立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第26号) 2017

口腔内における唾液中グルコース連続計測のためのマウスピース型バイオセンサの開発
Development of mouthguard biosensor for monitoring of saliva glucose in oral cavity
2161001

研究代表者

東京医科歯科大学
生体材料工学研究所

講 師荒川貴博

ルコース濃度と血糖に相関関係があることを示[研 究 の 目 的]

し，血糖値評価における唾液中グルコースの有近年，食生活の多様化や生活環境の変化によ用性を示唆した。しかし既報の計測法は，口腔り，生活習慣病の患者数が増加している。そのからサンプリングした唾液を分析するものであ

中でも，糖尿病は日本においては予備群も含めり，唾液の分泌に伴うグルコースの濃度変化のて 2,000 万人以上，世界においては有病者のみ連続的な計測を実現できていない。その他の唾

でも約 3 億 8,200 万人 (2013 年現在) と報告さ液成分を対象とした計測においても，サンプリれている。糖尿病は膵臓のインスリン作用の不ングや計測前の処理を要するため，連続的な変足により慢性的な高血糖状態となる疾患であり，化を計測する技術は報告されていない。

網膜症や腎症，神経障害を始めとする多くの合

そこで本研究では，血糖値との相関関係が報併症を引き起こす可能性がある。そのため，罹告されている唾液中グルコースを非侵襲かつ無患者は食事療法や運動療法などの他，血糖計測拘束に連続計測することを目的とし，口腔内へに基づくインスリン療法などにより自己の血糖の装着が可能なマウスピース型バイオセンサを値を適切に管理する必要がある。

開発した。また独自設計したマウスピース内蔵

現在，血糖値の管理には，自己血糖測定器(Self monitoring of blood glucose, SMBG) が広型のテレメータを開発し，歯科用ファントムでの測定を行った。

く用いられているが，採血を必要とする侵襲的[研究の内容・成果］な方法であり，痛みや感染症の恐れといった負担を伴う。今後の血糖値管理において，非侵襲かつ無拘束な血糖値のモニタリング技術が求め1．マウスピース型グルコースセンサの作製られている。一方，非侵襲な血糖値の連続評価

マウスピース型バイオセンサは，口腔への装では，血液を直接調べるのではなく，血糖値と着を目的としていることから，生体適合性のあ相関関係のある各種体液成分を指標とする方法

る市販のマウスピース材料から成型したマウスが多数報告されている。唾液中に含まれるグルピ ー ス に，Micro Electro Mechanical System

コースについてもその濃度と血糖値の相関関係(MEMS) 技術を施し薄膜電極を成形し，電極が報告されている。既報では健常者と糖尿病患

感応部には MPC と 2-ethylhexyl methacrylate者を対象に，空腹時における経口ブドウ糖負荷(EHMA) の共重合体 PMEH (poly (MPC-co-試験を行い，サンプリング測定により唾液中グEHMA)) の機能性高分子を用い，グルコース― 1 ―立石科学技術振興財団の認識素子としてグルコース酸化酵素 (glu-サ感応部と端子部以外を Polydimethylsiloxanecose oxidase, GOD) を電極表面に固定化し作(PDMS) で絶縁化した後，0.1 mol/l の塩酸中製した (図 1)。に，Pt 板，本センサの Ag 電極をそれぞれ浸市販のマウスピース材料に対して，センサの漬し，塩化処理を行い，グルコースセンサ用の電極を構成する Pt 及び Ag 薄膜を生体適合性電極を作製した。酵素の固定化では，生体適合デバイス用成膜装置 (E-230, ANELVA) にて性ポリマーである PMEH を使用した。PMEH成膜した。

溶液 20 μl と GOD 2.0 mg の混合溶液を用いた。

マ ウ ス ピ ー ス 材 料 上 に，Pt 作 用 電 極 (t=

この混合溶液を電極の感応部上に 2 μl 塗布し200 nm)，Ag/AgCl 参照/対電極 (t=300 nm)

た後，4℃の冷蔵庫で 2 h 乾燥させて GOD をが形成されたものである。薄膜電極の成膜では，電極感応部上に包括固定化した。

まず各電極パターンを形成するためのシールステンシルを作製した。ポリプロピレンシートに2．マウスピース型グルコースセンサの評価

カッティングマシン (CAMM-1 SERVO GX-

Pt 電 極 (作 用 電 極) に+400 mV (vs. Ag/24, Roland DG) を用いて，Pt 電極用及び AgAgCl) の定電位を印加した本センサを溶液中電極用のパターンを切り出した。に浸漬し，電極表面上に過酸化水素が拡散する作製したシールステンシルをマウスピース材料に貼付し，薄膜電極を生体適合性デバイス用成膜ことで，Eq. 1, 2 の反応が起こり，過酸化水素に応じた出力電流値を計測できる。

装置にて Pt, Ag の順序で成膜した (図 2)。センPt 電極 :
2H 2O 2→ 4H ++2O 2+4e − 
Eq. 1Ag/AgCl 電極 :4H ++O 2+4e −→ 2H 2O 





Eq. 2
また，電極感応部上に固定化した GOD は，グルコースと酵素の存在下で過酸化水素とグルコノラクトンを生成する。この触媒反応によって生じる過酸化水素を検出することで，グルコース濃度を計測する(Eq. 3)。

GOD

glucose+O 2 → gluconolactone+H 2O 2
図1






















Eq. 3

ポリエチレンテレフタレートグリコール基板上に作製したグルコースセンサの概略図

グルコースに対する定量性の評価では，センサ感応部をリン酸緩衝液で満たしたビーカに浸漬 し，ポ テ ン シ ョ ス タ ッ ト (Keithley, 2450EC) にて Pt 電極に+400 mV (vs. Ag/AgCl)の定電位を印加し，グルコース溶液の滴下に伴う出力電流値の変化を計測した。
図 3 にシート型の歯科材料基板上に作製したグルコースセンサのグルコースに対する定量特
図2

PETG 基板上へのグルコースセンサ用の電極の作製プロセス性を評価した結果を示す。グルコース溶液の滴下に伴い，著しい出力電流値の上昇が観察され― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

無線通信機を組み込んだマウスピース型バイオセンサを図 4 に示す。グルコースセンサに定電圧を印加するポテンシオスタットの機能と2.4 GHz の無線通信モジュールが一体となっている。作製したマウスピースを装着すると，審美性に優れた装着が可能であることが確認できた。なお，装着後のマウスピース型バイオセン
サを確認したところ，無線装置への溶液の侵入
図3などはなく良好な密閉性が確認された。

グルコースセンサの定量特性作製したマウスピース型グルコースセンサをた。応答性の結果をもとに，グルコース濃度に用いて，センサ特性の評価を行った。人工唾液

対する出力電流値の定量特性を調べた結果，5-は，水酸化ナトリウムを加えて pH 7.4 に調製1000 μmol/l の範囲で相関性が確認された。こし作製した。人工唾液における出力電流値は，の定量範囲は，既報値の唾液中グルコース濃度リン酸緩衝液時と比べ約 1/3-1/4 程度低下して(20-200 μmol/l) を含む範囲であり，本センサいることが確認された。定量範囲についてもを用いて唾液中グルコースの計測が可能である10-1000 μmol/l に狭まった。これは，人工唾液と考えられる。に含まれるタンパク質がセンサ感応部に吸着しマウスピース型バイオセンサの作製では，まているためだと考えられる。そこで，センサ感ず，歯型を吸引型成型器 (バキュームアダプ

応部への PMEH のオーバーコートによりセンターＩ型，山八歯材工業) に設置し，市販マウサ出力の向上を行った。PMEH 濃度 1.0 wt%

スピースシート材料 (厚さ : 0.5 mm) を成型において出力電流の向上が確認された。それ以器にて加熱・軟化・吸引し，歯型に合わせたマ上の濃度においては保護膜の膜厚が厚くなり，ウスピースを 3 次元成型した (1 枚目)。成型

感応部へのグルコースが到達しにくくなり出力したマウスピースに，第一小臼歯から第三大臼電流が小さくなった。これは，複数の成分が混歯の頬側に位置するように送信機をポリイミド在し，タンパク質吸着の恐れがある人工唾液中テープで固定し，成型器に再度設置する。同様のグルコース計測において保護膜の有用性，優にしてマウスピースを 3 次元成型することで，れた機能性を示すものであり，ヒト唾液中にお無線送信機を模ったマウスピースを作製したいても，タンパク質の影響を防止できることを(2 枚目)。シート型グルコースセンサの作製と示唆している。

同様にして，1 枚目の口腔内側の表面部にバイオセンサの機能を持たせた。2 枚のマウスピースを熱溶着により接合することで一体化したマウスピース型バイオセンサとした。
無線装置はポテンシオスタットと A/D コン
バータ，無線機能を有する設計となっている。
無線通信における周波数帯域には，産業・医学用機器の周波数帯である 2.4 GHz 帯を採用し，無 線 IC チ ッ プ に は 低 消 費 電 力 か つ 2.4 GHz
帯 で の 通 信 が 可 能 な CC2500 (Texas Instruments) を用いた。

図4― 3 ―

バイオセンサと無線通信装置を内蔵したマウスピー
ス型バイオセンサの外観

立石科学技術振興財団の標準グルコース溶液の導入に対して著しい出

3．歯科用ファントムを用いた特性評価
安静時の唾液中グルコース濃度 20 μmol/l を力電流値の増加が確認された。これはマウス含む人工唾液を用いた。ペリスタポンプ (SJ-

ピース型バイオセンサの優れた動的特性を示す

1211L, ATTO Co.) に て，平 均 唾 液 分 泌 速 度ものである。

0.5 ml/min でファントム口腔内の舌下腺・顎下腺位置より人工唾液を送液した。口腔内の溶4．まとめ液を循環させるため，排液は舌先の下顎から同本研究では唾液中グルコースの無拘束計測を流速で行った。人工唾液をファントム口腔内に目的として，酵素電極法を用いたバイオセンサ送液・排液した状態でセンサ感応部に標準グルとそのセンサを口腔内に設置するためのマウスコース溶液を滴下し，出力電流値の変化からグピースとを組み合わせてマウスピース型バイオルコース濃度の動態変化を調べた (図 5)。

センサを開発することに成功した。人工唾液に

次に，歯科用ファントムを用いたグルコースおいても既報の唾液中グルコース濃度 (20-200計測の結果を示す (図 6)。ヒト口腔内環境をμmol/l) を含む範囲でグルコースの定量が可能模倣したファントムにおいて，0.5，1.0 mmol/lであった。作製したマウスピース型バイオセンサを，口腔内を模したファントムを用いた実験によりセンサの優れた動的特性が示された。今後は実際にヒト口腔内に適用し，唾液中グルコースの無拘束計測を目指す。
[今後の研究の方向，課題］
現在，口腔内でのグルコース計測に向けた検討を進めている。口腔内での違和感のない装着

図5

マウスピース型バイオセンサを用いた歯科用ファントムでの特性評価のための実験系のための無線装置の小型化，長時間計測のための小型電源の開発についても重要な課題である。
さらに，唾液中に含まれる他の化学成分についても測定を目指し研究を展開していきたいと考えている。
［成果の発表，論文等］
荒川貴博，黒木祐輔，仁田大揮，張志偉，戸本佳佑，
當麻浩司，竹内周平，関田俊明，水口俊介，三林，浩二，口腔内グルコース計測のためのマウスガード型バイオセンサの開発，第 33 回「センサ・マイク
ロマシンと応用システム」シンポジウム，平戸，

図6

生体を模したファントムを用いた人工唾液に対するグルコースセンサの応答特性― 4 ―2017 年 10 月 24〜26 日