生体適合性材料

バイオ・ソフトマテリアル研究の最前線

導電性ポリマー

生体信号計測生体信号計測に向けた導電性複合材料
近年，健康への関心が高まるにつれ，病気の診断や予防，生活習慣の改善のための生体情報モニタリング技術が注目されています．NTT物性科学
基礎研究所では，さまざまな生体適合性の基材に導電性樹脂を塗布・混合することで，生体組織に直接張り付けて生体信号を高感度に検出できる複合素材の研究開発に取り組んでいます．本稿では，導電性樹脂の一種であるPEDOT:PSSとシルクなどの複合材料を電極として用い，皮膚や生体内組織に貼り付ける生体信号計測に向けた導電性シルク基板について紹介します．

生体信号モニタリング

高分子電解質PSSが複合化した構造からなり，酸化インジウム錫（ITO）て し ま

てつひこ

なかしまひろし

手島 哲彦
中島

つ か だ

し ん ご/塚田 信吾

寛NTT物性科学基礎研究所

導電性シルク繊維

近年，重篤な健康障害に対するリスの代替材料として，タッチパネルやPEDOT:PSSは高親水性を有するクの軽減を目的とした，疾病の早期診ディスプレイの透明電極などに工業的ため，単体では湿潤環境下でゲル状に断 ・ 早期治療の重要性が増していまに広く使用されています．私たちは，膨潤します．そのため機械的強度の低す．特に心臓発作や不整脈などの心疾

この高分子が有する高い親水性と生体下や耐水性 ・ 加工性の面で課題があ患の予防に向けた心拍 ・ 心電波形計測

適合性を活かして，神経細胞の活動電り，その用途が制限されていました．

への関心は非常に高く，日常的なモニ位を計測する電極や脳内に直接埋植す

そこで私たちは，PEDOT:PSSを基タリング技術の確立が急務となってい（1）る電極の研究に取り組んできました ．

材となるシルク繊維表面に薄く均一にます．
従来の心拍 ・ 心電波形計測では，本稿では，PEDOT:PSSと繊維など塗布して固定化する手法を確立するこ金属電極や金属メッキ繊維が広く用いの基材との複合素材を新たな生体電極とで上記課題を克服しました（2）．表面られてきました．しかし，これらの金として用い，金属電極や電解質ペースにPEDOT:PSSが広範囲かつ均一に属材料を用いた電極は，柔軟性に乏しトを使用しない生体信号計測技術につ固定化されたシルク繊維を図 1（a）にいため取得される生体信号のノイズがいて紹介します．

示します．シルク繊維に導電性が付与大きくなってしまうだけでなく，生体適合性が低いため金属アレルギーが発症する懸念が持たれていました．また

PEDOT:PSS/シルク（電解質ペーストなし）

医療用の電極では，電解質ペーストを介して電極部を皮膚に接触させる必要今回の技術

市販医療用電極（電解質ペーストあり）があり，皮膚上でかぶれやかゆみを誘発しやすく，長時間の使用には不適な市販銀コート繊維点もありました．そこでNTT物性科
学 基 礎 研 究 所 で は，湿 潤 環 境 に おいて安定で生体毒性のない導電性
高 分 子 で あ る，PEDOT:PSS〔poly（3,4-ethylenedioxythiophene）poly（styrenesulfonate）〕に着目しました．
PEDOT:PSSは，良好な導電特性を示すπ共役系導電性高分子PEDOTと36

NTT技術ジャーナル 2016.6

呼吸性の体動により基線が動揺している

20μm（a） 光学顕微鏡像（上）と電子顕微鏡像（下）

図1（b） 導電性複合繊維の生体電極を用いたラットの心電波形計測

PEDOT:PSS/シルク複合素材

特 集されたため，繊維 1 本レベルでの微細構造が明確に観察することができます．また，本複合電極素材を用いて実験動物の心電波形を計測したところ（図 1（b）），PEDOT:PSS/シルク電極
では医療用電極に匹敵する心電波形を計測できることが示されました．
一方，
銀メッキナイロン製の電極を用いた場
合は，体表面と繊維電極との接触を保つことが難しく，呼吸性の体動により基線の動揺が発生し，安定した心電波形計測が困難でした．これは従来の銀メッキナイロン製の電極素材が撥水表（a） 銀メッキナイロン製の電極素材

図₂（b） PEDOT:PSS/繊維複合素材

銀メッキナイロン製の電極素材と複合電極素材面を持つことに対し（図 ₂（a）），複合電極素材は水分を繊維内に速やかに吸収する高親水性の特性を有するため（図 2（b）），皮膚から出る汗や水蒸気を吸収して柔軟性と密着性が増し，安定な計測を可能にしていると考えられます．本技術で確立したPEDOT:PSSの塗布技術は，基材の種類をシルク繊維に限定せず，ポリエステルやナイロンなどのさまざまな糸 ・ 布状繊維への塗布に適用が可能です．

（a） 可溶化したシルクフィブロイン
タンパク質（b） 微細加工により作製したPEDOT:PSS/シルク複合素材による薄膜電極

導電性シルクゲル電極
私たちは，電極素材の適用範囲を広げるため，基材となるシルク繊維を可溶化し，多様な形状に成型する技術の開発に取り組んでいます．この技術では，シルク繊維を化学的処理して得られるフィブロインタンパク質の溶液を（c） 電極表面に培養された接着性細胞のハンドリング

図₃

多様な形状に成型する技術用いるため（図 ₃（a）），シルクの持つ生体適合性と親水性を保持したまま，ファイバ以外のさまざまな形状に容易パク質のゲル化処理を施すことで任意うな導電性を有する微小なゲル薄膜電に加工することが可能となります．の形状の導電性シルクゲル電極を作製極を作製しています．この薄膜電極はこのフィブロインタンパク質溶液とできるようになりました．さらに，細さまざまな接着性細胞の形態や機能にPEDOT:PSSはともに水溶性である胞の電気的な計測を行うインタフェー

応じた任意の形状加工が可能であり，ため，互いによく混合分散し，混合後スを作製するため，フォトリソグラ細胞が電極表面を引っ張る張力にも負にアルコールによるフィブロインタンフィ技術を用いて，図 3（b）に示すよけない高い堅牢性を有します．この表NTT技術ジャーナル 2016.637

バイオ・ソフトマテリアル研究の最前線

面に細胞を培養することで，細胞の形

験時に破断することなく，高い柔軟性R波のピーク数から心拍数が算出され態を維持した状態で，細胞の回収や移と伸縮性を示します．この電極を実際ます．電解質ペーストがなくてもイン植などのハンドリング操作が可能となに実験動物の頭蓋骨下に刺入したとこ

ナー中の電極部分が身体に密着し，ほりました（図 3（c））．また，シルクゲろ，脳組織に損傷をきたすことなく留

ぼノイズレスで長時間にわたる安定計

ル薄膜電極中に外部から電極を刺入置され，長期にわたって脳内電気信号測が実現可能となりました．

し，薄膜全体に電圧を印加することがの取得に有効であることが実証されま

生体電極の肌への密着性や保湿性をできます．これにより薄膜上の細胞にした．シルクゲル薄膜電極は細胞毒性さらに改善するために，基材の繊維径発現する電位依存性チャネルタンパクがなく，体内でも導電性の変化が少なを微小化したナノファイバを用い，質を特異的に電気刺激し，細胞を活性く安定であるため，本電極を用いて心PEDOT:PSSと複合化した機能素材化できることを確認しました．今後，臓などの激しく拍動する組織表面にも“hitoeⓇ ” を東レ株式会社と共同開発

ゲル薄膜電極を用いて，細胞単体ある安定的に接着する構造の最適化に取りしました．ナノファイバは繊維径約いは細胞集合体の活動電位計測に取り組んでいます（図 4（b））．

700 nmの超極細繊維からなり，繊維組んでいく予定です．
一方，基材となる材料に光硬化性ゲルを添加することで，光照射により生体信号計測用インナーの開発とhitoeⓇの実用化

間隙にPEDOT:PSSを高含浸した連続層から構成されています（図 5（b））．
超極細繊維は皮膚との接触面積と保湿大きな形状のシルクゲル電極構造を私たちは，導電性シルク繊維の繊維効果を増大させるため，検出される生作製することも可能です．図 4（a）は，状形態を活かし，着るだけで心拍や心体電気信号の感度が大幅に向上しましシルクゲル薄膜上にPEDOT:PSSを電波形の信号を計測できるインナーをた．さらに電極の配置や着圧の制御，ドットアレイ化した，親水性や生体適開発しました．インナーの内側には，衣料一体化に適した配線，発汗や雨な合性が高く，極めて柔軟なマテリアル

図 5（a）のように体表面での 2 点間のどによる短絡防止構造など，必要な要だけからなるドットアレイ電極素材の電位差を計測する生体電極部が配置し素技術を統合することで高機能化を実例です．光照射時に素材を充填する鋳てあり，ノイズレベルの低い良好な生現しました．

型の形状を変えることで，ファイバや体信号の取得が可能です．得られた

すでにhitoeⓇ を用いた生体信号計測吸盤構造など，用途や接着部位に応じ

デ ー タ は 送 信 機 か らBluetoothで ス

用インナーは，株式会社ゴールドウイ

た，任意の三次元形状を持つ生体内埋マートフォンに送信される仕組みとンとNTTドコモの協力により，運動植ゲル電極の造形が可能となりましなっています．図 5（a） の心電波形

時の身体への負荷をモニタリングする

た．作製したゲル電極は高い粘弾性特の例では，鮮明なQRS波とともに，心拍測定ウェアとしてサービスを実施

性により，大気中 ・ 水中ともに引張試その前後のP/T波も明瞭に識別でき，しています．スポーツ時の心拍データを走行距離や消費カロリーと組み合わせることで，運動時のパフォーマンス向上やトレーニング管理に役立つと期待されています．加えて，hitoeⓇを用いた体調モニタリングの実証試験として，危険作業従事者や長距離バ
ス ・ トラック運転手，夜間の一人作業者などの労務管理ツール，あるいは熱（a） シルクゲル薄膜上のドットアレイ電極

図438（b） 三次元構造体へのシルクゲル薄膜電極の貼り付け

大きな形状のシルクゲル電極構造NTT技術ジャーナル 2016.6

中症のような作業中の事故の予防をサポートする安全管理ウェアとしての展開も今後想定しています．

特 集の設計を開始しています．今後は，より組織に安定的に吸着し，単一組織に小型送信端末
Bluetooth配線

74 bpmR波
心電波形（−）P波

T波

心拍数（＋）（GND）

Q波

おける多点での信号を計測可能な生体内埋植電極の開発と，得られた生体信号から生体内の深層情報の基礎的知見S波の獲得をめざしています．

接触不良アラート

生体インタフェース■参考文献（a） 小型無線送信機を搭載したウェアラブル生体電極インナー｢繊維導電化新技術｣｢ナノファイバ素材｣

導電性高分子（1） T. Nyberg, A. Shimada, and K. Torimitsu: “Ion
Conducting Polymer Microelectrodes forInterfacing with Neural Networks,” J. Neurosci.
Meth., Vol.1₆0, No.1, pp.1₆-25, 2007.
（2） S. Tsukada, H. Nakashima, and K. Torimitsu:“Conductive Polymer Combined Silk Fiber
Bundle for Bioelectrical Signal Recording,”
PLoS ONE, Vol.7, No.4, p.e33₆₈₉, 2012.

｢先端高次加工技術｣
ポリ（ 3 , 4 -エチレンジオキシチオフェン）-ポリ（スチレンスルホン酸）
一般衣料向けPET（15 μm）

繊維径：700 nm
導電性高分子（PEDOT:PSS）

PETナノファイバ（700 nm）

皮膚皮膚（b） 機能素材hitoe®の基盤技術

図₅

生体信号計測用インナーの開発とhitoe Ⓡ の実用化

今後の展開ります．
一方，シルクを可溶化することで任正確な生体信号計測を行うために意の形状のPEDOT:PSS/シルク複合

は，電 極 素 子 が 目 的 の 生 体 組 織 に電極を作製することにも成功していま常時密着している必要があります．

す．その技術を利用すれば，細胞の電私 たちが研究開発を行っている

位計測のためのマイクロメートルサイ

PEDOT:PSS/シルク複合材料は，高ズの電極素子から，脳などの組織に埋い導電性を有し，生体適合性と柔軟性め込む形状でのゲル電極まで作製するに優れており，皮膚や生体内組織に貼ことができます．シルク繊維を溶剤化り付けた状態でも長期間安定的に生体することで，導電性をより向上させる信号を計測することが可能です．
また，エチレングリコールなどの添加剤や，ウェアラブル生体電極インナーでは，細胞の分化や成長促進を誘導する物質

着用するだけで着用者に負担をかけるを自由に混合できるため，用途に応じことなく，長時間にわたり心拍 ・ 心電た細胞 ・ 組織とのインタフェースの作波形を高精度に計測することができ，製が可能となります．現在はこの技術

平常時，運動時，睡眠時を問わずに自をさらに発展させ，形状がより複雑で身の健康管理を行うことが可能とな多電極化された三次元構造の電極素子（左から）塚田 信吾/ 手島 哲彦/
中島寛

PEDOT:PSS/シルク複合材料はその生体適合性の高さから，皮膚だけでなくさまざまな生体組織に密着し生体信号を計測する技術の検討がなされています．今後，いち早く心臓などの生体内埋植デバイスを実現し，治療や診断技術の進歩に貢献できるよう，研究開発を推進していきます．

◆問い合わせ先NTT物性科学基礎研究所
機能物質科学研究部
TEL ₀4₆-₂4₀-₂₇1₅
FAX ₀4₆-₂₇₀-₂₃₆4
E-mail teshima.tetsuhikolab.ntt.co.jp

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