イオン（ＡｓＦ_６ ^－）およびヘキサフルオロリン酸イオン（ＰＦ_６ ^－）などが挙げられる。アルカリ金属塩および／または第２族元素の塩としてアルコキシシリル基を有する第１化合物への溶解性が高いという観点から、過塩素酸リチウム、ヨウ化ナトリウムが好ましい。

【0065】

工程（ａ）におけるアルカリ金属塩および／または第２族元素の塩の添加量は、第１化合物のモル数に対して５％以上３０％以下のモル数とすることが好ましい。５％以上とすることにより、ポリエチレンオキサイド構造を十分に形成させることができ、３０％以下とすることにより、溶解液において当該塩の沈殿物の発生を抑制することができる。

【0066】

工程（ａ）において、上記液体に炭化水素基および加水分解性シリル基を有する第２化合物が含まれていてもよい。これにより、シロキサン結合構造２０１Ｂを、第１化合物のアルコキシシリル基に由来する部分と、炭化水素基およびアルコキシシリル基を有する第２化合物の、アルコキシシリル基に由来する部分とにより形成することができる。

【0067】

工程（ａ）後、工程（ｂ）前に、導電性粒子を溶解液に混合する工程をさらに含んでもよい。これにより、さらに導電性粒子を含む導電性層とすることができる。混合させる方法としては、特に限定されないが、例えば、溶解液に導電性粒子を入れた後、手作業で振とうさせてもよいし、スターラーなどで攪拌させてもよい。

【0068】

［（ｂ）塗布する工程］
工程（ａ）で得られた溶解液を、無機材料基材上に塗布する。塗布方法としては、特に限定されないが、例えば、無機材料基材を溶解液に浸漬させることにより塗布してもよい。無機材料基材が板状であればスピンコーターなどにより塗布してもよい。

【0069】

［（ｃ）硬化させる工程］
工程（ｂ）で塗布された溶解液を硬化させる。この工程では、アルカリ金属塩および／または第２族元素の塩の金属陽イオンによるエポキシ基の開環重合が進行し、ポリエチレンオキサイド構造２０１Ａが形成され得る。また、ポリエチレンオキサイド構造２０１Ａ中に含まれる酸素原子からの配位結合により、アルカリ金属イオンおよび／または第２族元素イオン２０２が担持され得る。
また、大気中の水分によりアルコキシシリル基の加水分解が進行し、シラノール基が同時に生成し得る。さらに生成したシラノール基同士の脱水縮合によりシロキサン結合構造２０１Ｂが形成され、溶解液は硬化し、第１化合物（および第２化合物）の重合体２０１およびそれを含む導電性層が形成される。生成したシラノール基は、無機材料基材１００表面の水酸基とも脱水縮合反応し、基材／導電性層結合部分２０１Ｃを形成し得る。すなわち、アルコキシシリル基に由来する部分はシロキサン結合を形成すると共に無機材料基材の表面とも結合し得る。結果として、導電性層と無機材料基材１００とが良く結合し、密着性に優れた生体用電極１が得られる。

【0070】

工程（ｃ)の硬化させる時間としては、２０分以上とするのが好ましい。より好ましくは３０分以上、１時間以上、２４時間以上、１００時間以上、５００時間以上、および７２０時間以上である。これにより、第１化合物（および第２化合物）の重合反応を十分に進めることができる。

【0071】

工程（ｃ)の硬化させる温度は、２０℃以上とするのが好ましい。また、高温とすることで第１化合物（および第２化合物）の重合反応をより短時間で進めることができ、より好ましくは２３℃以上、４０℃以上、６０℃以上、８０℃以上および１００℃以上である。さらに好ましくは１５０℃以上である。１５０℃以上とすることで、より短時間で重合反応を進めることができるとともに、環状ポリエーテル構造を生成することができる。工程（ｃ)の硬化させるときの湿度は特に限定されず、加水分解を進行させるために、大気雰囲気中など水分がある環境下（すなわち０％ＲＨ超）であることが好ましい。

【0072】

本発明の実施形態の目的が達成される範囲内で、本発明の実施形態に係る生体用電極の製造方法には他の工程が含まれていてもよい。

【実施例】

【0073】

以下、実施例を挙げて本発明の実施形態をより具体的に説明する。本発明の実施形態は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前述および後述する趣旨に合致し得る範囲で、適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の実施形態の技術的範囲に包含される。

【実施例1】

【0074】

（ａ）溶解液を用意する工程
エポキシ基およびアルコキシシリル基を有する第１化合物の液体としてγ－グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン（信越化学工業製、ＫＢＭ４０２）５３．５質量部を用意した。アルカリ金属塩として過塩素酸リチウム（関東化学製、鹿１級）２．２５質量部を、γ－グリシドキシプロピルメチルジメトキシシランに添加し、マグネチックホットスターラーにより６０℃に加熱しながら約１０分攪拌させることで溶解液を用意した。

【0075】

（ｂ）塗布する工程
上記溶解液に、無機材料基材としてホウケイ酸ガラスファイバ（パイレックス（登録商標）加工品、外径１００μｍ、長さ６０ｃｍを浸漬させることにより、無機材料基体上に溶解液を塗布した。

【0076】

（ｃ）硬化させる工程
上記溶解液が塗布された無機材料基材を、２３℃６０％ＲＨの環境において７２０時間保持することにより、上記溶解液を硬化させ、無機材料基材と、それを被覆する導電性層とを含む生体用電極を製造した。
実施例１の溶解液および導電性層の構造を解析するために、全反射ＦＴＩＲスペクトルを測定した（島津製作所、ＩＲＰｒｅｓｔｉｇｅ－２１）。導電性層については、別途ホウケイ酸ガラス製のガラス板（パイレックス（登録商標）加工品）に溶解液を塗布し、同様の硬化条件で溶解液を硬化させた生体用電極を製造し、その表面、すなわち導電性層の全反射ＦＴＩＲスペクトルを測定した。

【0077】

図２Ａは実施例１の溶解液の全反射ＦＴＩＲスペクトルであり、図２Ｂは実施例１の導電性層のＦＴＩＲスペクトルである。図２Ａでは、グリシドキシ基に特徴的な９０８．５ｃｍ－１のピークおよびメトキシ基に特徴的な２８３５．４ｃｍ－１のピークが観察されるのに対し、図２Ｂではそれらのピークが確認されない。このことから、２３℃６０％ＲＨ７２０時間保持した後の導電性層では、グリシドキシ基の開環反応と、メトキシ基の少なくとも加水分解が完了していることがわかり、図１に示すような構造を形成していると考えられる。

【0078】

実施例１の導電性層中の環状ポリエーテル構造の含有量を調査するために、紫外可視吸収スペクトルを測定した（ＨＩＴＡＣＨＩ Ｕ－４０００）。なお、測定用試料には、実施例１の溶解液を、光路長５ｍｍの石英セルに移し、２３℃６０％ＲＨで７２０時間保持したものを用いた。

【0079】

図３は、実施例１の導電性層の吸収スペクトル測定結果である。４５０ｎｍにおける吸光度は０．１９９であり、環状ポリエーテル構造が比較的少ないことが分かった。

【実施例2】

【0080】

実施例１の工程（ａ）を以下のように変更し、その他は実施例１と同様にして、生体用電極を製造した。
第１化合物としてγ－グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン（信越化学工業製、ＫＢＭ４０２）３７．５質量部を用意し、その第１化合物に、炭化水素基およびアルコキシシリルを有する第２化合物の液体としてジメチルジメトキシシラン（信越化学工業 ＫＢＭ２２）７．９０質量部を混合し、その混合物に過塩素酸リチウム２．２５質量部を添加し、マグネチックホットスターラーにより６０℃に加熱しながら約１０分攪拌させ溶解液を用意した。

【実施例3】

【0081】

実施例１の工程（ａ）において、アルカリ金属塩をヨウ化カリウム（関東化学製）３．５１質量部に変更し、工程（ｂ）において、無機材料基材をＢＫ７製の板状ガラス（パイレックス（登録商標）加工品、面積：５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚み：５ｍｍ）に変更し、且つ溶解液を塗布する際、スピンコーターを使用し５００ｒｐｍ、１０秒間の条件で無機材料基材上に塗布し、その他は実施例１と同様にして、生体用電極を製造した。

【実施例4】

【0082】

実施例１の工程（ａ）において、無機材料基材を石英製円柱部材（外径５ｍｍ、長さ１０ｍｍ）に変更し、その他は実施例１と同様にして、生体用電極を製造した。

【実施例5】

【0083】

実施例１の工程（ｃ）において、硬化条件を大気雰囲気下１５０℃で１．５時間保持することに変更し、その他は実施例１と同様にして生体用電極を製造した。保持条件の詳細として、１５０℃の恒温槽内につるされた金属製ワイヤに、溶解液を浸漬塗布した珪ホウ酸ガラスファイバをクリップで固定した状態で、１．５時間保持した。

【0084】

実施例５の大気雰囲気下１５０℃１．５時間保持後の導電性層の構造を解析するために、ＧＰＣ測定を行った。なお、測定用試料には、実施例５の溶解液をビーカーに移し、実施例５で用いた恒温槽内で１５０℃１．５時間保持したものを用いた。ＧＰＣ測定の前処理として、測定用試料１００ｍｇに、溶媒としてＴＨＦ５ｍｌ（０．０２％モノエタノールアミン含有）を加え、約９０℃で２時間攪拌した後、０．４５μｍフィルターを用いて濾過して金属イオンを除去した。前処理後、ＧＰＣ多角度光散乱光度計によりＧＰＣ測定を行った。

【0085】

図４は、実施例５のＧＰＣ測定結果である。図４において、８４０付近に分子量ピークが確認された。これは下記化学式１に示す環状ポリエーテル構造を含む重合物が形成されていると考えられる。

【0086】

【化1】

【0087】

上記化学式１の化合物は、γ－グリシドキシプロピルメチルジメトキシシランのグリシドキシ基が環状に４個重合したものである。
なお、実際の導電性層においては、ＧＰＣ測定用試料とは異なり、下記化学式２で示す、リチウムイオンが配位された構造を示すと考えられるが、ＧＰＣ測定の前処理においてリチウムイオンが脱落した結果、ＧＰＣ測定用試料においては上記化学式１の化合物が検出されたと考えられる。

【0088】

【化2】

【0089】

また、より詳細には、上記化学式１の化合物の分子量は８８０であり、ＧＰＣ測定結果（８４０）よりも大きい。よって、より正確にはＧＰＣ測定で検出された化合物は、下記化学式３のような構造であると考えられる。

【0090】

【化3】

【0091】

上記化学式１と３の違いは、８個のメトキシ基のうち３個が加水分解されて水酸基となっていることである。すなわち、環状ポリエーテル構造を有する重合物においても、アルコキシシリル基に由来する部分が加水分解されており、無機材料基材と結合する上で好ましいことがわかる。

【0092】

またＧＰＣ測定結果では、分子量８４０付近のピークは分布を持っている（すなわちブロードである）ことから、ＧＰＣ測定用試料において、γ－グリシドキシプロピルメチルジメトキシシランのグリシドキシ基が３～５個および／またはそれ以上が環状に重合したもの、ならびにこれらの環状ポリエーテル構造を含む化合物において、３個以上および／または３個以下のメトキシ基が水酸基に加水分解されたもの、の混合物が生成されていると考えられる。

【0093】

図４ではまた、１９４９付近に分子量ピークが確認された。このピークは、γ－グリシドキシプロピルメチルジメトキシシランのグリシドキシ基が約９個環状に重合したもの、または３～５個の環状に重合したものが、シラノール基の脱水縮合により結合したものなどに起因すると考えられる。これらもそれぞれ、イオンを安定的に担持できるという点でイオン伝導性向上に寄与し得る。

【0094】

図４ではまた、９１８２付近に分子量ピークが確認された。このピークは、約４０個のγ－グリシドキシプロピルメチルジメトキシシランのグリシドキシ基が重合したものに起因すると考えられる。

【0095】

実施例５の大気雰囲気下１５０℃１．５時間保持後の導電性層の環状ポリエーテルの含有量を調査するために、紫外可視吸収スペクトルを測定した（ＨＩＴＡＣＨＩ Ｕ－４０００）。なお、測定用試料には、実施例５の溶解液を、光路長５ｍｍの石英セルに移し、実施例５で用いた恒温槽内で１５０℃１．５時間保持したものを用いた。

【0096】

図５は、実施例５の導電性層の吸収スペクトル測定結果である。４５０ｎｍにおける吸光度は１．２３であり、実施例１（図３）と比較して、環状ポリエーテル構造が多く形成されていることがわかった。

【実施例6】

【0097】

実施例１の工程（ａ）において、第１化合物を２－（３，４－エポキシシクロヘキシル）トリメトキシシランに変更し、その他は実施例１と同様にして、生体用電極を製造した。

【実施例7】

【0098】

実施例１の工程（ａ）を以下のように変更し、その他は実施例１と同様にして、生体用電極を製造した。
第１化合物の液体としてγ－グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン（信越化学工業製、ＫＢＭ４０２）５．３５質量部を用意し、アルカリ金属塩として過塩素酸リチウム（関東化学製、鹿１級）０．２３質量部を、γ－グリシドキシプロピルメチルジメトキシシランに添加し、マグネチックホットスターラーにより６０℃に加熱しながら約１０分攪拌させた。この溶解液に、銅ナノ粒子（平均粒径３００ｎｍ）３１．４質量部を添加して手作業で振とうし、銅ナノ粒子を混合させて、分散液を用意した。この場合、導電性層中の、銅ナノ粒子の体積比率は４０％であった。

【実施例8】

【0099】

実施例１の工程（ａ）において、第１化合物をγ－グリシドキシプロピルトリエトキシシラン（信越化学工業製、ＫＢＥ４０３）５７．４質量部に変更し、その他は実施例１と同様にして、生体用電極を製造した。

【実施例9】

【0100】

実施例５の工程（ｃ）において、硬化時間を０．５時間に変更し、その他は実施例１と同様にして生体用電極を製造した。また、実施例５と同様に紫外可視吸収スペクトルを測定した結果、４５０ｎｍにおける吸光度は０．２５０であった。

【実施例10】

【0101】

実施例５の工程（ｃ）において、硬化時間を７２０時間に変更し、その他は実施例１と同様にして生体用電極を製造した。また、実施例５と同様に紫外可視吸収スペクトルを測定した結果、４５０ｎｍにおける吸光度は２．５０であった。

【実施例11】

【0102】

実施例１の工程（ｂ）において、無機材料基材を銅製のワイヤ（外径５００μｍ、長さ３０ｃｍ）に変更し、その他は実施例１と同様にして生体用電極を製造した。

【実施例12】

【0103】

実施例４の工程（ｂ）において、無機材料基材である石英製円柱部材を、端部が円錐状となっている（すなわち尖端構造部分を有している）ものに変更し、その他は実施例４と同様にして生体用電極を製造した。円錐部分の、底面の直径は５ｍｍ、側線は５ｍｍであった。

【実施例13】

【0104】

実施例２の工程（ａ）において、第２化合物をシクロヘキシルメチルジメトキシシラン１２．４質量部に変更し、その他は実施例２と同様にして、生体用電極を製造した。

【0105】

［比較例１］
実施例１の工程（ａ）および（ｃ）を以下のように変更し、その他は実施例１と同様にして、生体用電極を製造した。
比較例１では、ビニル基含有オルガノポリシロキサンの白金触媒によるヒドロシリル化反応によりシリコーンゴムを形成する、シリコーンゴムのモノマー液体（信越化学工業製、付加反応型ＲＴＶシリコーンゴム）５３．５質量部に、過塩素酸リチウム２．２５質量部を添加し、マグネチックホットスターラーにより６０℃に加熱しながら約１０分攪拌させ溶解液を用意した。また、上記溶解液を浸漬塗布した後、１５０℃２時間保持することにより、生体用電極を製造した。

【0106】

［比較例２］
実施例１の工程（ａ）において、過塩素酸リチウムを添加しなかった。その他は実施例１と同様にして、生体用電極を製造した。

【0107】

［比較例３］
比較例１の工程（ｂ）において、無機材料基材を実施例１２のものに変更し、その他は比較例１と同様にして、生体用電極を製造した。

【0108】

各実施例および各比較例により得られた生体用電極のイオン伝導率および密着性を評価した。

【0109】

（イオン伝導率測定）
イオン伝導率測定は、各実施例および各比較例における溶解液（または分散液）を直径９．５ｃｍ、深さ５００μｍのポリテトラフルオロエチレン性の型に満たし、各実施例および各比較例の硬化させる工程と同様の硬化条件で、溶解液（または分散液）を硬化させた。その後型から取り外し、ニッケル製プレートに重合物を挟むことで、スウェージロック型セルを構成し、測定用試料とした。測定は、室温において１ｋＨｚ－１０００ｋＨｚの周波数範囲で行った。

【0110】

イオン伝導性が１．０×１０^－４Ｓ／ｃｍ以上のものを◎（特に優れている）とした。
イオン伝導性が１．０×１０^－５Ｓ／ｃｍ以上１．０×１０^－４Ｓ／ｃｍ未満のものを〇（優れている）とした。
イオン伝導性が１．０×１０^－５Ｓ／ｃｍ未満のものを△（不十分）とした。

【0111】

（密着性）
無機材料基材がガラス板および円柱状の場合、ポリエチレン製の厚み１ｍｍの板のエッジ部分を各生体用電極の塗布面かつ平坦面に押し当てて、軽くこすることで、密着性を評価した。無機材料基材がガラスファイバのものについては、スライドガラス上に生体用電極を置き、上記ポリエチレン製板のエッジ部分で軽くこすることで、密着性を評価した。無機材料基材が円錐部分を有するものについては、円錐の尖っている部分に対して上記ポリエチレン製板のエッジ部分で軽くこすることで、密着性を評価した。

【0112】

導電性層が剥離せず、また導電性層が破壊された場合でも無機材料基材への吸着残存物が認められたものを◎（特に優れている）とし、導電性層が剥離し、無機材料基材への吸着残存物が認められなかったものは△（不十分）とした。

【0113】

以上の結果を図６に示す。なお、図６の表中において、実施例４、１１、１２は導電性層が実施例１と同じであるため、イオン伝導率の欄には実施例１の測定値を記載した。比較例３は導電性層が比較例１と同じであるため、イオン伝導率の欄には比較例１の測定値を記載した。
また総合判定については、イオン伝導率および密着性評価において全て◎の場合は、◎（特に優れている）とし、◎と○が混在する場合は、○（優れている）とし、△が１つでも混在するときは、△（不十分）とした。

【0114】

図６の結果より、次のように考察できる。実施例１～１３は、いずれも本発明の実施形態で規定する要件の全てを満足する例であり、イオン伝導率および密着性が優れていた。特に実施例５、９および１０は、実施例１～４、６、８および１１～１３とは異なり、硬化させる工程が好ましい範囲（硬化温度１５０℃以上）にあり、環状ポリエーテル構造に起因する４５０ｎｍの吸光度が０．２００～２．５０の好ましい範囲にあったため、イオン伝導率が特に優れたものとなり、総合判定において◎となった。また実施例７は、実施例１～４、６、８および１１～１３とは異なり、導電性粒子を含むことにより、イオン伝導率が特に優れたものとなり、総合判定において◎となった。
一方、比較例１～３は、本発明の実施形態で規定する要件を満たしていない例であり、イオン伝導率または密着性が不十分であった。

【0115】

比較例１および３は、エポキシ基およびアルコキシシリル基を有する第１化合物に由来する部分を含む重合体を含んでいないため、イオン伝導率および密着性が不十分であった。

【0116】

比較例２は、アルカリ金属イオンおよび第２族元素イオンを含んでいないため、イオン伝導率が不十分であった。

【0117】

なお、実施例１と２の比較から、第２化合物を含むことにより、イオン伝導率が向上することが分かった。これは第２化合物を含むことにより、導電性層中の重合体の架橋密度が低下し、イオン伝導しやすくなったためと考えられる。

【0118】

また、実施例２と１３の比較から、第２化合物の炭化水素基の炭素数が２から６になると、イオン伝導率が向上することが分かった。これは炭素数が２から６になることにより、導電性層中の重合体の架橋密度が低下し、イオン伝導しやすくなったためと考えられる。

【産業上の利用可能性】

【0119】

本発明の実施形態に係る生体用電極は、剛性が高く、且つ生体と接触させるための表面が主に非金属材料で構成されており、イオン伝導率が高く密着性に優れるため、生体の深部および／または神経細胞などの微細部から信号を得ることができる生体用電極として有用であり、産業上の利用価値は高い。

【符号の説明】

【0120】

１ 生体用電極
１００ 無機材料基材
２０１ 第１化合物に由来する部分を含む重合物
２０１Ａ ポリエチレンオキサイド構造
２０１Ｂ シロキサン結合構造
２０１Ｃ 基材／導電性層結合部分
２０２ リチウムイオン

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】