Utveckling av metodik för mätning av pO2 i vävnad Development of ...
Utveckling av metodik för mätning av pO2 i vävnad Development of ...
Utveckling av metodik för mätning av pO2 i vävnad Development of ...
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Rapport 187<br />
<strong>Utveckling</strong> <strong>av</strong> <strong>metodik</strong> <strong>för</strong><br />
<strong>mätning</strong> <strong>av</strong> pO 2 i <strong>vävnad</strong><br />
<strong>Development</strong> <strong>of</strong> methodology for measurement<br />
<strong>of</strong> oxygen partial pressure in tissue<br />
Examensarbete ut<strong>för</strong>t <strong>av</strong><br />
Karolina Lind<br />
1<br />
KAROLINSKA<br />
INSTITUTET<br />
Avdelningen <strong>för</strong> medicinsk teknik Avdelningen <strong>för</strong> medicinsk teknik<br />
Institutionen <strong>för</strong> Fysik<br />
Institutionen <strong>för</strong> medicinsk<br />
KTH<br />
laboratorievetenskap & teknik<br />
KI<br />
Stockholm 2003<br />
Nummer 187
Sammanfattning<br />
Det finns idag ett stort kliniskt behov <strong>av</strong> att kostnadseffektivt kunna mäta syrgasinnehållet i<br />
olika <strong>vävnad</strong>er. Idag finns endast en godkänd och CE-märkt utrustning som kan mäta<br />
partialtrycket i <strong>vävnad</strong>. Sensorerna till denna utrustning är dyra och ganska ömtåliga. Det<br />
med<strong>för</strong> att denna utrustning inte används vid rutinsjukvård. I den kliniska vardagen får man<br />
där<strong>för</strong> <strong>för</strong>lita sig på indirekta metoder såsom <strong>mätning</strong> <strong>av</strong> regionalt blodflöde, transkutan<br />
syrgas<strong>mätning</strong>, mikrodialys eller <strong>mätning</strong> <strong>av</strong> hemoglobinets syremättnad i ett intilliggande<br />
blodkärl.<br />
Målet med examensarbetet har varit att vidareutveckla den metod <strong>för</strong> <strong>mätning</strong> <strong>av</strong><br />
syrgastrycket i <strong>vävnad</strong> som tidigare utvecklats vid institutionen.<br />
Mätutrustningen består <strong>av</strong> tre elektroder med olika uppgifter: arbetselektrod, motelektrod och<br />
referenselektrod. Huvudkomponenten i arbetselektroden ska vara isolerad guldtråd. Tråden<br />
måste vara isolerad <strong>för</strong> att <strong>för</strong>hindra uppkomsten <strong>av</strong> läckströmmar. Guld har flertalet<br />
egenskaper som gör att det lämpar sig väl som elektrodmaterial. Det är dock väldigt svårt att<br />
få något att fästa vid guldytan vilket är ett problem ur isoleringssynpunkt.<br />
Elektroderna ska kopplas till en pO 2-monitor som använder sig <strong>av</strong> polarografisk teknik <strong>för</strong> att<br />
mäta pO 2 i det undersökta provet.<br />
Den i detta arbete utvecklade arbetselektroden är en nålelektrod med en isolerad guldtråd<br />
ingjuten i en injektionsnål. Guldtråden isolerades med en speciell typ <strong>av</strong> epoxi som har<br />
<strong>för</strong>mågan att fästa till guld. Referens- och motelektroderna bestod <strong>av</strong> kolelektroder (in vitro)<br />
och vanliga EKG-elektroder (in vivo).<br />
När <strong>mätning</strong>arna startade visade det sig tyvärr snart att det uppmätta pO 2 -värdet sjönk vid<br />
långtids<strong>mätning</strong>arna in vitro. Detta var ett problem som bestod under hela projektet. Över kort<br />
tid var mätresultatet dock stabilt och det kunde även påvisas att de utvecklade elektroderna<br />
var känsliga <strong>för</strong> ändringar <strong>av</strong> pO 2 .<br />
2<br />
modifierade
Abstract<br />
There is today a big clinical need for a costefficient way <strong>of</strong> measuring the oxygen content in<br />
different tissues. Today, there is only one approved and CE-labelled equipment that can<br />
measure the partial pressure <strong>of</strong> oxygen in tissue. The sensors for this equipment are expensive<br />
and quite fragile. This brings about that this equipment is not used in routine medical care.<br />
Instead you h<strong>av</strong>e to rely on indirect methods in the clinical daily round, such as maesurements<br />
<strong>of</strong> the regional bloodflow, transcutan oxygenmeasurement, microdialyses or measurement <strong>of</strong><br />
the oxygen saturation in an adjacent blood-vessel.<br />
The aim <strong>of</strong> this thesis has been to further develop the method for measuring the oxygen<br />
pressure in tissue that previously has been developed at the institution.<br />
The measuring equipment consists <strong>of</strong> three electrodes with different tasks: working electrode,<br />
counter electrode and reference electrode. The main component in the working electrode was<br />
going to be isolated gold thread. The thread has to be isolated to prevent the origin <strong>of</strong> current<br />
leakage. Gold has several properties that makes it well suited as electrode material. Still, it is<br />
very hard to attach something to the gold surface, which is a problem in an isolation point <strong>of</strong><br />
view.<br />
The electrodes were to be connected to a pO 2-monitor which adopts a polarographic method<br />
for measurement <strong>of</strong> pO 2 in the examined sample.<br />
The working electrode that h<strong>av</strong>e been developed in this work is a needle electrode with an<br />
isolated gold thread infused in/casted into an injection needle. The gold thread was isolated<br />
with a special type <strong>of</strong> epoxy which has the ability to attach to gold. The reference- and<br />
counter electrodes consisted <strong>of</strong> ordinary EKG electrodes.<br />
Unfortunetaly, when the measurements started it soon became appearent that the pO 2 value<br />
droped in the in vitro measurements over long time. This was a problem that lasted during the<br />
entire project. Although, over short time the measurement result were stabil and it could also<br />
be shown that the electrodes that had been developed were sensitive to changes in pO 2 .<br />
3
Förord<br />
Detta examensarbete har ut<strong>för</strong>ts vid institutionen <strong>för</strong> medicinsk teknik, Karolinska Institutet,<br />
<strong>av</strong> Karolina Lind under våren och sommaren 2003 under tillsyn <strong>av</strong> Håkan Elmqvist, pr<strong>of</strong>essor<br />
vid insitutionen.<br />
Jag skulle vilja tacka alla de på som hjälpt mig under mitt arbete; anställda på institutionen <strong>för</strong><br />
medicinsk teknik (Novum) och på institutionen <strong>för</strong> kirurgisk vetenskap, anestesi lab (KS).<br />
Jag skulle speciellt vilja tacka:<br />
Jan Bergholm<br />
Håkan Elmqvist<br />
Nils Holmström<br />
Tommy Ribbe<br />
Anders Wallander<br />
Mats Wallin<br />
Malin Jonsson<br />
4<br />
handledning
Innehålls<strong>för</strong>teckning<br />
1 INLEDNING........................................................................................................................ 10<br />
1.1 PROBLEM ........................................................................................................................ 10<br />
1.2 UPPDRAG ........................................................................................................................ 10<br />
1.3 UPPDELNING.................................................................................................................... 10<br />
2 FYSIOLOGI ........................................................................................................................ 12<br />
2.1 GASUTBYTE I KROPPEN.................................................................................................... 12<br />
2.1.3 Partialtryck.............................................................................................................. 12<br />
2.1.1 Lungorna ................................................................................................................. 13<br />
2.1.2 Inre gasutbyte.......................................................................................................... 14<br />
2.2 SYRETRANSPORTEN I BLODET.......................................................................................... 14<br />
3 ELEKTROKEMISKA PROCESSER............................................................................... 15<br />
3.1 ELEKTRODREAKTIONER................................................................................................... 15<br />
3.2 DUBBELLAGERSKAPACITANS .......................................................................................... 16<br />
4 SYRGASMÄTNING........................................................................................................... 17<br />
4.1 BIOSENSORER.................................................................................................................. 17<br />
4.1.1 Elektrokemiska sensorer ......................................................................................... 17<br />
4.2 POLAROGRAFI ................................................................................................................. 17<br />
4.2.1 Clark-elektroden...................................................................................................... 19<br />
4.2.2 Pulsad polarografi .................................................................................................. 29<br />
5 ANVÄNDNINGSOMRÅDEN............................................................................................ 20<br />
5.1 HYPERBAR OXYGENTERAPI, HBO ................................................................................... 20<br />
5.2 CANCERFORSKNING......................................................................................................... 20<br />
5.3 HJÄRNISCEMI................................................................................................................... 21<br />
5.4 SÅRLÄKNINGSPROCESSES................................................................................................ 21<br />
6 MATERIAL OCH METODER ......................................................................................... 22<br />
6.1 ELEKTRODSYSTEM .......................................................................................................... 22<br />
6.1.1 Biokompatibla material <strong>för</strong> elektroder.................................................................... 22<br />
6.1.2 Temperaturberoende ............................................................................................... 23<br />
6.1.3 Syre<strong>för</strong>brukning....................................................................................................... 23<br />
6.2 UTVECKLING AV ARBETSELEKTRODEN............................................................................ 23<br />
6.2.1 Guld......................................................................................................................... 23<br />
6.2.2 Isolering .................................................................................................................. 24<br />
6.2.3 Design...................................................................................................................... 26<br />
6.3 UTVECKLING AV REFERENSELEKTRODEN ........................................................................ 28<br />
6.3.1 Gelatin..................................................................................................................... 28<br />
6.4 PO 2-MONITOR.................................................................................................................. 30<br />
7.1 IN VITRO .......................................................................................................................... 33<br />
7.1.1 Utrustning................................................................................................................ 33<br />
7.2 IN VIVO............................................................................................................................ 37<br />
7.2.1 Utrustning................................................................................................................ 37<br />
7.2.2 Ut<strong>för</strong>ande och resultat ............................................................................................ 37<br />
8 DISKUSSION OCH SLUTSATSER ................................................................................. 38<br />
5
9 REFERENSER .................................................................................................................... 39<br />
BILAGA 1 Inledande <strong>för</strong>sök.....................................................................................................40<br />
BILAGA 2 Syrekänslighet........................................................................................................41<br />
BILAGA 3 Försök i mätcell......................................................................................................43<br />
BILAGA 4 Mätningar vid Karolinska sjukhuset ...................................................... ............. 47<br />
a) In vivo<br />
b) In vitro<br />
BILAGA 5 Manual <strong>för</strong> framtagning <strong>av</strong> arbetselektroder..........................................................<br />
6
TERMINOLOGI<br />
Alveol Hopar <strong>av</strong> små blåsor (lung-vesikler eller alveoler),<br />
vilka utgör (luft-)rörens ändar.<br />
Arteriellt Syresatt<br />
Biokompatibel Material som kroppen inte kan skilja från sitt eget.<br />
Kan implanteras i biologiska system, till exempel<br />
<strong>vävnad</strong>simplantation, utan att orsaka omfattande<br />
fibros eller <strong>av</strong>stötningsreaktioner<br />
Biomaterial Ett material <strong>av</strong>sett att verka i en viss funktion i en<br />
viss biologisk miljö utan att negativt påverka den<br />
biologiska världen.<br />
Cellrespiration Inre respiration, sker i form <strong>av</strong> gasutbyte mellan<br />
blodet och cellerna.<br />
Cirkulation Sker genom hjärtat och blodkärlssystemet, varvid det<br />
syresatta blodet pumpas ut i det stora kretsloppets<br />
kapillärnät.<br />
Densitetsgradient Variation i densitet mellan två olika regioner i en<br />
lösning.<br />
Densitet Massan <strong>av</strong> en substans per volymenhet. För fasta<br />
ämnen eller vätskor uttrycks densiteten <strong>of</strong>tast i g/cm3<br />
eller g/ml.<br />
Diffusion Gasutbyte mellan luft och blod i alveolerna, som är<br />
omgivna lilla kretsloppets kapillärer./En spontan<br />
omblandning <strong>av</strong> olika substanser som sker som<br />
resultat <strong>av</strong> tillfälliga rörelser (diffusion) <strong>av</strong> dess<br />
atomära, joniska eller molekylära komponenter.<br />
Elektrod Benämning på de ledande kroppar mellan vilka<br />
elektricitetens strömning i ett ledande medium<br />
<strong>för</strong>siggår.<br />
Elektrokemisk cell En cell som utgörs <strong>av</strong> elektroder som doppats ner i en<br />
elektrolyt. I detta system över<strong>för</strong>s elektroner i<br />
kemiska reaktioner som antingen alstrar eller<br />
<strong>för</strong>brukar elektrisk ström.<br />
Elektrolys Sönderdelning (<strong>av</strong> en sammansatt ledande, flytande<br />
kropp i sina beståndsdelar) vid genomledning <strong>av</strong><br />
elektrisk ström.<br />
Elektrolyt Sammansatt ledande, flytande kropp som sönderdelas<br />
/ kan sönderdelas vid genomledning <strong>av</strong> elektrisk<br />
ström.<br />
7
Epoxi Lim, bindemedel i färg. En härdplast där<br />
molekylkedjorna är sammanlänkade med kortare<br />
molekylbryggor till stora tredimensionella nät.<br />
Nätstrukturen gör att härdplaster inte kan omformas<br />
utan sönderdelas kemiskt vid hög temperatur.<br />
Hemoglobin Det protein i blodets röda blodkroppar som fungerar<br />
som upptagare, transportör och <strong>av</strong>lämnare <strong>av</strong> syrgas<br />
mellan lungorna och kroppens olika <strong>vävnad</strong>er.<br />
Hyperbar Med högre tryck än en atmosfär<br />
Icke-invasiv Ej genomträngande<br />
In vitro Provrörs<strong>för</strong>sök eller <strong>för</strong>sök som inte görs på djur<br />
eller människor.<br />
In vivo I den levande kroppen.<br />
Kapillär Blodkärlssystemets finaste <strong>för</strong>greningar.<br />
Membran Tunn hinna eller skiljevägg <strong>av</strong> varierande material.<br />
Metall Ett grundämne vars typiska egenskaper är att det är<br />
skinande, plastiskt formbart och en god ledare <strong>för</strong><br />
elektricitet och värme. De flesta grundämnen är<br />
metaller.<br />
Oxidation Avgivande <strong>av</strong> elektroner. Med<strong>för</strong> en minskning <strong>av</strong><br />
antalet negativa laddningar och därigenom en ökning<br />
<strong>av</strong> oxidationstalet hos den atom eller molekyl som<br />
blir oxiderad.<br />
Parenkym<strong>vävnad</strong> Ett organs specifika <strong>vävnad</strong><br />
Perkutant Genom huden.<br />
Plasma Den vätska som blodkropparna flyter i.<br />
Polarografi Elektrokemisk analysmetod<br />
Reaktant En <strong>för</strong>ening som reagerar kemiskt under bildning <strong>av</strong><br />
en eller flera andra substanser (produkter).<br />
Reduktion Upptagande <strong>av</strong> elektroner. Med<strong>för</strong> en ökning <strong>av</strong><br />
antalet negativa laddningar och därigenom en<br />
minskning <strong>av</strong> oxidationstalet hos den atom eller<br />
molekyl som blir reducerad.<br />
Sterilisering Göra fri från levande mikroorganismer.<br />
8<br />
det är väl inte<br />
rikttigt i den betydelsen man<br />
använder ordet?
Trakeotomi Operativt ingrepp, en form <strong>av</strong> strupsnitt, <strong>för</strong> att skapa<br />
fria luftvägar.<br />
Ventilation Luftväxling i alveolerna, sker genom bröstkorgens<br />
och mellangärdets pumprörelser.<br />
Venöst Icke syresatt.<br />
9
1 Inledning<br />
1.1 Problem<br />
Några <strong>av</strong> de viktigaste parametrarna som gör det möjligt <strong>för</strong> en narkosläkare eller doktor vid<br />
en intensivvård<strong>av</strong>delning att bedöma tillståndet hos en allvarligt sjuk patient är <strong>mätning</strong> och<br />
övervakning <strong>av</strong> syretryck. Att kunna mäta syrgastrycket lokalt i ett <strong>vävnad</strong>sparti och fastställa<br />
eventuella <strong>för</strong>ändringar <strong>av</strong> detta, ger också viktig information om hur bland annat cirkulation<br />
och respiration fungerar i det aktuella området.<br />
Idag finns endast en godkänd och CE-märkt utrustning, Licox CMP, som kan mäta<br />
partialtrycket i <strong>vävnad</strong>. Sensorerna till denna utrustning är dyra och ganska ömtåliga. Det<br />
med<strong>för</strong> att denna utrustning inte används vid rutinsjukvård och att det därmed inte finns<br />
någon standardmetod <strong>för</strong> <strong>mätning</strong> <strong>av</strong> syrets partialtryck i <strong>vävnad</strong>, pO 2. [23]<br />
1.2 Uppdrag<br />
En långtidsimplantabel syrgassensor <strong>för</strong> <strong>mätning</strong> <strong>av</strong> syrgastrycket i centralvenöst blod har<br />
tidigare utvecklats vid institutionen <strong>av</strong> NilsHolmström, St Jude Medical[3]. Denna applikation<br />
har sedan vidareutvecklats <strong>för</strong> <strong>mätning</strong> <strong>av</strong> syrgastrycket i <strong>vävnad</strong>, exempelvis muskler. Detta<br />
examensarbete är en del <strong>av</strong> denna vidareutveckling och en fortsättning på ett tidigare<br />
examensarbete ut<strong>för</strong>t <strong>av</strong> F Orneman och S Petterson [1].<br />
( Det var tänkt att arbetet skulle baseras på den mätutrustning som utvecklats <strong>av</strong> A Wallander<br />
och beskrivs i examensrapporten ”PO 2-monitor” [2], men då det redan tidigare påvisats att<br />
denna ej g<strong>av</strong> riktigt till<strong>för</strong>litliga resultat utvecklades en ny mätutrustning <strong>av</strong> Håkan Elmqvist<br />
och Tommy Ribbe vid institutionen. Detta arbete drog ut på tiden och i början användes den<br />
gamla utrustningen <strong>för</strong> att utvärdera elektroderna.)<br />
En stor del <strong>av</strong> arbetet går ut på att tillverka riktigt stabila referens- och arbetselektroder till in<br />
vitro-tester med ovannämnda utrustning.<br />
Projektet har ut<strong>för</strong>ts som examensarbete <strong>för</strong> civilingenjörsexamen och blev möjligt våren<br />
2003 genom pr<strong>of</strong>essor Håkan Elmqvist. Arbetet har pågått till hösten 2003.<br />
1.3 Uppdelning<br />
Detta är en tvärvetenskaplig rapport som täcker ämnesområdena teknik och medicin.<br />
Rapporten är indelad i två delar, en inledande medicinsk och fysiologisk del, som ger<br />
bakgrunden till problemet, och en <strong>av</strong>slutande problemlösningsdel. Den <strong>för</strong>sta delen är<br />
ut<strong>för</strong>ligt beskriven så att läsaren, o<strong>av</strong>sett vilken bakgrund denne har, ska kunna tillgodogöra<br />
sig rapportens innehåll. Medicinska och tekniska fackuttryck finns samlade och definierade i<br />
ett <strong>av</strong>snitt <strong>för</strong>e inledningen.<br />
Problemlösningsarbetet kan delas upp i följande delmål:<br />
• <strong>Utveckling</strong> <strong>av</strong> teoretisk modell <strong>för</strong> inverkan <strong>av</strong> olika felkällor, exempelvis<br />
referenselektrodens potentialdrift, pulsens symmetri och påverkan <strong>av</strong> temperatur.<br />
• <strong>Utveckling</strong> <strong>av</strong> referenselektrod.<br />
• <strong>Utveckling</strong> <strong>av</strong> metod <strong>för</strong> framställning <strong>av</strong> arbetselektrod.<br />
10<br />
pacemaker<br />
Och styrning <strong>av</strong>
• Undersökning <strong>av</strong> vilken noggrannhet och stabilitet som kan uppnås in vitro.<br />
• Demonstration <strong>av</strong> drift och reproducerbarhet m h a långtids in vitro<strong>för</strong>sök vid 0, 21<br />
och 100 % syrgasmättnad.<br />
• Verifiering <strong>av</strong> sensorernas funktion in vivo.<br />
Det slutgiltiga målet är att genom<strong>för</strong>a en klinisk utvärdering <strong>av</strong> hela apparaturen med en serie<br />
djur<strong>för</strong>sök samt en jäm<strong>för</strong>else med en kommersiellt tillgänglig pO 2-mätare.<br />
11
DEL I: BAKGRUND<br />
2 Fysiologi<br />
Syre är näst väte och helium det vanligaste grundämnet i universum. I de levande<br />
organismerna finns det bundet <strong>för</strong>utom i vatten främst i kolhydrater, fosfater och proteiner. En<br />
vuxen människa består till 65 % <strong>av</strong> syre och omsätter på ett dygn 900 g syre genom inandning<br />
<strong>av</strong> luft (svarande mot 630 l ren syrgas eller drygt 3 m 3<br />
luft <strong>av</strong> 25°C och 1 atm) och ytterligare<br />
ca 225 g genom födan. Kroppens celler använder syret när de oxiderar näringsämnen och<br />
därmed utvinner energi, varvid det bildas koldioxid och vatten. Då kroppen har ett obetydligt<br />
<strong>för</strong>råd <strong>av</strong> syre måste ständig till<strong>för</strong>sel ske genom lungorna <strong>för</strong> vidare transport till <strong>vävnad</strong>erna<br />
<strong>för</strong> att motsvara <strong>för</strong>brukningen. [22]<br />
2.1 Gasutbyte i kroppen<br />
När man talar om andning menar man <strong>of</strong>ta den yttre andningen, dvs. att luft passerar genom<br />
andningsorganen. Den inre andningen, cellandningen, sker i cellens mitokondrier och<br />
<strong>för</strong>bränner syremolekyler till koldioxid, vatten och energi i form <strong>av</strong> ATP. Gasutbytet sker<br />
genom diffusion direkt genom cellmembranen. [21]<br />
2.1.3 Partialtryck<br />
Det totala trycket i en gasblandning är lika med summan <strong>av</strong> de ingående gasernas tryck.<br />
Trycket <strong>för</strong> varje enskild gas kallas <strong>för</strong> gasens partialtryck. Luften är en gasblandning som<br />
fram<strong>för</strong> allt innehåller kväve och syre. Gasutbytet mellan luften och blodet beror på att t ex<br />
syre diffunderar från lungalveolerna till blodet, eftersom dess partialtryck är större i<br />
alveolarluften än i blodet.<br />
Begreppet partialtryck kan även användas i de fall gaserna är lösta i t ex vatten, se fig 1.<br />
Vanlig luft innehåller ca 21 % syre. När luften kommer i kontakt med vatten kommer syret att<br />
lösa sig i vattnet. Mängden syre som en viss mängd vatten kan innehålla är beroende <strong>av</strong> flera<br />
faktorer som t ex vattnets temperatur, lufttrycket, salthalten i vattnet eller om det finns ämnen<br />
i vattnet som konsumerar syret. När andra ämnen, som olika salter, är lösta i vattnet, finns<br />
mindre plast <strong>för</strong> syre att lösas – syre är mindre lösligt än de flesta salter. För att full<br />
syremättnad ska kunna uppstå krävs också omrörning <strong>av</strong> vattnet och tillräckligt med tid. [14]<br />
[15] [12]<br />
Från start: Syret löser sig i vattnet Vid jämvikt är <strong>pO2</strong> lika i<br />
Inget O 2 finns i lösningen luften och vattnet<br />
Figur 1 Hur man hanterar gaser i lösning<br />
Henry´s lag: Gasens konc. i lösning = gasens partialtryck gånger lösningskoefficienten<br />
Alltså [O 2 ] i mol/L: [O 2 ] = Po 2 * So 2<br />
12
2.1.1 Lungorna<br />
Lungorna är luftfyllda håligheter i kroppen, genom vilka luft<br />
pumpas <strong>för</strong> att medge gasutbyte. Människans lungor är<br />
uppbyggda kring luftrören, bronkerna, vilka grenar sig från<br />
luftstrupen, trakea. Hos människan har bronkträdet ett<br />
tjugotal greningsställen från luftstrupen ut till lungblåsorna,<br />
alveolerna,se fig 2. Utbytet <strong>av</strong> syre och koldioxid mellan<br />
alveolarluften och blodet i lungkapillärerne sker genom<br />
diffusion. Följande fyra faktorer är <strong>av</strong> betydelse <strong>för</strong> att<br />
åstadkomma en snabb och effektiv diffusion:<br />
• Hög koncentrationsskillnad<br />
• Kort diffusionsväg<br />
• Stor diffusionsyta<br />
• God permeabilitet <strong>för</strong> molekyler genom skiljeväggen<br />
Luft:<br />
Po 2 = 21,2 Pco 2 = 0,04<br />
Lungalveoler<br />
Pco 2 =5,3 Po 2 =13,3<br />
Po 2 =5,3 Po 2 =13,3<br />
Pco 2=6,1 Pco 2=5,3<br />
Lungkapillärer<br />
Vävnadskapillärer<br />
Po 2 =5,3 Po 2 =13,3<br />
Pco 2=6,1 Pco 2=5,3<br />
Pco 2 = 6,1 Pco 2 = 5,3<br />
Pco 2 >6,1 Po 2 < 5,3<br />
Cell<br />
13<br />
Figur 2 Människans andningsorgan<br />
Lungblåsornas väggar är tunnare än en tusendels<br />
millimeter och har hos en vuxen människa en<br />
sammanlagd yta <strong>av</strong> ca 100 m 2 . Således råder mycket<br />
nära kontakt mellan luft och blod. Det syresatta blodet<br />
<strong>för</strong>s med lungvener till vänster hjärthalva och därifrån<br />
vidare ut till kroppens organ. [21]<br />
Alveolarluften har en helt annan sammansättning än<br />
den luft vi andas in, se fig 3. Syrets partialtryck i<br />
lungorna är 13,3 kPa, medan det bara är 5,3 kPa i<br />
blodet. Kontakten mellan blodets hemoglobin och<br />
luftens syre varar i ungefär en sekund. Syretrycket är i<br />
stort sett lika efter bara 1/4 sekund, vilket gör att<br />
blodet syresätts riktigt även vid ansträngning, trots att<br />
det då flödar snabbare. Koldioxodens partialtryck i<br />
lungan är ca 5,3 kPa, och i blodet ca 6 kPa.<br />
Tryckskillnaden utjämnas redan i den <strong>för</strong>sta tiondelen<br />
<strong>av</strong> lungkapillärerna. Att koldioxiden <strong>för</strong>svinner ur<br />
lungorna beror på att "ytterluften" har ett partialtryck<br />
<strong>av</strong> koldioxid på endast 0,04 kPa. [12]<br />
Figur 3 Transporten <strong>av</strong> syre från luft till cell sker på följande<br />
sätt;<br />
• Luft in i lungan<br />
• Diffusion alveol till kapillär<br />
• Transport <strong>av</strong> blodet<br />
• Kapillär till cell genom diffusion
2.1.2 Inre gasutbyte<br />
Syre <strong>för</strong>brukas alltså i cellerna och när syrekoncentrationen sjunker diffunderar syre in från<br />
omgivningen. Koldioxid som uppstår vid cellandningen diffunderar i motsatt riktning.<br />
Diffusion är endast effektivt över korta <strong>av</strong>stånd, var<strong>för</strong> större organismer måste ha speciella<br />
mekanismer (t ex blodomlopp) <strong>för</strong> transport <strong>av</strong> syre till cellerna. Celler kan inte växa sig<br />
större än att de kan <strong>för</strong>sörjas genom diffusion. [21]<br />
2.2 Syretransporten i blodet<br />
Av det syre som transporteras med blodet är 99 % kemiskt bundet till hemoglobinet, var<strong>för</strong><br />
blodets hemoglobinhalt (Hb-värdet) är lika betydelsefull som blodets syresättning.<br />
Syretransporten är vidare beroende <strong>av</strong> hjärtats minutvolym och blodflödets <strong>för</strong>delning till<br />
olika organ via artärerna. När en eller flera <strong>av</strong> nämnda faktorer är bristfällig, eller när<br />
andningsluften har <strong>för</strong> låg halt <strong>av</strong> syre, uppstår syrebrist, hypoxi, som leder till nedsatt<br />
organfunktion eller till <strong>vävnad</strong>ens död, infarkt. Syrebrist behandlas <strong>of</strong>ta genom till<strong>för</strong>sel <strong>av</strong><br />
syre i andningsluften, syrgasbehandling. [20]<br />
En mindre del <strong>av</strong> syretransporten sker normalt genom att resten, ca 1 %, är fysikaliskt löst i<br />
plasma. Ökas partialtrycket <strong>av</strong> syre ökas den lösta delen – vid andning <strong>av</strong> ren syrgas vid 300<br />
kPa kan cellernas hela syrebehov transporteras utan medverkan <strong>av</strong> hemoglobinet. Detta<br />
utnyttjas vid viss form <strong>av</strong> intensivvård.<br />
Ett visst syrgastryck i blodet resulterar i en viss syrgasmättnad. Med syrgasmättnad menas<br />
den procentuella delen <strong>av</strong> hemoglobinet som är bundet till syre. I arteriellt blod vid ett<br />
syrgastryck på 13 kPa är mättnaden nära 100 % medan det i blandat venöst blod ( <strong>för</strong>e<br />
syresättning i lungorna) och ett syrgastryck på ca 5 kPa är ca 70 %. [8]<br />
14
3 Elektrokemiska processer<br />
Elektrokemi är läran om de reaktioner där laddade partiklar (joner eller elektroner) passerar<br />
över gränsen mellan två medier, <strong>of</strong>ta en metall (elektroden) och en lösning med<br />
lednings<strong>för</strong>måga, elektrolyten. Den typen <strong>av</strong> reaktion kallas <strong>of</strong>ta <strong>för</strong> elektrodreaktion. [6]<br />
3.1 Elektrodreaktioner<br />
I detta arbete används en metod <strong>för</strong> <strong>mätning</strong>ar med guldelektroden som bygger på s k<br />
polarografisk teknik. Denna teknik finns ut<strong>för</strong>ligt beskriven i kapitel 4.2 men<br />
sammanfattningsvis kan sägas att en utomstående spänningskälla kopplas mellan två<br />
elektroder i en elektrolyt <strong>för</strong> att få en elektrokemisk reaktion, där syre reduceras vid den<br />
negarivt laddade elektrodytan. Vid reduktionen <strong>för</strong>brukas elektroner, vilket innebär att en<br />
elektrisk ström genereras som går att mäta och som är linjärt proportionell mot pO 2 i<br />
elektrolyten.<br />
Vid reduktionsprocessen reduceras katodytans material O till R på grund <strong>av</strong> elektronupptag<br />
(se principskiss i fig 4). Elektrodreaktionen består <strong>av</strong> ett visst antal steg:<br />
• Reaktanten (O) rör sig, på grund <strong>av</strong> koncentrationsgradienten, till gränsytan. Detta<br />
kallas <strong>för</strong> masstransport.<br />
O lösning →O elektrod<br />
• På ytan kommer, under elektronöver<strong>för</strong>ing från elektroden, reaktanten att reduceras till<br />
en produkt (R).<br />
O elektrod →R elektrod<br />
• Produkten transporteras sedan till lösningen genom diffusion, migration och/eller<br />
konvektion.<br />
R elektrod→R lösning<br />
Reaktant (O) Produkt (R)<br />
Transport <strong>av</strong> produkter<br />
och reaktanter<br />
O + e - → R elektrod<br />
e - e - e -<br />
Figur 4 Principskiss <strong>av</strong> en enkel elektrodreaktion<br />
Det långsammaste <strong>av</strong> dessa tre steg bestämmer den totala hastigheten hos den elektrokemiska<br />
ändringen.<br />
De ovanstående stegen kan också kompliceras genom:<br />
• Den pålagda spänningen på elektroden<br />
• De ingående komponenternas <strong>för</strong>måga att reagera<br />
• Elektrodytans utseende<br />
• Strukturen hos gränsskiktet över vilken elektronerna transporteras<br />
15<br />
Adsorbat på<br />
elktrodytan kan bromsa reaktionen
Elektrodreaktionerna på elektrodens yta ger upphov till en obalans hos de laddade partiklarna<br />
på elektroden och i lösningen. Resultatet blir en potentialdifferens över gränsytan som<br />
materiellt kan påverka hastigheten och riktningen hos rektionen.[6]<br />
Den potentialdifferens som utvecklas i elektrod-elektrolyt system är begränsad till bara ett par<br />
volt som mest. Detta kan tyckas vara lite, men det är viktigt att tänka på att det är <strong>av</strong>ståndet<br />
som potentialdifferensen existerar över som är det viktiga. I vårt fall består detta gränsskikt <strong>av</strong><br />
de vattenmolekyler som fäster sig till elektrodytan, <strong>of</strong>tast bara ett fåtal atomdiametrar tjockt.<br />
På detta sätt kan en väldigt liten spänning producera en väldigt stor potentialgradient.<br />
3.2 Dubbellagerskapacitans<br />
När man i elektrokemi talar om ett elektriskt dubbellager menar man den separation <strong>av</strong><br />
laddningar som existerar vid gränsytan mellan två faser, vanligtvis en fast (elektroden) och en<br />
flytande (elektrolyten) fas. Potentialdifferensen över en sådan gränsyta kan liknas vid ett<br />
elektriskt dubbellager vilket i sin tur är likvärdigt med en vanlig enkel kondensator. När man<br />
mäter elektriska potentialer i en lösning måste man <strong>för</strong>söka uppskatta influensen <strong>av</strong> den<br />
kapacitans som detta dubbellager ger upphov till.<br />
V<br />
- +<br />
- +<br />
- +<br />
Figur 5 Uppkomst <strong>av</strong> dubbellagerkapacitans<br />
Figur 5 visar en modell <strong>av</strong> händelserna vid gränsytan. De laddade lagren består <strong>av</strong> ett<br />
överskott eller underskott <strong>av</strong> elektroner på metallsidan och ett överskott eller underskott <strong>av</strong><br />
joner med motsatt laddning på lösningsidan. Förutom dessa fria bärare <strong>av</strong> laddningar finns det<br />
dessutom orienterade molekyler med dipol moment som också bidrar till lagrets totala<br />
elektriska moment.<br />
Ännu ett bidrag är möjligheten <strong>av</strong> ett diffust<br />
dubbellager <strong>av</strong> laddningar längre bort i lösningen<br />
vilka helt eller delvis neutraliserar de joner som är<br />
adsorberade (kemiskt bundna) till metallen på<br />
lösningssidan, se fig 6.<br />
Vid <strong>mätning</strong>ar liknande de i detta arbete är<br />
det <strong>av</strong> stort intresse att reducera den influens<br />
som uppladdningen <strong>av</strong> dubbellagerkapacitansen<br />
har på slutresultatet. Detta kan ske antingen<br />
med en väldigt slät elektrodyta eller med en<br />
procedur där den uppmätta mängden <strong>av</strong><br />
laddningar reduceras med det bidrag som<br />
härrör från laddningen <strong>av</strong> dubbellagret.<br />
Det är denna metod som utnyttjats i detta arbete.<br />
[3] [6] Figur 6 Det diffusa dubbellagret<br />
16
4 Syrgas<strong>mätning</strong><br />
4.1 Biosensorer<br />
Figur 7 visar de tre olika basfunktioner som biomedicinska hjälpmedel <strong>of</strong>ta består <strong>av</strong>.<br />
Fysiologiskt<br />
system<br />
Figur 7 Block diagram <strong>av</strong> ett generellt hjälpmedels system<br />
Eftersom sensordelen <strong>av</strong> instrumentet påverkar gränsytan till det fysiologiska system som ska<br />
mätas, representerar biosensorn en mycket viktig komponent i alla biomedicinska instrument.<br />
Sensorn måste kunna ut<strong>för</strong>a en omvandling <strong>av</strong> en biologisk, kemisk eller fysisk händelse till<br />
en elektrisk signal utan att <strong>för</strong> den skull på något sätt ändra eller påverka denna händelse. [20]<br />
4.1.1 Elektrokemiska sensorer<br />
En elektrokemisk sensor används <strong>för</strong> att mäta syre eller giftiga gaser såsom sv<strong>av</strong>elväte,<br />
kolmonoxid, sv<strong>av</strong>eldioxid osv. Varje sensor är unik och anpassad till den gas och det<br />
mätområde som ska mätas. Den elektrokemiska sensorn reagerar med den specifika gasen och<br />
skapar en elektrisk signal som är proportionell mot den koncentration som sensorn utsätts <strong>för</strong>.<br />
Själva sensorn består <strong>of</strong>tast <strong>av</strong> en mätelektrod, en motelektrod, en referenselektrod, en<br />
elektrolyt och ett semipermeabelt membran, se figur 8.<br />
Gasen kommer in i sensorn och diffunderar igenom membranet. När gasen når mätelektroden<br />
sker antingen en oxidation eller en reduktion med hjälp <strong>av</strong> elektrolyten som också fungerar<br />
som katalysator och samtidigt leder den joniska laddningen mellan elektroderna. En resistor är<br />
kopplad mellan mätelektroden och motelektroden och den ström som bildas kan mätas <strong>för</strong> att<br />
bestämma gaskoncentrationen. Eftersom mätelektrodens potential inte är konstant används en<br />
referenselektrod <strong>för</strong> att ändå bibehålla en konstant spänning.[11]<br />
4.2 Polarografi<br />
sensor<br />
signal<br />
processor<br />
Diffusionbarriär<br />
Figur 8 Principskiss över elektrokemisk sensor Elektrolyt<br />
17<br />
display &<br />
lagring<br />
Membran<br />
Mätelektrod<br />
Referenselektrod<br />
Motelektrod<br />
Vid bestämning <strong>av</strong> syrets partialtryck, pO 2 , används <strong>of</strong>ta en polarografisk metod. I denna<br />
används en elektrokemisk cell med en metallkatod <strong>av</strong> guld och en silveranod. Elektroderna är
placerade i en vattenhaltig elektrolyt innehållande kloridjoner som t ex fysiologisk saltlösning<br />
(0,9 % natriumklorid i vatten, en koncentration liknande den extracellulära vätskan i<br />
kroppen). Även syre finns löst i elektrolyten. Samlingen <strong>av</strong> elektroder, elektrolyt och<br />
behållaren som innehåller elektrolyten brukar kallas <strong>för</strong> en elektrokemisk cell. När den<br />
elektrokemiska cellen kopplas till en spänningskälla startar reaktioner på katoden och anoden<br />
när spänningen är tillräckligt hög <strong>för</strong> att driva dem. Syre kan reduceras vid katoden enligt<br />
följande kemiska reaktion:<br />
2H 2 O + O 2 + 4e - → 4OH -<br />
Vid denna reaktion reduceras syre till hydroxyljoner och elektroner tas från katoden. Den här<br />
reaktionen kräver en spänning på ca 0,4 V och konsumerar syre, vatten och elektroner.<br />
Eftersom de två sista komponenterna finns i överskott är syre det hastighetsbestämmande<br />
ämnet i reaktionen och reaktionshastigheten ska vara proportionellt mot tillgängligt syre.<br />
Vid anoden blir silver från elektroden oxiderat till silverjoner och elektroner frisätts till<br />
anoden. Silverjonerna binder sig omedelbart till kloridjonerna i lösning <strong>för</strong> att bilda den<br />
svårlösliga <strong>för</strong>eningen silverklorid som fälls ut på elektrodytan. Denna reaktionen kräver en<br />
spänning på ca 0,22 V:<br />
Ag ↔ Ag + + e -<br />
18<br />
+ Cl - → AgCl<br />
Alltså behöver cellen totalt en spänning på 0,62 V; när denna minsta nivå en gång överskridits<br />
kommer elektroner att levereras till anoden och flyta genom kretsen till katoden. Den<br />
elektriska strömmen i kretsen är proportionell mot mängden syre som reduceras vid katoden,<br />
vilket i sin tur är proportionellt mot partialtrycket <strong>av</strong> syre i lösningen. Alltså kan den relativa<br />
strömmen genom cellen användas <strong>för</strong> att mäta syrespänningen. [20]<br />
Spänning-ström<strong>för</strong>hållandet <strong>för</strong> en<br />
polarografisk syrgassensor representeras<br />
<strong>av</strong> en karakteristisk kurva, ett<br />
polarogram,se fig 9. Nedan<strong>för</strong> ungefär -<br />
0,62 V är <strong>för</strong>hållandet praktiskt taget<br />
linjärt. I området ovan<strong>för</strong> når strömmen<br />
ett slags platå där voltändring har liten<br />
effekt på strömmen. I detta område är<br />
strömmen begränsad <strong>av</strong> syrets<br />
diffusionshastighet. När spänningen<br />
stiger över –1,1 V kommer strömmen<br />
återigen att stiga med spänningen p g a<br />
reduktion även <strong>av</strong> andra ämnen. [9]<br />
Figur 9 Polarogram<br />
I ett diffusionsbegränsat tillstånd reduceras syret direkt när det når katoden vilket resulterar i<br />
att katoden har noll procent syre på ytan och att strömmen är begränsad <strong>av</strong> den hastighet som<br />
syret kan diffundera till detta område. Diffusionshastigheten är en funktion <strong>av</strong> membranets-<br />
och det omslutande mediets syrediffusionskoefficient och det lösta syrets koncentration som, i<br />
sin tur, är proportionellt mot syrets partialtryck och temperatur. [9]
En kurva över <strong>för</strong>hållandet mellan ström<br />
och syrets partialtryck (vid en fixerad<br />
spänning) kallas <strong>för</strong> en standardkurva, se<br />
figur 10. För de flesta elektroder är<br />
kurvan linjär. Värt att poängtera är att<br />
linjen ej går igenom origo utan indikerar<br />
en svag ström även när syrets<br />
partialtryck är noll. Denna ström<br />
resulterar från faktorer som läckström<br />
från isolerande material i systemet och<br />
reduktion <strong>av</strong> syre som adsorberades in i<br />
elektrodmaterialet.<br />
4.2.1 Clark-elektroden<br />
19<br />
Figur10 Standard kurva<br />
Den vanligaste pO 2 -elektroden idag är <strong>av</strong> s.k. Clark-typ.<br />
Clark-elektroden är en polarografisk cell i miniatyr, se<br />
figur 11. Den består <strong>av</strong> en platinaelektrod med en 0,7 V<br />
negativ potential i <strong>för</strong>hållande till en referenselektrod<br />
<strong>av</strong> silver-silverklorid. De bägge elektroderna är<br />
omgivna <strong>av</strong> en fosfatbuffer med konstant pH, som även<br />
är mättad med kaliumklorid. Lösningen skiljs från<br />
mätobjektet <strong>av</strong> ett tunt, semipermeabelt<br />
polyetylenmembran. Detta membran tillåter syret i<br />
provet att passera genom det till elektroderna medan det<br />
blockerar <strong>för</strong> vätska, salter och stora molekyler, som<br />
proteiner, vilka kan <strong>för</strong>orena elektroderna. En reduktion<br />
<strong>av</strong> till<strong>för</strong>t syre sker vid platinaelektroden, varvid en<br />
Figur 11 Polarografisk bestämning <strong>av</strong><br />
elektrisk ström uppstår, som är proportionell mot syrgastryck med Clark-elektrod<br />
syrgastrycket. Spänningen mellan katod och anod är<br />
noggrant inställd så att bara syre reduceras.<br />
Platinaelektroden måste göras liten, diameter ca 0,01 mm. Per kPa syrgas fås typiskt en ström<br />
på 10 -7 till 10 -10 A beroende på mekaniskt ut<strong>för</strong>ande.<br />
Eftersom allt syre som diffunderar genom membranet blir elektrokemiskt reducerat vid<br />
katoden är syrets partialtryck i elektrolyten noll. En partialtrycks gradient existerar där<strong>för</strong> över<br />
membranet och mängden syre som kommer in i systemet är direkt proportionellt mot syrets<br />
partialtryck i provet. Ju högre syrets partialtryck är, desto mer syre diffunderar genom<br />
membranet på en given tid.[14]<br />
Partialtrycket <strong>av</strong> löst syre är en funktion <strong>av</strong> provets temperatur. Det är där<strong>för</strong> viktigt att<br />
mätapparaturen kalibreras vid denna temperatur eller har en funktion som gör att den<br />
automatiskt kan kompensera <strong>för</strong> varierande provtemperatur.[14]
Clark-elektroden är dock inte lämplig <strong>för</strong> långtidsimplementeringar i kroppen beroende på<br />
risken med membranbristningar och andra komplikationer.<br />
5 Användningsområden<br />
Mätning och övervakning <strong>av</strong> syretryck är de viktigaste parametrarna som möjliggör <strong>för</strong> en<br />
narkosläkare eller doktor vid en intensivvård<strong>av</strong>delning att bedöma tillståndet hos en allvarligt<br />
sjuk patient. Att mäta syrgastrycket lokalt ger också viktig information om hur bl a cirkulation<br />
och respiration fungerar i det aktuella området.<br />
5.1 Hyperbar oxygenterapi, HBO<br />
Som tidigare påpekats sker syretransporten i kroppen genom ventilation, diffusion, cirkulation<br />
och cellrespiration. Genom konstgjord andning påverkas endast ventilationen direkt. Defekter<br />
i de övriga stegen kan påverkas genom behandling med syrgas vid <strong>för</strong>höjt atmosfärstryck,<br />
HBO.<br />
Vid normalt tryck och luftandning sker den huvudsakliga syretransporten i blodet genom<br />
kemisk bindning till hemoglobinet; bara en mindre del <strong>av</strong> det transporterade syret är<br />
fysikaliskt löst i plasma. Ökas syrgastrycket, exempelvis genom andning <strong>av</strong> ren oxygen vid<br />
300 kPa, kan <strong>vävnad</strong>ernas hela syrgasbehov transporteras utan medverkan <strong>av</strong> hemoglobinet.<br />
Alternativt kan ett onormalt högt syrebehov eller en nedsatt transportkapacitet kompenseras<br />
med sådan syrgasbehandling.<br />
HBO-behandling utnyttjas <strong>för</strong> behandling <strong>av</strong> vissa sjukdomar med <strong>för</strong>sämrat syreutnyttjande<br />
eller otillräcklig syretransport, främst anaeroba infektioner och kolmonoxid<strong>för</strong>giftning. Den<br />
kan även användas <strong>för</strong> att underlätta läkningen efter vissa plastikoperationer och vid sår- och<br />
brännskadebehandling.<br />
HBO-behandling är <strong>för</strong>enad med risker, eftersom syrgas är toxiskt. Vid närvaro <strong>av</strong> syrgas i<br />
<strong>vävnad</strong>er bildas fria syreradikaler; syre<strong>för</strong>eningar med ensamma opariga elektroner. Viktigast<br />
• •<br />
är superoxidradikalen, O2 , och hydroxylradikalen, OH , samt väteperoxid, H2O2, som<br />
sönderfaller under bildning <strong>av</strong> fria radikaler. Dessa radikaler är mycket reaktiva och toxiska<br />
var<strong>för</strong> biologiska organismer har utvecklat skyddsmekanismer mot dessa. Vid inandning <strong>av</strong><br />
ren syrgas bildas dock en sådan mängd fria radikaler att kroppen ej klarar <strong>av</strong> att oskadliggöra<br />
dessa tillräckligt snabbt och det uppstår en syrgas<strong>för</strong>giftning.<br />
För att få ett lyckat behandlingsresultat krävs det en balans mellan dessa ytterligheter så man<br />
uppnår en maximal syretill<strong>för</strong>sel till <strong>vävnad</strong>en med så liten giftverkan som möjligt.<br />
5.2 Cancerforskning<br />
Ett <strong>av</strong> de viktigaste sätten idag att behandla cancer är genom strålterapi. Cellernas<br />
strålkänslighet beror till viss del på den miljö de befinner sig i vid bestrålningstillfället. Av<br />
betydelse är bl a graden syrgasmättnad. Hög syrgasmättnad ökar strålkänsligheten, vilket är<br />
naturligt då syret i sig ger upphov till fria radikaler. Där<strong>för</strong> har man vid strålbehandling<br />
<strong>för</strong>sökt öka syrespänningen genom att ut<strong>för</strong>a behandling vid en hyperbar oxygenatmosfär (se<br />
ovan). Möjligheten att därmed öka hela tumörens strålkänslighet är dock begränsad då det i de<br />
centrala delarna <strong>av</strong> en större tumör <strong>of</strong>ta är så dålig blodkärls<strong>för</strong>sörjning att tumören delvis dör.<br />
Syresättningen i dessa och kringliggande delar blir där<strong>för</strong> dålig.<br />
20
(Det har visat sig att solida cancertumörer inte kan växa sig större än ett pepparkorn utan<br />
kontakt med blodkärl. Tumörcellerna saknar helt enkelt tillräcklig tillgång till syre och näring<br />
och har heller ingen möjlighet att göra sig <strong>av</strong> med <strong>av</strong>fallsprodukter. Dessutom kan inte en<br />
lossnad cancercell från tumören metastasera då det saknas blodkärl som kan frakta iväg den<br />
lossnade cellen till en annan del <strong>av</strong> kroppen. Eftersom man känner till en del om vilka ämnen<br />
som medverkar i tumör-angiogenes har man tagit fram flera angiogenes-inhibitorer och<br />
modulerare som hindrar utvecklingen <strong>av</strong> nya kapillärer från de redan existerande blodkärlen.<br />
Fysiologiska parametrar som skulle kunna användas <strong>för</strong> att studera effekten <strong>av</strong> antiangiogenesterapi<br />
skulle kunna vara tumörens blodflöde, syretryck, inre tryck,<br />
genomsläpplighet och den tid det tar <strong>för</strong> blodet att passera tumören.)<br />
5.3 Hjärniscemi<br />
Vid eventuell hjärnskada kan man ha stor nytta <strong>av</strong> att mäta pO 2 då det verkar finnas en<br />
korrelation mellan det lokala blodflödet i hjärnan och pO 2 i hjärnans parenkym<strong>vävnad</strong>. PO 2 -<br />
<strong>mätning</strong> i hjärn<strong>vävnad</strong>en tycks återspegla det lokala blodflödet och därmed ge information om<br />
hjärn<strong>vävnad</strong>ens syresättning. Under normala <strong>för</strong>hållanden ska blodflödet i hjärnan vara<br />
konstant.<br />
5.4 Sårläkningsprocesses<br />
Mätning <strong>av</strong> <strong>vävnad</strong>ens syrgastryck är också mycket intressant vid sårläkningsprocessen.<br />
Kroppens sårläkningsceller, fibroblasterna, fungerar inte vid hypoxi. Även kroppens vita<br />
blodkroppar har en nedsatt <strong>för</strong>måga att ta död på bakterier vid lokal syrebrist. En högre lokal<br />
syresättning i <strong>vävnad</strong>en gör att <strong>vävnad</strong>en läker bättre, bildar nya celler och blodkärl fortare,<br />
och samtidigt får ett bättre skydd mot infektioner.<br />
21<br />
ischemi
DEL II: PROBLEMLÖSNING<br />
6 Material och metoder<br />
In<strong>för</strong> detta examensarbete fanns en del rekommendationer från anställda och tidigare<br />
examensarbetare <strong>för</strong> fortsatt utveckling:<br />
• Lösa problemen med felaktig mätpuls i apparaturen.<br />
• Utveckla en metod <strong>för</strong> egen isolering <strong>av</strong> guldtråd.<br />
• Tillverka en ny, stabil arbetselektrod baserad på tidigare applikationer.<br />
• Tillverka en riktigt stabil referenselektrod <strong>för</strong> in vitro-tester.<br />
• Utveckla en kompenseringsmetod <strong>för</strong> temperaturberoendet.<br />
• Utgå från en stabil mätmiljö med gasregulator och syretrycksmätare <strong>för</strong> vattnet under<br />
in vitro-tester.<br />
6.1 Elektrodsystem<br />
PO2-monitorn är ansluten till ett elektrodsystem som utgörs <strong>av</strong> tre elektroder med olika<br />
uppgift:<br />
• Arbetselektroden (WE) - består <strong>av</strong> en guldkatod som pulsas en gång per<br />
sekund med en spänning på 0,8 V. Vid varje puls<br />
reduceras en viss mängd syre och ger upphov till en<br />
ström vilken är linjärt beroende <strong>av</strong> pO 2 i elektrolyten<br />
(<strong>vävnad</strong>svätskan).<br />
• Motelektroden (CE) - består <strong>av</strong> en EKG-elektrod och har till uppgift att<br />
generera en potentialskillnad på 0,8 V mellan<br />
elektrolyten och arbetselektroden.<br />
• Referenselektroden (RE) - används <strong>för</strong> att man ska kunna beräkna potentialen<br />
<strong>för</strong> arbetselektroden.<br />
Många material kan användas <strong>för</strong> att reducera syre i ett flytande medium, men denna speciella<br />
applikation där elektroden är i direkt kontakt med <strong>vävnad</strong>en, minimerar antalet kandidater.<br />
Följande kriterium måste uppfyllas: alla material måste vara biokompatibla och<br />
bi<strong>of</strong>unktionella <strong>för</strong> användning inne i kroppen. Det är också viktigt att välja ett material som<br />
är lätt att tillverka med god reproducerbarhet och med låga kostnader.<br />
6.1.1 Biokompatibla material <strong>för</strong> elektroder<br />
När en främmande partikel kommer in i kroppen aktiveras kroppens immun<strong>för</strong>svar. Effekten<br />
<strong>av</strong> denna reaktion beror på vilket ämne det handlar om men den kan aldrig uteslutas. En<br />
kraftig reaktion kan resultera i inflammation och, i värsta fall, en allergisk chock. Man måste<br />
alltså minimera immun<strong>för</strong>svarets <strong>för</strong>sök att <strong>för</strong>störa det främmande ämnet. Det är där<strong>för</strong> <strong>av</strong><br />
yttersta vikt att material som används i kroppen är biokompatibla. Biokompatibilitet innebär<br />
att kroppsfrämmande ämnen kan verka i en viss biologisk miljö utan att negativt påverka den<br />
biologiska <strong>vävnad</strong>en. De framkallar inga biverkningar hos patienten, såsom överkänslighet,<br />
allergi och inflammationer. Biokompatibiliteten är kopplad till material, design och funktion.<br />
22<br />
referenselektroden
Man måste också tänka på att material som i sig är <strong>of</strong>arliga kan ge upphov till giftiga<br />
produkter när kemiska reaktioner uppstår mellan materialet och kroppsegna ämnen. Det är<br />
där<strong>för</strong> viktigt att undersöka de biprodukter som uppstår vid kontakt med kroppens vätskor och<br />
<strong>vävnad</strong>er innan ett material tas i bruk. Biomaterial får heller inte vara cancerframkallande<br />
eller framkalla blodproppar.<br />
De mekaniska egenskaperna hos metallerna som hög hållfasthet, högt motstånd mot<br />
utmattning, lätt att tillverka och sterilisera, gör att de lämpar sig väl <strong>för</strong> ett flertal områden. Ett<br />
problem som dock är gemensamt <strong>för</strong> alla metaller är korrosion. Den miljö som omger<br />
materialet i kroppen är <strong>of</strong>ta extremt aggressiv och där<strong>för</strong> är ädelmetaller idealiska biomaterial.<br />
6.1.2 Temperaturberoende<br />
Strömmen som levereras <strong>av</strong> en syrgaselektrod ändras ca 3-4 % per ° C vid konstant<br />
partialtryck. När temperaturen ändras under <strong>mätning</strong>ar måste man alltså kompensera <strong>för</strong> detta<br />
med en temperaturkoefficient <strong>för</strong> att tolka resultaten.[13]<br />
6.1.3 Syre<strong>för</strong>brukning<br />
Som redan nämnts <strong>för</strong>brukar katoden syre under reduktionsprocessen. För att katoden ska<br />
kunna ge bra mätresultat måste nytt syre hela tiden till<strong>för</strong>as till katoden. Mängden beror på<br />
diffusions<strong>för</strong>hållandet i elektrolyten. Syrereduktionen vid katodytan ger upphov till en<br />
diffusionsgradient mellan elektrolyten och katoden. Det finns dock ett antal lösningar på detta<br />
problem:<br />
• Ökad omrörning <strong>av</strong> elektrolyten reducerar diffusionsgradienten och nytt syre kommer<br />
hela tiden i kontakt med katodytan. Detta kallas flödeseffekt eller omrörningseffekt. Ju<br />
högre syre<strong>för</strong>brukning katoden har desto större diffusionsgradient, d v s desto<br />
kraftigare omrörning krävs <strong>för</strong> att få nytt syre till katoden.<br />
• Vid användning <strong>av</strong> pulsad polarografi flyter ingen ström till elektroden mellan<br />
pulserna och syrekoncentrationen blir densamma som långt ifrån katodytan. Pulsad<br />
polarografi har även <strong>för</strong>delen att katodytan inte lika lätt blir <strong>för</strong>orenad.<br />
• Katodens mätyta görs så liten som möjligt<br />
6.2 <strong>Utveckling</strong> <strong>av</strong> arbetselektroden<br />
En <strong>av</strong> huvuduppgifterna i detta examensarbete var att utveckla och utvärdera olika<br />
arbetselektroder in vitro och in vivo. Eftersom målet med elektroden är att man ska kunna<br />
mäta i olika biologiska <strong>vävnad</strong>er ställs höga kr<strong>av</strong> på utformning och material.<br />
En typ <strong>av</strong> nålelektrod hade tidigare utformats vid institutionen <strong>av</strong> <strong>för</strong>egående examensarbetare<br />
och min tanke var att arbeta vidare på denna idé.<br />
6.2.1 Guld<br />
Huvudkomponenten i arbetselektroden skulle vara isolerad guldtråd. Guld har flertalet<br />
egenskaper som gör att den lämpar sig väl som elektrodmaterial:<br />
23
• Störst smidbarhet <strong>av</strong> alla metaller<br />
• Mycket hög motståndskraft mot vanliga syror<br />
• Hög elektrodpotential och mycket god <strong>för</strong>måga att leda elektrisk ström och värme<br />
• Oxideras inte i luft<br />
• Hög biokompatibilitet<br />
• Ej katalytisk<br />
Det är viktigt att mätytan i arbetselektroden består <strong>av</strong> helt rent guld, s k finguld, utan några<br />
legeringar.<br />
6.2.2 Isolering<br />
Det är mycket svårt att få något att fästa vid guldytan, vilket är en <strong>för</strong>del <strong>för</strong> mätytan i<br />
kroppen men ett stort problem ur isoleringssynpunkt. Kr<strong>av</strong> på isolationsmaterial var att det<br />
skulle tåla fukt, vara segt, elektriskt isolerande, ej giftigt och tåla sterilisering.<br />
Loctite 3425 är en tvåkomponentsepoxi som skulle uppfylla dessa kr<strong>av</strong>. Det har hög viskositet<br />
och hårdnar vid rumstemperatur efter att lika delar <strong>av</strong> de båda komponenterna blandats.<br />
Denna epoxi skulle också fästa direkt till guldytan även om den inte rengjorts och utan<br />
användning <strong>av</strong> s k primer.<br />
Svårigheten med att använda Loctite 3425 som isoleringsmaterial var att det var svårt att få ett<br />
tunt och heltäckande lager på guldtråden då epoxin är mycket trögflytande. Ett <strong>för</strong> tjockt lager<br />
skulle med<strong>för</strong>a att tråden inte skulle kunna <strong>för</strong>as in i en kanyl.<br />
Diametern på den isolerade guldtråden fick inte vara större<br />
än diametern på den kanyl som den skulle gjutas in i. Där<strong>för</strong><br />
användes en Sterican injektionskanyl, se figur 12, med en<br />
diameter på 0,7 mm som ett slags tratt vid isoleringen.<br />
Kanylnålen kapades <strong>av</strong> intill plastinfästningen och en<br />
Figur12 Stercan injektionskanyl<br />
guldtråd på 0,1 mm <strong>för</strong>des igenom den kvarvarande delen.<br />
Denna fylldes därefter med Loctite 3425 och tråden <strong>för</strong>des fram och tillbaka igenom den ett<br />
par gånger. Slutligen drogs hela tråden ut genom den <strong>av</strong>klippta nålen och hängdes upp <strong>för</strong> att<br />
torka i ca 24 timmar. Vid senare undersökning i mikroskop upptäcktes att ett <strong>för</strong>hållandevis<br />
tunt och jämnt lager <strong>av</strong> epoxi hade erhållits efter att ha upprepat isoleringsproceduren<br />
ytterligare en gång.<br />
24<br />
Ref, nisse
Ett test genom<strong>för</strong>des <strong>för</strong> att få ett bevis på att tråden verkligen var elektrisk isolerad. Systemet<br />
visas nedan i figur 13. Är guldtråden ordentligt isolerad kommer ingen eller en mycket liten<br />
ström att flyta i kretsen.<br />
(5)<br />
(3)<br />
Figur 13 Uppställning vid isolationstest.<br />
(4)<br />
(1)<br />
25<br />
(2)<br />
1. Multimeter<br />
2. Motstånd på 5,6 MΩ,<br />
3. Kärl med saltlösning<br />
4. Guldtråd som ska<br />
undersökas<br />
5. Spänningsaggregat<br />
Vid test <strong>av</strong> den egenhändigt isolerade guldtråden applicerades en spänning på 10 V över<br />
kretsen och multimetern visade 0,3 mV. Enligt Ohms lag ger detta en ström i tråden på<br />
0,3*10 -3<br />
/5,6*10 6<br />
= 5*10 -11<br />
A. Detta tyder på god isolering.<br />
Vid användning till nålelektrod upptäcktes dock att den egenhändigt isolerade guldtråden<br />
tyvärr blivit aningen <strong>för</strong> tjock <strong>för</strong> att kunna dras igenom nålen. Ett annat tillvägagångssätt<br />
prövades där<strong>för</strong>.<br />
Den epoxi som använts vid följande metoder är Super Epoxy från Loctite, ett snabbhärdande<br />
tvåkomponents allroundlim som härdar efter blandning. Det fyller och limmar de flesta<br />
material och kan användas <strong>för</strong> inplastning/ingjutning <strong>av</strong> elektriska komponenter, isolering etc.<br />
En guldtråd utan isolering löddes fast vid en<br />
metallkontakt tillhörande en labbhylsa som skulle<br />
användas som övergångskontakt mellan guldtråd<br />
och sladd till <strong>pO2</strong>-monitorn, se figur 14. Epoxi<br />
ströks över lödinfästningen då det fanns risk <strong>för</strong> att<br />
guldtråden skulle brista där. Den fria delen <strong>av</strong><br />
guldtråden <strong>för</strong>des därefter in genom hylsan och Figur 14 Labbhylsa och metallkontakt.<br />
slutligen trycktes metallkontakten fast i hylsan. För<br />
att ytterligare minimera risken <strong>för</strong> brott på guldtråden och <strong>för</strong> att <strong>för</strong>hindra läckströmmar<br />
fylldes därefter hylsan med epoxi. Hålrummet i hylsan var nu fyllt med epoxi och guldtråden<br />
var stabiliserad. Epoxin fick nu härda under natten.<br />
Guldtråden <strong>för</strong>des därefter igenom en kanyl utan att hylsan trycktes fast i plastbehållaren.<br />
Denna fylldes istället med Loctite 3425. Tanken var att när hylsan trycktes fast skulle epoxi<br />
tryckas ut genom kanylen och därmed lägga sig som isolering runt guldtråden. Detta såg till<br />
Är här kortsluten<br />
!
en början ut att fungera bra men vid närmare undersökning i mikroskop upptäcktes att<br />
guldtråden ej var riktigt rak utan låg an mot kanylens innersida.<br />
Eftersom det är svårt att vara riktigt säker på att det inte finns någon som helst kontakt mellan<br />
guldtråd och metall inne i kanylen ansågs det säkrast att ha någon sorts isolering på<br />
guldtråden. En liten mängd Super Epoxy blandades med några droppar metanol i ett provrör<br />
så att en väldigt lättflytande vätska erhölls. Vätskan droppades ner på en glasskiva så att det<br />
bildades en liten ”pöl”. En guldtråd, rengjord i metanol, drogs sedan genom blandningen<br />
upprepade gånger. Mellan varje gång jämnades epoxilagret, som gärna bildade ett slags<br />
”pärlband” längs tråden, ut genom att helt enkelt <strong>för</strong>siktigt dra med en fuktig trasa eller<br />
svamp längs det. När den utblandade epoxin började bli seg <strong>av</strong>bröts behandlingen och<br />
guldtråden hängdes upp <strong>för</strong> att härda. Samma <strong>för</strong>sök gjordes därefter med Loctite 3425.<br />
Denna epoxi var något mer lättbearbetad då den inte hade samma benägenhet att dra ihop sig<br />
till droppar på tråden, eftersom den som sagt fäster bättre vid guld. Två <strong>av</strong> guldtrådarna,<br />
isolerade med Loctite 3425 respektive Super Epoxy, genomgick efter härdning samma<br />
behandling ytterligare en gång.<br />
Vid senare undersökning i mikroskop såg det ut som att trådarna var mer eller mindre täckta<br />
<strong>av</strong> epoxi och de var också fortfarande <strong>för</strong>hållandevis tunna. Små droppar <strong>av</strong> epoxi fanns dock<br />
fortfarande kvar på trådarna med epoxi men tanken var att dessa kanske ändå kunde <strong>för</strong>hindra<br />
att guldet kom i kontakt med kanylens insida. Vid isolationstest enligt ovan erhölls följande<br />
resultat:<br />
Isoleringstyp Uppmätt spänning Beräknad ström<br />
Loctite 3425 1 ggr 4 mV 7,1*10 -10 A<br />
Loctite 3425 2 ggr 2,5 mV 4,5*10 -10<br />
A<br />
Super Epoxy 1 ggr 10 mV 1,8*10 -9 A<br />
Super Epoxy 2 ggr 4 mV 7,1*10 -10 A<br />
Tabell 1 Resultat från isolationstest<br />
Upprepad isolation med Loctite 3425 g<strong>av</strong> alltså det bästa resultatet.<br />
6.2.3 Design<br />
Nästa problem vid tillverkningen var att löda fast guldtråd vid den metallkontakt som skulle<br />
användas. Kontakten måste vara mycket god och det var lätt att guldtråden smälte vid <strong>för</strong> hög<br />
lödtemperatur. Guldtråden blev också väldigt svag vid lödpunkten och gick lätt <strong>av</strong>. Detta<br />
löstes som tidigare med att lägga en <strong>av</strong>smalnande droppe epoxi på detta område efter lödning.<br />
Efter lödning isolerades guldtråden en gång med Loctite 3425 enligt den procedur som är<br />
beskriven ovan. Guldtråden fick sedan härda under natten. För att metallkontakten skulle<br />
passa perfekt i kanylens plastinfästning värmdes två krympslangar fast på varandra över den<br />
del <strong>av</strong> kontakten som skulle tryckas fast i denna. Härefter träddes tråden genom kanylen men<br />
trycktes ej fast. En spruta fylldes med Super Epoxy. Sprutan passade perfekt med kanylen och<br />
epoxi sprutades in till man såg att en droppe kom ut ur kanylens spets. Sedan fylldes även<br />
kanylens plastinfästning med epoxi och metallkontakten klämdes dit. Ytterligare epoxi<br />
pressades på detta sätt genom kanylen. Epoxin fick nu härda i värmeskåp under natten.<br />
26
En krympslang värmdes nu fast även över den slutliga<br />
infästningen <strong>för</strong> att ytterligare <strong>för</strong>hindra uppkomsten <strong>av</strong><br />
läckströmmar och <strong>för</strong> att uppnå en stabil konstruktion.<br />
Guldtråden klipptes <strong>av</strong> där den stack ut ur nålens spets och<br />
slipades till en riktigt fin mätyta. Resultatet visas i figur 15.<br />
För att man ska kunna tillverka en större mängd <strong>av</strong> dessa<br />
nålelektroder behöver tillverkades en jigg <strong>för</strong> att få fram en<br />
perfekt och reproducerbar vinkel på nålspetsen, se figur 16<br />
och 17.<br />
Figur 16 Nålelektrodens spets<br />
Figur 17 Skiss över nålelektrodens spets<br />
En manual <strong>för</strong> framtagning <strong>av</strong> nålelektråden finns i bilaga 4.<br />
27<br />
Kanylstål<br />
Figur 15 Färdig nålelektrod<br />
Guld<br />
Isolering (Loctite 3425)<br />
Super Epoxy
6.3 <strong>Utveckling</strong> <strong>av</strong> referenselektroden <strong>för</strong> in vitro <strong>för</strong>sök<br />
Referenselektrodens uppgift är att fullborda mätkretsen och att tillhandahålla en stabil<br />
potential mot vilken arbetselektroden jäm<strong>för</strong>s. Genom en vätske<strong>för</strong>bindelse åstadkoms<br />
kontakt mellan referenselektrod och provet. En s k saltbrygga formas från provet genom<br />
elektrolyten till silversilverkloridreferenselementet.Även direkt metallkontakt skulle kunna<br />
fullborda kretsen men det skulle inte erbjuda en reproducerbar potential från en lösning till en<br />
annan.[16]<br />
Då de flesta felen vid tidigare in vitro-<strong>mätning</strong>ar kunde troligtvis härledas till att silverklorid<br />
från referenselektroden kom ut i elektrolyten och <strong>för</strong>orenade guldytan. Således lades tid ner<br />
på att tillverka en riktigt stabil sådan.<br />
Det största kr<strong>av</strong>et på en referenselektrod är att den ska erbjuda en väldefinierad och<br />
reproducerbar potential oberoende <strong>av</strong> hur mycket ström som passerar genom den. Ofta<br />
används en Ag/AgCl elektrod som referenselektrod, mycket på grund <strong>av</strong> att den är enkel och<br />
billig att tillverka, dessutom är den stabil och ganska okänslig. Den största nackdelen med en<br />
Ag/AgCl-elektrod är att silverklorid kan läcka ut till elektrolyten. Silverkloriden är giftig och<br />
löser sig dessutom i <strong>vävnad</strong>svätska. Detta innebär att silverjoner kan lösgöras och slutligen<br />
övergå till katoden, d v s katodens guldyta täcks <strong>av</strong> silver. Ska man använda en Ag/AgClelektrod<br />
måste man alltså se till att ett membran hindrar silverkloriden att diffundera ut till<br />
elektrolyten.[16]<br />
Vid tidigare <strong>för</strong>sök på institutionen hade både en Ag/AgClelektrod<br />
med ett keramiskt membran och en sönderklippt<br />
EKG-elektrod nedstoppad i en glaspipett fylld med bomull<br />
använts. Dessa hade gett varierande resultat och varit något<br />
instabila. En ny variant med en ny EKG-elektrod togs fram.<br />
EKG-elektroden klipptes sönder och limmades fast med<br />
epoxi på ena änden <strong>av</strong> ett plaströr. Röret fylldes sedan med<br />
en gelatingelé gjord <strong>av</strong> gelatinblad upplösta i 0,9 %<br />
saltlösning. En tejpbit hade fästs på den öppna sidan <strong>av</strong> röret<br />
<strong>för</strong>a att man skulle kunna fylla på gelatingelé lite högre upp<br />
än rörets kant, se figur 18. När gelén i röret hade stelnat, efter<br />
ett par timmar i kylen, lossades tejpen och gelén skars<br />
<strong>för</strong>siktigt <strong>av</strong> precis vid rörets kant. Om man inte på detta sätt får en jämn yta med gelé precis<br />
vid rörets öppning kan det lätt bildas luftfickor i ojämnheterna när man sänker ner röret i<br />
elektrolyten.<br />
Vid test<strong>mätning</strong>ar visade det sig att de nya elektroderna fungerade bra. Vid olika frekvenser<br />
erhölls liknande värden på impedansen, ∼ 400 Ω.<br />
6.3.1 Gelatin<br />
Gelatin framställs <strong>av</strong> slakteri<strong>av</strong>fall som rensas från hår, ben och fett och kokas i vatten med<br />
hjälp <strong>av</strong> syror (gelatin typ A) eller alkalier (typ B), varvid proteinet kollagen övergår till<br />
glutin. Massan filtreras, dunstas in under vakuum, bleks och torkas slutligen i tumlare eller<br />
uthälld på skivor. [18]<br />
28<br />
Tejpbit<br />
Plaströr<br />
Gelatingelé<br />
EKG-elektrod<br />
Figur 18 Principskiss över tillverkning<br />
<strong>av</strong> referenselektrod<br />
silverjoner<br />
inte särskilt<br />
För att kunna<br />
använda en AgCl elektrod vid in<br />
vitro<strong>för</strong>söken behöver vi en barriär<br />
<strong>för</strong> silverjonerna. Vid invivo<br />
applikationer utgör detta inte något<br />
problem då huden fungerar som<br />
barriär.<br />
Elektroderna är ju<br />
färskvara. Hur länge varade de?
Gelatin mjukas upp och sväller i kallt vatten. När vattnet sedan värms upp, löser sig gelatinet<br />
och börjar flyta. När blandningen åter svalnar stelnar den till en mjuk och dallrande gelé.<br />
Blandningen bildar sämre gelé om den värms på <strong>för</strong> hög temperatur. [18]<br />
Gelatinets fysikalisk-kemiska beteende bestäms, å ena sidan <strong>av</strong> molekylernas<br />
aminosyrasekvens och den tredimensionella struktur som följer här<strong>av</strong>, å andra sidan <strong>av</strong> pHvärde,<br />
jonstyrka och reaktivitet med andra molekyler. Gelatinmolekylen kan ha olika elektrisk<br />
laddning. Vid hantering <strong>av</strong> gelatin är det viktigt att känna till att grumling och <strong>för</strong>sämrad<br />
gelbildning kan uppstå om pH-värdet hos en produkt sammanfaller med gelatinets<br />
isoelektriska punkt (IEP), dvs. det pH-värde som motsvarar ett neutralt laddningstillstånd hos<br />
gelatinmolekylen. Gelatinets kompatibilitet med andra hydrokolloider påverkas också <strong>av</strong> IEP.<br />
[17]<br />
29
6.4 PO 2-monitor<br />
De sensorer som här tagits fram var tänkta att användas till en befintlig apparatur, pO 2monitor,<br />
som fanns på institutionen [2]. De visade sig dock när test<strong>mätning</strong>ar påbörjades att<br />
denna ej fungerade riktigt som den skulle. För att påvisa detta kopplades elektroderna bort och<br />
ersattes <strong>av</strong> en dummy, utvecklad <strong>av</strong> Nils Holmström, som simulerade elektrodsignalerna och<br />
där man kunde ställa in önskat motstånd, potential etc. Med denna prototyp inkopplad skulle<br />
alltså pO 2-monitorn uppvisa en stabil och reproducerbar signal. Så var icke fallet. Den<br />
uppkomna signalen svängde kraftigt och det fanns en påtaglig mängd bakgrundsbrus. Det var<br />
därmed nödvändigt att mjukvaran programmerades om och delar till ett nytt kretskort<br />
beställdes. En ny apparat tillverkades därefter <strong>av</strong> Håkan Elmqvist och Tommy Ribbe vid<br />
institutionen. En <strong>för</strong>enklad principskiss <strong>av</strong> denna visas i figur 19.<br />
CE<br />
RE<br />
WE<br />
R<br />
F1<br />
VWE<br />
F3<br />
Figur 19 Förenklat principschema <strong>för</strong> <strong>pO2</strong> -potentiostat<br />
WE arbetselektrod<br />
CE motelektrod<br />
RE referenselektrod<br />
R strömbegränsande motstånd<br />
C0-C4 integrationskondensatorer<br />
S1-S4 väljer integrationskondensator<br />
SR nollställer integratorn<br />
S1 sluten ⇒ AE får potentialen VP (O respektive –0,7) i <strong>för</strong>hållande till RE<br />
F1 håller instrumentets referenspotential samma som referenselektrodens<br />
F2 integrator<br />
F3 ? buffert som möjliggör <strong>mätning</strong> <strong>av</strong> VWE<br />
30<br />
AD<br />
S1<br />
C4 S4<br />
C2 S2<br />
C1 S1<br />
C0<br />
SR<br />
F2<br />
VP<br />
Q<br />
AD<br />
Styrningen <strong>av</strong><br />
funtionerna styrs <strong>av</strong> en Siemens<br />
C504 mikroprocessor, som också<br />
sköter AD-omvandlingen.
4.2.2 Pulsad polarografi<br />
PO 2 -sensorn som används i detta examensarbete bygger på polarografisk teknik (se kapitel<br />
4.2). Vid syrgas<strong>mätning</strong> ger syrereduktionen vid katodytan upphov till en diffusionsgradient<br />
mellan elektrolyten och katoden. Diffusionsgradienten ökar med ökad syre<strong>för</strong>brukning på<br />
katoden. Nytt syre måste hela tiden till<strong>för</strong>as till katoden, t ex genom omrörning. För att slippa<br />
denna flödeseffekt använder man istället pulsad polarografi så att syre endast <strong>för</strong>brukas under<br />
den tid pulsen pågår. Mellan pulserna flyter ingen ström till elektroden. På detta sätt reduceras<br />
bara syremolekylerna tillfälligt och strömmen som uppstår blir diffusionsbegränsad. Om<br />
pulsbredden är tillräckligt kort blir tjockleken på diffusionslagret liten och flödesberoendet<br />
<strong>för</strong>svinner. Ju mer man ökar pulsbredden, ju större del <strong>av</strong> den genererade strömmen kommer<br />
att vara kinetiskt kontrollerad tills den slutligen helt dominerar.<br />
En annan <strong>för</strong>del med pulsad polarografi är att katodytan inte blir lika <strong>för</strong>orenad.<br />
4.2.3 Laddningskompenserad coulometri<br />
Laddningskompenserad coulometri är en ny metod <strong>för</strong> att mäta koncentration <strong>av</strong> ett visst<br />
ämne i ett medium. Fördelen med metoden är att man, genom att både skicka ut en negativ<br />
och positiv puls, eliminerar det ström- eller laddningbidrag som härrör från uppladdningen <strong>av</strong><br />
dubbellagrets kapacitans och minimerar variationerna i de uppmätta värdena som orsakas <strong>av</strong><br />
variationer i arbetselektrodens vilopotential.<br />
De negativa och positiva potentialstegen ∆E kommer alltid att vara lika. Det kommer också de<br />
strömmar som laddar upp dubbellagerskapacitansen att vara efter de båda stegen, men med<br />
olika tecken. Strömmen efter det negativa steget innehåller också en del som är proportionell<br />
till syre<strong>för</strong>brukningen. Summering <strong>av</strong> dessa strömmar leder alltså till att de oönskade delarna<br />
neutraliseras men att det syreberoende bidraget lämnas orört.<br />
31<br />
Ref<br />
laddningar
PO 2-sensorn som används i detta examensarbete bygger på en laddningskompenserad<br />
polarografisk teknik (se kapitel 4.2). Mätningarna ut<strong>för</strong>s på följande sätt:<br />
- Potentialen på arbetselektroden sänks med 0.8V relativt vilopotentialen (uppmätt innan<br />
<strong>mätning</strong>en påbörjas), se figur 20. Den negativa pulsen sträcker sig över halva<br />
integrationsintervallet, 3.6 ms, och uppkommer genom en sänkning <strong>av</strong> potentialen på<br />
plusingången på integratorn.<br />
- Vid halva <strong>mätning</strong>sintervallet återställs potentialen till vilopotentialen. Elektrodpotentialen<br />
får sedan flyta i kretsen under resten <strong>av</strong> perioden.<br />
- Den laddning som tagits upp <strong>av</strong> kondensatorn i integratorn laddas ur. Vid mätintervallets<br />
slut upphör integrationen.<br />
- Mätning <strong>av</strong> den uppmätta utpotentialen sker omedelbart efter det att integrationen upphört.<br />
Mätresultatet är den laddning som tagits upp <strong>av</strong> kondensatorn och som motsvarar den ström<br />
som uppstår då syre reduceras vid den negarivt laddade elektrodytan och som är proportionell<br />
mot syrgastrycket.<br />
Virtuell jord<br />
-0,8 V<br />
I<br />
Figur20 Puls och ström genom integratorn<br />
Om man mäter på integratorns utgång med oscilloskop skulle man få något som motsvarar<br />
figur 21 nedan.<br />
T 1/2 T 1/2<br />
32<br />
}Mätresultat<br />
Figur 21 Utspänning på integratorn under integration. Resultatet visar den integrerade laddningen.<br />
till 0,8 V under<br />
referenspotentialen<br />
laddningen<br />
den erhållna
7 Försök<br />
7.1 In vitro<br />
För att undersöka syrekänsligheten och reproducerbarheten hos de tillverkade<br />
nålelektrodernas ut<strong>för</strong>des flertalet in vitro-<strong>mätning</strong>ar. De <strong>för</strong>sta gjordes på plats vid Novum<br />
men senare g<strong>av</strong>s även tillfälle att testa elektroderna ute vid Karolinska sjukhuset, KS, i Solna.<br />
7.1.1 Utrustning<br />
För att göra de grundläggande <strong>mätning</strong>arna och kunna konstatera om<br />
tekniken och elektroderna fungerade, användes en vanlig bägare som<br />
fylldes med NaCl-lösning. I denna placerades en termometer, två<br />
kolelektroder som mot- och referenselektrod samt en <strong>av</strong><br />
nålelektroderna, se figur 22. Försöken visade att utrustningen var<br />
känslig <strong>för</strong> <strong>för</strong>ekomsten <strong>av</strong> syre men problem uppstod med sjunkande<br />
värden, såväl vid kort- som långtids<strong>för</strong>sök. Exempel på detta finns<br />
bifogat i bilaga 1.<br />
För att kunna utesluta diverse felkällor och få en mer isolerad mätmiljö tillverkades en<br />
elektrokemisk mätcell <strong>av</strong> plexiglas i vilken elektroderna placerades enligt figur 23.<br />
Elektrodsystemet bestod fortfarande <strong>av</strong> en guldkatod (nålelektroden) som arbetselektrod men<br />
som referens- och motelektrod användes de egenhändigt tillverkade ”EKG-elektrodrören”.<br />
Elektrolyten var samma NaCl-lösning som tidigare. För att kunna kontrollera pO 2 -halten i<br />
elektrolyten fanns även möjlighet att ansluta en gasflaska med antingen N 2, O 2 eller luft till<br />
cellen <strong>för</strong> att få kända syreprocentsatser i elektrolyten. En termometer anslöts också till<br />
mätcellen <strong>för</strong> att kunna studera temperaturberoendet.<br />
Nålelektrod<br />
Referenselektrod<br />
Elektrolyt<br />
Figur 23 Elektrokemisk mätcell<br />
33<br />
Termometer<br />
Motelektrod<br />
Wettexbit<br />
Gasintag<br />
Figur 22 Uppställning vid<br />
test<strong>mätning</strong>ar.
Fördelen med att även göra in vitro <strong>för</strong>sök ute vid KS var att här fanns en blodgasapparat<br />
(Radiometer). På det viset kunde elektrolyten analyseras och den verkliga syrgashalten<br />
fastställas. Här fanns också tillgång till en magnetomrörare som användes <strong>för</strong> att blandningen<br />
snabbt skulle komma i jämvikt och en stabil mätmiljö erhållas.<br />
De <strong>för</strong>sta <strong>för</strong>söken som gjordes här var en jäm<strong>för</strong>else mellan två <strong>av</strong> de tillverkade<br />
nålelektroderna <strong>för</strong> att se att de g<strong>av</strong> ungefär samma mätvärden. Mätningar gjordes vid hög,<br />
mellan och låg syrgashalt (dock inga exakta värden). Resultatet finns i bilaga 4 och visar att<br />
de både elektroderna ger liknande värden vid ungefär samma partialtryck <strong>av</strong> syre.<br />
Vid <strong>för</strong>söken användes en liten E-kolv, ca 40 ml, som<br />
mätcell. I denna placerades nålelektroden, de två<br />
kolelektroderna samt en sårventilator som var kopplad till<br />
olika gasflaskor med syre respektive kväve. Sårventilatorn,<br />
som syns i figur 24, är utvecklad <strong>av</strong> Mikael Persson,<br />
doktorand på Novum, och gör så att gasen löser sig bättre i<br />
elektrolyten (dess egentliga uppgift är dock att med hjälp <strong>av</strong><br />
koldioxid evakuera luft från sårk<strong>av</strong>iteten vid hjärtoperationer<br />
<strong>för</strong> att minska infektionsrisken). Som elektrolyt användes här<br />
en fysiologisk buffert som fanns i labbet. E-kolven<br />
placerades på magnetomröraren och som lock användes<br />
självhäftande plast. Labuppställningen visas i figur 25 nedan.<br />
Självhäftande plast<br />
PO 2 -monitor<br />
Magnetomrörare<br />
Figur 25 Labuppställning vid KS<br />
34<br />
Figur 24 Gasbubbling med sårventilator<br />
E-kolv med elektroder<br />
Sårventilatator<br />
Det var tänkt att resultaten som erhölls vid <strong>mätning</strong>arna skulle jäm<strong>för</strong>as med en annan<br />
apparatur <strong>för</strong> <strong>mätning</strong> <strong>av</strong> syrgastryck, Licox CMP®, som hade köpts in till labbet. Licox CMP<br />
bygger på en metod att mäta pO 2 med en polarografisk elektrokemisk mikrosensor. Med hjälp<br />
<strong>av</strong> denna kan värden på <strong>vävnad</strong>ens syrgastryck fås fram och data sparas sedan på ett<br />
minneskort, smart card, i den tillhörande mätboxen. Tyvärr visade det sig att denna utrustning<br />
bifogats en mycket knapphändig bruksanvisning och antagligen inte fungerade riktigt som<br />
den skulle. Det beslutades att den ej var till<strong>för</strong>litlig att användas som jäm<strong>för</strong>ande material.<br />
Dator<br />
Spruta <strong>för</strong> blodgasanalys
7.1.2 Ut<strong>för</strong>ande och resultat<br />
Min <strong>för</strong>sta uppgift var att undersöka hur känslig mätelektroden var <strong>för</strong> ändringar <strong>av</strong><br />
syretrycket. Elektrolyten (9mg NaCl/ml) bubblades med luft (21 % O 2 ), syrgas (100 % O 2 )<br />
resp. kväve (0 % O 2 ). Försöken visade att elektroden var känslig <strong>för</strong> dessa skillnader i<br />
syretryck och resultatet åskådliggörs i bilaga 2.<br />
Som redan nämnts var ett stort problem sjunkande värden även då syrehalten hölls konstant.<br />
För hoppningarna var att dessa problem kunde åtgärdas genom att använda den tillverkade<br />
mätcellen. Så var tyvärr inte fallet. Vid <strong>mätning</strong>ar över natten i luftmättad (21 % syre) lösning<br />
sjönk fortfarande mätvärdena markant. Vid <strong>mätning</strong>arna över kort tid erhölls dock stabilare<br />
värden. Exempel på detta återfinns i bilaga 3.<br />
Försöken började med att återigen testa syrekänsligheten hos nålelektroden.<br />
Labuppställningen såg ut som i figur 25 med enda skillnaden att även sårventilatorn var<br />
placerad i elektrolyten. På det viset kunde syretrycket ändras utan att man behövde lyfta på<br />
plasten och störa mätmiljön. Till en början kopplades gasslangen till kväveflaskan med den<br />
följden att mätvärdet sakta sjönk och till sist stabiliserades på ett lägsta värden. En spruta<br />
fylldes med 0,2 ml <strong>av</strong> elektrolyten och sprutades in i blodgasanalysatorn. Denna visade att<br />
pO 2 i elektrolyten var ca 3,31 kPa. Efter detta till<strong>för</strong>des även lite syre till gasblandningen till<br />
sårventilatorn och mätvärdena ökade hastigt. Efter ett tag stängdes kvävet <strong>av</strong> och endast syre<br />
till<strong>för</strong>des nu mätcellen. När värdena återigen hade stabiliserats gjordes en ny gasanalys och<br />
radiometern visade att pO 2 nu hade ökat till 113,01 kPa. Detta är såklart praktiskt omöjligt<br />
vilket kan <strong>för</strong>klaras <strong>av</strong> att apparaten ej är tänkt att användas vid så höga syrgastryck. Det kan<br />
ändå sägas att blandningen var syrgasmättad och sålunda borde ha ett pO 2 på ca 101 kPa. Lite<br />
kvävgas till<strong>för</strong>des återigen och slutligen var bara kvävgasen på. Syretrycket var då nere på ca<br />
3,51 kPa. Hela händelse<strong>för</strong>loppet skildras i figur 26 och bevisar att elektroden väl registrerar<br />
skillnader i pO 2.<br />
Figur 26 Resultat från <strong>mätning</strong> med kväve- respektive syrebubbling<br />
35
Nästa uppgift var att mäta vid olika syretrycksnivåer, från låga till höga och sedan tillbaka till<br />
låga igen, och registrera det värde som pO 2-monitorn visade. Två olika <strong>mätning</strong>ar, med<br />
samma <strong>för</strong>utsättningar, gjordes två olika dagar och resultaten finns illustrerade i figur 27 och<br />
28. Källdata <strong>för</strong> de två graferna finns bifogade som excellark i bilaga 4.<br />
Figur 27 & 28 Diagram med värden från pO 2-monitorn som funktion <strong>av</strong> pO 2-värdet från blodgasanalysatorn<br />
36
7.2 In vivo<br />
In vivo-<strong>mätning</strong>arna ut<strong>för</strong>des i anestesi labbet på KS. En doktorand vid namn Malin Jonsson<br />
skulle där påbörja en djur<strong>för</strong>söksstudie på kanin och möjlighet g<strong>av</strong>s att testa den tillverkade<br />
elektroden. Tanken var att elektroden skulle sättas i olika <strong>vävnad</strong>er som blod (arteriellt och<br />
venöst), muskel, etc. Kaninen var kopplad till en respirator och det var därmed möjligt att<br />
variera syrgastrycket på den gasblandning som till<strong>för</strong>des kaninen.<br />
7.2.1 Utrustning<br />
Som mot- och referens elektroder vid in vivo-<strong>för</strong>söken användes vanliga EKG-elektroder.<br />
Dessa fästes på den rakade huden vid sidan <strong>av</strong> det ställe där <strong>för</strong>söksdjuret snittats. De tre<br />
elektroderna var kopplade till pO 2-monitorn vilken i sin tur var kopplad till en laptop. Denna<br />
var tvungen att köras på batteri <strong>för</strong> att <strong>för</strong>hindra uppkomsten <strong>av</strong> svängningar i signalen vilket<br />
var ett stort problem i början.<br />
7.2.2 Ut<strong>för</strong>ande och resultat<br />
In vivo-<strong>för</strong>söken var tänkta att ut<strong>för</strong>as på följande sätt;<br />
efter det att <strong>för</strong>söksdjuret sövts ned skulle det kopplas<br />
till en respirator. För att kunna göra detta måste djuret<br />
<strong>för</strong>st genomgå en trakeotomi, se figur 29. Efter detta<br />
skulle nålen stickas in i lämpligt organ och <strong>mätning</strong>arna<br />
börja. Figur 30 nedan visar ett exempel på detta.<br />
Figur 30 Mätning i lårmuskel<br />
37<br />
Figur 29 Ut<strong>för</strong>d trakeotomi<br />
Första dagen med djur<strong>för</strong>sök blev dock något <strong>av</strong> en besvikelse. Det började med uppkomsten<br />
<strong>av</strong> brum i signalen som gjorde det mycket svårt att <strong>av</strong>läsa några värden. Då datorn hade dåligt<br />
batteri och detta ändå inte var fulladdat fortgick ändå <strong>mätning</strong>arna med tanken att bruset<br />
kunde filtreras bort i efterhand.<br />
Trots dessa komplikationer gick det ändå att se eventuella<br />
skillnader då syremängden i den till respiratorn till<strong>för</strong>da<br />
gasen ändrades. Resultatet blev dock detsamma o<strong>av</strong>sett<br />
vilket organ nålen stacks in i; stabila värden men ingen<br />
höjning <strong>av</strong> dessa då syrgastrycket ökades. Detta kanske<br />
kunde <strong>för</strong>klaras med att något fastnat på elektrodens<br />
mätyta eller att blodgenomströmningen varit allt<strong>för</strong> dålig.<br />
När de sista <strong>för</strong>söken gjordes hade kaninen varit nedsövd<br />
och ”öppen” i ca 10 timmar. Analys med<br />
blodgasapparaten visade dock att syretrycket i blodet<br />
hade höjts rejält.
Andra dagen började <strong>för</strong>söken bra. Nålen stacks in i en artär och kaninen andades in en<br />
gasblandning med 80 kPa syre. Värdena var både höga och stabila. Vid blodgasanalys visade<br />
det sig att blodet innehöll 86,23 kPa syre. När respiratorn istället kopplades till en<br />
gasblandning med ca 20 kPa syre sjönk också mycket riktigt värdena. Svaret från gasanalysen<br />
blev att blodets pO 2 nu hade sjunkit till 6,91 kPa. Problemet uppstod när syret till repiratorn<br />
återigen höjdes till ca 60 kPa. PO 2-monitorns värden följde då inte efter utan låg kvar på en<br />
mycket låg nivå, trots att blodet, enligt radiometern, hade ett pO 2 på 55,6 kPa. Nålen drogs då<br />
ut och stoppades istället in i muskel<strong>vävnad</strong> men utan <strong>för</strong>ändring. Fortfarande erhölls samma<br />
låga värden. Resultatet finns i bilaga 4.<br />
8 Diskussion och slutsatser<br />
Målsättningen med examensarbetet var att utveckla sensorer till en redan framtagen<br />
mätapparatur, testa dessa i labmiljö och slutligen utvärdera apparatur med sensorer kliniskt.<br />
Det som har bevisats är att den elektroniska apparaturen fungerar som den ska utan brum och<br />
svängningar. Flera slutsatser kan även dras gällande sensorutvecklingen.<br />
Följande positiva framsteg har gjorts:<br />
• Ett sätt att egenhändigt kunna isolera guldtråd har tagits fram och visat sig vara lyckat<br />
vid isolationstester<br />
• Ett koncept <strong>för</strong> utveckling framställning <strong>av</strong> arbetselektroder har tagits fram och visat<br />
sig vara reproducerbart<br />
• En ny typ <strong>av</strong> referens- samt motelektrod har utvecklats<br />
• Framtagningsmetoderna <strong>för</strong> samtliga elektroder är enkel och billig i jäm<strong>för</strong>else med<br />
konkurrenter.<br />
• Det har framgångsrikt kunnat påvisas skillnader i mätresultat då syretryckshalten i<br />
undersökt prov ändrats.<br />
Det som ej har lyckats är att erhålla stabila värden vid långtids<strong>mätning</strong>ar in vitro och<br />
<strong>mätning</strong>ar in vivo.<br />
Följande saker bör <strong>för</strong>bättras <strong>för</strong> fortsatt utveckling<br />
• Det bör undersökas om det finns något sätt att kompensera <strong>för</strong> den med tiden<br />
minskande känsligheten. Det är tänkbart att detta problem går att lösa genom löpande<br />
<strong>mätning</strong> <strong>av</strong> elektrodens småsignalimpedans som rimligtvis kan ge en uppfattning om<br />
inverkan <strong>av</strong> adsorbat mm.<br />
• De in vitro tester som lyckades bäst var de som gjordes ute vid KS. Min<br />
rekommendation blir där<strong>för</strong> att ut<strong>för</strong>a dessa <strong>mätning</strong>ar i labmiljö med lämplig<br />
utrustning.<br />
• Bygga en bättre mätcell <strong>för</strong> test<strong>mätning</strong>ar in vitro. Som labuppställningen såg ut vid<br />
KS var det nödvändigt att lyfta på plasten som användes som lock varje gång man tog<br />
gasanalysprov. Dessutom kan det tänkas att man vill ha en smartare konstruktion <strong>för</strong><br />
gastill<strong>för</strong>seln.<br />
• Det visade sig att användandet <strong>av</strong> magnetomrörare <strong>för</strong>bättrade mätresultaten. Det<br />
fanns även en magnetomrörare med temperaturregulator att tillgå. Det skulle vara<br />
intressant att undersöka temperaturberoendet med hjälp <strong>av</strong> denna, något som jag på<br />
grund <strong>av</strong> tidsbrist inte hann med.<br />
• Tidigare rekommendationer var att en guldtråd med minst 0,2 mm i diameter skulle<br />
användas. Detta har ej kunnat bestyrkas under mina <strong>för</strong>sök. Vid jäm<strong>för</strong>else mellan en<br />
38<br />
<strong>mätning</strong>ar<br />
<strong>för</strong> in vitro<br />
Detta beror<br />
sannolikt på att den effektiva<br />
elektrodytan minskar pga<br />
adsorbat.ref: Bockris/Reddy,<br />
Modern Electrochemistry 2, p<br />
1014. Om detta problem inte kan<br />
lösas blir det praktiska värdet <strong>av</strong><br />
metoden ytterst begränsat.<br />
Bör hållas hemligt<br />
tills vi vet om det fungerar.
nålelektrod med en guldtråd med 0,3 mm i diameter och en med en guldtråd på 0,12<br />
mm i diameter erhölls liknande mätvärden.<br />
• Vid in vivo <strong>för</strong>söken var nålelektroden väldigt otymplig att använda. Man skulle här<br />
vilja att nålen var kortare och att mot- och referenselektrod antingen fanns på samma<br />
nål eller tillsammans på en separat nål. Användandet <strong>av</strong> två separata EKG elektroder<br />
var både besvärligt och en möjlig orsak till problemen vid in vivo <strong>för</strong>söken som<br />
antagligen var polarisationsrelaterade. En annan möjlighet är att utveckla en helt ny<br />
design och bara använda den isolerade guldtråden som den del som ska stickas in i<br />
<strong>vävnad</strong>en. Det skulle då bli enklare att arbeta mer smidigt och precist.<br />
• För alla typer <strong>av</strong> <strong>för</strong>sök fanns en önskan att kunna jäm<strong>för</strong>a med någon annan apparat.<br />
Den apparatur som var tänkt att användas till detta, Licox CMP®, verkar mycket bra<br />
om man får den att fungera ordentligt.<br />
• Fundera över en kalibreringsmetod.<br />
• Som redan påpekats flertalet gånger var det största problemet under projektet att<br />
mätvärdena sjönk under långtids<strong>mätning</strong>arna. Detta borde berå på någon sorts<br />
blockering <strong>av</strong> elektrodytan och kurvorna över detta nästan exakt likadan ut vid alla<br />
<strong>mätning</strong>arna. Detta gör att det i framtiden borde vara möjligt att utveckla en<br />
kompenseringsmetod <strong>för</strong> detta.<br />
39<br />
det från början<br />
Det var så vi tänkt<br />
Har högst prioritet<br />
och sätts där<strong>för</strong> <strong>för</strong>st och bakas<br />
ihop med jag skrev där
9 Referenser<br />
[1] Orneman, F. Petterson, S. (2003). <strong>Utveckling</strong> <strong>av</strong> sensorer <strong>för</strong> <strong>mätning</strong> <strong>av</strong> pO 2 i<br />
<strong>vävnad</strong>. Karolinska Institutet, Stockholm Sverige.<br />
[2] Wallander, A. (2003). PO 2 –monitor. Karolinska Institutet, Stockholm Sverige.<br />
[3] Holmström, N. (1999). Optimal Pacing with an Implantable pO 2 sensor.<br />
Karolinska Institutet, Stockholm Sverige.<br />
[4] Sundvisson, L. Wahlberg, F. (2000). Syrgas<strong>mätning</strong> i <strong>vävnad</strong>. Karolinska<br />
Institutet, Stockholm Sverige.<br />
[5] Tobiasson, L. Örtenblad, C. (1997). Evaluation and characterization <strong>of</strong> an<br />
electrochemical oxxygen sensor. Karolinska Institutet, Stockholm Sverige.<br />
[6] Electrochemical tutorials. (2003). [www]. Hämtat från<br />
Bilaga 1 Inledande <strong>för</strong>sök<br />
Korttidstest<br />
Motelektrod: Kolelektrod O 2 halt: 21% (luftmättad), ingen bubbling<br />
Referenselektrod: Kolelektrod Mätmiljö: Saltlösning i öppen bägare<br />
Arbetselektrod: 3-3 Pulstid: 3,4 ms<br />
Kondensator: 3<br />
Långtidstest<br />
Motelektrod: Kolelektrod O 2 halt: 21% (luftmättad), ingen bubbling<br />
Referenselektrod: Kolelektrod Mätmiljö: Saltlösning i öppen bägare<br />
Arbetselektrod: 3-3 Pulstid: 3,4 ms Kondensator: 3<br />
41
Bilaga 2 Syrekänslighet<br />
Gasbubbling<br />
Motelektrod: Kolelektrod Pulstid: 3,4 ms<br />
Referenselektrod: Kolelektrod Mätmiljö: Saltlösning i öppen bägare<br />
Arbetselektrod: 3-2 Mät<strong>för</strong>lopp: 0 luftbubbling<br />
Kondensator: 3 1058 syrebubbling<br />
2844 kvävebubbling<br />
Saltlösningar med olika syrehalt<br />
42
Motelektrod: Kolelektrod Pulstid: 3,4 ms<br />
Referenselektrod: Kolelektrod Mätmiljö: Saltlösning i öppen bägare<br />
Arbetselektrod: 3-2 Mät<strong>för</strong>lopp: 0 100% syre<br />
Kondensator: 1 946 0% syre<br />
1899 21% syre<br />
43
Bilaga 3 Försök i mätcell<br />
Kortttids<strong>för</strong>sök<br />
Mot- och referenselektrod: Sönderklippt Pulstid: 3,4 ms<br />
EKG-elektrod<br />
Arbetselektrod: 3-2 Mätmiljö: Buffrad saltlösning i mätcell<br />
K ondensator: 4 Mät<strong>för</strong>lopp: 0 luftmättad, ingen bubbling<br />
1665 elektroden togs upp ca 1 min<br />
44
Korttids<strong>för</strong>sök<br />
Mot- och referenselektrod:<br />
Sönderklippta EKG-elektroder<br />
O2 halt: 21% (luftmättad), ingen bubbling<br />
Arbetselektrod: 3-2 Mätmiljö: Buffrad saltlösning i mätcell<br />
Kondensator: 3 Pulstid: 3,4 ms<br />
45<br />
Kalla dem inte<br />
Sönderklippta EKG-elektroder<br />
utan ngt trevligare ex vis<br />
barriärelektrod eller ngt annat du<br />
kan hitta på
Långtids<strong>för</strong>sök<br />
Mot- och referenselektrod:<br />
Sönderklippta EKG-elektroder<br />
O2 halt: 21% (luftmättad), ingen bubbling<br />
Arbetselektrod: 3-2 Mätmiljö: Buffrad saltlösning i mätcell<br />
Kondensator: 2,3 Pulstid: 3,4 ms<br />
46
Långtids<strong>för</strong>sök<br />
Mot- och referenselektrod:<br />
Sönderklippta EKG-elektroder<br />
O2 halt: 21% (luftmättad), ingen bubbling<br />
Arbetselektrod: 3-2 Mätmiljö: Buffrad saltlösning i mätcell<br />
Kondensator: 4 Pulstid: 3,4 ms<br />
47
Bilaga 4 Mätningar vid KS<br />
Mot- och referenselektrod: EKGelektroder<br />
Djur<strong>för</strong>sök på kanin-nål i artär<br />
Mät<strong>för</strong>lopp 92<br />
472<br />
Arbetselektrod: 3-2 Mätmiljö: Blod (artär)<br />
Kondensator: 4 Pulstid: 3,4 ms<br />
48<br />
936<br />
Blodgas: 86,23 kPa<br />
Blodgas: 6,91<br />
Blodgas: 55,60
In vitro- jäm<strong>för</strong>else mellan två tillverkade nålelektroder<br />
Mot- och referenselektrod:<br />
Sönderklippta EKG-elektroder<br />
O2 halt: hög<br />
Arbetselektrod: 3-2 Mätmiljö: Buffrad saltlösning i bägare<br />
Kondensator: 4 Pulstid: 3,4 ms<br />
Mot- och referenselektrod:<br />
Sönderklippta EKG-elektroder<br />
O halt: hög<br />
2<br />
Arbetselektrod:svart Mätmiljö: Buffrad saltlösning i bägare<br />
49<br />
Denna kurva (och<br />
andra) <strong>för</strong>efaller lågpassfiltrerad,<br />
bör kommenteras.
Kondensator: 4 Pulstid: 3,4 ms<br />
50
Mot- och referenselektrod:<br />
Sönderklippta EKG-elektroder<br />
O halt: mellan<br />
2<br />
Arbetselektrod:3-2 Mätmiljö: Buffrad saltlösning i bägare<br />
Kondensator: 4 Pulstid: 3,4 ms<br />
Mot- och referenselektrod:<br />
Sönderklippta EKG-elektroder<br />
O halt: mellan<br />
2<br />
Arbetselektrod:svart Mätmiljö: Buffrad saltlösning i bägare<br />
Kondensator: 4 Pulstid: 3,4 ms<br />
51
Mot- och referenselektrod:<br />
Sönderklippta EKG-elektroder<br />
O halt: låg<br />
2<br />
Arbetselektrod:3-2 Mätmiljö: Buffrad saltlösning i bägare<br />
Kondensator: 4 Pulstid: 3,4 ms<br />
Mot- och referenselektrod:<br />
Sönderklippta EKG-elektroder<br />
O halt: låg<br />
2<br />
Arbetselektrod:svart Mätmiljö: Buffrad saltlösning i bägare<br />
Kondensator: 3 Pulstid: 3,4 ms<br />
52
Bilaga 5 Tillverkning <strong>av</strong> nålelektrod<br />
Komponenter<br />
Ca 15 cm guldtråd, 0,1 mm∅<br />
Labhylsa med tillhörande metallkontakt<br />
Injektionsnål, Sterican®. 0,7-0,8 mm∅<br />
Loctite 3425<br />
Super epoxy<br />
Krympslang, ca 6mm∅ och 8mm∅<br />
Metanol<br />
Verktyg<br />
Lödtenn och lödkolv<br />
Värmeblås<br />
Svarv och slipskiva<br />
Diamantpapper<br />
Jigg<br />
Spruta<br />
Arbetsgång<br />
1. Rengör guldtråden i lite metanol.<br />
2. Löd fast guldtråden på metallkontakten (hanen). Använd låg lödvärme, ca 250° C (figur 1).<br />
Guldtråd Epoxi Metallkontakt<br />
Figur 1<br />
3. Lägg en droppe epoxi på lödinfästningen, låt härda (figur 1).<br />
4. Späd ut Loctite 3425-epoxi tills blandningen ej är trögflytande. Häll ut några droppar <strong>av</strong><br />
blandningen på ett hårt underlag. Dra därefter guldtråden genom ”pölen” några gånger till<br />
epoxin börjat härda och blandningen börjat bli trögflytande. Dra <strong>för</strong>siktigt med fingret eller<br />
med en svamp längs tråden efter varje gång så att epoxi-lagret blir jämnt och det ej bildas<br />
några droppar längs tråden. Låt härda ca 24 timmar. Upprepa behandlingen.<br />
53
5. Värm fast två krympslangar (en i taget) på varandra över metallkontakten så att den passar<br />
att tryckas fast i behållaren (figur 2).<br />
6. Trä den fria änden <strong>av</strong> guldtråden genom injektionsnålen (figur 2).<br />
Injektionsnål Behållare<br />
Figur 2<br />
54<br />
Krympslang<br />
7. Fyll en spruta med super epoxy och tryck fast denna i behållaren (låt guldtråden hänga ut<br />
från sidan). Fyll injektionsnålen med epoxin tills man ser en droppe komma ut ur nålens spets.<br />
Då trycket blir ganska högt får man hålla emot sprutan hårt <strong>för</strong> att inte <strong>för</strong> mycket epoxy ska<br />
pressas utanör kanylbehållaren.<br />
8. Lossa <strong>för</strong>siktigt sprutan och fyll även behållaren med super epoxy.<br />
9. Tryck fast metallkontakt med krympslang i behållaren. Dra samtidigt <strong>för</strong>siktigt i guldtråden<br />
så att den blir rak och följer med in i nålen. Tänk på att det är lätt att den böjs och går <strong>av</strong> vid<br />
lödinfästningen.<br />
10. Torka bort överflödig epoxi ( rengjöring sker lättast med någon form <strong>av</strong> lösningsmedel)<br />
och låt härda i ca 24 timmar (helst i värmeskåp).<br />
11. Värm fast ytterliggare en krympslang över infästningen mellan kontakt och nål (figur 5).<br />
12. Klipp <strong>av</strong> överflödig guldtråd.<br />
13. Klipp till diamantpapper så att det täcker slipskivan. Fäst pappret på skivan.<br />
14. Drag fast slipskivan i svarven.<br />
15. Slipa <strong>för</strong>siktigt toppen <strong>av</strong> nålen till en jämn yta erhållits. Använd ett lågt varvtal!<br />
16. Undersök ytan i mikroskop <strong>för</strong> att verifiera att guldytan ligger i mitten och inte mot<br />
metallen i nålen (figur 3 och 4).<br />
Kanylstål<br />
Guld<br />
Isolering<br />
Epoxi<br />
Figur 5