Предпосылки изобретения
Биосенсоры, основанные на ферментах, представляют собой устройства, в которых сигнал биохимической реакции, зависящий от концентрации аналита, превращается в измеримый физический сигнал, например, оптический или электрический сигнал. Такие биосенсоры широко используются для определения аналитов в клинических, экологических, сельскохозяйственных и биотехнологических приложениях. Аналиты, которые могут быть измерены в клинических анализах жидкостей, включают в себя, например, глюкозу, лактат, холестерол, билирубин и аминокислоты. Определение аналитов в биологических жидкостях, таких как кровь, является важным для диагностики и мониторинга многих заболеваний.
Биосенсоры, которые определяют аналиты посредством электрических сигналов, например, постоянного тока (амперометрические биосенсоры) или заряда (кулонометрические биосенсоры), являются особо интересными по той причине, что перенос электрона вовлечен в биохимические реакции многих важных биоаналитов. Например, реакция глюкозы с глюкозоксидазой использует перенос электрона с глюкозы на фермент с образованием глюконолактона и восстановленного фермента. На примере амперометрического глюкозного биосенсора, глюкоза окисляется кислородом в жидкости тела посредством реакции, катализируемой глюкозоксидазой, которая образует глюконолактон и пероксид водорода, затем пероксид водорода электролитически окисляется и коррелирует с концентрацией глюкозы в жидкости тела.
Некоторые биосенсоры разработаны для имплантации в живое тело животного, например, млекопитающего, или тело человека, просто в качестве примера. В имплантируемом амперометрическом биосенсоре рабочий электрон обычно состоит из чувствительного слоя, который находится в прямом контакте с проводящим материалом электрода, и ограничивающего диффузию мембранного слоя поверх чувствительного слоя. Чувствительный слой обычно состоит из фермента, необязательного стабилизатора фермента, такого как бычий сывороточный альбумин (БСА), и сшивателя, который сшивает компоненты чувствительного слоя. Альтернативно, чувствительный слой состоит из фермента, полимерного окислительно-восстановительного посредника и сшивателя, который сшивает компоненты чувствительного слоя, как в случае с «wired-enzyme» биосенсорами.
В имплантируемом амперометрическом глюкозном сенсоре мембрана часто полезно бывает полезной или необходимой для регулирования или ограничения поступления глюкозы в чувствительный слой. Для объяснения, в глюкозном сенсоре без мембраны поступление глюкозы в чувствительный слой увеличивается линейно в зависимости от концентрации глюкозы. Когда потреблена вся глюкоза, достигшая чувствительного слоя, измеренный выходной сигнал линейно пропорционален поступлению глюкозы и, таким образом, концентрации глюкозы. Однако когда потребление глюкозы ограничено скоростью одной или нескольких химических или электрохимических реакций в чувствительном слое, измеренный выходной сигнал более не контролируется поступлением глюкозы и более линейно не пропорционален поступлению или концентрации глюкозы. В этом случае только фракция глюкозы, достигающая чувствительного слоя, влияет на постоянный ток. Постоянный ток более не увеличивается линейно в зависимости от концентрации глюкозы, но становится предельным, означая, что он увеличивается все меньше и меньше по отношению к заданному приращению концентрации глюкозы, и, в конце концов, перестает увеличиваться при увеличении концентрации глюкозы. В глюкозном сенсоре, оснащенном ограничивающей диффузию мембраной, с другой стороны, мембрана снижает поступление глюкозы в чувствительный слой из условия, чтобы сенсор не насыщался, или насыщался только при очень высоких концентрациях глюкозы и поэтому функционировал, эффективно разрешая увеличение концентрации глюкозы при высокой концентрации глюкозы.
Были предприняты различные попытки разработать ограничивающие диффузию глюкозы мембраны. Однако обычно мембраны изготавливали из полимеров, и или их среднюю толщину и/или микроскопическую однородность их толщины было сложно контролировать и/или воспроизводить. В результате поступление глюкозы через мембраны, которые определяли чувствительности глюкозных сенсоров, использующих такие мембраны, имело большие отклонения, указывая на недостаток соответствующего контроля процесса изготовления мембран. Таким образом, существует необходимость в ограничивающей диффузию глюкозы мембране, которая обеспечивает соответствующее регулирование поступления глюкозы в чувствительный слой, и которая является механически прочной, биосовместимой и обладает легкостью и воспроизводимостью производства.
В имплантируемом амперометрическом глюкозном или другом аналитическом сенсоре, мембрана также может быть полезной или необходимой для регулирования или ограничения поступления посторонних веществ в чувствительный слой, посторонние вещества искажают сигнал, например, постоянный ток, образуемый аналитом. Посредством искажения сигнала, постороннее вещество вносит в измерения ошибку. Предпочтительные мембраны снижают поступление посторонних веществ в большей степени, чем они снижают поступление аналита, например, глюкозы.
Сущность изобретения
Настоящая заявка направлена на мембраны, состоящие из гетероциклических групп азота, таких как винилпиридин, и на электрохимические сенсоры, оснащенные такими мембранами. Мембраны полезны для ограничения диффузии аналита к рабочему электроду в электрохимическом сенсоре, так что сенсор не насыщается и/или остается линейно чувствительным в большом диапазоне концентраций аналита. Электрохимические сенсоры, оснащенные мембранами, описываемыми в настоящем документе, проявляют существенную чувствительность и стабильность и большое отношение «сигнал/помеха» в разнообразных условиях.
В настоящем документе описан электрохимический сенсор, содержащий рабочий электрод, обладающий чувствительным слоем, контактирующим с проводящим материалом электрода; мембрана, распложенная поверх чувствительного слоя, где мембрана содержит сшиватель и полимер, обладающий формулой:
где сплошная горизонтальная линия обозначает главную цепь полимера и n представляет собой положительное целое число; и противоэлектрод в электрохимическом контакте с рабочим электродом.
В некоторых вариантах осуществления чувствительный слой рабочего электрода включает в себя чувствительный к глюкозе фермент. В некоторых вариантах осуществления чувствительный слой рабочего электрода содержит окислительно-восстановительный посредник. В определенных вариантах осуществления окислительно-восстановительный посредник включает в себя комплекс, выбранный из группы, включающей в себя из рутений-содержащий комплекс и осмий-содержащий комплекс. В определенных вариантах осуществления окислительно-восстановительный посредник не вымывается, что касается рабочего электрода. В определенных вариантах осуществления окислительно-восстановительный посредник фиксирован на рабочем электроде.
В некоторых вариантах осуществления полимер обладает формулой:
где n представляет собой положительное целое число. В некоторых вариантах осуществления сшиватель содержит поли(этиленгликоль). В определенных вариантах осуществления поли(этиленгликоль) представляет собой диглицидиловый эфир поли(этиленгликоля). В некоторых вариантах осуществления мембрана ограничивает поступление через себя глюкозы или лактата. В некоторых вариантах осуществления мембрана ограничивает поступление через себя глюкозы или лактозы in vivo.
Также в настоящем документе описан электрод для использования в биосенсоре, включающий в себя чувствительный слой в контакте с проводящим материалом электрода, и мембрану, расположенную поверх чувствительного слоя, где мембрана содержит сшиватель и полимер, содержащий формулу:
где сплошная горизонтальная линия обозначает главную цепь полимера и n представляет собой положительное целое число.
В некоторых вариантах осуществления чувствительный слой рабочего электрода включает в себя чувствительный к глюкозе фермент. В некоторых вариантах осуществления чувствительный слой рабочего электрода содержит окислительно-восстановительный посредник. В определенных вариантах осуществления окислительно-восстановительный посредник включает в себя комплекс, выбранный из группы, содержащей рутений-содержащий комплекс и осмий-содержащий комплекс. В определенных вариантах осуществления окислительно-восстановительный посредник не вымывается, что касается рабочего электрода. В определенных вариантах осуществления окислительно-восстановительный посредник фиксирован на рабочем электроде. В некоторых вариантах осуществления полимер содержит формулу:
где n представляет собой положительное целое число. В некоторых вариантах осуществления сшиватель содержит поли(этиленгликоль). В определенных вариантах осуществления поли(этиленгликоль) представляет собой диглицидиловый эфир поли(этиленгликоля). В некоторых вариантах осуществления мембрана ограничивает поступление глюкозы или лактата через себя. В некоторых вариантах осуществления мембрана ограничивает поступление глюкозы или лактоза через себя in vivo.
Также в настоящем документе описана сборка аналитического сенсора, включающая в себя электрохимический сенсор, обладающий гибкой подложкой, содержащий (i) по меньшей мере, один рабочий электрод, содержащий чувствительный слой и мембрану, расположенную поверх чувствительного слоя, где мембрана содержит сшиватель и полимер, обладающий формулой:
где сплошная горизонтальная линия обозначает главную цепь полимера и n представляет собой положительное целое число, (ii) по меньшей мере, один противоэлектрод, и (iii) по меньшей мере, одну контактную площадку, соединенную с каждым из рабочих электродов и противоэлектродов, где электрохимический сенсор приспособлен для имплантации части электрохимического сенсора, содержащего рабочий электрод и противоэлектрод, через кожу; и устройство управления электрохимического сенсора содержит (i) корпус, приспособленный для размещения на коже; (ii) множество соединительных контактов, расположенных на корпусе и скомпонованных для соединения с контактными площадками электрохимического сенсора; и (iii) радиочастотный передатчик, расположенный в корпусе и соединенный с множеством соединительных контактов для передачи данных, полученных при использовании электрохимического сенсора.
В некоторых вариантах осуществления чувствительный слой рабочего электрода включает в себя чувствительный к глюкозе фермент. В некоторых вариантах осуществления чувствительный слой рабочего электрода содержит окислительно-восстановительный посредник. В определенных вариантах осуществления окислительно-восстановительный посредник включает в себя комплекс, выбранный из группы, содержащей рутений-содержащий комплекс и осмий-содержащий комплекс. В определенных вариантах осуществления окислительно-восстановительный посредник не вымывается, что касается рабочего электрода. В определенных вариантах осуществления окислительно-восстановительный посредник фиксирован на рабочем электроде. В некоторых вариантах осуществления полимер содержит формулу:
где n представляет собой положительное целое число. В некоторых вариантах осуществления сшиватель содержит поли(этиленгликоль). В определенных вариантах осуществления поли(этиленгликоль) представляет собой диглицидиловый эфир поли(этиленгликоля). В некоторых вариантах осуществления мембрана ограничивает поступление глюкозы или лактата через себя. В некоторых вариантах осуществления мембрана ограничивает поступление глюкозы или лактозы через себя in vivo.
Также в настоящем документе описан способ мониторинга уровня аналита с использованием системы мониторинга аналита, включающей в себя введение электрохимического сенсора в кожу пациента; прикрепление устройства управления электрохимического сенсора к коже пациента; соединение множества соединительных контактов, расположенных в устройстве управления сенсором, с множеством контактных площадок, расположенных на сенсоре; сбор данных с использованием устройства управления сенсором относительно уровня аналита на основании сигналов, генерируемых сенсором; передача собранных данных на устройство отображения с использованием радиочастотного передатчика устройства управления сенсором; и отображение показаний уровня аналита на дисплее устройства отображения.
В некоторых вариантах осуществления аналит представляет собой глюкозу. В некоторых вариантах осуществления полимер содержит формулу:
где n представляет собой положительное целое число. В некоторых вариантах осуществления сшиватель содержит поли(этиленгликоль). В определенных вариантах осуществления поли(этиленгликоль) представляет собой диглицидиловый эфир поли(этиленгликоля). В некоторых вариантах осуществления сбор данных включает в себя генерирование сигналов из сенсора и обработку сигналов для получения данных. В некоторых вариантах осуществления данные включают в себя сигналы от сенсора. В определенных вариантах осуществления способ дополнительно включает в себя приведение в действие сигнала тревоги, если данные указывают на состояние тревоги. В определенных вариантах осуществления способ дополнительно включает в себя введение лекарственного средства, такого как инсулин, в ответ на данные. В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно включает в себя получение калибровочного значения от калибровочного устройства для калибровки данных. В некоторых вариантах осуществления калибровочное устройство соединено с устройством отображения. В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно включает в себя передачу калибровочного значения из передатчика в устройстве отображения на приемник в устройстве управления сенсором.
Эти и другие цели, преимущества и особенности по изобретению будут явны профессионалам в данной области после прочтения подробностей об изобретении, более полно описанных ниже.
Краткое описание чертежей
Лучше всего понять изобретение можно из следующего подробного описания при прочтении в сочетании с сопроводительными чертежами. Особое значение придается тому, что, согласно общей практике, различные детали чертежей находятся не в масштабе. Наоборот, размеры различных деталей произвольно увеличены или уменьшены для понятности. В чертежи включены следующие фигуры:
Фиг.1 представляет собой калибровочную кривую для двух сенсоров (ПВП1 и ПВП2), обладающих ограничивающими диффузию мембранами, описываемыми в настоящем документе, которые тестировались одновременно, оба при 37°C. Сенсоры поместили в PBS-буферизованный раствор (pH 7) и выходной постоянный ток каждого сенсора измеряли во времени.
Фиг.2 представляет собой калибровочную кривую для двух сенсоров (ПВП1 и ПВП2), обладающих ограничивающими диффузию мембранами, описываемыми в настоящем документе, которые тестировали одновременно, оба при 37°C. Сенсоры поместили в PBS-буферизованный раствор (pH 7) и выходной постоянный ток каждого сенсора измеряли при различных концентрациях глюкозы (мМ).
Фиг.3 представляет собой кривую стабильности для двух сенсоров, обладающих ограничивающими диффузию мембранами, описываемыми в настоящем документе, которые тестировались одновременно. Каждый сенсор поместили в PBS-буферизованный раствор (pH 7) при различных концентрациях глюкозы, и выходной постоянный ток каждого сенсора измеряли или при комнатной температуре (КТ) или использовали после хранения в течение одной недели при 56°C (56°C/1нед). Измеренные выходные постоянные токи (нА) изображены на графике зависимости от концентрации глюкозы (мМ).
Фиг.4A представляет собой схематическое изображение вида с боку части двухэлектродного глюкозного сенсора, обладающего рабочим электродом, комбинированным противоэлектродом/электродом сравнения и нанесенной окунанием мембраной, которая заключает в капсулу оба электрода, по настоящему изобретению.
Фиг.4B представляет собой схематическое изображение вида сверху образцового сенсора с фиг.4A.
Фиг.4C представляет собой схематическое изображение вида снизу образцового сенсора с фиг.4A.
Фиг.5 представляет собой схематическое изображение в перспективе чрезкожного электрохимического сенсора, как он будет выглядеть при частичной имплантации в кожу.
Фиг.6 изображает калибровочные кривые двух сенсоров (ПВП1 и ПВП2), обладающих ограничивающими диффузию мембранами, описываемыми в настоящем документе, а также калибровочные кривые двух сенсоров (cnt11 и cnt12), обладающих ограничивающими диффузию мембранами формулы:
Каждый набор мембран тестировали одновременно при 37°C. Сенсоры поместили PBS-буферизованный раствор (pH 7) и выходной постоянный ток каждого сенсора измеряли во времени. Время отклика для мембран обсуждаемого изобретения составило 55 секунд, тогда как время отклика для мембран cnt11 и cnt12 составило 138 секунд. Это показывает, что мембраны настоящего изобретения показывают более короткое время отклика, чем другие полимерные мембраны, используемые для тех же целей.
Прежде чем настоящее изобретение будет описано, следует понимать, что это изобретение, не ограниченное конкретными описанными вариантами осуществления, как таковое может, конечно, меняться. Также следует понимать, что используемая здесь терминология служит только целям описания конкретных вариантов осуществления, и не предназначена для ограничения, так как объем настоящего изобретения будет ограничиваться только прилагаемой формулой изобретения.
Когда предоставляется диапазон значений, следует понимать, что каждое промежуточное значение, до десятой доли единицы нижнего предела, до тех пор, пока контекст ясно не указывает обратное, между верхним и нижним пределами диапазона также специально раскрыты. Каждый меньший диапазон между любым установленным значением или промежуточным значением в установленном диапазоне и любым другим установленным или промежуточным значением в этом установленном диапазоне охватывается изобретением. Верхние и нижние пределы этих меньших диапазонов могут независимо включаться или исключаться из диапазона, и каждый диапазон, в котором или один из, ни одного или оба предела включены в меньшие диапазоны, также охватываются изобретением, с учетом любого специально исключенного предела в установленном диапазоне. Когда установленный диапазон включает в себя один или оба предела, диапазоны, исключающие или один или оба этих включенных диапазона, также включены в изобретение.
Пока не определено обратное, все технические и научные термины, использованные здесь, имеют тоже значение, в каком они обычно понимаются специалистом в данной области, к которой это изобретение принадлежит. Хотя любые способы и материалы, сходные или эквивалентные таковым, описываемым в настоящем документе, могут быть использованы в осуществлении или тестировании настоящего изобретения, некоторые возможные способы и материалы сейчас будут описаны. Все упомянутые здесь публикации включены в настоящий документ в качестве ссылки для раскрытия и описания способов и/или материалов, в связи с которыми цитируются публикации. Понятно, что настоящее разглашение заменяет любые разглашения включенных публикаций to the extent there is a contradiction.
Следует отметить, что, как применяют в настоящем документе и в прилагаемой формуле изобретения, формы единственного числа «a», «an» и «the» включают в себя множественные упоминания, пока контекст ясно не указывает обратное. Таким образом, например, упоминание о «клетке» включает в себя множество таких клеток и упоминание о «соединении» включает в себя упоминание об одном или нескольких соединениях и их эквивалентах, известных специалистам в данной области, и так далее.
Обсуждаемые здесь публикации предоставлены исключительно для их разглашения до даты подачи настоящей заявки. Ничто из приведенного здесь не должно истолковываться как допущение, что настоящее изобретение не управомочено датировать более ранним числом такую публикацию действием предшествующего изобретения. Более того, предоставленные даты публикаций могут отличаться от текущих дат публикации, которые могут требовать независимого подтверждения.
Подробное описание изобретения
Настоящая заявка направлена на мембраны, состоящие из винилпиридиновых групп, и на электрохимические сенсоры, оснащенные такими мембранами. Мембраны полезны для ограничения диффузии аналита к рабочему электроду в электрохимическом сенсоре, так что сенсор не насыщается и/или остается линейно чувствительным в большом диапазоне концентраций аналита. Электрохимические сенсоры, оснащенные мембранами, описываемыми в настоящем документе, показывают значительную чувствительность и стабильность, и большое отношение «сигнал/помеха», во множестве условий.
В основном, мембрана, описываемая в настоящем документе, образована сшиванием модифицированного полимера, содержащего гетероциклические азотные группы, в растворителе из смеси спирта и буфера и делающего возможным затвердевание раствора мембраны со временем. Полученная мембрана способна ограничивать поступление аналита из одного пространства, такого как пространство, связанное с биологической жидкостью, в другое пространство, такое как пространство, связанное с чувствительным слоем, содержащим фермент. «Биологическая жидкость» или «биожидкость» представляет собой любой жидкий компонент тела или производное жидкого компонента тела, в которой может быть измерен аналит, например, кровь, интерстициальная жидкость, плазма, кожная жидкость, пот и слезы. Амперометрический глюкозный сенсор состоит из wired-enzyme чувствительного слоя и слоя, ограничивающего диффузию глюкозы, описываемый в настоящем документе, является очень стабильным и имеет большой линейный диапазон обнаружения.
Ограничивающие диффузию мембраны
Ограничивающие диффузию мембраны включают в себя полимеры, обладающие гетероциклическими азотными группами, и имеют следующую общую формулу I:
I.
где горизонтальная линия обозначает главную цепь полимера и n представляет собой положительное целое число приблизительно от 150 приблизительно до 15000, включая приблизительно от 500 приблизительно до 12000, приблизительно от 750 приблизительно до 10000, приблизительно от 1000 приблизительно до 9000, например, приблизительно 1500, 2000, 2500, 5000, 7000 и т.д. Термин «гетероциклическая азотная группа» относится к циклической структуре, содержащей азот в кольце этой структуры.
В определенных вариантах осуществления главная цепь полимера дополнительно включает в себя сополимерный компонент, обозначаемый здесь как «D». Примеры сополимерных компонентов включают в качестве неограничивающих примеров, фенилалкил, алкоксистирол, гидроксиалкил, алкоксиалкил, алкоксикарбонилалкил и молекулу, содержащую поли(этиленгликоль) или полигидроксильную группу. Некоторые поли(гетероциклический азот-со-D) полимеры, подходящие в качестве сырья, коммерчески доступны. Например, поли(2-винилпиридин-со-стирол), поли(4-винилпиридин-со-стирол) и поли(4-винилпиридин-со-бутилметакрилат) доступны в Aldrich Chemical Company, Inc. Другие поли(гетероциклический азот-со-D) полимеры могут быть быстро синтезированы любым профессионалом в данной области химии полимеров с использованием хорошо известных способов. Например, D представляет собой стирол или C1-C18алкил метакрилатный компонент соединения поливинилпиридин-поли-D, такого как (4-винилпиридин-со-стирол) или поли(4-винилпиридин-со-бутилметакрилат). D может вносить вклад в различные желаемые свойства мембраны, включая, в качестве неограничивающих примеров, гидрофобность, гидрофильность, растворимость, биосовместимость, эластичность и прочность. D может быть выбран для оптимизации или «точной регулировки» мембраны, выполненной из полимера, например, в терминах ее проницаемости для аналита и ее непроницаемости для нежелательного, мешающего компонента. Гетероциклические азотные группы формулы I включают, в качестве неограничивающих примеров, пиридин, имидазол, оксазол, тиазол, пиразол или любое их производное. В некоторых вариантах осуществления гетероциклические азотные группы представляют собой винилпиридин, например, 2-, 3- или 4-винилпиридин, или винилимидазол, например, 1-, 2- или 4-винилимидазол. В определенных вариантах осуществления гетероциклические азотные группы представляют собой 4-винилпиридин, так что полимер представляет собой производное поли(4-винилпиридина). Термины «поливинилпиридин» или «ПВП» относится к поли(4-винилпиридину), поли(3-винилпиридину) или поли(2-винилпиридину), а также любому сополимеру винилпиридина и второму или третьему сополимерному компоненту. Пример такой поли(4-винилпиридиновой) мембраны имеет следующую общую формулу, формулу II:
II.
где горизонтальная линия обозначает главную цепь полимера и n представляет собой положительное целое число.
Дополнительный пример такой поли(4-винилпиридиновой) мембраны имеет следующую общую формулу, формулу III:
III.
где n представляет собой положительное целое число.
В некоторых вариантах осуществления мембраны дополнительно содержат в себе сшивающий агент. «Сшиватель» представляет собой молекулу, которая содержит, по крайней мере, две реакционноспособные группы, допускающие соединение, по крайней мере, двух молекул вместе или соединение, по крайней мере, двух частей одной и той же молекулы вместе. Соединение, по крайней мере, двух молекул называется межмолекулярным сшиванием, тогда как соединение, по крайней мере, двух частей одной и той же молекулы называют внутримолекулярным сшиванием. Сшиватель, обладающий более чем двумя реакционно-способными группами, может допускать как межмолекулярное, так и внутримолекулярное сшивание одновременно. «Реакционно-способная группа» представляет собой функциональную группу молекулы, которая допускает реакцию с другим соединением для соединения, по крайней мере, части того другого соединения с молекулой. Реакционно-способные группы включают карбокси, активированный эфир, сульфонилгалогенид, сульфонатный эфир, изоцианат, изотиоцианат, эпоксид, азиридин, галогенид, альдегид, кетон, амин, акриламид, тиол, ацилазид, ацилгалогенид, гидразин, гидроксиламин, алкилгалогенид, имидазол, пиридин, фенол, алкилсульфонат, галотриазин, имидоэфир, малеимид, гидразид, гидрокси и фотореакционные азидоарильные группы. Активированные эфиры, как понимают в данной области, как правило, включают в себя эфиры, замещенные сукцинимидилом, бензотриазолилом или арилом с помощью электроноакцепторных групп, таких как сульфо, нитро, циано или галогеновые группы; или карбоновые кислоты, активированные карбодиимидами.
Сшиватели, пригодные для использования с мембранами, включают молекулы, обладающие, по крайней мере, двумя реакционно-способными группами, такими как ди-, три- или тетра-функциональные группы, допускающие взаимодействие гетероциклических азотных групп полимера, таких как пиридиновые группы. Пригодные сшиватели включают, в качестве неограничивающих примеров, производные поли(этиленгликоля) или поли(пропиленгликоля), эпоксида (глицидильной группы), азиридина, алкилгалогенида и сульфонатных эфиров. Алкилирующие группы сшивателей предпочтительно представляют собой глицидильные группы. Предпочтительно, глицидильные сшиватели имеют молекулярную массу приблизительно от 200 приблизительно до 4000 и являются водорастворимыми или растворимы в водорастворимом растворителе, таком как спирт. Примеры пригодных сшивателей включают, в качестве неограничивающих примеров, диглицидиловый эфир поли(этиленгликоля) с молекулярной массой приблизительно от 250 приблизительно до 2000, включая приблизительно от 350 приблизительно до 150, например, приблизительно 650. Образцовый сшиватель имеет следующую общую формулу, формулу IV:
IV.
где n представляет собой положительное целое число, например, приблизительно от 1 приблизительно до 15, включая примерно 8, 9, 10, 11 и т.д.
В определенных вариантах осуществления желательно иметь медленную реакцию сшивания в течение распределения раствора мембраны, так что покрывающий мембранный раствор имеет рациональную жизнеспособность для крупномасштабного производства. Быстрая сшивающая реакция приводит к быстрому изменению вязкости покрывающего раствора, которое представляет трудность для нанесения покрытия. Например, реакция сшивания идет медленно в ходе распределения раствора мембраны и ускоряется в ходе твердения мембраны при температуре окружающей среды или при повышенной температуре, когда это возможно.
Далее дается описание процесса для производства мембраны. Например, полимер и пригодный сшиватель растворяют в растворителе, содержащем буфер, обычно в растворителе из смеси буфера и спирта, для изготовления раствора мембраны. В некоторых вариантах осуществления буфер pH приблизительно от 7,5 приблизительно до 9,5 и спирт представляет собой этанол. Например, буфер представляет собой буфер, содержащий 10 мМ (2-(4-(2-гидроксиэтил)-1-пиперазин)этансульфонат) (HEPES) (pH 8), и объемное отношение этанола к буферу составляет приблизительно от 95 к 5 приблизительно до 0 к 100. Минимальное количество буфера необходимо для химического состава для сшивания. Количество растворителя, необходимое для растворения полимера и сшивателя, может меняться в зависимости от природы полимера и сшивателя. Например, повышенное процентное содержание спирта может требоваться для растворения относительно гидрофобного полимера и/или сшивателя.
Отношение полимера к сшивателю важно для свойств конечной мембраны. В качестве примера, если используется недостаток сшивателя или чрезвычайно большой избыток сшивателя, сшивание является неудовлетворительным и мембрана получается непрочной. Более того, если используется больше, чем достаточное количество сшивателя, мембрана получается избыточно сшитой, так что мембрана будет слишком хрупкой и/или будет препятствовать диффузии аналита. Таким образом, приводится оптимальное отношение данного полимера к данному сшивателю, которое следует использовать для приготовления желаемой или полезной мембраны. В качестве примера, оптимальное весовое отношение полимера к сшивателю обычно составляет приблизительно от 4:1 приблизительно до 32:1 для полимера с любой из вышеприведенных формул с I до III и сшивателя из диглицидилового эфира поли(этиленгликоля), обладающего молекулярной массой приблизительно от 200 приблизительно до 400. Например, этот диапазон составляет приблизительно от 2:1 приблизительно до 25:1, включая приблизительно от 3:1 приблизительно до 22:1, приблизительно от 4:1 приблизительно до 20:1, приблизительно от 5:1 приблизительно до 16:1 и т.д. Дополнительно, в качестве примера, оптимальное весовое отношение полимера к сшивателю обычно составляет приблизительно 10:1 для полимера с вышеприведенной формулой III и сшивателя из диглицидилового эфира поли(этиленгликоля), обладающего молекулярной массой примерно 650.
Слой раствора мембраны может быть нанесен на многие биосенсоры, которые могут выигрывать от обладания мембраной, расположенной поверх чувствительного слоя, содержащего фермент. «Чувствительный слой» является компонентом сенсора, который включает в себя компоненты, которые облегчают электролиз аналита. Чувствительный слой может содержать такие компоненты, как переносчик электронов, катализатор, который катализирует реакцию аналита для образования ответа на электроде, или оба. В некоторых вариантах осуществления сенсора, чувствительный слой невымываемо расположен вблизи или на рабочем электроде. «Невымываемое» или «невысвобождающееся» соединение или соединение, которое «невымываемо расположено», предназначено для определения соединения, которое закреплено на сенсоре, так что оно в основном не диффундирует из рабочей поверхности рабочего электрода за период времени, в течение которого используется сенсор (например, за период времени, в течение которого сенсор имплантирован в пациента или измеряет образец). «Рабочая поверхность» представляет собой ту часть рабочего электрода, которая доступна для переносчика электронов или покрыта им и скомпонована так, чтобы подвергаться воздействию жидкости, содержащей аналит.
В некоторых вариантах осуществления чувствительный слой дополнительно включает в себя окислительно-восстановительный посредник. «Окислительно-восстановительный посредник» является переносчиком электронов для переноса электронов в одном или нескольких этапах реакции, создающей сигнал, или в реакциях, например, между аналитом, ферментом, окисленным или восстановленным аналитом, и электродом, или напрямую, или через один или несколько дополнительных переносчиков электронов. Окислительно-восстановительный посредник, который включает в себя полимерный остов также может обозначаться как «окислительно-восстановительный полимер». Примеры окислительно-восстановительных посредников включают рутений-содержащие комплексы и осмий-содержащие комплексы.
Примеры таких биосенсоров включают, в качестве неограничивающих примеров, глюкозные сенсоры и лактатные сенсоры. (См. патент США № 6134461 Heller et al., который в полном объеме включен в настоящий документ по этой ссылке). Процесс нанесения покрытия может включать в себя любой общеупотребительный способ, такой как покрытие, полученное способом центрифугирования, покрытие, нанесенное окунанием, нанесение ракельным ножом или распыление капель раствора мембраны поверх чувствительных слоев и т.п., с последующим отверждением в условиях окружающей среды, обычно в течение 1-2 дней. Отдельные подробности процесса нанесения покрытия (такие как длительность окунания, частота окунания, количество окунаний или тому подобное) могут меняться.
Производство сенсора типично включает в себя размещение чувствительного слоя, содержащего фермент, поверх рабочего электрода и разливка ограничивающего диффузию мембранного слоя поверх чувствительного слоя, и необязательно, но предпочтительно, также поверх противоэлектрода и электрода сравнения. Сенсоры, обладающие другими конфигурациями, например, трехэлектродной конструкцией, также могут быть подготовлены с использованием схожих способов.
Электрохимические сенсоры
Электрохимический сенсор, который включает в себя, по меньшей мере, один рабочий электрод с распложенными на нем мембранами, содержащими гетероциклические азотные группы, такие как поливинилпиридин, может быть создан на подложке. Сенсор также может включать в себя, по меньшей мере, один противоэлектрод (или противоэлектрод/электрод сравнения) и/или, по меньшей мере, один электрод сравнения. «Электрохимический сенсор» представляет собой устройство, скомпонованное для обнаружения присутствия и/или измерения уровня аналита в образце, посредством электрохимической реакции окисления или восстановления на сенсоре, или посредством последовательности химических реакций, где, по меньшей мере, одна из химических реакций представляет собой реакцию электрохимического окисления или восстановления на сенсоре. Эти реакции преобразуются в электрический сигнал, для которого можно установить взаимосвязь с количеством, концентрацией или уровнем аналита в образце.
«Рабочий электрод» представляет собой электрод, на котором аналит или соединение, уровень которого зависит от уровня аналита, электроокисляется или электровосстанавливается с участием или без участия переносчика электронов. «Противоэлектрод» относится к электроду, спаренному с рабочим электродом, через который проходит постоянный ток, примерно равный по величине и противоположный по знаку постоянному току, проходящему через рабочий электрод. В контексте изобретения, термин «противоэлектрод» подразумевает, что он включает в себя противоэлектроды, которые также выполняют функцию электродов сравнения (т.е. противоэлектрод/электрод сравнения). Термин «электрод сравнения» включает в себя как a) электроды сравнения, так и b) электроды сравнения, которые также выполняют функцию противоэлектродов (т.е. противоэлектрод/электрод сравнения), если не указано иначе. Термин «противоэлектрод» включает в себя как a) противоэлектроды, так и b) противоэлектроды, которые также выполняют функцию электродов сравнения (т.е. противоэлектрод/электрод сравнения), если не указано иначе.
Противоэлектрод и/или электрод сравнения могут быть выполнены на подложке или могут быть отдельными. Например, противоэлектрод и/или электрод сравнения могут быть выполнены на второй подложке, которая также имплантируется в пациента или, для некоторых вариантов осуществления имплантируемых сенсоров, противоэлектрод и/или электрод сравнения могут быть размещены на коже пациента вместе с рабочим электродом или электродами, подлежащими имплантации в пациента. Использование накожного противоэлектрода и/или электрода сравнения с имплантируемым рабочим электродом описано в патенте США № 5593852.
Рабочий электрод или электроды создают с применением проводящих путей, расположенных на подложке. Противоэлектрод и/или электрод сравнения, а также другие необязательные части сенсора, такие как датчик температуры, также могут быть созданы с использованием проводящих путей, расположенных на подложке. Эти проводящие пути могут быть образованы на гладкой поверхности подложки или внутри каналов, образованных, например, с помощью штамповки, высекания или иного способа создания углубления в подложке.
Чувствительный слой часто формируют поблизости или на, по меньшей мере, одном из рабочих электродов для облегчения электрохимического определения аналита и определения его уровня в образце жидкости, особенно если аналит не может электролизироваться желаемой скоростью и/или с желаемой специфичностью на голом электроде. Чувствительный слой может содержать переносчик электронов для переноса электронов прямо или опосредованно между аналитом и рабочим электродом. «Переносчик электронов» представляет собой соединение, которое переносит электроны между аналитом и рабочим электродом, или напрямую, или при взаимодействии с другими переносчиками электронов. Одним из примеров переносчиков электронов является окислительно-восстановительный посредник.
Чувствительный слой также может содержать катализатор для катализа реакции аналита. Компоненты чувствительного слоя могут находится в жидкости или геле, который находится поблизости или в контакте с рабочим электродом. Альтернативно, компоненты чувствительного слоя могут быть расположены в полимерной или зольгелевой матрице, которая находится поблизости или на рабочем электроде. В основном, компоненты чувствительного слоя невымываемо расположены внутри сенсора. Например, компоненты сенсора иммобилизованы внутри сенсора. В дополнение к электродам и чувствительному слою, сенсор также может включать в себя датчик температуры, биосовместимый слой и/или другие необязательные компоненты. Соединение «иммобилизовано» на поверхности, когда оно захвачено или химически связано с поверхностью. Компоненты «иммобилизованы» внутри сенсора, например, когда компоненты ковалентно, ионно или координационно связаны с компонентами сенсора и/или захвачены в полимерной или зольгелевой матрице или мембране, которая предотвращает их потерю посредством диффузии наружу.
Например, глюкозный или лактатный сенсор может содержать первый чувствительный слой, который отделен он рабочего электрода и содержит фермент, например, глюкозоксидазу или лактатоксидазу. В реакции глюкозы или лактата в присутствие соответствующего фермента образуется пероксид водорода. Второй чувствительный слой предоставлен прямо на рабочем электроде и содержит фермент пероксидазу и переносчик электронов для генерирования сигнала на электроде в ответ на пероксид водорода. Затем уровень пероксида водорода, показываемый сенсором, сопоставляют с уровнем глюкозы или лактата. Другой сенсор, работающий сходным образом, может быть сделан с использованием одного чувствительного слоя как с глюкозо- или лактатоксидазой, так и с пероксидазой, расположенными на одном чувствительном слое. Примеры таких сенсоров описаны в патенте США № 5593852, патентной заявке США серии № 08/540789 и патентной заявке PCT № US 98/02403.
В некоторых вариантах осуществления один или несколько рабочих электродов не имеют соответствующего чувствительного слоя, или имеют чувствительный слой, который не содержит один или несколько компонентов (например, переносчик электронов или катализатор), необходимых для электролиза аналита. Сигнал, генерируемый на этом рабочем электроде, типично происходит от посторонних веществ и других источников, таких как электроокисляемые или электровосстанавливаемые ионы, в жидкости, и не в ответ на аналит (так как аналит не является электроокисляемым или электровосстанавливаемым). Таким образом, сигнал на этом рабочем электроде добавляется к фоновому сигналу. Фоновый сигнал можно вычесть из сигнала аналита, полученного от других рабочих электродов, которые объединены с полнофункциональными чувствительными слоями.
Подложка может быть изготовлена с использованием многих непроводящих материалов, включая, например, полимерные или пластиковые материалы и керамические материалы. Материалы, пригодные для отдельного сенсора, могут быть определены, по крайней мере, частично, основываясь на желаемом применении сенсора и свойствах материалов.
В некоторых вариантах осуществления положка является гибкой. Например, если сенсор скомпонован для имплантации в пациента, тогда сенсор может быть гибким (хотя негнущиеся сенсоры также можно использовать для имплантируемых сенсоров) для снижения болевых ощущений у пациента и повреждения ткани, вызванных имплантацией и/или ношением сенсора. Гибкая подложка часто увеличивает комфорт пациента и делает возможным широкий спектр активностей. Материалы, пригодные для гибкой подложки, включают в себя, например, непроводящие пластиковые или полимерные материалы и другие непроводящие, гибкие, деформируемые материалы. Примеры пригодных пластиковых или полимерных материалов включают термопластмассы, такие как поликарбонаты, сложные полиэфиры (например, Mylar™ и полиэтилентерефталат (ПЭТ)), поливинилхлорид (ПВХ), полиуретаны, полиэфиры, полиамиды, полиимиды или сополимеры этих термопластмасс, такие как ПЭТГ (полиэтилентерефталатгликоль).
В других вариантах осуществления сенсоры изготовлены с использованием относительно твердой подложки, например, для предоставления структурной опоры, препятствующей сгибанию или поломке. Примеры твердых материалов, которые можно использовать в качестве подложки, включают в себя низкопроводящую керамику, такую как оксид алюминия или диоксид кремния. Одно преимущество имплантируемого сенсора, обладающего твердой подложкой, состоит в том, что сенсор может иметь острый конец и/или острый край, чтобы облегчать имплантацию сенсора без дополнительного устройства для введения.
Следует принимать во внимание, что для многих сенсоров и сфер применения сенсоров, как твердые, так и гибкие сенсоры будут работать удовлетворительно. Гибкость сенсора также может контролироваться и меняться вдоль длины посредством изменения, например, состава и/или толщины подложки.
В дополнение к соображениям относительно гибкости, часто желательно, чтобы имплантируемые сенсоры имели физиологически безвредную подложку, например, подложку, одобренную регулирующим ведомством или частной организацией для использования in vivo.
Сенсор может содержать необязательные детали для облегчения введения имплантируемого сенсора. Например, сенсор может быть заострен на конце для упрощения введения. Кроме того, сенсор может содержать шип, который помогает закреплению сенсора в ткани пациента во время работы сенсора. Однако типично шип достаточно мал, так что при удалении сенсора для замены подкожным тканям причиняется маленькое повреждение.
По меньшей мере, один проводящий путь образован на подложке для использования в конструкции рабочего электрода. Кроме того, другие проводящие пути могут быть сформированы на подложке для применения в качестве электродов (например, дополнительные рабочие электроды, а также противоэлектроды, противоэлектроды/электроды сравнения и/или электроды сравнения) и другие компоненты, такие как датчик температуры. Проводящие пути могут простираться на большую часть расстояния вдоль длины сенсора, хотя это не необходимо. Размещение проводящих путей может зависеть от конкретной конфигурации системы мониторинга аналита (например, размещение контактов устройства управления и/или камеры для образца в связи с сенсором). Для имплантируемых сенсоров, в особенности подкожно имплантируемых сенсоров, проводящие пути типично подходят близко к кончику сенсора для уменьшения объема сенсора, который должен быть имплантирован.
Типично, каждый проводящий путь содержит контактную площадку. Контактная площадка просто может быть частью проводящего пути, которая не отличается от остального пути, за исключением того, что контактная площадка приведена в контакт с соединительными контактами устройства управления (например, устройства управления сенсором). Однако чаще контактная площадка представляет собой участок проводящего пути, который имеет большую ширину, чем другие участки пути для облегчения соединения с контактами на устройстве управления. Делая контактные площадки относительно большими по сравнению с шириной проводящих путей, необходимость точного совмещения контактных площадок и контактов на устройстве управления является менее критичной, чем при маленьких контактных площадках.
Чтобы электролизовать аналит, потенциал (против опорного потенциала) прикладывают через рабочий электрод и противоэлектрод. Минимальная величина прикладываемого потенциала часто зависит от конкретного переносчика электронов, аналита (если аналит напрямую электролизуется на электроде), или второго соединения (если второе соединение, например, кислород или пероксид водорода, уровень которого зависит от уровня аналита, напрямую электролизуется на электроде). Приложенный потенциал обычно равен или больше окисляющего или восстанавливающего, в зависимости от желаемой электрохимической реакции, чем окислительно-восстановительный потенциал переносчика электронов, аналита или второго соединения, независимо от того, какой из них напрямую электролизуется на электроде. Типично потенциал на рабочем электроде достаточно велик, чтобы закончить или почти закончить электрохимическую реакцию.
Если к рабочему электроду и противоэлектроду приложить потенциал, будет течь электрический ток. Постоянный ток является результатом электролиза аналита или второго соединения, уровень которого зависит от аналита. «Электролиз» представляет собой электоокисление или электровосстановление соединения или напрямую на электроде или через один или несколько переносчиков электронов. В одном из вариантов осуществления электрохимическая реакция происходит посредством переносчика электронов и необязательного катализатора. Многие аналиты B окисляются (или восстанавливаются) до продуктов C с помощью переносчика электронов species A в присутствии соответствующего катализатора (например, фермента). Затем переносчик электронов A окисляется (или восстанавливается) на электроде. Измеряют электроны, собранные с помощью (или полученные от) электрода, и полученный постоянный ток.
В качестве примера, электрохимический сенсор может быть основан на реакции молекулы глюкозы с двумя невымываемыми анионами феррицианида в присутствие глюкозоксидазы для создания двух невымываемых анионов ферроцианида, двух ионов водорода и глюконолактона. Количество присутствующей глюкозы оценивается посредством электроокисления невымываемых анионов ферроцианида в невымываемые анионы феррицианида и измерения постоянного тока.
Имплантируемый сенсор также может необязательно иметь препятствующее свертыванию крови средство, расположенное на части подложки, которая имплантируется в пациента. Это препятствующее свертыванию крови средство может снижать или исключать свертывание крови или другого жидкого компонента тела вокруг сенсора, в особенности после введения сенсора. Сгустки крови могут загрязнять сенсор или невоспроизводимо снижать количество аналита, которое диффундирует в сенсор. Примеры пригодных средств, препятствующих свертыванию крови, включают в себя гепарин и тканевой активатор плазминогена (TPA), а также другие известные средства, препятствующие свертыванию крови.
Средство, препятствующее свертыванию крови, может быть нанесено, по крайней мере, на фрагмент той части сенсора, которая должна быть имплантирована. Средство, препятствующее свертыванию крови, может быть нанесено, например, с помощью погружения, распыления, нанесения кистью или окунания. Средство, препятствующее свертыванию крови, нужно высушить на сенсоре. Средство, препятствующее свертыванию крови, может быть иммобилизовано на поверхности сенсора или можно позволить ему диффундировать с поверхности сенсора вовне. Типично, количества средства, препятствующего свертыванию крови, расположенные на сенсоре, значительно ниже количеств, типично используемых для лечения медицинских состояний, затрагивающих сгустки крови и, поэтому имеют только ограниченный, локальный эффект.
В качестве примера, мембрану можно использовать в двухэлектродном амперометрическом глюкозном сенсоре, как показано на фиг.4A-4C (вместе фиг.4). Амперометрический глюкозный сенсор 10a фиг.4 включает в себя подложку 13, расположенную между рабочим электродом 29a, который типично имеет углеродную основу, и Ag/AgCl противоэлектродом/электродом сравнения 29b. Сенсор или чувствительный слой 18a расположен на рабочем электроде. Мембрана или мембранный слой 30a инкапсулирует весь глюкозный сенсор 10a, включая Ag/AgCl противоэлектрод/электрод сравнения. Чувствительный слой 18a глюкозного сенсора 10a включает в себя, например, пришитую глюкозоксидазу и полимерный посредник с низким потенциалом, содержащий осмиевый комплекс, как разглашено в опубликованной заявке PCT, международной публикации № WO 01/36660 A1. Состав, содержащий фермент и медиатор, которые можно использовать в чувствительном слое, и способы их нанесения на электродную систему, известны в данной области, например, из вышеупомянутого патента США № 6134461 авторов Say et al.
В качестве примера, мембрана также может использоваться в глюкозном электроде с многослойным сенсором, как показано на фиг.5. Фиг.5 показывает полностью собранный сенсор, с каталитическим средством, встроенным в защитную мембрану, в том виде, как сенсор будет виден при размещении на коже, с частью сенсора чрезкожно введенной в подкожное пространство. На фиг.5 предоставлено изображение в перспективе сенсора 10a, большая часть которого находится на поверхности кожи 50, с вводимым кончиком 11, проникающим через кожу и в подкожное пространство 52, где он погружается в биожидкость 40. Контактные части рабочего электрода 29aa, электрода сравнения 29bb и противоэлектрода 29cc можно видеть на части сенсора 10a, расположенной на поверхности кожи. Рабочий электрод 29a, электрод сравнения 29b и противоэлектрод 29c можно видеть на конце вводимого кончика 11. Как показано на фиг.5 электроды предоставлены в многослойной конфигурации на вводимом кончике сенсора 11. Рабочий электрод 29a показан расположенным поверх пластиковой подложки 13, wired enzyme чувствительный слой 18a расположен на верхней части рабочего электрода 29a. Изображенное прозрачным покрытие чувствительного слоя и части электрода представляет собой смежную мембрану 30a и ассоциированный с ней и распределенный на всем протяжении мембраны каталитический агент 32, мембрана покрывает чувствительный слой 18a электрохимического сенсора, основанного на ферменте. Кончик 11 расположен в подкожном пространстве 52 (как видно из фиг.5) и, таким образом, погружен в окружающую биожидкость 40. Каталитический агент распределен в мембране примешиванием в раствор мембраны, использованный в синтезе мембраны, bulk loading procedure, как описано в патентной заявке США № 10/819498 авторов Feldman et al., поданной 6 апреля 2004 года.
Устройства для введения
Устройства для введения можно использовать для подкожного введения сенсора в пациента. Устройства для введения типично образованы с использованием структурно жестких материалов, таких как металл или твердых пластик. Предпочтительные материалы включают нержавеющую сталь и пластик ABS (акрилонитрил-бутадиен-стирол). В некоторых вариантах осуществления устройства для введения имеют острый конец и/или заточены на конце для облегчения проникновения через кожу пациента. Острые, тонкие устройства для введения могут уменьшать болевые ощущения пациента при введении сенсора. В других вариантах осуществления кончик устройства для введения имеет другие формы, включая тупую или плоскую форму конфигурации. Эти варианты осуществления могут быть чрезвычайно полезны, когда устройства для введения не проникают через кожу, но скорее служат в качестве структурной опоры для сенсора при вдавливании сенсора в кожу.
Устройство управления сенсором
Устройство управления сенсором может быть встроено в сенсор, который частично или полностью подкожно имплантирован, или оно может быть скомпоновано для размещения на коже пациента. Устройство управления сенсором необязательно выполнено в форме, которая удобна пациенту, и которая может позволять маскировку, например, под одеждой пациента. Бедро, голень, плечо, плечевой сустав или живот являются удобными частями тела пациента для размещения устройства управления сенсором для сохранения маскировки. Однако устройство управления сенсором может быть расположено на другой части тела пациента. Один из вариантов осуществления устройства управления сенсором имеет тонкую, овальную форму для улучшения маскировки. Однако можно использовать другие формы и размеры.
Специфический профиль, а также высота, ширина, длина, вес и объем устройства управления сенсором могут меняться и зависят, по крайней мере частично, от компонентов и связанных функций, содержащихся в устройстве управления сенсором. В основном, устройство управления сенсором включает в себя корпус, типично образованный в виде отдельного цельного блока, который располагается на коже пациента. Корпус типично содержит большую часть или все электронные компоненты устройства управления сенсором.
Корпус устройства управления сенсором может быть выполнен с использованием многих материалов, включая, например, пластик и полимерные материалы, особенно твердые термопластмассы и технические термопластмассы. Пригодные материалы включают в себя, например, поливинилхлорид, полиэтилен, полипропилен, полистирол, ABS полимеры и их сополимеры. Корпус устройства управления сенсором может быть выполнен с применением многих технических приемов, включая, например, литьевое формование, компрессионное формование, отливка и другие способы формования. В корпусе устройства управления сенсором могут быть выполнены полые или углубленные пространства. Электронные компоненты устройства управления сенсором и/или другие элементы, такие как батарея или динамик звукового аварийного сигнала, могут размещаться в полых или углубленных пространствах.
Устройство управления сенсором типично прикрепляется к коже пациента, например, посредством прилипания устройства управления сенсором прямо к коже пациента с помощью клея, предоставленного, по крайней мере, на части корпуса устройства управления сенсором, которая контактирует с кожей или посредством пришивания устройства управления сенсором к коже через шовные отверстия в устройстве управления сенсором.
По размещении на коже пациента, сенсор и электронные компоненты внутри устройства управления сенсором соединяются через соединительные контакты. Один или несколько рабочих электродов, противоэлектрод (или противоэлектрод/электрод сравнения), необязательный электрод сравнения, и необязательный датчик температуры присоединяют к отдельным соединительным контактам. Например, соединительные контакты предоставлены на внутренней стороне устройства управления сенсором. Другие варианты осуществления устройства управления сенсором имеют соединительные контакты, расположенные на внешней стороне корпуса. Расположение соединительных контактов таково, что они находятся в контакте с контактными площадками на сенсоре, когда сенсор правильно установлен в устройстве управления сенсором.
Электроника устройства управления сенсором
Устройство управления сенсором также типично включает в себя, по крайней мере, часть электронных компонентов, которые управляют сенсором и системой устройства мониторинга аналита. Электронные компоненты устройства управления сенсором типично включают в себя источник питания для работы устройства управления сенсором и сенсора, электрическую цепь сенсора для получения сигналов и работы сенсора, измерительный контур, который преобразовывает сигналы сенсора в желаемый формат, и цепь обработки данных, которая, как минимум, получает сигналы от электрической цепи сенсора и/или измерительного контура и предоставляет сигналы необязательному передатчику. В некоторых вариантах осуществления цепь обработки данных также может частично или полностью оценивать сигналы от сенсора и передавать результирующие данные необязательному передатчику и/или приводить в действие необязательную систему тревоги, если уровень аналита переходит пороговую величину. Цепь обработки данных часто включает в себя цифровые логические схемы.
Устройство управления сенсором необязательно может содержать передатчик для передачи сигналов сенсора или обработанных данных из цепи обработки данных в приемник/устройство отображения; запоминающее устройство для данных для временного или постоянного хранения данных из цепи обработки данных; цепь датчика температуры для управления датчиком температуры и приема сигналов от него; генератор опорного напряжения для предоставления опорного напряжения для сравнения с сигналами, генерируемыми сенсором; и/или цепь мониторинга, которая контролирует работу электронных компонентов в устройстве управления сенсором.
Кроме того, устройство управления сенсором также может включать в себя цифровые и/или аналоговые компоненты, использующие полупроводниковые устройства, такие как транзисторы. Для управления этими полупроводниковыми устройствами, устройство управления сенсором может содержать другие компоненты, включая, например, регулировку смещения generator, чтобы правильно подавать напряжение смещения на аналоговые и цифровые полупроводниковые устройства, осциллятор для обеспечения синхронизирующего сигнала и цифровой логический и синхронизирующий компоненты для обеспечения сигналов синхронизации и логических операций для цифровых компонентов цепи.
В качестве примера управления этими компонентами, электрическая цепь сенсора и необязательная цепь датчика температуры предоставляют измерительному контуру необработанные сигналы от сенсора. Измерительный контур преобразует необработанные сигналы в желаемый формат, используя, например, преобразователь «ток-напряжение», преобразователь «ток-частота» и/или двоичный счетчик или другой индикатор, который образует сигнал, пропорциональный абсолютному значению необработанного сигнала. Это можно использовать, например, для преобразования необработанного сигнала в формат, который можно использовать с помощью цифровых логических схем. Затем цепь обработки данных необязательно может оценивать данные и предоставлять команды для управления электроникой.
Калибровка
В основном, калибровка предпочтительно выполняется посредством измерения сигнала в определенный момент времени, означающего калибровку по одной точке, как описано в патенте США № 5593852.
В дополнение к передатчику, необязательный приемник может содержаться в устройстве управления сенсором. В некоторых случаях, передатчик представляет собой приемопередатчик, работающий и как передатчик и как приемник. Приемник можно использовать для приема калибровочных данных сенсора. Калибровочные данные можно использовать в цепи обработки данных для корректировки сигналов от сенсора. Эти калибровочные данные могут быть переданы приемником/устройством отображения или из какого-либо другого источника, такого как устройство управления в кабинете врача. Кроме того, необязательный приемник можно использовать для приема сигнала от приемника/устройств отображения, чтобы дать передатчику команду, например, изменить частоты или полосы частот, включить или выключить необязательную аварийную систему и/или дать передатчику команду передавать на более высокой частоте.
Калибровочные данные могут быть получены многими путями. Например, калибровочные данные могут просто представлять собой определенные на производстве калибровочные измерения, которые могут быть входными данными в устройство управления сенсором с использованием приемника или альтернативно могут храниться в калибровочном запоминающем устройстве для данных внутри самого устройства управления сенсором (в этом случае приемник может быть не нужен). Калибровочное запоминающее устройство для данных может представлять собой, например, читаемой или читаемой/записываемой запоминающей схемой.
Альтернативные или дополнительные калибровочные данные могут предоставляться на основании тестов, выполненных врачом или каким-либо другим специалистом или пациентом. Например, диабетики обычно определяют концентрацию глюкозы в своей собственной крови с помощью коммерчески доступных тестовых комплектов. Результаты этого теста представляют собой входные данные в устройство управления сенсором или напрямую, если подходящее устройство ввода (например, клавиатура, приемник оптического сигнала или порт для соединения с клавиатурой или компьютером) встроен в устройство управления сенсором, или опосредованно, посредством ввода калибровочных данных в приемник/устройство отображения и передачи калибровочных данных в устройство управления сенсором.
Для получения калибровочных данных также можно использовать другие способы независимого определения уровней аналитов. Этот тип калибровочных данных может заменить или дополнить определенные на производстве калибровочные значения.
В некоторых вариантах осуществления изобретения, калибровочные данные могут требоваться через периодические промежутки, например, каждые восемь часов, раз в день или раз в неделю, для подтверждения того, что сообщаются точные уровни аналитов. Также калибровка может требоваться каждый раз, когда имплантируют новый сенсор или если сенсор выходит за пределы минимального или максимального порогового значения или если темпы изменений роста в сигнале сенсора пересекают пороговое значение. В некоторых случаях прежде, чем калибровать может быть необходимо подождать некоторое время после имплантации сенсора, чтобы позволить сенсору достичь равновесия. В некоторых вариантах осуществления сенсор калибруют только после того, как его ввели. В других вариантах осуществления калибровка сенсора не требуется.
Устройство мониторинга аналита
В некоторых вариантах осуществления изобретения, устройство мониторинга аналита включает в себя устройство управления сенсором и сенсор. В этих вариантах осуществления, цепь обработки данных устройства управления сенсором способна определять уровень аналита и приводить в действие аварийную систему, если уровень аналита пересекает пороговое значение. В этих вариантах осуществления устройство управления сенсором имеет аварийную систему, и также может включать в себя дисплей, например, жидкокристаллический дисплей или дисплей на светоизлучающих диодах.
Пороговое значение пересекается, если точка данных имеет значение, которое находится за пределами порогового значения в направлении, указывающем на специфическое состояние. Например, точка данных, которая соответствует уровню глюкозы, равному 200 мг/дл, пересекает пороговое значение для гипергликемии, равное 180 мг/дл, потому что точка данных указывает на то, что пациент вошел в состояние гипергликемии. В качестве другого примера, точка данных, которая соответствует уровню глюкозы, равному 65 мг/дл, пересекает пороговое значение для гипогликемии, равное 70 мг/дл, потому что точка данных указывает на то, что пациент находится в гипогликемии, что определили с помощью порогового значения. Однако точка данных, которая соответствует уровню глюкозы, равному 75 мг/дл, не будет пересекать тоже самое пороговое значение для гипогликемии, потому что точка данных не указывает на специальное состояние, что определили с помощью выбранного порогового значения.
Также может быть приведена в действие тревога, если данные сенсора показывают значение, которое находится за пределами диапазона измерений сенсора. Для глюкозы физиологически значимый диапазон измерений типично составляет приблизительно от 50 до 250 мг/дл, предпочтительно приблизительно 40-300 мг/дл и идеально 30-400 мг/дл глюкозы в интерстициальной жидкости.
Аварийная система также может, или альтернативно, быть приведена в действие, когда темпы изменений роста или ускорение темпов изменений роста в уровне аналита увеличиваются или снижаются, достигая или пересекая пороговые значения темпа или ускорения. Например, в случае подкожного монитора глюкозы, аварийная система может быть приведена в действие, если темпы изменений роста в концентрации глюкозы пересекают пороговое значение, которые могут указывать на то, что вероятно наступление гипергликемического или гипогликемического состояния.
ПРИМЕРЫ
Следующие примеры предлагаются для того, чтобы предоставить дилетантам в данной области полное разглашение и описание того, как изготовить и использовать настоящее изобретение, и не предназначены для ограничения объема того, что изобретатели рассматривают в качестве их изобретения, также как не предназначены для того, чтобы показать, что приведенные ниже эксперименты - это все или только выполненные эксперименты. Чтобы обеспечить точность по отношению к использованным числам (например, количествам, температуре и т.д.) были предприняты усилия, но следует принимать во внимание некоторые экспериментальные ошибки и отклонения. Если не указано иначе, части представляют собой массовые части, молекулярная масса представляет собой средневзвешенную молекулярную массу, температура приведена в градусах Цельсия, и давление равно или близко к атмосферному.
Пример 1
Калибровочный эксперимент
В первом примере провели калибровочный эксперимент, в котором два сенсора (ПВП1 и ПВП2), обладающие ограничивающими диффузию мембранами, описываемыми в настоящем документе, тестировались одновременно, оба при 37°C. Мембраны изготовили из полимеров с вышеприведенной формулой III и сшивателей из диглицидилового эфира поли(этиленгликоля) (ПЭГДГЭ), с молекулярной массой примерно 650. В калибровочном эксперименте для каждого из ПВП1 и ПВП2 сенсоры поместили в PBS-буферизованный раствор (pH 7) и выходной постоянный ток каждого сенсора измеряли во времени (фиг.1) или в то время, как увеличивалась концентрация глюкозы (фиг.2). Определяли измеренные выходные постоянные токи (нА) для каждого из ПВП1 и ПВП2 и строили графики зависимости или от времени, как показано на калибровочном графике на фиг.1, или от концентрации глюкозы (мМ), как показано на калибровочном графике на фиг.2.
Как показано на фиг.2, калибровочная кривая для двух сенсоров, обладающих ограничивающими диффузию мембранами, описываемыми в настоящем документе, главным образом линейна на протяжении относительно большого диапазона концентраций глюкозы, например, от нуля приблизительно до 30 мМ, что показано с помощью линии, обеспечивающей наилучшее соответствие для сенсора ПВП1 (y=0,4318x+0,7613; R2=0,9967) и сенсора ПВП2 (y=0,4424x+0,3701; R2=0,9964). Этот результат показывает существенную чувствительность мембран к концентрации глюкозы при низкой, средней и высокой концентрации глюкозы и, что особо значимо, на верхнем крае клинически значимой концентрации глюкозы, примерно равной 30 мМ.
В том же эксперименте, время отклика мембран обсуждаемого изобретения сравнивали с полимерной мембраной, обладающей формулой V:
V.
В этом сравнении время отклика полимерной мембраны настоящего изобретения было значительно короче, что показано на фиг.6. Время отклика для мембраны обсуждаемого изобретения составило 55 секунд, тогда как таковое для мембран cnt11 и cnt12 составило 138 секунд. Это указывает на то, что мембраны настоящего изобретения преимущественно показывают более короткое время отклика, чем другие полимерные мембраны, используемые для тех же целей.
Пример 2
Эксперимент на стабильность
Во втором примере провели эксперимент на стабильность, в котором два сенсора, обладающих ограничивающими диффузию мембранами, тестировались одновременно при 37°C. Сенсоры обладали мембранами, изготовленными из того же полимера и того же сшивателя, как мембраны сенсоров, описанных выше в калибровочном эксперименте. В этом эксперименте на стабильность, каждый сенсор поместили в PBS-буферизованный раствор (pH 7) при различных концентрациях глюкозы, и выходной постоянный ток каждого сенсора измеряли или при комнатной температуре (КТ) или использовали после хранения в течение 1 недели при 56°C (56°C/1нед). Построили графики зависимости измеренных выходных постоянных токов (нА) от концентрации глюкозы (мМ), что показано на графике стабильности на фиг.3.
Как показано на фиг.3, кривая стабильности для двух сенсоров, обладающих ограничивающими диффузию мембранами, является главным образом линейной на протяжении относительно большого диапазона концентраций глюкозы, например, от нуля приблизительно до 30 мМ, что показано с помощью линии, обеспечивающей наилучшее соответствие для сенсора КТ (y=0,5535x+0,8031; R2=0,9952) и сенсора 56°C/1нед (y=0,6828x+1,183; R2=0,993). Этот результат демонстрирует значительную стабильность и надежность описываемых в настоящем документе сенсоров, оснащенных мембранами.
Пример 3
Оценка сенсоров, покрытых мембраной из ПВП, in vivo
Научное клиническое исследование, нацеленное на оценку сенсоров обсуждаемого изобретения, покрытых мембраной из ПВП (поливинилпиридин), при физиологических условиях. Как общая производительность, так и производительность 1 дня для ПВП сенсоров были наравне с другими стандартными сенсорами, и лучше, чем контрольные сенсоры («CTL»). Как было показано выше, в лабораторных тестах сенсоры с ПВП мембраной показали некоторые преимущества по отношению к современным мембранным сенсорам. Преимущества включают в себя более короткое время отклика, более тонкое мембранное покрытие и отсутствие необходимости в дополнительном синтезе. В этих клинических испытаниях 20 субъектов носили постоянный имплантируемый биосенсор для мониторинга глюкозы Abbott Diabetes Care Inc. Navigator™ в течение 2 эксплуатационных циклов по 168 на эксплуатационный цикл. Указанный биосенсор дополнительно описан в патентах США №№ 6284478 и 6329161, оба они включены в настоящий документ в качестве ссылки в полном объеме. При оценке точности, общая производительность (среднее абсолютное значение относительной разности («MARD»), %A и нижний край глюкозы) для ПВП сенсоров была лучше, чем для контрольных сенсоров, что показано ниже в таблице 1.
Данное выше только иллюстрирует принципы изобретения. Следует принимать во внимание, что специалисты в данной области смогут разработать различные приспособления, которые, несмотря на то, что они не описаны детально или не показаны здесь, воплощают принципы изобретения и содержатся в его духе и объеме. Кроме того, все изложенные здесь примеры и условные формулировки главным образом предназначены помочь читателю в понимании принципов изобретения и идей, пожертвованных изобретателями для развития области техники, и их следует понимать без ограничений для таких специально изложенных примеров и условий. Кроме того, все утверждения, рассказывающие здесь о принципах, аспектах и вариантах осуществления изобретения, а также их конкретные примеры, предназначены для охвата как структурных, так и функциональных их эквивалентов.
Дополнительно подразумевается, что такие эквиваленты включают как известные в настоящее время эквиваленты, так и эквиваленты, которые будут разработаны в будущем, т.е. любые разработанные элементы, которые выполняют ту же функцию, не обращая внимания на структуру. Поэтому объем настоящего изобретения не предназначен для ограничения образцовыми вариантами осуществления, показанными и описанными в настоящем документе. Вернее, объем и дух настоящего изобретения реализованы в прилагаемой формуле изобретения.
Группа изобретений относится к медицинской диагностике. Электрохимический сенсор содержит рабочий электрод, содержащий чувствительный слой в контакте с проводящим материалом электрода; ограничивающий диффузию мембранный слой, расположенный поверх чувствительного слоя, где ограничивающий диффузию мембранный слой содержит сшиватель и полимер, и противоэлектрод в электрохимическом контакте с рабочим электродом. Раскрыты электрод для использования в биосенсоре, ансамбль аналитического сенсора и способ мониторинга уровня аналита с применением ансамбля аналитического сенсора. Технический результат состоит в повышении чувствительности и стабильности и высоком отношении «сигнал/помеха». 4 з. и 42 н.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл., 3 пр.
1. Электрохимический сенсор, содержащий:
рабочий электрод, содержащий:
чувствительный слой в контакте с проводящим материалом электрода;
ограничивающий диффузию мембранный слой, расположенный поверх чувствительного слоя, где ограничивающий диффузию мембранный слой содержит сшиватель и полимер, характеризуемый формулой:
где сплошная горизонтальная линия обозначает главную цепь полимера и n представляет собой положительное целое число; и
противоэлектрод в электрохимическом контакте с рабочим электродом.
2. Электрохимический сенсор по п.1, где чувствительный слой рабочего электрода содержит чувствительный к глюкозе фермент.
3. Электрохимический сенсор по п.1, где чувствительный слой рабочего электрода содержит окислительно-восстановительный посредник.
4. Электрохимический сенсор по п.3, где окислительно-восстановительный посредник содержит комплекс, выбранный из группы, состоящей из рутений-содержащего комплекса и осмий-содержащего комплекса.
5. Электрохимический сенсор по п.3, где окислительно-восстановительный посредник является невымываемым по отношению к рабочему электроду.
6. Электрохимический сенсор по п.3, где окислительно-восстановительный посредник фиксирован на рабочем электроде.
7. Электрохимический сенсор по п.1, где полимер характеризуется формулой:
где n представляет собой положительное целое число.
8. Электрохимический сенсор по п.1, где сшиватель содержит поли(этиленгликоль).
9. Электрохимический сенсор по п.8, где поли(этиленгликоль) представляет собой диглицидиловый эфир поли(этиленгликоля).
10. Электрохимический сенсор по п.1, где ограничивающий диффузию мембранный слой ограничивает поступление глюкозы или лактата через себя.
11. Электрохимический сенсор по п.1, где ограничивающий диффузию мембранный слой ограничивает поступление глюкозы или лактозы через себя in vivo.
12. Электрод для использования в биосенсоре, содержащий:
чувствительный слой в контакте с проводящим материалом электрода, и ограничивающий диффузию мембранный слой, расположенный поверх чувствительного слоя, где ограничивающий диффузию мембранный слой содержит сшиватель и полимер, характеризуемый формулой:
где сплошная горизонтальная линия обозначает главную цепь полимера и n представляет собой положительное целое число.
13. Электрод по п.12, где чувствительный слой рабочего электрода содержит чувствительный к глюкозе фермент.
14. Электрод по п.12, где чувствительный слой рабочего электрода содержит окислительно-восстановительный посредник.
15. Электрод по п.14, где окислительно-восстановительный посредник содержит комплекс, выбранный из группы, состоящей из рутений-содержащего комплекса и осмий-содержащего комплекса.
16. Электрод по п.14, где окислительно-восстановительный посредник является невымываемым по отношению к рабочему электроду.
17. Электрод по п.14, где окислительно-восстановительный посредник фиксирован на рабочем электроде.
18. Электрод по п.12, где полимер характеризуется формулой:
где n представляет собой положительное целое число.
19. Электрод по п.12, где сшиватель содержит поли(этиленгликоль).
20. Электрод по п.19, где поли(этиленгликоль) представляет собой диглицидиловый эфир поли(этиленгликоля).
21. Электрод по п.12, где ограничивающий диффузию мембранный слой ограничивает поступление глюкозы или лактата через себя.
22. Электрод по п.12, где ограничивающий диффузию мембранный слой ограничивает поступление глюкозы или лактозы через себя in vivo.
23. Ансамбль аналитического сенсора, содержащий: электрохимический сенсор, содержащий гибкую подложку, содержащую (i), по меньшей мере, один рабочий электрод, содержащий чувствительный слой и ограничивающий диффузию мембранный слой, расположенный поверх чувствительного слоя, где ограничивающий диффузию мембранный слой содержит сшиватель и полимер, характеризуемый формулой:
где сплошная горизонтальная линия обозначает главную цепь полимера и n представляет собой положительное целое число, (ii), по меньшей мере, один противоэлектрод, и (iii), по меньшей мере, одну контактную площадку, соединенную с каждым рабочим электродом и противоэлектродом, где электрохимический сенсор приспособлен для имплантации части электрохимического сенсора, содержащей рабочий электрод и противоэлектрод, через кожу; и устройство управления электрохимического сенсора, содержащее
(i) корпус, приспособленный для помещения на кожу;
(ii) множество соединительных контактов, расположенных на корпусе и скомпонованных для соединения с контактными площадками электрохимического сенсора; и
(iii) радиочастотный передатчик, расположенный в корпусе и соединенный с множеством соединительных контактов для передачи данных, полученных при использовании электрохимического сенсора.
24. Ансамбль аналитического сенсора по п.23, где чувствительный слой рабочего электрода содержит чувствительный к глюкозе фермент.
25. Ансамбль аналитического сенсора п.23, где чувствительный слой рабочего электрода содержит окислительно-восстановительный посредник.
26. Ансамбль аналитического сенсора по п.25, где окислительно-восстановительный посредник содержит комплекс, выбранный из группы, содержащей рутений-содержащий комплекс и осмий-содержащий комплекс.
27. Ансамбль аналитического сенсора по п.25, где окислительно-восстановительный посредник является невымываемым по отношению к рабочему электроду.
28. Ансамбль аналитического сенсора по п.25, где окислительно-восстановительный посредник фиксирован на рабочем электроде.
29. Ансамбль аналитического сенсора по п.23, где полимер характеризуется формулой:
где n представляет собой положительное целое число.
30. Ансамбль аналитического сенсора по п.23, где сшиватель содержит поли(этиленгликоль).
31. Ансамбль аналитического сенсора по п.30, где поли(этиленгликоль) представляет собой диглицидиловый эфир поли(этиленгликоля).
32. Ансамбль аналитического сенсора по п.23, где ограничивающий диффузию мембранный слой ограничивает поступление глюкозы или лактата через себя.
33. Ансамбль аналитического сенсора по п.23, где ограничивающий диффузию мембранный слой ограничивает поступление глюкозы или лактозы через себя in vivo.
34. Способ мониторинга уровня аналита с применением ансамбля аналитического сенсора по п.23, причем способ включает: введение электрохимического сенсора в кожу пациента;
прикрепление устройства управления электрохимического сенсора к коже пациента;
соединение множества соединительных контактов, расположенных в устройстве управления сенсором, с множеством контактных площадок, расположенных на сенсоре;
сбор данных с использованием устройства управления сенсором относительно уровня аналита на основании сигналов, генерируемых сенсором;
передачу собранных данных устройству отображения с использованием радиочастотного передатчика устройства управления сенсором и отображение показания уровня аналита на дисплее устройства отображения.
35. Способ по п.34, где аналит представляет собой глюкозу.
36. Способ по п.34, где полимер характеризуется формулой:
где n представляет собой положительное целое число.
37. Способ по п.34, где сшиватель содержит поли(этиленгликоль).
38. Способ по п.37, где поли(этиленгликоль) представляет собой диглицидиловый эфир поли(этиленгликоля).
39. Способ по п.34, где сбор данных включает генерирование сигналов от сенсора и переработку сигналов в данные.
40. Способ по п.34, где в данные включены сигналы от сенсора.
41. Способ по п.34, дополнительно включающий в себя приведение в действие сигнала тревоги, если данные указывают на состояние тревоги.
42. Способ по п.34, дополнительно включающий в себя введение лекарственного средства в ответ на данные.
43. Способ по п.42, где лекарственное средство представляет собой инсулин.
44. Способ по п.43, дополнительно включающий в себя получение калибровочного значения от калибровочного устройства с целью калибровки данных.
45. Способ по п.44, где калибровочное устройство соединено с устройством отображения.
46. Способ по п.45, дополнительно включающий в себя передачу калибровочного значения от передатчика в устройстве отображения на приемник в устройстве управления сенсором.
| US 6565509 В1, 20.05.2003 | |||
| Способ обработки целлюлозных материалов, с целью тонкого измельчения или переведения в коллоидальный раствор | 1923 |
|
SU2005A1 |
| ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ УЗЕЛ АМПЕРОМЕТРИЧЕСКОГО БИОДАТЧИКА | 1993 |
|
RU2115113C1 |
| ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ГЛЮКОЗЫ | 1994 |
|
RU2076316C1 |
| ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ | 2000 |
|
RU2243545C2 |
