ПОВЯЗКА НА КОЖУ С ЭЛЕКТРОДАМИ И ПРЕДШЕСТВЕННИКОМ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНОГО ВЕЩЕСТВА
SKIN DRESSING WITH ELECTRODES AND PRECURSOR OF PHYSIOLOGICALLY ACTIVE SUBSTANCE

Область техники
Настоящее изобретение относится к повязке на кожу для лечения кожи человека или животного, или области раны.
Предпосылки создания изобретения и уровень техники
Доставка физиологически или противомикробно активных химических соединений для предоставления медицинской помощи области на коже, например, ране, представляет постоянный интерес.
Подходящим путем доставки является доставка через повязку на кожу, обычно упакованную и доступную для использования конечным пользователем для непосредственного местного применения при необходимости.
Однако большому количеству физиологически или противомикробно активных химических соединений затруднительно оказывать воздействие через такую повязку на кожу. Определенные трудности возникают, если активные соединения являются высокореактивными и, следовательно, неустойчивыми с коротким сроком годности.
Одним способом преодоления этой проблемы реактивности является генерирование физиологически активных соединений в повязке незадолго до или во время применения повязки на кожу. Таким образом, устойчивые материалы-предшественники преобразовываются в реактивные материалы, только если они необходимы.
В документе WO 03/090800 раскрывается повязка на кожу, где перекись водорода генерируется внутри повязки посредством действия фермента и атмосферного кислорода.
В документе WO 2006/095193 раскрывается повязка на кожу, в которой при применении генерируется реактивная и неустойчивая окись азота.
Однако одной проблемой данного подхода является то, что повязка обычно бывает более сложной, чем широко используемые неактивные повязки, зачастую требуя, чтобы отдельные компоненты были объединены в момент применения. Необходимость в доступности кислорода для фермента является другой проблемой, особенно если повязка, содержащая ферменты, покрывается защитной пленкой или внешней оболочкой.
Следовательно, крайне необходимо разработать повязку на кожу, которая способна доставлять реактивные физиологически активные соединения и является более удобной для применения.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к повязке на кожу, включающей первый и второй электроды, источник электропитания, не соединенный электрически либо с одним, либо с обоими первым и вторым электродами, а также, включающей предшественник физиологически или противомикробно активного вещества, при этом повязка активируется при помещении на область кожи, которая должна быть вылечена, посредством соединения с источником электропитания обоих первого и второго электродов, тем самым запуская электрохимическое окисление или восстановление вещества-предшественника на одном из электродов для производства физиологически активного окисленного или восстановленного вещества, которое способно диффундировать в направлении области кожи для ее лечения.
Таким образом, повязка на кожу остается в неактивном и устойчивом состоянии с не соединенными электрически друг с другом электродами и веществом-предшественником, готовым к преобразованию при применении. При необходимости использования повязки осуществляется электрическое соединение, которое начинает электрохимическое преобразование предшественника в физиологически или противомикробно активные химические соединения. После производства активные соединения затем диффундируют или иным образом переносятся на область кожи, которая должна быть вылечена.
Таким образом, настоящее изобретение заинтересовано в генерировании физиологически или противомикробно активных химических соединений только при применении, а также достигает этого с большей надежностью, регулированием и гибкостью.
В основном электроды являются пластинчатыми и главным образом планарными. Электроды предпочтительно имеют толщину менее 1,0 мм, а предпочтительнее менее 0,5 мм.
Электроды предпочтительно являются копланарными для гарантирования того, что электрохимическое производство активных агентов фокусируется внутри зоны повязки, из которой может осуществляется управление диффузией внутрь кожи или области раны.
В предпочтительном варианте осуществления электроды печатаются на отдельном листе материала. Это расположение позволяет улучшить массовый производственный процесс посредством печати нескольких электродов на непрерывном листе для обработки с рулона на рулон.
В основном противомикробно или физиологически активные химические соединения генерируются либо только на катоде, либо только на аноде. Следовательно, как правило, необходимо оптимизировать геометрию электрода для гарантирования того, что противомикробно или физиологически активные химические соединения будут произведены равномерно по всей поверхности электрода-генератора внутрь необходимой области активности.
Таким образом, соотношение площади поверхности первого электрода и второго электрода предпочтительно составляет по меньшей мере 2:1, предпочтительнее по меньшей мере 4:1, еще предпочтительнее по меньшей мере 8:1. Это предоставляет большую площадь поверхности для электрода, на котором генерируется противомикробно или физиологически активные химические соединения.
В предпочтительном случае, когда электроды являются копланарными и один электрод имеет большую площадь поверхности, чем другой, гарантирование того, что достаточное количество тока проходит через всю площадь большего электрода, становится проблемой. Если не будут приняты меры по распространению электрического тока через больший электрод, то будет присутствовать неравномерный электрический потенциал на поверхности электрода, приводя к неравномерному генерированию противомикробно или физиологически активных химических соединений.
Один способ, в котором может быть осуществлен хороший электрический контакт между двумя копланарными электродами, заключается в расположении одного электрода таким образом, чтобы главным образом окружать другой электрод. Было обнаружено, что это может быть достигнуто независимо от того, является ли электродом, который окружен, электрод с большей площадью поверхности или нет.
Также необходимо, чтобы электроды были спроектированы таким образом, чтобы они могли быть подрезаны пользователем до формы и размера, соответствующих форме и размеру области раны или кожи, например, посредством подрезания с использованием лезвия или ножниц, и все еще функционировать в качестве электродов со свободным потоком электронов между ними. Однако, если один электрод главным образом окружает другой электрод, то возможно, что такое подрезание пропорционально приведет к удалению одного электрода, больше чем другого, и может иметь чрезвычайно вредное влияние на функциональность цепи.
Один способ, посредством которого может быть достигнуто такое подрезание без разрушения целостности и баланса остальных элементов, заключается в предоставлении электрода, имеющего меньшую площадь поверхности в форме нескольких полос или элементов, которые располагаются, распространяясь друг от друга. Таким образом, даже, если одна полоса или элемент полностью удаляются, то по меньшей мере один останется неповрежденным, соединенный с источником питания со сбалансированной связью со своей предоставленной ответной частью, он распространяется от того, который был поврежден при подрезании.
Несмотря на то, что металлические электроды предоставляют эффективную электрическую цепь с наименьшим сопротивлением, было обнаружено, что это неприемлемо, поскольку такие электроды могут подвергаться коррозии. Следовательно, было обнаружено, что по сравнению с металлическими электродами предпочтительными являются неметаллические электроды, даже со своей сниженной электропроводимостью. Более того, сниженная электропроводимость является преимущественной для замедления электрохимической реакции, так что противомикробно или физиологически активные химические соединения могут доставляться с оптимизированной скоростью в течение более длительного периода времени. Таким образом, электроды предпочтительно являются неметаллическими, например, изготовленными из углерода, хотя возможным является широкий спектр неметаллических материалов.
В одном предпочтительном варианте осуществления составом-предшественником является йодистая соль. Когда электроды электрически соединяются друг с другом отрицательно заряженные йодид-ионы (анионы) перемещаются на положительно заряженный рабочий электрод. Йодид отдает электрон и окисляется до йода. Йод является широко известным физиологически активным составом и сильным противомикробным агентом.
4
2
8
2-
2-
В другом предпочтительном варианте осуществления составом-предшественником является сульфатная (SO) соль. Когда электроды электрически соединяются друг с другом отрицательно заряженные сульфат-ионы (анионы) перемещаются на положительно заряженные рабочие электроды. Там они затем отдают электрон и окисляются до пероксодисульфата (SO). Пероксодисульфат самопроизвольно разлагается с образованием перекиси водорода, сильнодействующего и реактивного физиологического и противомикробного агента.
Разность потенциалов, приложенная к электродам, зависит от окислительно-восстановительного потенциала соединений, окисленных или восстановленных. Например, при окислении йодида потенциал должен превышать +0,55 В, а при окислении сульфата потенциал должен предпочтительно превышать 2,0 В.
На практике приложенное напряжение будет превышать минимальное значение для обеспечения надлежащей кинетики для реакции. Таким образом, предпочтительно прилагаются напряжения от 1 до 10 вольт, а предпочтительнее прилагаются напряжения от 2 до 5 вольт.
Повязка на кожу обычно упаковывается для оптимальной эффективности перед применением, например, запечатывается в подходящие стерильные водонепроницаемые упаковки, например, из многослойной алюминиевой фольги.
После распаковки и применения повязки осуществляется электрическое соединение между двумя электродами. В одном конкретном подходящем варианте осуществления соединение осуществляется посредством удаления изоляционной наклейки. Удаление наклейки может осуществляться посредством самостоятельного действия пользователя, или оно может быть вызвано извлечением повязки на кожу из ее упаковки.
Повязка на кожу также включает слой, контактирующий с кожей, который действует в качестве диффузионной среды для произведенных активных соединений и источника вещества-предшественника, а также физически отделяет электроды от кожи или поверхности раны.
В основном электроды будут находиться на верхней части или заключены внутри слоя, контактирующего с кожей.
Компоненты слоя, контактирующего с кожей, изготавливаются из материала, который может быть дозирован в качестве липкого элемента, в форме листа (или пленки), или в качестве аморфного геля (например, который может быть выдавлен из дозатора) и который останется на месте при применении к целевой области (например, ране или области кожи).
Форма слоя, контактирующего с кожей, может быть выбрана для соответствия предполагаемому использованию, например, компонент в целях удобства принимает форму листа, слоя или пленки. Слой или пленка обычно имеют толщину в диапазоне от 0,01 до 2,0 мм, предпочтительно в диапазоне от 0,05 до 1,0 мм.
Слой, контактирующий с кожей, обычно находится в гидратированном состоянии, что означает, что он содержит достаточное количество воды для формирования электрохимической цепи и для диффузии сгенерированных активных соединений через свою структуру по направлению к цели, например, ране или коже.
Кроме того, повязка на кожу предоставляет источник влаги, который при применении может действовать таким образом, чтобы сохранять среду внутри целевой области раны преимущественно влажной.
Материал слоя, контактирующего с кожей, может иметь форму гидрогеля, губки, пены или некоторую другую форму гидрофильного раствора, который может содержать достаточное количество воды для обеспечения регулируемого диффузионного пути от электродов по направлению к целевой области.
Слой, контактирующий с кожей, может управлять скоростями потока активных соединений различными способами, включая выбор его физических размеров (особенно глубину, воздействующую на расстояние диффузионного пути), его протяженности перекрестного сшивания (воздействующую на скорость диффузии раствора), его влагосодержания (меньшее количество воды вызывает более медленную скорость диффузии), его состава (где группы, связывающие иммобилизованный водород, замедляют перемещение перекиси водорода) и/или его архитектуры поверхности на границе с целевой областью, например, областью раны, и/или на границе с верхним компонентом (воздействующим на площадь контактной поверхности и, следовательно, скорость передачи в или из нижнего компонента), например, он может иметь фасонную (возможно гофрированную) поверхность.
Кожа или рана обычно находится в непосредственном контакте со слоем, контактирующим с кожей. Слой, контактирующий с кожей, предпочтительно имеющий форму гидратированного гидрогеля, как обсуждено ниже, может (в зависимости от своего химического состава) действовать таким образом, чтобы поглощать воду и другие материалы, выделяющиеся из области раны, позволяя повязке выполнять важную и полезную функцию удаления таких материалов из области раны.
Слой, контактирующий с кожей, в качестве альтернативы может иметь форму аморфного геля или лосьона, предпочтительно гидрогеля, не имеющего фиксированной формы или очертания, который может быть деформирован или сформирован в трех измерениях, включая выдавливание через насадку. Аморфные гели обычно не являются перекрестно сшитыми или имеют низкие уровни перекрестного сшивания. Может быть использован псевдопластичный аморфный гель. Такой гель становится жидкостью под воздействием напряжения сдвига (например, при разливе или выдавливании через насадку), но затвердевает при статическом состоянии. Таким образом, гель может иметь форму текучего или выдавливаемого компонента, который может быть дозирован, например, из сжимаемого тюбика или дозатора в виде шприца, включающего поршень и цилиндр, обычно с насадкой, диаметр которой составляет приблизительно 3 мм. Такой гель может быть нанесен в форме поверхностного слоя или внутрь полости раны в качестве полностью прилегающего геля, который заполняет доступное пространство и контактирует с поверхностью раны.
Следующей альтернативной формой, посредством которой достигается такая функция, является плотный перекрестно сшитый гель, который был измельчен для формирования прилегающей массы плотно размещенных рядом мелких частиц, которые держатся сплоченно в качестве аморфного твердого вещества, сохраняющего общие свойства частиц, из которых оно было сформировано.
Этот подход находит конкретное применение в лечении полых ран, например, посредством выдавливания из тюбика или шприца. После того, как соответствующая масса аморфного геля была помещена в полость, внутрь геля вводится тонкий электрод в сборе. Батарея соединяется с пленкой покрытия, посредством которой закрывается вход в полость. После размещения на месте цепь замыкается посредством осуществления электрического соединения между батареей и электродом. В качестве альтернативы аморфный гель может быть подан в форме болюса, содержащегося внутри пористого «чулка» с уже собранными и установленными на месте электродом, батареей и пленкой покрытия.
Также материалы могут иметь форму сухой веревки или ленты, собранной вместе с электрическими компонентами, готовыми для помещения внутрь полости. При смачивании верхнего компонента, например, посредством преднамеренного добавления воды, материал становится гидратированным и приобретает способность проводить электрический ток. Например, если гель включает йодид-ионы, то прохождение тока приведет к образованию йода внутри геля.
2
Типичным примером составом аморфного гидратированного гидрогеля является следующее: 15% вес/вес AMPS (натриевой соли), 5% вес/вес глюкозы, 0,05% вес/вес йодида калия, 0,1% молочнокислого цинка, 0,19% полиэтиленгликольдиакрилата и 0,01% гидроксициклогексилбензофенона с доведенным до 100% объемом с использованием химически чистой деионизированной воды. Реагенты тщательно смешиваются и растворяются, а затем полимеризируются в течение 30-60 секунд с использованием UV-A лампы, обеспечивающей приблизительно 100 мВт/см, для формирования необходимого гидрогеля. Он может иметь форму плоского листа или для большего удобства может быть помещен в пластмассовые шприцы. Затем аморфный гель может быть дозирован из шприца внутрь целевой области.
Гидратированный гидрогель означает один или несколько водных гелей или гелей на основе воды в гидратированной форме. Гидратированный гель может действовать таким образом, чтобы поглощать воду и другие материалы, выделяющиеся из области раны, позволяя повязке выполнять важную и полезную функцию удаления таких материалов из области раны. Наличие глюкозы также повышает осмотическую силу геля, помогая ему впитывать жидкость из раны, а также предоставляя источник энергии для клеток, задействованных в заживлении раны. Гидратированный гидрогель также предоставляет источник влаги, который может действовать таким образом, чтобы сохранять область раны влажной, способствуя заживлению. Гидратированный гидрогель также действует в качестве источника воды, способствуя высвобождению перекиси водорода. Использование гидратированного гидрогеля также имеет другие преимущества, как указано в WO 03/090800.
Подходящие гидратированные гидрогели раскрываются в WO 03/090800. Гидратированный гидрогель в целях удобства включает гидрофильный полимерный материал. Подходящие гидрофильные полимерные материалы включают полиакрилаты и метакрилаты, например, имеющиеся в продаже в форме фирменных листовых гидрогелевых повязок, включающих поли 2-акриламидо-2-метилпропансульфокислоту (поли AMPS) или ее соли (например, как описано в WO 01/96422), полисахариды, например, полисахаридные смолы, в частности, ксантановую смолу (например, доступную под торговой маркой Keltrol), различные сахара, поликарбоновые кислоты (например, доступные под торговой маркой Gantrez AN-169 BF компании ISP Europe), сополимер метилвинилового эфира, совместный и малеинового ангидрида) (например, доступный под торговой маркой Gantrez AN 139, имеющий молекулярную массу в диапазоне от 20000 до 40000), поливинилпирролидон (например, в форме имеющихся в продаже сортов, известных как PVP K-30 и PVP K-90), полиэтиленоксид (например, доступный под торговой маркой Polyox WSR-301), поливиниловый спирт (например, доступный под торговой маркой Elvanol), перекрестно сшитый полиакрилатный полимер (например, доступный под торговой маркой Carbopol EZ-1), целлюлозу и модифицированную целлюлозу, включающую гидроксипропилцеллюлозу (например, доступную под торговой маркой Klucel EEF), натриевую карбоксиметилцеллюлозу (например, доступную под торговой маркой Cellulose Gum 7LF) и гидроксиэтилцеллюлозу (например, доступную под торговой маркой Natrosol 250 LR).
Смеси гидрофильных полимерных материалов могут быть использованы в геле.
В гидратированном гидрогеле гидрофильного полимерного материала гидрофильный полимерный материал ожидаемо содержится в концентрации, составляющей по меньшей мере 1%, предпочтительно по меньшей мере 2%, предпочтительнее по меньшей мере 5%, еще предпочтительнее по меньшей мере 10% или по меньшей мере 20%, желательно по меньшей мере 25%, а более желательно по меньшей мере 30% по весу на основе общего веса геля. Даже большие количества приблизительно до 40% по весу на основе общего веса геля могут быть использованы.
Предпочтительный гидратированный гидрогель включает поли 2-акриламидо-2-метилпропансульфокислоту (поли AMPS) или ее соли, предпочтительно в размере приблизительно 30% по весу общего веса геля.
Слой, контактирующий с кожей, может быть изготовлен известными способами. Он предпочтительно изготавливается посредством полимеризации мономера AMPS, растворенного в количестве приблизительно 40% вес/объем в растворе, которому придали значение pH, составляющее приблизительно 5,5, содержащем любые дополнительные ингредиенты, необходимые для управления скоростью передачи или реакции окисленного или восстановленного химического вещества, такого как йод. Как правило, концентрация йодида должна составлять приблизительно 0,01-0,2% вес/объем. Если необходим более сильный противомикробный эффект, тогда уровень йодида должен составлять от приблизительно 0,05% до приблизительно 0,2% вес/объем наряду с повышенным приложенным напряжением (например, 5,0 вольт). Способы изготовления этого материала являются такими же, как описано в патенте № ЕР 1631328.
Кроме того, повязка может включать один или несколько других активных ингредиентов, таких как ионы цинка, как раскрыто в WO 2004/108917. Ионы цинка известны тем, что являются важным пищевым микроэлементом с рядом функций в росте и восстановлении живых тканей.
Лактат-ионы могут быть включены в повязку на кожу. Лактат-ионы имеют мягкий буферный эффект внутри системы доставки. Полагается, что лактат-ионы также играют важную роль в стимулировании ангиогенеза - росте и регенерации новых кровеносных сосудов.
Предпочтительно в повязку на кожу включается источник глюкозы. В дополнение к ее роли в качестве дыхательного вещества, полагается, что глюкоза участвует (в качестве предшественника в процессе обмена веществ) в построении полисахаридов различных типов, которые формируют внеклеточную матрицу (ЕСМ), существенную для восстановления и заживления тканей. Предпочтительные слои, контактирующие с кожей, такого типа раскрываются в заявке на европейский патент №04250508.1 и заявке на британский патент №0427444.5 заявителя.
В следующем уточнении повязка на кожу может также содержать измерительные средства для измерения концентрации конкретного маркера. Затем датчик может быть размещен для измерения, например, активности протеазы, pH или температуры. Более того, выход датчика может быть соединен с источником электропитания, по возможности изменяя напряжение источника питания в соответствии с уровнем обнаруженного маркера. Таким образом, если датчик обнаруживает инфекцию (например, из определенных образцов активности протеазы), то он может увеличить прилагаемое напряжение, которое, следовательно, увеличит, например, скорость генерирования йода.
Другой тип управляемой датчиком доставки йода может быть достигнут посредством датчика йода внутри повязки, так что напряжение соответственно снижается, если конкретная (т.е. оптимальная) концентрация йода была сгенерирована.
Изобретение будет далее проиллюстрировано лишь в качестве примера и со ссылкой на следующие фигуры, на которых:
на фиг. 1 изображено схематическое представление повязки на кожу в соответствии с изобретением.
На фиг. 2 изображено схематическое представление электродов и источника питания для использования в настоящем изобретении.
На фиг. 3 изображен график, демонстрирующий зависимость измеренного тока от времени для обнаружения йода с использованием хроноамперометрии в расположении в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 4 изображено представление конструкции 1 электрода в сборе, который имеет большую центральную область, используемую в качестве анода, с меньшей внешней дорожкой, используемой в качестве катода.
На фиг. 5 изображено представление конструкции 2 электрода в сборе, который имеет большую внешнюю область, используемую в качестве анода, с внутренними расходящимися веером дорожками, используемыми в качестве катода.
На фиг. 6 изображено схематическое представление базовой установки гидрогеля и электрода в сборе.
На фиг. 7 показаны изображения конструкции 1 электрода и конечного окрашенного гидрогеля из йодного образования при использовании.
На фиг. 8 изображены изображения конструкции 2 электрода и конечного окрашенного гидрогеля от йодного образования при использовании.
На фиг. 9 изображено другое изображение конечного цветного гидрогеля от йодного образования при использовании конструкции 2 электрода.
На фиг. 10 изображено представление конструкции 1 электрода и положений измерений электрического сопротивления по всей площади углеродного электрода относительно точки, помеченной как «X».
На фиг. 11 изображено представление конструкции 2 электрода и положений измерений электрического сопротивления по всей площади углеродного электрода относительно точки, помеченной как «2».
Обращаясь к фигурам, на фиг. 1 изображена повязка 10 на кожу, включающая слой 12, контактирующий с кожей, первый электрод 14, второй электрод 16 и батарею 18. Первый электрод 14 изготавливается из гибкого углерода и имеет толщину приблизительно 0,5 мм и квадратную форму. Второй электрод 16 подобен первому электроду 14, но занимает меньшую квадратную площадь.
Батарея 18 также является очень тонкой и имеет толщину приблизительно 0,5 мм и соединяется как с первым электродом 14, так и вторым электродом 16, но с изоляционной наклейкой (не показана), которая предотвращает электрическое соединение между электродами.
На практике повязка 10 на кожу удаляется из упаковки, которая также действует таким образом, чтобы удалять изоляционную наклейку (не изображена). Это создает электрическое соединение между электродами и устанавливает электрохимическую цепь.
Слой 12, контактирующий с кожей, содержит состав-предшественник, такой как йодид или сульфат, который окисляется электрохимически для производства физиологически активных соединений, таких как йод или перекись водорода, которые диффундируют через слой 12, контактирующий с кожей, на область на коже, которая должна быть вылечена.
На фиг. 2 более подробно изображены электроды 14, 16 вместе с их соединениями с источником 18 электропитания. Также изображена схема реакции, показывающая, как йодид электрохимически окисляется до йода, который далее также реагирует для формирования группы 26 трийодида, которая также является физиологически активной.
Примеры
Пример 1
Перекрестно сшитый полимерный гидрогель, содержащий йодид-ионы, был помещен на электрохимический датчик. Размеры гидрогеля составляли приблизительно 5 см × 5 см × 0,25 см. Электрохимический датчик имел конструкцию из 3 электродов, сконструированную из 3 углеродных дорожек, изготовленных методом трафаретной печати, с большим интегрирующим электродом, небольшим рабочим электродом (диаметром приблизительно 2 мм) и серебряным/хлорсеребряным электродом сравнения. Датчик был соединен с потенциостатом Ezescan (Whistonbrook Technologies, Лутон, Великобритания) и запущен с использованием прилагаемого программного обеспечения Ezescan.
Два углеродных электрода, изготовленных методом трафаретной печати, были помещены на верхнюю поверхность подвергающегося воздействию гидрогеля, при этом один электрод, использующийся в качестве анода, был размещен непосредственно над рабочим электродом на электрохимическом датчике. Катод был помещен рядом с анодом, но не соприкасаясь с ним. Углеродные электроды анода и катода были соединены с батареями для предоставления 1, 5, 3 или 5 вольт. Обнаружение молекулярного йода было выполнено на рабочем электроде электрохимического датчика с использованием хроноамперометрии с потенциалом в равновесии в -100 мВ относительно серебряного/хлорсеребряного электрода сравнения. После начала хроноамперометрического способа были включены батареи, а эксперимент был оставлен в рабочем состоянии на 1000 минут.
После приблизительно 450 минут батареи были отключены. Наличие йод на рабочем электроде, где йод восстанавливается до йодида, измеряется в качестве изменения тока. На фиг. 3 продемонстрированно измерение йода на рабочем электроде. Во всех случаях осуществлялось изменение тока, измерялся указывающий молекулярный йод, что в свою очередь подтверждает генерирование йода посредством электродов батареи на поверхности гидрогеля.
Наличие йода было визуально подтверждено там, где гидрогель имел насыщенную оранжевую/коричневую окраску под анодом и вокруг него. Наименьший пиковый ток был получен посредством наименьшего напряжения батареи, в то время как наибольший - был получен посредством напряжения батареи в 3 В. Батарея на 5 вольт дает пиковую концентрацию йода между наибольшим (3 В) и наименьшим (1,5 В) напряжениями. Полагается, что это происходит вследствие перепроизводства йода на аноде батареи, что приводит к загрязнению углеродной поверхности и снижению эффективности преобразования йодида в йод.
Пример 2
Четыре варианта гидрогеля было приготовлено с использованием сульфата натрия в количестве 50 миллимоль и pH, равным 7, 6, 5 и 4 (цитратный буфер). Напряжения в 2,5 В и 5 В были приложены к частям четырех вариантов гидрогеля через углеродный пленочный электрод на 15, 30, 45, 60 и 120 минут.
Тесты были проведены для каждого типа геля на каждом интервале времени для обнаружения наличия перекиси водорода посредством стандартного реагента йодистого крахмала. Аналогичные части геля также были протестированы с использованием кислородного электрода для обнаружения количества кислорода, растворенного в гидрогеле.
Результаты показали, что перекись водорода была произведена при приемлемой скорости во всех типах геля (т.е. при каждом из значений pH) и что количество постоянно увеличивалось в течение периода времени теста. Повышенные уровни кислорода были найдены в каждой протестированной части геля, и уровни достигали насыщения за более длительные периоды электрохимической реакции.
Пример 3
Йодид (например, йодид калия) будет подвержен окислению для формирования йода. При электрохимическом окислении это произойдет при потенциалах свыше приблизительно+400 мВ (относительно серебряного/хлорсеребряного электрода сравнения) в соответствии со следующим уравнением:
(электроны)
Окисление будет ускорено при увеличении потенциала. Генерирование йода посредством электрохимического окисления йодида было продемонстрировано с использованием системы графитовых/сажевых электродов.
В общем два электрода, которые действуют в качестве анода и катода, были размещены на гидрогеле, содержащем йодид, и был приложен потенциал в+3,2 В. Йод был сгенерирован на аноде, как видно из изменения окраски с бесцветной (йодид) на оранжевую (йод).
Подробнее, электроды двух конкретных конструкций (Archimed LLP) были трафаретно напечатаны на полиэфире, распространяемом Jaybee Graphics Ltd, с использованием электропроводящей углеродной пасты (Acheson Electrodaq 423SS). Площадь поверхности анода превышала площадь поверхности катода для увеличения площади генерирования йода. См. фиг. 4 и 5.
Отдельные электроды в сборе (состоящие из анода и катода) были помещены на гидрогель, содержащий йодид, (например, противомикробную повязку на рану Iodozyme™ (Archimed LLP)) в центральном положении, при этом углерод контактировал с поверхностью гидрогеля. Блоки батарей, содержащие 2 гальванических элемента типоразмера АА на 1,6 В каждая (следовательно, в общем на 3,2 В), были установлены на аноде и катоде согласно обоим примерам и включены. См. фиг. 6, где 2 гальванических элемента 30 на 1,6 В каждая соединяются с электродом 32 в сборе на верхней части гидрогеля 34. Блоки 30 батарей были оставлены подключенными на 3 часа перед удалением. Электроды в сборе были удалены, и было рассмотрено образование йода.
На фиг. 7 показано изображение конструкции 1 электрода 40 вместе с гидрогелем 42, с которым он контактировал при использовании. Видно, что возникло равномерное генерирование йода вдоль всей площади поверхности большого анода на участке 44. Йодид был окислен на поверхности углеродного электрода посредством передачи электронов из молекул йодида на положительно заряженный анод.
На фиг. 8 показано изображение конструкции 2 электрода 50 вместе с гидрогелем 52, с которым он контактировал при использовании. Интересно, что образование йода было сильно выражено в качестве градиента с наибольшей концентрацией 54 йода рядом с точкой контакта анода с батареей и наиболее низкой концентрацией 56 йода в удаленных точках. Это объясняется при рассмотрении конструкции электрода в сборе. При использовании конструкции 1 электрода анод представляется в качестве непрерывной поверхности с катодом, размещенным вокруг внешнего края анода.
Таким образом, эта конструкция обеспечивает возможность равномерного течения тока по всей поверхности электрода, обеспечивая равномерное генерирование йода. При использовании конструкции 2 электрода анод является не непрерывной поверхностью с элементами катода, распределенными в промежутках внутри анода. Вследствие электрического сопротивления углеродных электродов, изготовленных методом трафаретной печати, (которое увеличивается с расстоянием) потенциал относительно клемм батареи снижается с увеличением расстояния от клемм батареи. Несмотря на то, что это является действительным для конструкции 1, измеренное расстояние в конструкции 2 может быть значительно большим, следовательно, этой конструкции электрода удалось продемонстрировать влияние расстояния на относительные потенциалы электрода и последующее снижение эффективности генерирования йода.
Кроме того, также было отмечено, что область контакта вблизи положения, где были осуществлены соединения батареи с электродом в сборе, производила локализованную область йода высокой концентрации, как видно из темно-оранжевого цвета (помеченного на фиг. 8 как 54). Это указывает на способность электрического тока проходить по пути меньшего сопротивления (т.е. рядом с точками соединения электрода), а также выбирать точку наибольшего потенциала (относительно остального электрода). Оба этих фактора, следовательно, обеспечивают возможность наивысшего оборота йода по сравнению с общим электродом в сборе. Одним вызывающим интерес результатом этого наблюдения является улучшенная конструкция электрода, посредством чего появляется множество локальных «горячих точек» генерирования йода, таких как массив, который позволит улучшенную эффективность генерирования йода.
Было наглядно продемонстрировано, что распределенная конструкция вносит большие изменения существующего потенциала, которые влияют на окисление йода. На фиг. 8 продемонстрировано, насколько изменение потенциала, распространенного внутри электрода, меняет профиль генерирования йода. Для рассмотрения влияния нескольких точек соединения батареи с электродом в сборе, батарея была соединена с анодом в двух различных местах (вместо одного, как показано на фиг. 8) и после 3 часов распространение йода было оценено и сравнено с фиг. 8.
На фиг. 9 продемонстрировано влияние двух точек соединения, осуществленных относительно анода. На фигуре четко изображено, что две точки соединения улучшили генерирование йода по всей площади повязки. Это произошло вследствие увеличения локализированного потенциала вследствие снижения расстояния, которое должен был пройти ток через углерод анода для замыкания цепи. Посредством улучшения конструкции электрода было достигнуто очевидное улучшение в генерировании и распространении йода. Следовательно, было продемонстрировано, что конструкция электрода была изначально важна для достижения улучшенного распределения и концентрации йода.
Карта сопротивления электрода:
Конструкции 1 и 2 электрода были измерены на сопротивление через углеродные поверхности. Точки измерения показаны на фиг. 10 и 11.
При использовании конструкции 1 электрода (фиг. 10) сопротивление было измерено от точки, помеченной как «X».
В таблице 1 показаны значения сопротивления, измеренные от точки «X», изображенной на фиг. 10. Как может быть видно, за исключением точки 1 другие точки измерения почти подобны своими значениями сопротивления. Это объясняет, почему цвет йода, показанный на фиг. 7, является равномерным. Закон Ома гласит, что V=IR (где V = напряжению, I = току и R = сопротивлению), следовательно, если входное напряжение является постоянным (3,2 В от батарей) и все значения сопротивления являются подобными, тогда ток, проходящий через систему электродов, также будет относительно равномерным.
Значение сопротивления, измеренное от точки X до точки Y, было на удивление высоким и было равно 1680 Ом. Измеренное физическое расстояние равняется 2 см и при сравнении с картой, изображенной на фиг. 10, где ряд точек также находится на расстоянии 2 см, сопротивление является высоким. Была выполнена вторая карта сопротивления конструкции 1 электрода, но с использованием точки 1 в качестве опорной точки (смотреть таблицу 2).
Карта, показанная в таблице 2, наглядно демонстрирует значительно снизившееся сопротивление по всему электроду анода. Это происходит вследствие ограниченной природы тонкой углеродной ленты (от X до Y), которая в данный момент не является частью электрода. Это говорит о том, что наилучшая конструкция для электрода должна содержать большую площадь контакта с батареей (на аноде) для обеспечения как можно более низкого сопротивления.
При использовании конструкции 2 электрода была сконструирована подобная карта сопротивления. На фиг. 11 изображены точки, в которых были взяты измерения, при этом все они относятся к статическому положению, помеченному в качестве «2».
В таблице 3 показаны значения сопротивления через конструкцию 2 электрода. Даже не смотря на то, что общая опорная поверхность конструкции 1 и конструкции 2 электрода является подобной, карта сопротивления наглядно подчеркивает очень большие различия, замеченные вдоль электрода. Локализированная горячая точка йода (54 на фиг. 8) существовала вследствие низкого сопротивления, как было измерено в точке 3. В общем, поскольку сопротивление проходит приблизительно 3000 Ом (точки 14-20), то генерирование йода является очень низким, как видно на фиг. 8. Следовательно, это указывает на то, что катод, вставленный в анод, не обеспечивает равномерное протекание тока через всю площадь анода. Ключевые выводы из этой работы заключаются в следующем: Протекание тока через всю площадь анода должно быть настолько неограниченным, насколько это возможно. Точка соединения батареи с анодом электрода должна быть настолько большой и широкой, насколько это возможно. Для увеличения эффективности электрода в окислении йодида в йод сопротивление анода должно быть настолько низким, насколько это возможно. Конструкция электрода играет в этом важную роль.