ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область применения изобретения
Описаны способы и устройство для изготовления биосовместимых элементов питания. В некоторых вариантах осуществления способы и устройства для изготовления биосовместимых элементов питания включают создание элемента мембраны в элементе питания. Активные элементы, включая аноды, катоды и растворы топливных элементов, могут быть электрохимически связаны и могут взаимодействовать с формируемыми элементами мембраны. В некоторых вариантах осуществления область применения способов и устройства может включать любое биосовместимое устройство или продукт, для которых необходимы элементы питания.
2. Обсуждение предшествующего уровня техники
В последнее время число медицинских устройств и их функциональных возможностей быстро растет. Эти медицинские устройства могут включать, например, имплантируемые кардиостимуляторы, электронные таблетки для мониторинга и/или тестирования биологической функции, хирургические устройства с активными компонентами, контактные линзы, инфузионные дозаторы и нейростимуляторы. Теоретизируются и разрабатываются дополнительные функции и повышение эффективности многих из упомянутых выше медицинских устройств. Однако для того, чтобы обеспечить теоретический уровень дополнительных функций, многие из этих устройств в настоящее время нуждаются в автономных средствах энергоснабжения, которые соответствуют требованиям к размеру и форме для этих устройств, а также потребностям в энергоснабжении новых компонентов с энергообеспечением.
Некоторые медицинские устройства могут включать такие компоненты, как полупроводниковые устройства, которые выполняют разнообразные функции и могут быть встроены во множество биосовместимых и/или имплантируемых устройств. Однако такие полупроводниковые компоненты нуждаются в энергоснабжении, и потому в такие биосовместимые устройства также могут быть включены элементы питания. Топология и сравнительно небольшой размер биосовместимых устройств создают новые и сложные условия для определения различных функциональных возможностей. Во многих вариантах осуществления может быть важно обеспечить безопасные, надежные, компактные и экономичные средства питания полупроводниковых компонентов внутри биосовместимых устройств. Таким образом, существует потребность в новых вариантах осуществления изготовления биосовместимых элементов питания для их имплантации внутри или на поверхности биосовместимых устройств, причем конструкция элементов должна обеспечивать прочную оболочку для химических компонентов элементов питания, а также повышенный контроль над количеством химических компонентов, содержащихся в элементе питания. Топливные элементы, в частности те, в которых используются биодоступные источники топлива, могут быть хорошим решением в качестве элементов питания. В некоторых случаях энергию для биомедицинских устройств может обеспечивать комбинация топливных элементов и батарей.
ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Соответственно, раскрываются способы и устройство для изготовления биосовместимых элементов питания, которые обеспечивают преимущества с точки зрения производства, позволяя создавать конструкции, которые могут эффективно удерживать химический состав топливного элемента. Конструктивное исполнение также может обеспечивать внутренний контроль количества элементов питания внутри топливных элементов.
В некоторых вариантах осуществления элемент питания может быть изготовлен путем накладывания слоев структуры в стопку. Монтажный слой анода может иметь первое отверстие, вырезанное из анодного слоя. Боковые стенки отверстия в монтажном слое могут быть частями полости, которая формируется при размещении множества слоев в стопку. Монтажный слой катода может иметь второе отверстие, вырезанное на нем. В некоторых примерах второе отверстие может быть выровнено с первым отверстием. Второе отверстие может быть больше первого отверстия, так что когда первое отверстие и второе отверстие выровнены, в первом отверстии может обнажаться край материала монтажного слоя анода. Мембранный слой может быть вырезан такого размера и такой формы, что он поместится во втором отверстии и будет больше первого отверстия. Мембранный слой можно разместить внутри второго отверстия и прикрепить к краю материала монтажного слоя анода. Структура может образовать первую полость между сторонами первого отверстия и первой поверхностью мембранного слоя. Первая полость может быть заполнена анодной жидкостью. Вторая полость может получиться в результате размещения мембранного слоя и может содержать поверхности мембранного слоя и обнаженных участков боковых стенок второго отверстия в монтажном слое катода. В некоторых примерах по краю материала монтажного слоя анода могут быть участки, которые могут находиться внутри второй полости. Вторая полость может быть заполнена катодной жидкостью. Кроме того, может иметься третья полость, заполненная топливным раствором. В некоторых примерах может быть образован канал, который обеспечивает перемещение жидкости между третьей полостью и первой полостью. В некоторых примерах анодная жидкость может содержать первый фермент. В некоторых примерах анодная жидкость содержит глюкоза-6-фосфатдегидрогеназу. В некоторых примерах анодная жидкость содержит α-глюкан фосфорилазу. Анодная жидкость может также содержать фосфоглюкомутазу в некоторых примерах. В некоторых примерах анодная жидкость может содержать 6-фосфоглюконатдегидрогеназу. По меньшей мере, один из различных видов элементов питания, включающих в себя один или несколько вариантов примера, может быть электрически соединен с электроактивным элементом внутри биомедицинского устройства. Биомедицинское устройство может представлять собой офтальмологическое устройство. Офтальмологическое устройство может представлять собой контактную линзу. Топливный раствор, а также другие растворы внутри элемента питания могут содержать один или несколько из мальтодекстрина и глюкозы. Внутри элемента питания может быть образовано множество уплотнительных слоев для изоляции различных полостей друг от друга, а также для изоляции материала внутри элемента питания от внешней части элемента питания. Уплотнительные слои могут быть образованы между монтажным слоем анода и монтажным слоем катода. В некоторых примерах между монтажным слоем анода и монтажным слоем катода могут находиться промежуточные слои, образованные после обработки в уплотнительном слое. Уплотнительный слой может быть образован вследствие одного или нескольких из следующих процессов: лазерной сварки, ультразвуковой сварки и прямой термической сварки. Уплотнительный слой может также быть образован методом фотолитографии полимерных уплотнительных слоев.
В другом примере биосовместимый элемент питания может быть образован из множества слоев. Может быть образован монтажный слой анода, а первое отверстие может быть вырезано в монтажном слое анода различными способами, включая лазерную резку и штамповку. Также возможно образование катодного слоя. Второе отверстие может быть размещено в монтажном слое катода. Второе отверстие может быть выровнено с первым отверстием. В некоторых примерах мембранный слой может размещаться между анодным слоем и катодным слоем. В других примерах второе отверстие может быть вырезано большего размера, чем первое отверстие. Второе отверстие и первое отверстие могут быть выровнены в устройстве. Выровненные первое отверстие и второе отверстие могут образовывать край материала монтажного слоя анода, который может обнажаться во втором отверстии. Мембранный слой может иметь такую форму, чтобы помещаться во втором отверстии. Мембрану можно разместить внутри второго отверстия и прикрепить к краю материала монтажного слоя анода. Структура может образовать первую полость между сторонами первого отверстия и первой поверхностью мембранного слоя. Первая полость может быть заполнена анодной жидкостью. Вторая полость может получиться в результате размещения мембранного слоя и может содержать поверхности мембранного слоя и обнаженных участков боковых стенок второго отверстия в монтажном слое катода. В некоторых примерах по краю материала монтажного слоя анода могут быть участки, которые могут находиться внутри второй полости. Вторая полость может быть заполнена катодной жидкостью. Кроме того, может иметься третья полость, заполненная топливным раствором. В некоторых примерах может быть образован канал, который обеспечивает перемещение жидкости между третьей полостью и первой полостью. Канал может включать в себя механизм блокировки канала на электрическом приводе, где механизм блокировки канала блокирует канал, соединяющий третью полость с первой полостью, и где электрический привод позволяет топливу перемещаться из третьей полости в первую полость. В некоторых примерах анодная жидкость может содержать первый фермент. В некоторых примерах анодная жидкость содержит глюкоза-6-фосфатдегидрогеназу. В некоторых примерах анодная жидкость содержит α-глюкан фосфорилазу. Анодная жидкость может также содержать фосфоглюкомутазу в некоторых примерах. В некоторых примерах анодная жидкость может содержать 6-фосфоглюконатдегидрогеназу. По меньшей мере, один из различных видов элементов питания, включающих в себя один или несколько вариантов примера, может быть электрически соединен с электроактивным элементом внутри биомедицинского устройства. Биомедицинское устройство может представлять собой офтальмологическое устройство. Офтальмологическое устройство может представлять собой контактную линзу. Топливный раствор, а также другие растворы внутри элемента питания могут содержать один или несколько из мальтодекстрина и глюкозы. Внутри элемента питания может быть образовано множество уплотнительных слоев для изоляции различных полостей друг от друга, а также для изоляции материала внутри элемента питания от внешней части элемента питания. Уплотнительные слои могут быть образованы между монтажным слоем анода и монтажным слоем катода. В некоторых примерах между монтажным слоем анода и монтажным слоем катода могут находиться промежуточные слои, образованные после обработки в уплотнительном слое. Уплотнительный слой может быть образован вследствие одного или нескольких из следующих процессов: лазерной сварки, ультразвуковой сварки и прямой термической сварки. Уплотнительный слой может также быть образован методом фотолитографии полимерных уплотнительных слоев.
Кроме того, могут быть примеры элементов питания, как описано в настоящем изложении сущности изобретения, которые также включают в себя один или несколько элементов батареи. Элемент батареи может иметь множество функциональных аспектов. В некоторых примерах элемент батареи может использоваться с элементом активации для начала активной эксплуатации элемента питания. Активация может включать в себя электрическое изменение уплотнительного слоя между полостью, содержащей источник топлива, и одним или несколькими растворами элемента питания, которые могут включать анодную жидкость топливного элемента. Батарея также может работать в течение времени, пока топливный элемент не войдет в рабочее состояние.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеизложенные и прочие признаки и преимущества изобретения станут понятны после следующего, более подробного описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения, показанных на прилагаемых чертежах.
На Фиг. 1A-D показаны примеры аспектов биосовместимых элементов энергоснабжения, соответствующие некоторым примерам использования контактных линз.
На Фиг. 2 показаны примеры форм и размеров отдельных элементов примера конфигурации топливного элемента.
На Фиг. 3A показан независимый герметизированный биосовместимый элемент питания с примером расположения анодного и катодного контактов.
На Фиг. 3B показан независимый герметизированный биосовместимый элемент питания с примером расположения анодного и катодного контактов.
На Фиг. 4A-N показаны примеры стадий способа изготовления биосовместимых элементов питания для биомедицинских устройств.
На Фиг. 5А-В показаны примеры конструктивных признаков топливных элементов на основе полостей.
На Фиг. 6А-В показаны альтернативные примеры конструктивных признаков топливных элементов на основе полостей.
На Фиг. 7 показано увеличенное изображение анодной области и области топливного хранилища примера топливных элементов на основе полостей.
На Фиг. 8 показано увеличенное изображение катодной области примера топливных элементов на основе полостей.
На Фиг. 9А-С показаны примеры схем соединений для примеров топливных элементов.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящей заявке раскрываются способы и устройство для изготовления трехмерных биосовместимых элементов питания. Элемент мембраны внутри элементов питания может быть образован новыми способами и может содержать новые материалы. В следующих разделах приведены подробные описания различных вариантов осуществления. Описания как предпочтительных, так и альтернативных примеров осуществления представляют собой только примеры осуществления, и специалистам в данной области могут быть понятны различные модификации и изменения. Поэтому примеры осуществления не ограничивают объем настоящей заявки. Трехмерные биосовместимые элементы питания выполнены с возможностью применения внутри или вблизи тела живого организма.
Определения
В описании и представленной ниже формуле изобретения могут использоваться различные термины, для которых применяются приведенные ниже определения.
В настоящем документе термин «анод» относится к электроду, через который электрический ток втекает в поляризованное электрическое устройство. Направление электрического тока, как правило, противоположно направлению потока электронов. Иными словами, электроны текут из анода, например, в электрическую цепь.
В настоящем документе термин «биосовместимый» относится к материалу или устройству, которое функционирует в конкретном приложении при соответствующем отклике носителя. Например, биосовместимое устройство не оказывает токсических или травмирующих воздействий на биологические системы.
В настоящем документе термин «катод» относится к электроду, через который электрический ток вытекает за пределы поляризованного электрического устройства. Направление электрического тока, как правило, противоположно направлению потока электронов. Поэтому электроны текут в катод поляризованного электрического устройства и вытекают, например, из подключенной электрической схемы.
В настоящем документе термин «покрытие» относится к нанесению тонких слоев материала. В ряде видов применения этот термин будет относиться к тонкому нанесенному слою, который по существу покрывает поверхность подложки, на которой он образован. В других более специализированных видах применения этот термин может применяться для описания небольших тонких нанесенных слоев на меньших областях поверхности.
В настоящем документе термин «электрод» может относиться к активной массе в источнике энергии. Например, он может включать один или оба из анода и катода.
В настоящем документе термин «с энергообеспечением» относится к состоянию способности подачи электрического тока или хранения электрической энергии внутри.
В настоящем документе термин «энергия» относится к способности физической системы выполнять работу. Многие варианты применения элементов энергоснабжения могут относиться к способности выполнять электрические действия.
В настоящем документе термин «источник энергии», или «элемент энергоснабжения я», или «устройство энергоснабжения» относится к любому устройству или слою, который выполнен с возможностью снабжать энергией или переводить логическое или электрическое устройство в состояние с энергообеспечением. Элементы питания могут включать в себя топливные элементы. Топливные элементы могут быть изготовлены из гальванических элементов щелочного типа и могут представлять собой твердотельные топливные элементы или топливные элементы жидкостных элементов.
В настоящем документе термин «пленка» относится к тонкому слою материала, который может служить укрывающим слоем или покрытием; в ламинатных структурах пленка, как правило, почти равнозначна плоскому слою, имеющему верхнюю поверхность, нижнюю поверхность и тело; причем тело, как правило, гораздо тоньше, чем объем слоя.
В настоящем документе термин «функционализированный» относится к получению слоя или устройства, способного выполнять некоторую функцию, включая, например, энергообеспечение, активацию и/или управление.
В настоящем документе термин «форма для литья» относится к жесткому или полужесткому объекту, который можно применять для формирования трехмерных объектов из неполимеризованных составов. Некоторые предпочтительные формы для литья включают две части формы для литья, которые при соединении друг с другом образуют конструкцию трехмерного объекта.
В настоящем документе термин «мощность» относится к выполняемой работе или энергии, передаваемой за единицу времени.
В настоящем документе термины «перезаряжаемый» или «повторно подключаемый к источнику питания» относятся к возможности восстановления до состояния с более высокой способностью выполнять работу. Во многих случаях эти термины могут относиться к возможности восстановления со способностью обеспечивать электрический ток определенной величины в течение определенных периодически повторяющихся промежутков времени.
В настоящем документе термины «перезаряжать» или «повторно подключать к источнику питания» относятся к восстановлению до состояния повышенной способности выполнять работу. Во многих случаях эти термины могут относиться к возможности восстановления устройства до способности обеспечивать электрический ток определенной величины в течение определенных, периодически повторяющихся промежутков времени.
В настоящем документе термин «высвобожденный», или иногда «высвобожденный из формы для литья», означает, что трехмерный объект либо полностью отделен от формы для литья, либо лишь слабо прикреплен к форме для литья, так что может быть извлечен легким встряхиванием.
Термин «многослойный» в настоящем документе относится к размещению по меньшей мере двух слоев компонентов поблизости друг от друга таким образом, что по меньшей мере участок одной поверхности одного из слоев контактирует с первой поверхностью второго слоя. В некоторых вариантах осуществления между двумя слоями может находиться покрытие, обеспечивающее сцепление или иные функции, так что слои контактируют друг с другом через указанное покрытие.
В настоящем документе термин «дорожки» относится к компонентам элементов энергоснабжения, выполненным с возможностью соединения вместе компонентов цепи. Например, дорожки схемы могут включать медь или золото, если подложка представляет собой печатную плату, и, как правило, могут представлять собой пленку из меди, золота или печатного слоя в гибкой схеме. Токоотвод представляет собой «дорожку» особого типа. Коллекторы тока представляют собой дорожки с электрохимической совместимостью, которая позволяет применять коллектор тока для передачи электронов на анод или катод и от них.
Представленные в настоящем документе способы и устройство относятся к изготовлению биосовместимых элементов энергоснабжения для включения внутрь или нанесения на поверхность плоских или трехмерных биосовместимых устройств.
Могут быть и другие примеры способов сборки и изготовления топливных элементов в соответствии с настоящим описанием, и некоторые из них могут быть описаны в следующих разделах. Тем не менее, для многих из этих примеров существуют выбранные параметры и характеристики топливных элементов, которые могут быть описаны отдельно. В следующих разделах будет уделено внимание некоторым характеристикам и параметрам.
Пример конструкции биомедицинского устройства с биосовместимыми элементами энергоснабжения
Одним из примеров биомедицинского устройства, в которое могут быть встроены элементы питания или топливные элементы, согласно настоящему описанию, могут быть электроактивные контактные линзы с переменным фокусом. На Фиг. 1А в качестве примера вставки для такой контактной линзы показана вставка 100 для контактной линзы. Во вставке 100 для контактной линзы может находиться электроактивный элемент 120, который может изменять фокусные характеристики в ответ на управляющие сигналы напряжения. Схема 105 для обеспечения этих управляющих сигналов напряжения, а также для обеспечения других функций, таких как датчик, контролирующий условия окружающей среды для внешних управляющих сигналов, может получать электропитание от биосовместимого топливного элемента 110. Как показано на Фиг. 1А, топливный элемент 110 может состоять из множества крупных деталей, в данном случае трех деталей, и может включать в себя химические элементы топливных элементов различной конфигурации. Топливные элементы могут иметь различные соединительные элементы для соединения деталей, как показано на рисунке, лежащих ниже области соединения 114. Топливные элементы могут быть подключены к элементу схемы, который может иметь собственную подложку 111, на которой могут быть размещены соединительные элементы 125. Цепь 105, которая может быть в форме интегральной схемы, может быть электрически и физически подключена к подложке 111 и ее соединительным элементам 125.
На Фиг. 1В показано, что рельеф в поперечном сечении контактной линзы 150 может содержать вставку 100 контактной линзы и ее описанные выше компоненты. Вставка 100 контактной линзы может быть герметизирована в юбку гидрогеля 155 контактной линзы, который может герметизировать вставку и обеспечивать комфортное соприкосновение контактной линзы 150 с глазом пользователя.
Согласно концепциям настоящего описания, топливные элементы могут быть изготовлены в двухмерной форме, как показано в другом примере на Фиг. 1С. В этом отображении могут быть две основные области топливных элементов в областях компонента 165 топливного элемента и второй компонент топливного элемента в области химического элемента 160 топливного элемента. Плоский элемент может быть подключен к элементу 163 схемы, который в примере, показанном на Фиг. 1С, может содержать две основные зоны 167 схемы. Элемент схемы может быть подключен к топливному элементу электрическим контактом 161 и физическим контактом 162. Плоскую конструкцию можно согнуть в трехмерную коническую конструкцию, как описано в настоящем описании. В этом способе второй электрический контакт 166 и второй физический контакт 164 можно применять для подключения и физической стабилизации трехмерной конструкции. На Фиг. 1D представлена эта трехмерная коническая структура 180. Также можно увидеть физические и электрические контактные клеммы 181, и иллюстрацию можно рассматривать как трехмерный вид полученной конструкции. Эта конструкция может содержать модульный электрический компонент и компонент топливного элемента, которые вместе со вставкой для линзы будут встроены в биосовместимое устройство.
Сегментные структуры топливного элемента
На Фиг. 2 показаны примеры разных типов сегментных структур топливного элемента для примера топливного элемента для типового примера контактной линзы. Сегментные компоненты могут быть относительно округлыми 271, квадратными 272 или прямоугольными по форме. В примерах прямоугольных форм прямоугольники могут быть небольшими прямоугольными формами 273, более крупными прямоугольными формами 274 или крупными прямоугольными формами 275. Такие различные виды сегментации обеспечивают компромиссы в отношении конфигурации для таких параметров топливного элемента, как емкость, внутреннее сопротивление, технологичность, допустимое напряжение, устойчивость к сбоям и изолирующая оболочка.
Индивидуальные формы плоских топливных элементов
В некоторых примерах биосовместимых топливных элементов топливные элементы могут быть изготовлены в виде плоских элементов. На Фиг. 3А показан пример прямоугольного контура 310 топливного элемента с анодным контактом 311 и катодным контактом 312. На Фиг. 3В показан пример округлого контура 330 топливного элемента с анодным контактом 331 и катодным контактом 332.
В некоторых примерах топливных элементов плоской формы контуры формы топливного элемента можно по размерам и геометрии выполнить с возможностью соответствия индивидуальным продуктам. В дополнение к примерам с прямоугольными или округлыми контурами можно изготавливать индивидуальные контуры «свободной формы» или «произвольной формы», что может позволить оптимизировать конфигурацию топливного элемента для соответствия конкретному продукту.
В типовом случае биомедицинского устройства с изменяемыми оптическими свойствами плоский контур свободной формы может быть дугообразным по форме; свободная форма может быть такой геометрии, что при изготовлении трехмерной (3D) формы она может принимать форму конической кольцевой юбки, которая соответствует ограничивающим пределам контактной линзы. Очевидно, что аналогичные эффективные геометрии можно изготавливать в случае медицинских устройств, имеющих ограничивающие требования к двухмерной (2D) или трехмерной форме.
Аспекты биосовместимости топливных элементов
В качестве примера, к топливным элементам в соответствии с настоящим описанием могут применяться важные аспекты, касающиеся безопасности и биосовместимости. В некоторых примерах топливные элементы для биомедицинских устройств должны удовлетворять требованиям, выходящим за рамки типовых сценариев применения топливных элементов. В некоторых примерах можно учитывать аспекты конфигурации, касающиеся случаев нагрузки. Например, может потребоваться учесть безопасность электронной контактной линзы для случаев, когда пользователь ломает линзу в процессе ее вставления или извлечения. В другом примере аспекты конфигурации могут учитывать вероятность удара пользователя посторонним предметом в глаз. В дополнительных примерах условия нагрузки, которые можно учитывать при разработке параметров и ограничений конфигурации, могут относиться к вероятности ношения пользователем линз в неблагоприятных условиях окружающей среды, таких как окружающая среда под водой или окружающая среда на большой высоте, в качестве примеров, не имеющих ограничительного характера.
Безопасность такого устройства может зависеть от материалов, из которых изготовлено устройство, от количеств этих материалов, использованных при изготовлении устройства, а также от оболочки, применяемой для отделения устройств от окружающей среды на теле или внутри тела. В качестве примера, кардиостимуляторы могут быть типичным примером биомедицинского устройства, которое может включать в себя топливный элемент и которое может быть имплантировано пользователю на длительный период времени. Соответственно, в некоторых примерах такие кардиостимуляторы, как правило, могут быть заключены в герметизированные путем сварки титановые корпусы, или, в других примерах, множество слоев обложки. Новые биомедицинские устройства с электропитанием могут представлять дополнительные сложности в том, что касается изолирующей оболочки, особенно изолирующей оболочки топливных элементов. Эти новые устройства могут быть намного мельче существующих биомедицинских устройств, например, электронная контактная линза или камера-таблетка могут быть значительно мельче кардиостимулятора. В таких примерах объем и площадь, имеющиеся для оболочки, могут быть значительно сокращены.
Требования по электропитанию микроэлементов питания
Еще один аспект конфигурации может относиться к требованиям по электропитанию устройства, которые предъявляются к устройству топливного элемента. Для функционирования в качестве источника питания для медицинского устройства соответствующему топливному элементу может потребоваться полностью удовлетворять требованиям по электропитанию системы при эксплуатации в автономном режиме или без внешних источников питания. Развивающаяся область биомедицинских устройств, работающих автономно или без внешних источников питания, может включать, например, контактные линзы для коррекции зрения, устройства для контроля за состоянием здоровья, камеры-таблетки и другие новые устройства. Последние разработки в области технологии интегральных схем (ИС) могут позволять эксплуатировать электрические устройства на очень низких уровнях тока, например, на уровне пикоампер для тока холостого хода и на уровне микроампер для рабочего тока. ИС могут позволять также значительно уменьшить размеры устройств.
Топливным микроэлементам для биомедицинских сфер применения может быть необходимо одновременно удовлетворять ряду сложных требований. Например, от топливных микроэлементов может требоваться наличие возможности обеспечивать подходящее рабочее напряжение для встроенных электрических схем. Это рабочее напряжение может зависеть от нескольких факторов, включая функциональный «узел» ИС, выходной сигнал напряжения из цепи на другое устройство, а также конкретный целевой показатель по потребляемому току, который также может относиться к расчетному сроку службы устройства.
С точки зрения функции ИС, узлы, как правило, могут различаться по минимальному размеру элемента транзистора, такому как так называемый «канал транзистора». Этот физический элемент, наряду с другими параметрами изготовления ИС, такими как толщина слоя подзатворной окиси, может быть связан с итоговым номинальным пороговым напряжением, или напряжением включения полевых транзисторов (FET), изготовленных для конкретного функционального узла. Например, в узле с минимальным размером элемента 0,5 микрон применяются, как правило, полевые транзисторы с напряжением включения 5,0 В. Однако при минимальном размере элемента 90 нм полевые транзисторы могут включаться при напряжении 1,2, 1,8 или 2,5 В. Изготовители ИС могут поставлять стандартные элементы цифровых блоков, например, инверторы и триггеры, с характеристиками, соответствующими определенным диапазонам напряжения. Конструкторы выбирают функциональный узел ИС на основании ряда факторов, включая плотность цифровых устройств, возможность совмещения аналоговых и цифровых схем, ток утечки, количество слоев соединений и доступность специальных устройств, таких как полевые транзисторы высокого напряжения. С учетом этих параметрических аспектов электрических компонентов, которые могут получать электропитание от топливного микроэлемента, может быть важно обеспечить, чтобы источник питания топливного микроэлемента соответствовал требованиям выбранного функционального узла и конфигурации ИС, особенно с точки зрения доступного уровня напряжения и тока.
В некоторых примерах электрическая схема, получающая электропитание от топливного микроэлемента, может быть подключена к другому устройству. В качестве примера, не имеющего ограничительного характера, электрическая схема, получающая электропитание от топливного микроэлемента, может быть подключена к исполнительному устройству или преобразователю. В зависимости от сферы применения это может быть светодиод (LED), датчик, микроэлектромеханический (MEMS) дозатор и многие другие подобные устройства. В некоторых примерах устройствам, подключаемым таким образом, может требоваться более высокое рабочее напряжение, чем стандартным функциональным узлам ИС, например, линза с переменным фокусом может требовать напряжения 35 В. Следовательно, рабочее напряжение, обеспечиваемое топливным элементом, может быть критическим фактором при проектировании такой системы. В некоторых примерах, связанных с такими факторами, эффективность привода линзы, преобразующего напряжение топливного элемента 1 В в напряжение 35 В, может быть значительно ниже, чем эффективность привода, работающего от топливного элемента 2 В. Дополнительные требования, такие как размер кристалла, могут значительно различаться, в том числе с учетом рабочих параметров топливного микроэлемента.
Отдельные топливные элементы, как правило, могут характеризоваться напряжением при разомкнутой цепи, напряжением с нагрузкой и напряжением отсечки. Напряжение при разомкнутой цепи представляет собой потенциал, создаваемый топливным элементом при бесконечном сопротивлении нагрузки. Напряжение с нагрузкой представляет собой потенциал, создаваемый гальваническим элементом при подключении к выводам гальванического элемента нагрузки с соответствующей и, как правило, также установленной величиной полного сопротивления. В некоторых примерах топливный элемент может быть дополнен конденсаторами и батареями, которые могут использоваться для буферизации в режимах кратковременной и динамической нагрузки, когда удельная мощность топливного элемента может быть недостаточной.
Срок хранения, как правило, относится к периоду времени, в течение которого топливный элемент может поддерживать подходящие рабочие параметры. Срок хранения может быть особенно важным для биомедицинских устройств по нескольким причинам. Электронные устройства могут заменять собой устройства, не подключаемые к электропитанию, например в случае внедрения электронных контактных линз. Изделия в этих существующих сегментах рынка могут иметь установленные требования к срокам хранения, например три года, исходя из пожеланий потребителей, особенностей цепочки поставок и других требований. Как правило, изменение таких технических требований для новых изделий считается нежелательным. Требования к сроку хранения могут быть также установлены с учетом факторов распределения, инвентаризации и способов применения устройства, содержащего топливный микроэлемент. Соответственно, топливные микроэлементы для биомедицинских устройств могут иметь конкретные требования к сроку хранения, которые можно измерять, например, в количестве лет.
В некоторых примерах топливный элемент может функционировать для обеспечения электрической энергии для электрической системы. В этих примерах топливный элемент может находиться в электрической связи со схемой электрической системы. Связи между схемой и топливным элементом можно классифицировать как соединения. Эти соединения могут со временем стать сложной задачей для биомедицинских топливных микроэлементов ввиду нескольких факторов. В некоторых примерах биомедицинские устройства с электропитанием могут быть очень маленькими, предоставляя таким образом малые площади и объемы для соединений. Ограничения по размеру и площади могут отрицательно повлиять на величину электрического сопротивления и надежность соединений.
Кроме того, топливный элемент может содержать жидкости, которые могут закипать при высокой температуре. Это ограничение может вступать в прямое противоречие с желанием применять соединение пайкой, что может, например, потребовать относительно высокие температуры, такие как 250 градусов С, для расплавления припоя. Несмотря на то что в некоторых примерах химический состав топливного элемента и источник тепла, применяемый для выполнения соединений пайкой, могут быть пространственно отделены друг от друга, в случаях новых биомедицинских устройств маленький размер может помешать отделению водных растворов от паяных соединений достаточным расстоянием для снижения теплопередачи.
Соединения
Соединения могут позволять току течь от топливного элемента, находящегося в соединении с внешней схемой. Такие соединения могут взаимодействовать с окружающей средой внутри и снаружи топливного элемента и могут пересекать границу или уплотнительный слой между этими средами. Эти соединения можно рассматривать как дорожки, выполняющие соединения с внешней схемой, проходящие через уплотнительный слой топливного элемента и затем соединяющиеся с коллекторами тока внутри топливного элемента. Как таковые эти соединения могут иметь несколько требований. За пределами топливного элемента соединения могут быть похожи на типичные проводники печатной платы. Они могут быть припаяны или иным способом соединены с другими дорожками. В примере, где топливный элемент представляет собой отдельный физический элемент от печатной платы, содержащей интегральную схему, соединения топливного элемента могут обеспечивать связь с внешней схемой. Эта связь может быть образована с помощью припоя, электропроводной ленты, электропроводных чернил, или эпоксидного состава, или других средств. Может потребоваться, чтобы соединительные дорожки сохранялись в условиях среды, окружающей топливный элемент, например, не ржавели в присутствии кислорода.
Поскольку соединение проходит через уплотнительный слой топливного элемента, может быть чрезвычайно важно, чтобы соединение было совместимо с материалом уплотнительного слоя и не нарушало герметичность. Адгезия может потребоваться между уплотнительным слоем и соединением в дополнение к адгезии, которая может потребоваться между уплотнительным слоем и герметичной оболочкой топливного элемента. При наличии водных растворов и других материалов внутри топливного элемента может потребоваться поддержание целостности уплотнительного слоя. Известно, что соединения, которые, как правило, могут быть металлическими, могут быть точками нарушения изолирующей оболочки топливного элемента. Электрический потенциал и/или течение тока могут усиливать тенденцию «просачивания» растворов внутри топливного элемента вдоль соединения. Соответственно, для соединения может потребоваться проектирование, поддерживающее целостность уплотнительного слоя.
Внутри топливного элемента соединения могут взаимодействовать с коллекторами тока или могут сами быть коллекторами тока. В связи с этим для соединений может требоваться удовлетворять описанным в настоящем документе требованиям к токоотводам, либо может требоваться образовывать электрическое подключение к таким токоотводам.
Один класс потенциальных соединений и токоотводов представляет собой металлическую фольгу. Такая фольга имеется толщиной 25 микрон или менее, что делает ее подходящей для очень тонких топливных элементов. Такую фольгу также можно найти с низкими значениями шероховатости и загрязнения поверхности - два фактора, которые могут быть критичными для эффективности топливного элемента. Фольга может включать в себя цинк, никель, латунь, медь, титан, другие металлы и различные сплавы. Металлическая фольга может также иметь покрытия различных типов, которые могут наноситься на ее поверхность. В примере углеродное или графитовое покрытие может наноситься на медную фольгу, где покрытие может представлять собой проводящую пленку с топологией шероховатой поверхности, что может увеличить площадь поверхности электрода, прилегающую к растворам. Более того, покрытие может обеспечивать барьер различных типов между прилегающими растворами и металлическими пленками, которые могут иметь разные аспекты химической реактивности. На фольгу электродов можно наносить множество пленок и покрытий.
Компоненты модульного топливного элемента
В некоторых примерах можно изготовить компонент модульного топливного элемента в соответствии с некоторыми аспектами и примерами настоящего описания. В этих примерах узел модульного топливного элемента может быть компонентом, отдельным от других частей биомедицинского устройства. В примере устройства офтальмологической контактной линзы такая конфигурация может содержать модульный топливный элемент, который является отдельным от остальной части несущей вставки. Существует множество преимуществ изготовления компонента модульного топливного элемента. Например, в примере контактной линзы компонент модульного топливного элемента можно изготовить в ходе отдельного, независимого процесса, что может ослабить необходимость в манипуляциях с жесткими трехмерными оптическими пластиковыми компонентами. Кроме того, средства изготовления могут быть более гибкими и могут выполнять операции в параллельном режиме с изготовлением других компонентов биомедицинского устройства. Более того, изготовление компонентов модульного топливного элемента может не зависеть от характеристик устройств трехмерной формы. Например, в сферах применения, требующих окончательные трехмерные формы, систему модульного топливного элемента можно изготовить в плоском или приблизительно двухмерном виде, а затем придать ей соответствующую трехмерную форму. Компонент модульного топливного элемента можно испытывать независимо от остальной части биомедицинского устройства, и потерю выхода из-за компонентов топливного элемента можно отбраковать до начала сборки. Полученный компонент модульного топливного элемента можно использовать в различных конструкциях несущей вставки, которые не имеют соответствующей жесткой области для размещения компонентов топливного элемента; а еще в одном примере применение компонентов модульного топливного элемента может облегчить применение вариантов технологий изготовления, отличных от тех, что могли бы быть использованы в ином случае, таких как рулонная (roll to roll) технология, листовая (sheet-to-sheet) технология, печать и литография. В некоторых примерах модульного топливного элемента аспект отдельной оболочки такого устройства может привести к добавлению дополнительного материала к общей конструкции биомедицинского устройства. Такие воздействия могут установить ограничение на применение решений в виде модульных топливных элементов в случаях, когда параметры имеющегося пространства требуют минимизировать толщину или объем решений.
В некоторых примерах применения топливного элемента в соответствии с настоящим описанием, где топливный элемент можно использовать в линзах с изменяемыми оптическими свойствами, форма может потребовать создания трехмерной кривизны компонента топливного элемента, причем радиус этой кривизны может быть порядка приблизительно 8,4 мм. Такую кривизну можно считать относительно крутой по своему характеру и, для сравнения, приблизительно соответствующей кривизне кончика пальца человека. Характер относительно резкой кривизны создает сложности при производстве. В некоторых примерах настоящего описания компонент модульного топливного элемента может быть выполнен так, что он может быть изготовлен плоским, двухмерным, а затем сформирован в трехмерную форму относительно большой кривизны.
Толщина модуля топливного элемента
При проектировании компонентов топливного элемента для биомедицинских сфер применения можно корректировать различные параметры, находя компромисс между техническими и функциональными требованиями, а также требованиями безопасности. Толщина компонента топливного элемента может быть важным и ограничивающим параметром. Например, в сфере применения оптической линзы от толщины биомедицинского устройства может в значительной мере зависеть способность устройства быть комфортным при ношении пользователем. Поэтому существуют важные аспекты при проектировании топливных элементов, позволяющие сделать их более тонкими. В некоторых примерах толщина топливного элемента может определяться сочетанием толщин верхнего и нижнего слоев, разделительного слоя и слоя адгезива. Практические аспекты изготовления могут потребовать соответствия определенных параметров толщины пленки стандартным значениям для имеющегося листового материала. Кроме того, пленки могут иметь минимальные значения толщины, которые могут быть установлены на основании технических соображений, касающихся химической совместимости, проницаемости для жидкостей и газов, обработки поверхности и совместимости с покрытиями, которые могут быть нанесены поверх слоев пленки.
В некоторых примерах требуемая или целевая толщина готового компонента топливного элемента может представлять собой толщину компонента, составляющую менее 220 мкм. В этих примерах эта требуемая толщина может быть обусловлена трехмерной геометрией примера устройства офтальмологической линзы, причем может потребоваться поместить компонент топливного элемента внутрь имеющегося объема, образованного формой гидрогелевой линзы, с учетом определенного уровня комфорта конечного пользователя, биосовместимости и критериев приемлемости. Этот объем линзы и его воздействие на требования к толщине компонента топливного элемента могут зависеть от общих технических требований к толщине устройства, а также технических требований к ширине, углу конуса и внутреннему диаметру устройства. Другой важный аспект конфигурации итогового компонента топливного элемента может относиться к объему, доступному для активных химических веществ и материалов топливного элемента, с учетом определенной конфигурации компонента топливного элемента в отношении итоговой химической энергии, которая может стать результатом такой конфигурации. Эта итоговая химическая энергия может впоследствии быть сбалансирована для удовлетворения требований по электропитанию функционального биомедицинского устройства для целевых условий его срока службы и эксплуатации.
Гибкость модуля топливного элемента
Другим критерием соответствия конфигурации топливного элемента и конфигурации соответствующих устройств, которые используют источники энергии на основе топливных элементов, является гибкость компонента топливного элемента. Существует множество преимуществ, предоставляемых гибкими формами топливного элемента. Например, гибкий модуль топливного элемента может обеспечить вышеупомянутую возможность изготовления топливного элемента двухмерной плоской формы. Гибкость формы может позволить двухмерному топливному элементу быть затем преобразованным в соответствующую трехмерную форму, соответствующую форме биомедицинского устройства, такого как контактная линза.
В другом примере преимуществ, которые могут быть предоставлены гибкостью модуля топливного элемента, если топливный элемент и последующее устройство являются гибкими, то могут возникнуть преимущества, относящиеся к применению устройства. В одном примере форма контактной линзы биомедицинского устройства может иметь преимущества вставки/извлечения контактной линзы на основе вкладыша-субстрата, что может больше напоминать вставку/извлечение стандартной, незаполненной гидрогелевой контактной линзы. Более того, гибкость модуля топливного элемента и связанных биомедицинских устройств может обеспечить важные преимущества использования этих устройств. В качестве примера, не имеющего ограничительного характера, интраокулярная линза может служить примером биомедицинского устройства, которое использует гибкий модуль топливного элемента, поскольку при стандартном введении подобной линзы в ходе хирургической процедуры свернутую линзу вставляют через небольшой надрез, прежде чем развернуть ее на месте. Для подобных или других видов хирургической процедуры выполнение меньшего надреза приведет к лучшим результатам, более быстрому заживлению и другим подобным преимуществам.
Количество изгибаний может быть важным для проектирования топливного элемента. Например, топливный элемент, который допускает только одно изгибание при переходе от плоской формы к форме, подходящей для контактной линзы, может значительно отличаться по конфигурации от топливного элемента, допускающего множество изгибаний. Изгибание топливного элемента также может превышать его устойчивость к механическому изгибу. Например, электрод может быть физически выполнен с возможностью изгибаться без разрушения, но при этом из-за изгибания могут изменяться механические и электрохимические свойства электрода. Изменения, происходящие в результате изгибания, могут проявляться сразу же, например, в виде изменений полного сопротивления, либо изгибание может вызвать изменения, которые становятся заметными только в ходе испытаний, проводимых после длительного хранения.
Ширина модуля топливного элемента
Существует множество сфер применения, в которых можно использовать биосовместимые элементы питания или топливные элементы настоящего описания. В целом требование к ширине топливного элемента в основном обусловлено сферой его применения. В типовом случае система топливного элемента контактной линзы может иметь ограничения в технических требованиях к ширине компонента модульного топливного элемента. В некоторых примерах офтальмологического устройства, где устройство имеет функцию с изменяемыми оптическими свойствами с электропитанием от компонента топливного элемента, часть устройства с изменяемыми оптическими свойствами может занимать центральную сферическую область диаметром около 7,0 мм. Элементы топливного элемента в этих примерах можно рассматривать как трехмерный объект, который размещается как коническая кольцевая юбка вокруг центрального оптического участка и образует усеченное коническое кольцо. Если требуемый максимальный диаметр жесткой вставки составляет 8,50 мм, а угол касательной к сфере определенного диаметра можно задать (например, приблизительно 8,40 мм), то геометрия может определить допустимую ширину топливного элемента. Существуют геометрические модели, которые могут использоваться для расчета желательных технических параметров полученной геометрической формы, которая в некоторых примерах может представлять собой усеченный конус, развернутый в виде сектора кольцевой зоны.
Ширина развернутого топливного элемента может быть обусловлена двумя компонентами топливного элемента: активными компонентами топливного элемента и шириной уплотнительного слоя. В некоторых примерах, относящихся к офтальмологическим устройствам, требуемая толщина может быть в пределах от 0,100 мм до 0,500 мм на сторону, а ширина активных компонентов топливного элемента может быть установлена как приблизительно 0,800 мм. Другие биомедицинские устройства могут иметь другие ограничения конфигурации, но принципы для гибких плоских элементов топливного элемента могут применяться аналогичным образом.
Полости как элементы конфигурации в конфигурации компонента топливного элемента
В некоторых примерах элементы топливного элемента могут быть выполнены таким образом, что обеспечивают разделение областей активного химического состава топливного элемента на сегменты. Существует множество преимуществ разделения активных компонентов топливного элемента на отдельные сегменты. В качестве примера, не имеющего ограничительного характера, изготовление отдельных и более мелких элементов может ускорить производство элементов. Функционирование элементов топливного элемента, включающих множество мелких элементов, может быть улучшено. В некоторых случаях можно разделить дефекты разного рода и изолировать нефункциональные элементы, что приводит к снижению потерь функциональности. Это может быть существенно в примерах, где может происходить потеря раствора топливного элемента. Изолирование отдельных компонентов может позволить дефекту, который приводит к утечке жидкостей из критических областей топливного элемента, ограничить потерю функциональности этим маленьким сегментом всего топливного элемента, тогда как потеря жидкости по причине дефекта может вывести из действия значительно большую область в топливных элементах, изготовленных как единый элемент. Более мелкие элементы могут привести к снижению объема активных химических веществ топливного элемента в общей перспективе, но сеть из материала, окружающего каждый из более мелких элементов, может привести к усилению общей конструкции.
Самоклеящийся адгезив
В некоторых примерах множество компонентов, содержащих ламинарные топливные микроэлементы настоящего описания, можно скреплять вместе с помощью самоклеящегося адгезива (PSA), который также служит уплотнителем. Как изложено ниже, могут использоваться альтернативные варианты самоклеящегося адгезива. Несмотря на то что существует множество составов коммерчески доступных самоклеящихся адгезивов, такие составы могут включать компоненты, которые могут сделать их неподходящими для применения внутри биосовместимых ламинарных топливных микроэлементов. Примеры нежелательных компонентов в самоклеящихся адгезивах могут включать вымываемые компоненты с низкой молекулярной массой, антиоксиданты (например, бутилгидрокситолуол и/или параметоксифенол), пластифицирующие масла, посторонние примеси, нестойкие к окислению вещества, содержащие, например, ненасыщенные химические связи, остаточные растворители и/или мономеры, фрагменты инициаторов полимеризации, полярные усилители липкости и т. п.
С другой стороны, подходящие PSA могут показывать следующие свойства. Они могут быть пригодны для нанесения на ламинарные компоненты для получения тонких слоев порядка от 2 до 20 микрон. Также они могут содержать минимум, предпочтительно ноль, нежелательных или биологически несовместимых компонентов. Дополнительно они могут иметь достаточные адгезивные и когезивные свойства для связывания вместе компонентов ламинарного топливного элемента. Кроме того, они могут втекать в элементы микронных размеров внутри устройств настоящей конструкции, обеспечивая надежную герметичность жидкостей внутри топливного элемента. В некоторых примерах подходящих PSA они могут иметь низкую паропроницаемость для поддержания желательной композиции водного раствора внутри топливного элемента, даже когда топливный элемент могут подвергать экстремальным значениям влажности в течение длительных периодов времени.
С учетом этих требований, полиизобутилен (PIB) может быть коммерчески доступным материалом, который может входить в состав композиций PSA, удовлетворяющих многим, если не всем, желательным требованиям. Кроме того, ПИБ может быть превосходным защитным материалом для уплотнения с очень низкой гигроскопичностью и низкой проницаемостью для кислорода. Одним примером PIB, подходящим для примеров настоящего изобретения, может быть Oppanol B15 корпорации BASF. Oppanol B15 может растворяться в углеводородных растворителях, таких как толуол, додекан, уайт-спирит и т. п. Предпочтительная композиция PSA может включать 30% вес. Oppanol B15 (по весу) в смеси растворителей, включающей (по весу) 70% вес. толуола и 30% додекана. Адгезивные и реологические свойства PSA на основе PIB в некоторых примерах можно определять путем смешивания различных категорий молекулярных масс PIB. Общий подход может заключаться в применении большей части PIB с низкой молярной массой, например, марки Oppanol B10 для воздействия на смачивание, клейкость и адгезию и в применении меньшей части PIB с высокой молярной массой для воздействия на прочность и сопротивление течению. Следовательно, в рамках настоящего изобретения можно предусматривать и практиковать смешивание любых количеств категорий молярной массы PIB. Кроме того, при условии соблюдения вышеуказанных требований, в состав PSA можно добавлять усилители липкости. По своей природе усилители липкости придают составам PSA полярные свойства, поэтому их следует применять с осторожностью, чтобы не оказать негативного воздействия на защитные свойства PSA. Кроме того, усилители липкости в некоторых случаях могут быть нестойкими к окислению и могут включать антиоксидант, который может вымываться из PSA. По этим причинам предпочтительные усилители липкости для применения в PSA для биосовместимых ламинарных топливных микроэлементов могут включать полностью или преимущественно гидрогенизированные усилители липкости из углеводородной смолы, такие как усилители липкости серии Regalrez корпорации Eastman Chemical.
Во множестве примеров настоящего документа примеры обработки могут включать использование самоклеящегося адгезива. Во многих случаях другие типы адгезии или уплотнения могут применяться подобным образом с аналогичными результатами. В некоторых примерах может применяться дополнительная обработка для склеивания частей друг с другом с целью повысить возможность герметизации склеенных поверхностей. Например, лазерная сварка может соединять или дополнительно поддерживать герметизацию. В других примерах могут использоваться ультразвуковая сварка или термическая сварка для поддержки герметизирующих аспектов. Дополнительные примеры могут включать полимерные уплотнительные слои, образованные методом фотолитографии. В некоторых примерах изделие может быть собрано в общую конструкцию с использованием самоклеящихся адгезивов, и затем после присоединения множества структурных элементов дополнительная обработка может обеспечить улучшение или обозначение соответствующих уплотняющих поверхностей.
Дополнительные аспекты выбора герметичной оболочки и подложки для модулей биосовместимых топливных элементов
Существует ряд аспектов, касающихся оболочки и подложки, которые могут диктовать желательные характеристики для конфигураций герметичной оболочки, применяемых в биосовместимых ламинарных топливных микроэлементах. Например, желательно, чтобы изолирующая оболочка была преимущественно основана на фольге и/или пленке, причем эти слои изолирующей оболочки могут быть минимально тонкими, например от 10 до 50 мкм. Кроме того, изолирующая оболочка может обеспечивать достаточную диффузную защиту от проникновения или потери влаги в течение срока хранения. Во многих желательных примерах изолирующая оболочка может обеспечивать достаточную диффузионную защиту от проникновения кислорода.
В некоторых примерах изолирующая оболочка может обеспечивать путь для предельной проницаемости любых газов, которые могут выделяться.
В некоторых примерах верхний и нижний слои изолирующей оболочки могут содержать металлическую фольгу или пленки полимера. В некоторых примерах такие пленки полимера сами по себе могут быть покрыты различными способами, включая, помимо прочего, испарение, напыление или покрытие другим способом с использованием слоев металлических соединений или элементов или других неметаллических соединений, таких как, например, диоксид кремния. Верхний и нижний слои изолирующей оболочки могут быть образованы из конструкций из многослойной пленки, содержащих множество полимерных и/или защитных слоев. Такие конструкции пленки можно отнести к коэкструзионным защитным слоистым пленкам. Примером коммерческой коэкструзионной защитной ламинатной пленки, особенно пригодной для настоящего описания, может быть материал 3M Scotchpak 1109, который состоит из защитной сетки полиэтилентерефталата (ПЭТ), защитного слоя из осажденного из паровой фазы алюминия и слоя полиэтилена, составляя общую среднюю толщину пленки 33 микрона. В альтернативных примерах настоящего изобретения можно применять множество других подобных доступных многослойных защитных пленок.
В конструкциях конфигурации, содержащих PSA, шероховатость поверхности слоя оболочки может быть особенно важной, так как от PSA может также требоваться герметизировать противолежащие стороны слоя оболочки. Шероховатость поверхности может зависеть от способов изготовления фольги и пленки, например, помимо прочего, способов с применением вальцовки, экструдирования, тиснения и/или каландрования. Если поверхность слишком шероховатая, нанесение PSA равномерной толщины может быть невозможным, если желательная толщина PSA может составлять порядка шероховатости поверхности Ra (среднее арифметическое профиля шероховатости). Кроме того, PSA может не обеспечивать достаточного уплотнения с противолежащей стороной, если противолежащая сторона имеет шероховатость, которая может составлять величину порядка толщины слоя PSA. Согласно настоящему описанию, материалы оболочки, имеющие шероховатость поверхности, Ra, менее 10 микрон, могут быть приемлемыми примерами. В некоторых примерах шероховатость поверхности может составлять 5 мкм или менее. В некоторых других примерах шероховатость поверхности может составлять 1 мкм или менее. Шероховатость поверхности можно измерять различными способами, включая, без ограничений, такие методики измерений, как интерферометрия белого света, зондовая профилометрия и т. п. В области способов измерения поверхности существует множество примеров того, что шероховатость поверхности можно описать с помощью ряда альтернативных параметров и что средние значения шероховатости поверхности Ra, описанные в настоящем документе, могут предназначаться для представления типов элементов, характерных для вышеуказанных способов изготовления.
Компоновка и технология изготовления топливного элемента
Компоновка и технология изготовления топливного элемента могут быть тесно связаны между собой. Как описано в предыдущих разделах настоящего описания, топливный элемент имеет следующие элементы: катодную область с инертным электродом; анод, как правило, с ферментами для катализа реакции топливного элемента; источник топлива и мембрану, которая может называться электролитом; катодный коллектор тока, анодный коллектор тока и уплотняющую оболочку. В некоторых примерах конфигурация может иметь компоненты двойного назначения, такого как применение металлической оболочки в качестве коллектора тока. С точки зрения относительного объема и толщины почти все эти элементы могут иметь одинаковый объем, за исключением катода и источника топлива.
В этих примерах относительный масштаб различных компонентов можно приблизительно представить в виде следующих толщин элементов: анодный коллектор тока=1 мкм; катодный коллектор тока=1 мкм; мембрана/электролит=толщина зависит от эффективности для изоляции газообразных соединений и эффективности для диффузии ионных компонентов, при этом расчетная толщина может составлять приблизительно 10 мкм; толщина полости анода=50 мкм; толщина полости топливного элемента составляет приблизительно 50-60 мкм, а катод=5 мкм. Для этих примеров элементов изолирующая оболочка, необходимая для обеспечения достаточной защиты для поддержания химического состава топливного элемента в условиях применения, может иметь расчетную максимальную толщину приблизительно 50 мкм.
В некоторых примерах, которые могут принципиально отличаться от больших призматических конструкций, таких как цилиндрические или прямоугольные формы, и которые могут отличаться от твердотельных конструкций на основе полупроводниковых пластин, такие примеры могут иметь «пакетную» конструкцию с применением сеток и листов различных конфигураций и размещением внутри элементов топливного элемента. Оболочка может иметь две пленки или одну пленку, наложенную на другую сторону, причем каждая из этих конфигураций может образовывать две практически плоские поверхности, которые затем можно герметизировать по периметру с образованием оболочки. Эта тонкая, но широкая форма может сделать сами элементы топливного элемента тонкими и широкими. Кроме того, эти примеры могут быть подходящими для применения путем нанесения покрытий, глубокой печати, трафаретной печати, напыления и других аналогичных технологий изготовления.
В некоторых примерах обработку конструкции топливного элемента можно классифицировать как ламинатную сборку, которая может включать применение пленок в форме сетки или листа для формирования топливного элемента слой за слоем. Листы можно прикреплять друг к другу с помощью адгезивов, таких как самоклеящиеся адгезивы, термоактивируемые адгезивы или адгезивы на основе химической реакции. В некоторых примерах листы можно скреплять с помощью методов сварки, таких как термическая сварка, ультразвуковая сварка и т. п. Листы позволяют применять стандартные промышленные технологии сборки, такие как рулонная (roll-to-roll, R2R) или листовая (sheet-to-sheet). Как указано выше, внутренний объем для топлива может потребовать по существу превышения объема других активных элементов в топливном элементе. Большая часть конструкции топливного элемента может составлять пространство для топлива и препятствовать его перемещению при изгибании топливного элемента. Другая часть конструкции топливного элемента, которая может составлять значительную долю общей толщины, может представлять собой материал мембраны. В некоторых примерах листовая форма мембраны может предоставлять выгодное решение для ламинатной обработки. В других примерах мембрану можно сформировать путем подачи полимерного материала в слой, который будет служить мембраной. При подходе, использующем листовую форму мембраны, можно ввести другой слой многослойного материала, содержащий этот элемент. При подаче полимерной мембраны толщину образованного устройства можно увеличить, чтобы обеспечить место для необходимого объема материала монтажного слоя, содержащего мембрану.
В этих примерах сборки ламинатного топливного элемента продукт может иметь анодный лист, который может представлять собой комбинацию слоя герметичной оболочки и анодного коллектора тока, а также подложку для анодного слоя. Формируемый продукт также может иметь необязательный монтажный лист мембраны, монтажный лист катода и катодный лист. Катодный лист может быть комбинацией слоя герметичной оболочки и слоя катодного коллектора тока.
Плотный контакт между электродами и коллекторами тока имеет большое значение для снижения полного сопротивления и повышения разрядной емкости. Если участки электрода не контактируют с коллектором тока, сопротивление может увеличиваться, так как проводимость в этом случае осуществляется через электрод (как правило, менее проводящий, чем коллектор тока), либо часть электрода может полностью отключиться. После сборки ламинарного пакета можно выполнить стадию тиснения, приложив компрессию к пакету.
Иллюстрации примеров обработки топливных элементов - осаждение мембраны
Пример стадий, которые могут выполняться при обработке топливных элементов, показан на Фиг. 4A-4N. На отдельных фигурах показаны некоторые примеры стадий обработки. На Фиг. 4А показана комбинация монтажного слоя 401 ПЭТ анода и монтажного слоя 404 ПЭТ катода. Монтажный слой ПЭТ анода 401 может быть образован путем наложения пленок ПЭТ 403, которые могут иметь толщину, например, приблизительно 0,08 мм (0,003 дюйма). В некоторых примерах два слоя ПЭТ могут окружать металлически герметизированную полость 407 между двумя слоями. Металлическое уплотнение может включать электрические соединительные слои внутри пространства между слоями ПЭТ, чтобы обеспечить электрическое извлечение металлического уплотнения. Слой ПЭТ с обеих сторон может быть покрыт слоями PSA или защищен антиадгезионным слоем 402 из поливинилиденфторида (ПВДФ), который может иметь толщину приблизительно 0,03 мм (0,001 дюйма). Монтажный слой ПЭТ катода 404 может быть образован слоем 409 ПВДФ, который может иметь толщину приблизительно 0,08 мм (0,003 дюйма). Может быть защитный слой 405 ПЭТ, который может иметь толщину приблизительно 0,01 мм (0,0005 дюйма). В некоторых примерах между слоем 409 ПВДФ и защитным слоем 405 ПЭТ может находиться слой PSA.
Как показано на Фиг. 4B, отверстие 406 в монтажном слое 404 катода можно вырезать лазером. Далее, как показано на Фиг. 4С, разрезанный монтажный слой ПЭТ катода можно наложить 408 на монтажный слой 401 ПЭТ анода. Как показано на Фиг. 4D, отверстие 410 в монтажном слое катода и отверстие 411 в полости топливного элемента могут быть вырезаны лазером. Выравнивание на данном этапе резки может вписываться в предыдущие особенности резки монтажного слоя 404 ПЭТ катода. Как показано на Фиг. 4Е, слой мембраны 412 может быть прикреплен к носителю 413. Как показано на Фиг. 4F, из материала мембраны можно вырезать фигуры, которые по размеру между размером предыдущих двух отверстий, вырезанных лазером и окружающих полости катода и анода, и с приблизительным размером отверстия в монтажном слое ПЭТ катода для формирования заготовки мембраны 420. Как показано на Фиг. 4G, манипулятор 421 можно применять для перекладывания отдельных частей мембраны в соответствующие местоположения на формируемом устройстве. Как показано на Фиг. 4Н, установленные части 422 мембраны закрепляются на месте. Раствором 423 полости, который может представлять собой жидкий лед в некоторых примерах, может быть заполнена полость катода. Если раствор 423 полости находится в жидком состоянии, заполнение может происходить со слоями, обращенными в противоположную от показанного направления сторону. Как показано на Фиг. 4I, конструкцию формируемого устройства можно прикрепить к катодному контакту 425.
Как показано на Фиг. 4J, смесь топлива для топливного элемента может быть добавлена в полость 430 анода и в полость 432 топлива. В некоторых примерах можно применять ракель 431 для распределения катодной смеси по изделию и в процессе заполнения полостей формируемых устройств топливного элемента. После заполнения оставшийся антиадгезионный слой 433 ПВДФ можно удалить, в результате чего может получиться преобразование конструкции, как показано на Фиг. 4К-4L. Как показано на Фиг. 4L, дополнительные материалы 440, такие как ферменты и буферы, можно добавить в полость анода, чтобы они также были на уровне внешней поверхности слоя ПЭТ. В некоторых примерах ферменты, добавленные в полость анода, могут содержать глюкоза-6-фосфатдегидрогеназу, α-глюкан фосфорилазу, фосфоглюкомутазу и 6-фосфоглюконатдегидрогеназу, а также другие примеры ферментов. Как показано на Фиг. 4М, контактный слой 450 анода, который может включать связанный слой ферментов на аноде 451, можно прикрепить к формируемой конструкции. Как показано на конечной иллюстрации на Фиг. 4N, способ лазерной резки можно применять для удаления боковых областей 460 и получения топливного элемента. Существует множество модификаций, исключений и изменений материалов и значений толщины, которые могут быть подходящими для целей настоящего описания.
Элементы топливного элемента
Подходы к образованию полостей на основе ламинатных слоев могут применяться при формировании топливного элемента. Элемент питания с топливными элементами может использовать подход к образованию полостей, описанный в настоящем изобретении, и может включать множество полостей, причем несколько полостей будут представлять собой катод, анод и источник топлива. Полость катода может содержать жидкую композицию катода. Полость анода может содержать жидкую композицию анода, которая может содержать ряд ферментов для ускорения катаболического окисления источника топлива. Полость источника топлива может содержать источник топлива для топливного элемента. Этот источник топлива может включать углеводородное биотопливо, такое как глюкоза или мальтодекстрин в качестве примера, не имеющего ограничительного характера. Мембранные слои этих полостей, которые также можно назвать электролитом, препятствуют смешиванию промежуточных продуктов реакции, позволяя в то же время небольшим ионным компонентам, таким как ионы водорода, диффундировать по области электролита. Электролит может содержать различные материалы, включая, помимо прочего, полупроницаемые материалы. В некоторых примерах элемент питания может включать в себя как топливные элементы, так и элементы батареи. Элементы батареи можно использовать для активации топливного элемента в условиях эксплуатации, а также они могут позволить топливу поступать в топливный элемент из места хранения.
Как показано на Фиг. 5А, топливный элемент на основе полостей может иметь три основные полости для работы: полость 510 источника топлива, полость 520 анода и полость 530 катода. В некоторых примерах одна полость может накладываться на одну или более из полости анода, полости катода и полости источника топлива и занимать одну полость, при этом промежуточные слои будут отделять различные функции. Взаимодействие и взаимосвязь этих полостей или элементов в полости позволяет функционировать в качестве топливного элемента. Полость 510 источника топлива и полость 520 анода могут быть соединены посредством мостика 540, расположенного между двумя полостями и содержащего затвор 545, который разделяет две полости до момента его открытия при необходимости использовать полость топливного элемента. Полость 520 анода и полость 530 катода могут быть разделены полупроницаемой мембраной или электролитом 550, который отделяет общее содержимое каждой полости, но может позволить перемещение протонов из полости 520 анода в полость 530 катода при необходимости использовать полость топливного элемента. Полость 520 анода и полость 530 катода могут быть соединены через внешнюю схему 560, которая может использовать энергию, высвобождаемую во время реакций внутри топливного элемента. Соединения могут облегчать перемещение электронов из электрода 561 в полости 520 анода на электрод 562 в полости 530 катода при необходимости использовать полость топливного элемента. Может быть множество примеров материалов и способов обработки, связанных с обработкой на основе полостей, описанной выше в настоящем описании по отношению к топливным элементам, которые могут применяться. В некоторых примерах будет очевидно, что полость анода может содержать источник топлива без применения дополнительной полости источника топлива.
В некоторых примерах топливных элементов эффективные площади поверхности электродов в аноде и катоде могут быть важными факторами для работы топливных элементов. Электроды на основе платины с увеличенной площадью поверхности могут использоваться в некоторых примерах. Другие примеры формирования пленок с увеличенной площадью поверхности, такие как физическое формирование поверхности, развитие дендритных свойств увеличенной площади поверхности, электроосаждение, покрытие распылением, лазерное фрезерование, химическое травление и другие подобные примеры могут обеспечить получение требуемых электродов.
Для топливного элемента может быть особенно важно отрегулировать диффузию молекулярных частиц в устройстве. Электролит может играть ключевую роль для предотвращения перемещения реагентов между анодом и катодом, позволяя в то же время ионам водорода диффундировать через элемент для образования электрохимической цепи. Другие части процесса реакции конструкции имеют подобные важные функции. Адгезивы 570 могут служить примером, когда диффузионный контроль и выбор материалов могут быть важными факторами, а уплотнительные слои, образованные в адгезивных слоях, могут иметь дополнительное уплотнение, такое как лазерное уплотнение расплава, в качестве примера. Многослойный материал, например, слой 571, может служить другим примером, где предпочтительными будут непроницаемые материалы. В одном примере можно увидеть дополнительный элемент 572 слоистой структуры, который может добавить фактор непроницаемости между электролитом 550 и полостью 510 источника топлива. Как показано на Фиг. 5В, объем полости топлива можно изменять при помощи непроницаемого слоя 573, который может использоваться для изоляции топлива от области мембраны/электролита.
Существуют и другие вещества, например, кислород, которые следует контролировать, чтобы они присутствовали только в полости 530 катода. Различные слои можно сформировать непроницаемыми для кислорода с целью обеспечить такую функцию. В качестве альтернативы существуют области топливного элемента, которые должны быть проницаемыми для кислорода, поскольку он участвует в реакциях в топливном элементе. Анодный электрод сам по себе может иметь перфорированные отверстия или зазоры, которые позволяют газам диффундировать в катодный элемент. Другие конструкции, такие как электрические соединения 575 и опорные слои 576, могут быть разработаны с обеспечением проницаемости кислорода. В ходе реакции источника топлива в топливном элементе кислород поглощается в катодном элементе, тогда как в анодном элементе может выделяться углекислый газ. В некоторых примерах углекислый газ может выделяться и диффундировать из элемента, а в других примерах углекислый газ может растворяться в растворе реагентов, в котором присутствуют буферы, с целью ограничить изменения уровня pH, которые происходят при сольватировании углекислого газа.
В некоторых примерах в катодную жидкость может добавляться источник окислителей, даже когда в различных областях не допускается диффузия молекул, таких как кислород, через границы. Цеолиты общей формулы, сформированные для поглощения кислорода, или нанотрубки могут быть выполнены с возможностью адсорбирования молекул кислорода и высвобождения их в ходе реакции окисления. Аналогичным образом адсорбирующая поверхность цеолитов может использоваться, чтобы выделять углекислый газ, образованный в аноде при генерации электричества в топливном элементе.
В описанных примерах топливных элементов могут быть различные активные частицы, которые имеют полезные функции. Поскольку существует возможность, что питаемое устройство будет необходимо хранить в течение длительного срока, могут присутствовать важные факторы для стабилизации компонентов биосовместимых топливных элементов, таких как различные ферменты, которые можно соединить с поверхностями электрода. Одним из важных аспектов может быть отделение источника топлива от анодного элемента до того момента, пока не будет использоваться полученная из него энергия. На Фиг. 6А и 6В показан элемент активации топливного элемента. Полость 510 источника топлива может включать источник топлива для работы топливного элемента, который может содержать в качестве неограничивающего примера мальтодекстрин, глюкозу или другие виды биотоплива. В некоторых примерах источник топлива может представлять собой водный раствор мальтодекстрина, глюкозы или других видов биотоплива. В других примерах топливо в твердом виде или в виде высококонцентрированного раствора может храниться в полости топливного элемента. Закрытый затвор 610 может предотвратить перемещение источника топлива из полости 510 источника топлива в полость 520 анода. В качестве неограничивающего примера этот затвор 610 в закрытом виде может состоять из электропроводного металлического листа. В других примерах затвор может представлять собой электрически расширяемый элемент, который можно запрограммировать на многоразовое открытие и закрытие, чтобы позволить топливу перемещаться из полости источника топлива в полость анода. Отдельный источник питания 620, который может содержать сформированную на основе полостей батарею, как описано в смежных заявках к настоящему описанию, может быть подключен к закрытому затвору 610 в контактных точках 621 и 622 для создания цепи, которая может замыкаться и размыкаться при помощи электрического переключателя 630. Рабочее напряжение отдельного источника питания 620 может быть достаточно высоким для того, чтобы при подключении электрического переключателя 630 для замыкания цепи, напряжение в закрытом затворе 610 могло очень быстро увеличить мощность так, что ее будет достаточно для того, чтобы расплавить тонкую пленку такую, как плавкий предохранитель. Таким образом, в некоторых примерах электрический ток может вызвать разрыв закрытого затвора 610, что приведет к образованию открытого затвора 640, как показано на Фиг. 6В. В этом случае источник топлива в полости 510 источника топлива может переместиться в полость 520 анода. Таким образом, сигнал активации может быть получен электронной схемой, питающейся от небольшого элемента батареи. Емкость элемента батареи может быть основана на емкости, необходимой для обеспечения питанием приемника сигнала активации, и на энергии, требуемой для разрыва уплотнительного слоя в полости источника топлива топливного элемента при закрытом затворе 610. В некоторых примерах батарея может иметь небольшую дополнительную энергоемкость, чтобы обеспечивать работу биомедицинского устройства в течение периода времени, пока не будет запущен топливный элемент. В некоторых примерах материалы, из которых выполнен топливный элемент, могут иметь более высокую степень биосовместимости, чем химический состав батареи; в таких случаях использование элемента питания на основе топливного элемента с таким композиционным планом может обеспечить максимальное использование биосовместимых материалов в топливном элементе.
На Фиг. 7 показан пример полости активного анода. При открытом затворе 640 между полостью 510 источника топлива (не показана на Фиг. 7, но показана на Фиг. 5А) и полостью 520 анода источник топлива может перемещаться в направлении, указанном стрелкой 710, в полость 520 анода. Полость активного анода может содержать комбинацию ингредиентов, включая буферный раствор для поддержания в растворе стабильного уровня pH, одну или возможную комбинацию катализаторов реакции и определенные концентрации других ингредиентов, которые могут вступать в реакцию с источником топлива при его взаимодействии с этими ингредиентами. Катализаторы реакции могут содержать один определенный фермент или комбинацию определенных ферментов для функционирования в качестве катализаторов требуемой катаболической реакции с биотопливом, включая, помимо прочего, мальтодекстрин или другие молекулы глюкозы. В результате такой катаболической реакции может образоваться определенное количество свободных протонов, которые могут перемещаться в направлении, указанном стрелкой 730, по мембране (также называемой электролитом в предыдущих описаниях) в полость 530 катода, которая показана на Фиг. 8 далее, а также аналогичное количество свободных электронов, которые также могут перемещаться в направлении, указанном стрелкой 735, по внешней схеме 560 к катоду. В зависимости от типа катаболической реакции, которая происходит в полости активного анода, может потребоваться, чтобы полость активного анода была непроницаемой для кислорода. Для достижения данной цели внешняя граница 740 анода, которая может быть электрическим соединением, может состоять из непроницаемого для кислорода материала, например, помимо прочего, из металла. В некоторых примерах могут использоваться пленки из латуни, титана, алюминия и подобных металлов. Для определенных типов источников топлива побочным продуктом 750 катаболической реакции окисления может быть углекислый газ. Поскольку полость анода может быть выполнена так, чтобы не позволять кислороду диффундировать в полость, эта же самая непроницаемая полость активного анода может быть не в состоянии вывести углекислый газ. В некоторых примерах углекислый газ, который образуется, может растворяться в водном растворе анода. При растворении углекислый газ может изменять уровень pH составного раствора, присутствующего в полости активного анода. Таким образом, буферный раствор можно использовать в растворе, чтобы увеличить количество углекислого газа, который может выделиться, прежде чем уровень pH анода снизится настолько, чтобы повлиять на ход реакций. Таким образом, можно вводить буферы, чтобы поддерживать уровень pH в эксплуатационных пределах.
На Фиг. 8 показана полость активного катода. Эта полость активного катода может содержать электропроводящий электрод 810, который может служить местом прохождения реакции 820 восстановления, имеющей место в катоде. Эта реакция 820 восстановления может быть спровоцирована в результате притока протонов и электронов из полости анода. С целью наступления реакции 820 восстановления кислород может быть введен в полость активного катода из окружающей среды 830; сама по себе полость 530 катода может быть выполнена из проницаемых для кислорода материалов, включая, помимо прочего, гидрогель. В качестве продукта реакции 820 восстановления в полости активного катода может образовываться вода 840. В некоторых примерах может потребоваться создание топливного элемента такого типа, который описывался в настоящем документе и в котором область катода располагается внутри биомедицинского устройства таким образом, чтобы она находилась вблизи источника кислорода. В качестве неограничивающего примера контактная линза может иметь «внешнюю криволинейную» поверхность и «внутреннюю криволинейную» поверхность. Внутренняя криволинейная поверхность может быть уложена на поверхности глаза или располагаться в непосредственной от нее близости. Внешняя криволинейная поверхность, таким образом, может быть обращена в атмосферу вокруг среды глаза. Несмотря на то, что поверхность линзы может погружаться в слезную жидкость во время использования, существует предположение, что концентрация кислорода вблизи атмосферы будет относительно выше.
Если биомедицинское устройство помещается в контейнер, где устройство находится в среде, лишенной кислорода, это позволит исключить использование топливного элемента. При отсутствии кислорода реакции в конечном итоге прекратятся. Таким образом, в примерах такого типа вскрытие изолирующей оболочки позволит кислороду из атмосферы проникать в биомедицинское устройство и диффундировать в топливный элемент. При диффузии кислорода в топливный элемент, он может начать генерировать электрический ток, так как его источник топлива будет расходоваться. Таким образом, подобный пример может привести к другому типу активации. В примере на Фиг. 8 электроны перемещаются в катодный элемент и показаны при помощи стрелки, указывающей в направлении электрической нагрузки 560. После прохождения через электрическую нагрузку 560 электроны попадают в катод через проводящий электрод 810, а затем принимают участие в реакции 820 восстановления.
На Фиг. 9 показан пример комбинации топливных элементов на основе полостей. В зависимости от устройства, питаемого при помощи комбинации топливных элементов на основе полостей, может потребоваться обеспечить устройство более высоким напряжением или более высокой силой тока, чем может обеспечить один топливный элемент на основе полостей. Как таковые множество топливных элементов на основе полостей можно соединить параллельно 910, как показано на Фиг. 9А, чтобы увеличить силу подаваемого тока. В другом примере можно сформировать комбинацию, чтобы увеличить подаваемое напряжение, как в серии 920, показанной на Фиг. 9В. Множество различных серий и параллельных комбинаций 930 топливных элементов на основе полостей, показанных на Фиг. 9С, могут быть возможными для достижения итогового питающего напряжения и силы тока. Подход к организации слоистых структур с полостями может привести к простому и краткому обозначению множества примеров топливных элементов, которые можно комбинировать так же просто. Кроме того, с целью увеличить срок эксплуатации устройства, питаемого топливными элементами на основе полостей, такой пример комбинации топливных элементов на основе полостей может включать в качестве неограничивающего примера топливные элементы на основе полостей, которые активируются непосредственно после включения устройства, а также топливные элементы на основе полостей, которые активируются в более поздний момент времени. Так как топливные элементы на основе полостей могут иметь предельный срок эксплуатации, ограниченный исчерпаемым источником топлива или распадом активных компонентов, в качестве неограничивающего примера срок эксплуатации устройства, питаемого этими топливными элементами на основе полостей, может быть ограничен сроком эксплуатации топливных элементов на основе полостей. Однако если различные группы топливных элементов, каждая из которых в состоянии питать устройство самостоятельно, включаются последовательно, срок эксплуатации устройства может быть увеличен в два, в три раза или более, в зависимости от того, сколько таких групп используется. Активация последовательных групп топливных элементов на основе полостей может осуществляться, например, помимо прочего, через цепь управления, измеряющей напряжение с нагрузкой, которое упадет ниже определенного значения.
Топливные элементы могут быть выполнены и встроены в различные типы биомедицинских устройств. В некоторых примерах топливные элементы на основе полостей могут стать требуемым решением. Биомедицинские устройства могут представлять собой, например, имплантируемые электронные устройства, такие как кардиостимуляторы и микроустройства сбора энергии, электронные таблетки для мониторинга и/или тестирования той или иной биологической функции, хирургические устройства с активными компонентами, офтальмологические устройства, микронасосы, дефибрилляторы, стенты и т. п.
Выше были описаны конкретные примеры для иллюстрации вариантов осуществления изготовления, способов изготовления и устройства изготовления биосовместимых элементов питания, содержащих топливные элементы. Эти примеры предназначены для указанных целей иллюстрации и ни в коей мере не призваны ограничивать объем формулы изобретения. Соответственно, описание призвано охватить все варианты осуществления, которые могут быть очевидны для специалистов в данной области.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СПОСОБЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИОСОВМЕСТИМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПИТАНИЯ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ УСТРОЙСТВ, СОДЕРЖАЩИХ МНОГОСЛОЙНЫЕ КОМПОЗИТЫ И ОСАЖДЕННЫЕ РАЗДЕЛИТЕЛИ | 2015 |
|
RU2670422C1 |
| Биосовместимые перезаряжаемые элементы питания для биомедицинских устройств | 2015 |
|
RU2628772C2 |
| СПОСОБЫ ФОРМИРОВАНИЯ БИОСОВМЕСТИМЫХ ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПИТАНИЯ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ УСТРОЙСТВ | 2015 |
|
RU2675797C2 |
| Устройство и способы герметизации и заключения в оболочку биосовместимых элементов питания | 2015 |
|
RU2675385C2 |
| БИОМЕДИЦИНСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ПОЛИМЕРНЫМИ ЭЛЕКТРОЛИТАМИ | 2016 |
|
RU2668419C2 |
| БИОЛОГИЧЕСКАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ БИОМЕДИЦИНСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПИТАНИЯ | 2015 |
|
RU2675591C2 |
| Батареи биомедицинских устройств трубчатой формы с химически осаждаемым уплотнением | 2017 |
|
RU2672572C1 |
| Двустворчатые батареи для биомедицинского устройства | 2017 |
|
RU2670597C9 |
| Биометрические элементы подачи питания с полимерными электролитами | 2017 |
|
RU2682795C1 |
| КАТОДНАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В БИОСОВМЕСТИМОЙ БАТАРЕЕ | 2015 |
|
RU2671968C2 |
Изобретение относится к способам изготовления биосовместимых элементов питания. Биосовместимый элемент питания содержит первое отверстие, расположенное в анодном дистанцирующем слое; второе отверстие, расположенное в катодном дистанцирующем слое, причем второе отверстие выровнено с первым отверстием, и при этом второе отверстие больше первого отверстия, так что когда первое отверстие и второе отверстие выровнены, во втором отверстии обнажается край анодного дистанцирующего слоя; мембранный слой, расположенный внутри второго отверстия и прикрепленный к краю анодного дистанцирующего слоя; первую полость между сторонами первого отверстия и первой поверхностью мембранного слоя, заполненную анодным раствором; вторую полость между сторонами второго отверстия и второй поверхностью мембранного слоя, заполненную катодным раствором; и третью полость, заполненную топливным раствором, и при этом канал соединяет третью полость с первой полостью. Изобретение позволяет создавать конструкции, которые могут эффективно удерживать химический состав топливного элемента. 2 н. и 32 з.п. ф-лы, 9 ил.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Биосовместимый элемент питания, содержащий
анодный дистанцирующий слой;
первое отверстие, расположенное в анодном дистанцирующем слое;
катодный дистанцирующий слой;
по меньшей мере, второе отверстие, причем второе отверстие расположено в катодном дистанцирующем слое, причем второе отверстие выровнено с первым отверстием, и при этом второе отверстие больше первого отверстия, так что когда первое отверстие и второе отверстие выровнены, во втором отверстии обнажается край анодного дистанцирующего слоя;
мембранный слой, причем мембранный слой расположен внутри второго отверстия и прикреплен к краю анодного дистанцирующего слоя;
первую полость между сторонами первого отверстия и первой поверхностью мембранного слоя, причем первая полость заполнена анодным раствором;
вторую полость между сторонами второго отверстия и второй поверхностью мембранного слоя, причем вторая полость заполнена катодным раствором; и
третью полость, причем третья полость заполнена топливным раствором, и при этом канал соединяет третью полость с первой полостью.
2. Биосовместимый элемент питания по п. 1, в котором анодный раствор содержит первый фермент.
3. Биосовместимый элемент питания по п. 2, в котором анодный раствор содержит глюкоза-6-фосфатдегидрогеназу.
4. Биосовместимый элемент питания по п. 2, в котором анодный раствор содержит α-глюкан фосфорилазу.
5. Биосовместимый элемент питания по п. 2, в котором анодный раствор содержит фосфоглюкомутазу.
6. Биосовместимый элемент питания по п. 2, в котором анодный раствор содержит 6-фосфоглюконатдегидрогеназу.
7. Биосовместимый элемент питания по п. 3, в котором биосовместимый элемент питания находится в электрической связи с электроактивным элементом внутри биомедицинского устройства.
8. Биосовместимый элемент питания по п. 1, в котором биосовместимый элемент питания находится в электрической связи с электроактивным элементом внутри биомедицинского устройства.
9. Биосовместимый элемент питания по п. 7, в котором биомедицинское устройство представляет собой офтальмологическое устройство.
10. Биосовместимый элемент питания по п. 9, в котором офтальмологическое устройство представляет собой контактную линзу.
11. Биосовместимый элемент питания по п. 10, дополнительно содержащий мальтодекстрин.
12. Биосовместимый элемент питания по п. 10, дополнительно содержащий глюкозу.
13. Биосовместимый элемент питания по п. 1, дополнительно содержащий уплотнительный слой между анодным дистанцирующим слоем и катодным дистанцирующим слоем, причем уплотнительный слой также содержит любые слои между анодным дистанцирующим слоем и катодным дистанцирующим слоем.
14. Биосовместимый элемент питания по п. 13, в котором уплотнительный слой образован способом лазерной сварки.
15. Биосовместимый элемент питания по п. 13, в котором уплотнительный слой образован способом ультразвуковой сварки.
16. Биосовместимый элемент питания по п. 13, в котором уплотнительный слой образован методом фотолитографии полимерных уплотнительных слоев.
17. Биосовместимый элемент питания, содержащий:
анодный дистанцирующий слой;
первое отверстие, расположенное в анодном дистанцирующем слое;
катодный дистанцирующий слой;
по меньшей мере, второе отверстие, причем второе отверстие расположено в катодном дистанцирующем слое, причем второе отверстие выровнено с первым отверстием, и при этом второе отверстие больше первого отверстия, так что когда первое отверстие и второе отверстие выровнены, во втором отверстии обнажается край анодного дистанцирующего слоя;
мембранный слой, причем мембранный слой расположен внутри второго отверстия и прикреплен к краю анодного дистанцирующего слоя;
первую полость между сторонами первого отверстия и первой поверхностью мембранного слоя, причем первая полость заполнена анодным раствором;
вторую полость между сторонами второго отверстия и второй поверхностью мембранного слоя, причем вторая полость заполнена катодным раствором;
третью полость, причем третья полость заполнена топливным раствором, и при этом канал соединяет третью полость с первой полостью; и
электрически приводимый в действие механизм блокировки канала, причем механизм блокировки канала блокирует канал, соединяющий третью полость с первой полостью, и электрическое приведение в действие обеспечивает протекание топлива из третьей полости в первую полость.
18. Биосовместимый элемент питания по п. 17, в котором анодный раствор содержит первый фермент.
19. Биосовместимый элемент питания по п. 18, в котором анодный раствор содержит глюкоза-6-фосфатдегидрогеназу.
20. Биосовместимый элемент питания по п. 18, в котором анодный раствор содержит α-глюкан фосфорилазу.
21. Биосовместимый элемент питания по п. 18, в котором анодный раствор содержит фосфоглюкомутазу.
22. Биосовместимый элемент питания по п. 18, в котором анодный раствор содержит 6-фосфоглюконатдегидрогеназу.
23. Биосовместимый элемент питания по п. 19, в котором биосовместимый элемент питания находится в электрической связи с электроактивным элементом внутри биомедицинского устройства.
24. Биосовместимый элемент питания по п. 17, в котором биосовместимый элемент питания находится в электрической связи с электроактивным элементом внутри биомедицинского устройства.
25. Биосовместимый элемент питания по п. 24, в котором биомедицинское устройство представляет собой офтальмологическое устройство.
26. Биосовместимый элемент питания по п. 25, в котором офтальмологическое устройство представляет собой контактную линзу.
27. Биосовместимый элемент питания по п. 24, дополнительно содержащий мальтодекстрин.
28. Биосовместимый элемент питания по п. 24, дополнительно содержащий глюкозу.
29. Биосовместимый элемент питания по п. 17, дополнительно содержащий уплотнительный слой между анодным дистанцирующим слоем и катодным дистанцирующим слоем, причем уплотнительный слой также содержит любые слои между анодным дистанцирующим слоем и катодным дистанцирующим слоем.
30. Биосовместимый элемент питания по п. 29, в котором уплотнительный слой образован способом лазерной сварки.
31. Биосовместимый элемент питания по п. 29, в котором уплотнительный слой образован способом ультразвуковой сварки.
32. Биосовместимый элемент питания по п. 29, в котором уплотнительный слой образован методом фотолитографии полимерных уплотнительных слоев.
33. Биосовместимый элемент питания по п. 17, дополнительно содержащий элемент батареи.
34. Биосовместимый элемент питания по п. 33, в котором элемент батареи обеспечивает энергию для электрического приведения в действие.
По доверенности
| US 20150323811 A, 12.11.2015 | |||
| СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА С АВТОНОМНЫМ ИСТОЧНИКОМ ЭНЕРГИИ | 2009 |
|
RU2505405C2 |
| СПОСОБ ЗАКРЕПЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ С ЭНЕРГОПИТАНИЕМ В ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНЗЕ | 2009 |
|
RU2508200C2 |
| WO 2010039610 A2, 08.04.2010. | |||
