JPH0334742B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「発明の目的」 ［産業上の利用分野］ この発明は、神経刺激、筋肉刺激などにより生
体機能を補償するための電気刺激装置に用いる生
体内植え込み用刺激電極に関する。特に、生体物
質の酸化還元反応を伴うことなく生体に電気刺激
を与え得る電極に関する。

［従来の技術］ 神経に電気刺激を与えることによつて筋肉を収
縮せしめ得ることは、古くガルバーニの実験以来
知られているところである。この原理にもとづい
て、制御された電気刺激を生体に与え生体機能の
補償を図る試みが近年盛んになつてきている。た
とえば、心臓ペースメーカー、横隔膜神経の刺激
による呼吸ペースメーカー、四肢の末梢神経や筋
肉の刺激による四肢の運動の駆動ならびに制御、
神経炎性硬化症患者のための脊髄神経刺激、蝸牛
中に植え込む人工内耳などである。これらのなか
には実用化段階に到達しているものもある。

電気刺激を与えるにあたつては体外に配置した
皮膚電極を用いる方法もあるが、必要な刺激部位
のみを選択的に刺激するためには電極を体内に植
え込む方式がすぐれている。このための電極は、
生体適合性ならびに耐食性を有することが要求さ
れるので、白金、イリジウム、ロジウム等貴金属
系合金が主として用いられてきた。

これらの貴金属を電極として用い電流を流すと
き、金属中は電子によつて電流が運ばれるが、生
体内においてはイオンによつて電流が運ばれるの
で、電極表面における二重層容量の充放電を除け
ば、電極表面において電子の授受が行なわれるの
を避けることができない。すなわち、陽極表面に
おいては電極は生体系より電子を受け取つて生体
物質を酸化し、陰極表面では生体系に電子を与え
て生体物質を還元する。このとき反応生成物が生
体の組織中で好ましからざる化学反応をひきおこ
し、何らかの損傷を与えるおそれがある。また、
カソード上で水素ガスの発生した場合にはその周
辺のPHの変化をひきおこすおそれがある。これら
の化学的副作用に対しては従来からも検討が加え
られており、このための対策として、 (1) 電気刺激を図１に示した正逆両方向に引きつ
づいた定電流矩形波パルスとして与え、正・逆
両方向に同じだけの電気量を流して、酸化還元
反応による生成物をを相殺する方法（以下定電
流相殺パルス法という）。

(2) 生理食塩水を満たしたカプセル中に電極を封
入し、カプセルに開けた小孔を通じて電流を流
す方法（以下カプセル電極法という）。

(3) 電極表面をチタン酸バリウムなどの誘電体で
被覆したいわゆる容量性電極を用いる方法（以
下容量性電極法という）。

の方法が提案されてきている。

(1)の定電流相殺パルス法は電流刺激の方法とし
て現在広く用いられている刺激方法であるが、多
種類の生体物質が電極反応に関与し、かつ、それ
らの電極反応は殆どの場合不可逆的であるために
陽極反応によつて酸化生成した物質を陰極反応時
に還元し尽くすことはできず、電極における酸化
還元反応に伴う副作用を完全には除去できない。

(2)のカプセル電極法においては、上に述べた化
学反応に伴う副作用の防止には有効であるが、カ
プセルが大型化せざるを得ないためにこれを植え
込み電極として実用化するには難がある。

(3)の容量性電極においては、電極表面において
電極反応を起こさせるかわりに、生体と誘電体と
の界面にイオンを吸・脱着させ、金属と誘電体と
の界面に電子あるいは陽孔を蓄積することによつ
て刺激に必要な電気量を蓄えようとするもので、
生体物質と金属中の電子との接触が断たれている
ために生体物質の酸化還元反応を引きおこすこと
はない。しかしこの場合、電極表面に蓄積し得る
電荷量は数十μC／cm²程度が限度であり、刺激パ
ルスにおける通電電気量を大きくしようとすると
表面積の大きい電極を採用せざるを得ないので、
実用化にあたつては小型化のうえで難がある。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、電子導電性を有する電極と生体物質
との接触を断ち、電極反応に生体物質が関与する
ことによつてもたらされる生体物質の酸化還元反
応およびその生成物によつてもたらされる副作用
を伴うことなく、生体に電気刺激を与えることの
できる生体刺激電極を提供しようとするものであ
る。特に、電極の単位表面積あたりの蓄積荷電量
を飛躍的に増大させ、電極の小型化を可能とする
生体刺激電極を提供しようとするものである。

「発明の構成」 ［問題点を解決するための手段］ 本発明者は、上記の問題を解決するために、生
体刺激電極において、酸化還元反応に関与する化
学物質（以下電極活物質という）をイオン導電性
を有する隔膜（以下固体電解質膜という）によつ
て被膜することを特徴とする電極を提供した。す
なわち、第２図に模式的に示したように、外部電
源から電流を供給するための金属導電体基板１の
上に電極活物質２を載せ、これを固体電解質膜３
によつて被覆した構造の電極である。金属導電体
基板は電極活物質によつて完全に覆われているこ
とが望ましいが、部分的に固体電解質膜と接触し
ていてもかまわない。

電極活物質は、酸化体、還元体の双方より構成
されている必要があり、かつ、固体電解質膜を透
過してくるイオンとの電極反応が可逆的であるこ
とが望ましい。酸化体、還元体の混合物によつて
電極活物質を構成した時は、それらのいずれも不
溶性物質であることが望ましく、還元体を金属と
すれば酸化体としてはその酸化物、水酸化物ある
いはハロゲン化物等が考えられ、原子価の異なる
同一金属化合物の組み合せも考えられる。

電極活物質を単一物質で構成する時には、ポリ
ピロール等の電気化学ビーピングによつて得られ
る高分子電極や、混合原子価化合物、たとえば
A_xBO₃の一般式であらわされるいわゆるブロン
ズ酸化物やFe_3-xO₄などの非化学量論化合物を用
いることもできる。

固体電解質膜としては、イオン交換膜や、ポリ
エチレンオキサイド−ハロゲン化アルカリ系化合
物を等の高分子電解膜の他に、NASICON
（Na₃Zr₂PSi₂O₁₂）をはじめとするセラミツク固
体電解質を用いることもできる。

［作用］ 本発明における固体電解質膜の作用は、生体物
質を酸化還元反応の場である電子導電性の電極表
面から隔離すると同時にイオン電流を生体に与え
るという一見矛盾した役割をになう点にある。

この点につき以下詳説する。刺激電極に電流パ
ルスを与え生体内に電流を流すとき、導線から電
極までは電子によつて電流が運ばれる。生体内部
では、主としてナトリウムイオンおよび塩素イオ
ンによつて電流は運ばれる。電子電流からイオン
電流への転換は電極においてなされるが、その際
陽極においては反応物質は酸化されて電極が電子
を受けとり、陰極においては電極から電子が与え
られて反応物質は還元される。通電に伴う酸化還
元反応は電極反応においては不可避のものであ
り、アルコルビン酸やNADHなどの生体物質が
通電中の電極に接触すれば容易に酸化還元を受け
る。

従つて、電極表面を何らかの被膜で被覆し、生
体物質と電極との接触を遮断すれば生体物質を酸
化還元の場から隔離できるのであるが、この被膜
を通して電流を流す必要があり、かつ、この被膜
は電子導電性を有してはならない。もし、電子導
電性皮膜を用いた場合には、その皮膜表面が新し
い電極反応の場を提供することになる。

このための目的に用い得るものとして、先に述
べた容量性電極の他には、イオン導電性を有する
固体膜、すなわち固体電解質膜がある。

以上述べたところからも明らかな如く、電極活
物質は、自らが電子の授受により酸化還元反応を
行ない、酸化還元反応に関与するイオンを放出、
または、とり込む。このとき、反応に関与するイ
オン種は固体電解質中を流れるイオン種と同一で
あることが望ましいが、同一であることを必要と
するわけではない。

電極表面に蓄積し得る荷電量は、電極活物質の
おこなう電極反応の特性、ならびに、電極活物質
の量によつて定まる。この目的には、通常の化学
電池におけるごとく、酸化体、還元体の混合物を
用いることができる。たとえば、金属Ｍとその酸
化物MOの微粉体混合物よりなる電極活物質の場
合には、電極反応は次式で表わされる。

MO＋H₂O＋e^-＝Ｍ＋20H^- 静電的に電荷を蓄積するコンデンサに比較して
化学電池の方が、遥かに大量の電気量を蓄積し得
ることは良く知られている。上記酸化体、還元体
の混合物よりなる電極活物質は、通常の化学電池
と同様に化学物質の形で電気を蓄えるものであ
り、酸化体あるいは還元体が消費され尽くすまで
は電気を蓄えられるので、前記カプセル電極法、
容量性電極等に比して高密度に電気を蓄積する作
用を異たす。

電極活物質としては、酸化体と還元体の混合物
以外にも、非化学量論組成を持つ化合物を用いる
こともできる。リチウム電池の電極活物質として
MoS₂のLiインターカレーシヨン化合物の採用が
検討されているが、この場合と全く同形式の電極
反応の採用が可能である。すなわち、電子導電性
をもつマトリツクスＢが金属イオンＭをインター
カレーシヨンによつて取り込むことが可能であ
り、非化学量論理組成化合物M_xＢを生成すると
き、次の反応を利用した電極を構成することが可
能である。

xM⁺＋M_yＢ＋e^-＝M_x+yＢ この場合には、蓄積可能電気量は非化学量論組
成範囲ならびに、化学拡散係数の大きさによつて
定まるが、前記カプセル電極法、容量性電極等に
比して高密度に電気を蓄積することが可能であ
る。

［実施例］ 実施例 １ 図２は、白金基板１の上に鉄粉、ならびに、水
酸化第一鉄混合物をポリビニルアルコール水溶液
で混練後、電極活物質２として塗布した後、陽イ
オン交換膜を固体電解質膜３として被覆した電極
である。

代表的な各層の厚みは 電極活物質 20μm 陽イオン交換膜 10μm である。

図２の電極を一対電解槽中に対向せしめ、生理
食塩水中で過電圧0.6Vの条件で定電位電解を行
ない電流値を観測して通電可能電気量を測定した
ところ、20mC／cm²の電気量密度での通電が可能
であつた。

実施例 ２ 実施例１と同様の構成を用い、電極活物質とし
てタングステンブロンス（Na_xWO₃）を白金基板
１の上にスパツタ蒸着を行ない、陽イオン交換膜
で全体を被覆した電極を構成した。代表的な各層
の条件は、 電極活物質 タングステンブロンス（ｘ＝0.7）500nm 陽イオン交換膜 10μm であつた。立方晶タングステンブロンスはｘ＝
0.4〜1.0まで連続的に可変である非化学量論理組
成を有する電子導電体である。

陽イオン交換膜を生理食塩水中においてNa⁺置
換体とし、実施例１と同様に通電可能電気量を測
定したところ、50mC／cm²まで通電が可能であつ
た。

実施例 ３ 実施例１、２と同様に図２の白金基板１の上に
アモルフアス三酸化タングステンを電極活物質２
として真空蒸着せしめ、ポリエチレンオキサイド
−NaCl系高分子固体電解質膜３を真空蒸着せし
めて被覆して得た電極を構成した。

代表的な各層の厚みは、 アモルフアス三酸化タングステン 500nm ポリエチレンオキサイド 2μm である。

アモルフアス三酸化タングステンが xNa′＋WO₃＋e^-→Na_xWO₃ （ｘ＜0.3） なる反応によつてNaのインターカレーシヨン反
応を起こすことは広く知られていおり、上記反応
によつて電極反応は進行する。

この電極を用いて実施例１、２と同様に通電可
能電気量を測定したところ、20nC／cm²まで通電
が可能であつた。

「発明の効果」 本発明による生体刺激電極により、 (1) 生体物質を電極反応の場から遮断し、生体物
質の酸化還元反応を伴う事なく生体に電気刺激
を与えることの出来る電極を提供出来たこと。

(2) 電極の単位表面積あたり蓄積可能電荷量の飛
躍的な増大により、小型で高性能の電極を提供
出来たこと。

における顕著な技術的効果が得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、定電流相殺パルス法における電流と
時間の関係を示したものであり、正負両方向に引
き続いた矩形波パルスを表わしている。第２図、
本発明の生体刺激電極の構造を示す模式断面図で
ある。 主要な部分の符号の説明、１…金属導電体基
板、２…電極活物質、３…固体電解質膜。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電子導電性を有する酸化体、還元体の混合物
   よりなる電極活物質、あるいは電子導電性を有す
   る非化学量論化合物よりなる電極活物質の表面
   を、固体電解質膜によつて被覆した構造を有する
   ことを特徴とする生体刺激電極。