(57)【要約】【課題】電池交換をせずとも半永久的に作動し続ける。【解決手段】イオン性の薬剤を含む薬液を収容し、薬剤が通過可能な窓部４ｃを有する薬液槽２と、燃料分子を含む燃料液を収容し、グルコースが通過可能な窓部４ｄを有する燃料槽３と、薬液槽２に配置される第１の領域５ａと、大気に露出されて該大気に含まれる酸素を還元する第２の領域５ｂとを有する第１の電極５と、燃料槽３に配置され燃料分子を酸化する第２の電極６と、第１の電極５の第２の領域５ａと第２の電極６との間に介在し、酸素の還元により生成され陰イオンを第２の領域５ａから第２の電極６に伝達するイオン交換膜７とを備えるイオントフォレーシス装置１を提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン性の薬剤を含む薬液を収容し、前記薬剤が通過可能な窓部を有する薬液槽と、
燃料分子を含む燃料液を収容し、グルコースが通過可能な窓部を有する燃料槽と、
前記薬液槽に配置される第１の領域と、大気に露出されて該大気に含まれる酸素を還元する第２の領域とを有する第１の電極と、
前記燃料槽に配置され前記燃料分子を酸化する第２の電極と、
前記第１の電極の前記第２の領域と前記第２の電極との間に介在し、前記酸素の還元により生成され陰イオンを前記第２の領域から前記第２の電極に伝達するイオン交換膜とを備えるイオントフォレーシス装置。
【請求項２】
前記燃料分子が、糖類、アルコール類または水溶性ビタミン類である請求項１に記載のイオントフォレーシス装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオントフォレーシス装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、イオン性の薬剤分子を経皮的に生体に投与するイオントフォレーシス装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。イオントフォレーシス装置は、薬剤分子を含む薬液を収容する薬液槽と、薬剤分子とは反対の電荷の分子の溶液を収容するカウンタ槽とを備えている。これら２つの槽を皮膚に密着して貼り付けると、薬液槽とカウンタ槽とが皮膚を介して電気的に接続される。この状態で２つの槽の間に電流を流すことにより、薬液槽から皮膚へ薬剤分子を流出させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１０−５１１４３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１は、２つの槽の間に電流を供給するための電池を備えている。したがって、電池の消耗に伴って薬剤分子が十分に生体に投与されなくなるため、定期的に電池を交換しなければならないという不都合がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、電池交換をせずとも半永久的に作動し続けることができるイオントフォレーシス装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、イオン性の薬剤を含む薬液を収容し、前記薬剤が通過可能な窓部を有する薬液槽と、燃料分子を含む燃料液を収容し、グルコースが通過可能な窓部を有する燃料槽と、前記薬液槽に配置される第１の領域と、大気に露出されて該大気に含まれる酸素を還元する第２の領域とを有する第１の電極と、前記燃料槽に配置され前記燃料分子を酸化する第２の電極と、前記第１の電極の前記第２の領域と前記第２の電極との間に介在し、前記酸素の還元により生成され陰イオンを前記第２の領域から前記第２の電極に伝達するイオン交換膜とを備えるイオントフォレーシス装置を提供する。
【０００６】
本発明によれば、薬液槽および燃料槽の窓部を生体の体表に密着させることにより、第１の電極と第２の電極との間が薬液、皮膚などの生体組織および燃料液によって電気的に接続され、第１の電極をカソードとし、第２の電極をアノードとする電池回路が形成される。すなわち、第１の電極の第２の領域において酸素が水とともに還元されて水酸化物イオンが発生し、該水酸化物イオンがイオン交換膜を介して第２の電極に供給される。そして、第２の電極において、水酸化物イオンを用いて燃料分子が酸化され、該燃料分子から電子が放出される。放出された電子はマイナスイオンとして、燃料槽から窓部の外側の生体組織を介して薬液槽に移動し、さらに第１の電極の第２の領域から第１の領域に移動して酸素の還元に消費される。
【０００７】
以上の反応により第１の電極と第２の電極との間に起電力が発生し、第１の電極から生体組織を介して第２の電極に向かって電流が流れ、薬液槽内の薬液に含まれている薬剤が薬液槽から窓部を介して生体組織に流出する。これにより、薬剤を経皮的に生体に投与することができる。
【０００８】
この場合に、生体組織に生じた電流にしたがって生体組織に存在するイオン性の分子の流動が生じ、この流動にしたがって電気的に中性な分子であるグルコースも生体組織を流動する。そして、グルコースは、生体組織から窓部を介して燃料槽に流入し、燃料槽において燃料液に含まれていた燃料分子と同様に第２の電極により酸化されて電子を放出する。すなわち、薬液槽から皮下への薬剤の投薬と、皮下の生体組織から燃料槽へのグルコースの供給とが同時に並行して進行するので、外部から電力および燃料を供給せずとも作動し続ける。これにより、電池交換をせずとも半永久的に作動し続けることができる。
【０００９】
上記発明においては、前記燃料分子が、糖類、アルコール類またはビタミン類であってもよい。
このようにすることで、燃料液の生体に対する親和性を向上することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電池交換をせずとも半永久的に作動し続けることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係るイオントフォレーシス装置の外観図である。
【図２】図１のイオントフォレーシス装置の内部構成図であり、図１のＩ−Ｉ線およびＩＩ−ＩＩ線を含む平面における断面図である。
【図３】図１のイオントフォレーシス装置の作用を説明する図である。
【図４】図１のイオントフォレーシス装置の変形例を示す全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の一実施形態に係るイオントフォレーシス装置１について図面を参照して説明する。
本実施形態に係るイオントフォレーシス装置１は、図１および図２に示されるように、内部に互いに隔離された薬液槽２および燃料槽３を有する箱状の容器４と、薬液槽２の内部に配置されたカソード（第１の電極）５と、燃料槽３の内部に配置されたアノード（第２の電極）６と、カソード５およびアノード６との間に介在するイオン交換膜７とを備えている。
【００１３】
容器４は、内部の空間を２つに分画する壁４ａを有している。この壁４ａによって、薬液槽２となる空間と燃料槽３となる空間とが形成されている。容器４は、生体の体表と密着して配置可能な略平坦な取付面４ｂを有している。取付面４ｂには、薬液槽２および燃料槽３がそれぞれ開口する開口部（窓部）４ｃ，４ｄが形成されている。また、容器４は、取付面４ｂ以外の面（図示する例では、取付面４ｂと対向する面）に、薬液槽２の内部を容器４の外部と連通させる薬液注入口４ｅと、燃料槽３の内部を容器４の外部と連通させる燃料注入口４ｆと、開口部４ｄと対向する位置に開口する通気口４ｇとを有している。
【００１４】
薬液槽２は、薬液注入口４ｅを介して薬剤分子を含む薬液が注入される。薬剤分子としては、陽イオン性であり、皮下の生体組織を透過可能な５００Ｄａ以下の分子量を有するものが用いられる。
【００１５】
燃料槽３は、燃料注入口４ｆを介して燃料分子を含む燃料液が注入される。燃料液としては、燃料分子としてのグルコースを含む生理食塩水（０．９％ＮａＣｌ水溶液）が用いられる。燃料液に含まれるグルコースの濃度は、例えば、輸液として使用される５％以下が好ましいが、これに限定されるものではなく、後述するように十分な起電力が得られる濃度で有れば特に制限はない。
【００１６】
カソード５は、酸素の還元反応を触媒する金属粒子と、該金属粒子を担持する担持体とから構成され、通気口４ｇを介して供給される大気に含まれる酸素を還元する。
金属粒子としては、金、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウムなどの貴金属またはこれらの合金からなる微粒子が用いられる。なお、イオントフォレーシス装置１で必要とされる電流Ｅ（後述）は、生体への刺激を抑えるために、０．５ｍＡ／ｃｍ２以下と微弱である。したがって、金属粒子として、貴金属よりも触媒作用が低いニッケル、マンガン、銀、コバルト、鉄などの卑金属からなるものが用いられてもよい。
【００１７】
カソード５の担持体は、燃料液に対する反応性が十分に低く、かつ、導電性に優れた材料、例えば、カーボンやチタンなどから構成されている。なお、担持体は、触媒として用いられる金属粒子と同一の金属から構成され、触媒の機能を兼ねてもよい。
カソード５は、薬液槽２および燃料槽３にまたがって設けられ、一側の第１の領域５ａが薬液槽２に配置され、他側の第２の領域５ｂが通気口４ｇを覆うように燃料槽３に配置されている。また、燃料槽３において、カソード５の第２の領域５ｂとアノード６とが、イオン交換膜７を間に挟んで対向して配置されている。
【００１８】
アノード６は、グルコースの酸化反応を触媒する金属粒子と、該金属粒子を担持する担持体とから構成され、燃料槽３に収容された燃料液に含まれるグルコースを金属粒子を触媒として酸化する。
金属粒子としては、金、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウムなどの貴金属またはこれらの合金からなる微粒子が用いられる。なお、アノード６においては、金属粒子に代えて、グルコースの酸化反応を触媒するグルコースオキシターゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、グルコノキナーゼ、フォスフォグルコネートデヒドロゲナーゼなどの酵素が用いられてもよい。
【００１９】
アノード６の担持体は、カソード５の担持体と同様に、カーボンやチタンなどから構成されている。なお、担持体は、触媒として用いられる金属粒子と同一の金属から構成され、触媒の機能を兼ねてもよい。
【００２０】
イオン交換膜７は、アノード６とカソード５との間を仕切るように設けられている。イオン交換膜７は、陰イオンを移動・伝達させる陰イオン交換基（例えば、アンモニウム基、ピリジニウム基、イミダゾリウム基、ホスホニウム基、スルホニウム基）を有する高分子から構成されている。イオン交換膜７は、カソード５における酸素の還元反応により生成された水酸化物イオンをアノード６に伝達する。
【００２１】
次に、このように構成されたイオントフォレーシス装置１の作用について説明する。
本実施形態に係るイオントフォレーシス装置１を用いて生体に薬剤分子を投与するには、図３に示されるように、取付面４ｂが生体の体表と密着するように容器４を生体に固定し、薬液槽２および燃料槽３の開口部４ｃ，４ｄを皮膚Ｘの表面によって密閉する。次に、燃料注入口４ｆから燃料槽３に燃料液Ａを注入し、燃料槽３を燃料液Ａによって満たす。これにより、燃料液Ａに含まれるグルコースＢを燃料としてイオントフォレーシス装置１が起動する。
【００２２】
すなわち、まず、他側の第２の領域５ｂが大気に解放されたカソード５とアノード６との間に起電力が発生する。この起電力は、カソード５による酸素の還元反応と、アノード６によるグルコースＢの酸化反応とに起因するものである。このときの理論起電力は、約１．１９Ｖ〜１．２４Ｖとなる。
【００２３】
次に、起電力が生じている状態で、薬液注入口４ｅから薬液槽２に薬液Ｃを注入し、薬液槽２を薬液Ｃによって満たす。これにより、カソード５、薬液Ｃ、皮膚Ｘおよび血管Ｙなどの生体組織、燃料液Ａ、アノード６およびイオン交換膜７が直列に接続された電気的な閉回路が形成されることで、以下のような反応が起きる。
【００２４】
カソード５の第２の領域５ｂにおいて、金属粒子の触媒作用により、通気口４ｇを介して供給された大気に含まれる酸素および水の還元反応が起きる。これにより、下式（１）に示されるように、水酸化物イオンが生成される。生成された水酸化物イオンは、カソード５からイオン交換膜７を介してアノード６に移動する。なお、化学式において、ｅ−は電子を表わしている。
（１）  １／２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  →  ２ＯＨ−
【００２５】
一方、アノード６において、金属粒子の触媒作用により、燃料液Ａ中のグルコースＢの酸化反応が起きる。これにより、下式（２）に示されるように、グルコースＢは２つの電子を放出し、グルコノラクトンと水素イオンが生成される。生成された水素イオンは、カソード５からの酸化物イオンと結合し、水が生成される。
（２）  Ｃ６Ｈ１２Ｏ６＋２ＯＨ−  →  Ｃ６Ｈ１０Ｏ６＋２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
【００２６】
アノード６は、水素を還元する能力を充分有しているため、下式（３）に示されるように、グルコースＢの酸化反応により生成された２つの電子および水から、燃料液Ａに含まれているナトリウムイオンの触媒作用によって水酸化物イオンおよび水素を生成する。
（３）  Ｎａ＋＋２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  →  Ｎａ＋＋２ＯＨ−＋Ｈ２↑
【００２７】
一方、カソード５は、アノード６に対して貴な電位を有するため、下式（４）に示されるように、薬液Ｃに含まれている塩化物イオンを酸化する。この塩化物イオンは、薬液Ｃに予め含まれていたもの、または、後述する逆イオントフォレーシスによって生体から薬液槽２に流入したものである。
（４）  ２Ｃｌ−  →  Ｃｌ２＋２ｅ−
【００２８】
この酸化反応により生成された２つの電子は、カソード５を第１の領域５ａから第２の領域５ｂへ移動し、式（１）に示される酸素の還元反応に消費され、生成された水酸化物イオンがイオン交換膜７を介してアノード６に供給される。そして、アノード６では、式（２）に示される反応により、グルコースＢから電子が放出される。
【００２９】
このように、イオントフォレーシス装置１と生体組織との間に電気的な閉回路が形成されると、燃料槽３内のアノード６から生体組織を介して薬液槽２内のカソード５に向かってマイナスイオンの移動が発生する。すなわち、カソード５から生体組織を介してアノード６に向かう電流Ｅが発生する。この電流Ｅにしたがって陽イオン性の薬剤分子Ｄが薬液槽２から皮膚Ｘに流出し、血管Ｙに入ることにより、薬剤分子Ｄが生体に投与される。
【００３０】
ここで、カソード５から生体組織を介してアノード６に向かう電流Ｅにしたがってイオン性の分子や水（体液）が流動し、この流動に伴って皮膚Ｘおよび血管Ｙなどに存在する電気的に中性の分子も流動する。そして、生体から薬液槽２および燃料槽３に分子が流入する、逆イオントフォレーシスと呼ばれる現象が発生する。逆イオントフォレーシスにより、比較的小さい分子量（１８０Ｄａ）を有するグルコースＢも皮膚Ｘを通過して燃料槽３に流入する。すなわち、生体から燃料槽３に、燃料分子となるグルコースＢが供給されることとなる。
なお、燃料液Ａが燃料槽３に、薬液Ｃが薬液槽２にそれぞれ注入された後、燃料注入口４ｆおよび薬液注入口４ｅは図示しない栓などによって密閉される。
【００３１】
このように、本実施形態によれば、起動時には、燃料槽３に注入された燃料液Ａに含まれるグルコースＢが燃料として消費される。そして、起動後には、薬液槽２からの薬剤分子Ｄの投与と生体から燃料槽３への燃料分子の供給とが同時に並行して進行し、燃料槽３において生体から流入したグルコースＢが燃料として消費される。したがって、外部から電力および燃料が供給されなくとも、半永久的に投薬を続けることができ、電池交換等のメンテナンスを不要にすることができるという利点がある。
【００３２】
なお、本実施形態において、単一の部材からなるカソード５の担持体は、該担持体を成形する際に結着材として用いられるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の配合率が一側から他側に向かって漸次変化する傾斜材料から構成されていることが好ましい。
具体的には、カソード５の一側の第１の領域５ａでは、水溶性である薬液Ｃとの親和性を高めるためにＰＴＦＥの配合率を比較的低くする。カソード５の他側の第２の領域５ｂでは、薬液槽２から燃料槽３へ薬液Ｃが浸透することを防止し、また、カソード５と大気とのドライ接触を確保するために、ＰＴＦＥの配合率を比較的高くする。
【００３３】
前述したように、カソード５の一側と他側とは互いに異なる環境において異なる機能を果たす。そこで、カソード５をこのような傾斜材料から構成することにより、薬液Ｃ中での機能と、大気中での機能とを十分に両立することができる。
【００３４】
また、本実施形態においては、燃料液Ａとして、グルコースＢを含む溶液を用いることとしたが、燃料液Ａは、グルコースＢ以外の還元性を有する糖類、アルコール類または水溶性ビタミンＢ，Ｃ類（例えば、リボフラビン、バンテトン酸、ビオチン、アスコルビン酸）などを燃料分子として含んでいてもよい。
【００３５】
例えば、単糖類としては、エリトロース、トレオース、エリトルロース、リボース、アラビノース、キシロース、リキソース、リブロース、キシルロース、マンノース、ガラクトース、フルクトース、ソルボース、アロース、アルトロース、グロース、イドース、タロース、プシコース、タガトース、イノシトールが用いられる。２糖類としては、マルトース、ラクトース、セロビオース、サッカロースが用いられる。多糖類としては、デンプン、グリコーゲン、イヌリン、セルロース、ペクチンなどが用いられる。アルコール類としては、メタノール、エタノール、グリセロールが用いられる。前述の糖類およびアルコール類は単独で用いられてもよく、２種類以上を組み合わせて用いられてもよい。
【００３６】
また、本実施形態においては、単一の部材からなるカソード５が薬液槽２および通気口４ｇの両方に配置されることとしたが、これに代えて、図４に示されるように、薬液槽２に配置される第１の領域５ａと通気口４ｇに配置される第２の領域５ｂとが互いに別体の電極５１，５２から構成され、これら２つの電極５１，５２を電気的に接続する導線８が設けられていてもよい。
【００３７】
前述のように、カソード５の、薬液槽２に配置された第１の領域５ａと、通気口４ｇに配置された第２の領域５ｂとでは、互いに異なる環境において異なる機能を担うため、最適な設計が互いに異なる。そこで、カソード５の第１の領域５ａと第２の領域５ｂとを別体の電極５１，５２から構成することにより、各電極５１，５２を容易に最適な構造とすることができる。
【００３８】
具体的には、薬液槽２に配置される電極５１は、薬液Ｃ中でイオン化し難く、また、生体適合性が高い材料から構成されることが好ましい。そのような材料としては、例えばカーボン、チタン、白金、金、イリジウム、パラジウム、ルテニウムなどの貴金属およびこれらの合金が挙げられる。一方、通気口４ｇに配置される電極５２は、前述したカソード５と同様の構造を有することが好ましい。また、電極５２は、生体と接することがないため、酸化マンガン、ニッケル、銅、鉄、銀などの卑金属類から構成されていてもよい。
【００３９】
また、本実施形態においては、取付面４ｂを生体の体表に固定して開口部４ｃ，４ｄを密閉した後に薬液槽２および燃料槽３に薬液Ｃおよび燃料液Ａをそれぞれ注入することとしたが、これに代えて、図４に示されるように、開口部４ｃ，４ｄが半透膜９によって塞がれていてもよい。半透膜９は、少なくとも薬剤分子ＤおよびグルコースＢが透過可能な多孔質材料からなる。
【００４０】
このようにすることで、生体に容器４を固定する前に薬液Ｃおよび燃料液Ａを注入しておくことができ、取り扱いをより容易にすることができる。この場合、取付面４ｂが皮膚Ｘの表面に密着させられることにより、閉回路が形成されてイオントフォレーシス装置１が起動し、投薬が開始される。
【００４１】
また、本実施形態においては、液状の薬液Ｃおよび燃料液Ａを用いることとしたが、これに代えて、薬液Ｃおよび燃料液Ａをゲル状にしてそれぞれ薬液槽２および燃料槽３に収容することとしてもよい。薬液Ｃおよび燃料液Ａをゲル化する材料としては、天然素材である寒天またはゼラチン、または、保水性に優れたポリ酢酸ビニル樹脂やポリアクリル酸ナトリウムが好適に用いられる。
【００４２】
このようにすることで、薬液Ｃおよび燃料液Ａの取り扱いをより容易にすることができる。また、薬液槽２および燃料槽３の内部がゲルによって満たされた状態に維持されるので、薬液槽２および燃料槽３の内部のイオン伝導度を高い状態に維持し、イオンの移動を促進することができる。
【００４３】
また、本実施形態においては、カソード５、イオン交換膜７およびアノード６を１つずつ有する単セルからなる燃料電池を備えるイオントフォレーシス装置１について説明したが、複数の単セルが直列に接続されていてもよい。このようにすることで、薬液槽２から皮膚Ｘへ薬剤分子Ｄを流出させるために必要な電流Ｅを発生させる起電力をより大きくすることができる。
【符号の説明】
【００４４】
１  イオントフォレーシス装置
２  薬液槽
３  燃料槽
４  容器
４ａ  壁
４ｂ  取付面
４ｃ，４ｄ  開口部（窓部）
４ｅ  薬液注入口
４ｆ  燃料供給口
４ｇ  通気口
５  カソード（第１の電極）
５ａ  第１の領域
５ｂ  第２の領域
５１  電極（第１の電極、第１の領域）
５２  電極（第１の電極、第２の領域）
６  アノード（第２の電極）
７  イオン交換膜
８  導線
９  半透膜
Ａ  燃料液
Ｂ  グルコース（燃料分子）
Ｃ  薬液
Ｄ  薬剤分子
Ｅ  電流
Ｘ  皮膚
Ｙ  血管
【図１】
2014083236.tif 000003
【図２】
2014083236.tif 000004
【図３】
2014083236.tif 000005
【図４】
2014083236.tif 000006