(57)【要約】【課題】析出する高分子膜や電極には何も施さずに、自己組織化単分子膜の形成という簡便な方法で、電極や高分子の機能を損なうことなく、電極周辺部の環境を変化させて析出膜全体の密着性を得ることができる高分子被覆電極の製造方法を提供する。【解決手段】絶縁性材料の表面に形成した電極を、生体適合性を有する導電性高分子膜で被覆する方法において、電極周辺の絶縁性材料の表面に導電性高分子膜と結合し易い分子を吸着させ、次に電解重合により電極上に導電性高分子膜を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性材料の表面に形成した電極を、導電性高分子膜で被覆する方法において、前記電極周辺の前記絶縁性材料の表面に前記導電性高分子膜と結合し易い分子を吸着させ、次に電解重合により前記電極上に前記導電性高分子膜を形成することを特徴とする高分子被覆電極の製造方法。
【請求項２】
前記絶縁性材料の表面に形成した前記電極は、絶縁性基板の平面上に作製した回路状電極、または、絶縁部を有する針状電極であることを特徴とする請求項１記載の高分子被覆電極の製造方法。
【請求項３】
前記導電性高分子膜と結合し易い分子は、オクタデシルトリクロロシランなどの疎水性基を有するシランカップリング剤であることを特徴とする請求項１または２記載の高分子被覆電極の製造方法。
【請求項４】
前記導電性高分子膜は、ポリピロールであることを特徴とする請求項１、２または３記載の高分子被覆電極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、密着性が向上した高分子被覆電極の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電極と細胞・組織との接合界面の設計は細胞エレクトロニクス研究の中心課題であり、神経系埋め込みデバイスの開発においても極めて重要である。細胞外電気刺激は、いまだに容易ではなく、特に電極のサイズが微小であるときには、電気分解によるガス発生を起こさないよう電流を流す必要があることから、流せる電流が制限を受けるために困難である。多孔質の白金黒電極などが、大電流を流せる電極材料として使われてきたが、機械的に脆いために柔軟性を有する神経電極プローブなどには適用が難しい。しかも、このような金属電極と細胞や組織との間には有意な相互作用は期待できない。
【０００３】
ポリピロール（ＰＰｙ）のような導電性高分子は、繊維状の構造に起因する広大な表面積を有し、それゆえ大容量の電極材料となる。しかも、ＰＰｙは、成膜が容易で表面に生化学機能を付与しやすく、生体適合性も高いので、神経系デバイスのための界面材料として極めて魅力的であり、すでに、埋め込み医療デバイスへの適用が検討されてきている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
以上のような体内で用いるデバイスへの応用に加えて、体外での細胞工学もバイオインターフェースの設計を必要とする。最近の細胞配置技術の進歩によって、電極アレイと組み合わせた細胞ネットワークを用いたバイオアッセイが可能になろうとしている。たとえば、本発明者は、ＰＣ１２神経細胞をマイクロ電極アレイ上にパターン状に配置することに成功している。導電性高分子によって電極表面と細胞との電気的接続を仲立ちすることは、このような次世代型のバイオアッセイを実現するためにも重要である。電解重合法は、微小な電極上にだけ合成ができ、電気量で膜厚などが制御できるといった工学上重要な利点がある。その中でも、ＰＰｙなどの電析可能な高分子がポリ乳酸を凌ぐ生体適合性を有することや、そのような高分子による生化学ドーピングの可能性が示されたことによって、期待される機能や使用されようとする場面が生体内埋め込みなどへ、どんどん拡充している。それにともなって、高分子膜の密着性の確保が必要となってきている。
【０００５】
【特許文献１】特表２００１−５１５３４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、析出する高分子膜や電極には何も施さずに、自己組織化単分子膜の形成という簡便な方法で、電極や高分子の機能を損なうことなく、電極周辺部の環境を変化させて析出膜全体の密着性を得ることができる高分子被覆電極の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、絶縁性材料の表面に形成した電極を、導電性高分子膜で被覆する方法において、前記電極周辺の前記絶縁性材料の表面に前記導電性高分子膜と結合し易い分子を吸着させ、次に電解重合により前記電極上に前記導電性高分子膜を形成することを特徴とする高分子被覆電極の製造方法が得られる。
【０００８】
また、本発明によれば、前記絶縁性材料の表面に形成した前記電極は、絶縁性基板の平面上に作製した回路状電極、または、絶縁部を有する針状電極であることを特徴とする高分子被覆電極の製造方法が得られる。
【０００９】
また、本発明によれば、前記導電性高分子膜と結合し易い分子は、オクタデシルトリクロロシランなどの疎水性基を有するシランカップリング剤であることを特徴とする高分子被覆電極の製造方法が得られる。
【００１０】
また、本発明によれば、前記導電性高分子膜は、ポリピロールであることを特徴とする高分子被覆電極の製造方法が得られる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、以下の効果が得られる。
本発明では、析出する高分子膜や電極には何も施さずに、オクタデシルトリクロロシランなどの疎水性基を有するシランカップリング剤等による自己組織化単分子膜の形成という簡便な方法で、電極や高分子の機能を損なうことなく、電極周辺部の環境を変化させて析出膜全体の密着性を得ることができる。本発明者は、予め電極基板を自己組織化単分子膜で処理しておくと、生成するＰＰｙ膜の密着性が向上することを見出した。導電性高分子膜の密着性は、体内外でおこなうあらゆるタイプのニューロエンジニアリングの実践に貢献すると考えられる。原理的には、この技術は違うタイプの電極系にも適用できる。部分的に電極化した針状電極を修飾して、埋め込み神経デバイスの精度向上と低侵襲化とに寄与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１乃至図５は、ポリイミド（ＰＩ）基板上の微小電極を密着性の高いＰＰｙ膜で被覆する方法を示している。ＰＩは、柔軟で化学的に安定で、生体適合性もあるので医療デバイスに用いる材料として最近の主流となっている。ＰＩ基板の表面に予めアルキルシランの自己組織化単分子膜を作製しておくと、ＰＩ基板面に沿った横方向のＰＰｙの成長が異方的に促進されてＰＰｙフィルム全体の密着性が増強される。このＰＰｙ被覆微小電極を用いて、培養心筋細胞の細胞外電気刺激を、再現性良く、低侵襲的に行うことが出来た。心筋細胞が隣と電気的に共役して一枚のシートになっているために、細胞シート全体が同期して拍動した。
【００１３】
実際の実験手順は、次のとおりである。ピロールは、使用直前に蒸留した。オクタデシルトリクロロシラン（Octadecyltrichlorosilane、Ｃ１８ＳｉＣ１３、信越化学工業株式会社製）、ポリジメチルシロキサン（polydimethylsiloxane、ＰＤＭＳ、信越化学工業株式会社製、製品名「KE-106」）、fluo-3AM（Invitrogen社  Molecular Probes製）は、精製せずに用いた。感光性ＰＩをガラス板上にスピンコートし、90分間、温度150度でベークすることによって、２μm厚のＰＩフィルムを得た。一対のＰｔマイクロバンド電極をフォトリソグラフィーでＰＩ被覆基板上に作製した。
【００１４】
図１は、バンド電極アレイ上にポリピロールを合成・析出させる際の実験構成図である。図１に示すように、ポリイミドを塗ったガラス製基板１１上にＰｔの電極Ｗ１、Ｗ２を作製し，シリコーンゴムの一種であるＰＤＭＳの柵１２を貼り付けてから重合溶液１３を入れ，参照電極ＲＥや対極ＣＥを挿入してバイポテンショスタットＢＰＳで重合電位を印加する。図１（ａ）に示すように、20μm幅のバンド電極Ｗ１、Ｗ２が10μm間隔で配してある。この電極基板１１を、先ず２プロパノールで処理してから酸素プラズマに曝して、ＰＩフィルムの表面に水酸基を導入した。次に、この基板１１を0．2mMのオクタデシルトリクロロシラン/ヘプタン溶液に10分間浸漬して、アルキルシランの自己組織化単分子膜を形成した。ＰＤＭＳによる柵１２を使って、図１に示すように、電気化学セルを構成する。溶液に接する電極面積の総計は1．6×10−３cm2である。
【００１５】
ピロールの電解重合は、0．1Mのピロールと0．1MのＫＮＯ３とを含む水溶液から、電極電位を規制した電解重合によってＰＰｙを合成・析出させ、バイポテンショスタットＢＰＳを用いて、２本のバンド電極Ｗ１、Ｗ２の片方に660mV、他方に680mVを印加した。２本の電極Ｗ１、Ｗ２の電位が20mVずれているために、それぞれの電極Ｗ１、Ｗ２で成長したＰＰｙによって電極Ｗ１、Ｗ２間が短絡した直後から、電位差に基づくオーミック電流が流れ始める。したがって、オーミック電流によって電極Ｗ１、Ｗ２間短絡の瞬間が検知でき、基板面に沿った横方向のＰＰｙ膜の成長速度が評価できる。
【００１６】
心筋細胞は、受精後８〜９日経過したニワトリ胚から取り出した心臓をトリプシンでバラバラにし、繊維芽細胞をシャーレ底面に１時間接着させて除き、得られる心筋細胞１のみを含む細胞分散液（1×106 cell/ml）を電極基板１１上に播種して培養した。電極基板１１上に接着した心筋細胞１は、隣の細胞とギャップ結合を形成してシート状になる。図２は、培養心筋細胞１をパルスジェネレータＰＧで電気刺激する際の実験構成図である。図２に示すように、心筋細胞１のシートの電気刺激は、ＰＰｙ膜１４で修飾されたＰｔ電極１５と溶液中に挿入したＰｔ版との間に電流パルスを流して行った。刺激時の細胞内Ｃａ２＋濃度を蛍光イメージングで測定した。先ず、10μMのfluo-3AMを細胞に取り込ませ、刺激と計測とは、0．90mMのCaCl2、2．68mMのKCl、1．47mMのKH2PO4、0．49mMのMgCl2、136．9mMのNaCl、8．06mMのNa2HPO4、5．55mMのglucose、0．327mMのsodium pyruvate（pH 7．4）中で行った。血清は、蛍光を発するので測定時には除いてある。細胞シートは、Xeランプで照射され、CCDカメラで評価した。
【００１７】
図３（ａ）は、バンド電極Ｗ１、Ｗ２のアレイ上にポリピロールを合成・析出させた際の重合電流の推移図である。ポリイミド表面にシランカップリング剤の自己組織化膜を形成させることで，ポリマーが基板面に沿って成長するので，電極Ｗ１、Ｗ２間が早く短絡する（図中、矢印Ａ）。図３（ｂ）は、短絡直後の様子、図３（ｃ）は、しばらく重合を続けた後の様子である。図３（ａ）は、ＰＩ基板１１上に作製したマイクロ電極Ｗ１、Ｗ２でのＰＰｙの成長について、電解重合時に観測される典型的な電流プロファイルである。図３（ａ）に示す実線および点線は、それぞれ、680mV、660mVに設定した電極Ｗ１、Ｗ２での電流である。図中矢印Ａ、Ｂで示した屈曲点は、バンド電極Ｗ１、Ｗ２間がＰＰｙで短絡した瞬間を示している。未処理のＰＩ基板の場合、屈曲点（図中矢印Ｂ）が不明瞭である。これは、不均一に成長した高分子が点接触するためと考えられる。一方、アルキルシランで処理したＰＩ基板１１の場合には、シャープな屈曲点（図中矢印Ａ）によって明瞭に短絡が検出できる。図３（ｂ）は、ＰＰｙによる短絡直後の光学顕微鏡写真である。高分子膜は非常に薄く半透明で、基板面に沿って優先的に成長が起こったことを示唆している。均一な横方向成長はライン状の短絡を起こすので、オーミック電流の追加による屈曲が非常にシャープに現れたといえる。続けて重合したときの図３（ｃ）の光学顕微鏡写真では、異方的な膜の成長の様子がより分かりやすい。この横方向優先成長の結果は、従来のガラス基板上で得られた結果と基本的に同じであり、基板１１の表面の自己組織化単分子膜がオリゴマーを効果的に捕捉するために、膜の成長端で重合効率が上昇したためと理解できる。表面段差計で測ったところ、ＰＩ基板１１における今回の結果では、横方向への異方成長率は約20倍であると分かった。
【００１８】
図４（ａ）に示すように、ＰＰｙ膜１４の密着強度をスコッチテープ（接着力：3．7 N/cm）を用いて評価した。2×2cm2のＰt電極にＰＰｙを5．5ｍＣ重合して評価対象とした。図４（ｂ）〜（ｄ）は、スコッチテープによる剥離試験の結果である。図４（ｂ）に示すように、未処理の場合は全て剥がれてテープ側に移ってしまうが、図４（ｃ）に示すように、シランカップリング剤の自己組織化膜を形成させてから重合した場合は剥がれない。これは、図４（ｄ）に示すような、自己組織化膜によるアンカー効果である。図４（ｂ）に示すように、未処理の電極上のＰＰｙ膜は、完全に剥がれてスコッチテープ側に移ってしまった。ＰＰｙ膜の密着性は、洗浄によってさえも剥がれてしまうことも少なくなく、実用上問題となる。一方、図４（ｃ）に示すように、自己組織化単分子膜を形成させた基板１１では、ＰＰｙ膜１４の密着性が高く、スコッチテープによって剥がれることはなかった。図４（ｄ）に模式的に示すように、電極１５の周辺にはみ出して成長したＰＰｙ膜１４が単分子膜１６と複合化して、膜全体の密着性を向上させたと考えられる。導電性高分子膜の密着性向上は、培養細胞を用いるニューロエンジニアリングにとって実際的に重要である。加えて、この技術は違うタイプの電極系にも適用できる。部分的に電極化した針状電極を修飾して、埋め込み神経デバイスの精度向上と低侵襲化とに寄与できる。
【００１９】
0.1×0.1mm2のＰＰｙ膜１４で修飾されたマイクロ電極１５上の心筋細胞１のシートにおける細胞間情報伝達の様子を観察した。心筋細胞１にはfluo-3AMが導入され、測定は室温で行われた。図５（ａ）は顕微鏡写真を示し、図５（ｂ）は蛍光強度の時間変化を示している。心筋細胞１が収縮するときに、細胞内のＣａ２＋濃度があがって蛍光強度が上がる。図５（ｂ）に示すように、図５（ａ）中のSite1とSite2とで観測した蛍光強度変化は、ほぼ同期している。５つのサンプルで、同じ結果が、再現性よく，細胞へのダメージを与えることなく得られた。また，このシステムは一週間以上安定であった。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態の高分子被覆電極の製造方法の、バンド電極アレイ上にポリピロールを合成・析出させる際の実験構成を示す（ａ）模式平面図、（ｂ）電極付近の光学顕微鏡写真、（ｃ）重合電圧の印加状態の側面図である。
【図２】本発明の実施の形態の高分子被覆電極の製造方法の、培養心筋細胞をパルスジェネレータで電気刺激する際の実験構成を示す側面図である。
【図３】本発明の実施の形態の高分子被覆電極の製造方法の、バンド電極アレイ上にポリピロールを合成・析出させた際の（ａ）重合電流の推移を示すグラフ、（ｂ）電極間が短絡した直後の電極付近の光学顕微鏡写真、（ｃ）さらにしばらく重合を続けた後の電極付近の光学顕微鏡写真である。
【図４】本発明の実施の形態の高分子被覆電極の製造方法で形成されたＰＰｙ膜の、スコッチテープによる剥離試験の（ａ）試験方法を示す説明図、（ｂ）未処理の場合の試験結果を示す結果図、（ｃ）シランカップリング剤の自己組織化膜を形成させてから重合した場合の試験結果を示す結果図、（ｄ）電極周辺にはみ出して成長したＰＰｙが単分子膜と複合化した状態を示す側面図である。
【図５】本発明の実施の形態の高分子被覆電極の製造方法で形成されたＰＰｙで被覆したＰｔ電極上に培養された培養心筋細胞の（ａ）光学顕微鏡写真、（ｂ）電流パルスを印加したときの（ａ）中のSite1およびSite2の蛍光強度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２１】
１    心筋細胞
１１  基板
１２  柵
１３  重合溶液
１４  ＰＰｙ膜
１５  電極
１６  単分子膜
【図２】
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【図４】
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【図１】
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【図３】
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【図５】
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