TW202227153A - 乾式刺激電極 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種包含離子導電壓敏黏著劑組合物之刺激電極，該組合物包含a) (甲基)丙烯酸酯樹脂，其包含按該(甲基)丙烯酸酯樹脂之總重量計，至少10重量%之包含OH基團的(甲基)丙烯酸酯單體；及b)離子液體。根據本發明之刺激電極係用於經由皮膚將電信號傳遞至身體之皮膚應用。

Description

乾式刺激電極
本發明係關於一種包含離子導電壓敏黏著劑之刺激電極，該黏著劑允許延長刺激時間而不刺激皮膚及損失信號品質。
各種電極用於提供電刺激。術語電刺激在本文中意謂電信號經由皮膚傳遞至身體之任何應用。此類應用之實例為透皮神經電刺激(TENS)、肌肉電刺激(EMS)、功能性電刺激(FES)、傷口護理、電外科、去顫、皮膚電活動(EDA)及全身電傳導。
與量測生物信號相比，電刺激之特徵可在於具有顯著高之電流。然而，高局部電流密度可令人感覺不舒服或甚至引起疼痛及損傷，因此應使用更高電極區域，尤其對於刺激需要更高電流進行刺激之更深部位肌肉。較大電極區域顯然對於電流分佈更為關鍵，因為導電層之電阻將更為關鍵。此外，高局部電流密度可由皮膚電阻(例如毛囊、汗腺)的不相似性引起。
對於許多刺激應用，將電極長時間保留在身體上亦為有益的(例如TENS及傷口護理)。當前使用之電極經由凝膠連接至皮膚，凝膠充當電解質且將信號傳遞至身體。然而，其會隨時間推移而變乾，且因此不能用於長時間刺激。當前可用電極通常不建議使用長於24小時。另外，其儲存時間不長，大部分情況開封後最長一個月。另外，其需要防止其變乾之特殊包裝。
許多當前使用之凝膠電極可使用超過一次，以節約材料及成本，然而，電極中之凝膠在數次使用後會變髒，且此在醫院環境及物理治療實踐中係不可接受的。此外，高水含量為此等凝膠電極往往會變乾的原因之一。當水含量降低時，信號品質亦降低，且因此凝膠電極對於長期使用而言係不理想的(最多三天)。
當前市場上的一些刺激電極經由凝膠型黏著劑附著於皮膚。此等電極不需要額外皮膚黏著劑，因為凝膠本身黏著於皮膚。然而，此等電極在使用數次時亦變髒，如上文所提及此係不可接受的。另外，此類型之凝膠經長時間使用會變乾。乾燥問題之解決方案為在電極區域上分佈一些額外凝膠以改良功能性。
因此，需要用於刺激應用之電極，其可使用一週而不損失信號或黏著力，同時提供良好的電流分佈且不變乾或使皮膚敏感或刺激。
本發明係關於一種包含離子導電壓敏黏著劑組合物之刺激電極，該組合物包含a) (甲基)丙烯酸酯樹脂，其包含按該(甲基)丙烯酸酯樹脂之總重量計，至少10重量%之包含OH基團的(甲基)丙烯酸酯單體；及b)離子液體。
本發明亦關於根據本發明之刺激電極用於皮膚應用之用途，經由皮膚將電信號傳遞至身體。
本發明更詳細地描述於以下段落中。除非相反地清楚指示，否則如此描述之各態樣可與任何其他態樣組合。特定言之，任何指示為較佳或有利之特徵可與任何其他指示為較佳或有利之特徵組合。
在本發明之上下文中，除非上下文另外規定，否則所使用之術語根據以下定義加以解釋。
除非上下文另外清楚地規定，否則如本文所使用之單數形式「一(a/an)」及「該」包括單數個及複數個提及物。
如本文中所使用之術語「包含(comprising/comprises)」及「由……構成」與「包括(including/includes)」或「含有(containing/contains)同義，且為包容性或開放式的且不排除其他未列舉之成員、要素或方法步驟。
如本文所使用，術語「 由……組成」排除未指定之任何要素、成分、成員或方法步驟。
數值端點之敍述包括歸入各別範圍內之所有數字及分數，以及所敍述之端點。
除非另外指明，否則本文提及之所有百分比、份數、比例及其類似者均以重量計。
當量、濃度或其他值或參數以範圍、較佳範圍或較佳上限值及較佳下限值之形式表示時，應瞭解特定揭示藉由將任何上限或較佳值與任何下限或較佳值組合所獲得之任何範圍，而不考慮所獲得之範圍是否清楚地在上下文中提及。
在本說明書中所引用之所有參考文獻以全文引用之方式併入本文中。
除非另外定義，否則用於揭示本發明之所有術語，包括技術及科學術語，均具有如本發明所屬領域之一般熟習此項技術者通常所理解的含義。藉助於進一步引導，包括術語定義以更好地理解本發明之教示內容。
根據本發明之乾式刺激電極包含具有低阻抗、良好電流分佈及良好皮膚相容性之離子導電壓敏黏著劑(PSA)。
本發明係關於一種無需凝膠或水凝膠之刺激電極，因此術語「乾式電極」亦用於根據本發明之刺激電極。
術語乾式刺激電極在本文中意謂不含大量溶劑且不含水之電極。根據本發明之乾式刺激電極包含小於黏著劑總重量之1%的溶劑，較佳小於0.1%且更佳小於0.01%。
根據本發明之乾式刺激電極提供長期使用刺激之解決方案，其中長期使用為可能的，具有穩定的阻抗及黏著。與當前市場上之凝膠型電極相比，其不會變乾且其不會導致皮膚刺激。根據本發明之乾式電極具有較長的儲存期限，且即使在打開封裝之後亦可儲存電極。此外，根據本發明之乾式電極提供舒適性，因為與相對較重且使皮膚腫脹之目前先進技術凝膠電極相比，非常薄的乾式層使得吾人感覺不到電極的存在。與薄的可撓性且可透氣的基材(如聚胺基甲酸酯膜)組合，根據本發明之電極將允許舒適的連續長期應用。
電流分佈對於刺激電極至關重要。不良電流分佈意謂通常所需之高電流僅經由電極上接近饋料點的小區域饋入至身體中，從而產生高局部電流密度。高電流密度可能在饋入點引起局部疼痛，而遠離饋入點之電極部分可能由於電流密度較低而僅具有降低之功能性。電流密度為影響刺激舒適度的主要因素。
與皮膚直接接觸之黏著劑或凝膠層之阻抗為電流密度之一個主要因素。一般而言，電流分佈藉由增加皮膚接觸層之阻抗及減少皮膚接觸層下方之導電層之阻抗而改良。標準凝膠黏著劑之阻抗比根據本發明之乾式黏著劑低。較低阻抗需要包含諸如Ag或Ag/AgCl之高品質導體之高度導電層，以確保整個電極區域上方之電流密度相近。另一方面，皮膚接觸層中之高阻抗材料改良電流分佈，但導致歐姆損失，使得刺激裝置(例如TENS裝置)效率更低。在根據本發明之乾式刺激電極中，皮膚接觸層之阻抗接近皮膚阻抗，使得即使在電極層具有極低電導率時，仍在低耗損接觸與良好電流分佈之間取得極佳折衷。因此，根據本發明之離子導電壓敏黏著劑可與較低導電層組合，例如與通常用於具有凝膠黏著劑之刺激電極中之高度導電Ag層相比便宜得多的碳層。凝膠皮膚接觸層之相對較高導電性需要下方的高度導電層，以確保良好的電流分佈，從而確保整個電極區域上之恆定信號。
本發明中所用之離子導電壓敏黏著劑係基於具有高透氣性之基於極性溶劑之丙烯酸壓敏黏著劑及無毒、無刺激性離子液體，其產生離子導電性及電極中之良好電流分佈，同時對皮膚不均勻性之敏感性低。此外，根據本發明之PSA的阻抗足夠低，無需添加水以防止高歐姆損失。
更特定言之，本發明係關於一種乾式刺激電極，其包含a)包含(甲基)丙烯酸酯樹脂之離子導電壓敏黏著劑組合物，該樹脂包含含有OH基團(羥基)之(甲基)丙烯酸酯單體及離子液體；b)導電層，其與該導電壓敏黏著劑層接觸；c)視情況選用之基材，其與該導電層接觸；d)視情況選用之離型襯墊，其與該導電壓敏黏著劑層接觸；及e)視情況選用之該電極與刺激裝置之間的觸點。
根據本發明之乾式刺激電極包含離子導電壓敏黏著劑。
根據本發明之離子導電壓敏黏著劑組合物包含(甲基)丙烯酸酯樹脂，其包含按(甲基)丙烯酸酯樹脂之重量計至少10重量%之包含OH基團之(甲基)丙烯酸酯單體。
適用於本發明之(甲基)丙烯酸酯樹脂較佳由選自由以下組成之群的單體形成：丙烯酸羥乙酯、丙烯酸羥丙酯、丙烯酸羥丁酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸乙基己酯、丙烯酸、(甲基)丙烯酸C1-C18烷基酯、(甲基)丙烯醯胺、乙酸乙烯酯、N-乙烯基己內醯胺、丙烯腈、乙烯基醚、(甲基)丙烯酸苯甲酯、(甲基)丙烯酸環己酯、(甲基)丙烯酸縮水甘油酯及其混合物，較佳由選自由以下組成之群的單體形成：丙烯酸羥乙酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸乙基己酯及其混合物，且更佳地，該(甲基)丙烯酸酯樹脂係由丙烯酸羥乙酯、(甲基)丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯及丙烯酸乙基己酯形成。
適用於本發明之市售(甲基)丙烯酸酯樹脂包括但不限於來自Henkel之Loctite DURO-TAK 222A、Loctite DURO-TAK 87-202A、Loctite DURO-TAK 87-402A、Loctite DURO-TAK 73-626A。
本申請人已發現，包含(甲基)丙烯酸酯樹脂之PSA (該樹脂包含至少10%之包含OH基團之(甲基)丙烯酸酯單體)提供良好阻抗，電極不會變乾，且其可用於較長時段刺激(較高之OH含量提高聚合物之水蒸氣穿透率，其有助於增加透氣性及延長佩戴時間)。
較佳地，該(甲基)丙烯酸酯樹脂中之該包含OH基團之(甲基)丙烯酸酯單體的含量為該(甲基)丙烯酸酯樹脂之總重量的至少15重量%，較佳至少20重量%，更佳至少25重量%，且最佳至少30重量%，但不超過65重量%，較佳不超過60重量%，更佳不超過55重量%，且最佳不超過50重量%。
當該(甲基)丙烯酸酯樹脂中包含OH基團之(甲基)丙烯酸酯單體大於(甲基)丙烯酸酯樹脂之總重量之65%時，較高OH基團含量可不利地影響黏著特性。
用於根據本發明之刺激電極中之離子導電壓敏黏著劑組合物可包含該組合物之總重量之10至99重量%、較佳25至98重量%且更佳50至95重量%之該(甲基)丙烯酸酯樹脂。
較低(甲基)丙烯酸酯樹脂量可能導致不良黏著特性且對成膜特性不利，而過高量可能導致不良導電性。
根據本發明之離子導電壓敏黏著劑組合物包含離子液體，較佳為產生離子導電之無毒、無刺激性離子液體。
更特定言之，根據本發明之離子導電壓敏黏著劑組合物包含選自由以下組成之群的離子液體：乙酸咪唑鎓、磺酸咪唑鎓、氯化咪唑鎓、硫酸咪唑鎓、磷酸咪唑鎓、硫氰酸咪唑鎓、二氰胺咪唑鎓、苯甲酸咪唑鎓、三氟甲磺酸咪唑鎓、三氟甲磺酸膽鹼、糖精膽鹼、胺磺酸膽鹼、乙酸吡錠、磺酸吡錠、氯化吡錠、硫酸吡錠、磷酸吡錠、硫氰酸吡錠、二氰胺吡錠、苯甲酸吡錠、三氟甲磺酸吡錠、乙酸吡咯錠、磺酸吡咯錠、氯化吡咯錠、硫酸吡咯錠、磷酸吡咯錠、硫氰酸吡咯錠、二氰胺吡咯錠、苯甲酸吡咯錠、三氟甲磺酸吡咯錠、乙酸鏻、磺酸鏻、氯化鏻、硫酸鏻、磷酸鏻、硫氰酸鏻、二氰胺鏻、苯甲酸鏻、三氟甲磺酸鏻、乙酸鋶、磺酸鋶、氯化鋶、硫酸鋶、磷酸鋶、硫氰酸鋶、二氰胺鋶、苯甲酸鋶、三氟甲磺酸鋶、乙酸銨、磺酸銨、氯化銨、硫酸銨、磷酸銨、硫氰酸銨、二氰胺銨、苯甲酸銨、三氟甲磺酸銨及其混合物。
較佳地，該離子液體係選自由以下組成之群：乙酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、甲磺酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、三氟甲磺酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、氯化1-乙基-3-甲基咪唑鎓、乙基硫酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、二乙基磷酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、硫氰酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、二氰胺1-乙基-3-甲基咪唑鎓、苯甲酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、三氟甲磺酸膽鹼、糖精膽鹼、乙醯磺胺酸膽鹼、 N-環己基胺基磺酸膽鹼、甲基硫酸參(2-羥乙基)甲基銨、四氟硼酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、雙(三氟甲基磺醯基)亞胺1-烯丙基-3-甲基咪唑鎓、乙醯膽鹼及其混合物。
更佳地，該離子液體係選自由以下組成之群：苯甲酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、四氟硼酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、甲磺酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、氯化1-乙基-3-甲基咪唑鎓、三氟甲磺酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、三氟甲磺酸膽鹼、乙酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、乙酸膽鹼、二乙基磷酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、雙(三氟甲基磺醯基)亞胺1-烯丙基-3-甲基咪唑鎓、乙基硫酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、硫氰酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、二氰胺1-乙基-3-甲基咪唑鎓、糖精膽鹼、乙醯磺胺酸膽鹼及其混合物。
上述離子液體為較佳的，因為其在根據本發明之(甲基)丙烯酸酯樹脂中具有良好溶解性及低毒性。
適用於本發明之市售離子液體包括但不限於Basionics ST80、Basionics Kat1、Basionics BC01、Basionics VS11、Basionics VS03及Efka IO 6785，其全部獲自BASF。
用於根據本發明之刺激電極中之離子導電壓敏黏著劑組合物可包含該組合物之總重量之0.1至50重量%，較佳1至35%，且更佳4至25%之離子液體。
若離子液體之量過低，則黏著劑可能不顯示任何離子導電性且信號可能丟失，而過高量可能不會提供信號品質之改善，但可能增加皮膚刺激之機率且降低黏著特性。
根據本發明之離子導電壓敏黏著劑組合物可進一步包含離子導電促進劑，較佳產生額外離子導電性之無毒、無刺激性離子導電促進劑。離子導電促進劑較佳在室溫下為半固體或固體，且可溶於離子液體中。其與根據本發明之(甲基)丙烯酸酯樹脂具有良好相容性。
較佳地，該離子導電促進劑係選自由以下組成之群：氯化膽鹼、酒石酸氫膽鹼、檸檬酸二氫膽鹼、磷酸膽鹼、葡糖酸膽鹼、反丁烯二酸膽鹼、碳酸膽鹼、焦磷酸膽鹼及其混合物。
根據本發明，離子導電壓敏黏著劑組合物可包含該組合物之總重量之0.1至35重量%，較佳0.5至25%，且更佳1至15%之離子導電促進劑。
若離子導電促進劑之量過低，則壓敏黏著劑可能不顯示任何離子導電性且信號可能丟失，而過高量可能不會提供信號品質之改善，但可能增加皮膚刺激之機率且降低黏著特性。
根據本發明之離子導電壓敏黏著劑組合物可進一步包含導電粒子。
較佳地，導電粒子係選自由以下組成之群：金屬粒子及金屬奈米粒子、含金屬粒子及奈米粒子、石墨粒子及奈米粒子、碳粒子及奈米粒子、碳奈米線、導電聚合物粒子及奈米粒子及其混合物，更佳選自由以下組成之群：含銀粒子、銀粒子、銅粒子、含銅粒子、銀奈米線、銅奈米線、石墨粒子、碳粒子及其混合物，且甚至更佳選自石墨粒子、碳粒子及其混合物。
石墨粒子及碳粒子為較佳的，因為其不引起皮膚刺激且通常便宜，尤其與高導電性貴金屬粒子相比，然而其提供足夠的導電性。
適用於本發明之市售導電粒子包括但不限於Ensaco 250G、來自Timcal之Timrex KS6、來自Necarbo之Printex XE2B、來自Imerys之C-Nergy Super C65及來自Cabot之Vulcan XC72R。
用於根據本發明之刺激電極之離子導電壓敏黏著劑組合物可包含該組合物之總重量之0.01至30重量%，較佳0.1至25%，且更佳1至20%之該等導電粒子。
若導電粒子之量過低，則其可能導致不良導電性，而過高量可能導致黏著特性的損失。
根據本發明之離子導電壓敏黏著劑組合物可進一步包含聚醚多元醇。較佳地，聚醚多元醇係選自聚乙二醇(PEG)、聚丙二醇(PPG)、聚丁二醇(PTMG)及其混合物。本申請人已發現，由於開放及可撓性分子鏈，添加聚醚多元醇係離子導電之格外良好主體，且因此對阻抗具有積極影響。本申請人已發現，少量聚醚多元醇具有積極影響，其對於組合物之皮膚相容性為有益的。
較佳地，聚醚多元醇之重量平均分子量(Mw)可為300至1000 g/mol、較佳350至750 g/mol且更佳380至420 g/mol，其中分子量係根據DIN 55672-1:2007-08以THF作為溶離劑，藉由凝膠滲透層析法量測。
適用於本發明之市售聚醚多元醇包括但不限於來自BASF之Kollisolv PEG 400。
用於根據本發明之刺激電極之離子導電壓敏黏著劑組合物可包含該組合物之總重量之0.01至50重量%，較佳0.1至25%，且更佳1至20%之聚醚多元醇。
過高聚醚多元醇數量可能導致黏著特性的損失。
根據本發明之離子導電壓敏黏著劑組合物可進一步包含溶劑。
適用於本發明之溶劑可選自由以下組成之群：水、乙酸乙酯、乙酸丁酯、丁基二乙二醇、2-丁氧基乙醇、乙二醇、二乙二醇、丙二醇、二丙二醇、甲醇、異丙醇、丁醇、二元酯、己烷、庚烷、2,4-戊二酮、甲苯、二甲苯、苯、己烷、庚烷、甲基乙基酮、甲基異丁基酮、二***及其混合物，較佳地，該溶劑選自由以下組成之群：乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙二醇、丙二醇及其混合物。
適用於本發明之市售溶劑包括但不限於來自Brenntag之乙酸乙酯及乙二醇、來自Shell Chemicals之乙酸丁酯及來自Lyondell之丙二醇。
用於根據本發明之刺激電極中之離子導電壓敏黏著劑組合物可包含該組合物之總重量之10至90重量%、較佳20至80重量%且更佳30至70重量%之溶劑。
若溶劑之量過低，則此可導致可加工性問題，因為黏度過高且(甲基)丙烯酸酯樹脂可能不完全溶解。而過高量可導致功能損失，且黏著劑之黏度過低而無法加工。
為明確起見，應注意，根據本發明之壓敏黏著劑包含溶劑。由該黏著劑形成之壓敏黏著劑膜用於根據本發明之乾式刺激電極，且膜不包含大量溶劑。如上所述，根據本發明之乾式刺激電極包含小於1%，較佳地小於0.1%，且更佳小於0.01%之該黏著劑溶液總重量。
根據本發明之離子導電壓敏黏著劑組合物理想地具有在與皮膚阻抗類似之範圍內的阻抗。阻抗取決於電極及其下皮膚之面積。
根據本發明之離子導電壓敏黏著劑組合物之阻抗值在1000 Hz下低於1,000,000歐姆，但在1000 Hz下超過1000歐姆，較佳在1000 Hz下低於100,000歐姆，但在1000 Hz下超過5000歐姆，且更佳地在1000 Hz下低於40,000歐姆，但在1000 Hz下超過8000歐姆，其中該阻抗係藉由連接兩個分別塗佈有25 µm之離子導電壓敏黏著劑且接觸面積為0.25 cm 2之電極來量測。
(甲基)丙烯酸酯樹脂與離子液體之組合在根據本發明之壓敏黏著劑中產生低阻抗。離子液體提供離子導電性，然而，若離子液體與(甲基)丙烯酸酯樹脂不可混溶，則將在壓敏黏著劑中不可見任何離子導電性。在將PEG添加至組合物之實施例中，來自PEG之額外醚基使得系統更具極性且增強(甲基)丙烯酸酯樹脂中離子液體之離子導電性。
根據本發明之離子導電壓敏黏著劑組合物具有高透氣性。若水可容易地穿透黏著劑層，則獲得良好透氣性。為獲得此效應，需要相當極性的樹脂，在此情況下，OH官能基支持及改善透氣性。
根據本發明之黏著劑在24小時內較佳地具有約4600 g/m 2之透氣性值。作為比較，標準丙烯酸PSA在24小時內具有約2000 g/m 2之透氣性值。根據ASTM D1653經由濕蒸氣穿透率(MVTR)量測來量測透氣性。
本發明係關於一種由如上文所描述之離子導電壓敏黏著劑組合物形成的乾式刺激電極。乾膜形成可藉由在支撐基材(諸如膜)上塗佈離子導電壓敏黏著劑組合物，且在烘箱中在例如120℃下乾燥該膜3分鐘以移除溶劑，且在支撐基材上形成離子導電壓敏黏著劑之乾膜來完成。
可使用已知的用於製備壓敏黏著劑之方法。特定言之，實例包括輥塗、凹版塗佈、反向塗佈、輥刷、噴塗及氣刀塗佈法、浸漬及簾式塗佈法以及藉由模塗機之擠壓塗佈法。
根據本發明之刺激電極進一步包含b)導電層，其與該離子導電壓敏黏著劑層接觸；c)視情況選用之基材，其與該導電層接觸；d)視情況選用之離型襯墊，其與該導電壓敏黏著劑層接觸；及e)視情況選用之該電極與刺激裝置之間之觸點。
根據本發明之電極含有導電層，較佳僅含有一個導電層。
在一個實施例中，導電層選自銅、銀、金、鋁、Ag/AgCl或碳層或其混合物。
在另一實施例中，導電層之厚度為0.1至500 µm，或0.5至150 µm，或1至25 µm，或1至20 µm。
在一個實施例中，導電層係金屬，較佳地具有10至500 µm或25至150 µm之厚度。較佳地，金屬為銅、銀、金或鋁層。
重要的是，電流均勻地分佈於電極區域上，以便獲得電極之良好功能性。不均勻的電流分佈導致具有高電流密度之區域，其可能導致接觸點之高電刺激引起的局部疼痛或灼傷；及具有低電流密度之區域，其刺激功能下降。
若導電層之阻抗與離子導電壓敏黏著劑層之阻抗的比率較小，則可獲得均勻電流分佈。根據本發明之離子導電壓敏黏著劑顯示出比凝膠黏著劑更高的阻抗之事實，意謂使用相同導電層能獲得更均勻的電流分佈。與具有阻抗為20歐姆之凝膠黏著劑之刺激電極的饋入點相距2 cm所計算之電流僅為電導率為100歐姆之導電層在饋入點處之電流的10%。具有2千歐姆壓敏黏著劑之類似電極在與饋入點相距2 cm距離提供90%之相對電流(參見實例1)。因此，阻抗高於標準凝膠黏著劑之離子導電壓敏黏著劑可與具有較低電導率之導電層組合，且仍允許良好的電流分佈。離子導電壓敏黏著劑不需要高度導電層(例如Ag層或Cu層)，其通常比例如由碳墨形成之較低導電層昂貴得多。
在另一實施例中，除離子導電壓敏黏著劑之外，導電層為電極中包含之僅有的導電層。
在較佳實施例中，根據本發明之電極含有基材。在一個實施例中，基材為可撓性膜，較佳地選自聚烯烴膜、聚碳酸酯膜、熱塑性聚胺基甲酸酯(TPU)膜、聚矽氧膜、編織膜、非編織膜或紙膜，尤其聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚對苯二甲酸乙二酯膜或熱塑性聚胺基甲酸酯膜或泡沫，諸如聚胺基甲酸酯泡沫、聚烯烴泡沫及聚碳酸酯泡沫。
在另一實施例中，基材之厚度為10至500 µm或25至150 µm。
為了封裝電極且避免黏著劑層黏於封裝，電極可在黏著劑層之表面上含有離型襯墊，該黏著劑層隨後施用於應量測的區域。此項技術中之所有已知剝離襯墊均為適合的，在一個實施例中，離型襯墊選自矽化紙離型襯墊或塑膠離型襯墊。
如上文已陳述，本發明之電極不需要凝膠/水凝膠。因此，在一個實施例中，電極基本上不含水凝膠，按電極之總重量計，較佳不含多於0.5重量%、或0.1重量%、或0.01重量%之水凝膠，或不含水凝膠。
在一個實施例中，電極基本上不含水性電解質糊狀物，按電極之總重量計，較佳不含多於0.5重量%、或0.1重量%、或0.01重量%之水性電解質糊狀物，或不含水性電解質糊狀物。
根據本發明之刺激電極用於皮膚應用，經由皮膚將電信號傳遞至身體。適合應用為透皮神經電刺激(TENS)、肌肉電刺激(EMS)、功能性電刺激(FES)、傷口護理、電外科、去顫、皮膚電活動(EDA)及全身電傳導。
較佳地，在根據本發明之乾式刺激電極黏著劑組合物的表皮測試中，細胞的相對活力超過50%、較佳超過60%且更佳超過70%。
實例 實例1 為了刺激電極之最佳功能性，需要滿足以下三個條件：1)歐姆損失不能過高；2)電極具有良好電流分佈；及3)對皮膚不均勻性之敏感性低。
防止歐姆損失不視為過於關鍵的，因為大多數情況高歐姆損失可藉由增加電壓來補償。然而，為了獲得傳遞至身體的重要信號，電極之阻抗不應比皮膚阻抗高很多。此通常適用於如以上描述中所述之凝膠電極黏著劑及離子導電壓敏黏著劑。
電極內之電流分佈將受面積(或與電極內之饋入點的最大距離)及電流收集層(通常為金屬或碳)與黏著劑(或如標準使用之水凝膠)之電阻比率影響。
圖1繪示對高阻抗黏著劑及不同導電收集層之電流分佈的估計。繪示在2千歐姆黏著劑下具有不同電阻(藉由1 cm距離處之電阻(歐姆)給出)之碳層的電流均勻性。
圖2繪示對低阻抗凝膠及不同導電收集層之電流分佈的估計。繪示在20歐姆凝膠下具有不同電阻(藉由1 cm距離處之電阻(歐姆)給出)之碳層的電流均勻性。
圖3繪示用於估計黏著劑/收集器電阻之影響的簡單電阻模型。
總體而言，圖1及圖2分別繪示使用圖3之簡單模型計算的取決於導電層電阻的電流變化，假定具有相對低導電黏著劑(大致對應於下文實例2中所描述之式3)及高導電凝膠。顯而易見的是，使用相對低導電黏著劑，可僅使用中等導電電極而達成良好電流分佈。此已藉由真實電極以實驗方式確認。用於此等實驗之導電黏著劑具有約2千歐姆(2×2 cm 2)之歐姆平台且對應於式3。
圖4繪示不同電極尺寸(以公分為單位)之碳接觸層(55歐姆/平方)上之根據式3之黏著劑的阻抗譜。樣品之接觸在短邊上。
圖5繪示不同電極尺寸(以公分為單位)之碳接觸層(610歐姆/平方)上之根據式3之黏著劑的阻抗譜。樣品之接觸在短邊上。
圖4展示不同電極尺寸之碳觸點上的黏著劑之阻抗譜。薄層電阻為55歐姆/平方，其對應於相對不良之接觸(低導電性)。如所預期，阻抗隨著電極面積增加而減小。圖5展示接觸層之相同曲線，該接觸層已被製造為儘可能低的導電性(610歐姆/平方)。類似地，阻抗隨著電極面積增加而減小。然而，應注意，該差異小於較高導電接觸層之差異。為達成完美的電流分佈，阻抗應與面積之倒數成比例，且因此，Z*A應為常數。
圖6繪示不同電極尺寸(以公分為單位)之碳接觸層(55歐姆/平方)上之根據下式3之黏著劑的面積縮放阻抗譜。樣品之接觸在短邊上。
圖7繪示不同電極尺寸(以公分為單位)之碳接觸層(610歐姆/平方)上之根據下式3之黏著劑的面積縮放阻抗譜。樣品之接觸在短邊上。
圖6及圖7兩者繪示相應的縮放阻抗譜。對於導電層的較低薄層電阻，面積縮放係完美的(除了高頻範圍，其中黏著劑阻抗變得可忽略)。對於高薄層電阻樣品，大部分電流靠近觸點(而其餘部分仍有貢獻)。因此，即使在55歐姆/平方的適中薄層電阻的情況下，亦可達成極佳的電流分佈。應注意，可使用提供甚至更差導電性之黏著劑，因此55歐姆/平方不被視為限制。
皮膚本身可具有一些不均勻性。因此，低電阻點或區域不應導致高局部電流密度及後續疼痛/損傷。
圖8繪示對於不同電極阻抗(歐姆)之基於皮膚阻抗變化之電流變化(假定典型的皮膚阻抗為1E4歐姆)。
圖8清楚地繪示對於不同電極黏著劑阻抗，局部電流可如何基於皮膚阻抗之局部變化而變化。顯然，電極阻抗愈高，皮膚不均勻性變得愈不關鍵。
基於以上三個考慮因素，應按以下方式設計電極： - 使用具有類似或稍高於皮膚之電阻的黏著劑。 - 使用具有顯著較低電阻之電極材料(其無需過低，因為黏著劑電阻相當高)。因此，可使用適度導電的低成本碳墨。 - 使用基於離子液體之黏著劑，以便於微調及長時間佩戴。選擇生物相容的黏著劑及離子液體。
實例2 製備根據本發明之離子導電壓敏導電黏著劑： 將5 g Loctite Duro-Tak 222A及0.228 g離子液體在調節混合器內以1000 rpm混合1分鐘。將混合物塗佈於離型襯墊上，且在室溫下在通風櫥中乾燥30分鐘，產生厚度為20-30 μm之PSA膜。隨後，將刮塗膜(drawdown)在120℃下固化3分鐘，且用另一離型襯墊覆蓋。
對於阻抗量測，將PSA膜塗佈於Al箔上，在室溫下乾燥30分鐘且在120℃下固化3分鐘。切割兩塊PSA-Al膜且黏在一起以形成面積為0.25 cm 2且PSA厚度為40-60 μm之Al-PSA-Al電容器。
皮膚相容性研究： 壓敏黏著劑組合物之皮膚相容性係在活體外皮膚刺激測試中使用OS-REp模型(公開來源重構表皮(Open Source Reconstructed Epidermis))來量測。將25 µL活性壓敏黏著劑組合物施加於表皮模型。在42小時培育及與MTT (200 µl，1 mg/ml MTT (溴化3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑鎓)一起培育3小時之後，進行甲䐶萃取且量測在570-590 nm處之光密度。藉由光學密度計算細胞之相對活力。
皮膚刺激測試為根據OECD TG 439之OS-REp測試之修改版本，其為用於鑑別刺激性純物質及鹽之方案。
潛在刺激物與皮膚模型之常見接觸時間為35分鐘。隨後，洗掉待測試物質且開始42小時之培育時間。對於細胞之相對活力＞50%，物質可被視為非刺激性的。
由於測試的壓敏黏著劑無法洗掉，所以接觸時間顯著更長至42小時而非35分鐘，表明本發明測試條件為更苛刻的。
具體實例1-10之細節及關於黏著性及表皮測試之測試結果列於下表1中。 表 1
實例 離子液體 黏著性 活力 ( 根據表皮測試之 %)
式1 乙酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓 不佳 84
式2 甲磺酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓 良好 n.d.
式3 三氟甲磺酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓 良好 91
式4 氯化1-乙基-3-甲基咪唑鎓 良好 n.d.
式5 乙基硫酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓 良好 63
式6 二乙基磷酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓 良好 n.d.
式7 硫氰酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓 良好 95
式8 二氰胺1-乙基-3-甲基咪唑鎓 良好 80
式9 苯甲酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓 良好 78
式10 乙酸膽鹼 不佳 n.d.
圖9展示根據式3之乾燥PSA膜在鋁電極(約40-60 μm厚，0.25 cm 2電極面積)之間的阻抗量測結果。藉由使用10 wt%之相應的咪唑鎓鹽，與不加鹽之黏著劑相比，皮膚黏著劑之阻抗顯著地降低至非常適合電極應用之值。雖然離子液體之選擇係可達成之阻抗位準的主要驅動因素，但阻抗亦可藉由改變離子液體之濃度來微調。此舉及藉由調整厚度，可選擇與類似於皮膚阻抗之值匹配的黏著劑。
實例3 用離子液體之組合製備離子導電壓敏黏著劑(式11). 將5 g Loctite Duro-TAK 222A (固體含量：41%)及0.171 g三氟甲磺酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓及0.057 g氯化1-乙基-3-甲基咪唑鎓在調節混合器中以2000 rpm混合3分鐘。將混合物塗佈於離型襯墊上且在室溫下乾燥30分鐘，產生厚度為20 μm之PSA膜。隨後，將刮塗膜在120℃下固化3分鐘，且用另一離型襯墊覆蓋。
實例4 使用式3製備刺激碳-PSA電極 將厚度為約10 μm之導電碳層塗佈於使用Henkel之LOCTITE ECI 7005 E&C的可撓性TPU膜上且在120℃下乾燥10分鐘，且將其切割成2 cm x 3 cm之矩形片。將導電PSA膜(式3，2 cm×2 cm)轉移至矩形片。為了進行阻抗量測，以相同方式製備黏著面積為0.5x0.5 cm 2之較小電極。兩個電極用其完整的黏著區域黏在一起且用鱷魚夾連接。圖10繪示電極之阻抗譜。對於作為刺激電極之應用，兩個電極以彼此相距10 cm之距離黏於前臂，且連接至「Sanitas SEM 43」TENS/EMS裝置。來自裝置之電刺激引起清晰可見的肌肉收縮。
實例5 使用式3製備刺激Ag/AgCl-PSA電極 將厚度為約10 μm之Ag/AgCl層塗佈於使用Henkel之Loctite EDAG 6038E SS E&C的可撓性TPU膜上，且將其切割成2 cm x 3 cm之矩形片。將導電PSA膜(實例11，2 cm×2 cm)轉移至矩形片。為了進行阻抗量測，兩個電極用其完整的黏著區域黏在一起且用鱷魚夾連接。圖11繪示阻抗譜。對於作為刺激電極之應用，兩個電極以彼此相距10 cm之距離黏於前臂，且連接至「Sanitas SEM 43」TENS/EMS裝置。來自裝置之電刺激引起清晰可見的肌肉收縮。
實例6 使用式11製備刺激碳-PSA電極 將厚度為約10 μm之導電碳層塗佈於使用Henkel之LOCTITE ECI 7005 E&C的可撓性TPU膜上且在120℃下乾燥10分鐘，且將其切割成2 cm x 3 cm之矩形片。將導電PSA膜(式3，2 cm×2 cm)轉移至矩形片。為了進行阻抗量測，兩個電極用其完整的黏著區域黏在一起且用鱷魚夾連接。圖12 (虛線)繪示阻抗譜。對於作為刺激電極之應用，兩個電極以彼此相距10 cm之距離黏於前臂，且連接至「Sanitas SEM 43」TENS/EMS裝置。來自裝置之電刺激引起清晰可見的肌肉收縮。
實例7 使用式11製備刺激Ag/AgCl-PSA電極
將厚度為約10 μm之Ag/AgCl層塗佈於使用Henkel之Loctite EDAG 6038E SS E&C的可撓性TPU膜上，且將其切割成2 cm x 3 cm之矩形片。將導電PSA膜(實例11，2 cm×2 cm)轉移至矩形片。為了進行阻抗量測，兩個電極用其完整的黏著區域黏在一起且用鱷魚夾連接。圖12 (實線)繪示阻抗譜。對於作為刺激電極之應用，兩個電極以彼此相距10 cm之距離黏於前臂，且連接至「Sanitas SEM 43」TENS/EMS裝置。來自裝置之電刺激引起清晰可見的肌肉收縮。
圖1繪示對高阻抗黏著劑及具有不同電阻之導電收集層之電流分佈的估計。
圖2繪示對低阻抗凝膠及具有不同電阻之導電收集層之電流分佈的估計。
圖3繪示用於估計黏著劑電阻與導電層電阻之比率的影響之簡單電阻模型。
圖4繪示不同電極尺寸(以公分為單位)之碳接觸層(55歐姆/平方)上之根據式3之黏著劑的阻抗譜。
圖5繪示不同電極尺寸(以公分為單位)之碳接觸層(610歐姆/平方)上之根據式3之黏著劑的阻抗譜。
圖6繪示不同電極尺寸(以公分為單位)之碳接觸層(55歐姆/平方)上之根據式3之黏著劑的面積縮放阻抗譜。
圖7繪示不同電極尺寸(以公分為單位)之碳接觸層(610歐姆/平方)上之根據式3之黏著劑的面積縮放阻抗譜。
圖8繪示對於不同電極阻抗(歐姆)之基於皮膚阻抗變化之電流變化(假定典型的皮膚阻抗為1E4歐姆)。
圖9繪示具有1-乙基-3-甲基咪唑鎓陽離子之不同鹽之阻抗譜(樣品面積為0.5x0.5 cm 2之Al觸點)。
圖10繪示在碳觸點(面積0.5x0.5 cm 2)上使用根據式3之黏著劑的根據實例4之電極之阻抗。
圖11繪示在Ag/AgCl觸點(面積2x2 cm 2)上使用根據式3之黏著劑的根據實例5之電極之阻抗。
圖12繪示包含根據式11之黏著劑及Ag/AgCl觸點(實線)及碳觸點(虛線)(面積2×2 cm 2)的根據實例6及7之電極之阻抗。

Claims (16)

  1. 一種包含離子導電壓敏黏著劑組合物之刺激電極，其包含 a) (甲基)丙烯酸酯樹脂，其包含按該(甲基)丙烯酸酯樹脂之總重量計，至少10重量%之包含OH基團的(甲基)丙烯酸酯單體；及 b)離子液體。
  2. 如請求項1之刺激電極，其中該(甲基)丙烯酸酯樹脂由選自由以下組成之群的單體形成：丙烯酸羥乙酯、丙烯酸羥丙酯、丙烯酸羥丁酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸乙基己酯、丙烯酸、(甲基)丙烯酸C1-C18烷基酯、(甲基)丙烯醯胺、乙酸乙烯酯、N-乙烯基己內醯胺、丙烯腈、乙烯基醚、(甲基)丙烯酸苯甲酯、(甲基)丙烯酸環己酯、(甲基)丙烯酸縮水甘油酯及其混合物，較佳地由選自由以下組成之群的單體形成：丙烯酸羥乙酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸乙基己酯及其混合物，且更佳地，該(甲基)丙烯酸酯樹脂係由丙烯酸羥乙酯、(甲基)丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯及丙烯酸乙基己酯形成。
  3. 如請求項1或2之刺激電極，其中該(甲基)丙烯酸酯樹脂係以該組合物之總重量的10至99重量%、較佳25至98重量%且更佳50至95重量%存在。
  4. 如請求項1至3中任一項之刺激電極，其中該離子液體係選自由以下組成之群：乙酸咪唑鎓、磺酸咪唑鎓、氯化咪唑鎓、硫酸咪唑鎓、磷酸咪唑鎓、硫氰酸咪唑鎓、二氰胺咪唑鎓、苯甲酸咪唑鎓、三氟甲磺酸咪唑鎓、三氟甲磺酸膽鹼、糖精膽鹼(choline saccharinate)、胺磺酸膽鹼、乙酸吡錠、磺酸吡錠、氯化吡錠、硫酸吡錠、磷酸吡錠、硫氰酸吡錠、二氰胺吡錠、苯甲酸吡錠、三氟甲磺酸吡錠、乙酸吡咯錠、磺酸吡咯錠、氯化吡咯錠、硫酸吡咯錠、磷酸吡咯錠、硫氰酸吡咯錠、二氰胺吡咯錠、苯甲酸吡咯錠、三氟甲磺酸吡咯錠、乙酸鏻、磺酸鏻、氯化鏻、硫酸鏻、磷酸鏻、硫氰酸鏻、二氰胺鏻、苯甲酸鏻、三氟甲磺酸鏻、乙酸鋶、磺酸鋶、氯化鋶、硫酸鋶、磷酸鋶、硫氰酸鋶、二氰胺鋶、苯甲酸鋶、三氟甲磺酸鋶、乙酸銨、磺酸銨、氯化銨、硫酸銨、磷酸銨、硫氰酸銨、二氰胺銨、苯甲酸銨、三氟甲磺酸銨及其混合物。
  5. 如請求項1至4中任一項之刺激電極，其中該離子液體係選自由以下組成之群：乙酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、甲磺酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、三氟甲磺酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、氯化1-乙基-3-甲基咪唑鎓、乙基硫酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、二乙基磷酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、硫氰酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、二氰胺1-乙基-3-甲基咪唑鎓、苯甲酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、三氟甲磺酸膽鹼、糖精膽鹼、乙醯磺胺酸膽鹼、 N-環己基胺基磺酸膽鹼、甲基硫酸參(2-羥乙基)甲基銨、四氟硼酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、雙(三氟甲基磺醯基)亞胺1-烯丙基-3-乙基咪唑鎓、乙酸膽鹼、三氟甲磺酸膽鹼及其混合物，且更佳地選自由以下組成之群：苯甲酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、四氟硼酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、甲磺酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、氯化1-乙基-3-甲基咪唑鎓、三氟甲磺酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、三氟甲磺酸膽鹼、乙酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、乙酸膽鹼、二乙基磷酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、雙(三氟甲基磺醯基)亞胺1-烯丙基-3-甲基咪唑鎓、乙基硫酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、硫氰酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓、二氰胺1-乙基-3-甲基咪唑鎓、糖精膽鹼、乙醯磺胺酸膽鹼及其混合物。
  6. 如請求項1至6中任一項之刺激電極，其中該離子液體係以該組合物之總重量的0.1至50重量%，較佳1至35重量%，且更佳4至25重量%存在。
  7. 如請求項1至6中任一項之刺激電極，其中該(甲基)丙烯酸酯樹脂中該包含OH基團的(甲基)丙烯酸酯單體之含量為該(甲基)丙烯酸酯樹脂之總重量的至少15重量%，較佳至少20重量%，更佳至少25重量%，且最佳至少30重量%，但不超過65重量%，較佳不超過60重量%，更佳不超過55重量%，且最佳不超過50重量%。
  8. 如請求項1至7中任一項之刺激電極，其進一步包含離子導電促進劑，該離子導電促進劑較佳選自由以下組成之群：氯化膽鹼、酒石酸氫膽鹼、檸檬酸二氫膽鹼、磷酸膽鹼、葡糖酸膽鹼、反丁烯二酸膽鹼、碳酸膽鹼、焦磷酸膽鹼及其混合物。
  9. 如請求項8之刺激電極，其中該離子導電促進劑係以該組合物之總重量的0.1至35重量%，較佳0.5至25重量%，且更佳1至15重量%存在。
  10. 如請求項1至9中任一項之刺激電極，其進一步包含導電粒子，較佳選自由以下組成之群：金屬粒子及金屬奈米粒子、含金屬粒子及奈米粒子、石墨粒子及奈米粒子、碳粒子及奈米粒子、碳奈米線、導電聚合物粒子及奈米粒子及其混合物，更佳選自由以下組成之群：含銀粒子、銀粒子、銅粒子、含銅粒子、銀奈米線、銅奈米線、石墨粒子、碳粒子及其混合物，且甚至更佳選自石墨粒子、碳粒子及其混合物。
  11. 如請求項10之刺激電極，其中該等導電粒子係以該組合物之總重量的0.01至30重量%，較佳0.1至25重量%，且更佳1至20重量%存在。
  12. 如請求項1至11中任一項之刺激電極，其進一步包含聚醚多元醇，較佳選自聚乙二醇、聚丙二醇、聚丁二醇，且更佳為重量平均分子量為300至1000、更佳350至750且甚至更佳380至420 g/mol之聚乙二醇，其中該分子量係根據DIN 55672-1:2007-08使用THF作為溶離劑藉由凝膠透層析法量測。
  13. 如請求項12之刺激電極，其中該聚醚多元醇係以該組合物之總重量的0.01至50重量%，較佳0.1至25重量%，且更佳1至20重量%存在。
  14. 如請求項1至13中任一項之刺激電極，其中該黏著劑之阻抗值在1000 Hz下低於1,000,000歐姆，但在1000 Hz下超過1000歐姆，較佳在1000 Hz下低於100,000歐姆，但在1000 Hz下超過5000歐姆，且更佳在1000 Hz下低於40,000歐姆，但在1000 Hz下超過8000歐姆，其中該阻抗係藉由連接兩個分別塗佈有25 µm之離子導電壓敏黏著劑且接觸面積為0.25 cm 2之電極來量測。
  15. 如請求項1至14中任一項之刺激電極，其中該電極進一步包含b)導電層，其與該離子導電壓敏黏著劑層接觸；c)視情況選用之基材，其與該導電層接觸；d)視情況選用之離型襯墊，其與該導電壓敏黏著劑層接觸；及e)視情況選用之該電極與刺激裝置之間之觸點。
  16. 一種如請求項1至15中任一項之刺激電極之用途，其用於皮膚應用，經由皮膚將電信號傳遞至身體。
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