生体適用可能な導電性粘着剤の実現

２．導電性粘着剤について

上述した生体導通素材が有する課題を背景に、当社は大阪大学 産業科学研究所 荒木准教授を代表とする研究チームとの共同研究開発を経て、生体適用可能な導電性粘着剤を開発しました。

（１）概要

この導電性粘着剤は、厚みが5μm～50μmと極めて薄く、不織布やフィルムなどの芯材を用いない粘着剤の単膜であることから、伸縮可能な超柔軟性を備えるとともに複雑な形状加工にも対応できます。
また、この導電性粘着剤は、生体親和性の高いアクリル系粘着樹脂の母材に導電性ポリマー：PEDOT/PSS（参考1）を添加・混合することで製作され、これを当社生体電極に組み込むことで、生体に対する密着性と生体導通機能を両立しました。
なお、PEDOT/PSSは元来、フレキシビリティを有する透明導電膜として利用されてきましたが、近年では生体親和性も認められるようになっており、生体電極や配線などの用途としての期待が高まっているものです。

参考1：奥崎秀典：PEDOT の材料物性とデバイス応用, S&T出版, 応用物理第83巻, 第10号（2014）

（２）製法

PEDOT/PSSを工業利用する際には、PEDOT/PSS原料粉末を水やアルコールで溶解した溶液として調達することが現実的です。一般的に、このPEDOT/PSS溶液は、キャリアフィルム上に塗膜化されフレキシブルな透明導電膜として利用されていますが、当社では、このPEDOT/PSS溶液をアクリル系粘着剤に添加することによって導電性粘着剤を構成しました。このとき、アクリル系粘着剤の塗材に溶剤希釈系のものを適用すると、水系性質に近いPEDOT/PSS溶液が分離します。このため、当社の導電性粘着剤は、アクリル系粘着塗材に水系希釈のものを用いることで、PEDOT/PSS溶液を高分散させかつ分離抑制を図っています。
アクリル系粘着塗材は固形分と水混合されたものであり、この時点で粘着塗材としての粘度は低いです。また、PEDOT/PSS溶液についても、その粘度は水に近く、PEDOT/PSS溶液を原液のまま添加すれば、導電性粘着剤の塗材粘度がさらに低下し塗膜表面にハジキやピンホールなどの外観欠陥が生じやすくなります。これを解決するために当社は、PEDOT/PSS溶液の粘度および導電性を高めた状態で添加するといった手法を採りました。この処方によって導電性粘着塗材を製作した後、キャリアフィルム上に該導電性粘着剤を塗工し、その後乾燥・加熱硬化処理を行うことで、導電性粘着剤のテープロールを完成しました。

（３）導電機構

共同研究開発者である大阪大学 荒木准教授によれば、完成した導電性粘着剤をレーザラマン顕微鏡で観察すると、導電成分として添加されているPEDOT/PSSがサブミクロンサイズの粒子としてアクリル系粘着樹脂中に分散しながら互いにネットワークを形成し、この間を電子が移動することで導通機構が構築されると述べています（参考2）。前出の通り、ナトリウム系電解質を含有する前出の導電性クリームやハイドロゲルは湿式電極（ウェット電極）と呼ばれますが、当社の導電性粘着剤は電解液の含有はなく、乾式電極（ドライ電極）の位置づけとなります。

参考2：Teppei Araki et al.：Skin-Like Transparent Sensor Sheet for Remote Healthcare Using Electroencephalography and Photoplethysmography, ADVANCED MATERIALS TECHNOLOGY, Volume7, Issue11 (2022)

（４）特性・機能

当社の導電性粘着剤は、生体電極と組み合わせることで該生体電極を生体に密着固定するものであることから、生体に対する粘着性は重要な物性となります。一方で、被着対象となる生体は、生体電極を取り付ける場所によって、乾燥していたり発汗しやすい状態であったり、皮脂が生じやすかったりとさまざまです。当社導電性粘着剤は、これら被着対象に対応可能なように粘着剤の厚みの制御で粘着性を変化させています。粘着性の評価においては、肌表面の個体差が大きい生体を対象とした場合には定量性が低いことから、被着代替材を用いました。一例として、導電性粘着剤を5μm～80μmの厚みに調整し、基材となるPETフィルム（厚み25μm）に貼り合わせて試験片を作製しました。これを救急絆創膏自主規格/5-1-5粘着力試験/第一法（参考3）に従い粘着力を評価しました。上記規格によれば、絆創膏としての粘着力は1.47N(/12mm)以上とされていますが、結果、当社の導電性粘着剤は5μmの厚みの粘着力が1.92Nであり、50μmでは14.59N、さらに80μmでは21.48Nと、規格に満足するとともに導電性粘着剤の厚みが増すほどに粘着力の増強が認められました（図２）。上記評価における試験片の被着体はフェノール樹脂製の試験板としましたが、被験者による感応評価も行ったところ、厚み50μm以下では試験片の十分な生体密着性が得られつつ、評価後に生体から剥離を行う際の異状はなかったものの、厚み80μmでは生体からの剥離時に皮膚が引っ張られ、軽度の角質剥がれとともに痛みを感じるとの結果となりました。このことから、当社導電性粘着剤は現状、50μm以下の厚みを標準としています。

参考3：一般社団法人 日本衛生材料工業連合会 全国救急絆創膏工業会：救急絆創膏自主基準, 改定第２版 (2013)

次いで、電気特性については市販の生体電極がその性能表示の際に引用しているANSI/AAMI EC12試験規格を参考に、ACインピーダンス、オフセット電圧、オフセット変動と内部雑音電圧の3項目について評価しました。当該評価では、生体電極の上に導電性粘着剤（厚みは20μm）を組み付けたものの上から、金めっき処理された電極パッドを貼合するといった構造で評価を行いました（図３）。これによって得られる評価結果は、ACインピーダンス：10Ω以下（規格値：2kΩ以下）、オフセット電圧：0.001mV以下（規格値：100mV以下）、オフセット変動および内部雑音電圧：25μV以下（規格値：150μV以下）といずれにおいても規格値を満足しました。

（５）生物学的安全性

当社の導電性粘着剤を生体に適用していくことを考慮し、ISO-10993規格に準拠した生物学的安全性評価として、皮膚刺激性，皮膚感作性，細胞毒性の3項目について評価を実施しました。試験に投じた導電性粘着剤の厚みは20μmです。
評価の結果、皮膚刺激性および皮膚感作性について「安全品」の判定となり、細胞毒性については複数回の試験を実施し「毒性なし」もしくは「低度の毒性」が認められました。また、これに合わせてパッチ試験も実施しました。当社導電性粘着剤をパッチ検体とし、男女20名からなる被験者に対して24時間の閉塞貼付を行い、剥離した後の皮膚異常について調べたところ、いずれの被験者においても皮膚異常はなく安全品の判定でした。上記結果を鑑みると、当社導電性粘着剤を組み込んだ生体電極は、健常皮膚への貼付の範囲で問題なく使用することができるものと考えます。