背景技術(shù)：

1.技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明描述了形成生物相容性通電元件的方法和設(shè)備。在一些實施方案中，形成生物相容性通電元件的方法和設(shè)備涉及形成通電元件的隔膜元件。包含陽極、陰極和燃料電池溶液的活性元件可與所形成的隔膜元件電化學(xué)連接并可與之相互作用。在一些實施方案中，所述方法和設(shè)備的使用領(lǐng)域可包括需要通電元件的任何生物相容性裝置或產(chǎn)品。

2.相關(guān)領(lǐng)域的討論

近來，醫(yī)療裝置的數(shù)量開始快速增長并且其功能不斷完善。這些醫(yī)療裝置可包括(例如)植入式起搏器、監(jiān)測和/或測試生物功能的電子圓丸、具有有源部件的外科裝置、隱形鏡片、輸注泵和神經(jīng)刺激器。前述許多醫(yī)療裝置的功能增加和性能增強已經(jīng)理論化并得以發(fā)展。然而，為了實現(xiàn)在理論上所說的增加的功能，這些裝置中的許多現(xiàn)在都需要自備式通電機構(gòu)，該機構(gòu)與這些裝置的尺寸和形狀要求以及新的通電部件的能量要求相容。

一些醫(yī)療裝置可包括諸如半導(dǎo)體器件的部件，這些部件執(zhí)行多種功能并且可以結(jié)合到許多生物相容性和/或植入式裝置中。然而，此類半導(dǎo)體部件需要能量，因此，通電元件通常也可被包括在此類生物相容性裝置中。生物相容性裝置的形貌和相對較小的尺寸為各種功能的限定產(chǎn)生了新的且具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境。在許多實施方案中，可能重要的是，提供安全、可靠、緊湊和高性價比的機構(gòu)為生物相容性裝置內(nèi)的半導(dǎo)體部件供電。因此，需要形成用于植入生物相容性裝置內(nèi)或生物相容性裝置上的生物相容性通電元件的新型實施方案，其中這些元件的結(jié)構(gòu)提供增強的容納通電元件的化學(xué)組分的能力以及對于容納在通電元件中的化學(xué)組分的量的改善控制能力。燃料電池，尤其是采用生物可利用燃料源的那些，可能是如通電元件一樣的良好解決方案。在一些情況下，燃料電池和蓄電池的組合可以為生物醫(yī)療裝置提供能量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明公開了形成生物相容性通電元件的方法和設(shè)備，所述通電元件具有制造方面的優(yōu)勢同時形成可包含大量燃料電池化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。另外，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計也可提供對于存在于燃料電池元件內(nèi)的通電元件數(shù)量的固有控制。

在一些實施方案中，通電元件可通過將結(jié)構(gòu)層以疊堆形式放置在一起而形成。陽極隔離層可具有從陽極層切割出的第一孔。該孔的隔離層側(cè)壁可以是當(dāng)堆疊多個層時所形成的腔體的一部分。陰極隔離層可具有在其中切割的第二孔。在一些示例中，第二孔可對準(zhǔn)第一孔。第二孔可大于第一孔，并且當(dāng)這些孔彼此對準(zhǔn)時，陽極隔離層材料的隆起部可暴露在第一孔中。隔膜層可以被切割成一定的尺寸和形狀，使其可裝配到第二孔中并且大于第一孔。隔膜層可放置在第二孔內(nèi)，并粘附到陽極隔離層材料的隆起部。這種結(jié)構(gòu)可以在第一孔的側(cè)面與隔膜層的第一表面之間形成第一腔。第一腔可填充有陽極溶液。第二腔可通過放置隔膜層而形成，并可包括隔膜層的表面和陰極隔離層中第二孔的暴露側(cè)壁區(qū)域。在陽極隔離層材料的隆起部上可存在一些區(qū)域，這些區(qū)域在一些示例中可位于第二腔內(nèi)。第二腔可填充有陰極溶液。還可存在填充有燃料溶液的第三腔。在一些示例中，可形成通道，該通道允許流體在第三腔與第一腔之間移動。在一些示例中，陽極溶液可包含第一酶。在一些示例中，陽極溶液包含葡萄糖-6-磷酸脫氫酶。在一些示例中，陽極溶液包含α-葡聚糖磷酸化酶。在一些示例中，陽極溶液還可包含磷酸葡萄糖變位酶。在一些示例中，陽極溶液可包含6-磷酸葡糖酸脫氫酶。包括一個或多個示例性選項的各種類型的通電元件中的至少一種可電連接至生物醫(yī)療裝置內(nèi)的電活性元件。生物醫(yī)療裝置可以是眼科裝置。該眼科裝置可以是接觸鏡片。通電元件內(nèi)的燃料溶液和其他溶液可包含麥芽糖糊精和葡萄糖中的一種或多種?？纱嬖谛纬捎谕娫?nèi)的多個密封件以將各個腔彼此分隔開并且將通電元件內(nèi)的材料與通電元件外面分隔開。這些密封件可在陽極隔離層與陰極隔離層之間形成。在一些示例中，在陽極隔離層與陰極隔離層之間可存在對密封件進(jìn)行處理之后所包括的中間層。密封件可通過激光焊接、超聲波焊接和直接熱焊接中的一種或多種形成。密封件也可通過聚合物密封件的光圖案化而形成。

又如，生物相容性通電元件可由多個層形成?？尚纬申枠O隔離層，并且可通過各種方法(包括激光切割和模具沖壓)在陽極隔離層中切割第一孔。也可形成陰極層。第二孔可被定位在陰極隔離層中。第二孔可對準(zhǔn)第一孔。在一些示例中，可將隔膜層置于陽極層與陰極層之間。在其他示例中，可將第二孔切割成大于第一孔。第二孔和第一孔可對準(zhǔn)到裝置中。所對準(zhǔn)的第一孔和第二孔可形成陽極隔離層材料的隆起部，該隆起部可暴露在第二孔中。隔膜層可成形為一定形狀，使其可裝配到第二孔內(nèi)。隔膜可放置在第二孔內(nèi)，并粘附到陽極隔離層材料的隆起部。這種結(jié)構(gòu)可以在第一孔的側(cè)面與隔膜層的第一表面之間形成第一腔。第一腔可填充有陽極溶液。第二腔可通過放置隔膜層而形成，并可包括隔膜層的表面和陰極隔離層中第二孔的暴露側(cè)壁區(qū)域。在陽極隔離層材料的隆起部上可存在一些區(qū)域，這些區(qū)域在一些示例中可位于第二腔內(nèi)。第二腔可填充有陰極溶液。還可存在填充有燃料溶液的第三腔。在一些示例中，可形成通道，該通道允許流體在第三腔與第一腔之間移動。該通道可包括電致動通道閉鎖機構(gòu)，其中該通道閉鎖機構(gòu)阻止通道將第三腔連接至第一腔，并且其中電致動允許燃料從第三腔流入第一腔中。在一些示例中，陽極溶液可包含第一酶。在一些示例中，陽極溶液包含葡萄糖-6-磷酸脫氫酶。在一些示例中，陽極溶液包含α-葡聚糖磷酸化酶。在一些示例中，陽極溶液還可包含磷酸葡萄糖變位酶。在一些示例中，陽極溶液可包含6-磷酸葡糖酸脫氫酶。包括一個或多個示例性選項的各種類型的通電元件中的至少一種可電連接至生物醫(yī)療裝置內(nèi)的電活性元件。生物醫(yī)療裝置可以是眼科裝置。該眼科裝置可以是接觸鏡片。通電元件內(nèi)的燃料溶液和其他溶液可包含麥芽糖糊精和葡萄糖中的一種或多種?？纱嬖谛纬捎谕娫?nèi)的多個密封件以將各個腔彼此分隔開并且將通電元件內(nèi)的材料與通電元件外面分隔開。這些密封件可在陽極隔離層與陰極隔離層之間形成。在一些示例中，在陽極隔離層與陰極隔離層之間可存在對密封件進(jìn)行處理之后所包括的中間層。密封件可通過激光焊接、超聲波焊接和直接熱焊接中的一種或多種形成。密封件也可通過聚合物密封件的光圖案化而形成。

可存在如在發(fā)明內(nèi)容中所述的通電元件的示例，這些通電元件還包括一種或多種蓄電池單元。該蓄電池單元可具有許多功能方面。在一些示例中，蓄電池單元可與啟動元件一起使用，以開始通電元件的有效操作。這種啟動可包括以電的方式改變包含燃料源的腔與通電元件的一種或多種溶液(可包括燃料電池的陽極溶液)之間的密封件。當(dāng)燃料電池開始達(dá)到操作條件時，蓄電池也可操作一段時間。

附圖說明

通過以下對如附圖中所示的本發(fā)明優(yōu)選實施方案的更具體描述，本發(fā)明的上述內(nèi)容及其他特征和優(yōu)點將顯而易見。

圖1a至圖1d示出了與接觸鏡片的示例性應(yīng)用一致的生物相容性通電元件的示例性方面。

圖2示出了具有示例性燃料電池設(shè)計的單個電池的示例性尺寸和形狀。

圖3a示出了具有示例性陽極和陰極連接部的獨立式封裝生物相容性通電元件。

圖3b示出了具有示例性陽極和陰極連接部的獨立式封裝生物相容性通電元件。

圖4a至圖4n示出了形成用于生物醫(yī)療裝置的生物相容性通電元件的示例性方法步驟。

圖5a至圖5b示出了基于腔體的燃料電池的示例性特征結(jié)構(gòu)。

圖6a至圖6b示出了基于腔體的燃料電池的另選示例性特征結(jié)構(gòu)。

圖7示出了示例性基于腔體的燃料電池的陽極區(qū)和燃料儲存區(qū)的特寫視圖。

圖8示出了示例性基于腔體的燃料電池的陰極區(qū)的特寫視圖。

圖9a至圖9c示出了示例性燃料電池的示例性互連方案。

具體實施方式

本申請公開了形成三維生物相容性通電元件的方法和設(shè)備?？刹捎眯路椒ㄐ纬赏娫?nèi)的隔膜元件，其可包含新型材料。在下述部分中，描述了各種實施方案的詳細(xì)說明。文中描述的優(yōu)選實施方案和替代實施方案均僅為示例性實施方案，各種修改和更改對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言可為顯而易見的。因此，示例性實施方案不限制本申請的范圍。將三維生物相容性通電元件設(shè)計成使用于活生物體的機體中或其附近。

術(shù)語

在下文的說明和權(quán)利要求書中，可用到各種術(shù)語，它們將應(yīng)用以下定義：

如本文所用，“陽極”是指電流通過其流進(jìn)極化的電氣裝置的電極。電流的方向通常與電子流的方向相反。換句話講，電子從陽極流進(jìn)例如電路中。

如本文所用，“生物相容性”是指在具體的應(yīng)用中以合適的宿主反應(yīng)執(zhí)行的材料或裝置。例如，生物相容性裝置對生物系統(tǒng)不具有毒性或有害作用。

如本文所用，“陰極”是指電流通過其流出極化的電氣裝置的電極。電流的方向通常與電子流的方向相反。因此，電子流進(jìn)極化的電氣裝置的陰極并流出(例如)所連接的電路。

如本文所用，“涂層”是指材料以薄的形式的沉積物。在一些用途中，該術(shù)語將指代基本上覆蓋基底表面的薄沉積物，該沉積物在基底表面上形成。在其他更特殊的用途中，該術(shù)語可用于描述在表面的更小區(qū)中的小且薄的沉積物。

如本文所用的“電極”可指能量源中的有效質(zhì)量。例如，它可包括陽極和陰極中的一者或兩者。

如本文所用，“通電的”是指能夠提供電流或能夠在其內(nèi)儲存電能的狀態(tài)。

如本文所用，“能量”是指使物理系統(tǒng)做功的能力。通電元件的許多用途可涉及能夠執(zhí)行電動作的能力。

如本文所用，“能量源”或“通電元件”或“通電裝置”是指能夠提供能量或?qū)⑦壿嫽螂姎庋b置置于通電狀態(tài)的任何裝置或?qū)?。通電元件可包括燃料電池。燃料電池可由堿性類型電池化學(xué)物質(zhì)形成，并且可以是固態(tài)燃料電池或濕電池燃料電池。

如本文所用，“膜”是指可充當(dāng)覆蓋物或涂層的材料薄層；在層合結(jié)構(gòu)中，所述膜通常近似于具有頂部表面、底部表面和主體的平面層；其中主體通常比層的范圍薄得多。

如本文所用的“功能化的”是指使層或裝置能夠執(zhí)行包括例如通電、激活和/或控制的功能。

如本文所用，“模具”是指可以用于由未固化的制劑形成三維物體的剛性或半剛性物體。一些優(yōu)選的模具包括兩個模具部件，這兩個模具部件彼此相對時限定三維物體的結(jié)構(gòu)。

如本文所用，“功率”是指每單位時間內(nèi)做的功或傳遞的能量。

如本文所用，“可再充電”或“可再通電”是指恢復(fù)到具有更大做功本領(lǐng)的狀態(tài)的能力。多種用途可涉及具有能夠使電流以某一速率在特定的恢復(fù)時間周期內(nèi)流動的恢復(fù)能力。

如本文所用，“再通電”或“再充電”是指恢復(fù)到具有更大做功能力的狀態(tài)。多種用途可涉及使裝置恢復(fù)到使電流以某一速率在特定的恢復(fù)時間周期內(nèi)流動的能力。

如本文所用的并有時稱為“從模具釋放”的“釋放”意指三維物體與模具完全分離，或者只是松散地附接到模具，使得其可通過輕輕晃動而被移除。

如本文所用，“堆疊的”是指將至少兩個部件層緊鄰彼此放置，使得其中一層的一個表面的至少一部分接觸第二層的第一表面。在一些實施方案中，涂層不論是用于粘附還是用于其他功能均可留在通過所述涂層彼此接觸的這兩層之間。

如本文所用，“跡線”是指能夠?qū)㈦娐凡考B接在一起的通電元件部件。例如，當(dāng)基底為印刷電路板時，電路跡線可包含銅或金，并且在柔性電路中通常可為銅、金或印刷膜。一種特殊類型的“跡線”為集流體。集流體是具有電化學(xué)相容性的跡線，這使得集流體適用于引導(dǎo)電子流向陽極或流出陰極。

本文展示的方法和設(shè)備涉及形成用于包括在扁平或三維生物相容性裝置之內(nèi)或之上的生物相容性通電元件。

根據(jù)本公開，還可存在關(guān)于如何組裝和配置燃料電池的其他示例，其中一些可在以下部分中描述。然而，對于許多這些示例，存在可獨立進(jìn)行描述的燃料電池的所選參數(shù)和特性。在下述部分中，將重點描述一些特性和參數(shù)。

具有生物相容性通電元件的示例性生物醫(yī)療裝置構(gòu)造

可結(jié)合本公開的通電元件、燃料電池的生物醫(yī)療裝置的示例可以是電活性調(diào)焦接觸鏡片。參見圖1a，此類接觸鏡片插入件的示例可被示為接觸鏡片插入件100。在接觸鏡片插入件100中，可存在電活性元件120，該電活性元件可響應(yīng)于控制電壓來適應(yīng)聚焦特性變化。用于提供這些控制電壓信號以及用于提供其他功能(諸如控制對用于外部控制信號的環(huán)境的感測)的電路105可由生物相容性燃料電池元件110供電。如圖1a所示，燃料電池元件110可作為多個主要件存在，在這種情況下是三個件，并且可包括各種燃料電池化學(xué)元件構(gòu)型。燃料電池元件可具有各種互連特征結(jié)構(gòu)，以將可示出為位于互連件區(qū)114下方的件接合在一起。燃料電池元件可連接至電路元件，該電路元件可具有自身的基底111，互連特征結(jié)構(gòu)125可位于該基底上?？蔀榧呻娐沸问降碾娐?05可電連接和物理連接至基底111及其互連特征結(jié)構(gòu)125。

參見圖1b，接觸鏡片150的剖面浮雕(crosssectionalrelief)可包括接觸鏡片插入件100及其所討論的成分。接觸鏡片插入件100可被封裝到接觸鏡片水凝膠155的裙邊中，裙邊可封裝插入件并為用戶的眼睛提供與接觸鏡片150的舒適接觸界面。

參考本公開的概念，燃料電池元件可以二維形式形成，如圖1c的另一示例中所示。在該圖示中，可存在燃料電池單元的兩個主要區(qū)，即燃料電池部件165和第二燃料電池部件的區(qū)以及燃料電池化學(xué)元件160的區(qū)。扁平元件可連接至電路元件163，在圖1c的示例中，該電路元件可包括兩個主要電路區(qū)域167。電路元件可在電觸點161和物理觸點162處連接至燃料電池元件。如已在本公開中描述，該扁平結(jié)構(gòu)可彎曲成三維錐形結(jié)構(gòu)。在此過程中，第二電觸點166和第二物理觸點164可用于連接三維結(jié)構(gòu)并使其保持物理穩(wěn)定。參見圖1d，可找到該三維錐形結(jié)構(gòu)180的圖示。也可找到物理觸點和電觸點181，并且該圖示可視為所得結(jié)構(gòu)的三維視圖。該結(jié)構(gòu)可包括模塊化電氣和燃料電池部件，所述部件將與鏡片插入件一起結(jié)合到生物相容性裝置中。

分段式燃料電池方案

參見圖2，針對用于接觸鏡片類型示例的示例性燃料電池元件示出了不同類型的分段式燃料電池方案的示例。分段部件可相應(yīng)地為圓形271、正方形272或矩形。在矩形示例中，矩形可以是小矩形形狀273、較大矩形形狀274或大矩形形狀275。這些不同類型的分段為燃料電池參數(shù)如容量、內(nèi)電阻、可制造性、電壓容量、缺陷抗性和封裝提供設(shè)計權(quán)衡。

扁平燃料電池元件的定制形狀

在生物相容性燃料電池的一些示例中，燃料電池可成形為扁平元件。參見圖3a，燃料電池元件的矩形輪廓310的示例可被示出為具有陽極連接部311和陰極連接部312。參見圖3b，燃料電池元件的圓形輪廓330的示例可被示出為具有陽極連接部331和陰極連接部332。

在扁平成形燃料電池的一些示例中，燃料電池形狀的輪廓可在尺寸上和幾何上被構(gòu)造成適配在定制產(chǎn)品中。除具有矩形或圓形輪廓的示例外，還可形成定制的“自由形式”或者“自由形狀”輪廓，這可允許優(yōu)化燃料電池構(gòu)型以適配在給定的產(chǎn)品內(nèi)。

在示例性可變光學(xué)生物醫(yī)療裝置情況中，扁平輪廓的“自由形式”示例可為弓形形式；自由形式可具有以下幾何結(jié)構(gòu)，當(dāng)它形成三維(3d)形狀時，其可采用適配在接觸鏡片的限制范圍內(nèi)的錐形、環(huán)形裙邊的形式。顯然，在醫(yī)療裝置具有限制性二維(2d)或3d形狀要求的情況下，可形成類似的有利幾何形狀。

燃料電池的生物相容性方面

作為一個示例，根據(jù)本公開的燃料電池可具有關(guān)于安全性和生物相容性的重要方面。在一些示例中，用于生物醫(yī)療裝置的燃料電池可能需要滿足優(yōu)于典型燃料電池應(yīng)用場景的要求。在一些示例中，可在設(shè)計方面考慮到與應(yīng)力事件相關(guān)。例如，可需要考慮用戶在插入或取出鏡片期間打碎鏡片的情況下電子接觸鏡片的安全性。又如，可能在設(shè)計方面應(yīng)考慮用戶眼睛被異物襲擊的可能性?？稍陂_發(fā)設(shè)計參數(shù)和約束條件時考慮到的應(yīng)力條件的其他示例可涉及，在非限制性示例中，用戶在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境如水下環(huán)境或高海拔環(huán)境中佩戴鏡片的可能性。

這種裝置的安全性可能受到制成裝置的材料、用于制造裝置的這些材料的量、以及為將裝置與周圍主體上或主體中環(huán)境分開而施用的封裝的影響。在一個示例中，起搏器可以是一種典型的生物醫(yī)療裝置，其可包括燃料電池并且可植入用戶體內(nèi)保持較長時間。因此，在一些示例中，這類起搏器通常可用焊接的密封鈦封裝件封裝，或者在其他示例中，用多層封裝件封裝。新興動力式生物醫(yī)療裝置可能對封裝，尤其是燃料電池封裝提出新挑戰(zhàn)。這些新型裝置可比現(xiàn)有的生物醫(yī)療裝置小得多，例如，電子接觸鏡片或藥丸攝影機可顯著小于起搏器。在這類示例中，可大大降低封裝所占的體積和面積。

微通電元件的電氣要求

設(shè)計考慮的另一個領(lǐng)域可涉及燃料電池裝置上裝置的電氣要求。為了用作醫(yī)療裝置的功率源，當(dāng)在非連接或非外部供電模式中工作時，可能需要適當(dāng)?shù)娜剂想姵貋頋M足系統(tǒng)的全面電氣要求。非連接或非外部供電的生物醫(yī)療裝置的新興領(lǐng)域可包括，例如，視力矯正接觸鏡片、健康監(jiān)測裝置、藥丸攝像機、以及新型裝置。集成電路(ic)技術(shù)的最新進(jìn)展可允許在極低的電流水平下進(jìn)行有意義的電氣操作，例如，待機電流僅為皮安級以及工作電流僅為微安級。ic的進(jìn)展也可允許非常小的裝置。

用于生物醫(yī)療應(yīng)用的微燃料電池可能需要滿足許多同步的、挑戰(zhàn)性的要求。例如，微燃料電池可能需要具有將合適的工作電壓遞送至所結(jié)合的電路的能力。該工作電壓可受若干因素的影響，包括：ic工藝“節(jié)點”、電路到其他裝置的輸出電壓、以及具體的電流消耗目標(biāo)(這也可與期望的裝置壽命相關(guān))。

至于ic工藝，節(jié)點通常可通過晶體管的最小特征尺寸進(jìn)行區(qū)分，諸如其“所謂的”晶體管通道。該物理特征結(jié)構(gòu)以及ic制造的其他參數(shù)諸如柵極氧化物厚度可與針對在給定工藝節(jié)點中制造的場效應(yīng)晶體管(fet)的開啟電壓或閾值電壓所得的評級標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)聯(lián)。例如，在最小特征尺寸為0.5微米的節(jié)點中，找到開啟電壓為5.0v的fet可能是常見的。但是，在90nm的最小特征尺寸下，fet可在1.2、1.8或2.5v下開啟。ic鑄造廠可提供數(shù)字塊的標(biāo)準(zhǔn)電池，例如已被表征并且規(guī)定在某些電壓范圍內(nèi)使用的反相器和觸發(fā)器。設(shè)計者基于若干因素選擇ic工藝節(jié)點，因素包括數(shù)字裝置的密度、模擬/數(shù)字混合信號裝置、泄漏電流、布線層、以及特殊裝置諸如高電壓fet的可用性?？紤]到可從微燃料電池獲取功率的電氣部件的這些參數(shù)方面，特別是就可用電壓和電流來說，微燃料電池功率源與所選的工藝節(jié)點及ic設(shè)計的要求相匹配可以是重要的。

在一些示例中，由微燃料電池供電的電路可連接至另一裝置。在非限制性示例中，微燃料電池供電的電路可連接至致動器或換能器。取決于具體應(yīng)用，這些可包括發(fā)光二極管(led)、傳感器、微電子機械系統(tǒng)(mems)泵或許多其他此類裝置。在一些示例中，這類連接裝置可能需要比常見ic工藝節(jié)點更高的操作電壓條件，例如可變焦鏡片可能需要35v來啟動。因此，當(dāng)設(shè)計此類系統(tǒng)時，燃料電池提供的工作電壓可能是關(guān)鍵的考慮因素。在這類考慮因素的一些示例中，鏡片驅(qū)動器從1v的燃料電池產(chǎn)生35v電壓的效率可顯著低于它從2v的燃料電池產(chǎn)生35v電壓的效率。還考慮到微燃料電池的工作參數(shù)，另外的要求諸如模具尺寸可明顯不同。

通?？捎瞄_路電壓、負(fù)載電壓和截止電壓來評定單個燃料電池單元。開路電壓是由具有無限負(fù)載電阻的燃料電池產(chǎn)生的電勢。負(fù)載電壓是在合適的、通常還是指定的負(fù)載阻抗跨電池終端放置時電池所產(chǎn)生的電勢。在一些示例中，電容器或蓄電池可補充燃料電池并且可用于緩沖暫時動態(tài)負(fù)載條件，其中燃料電池的功率密度可能不足。

儲存壽命通常是指燃料電池在存放時能夠持續(xù)帶電并仍保持可用工作參數(shù)的時長。由于若干原因，儲存壽命對于生物醫(yī)療裝置可尤為重要。電子裝置可取代非動力裝置，例如可以是引入電子接觸鏡片的情況。由于消費者、供應(yīng)鏈、和其他要求，這些現(xiàn)有市場空間中的產(chǎn)品可已建立了儲存壽命要求，例如三年。通常情況下，可期望的是新產(chǎn)品不改變此類規(guī)格。也可根據(jù)包括微燃料電池的裝置的配送方法、庫存方法和使用方法來設(shè)定儲存壽命要求。因此，用于生物醫(yī)療裝置的微燃料電池可具有特定的儲存壽命要求，所述儲存壽命可以例如以年數(shù)來測量。

在一些示例中，燃料電池可用于為電氣系統(tǒng)提供電能。在這些示例中，燃料電池可電連接至電氣系統(tǒng)的電路。電路與燃料電池之間的連接部可歸類為互連器。由于若干因素，對于生物醫(yī)療微燃料電池，這些互連器可變得越來越具有挑戰(zhàn)性。在一些示例中，動力式生物醫(yī)療裝置可能非常小，從而使得互連器的面積和體積很小。尺寸和面積的限制可影響互連器的電阻與可靠性。

在其他方面，燃料電池可包含可在高溫下沸騰的液體。該限制可直接與使用焊料互連器的需求相競爭，所述焊料互連器可例如需要相對較高的溫度諸如250攝氏度來進(jìn)行熔融。雖然在一些示例中，燃料電池化學(xué)物質(zhì)和用于形成基于焊料的互連器的熱源可以在空間上彼此隔離，但就新興生物醫(yī)療裝置而言，小尺寸可防止水溶液和焊點分開足夠的距離而降低熱傳導(dǎo)。

互連器

互連器可允許電流從與外部電路連接的燃料電池中流出。此類互連器可與燃料電池的內(nèi)部和外部的環(huán)境交互，并可跨越這些環(huán)境之間的邊界或密封件。這些互連器可被視為跡線，其與外部電路連接，穿過燃料電池密封件，然后連接至燃料電池內(nèi)部的集流體。同樣地，這些互連器可具有若干要求。在燃料電池外部，互連器可類似于典型的印刷電路跡線。它們可焊接到或以其他方式連接到其他跡線。在其中燃料電池是獨立于包括集成電路的電路板的單獨物理元件的示例中，燃料電池互連器可允許連接到外部電路?？赏ㄟ^焊料、導(dǎo)電膠帶、導(dǎo)電油墨或?qū)щ姯h(huán)氧樹脂、或其他方式形成此連接。互連器跡線可能需要在燃料電池外部環(huán)境中存在，例如，在氧氣存在的條件下不腐蝕。

由于互連器穿過燃料電池密封件，因此互連器與密封件共存并允許密封是尤為重要的。除了在密封件與燃料電池封裝件之間可能需要的粘附之外，在密封件與互連器之間也可能需要粘附。在燃料電池內(nèi)部存在水溶液及其他材料的情況下，可能需要保持密封完整性。通?？蔀榻饘俚幕ミB器可被稱為燃料電池封裝中的故障點。電勢和/或電流的流動可增加燃料電池內(nèi)的溶液沿著互連器“蠕變”的趨勢。因此，互連器可能需要進(jìn)行工程改造以保持密封完整性。

在燃料電池內(nèi)部，互連器可與集流體交互或?qū)嶋H上可形成集流體。就這一點而言，互連器可能需要滿足如本文所述的集流體的要求，或可能需要形成與此類集流體的電連接。

一類候選的互連器和集流體是金屬箔。此類箔在25微米或更薄的厚度下可用，這使得它們適合用于極薄的燃料電池中。還可尋求具有低表面粗糙度及低污染的此類箔，這兩個因素對于燃料電池性能可為重要的。箔可包括鋅、鎳、黃銅、銅、鈦、其他金屬以及各種合金。金屬箔也可具有可被施加至其表面的各種類型的涂層。在一個示例中，可將碳或石墨涂層施加到銅箔，其中該涂層可以是具有粗糙表面形貌的導(dǎo)電膜，這樣可增大電極與鄰近溶液的接觸表面積。另外，該涂層可提供鄰近溶液與金屬膜之間的各種阻隔，其可具有不同方面的化學(xué)反應(yīng)性。多種膜和涂層可被施加到電極箔。

模塊化燃料電池部件

在一些示例中，可根據(jù)本公開的一些方面和示例來形成模塊化燃料電池部件。在這些示例中，模塊化燃料電池組件可以是與生物醫(yī)療裝置的其他部分分開的部件。在眼科接觸鏡片裝置的示例中，此類設(shè)計可包括與介質(zhì)插入件的其余部分開的模塊化燃料電池?？纱嬖谛纬赡K化燃料電池部件的許多優(yōu)點。例如，在接觸鏡片的示例中，模塊化燃料電池部件可以在單獨的、非集成的工藝中形成，這可以減少對于處理剛性的、3d成型的光學(xué)塑料部件的需要。此外，制造的來源可更加靈活，并且可與生物醫(yī)療裝置中的其他部件的制造以更并行的模式進(jìn)行。另外，模塊化燃料電池部件的制造可脫離3d成形裝置的特性。例如，在需要三維最終形式的應(yīng)用中，可以將模塊化燃料電池系統(tǒng)制成扁平或大致二維的透視圖，然后成形為適當(dāng)?shù)娜S形狀。由于燃料電池部件可在組裝之前進(jìn)行分類，因此模塊化燃料電池部件可獨立于生物醫(yī)療裝置的其余部分進(jìn)行測試，并產(chǎn)生損耗。所得的模塊化燃料電池部件可用于各種介質(zhì)插入件構(gòu)造中，這些構(gòu)造不具有可于其上形成燃料電池部件的合適剛性區(qū)，并且在另一個示例中，模塊化燃料電池部件的使用可有利于使用不同選項的制造技術(shù)而非原本使用的技術(shù)，諸如基于幅材的技術(shù)(卷對卷)、基于片材的技術(shù)(片對片)、印刷以及平版印刷處理。在模塊化燃料電池的一些示例中，此類裝置的離散容納方面可導(dǎo)致附加的材料被添加到整個生物醫(yī)療裝置構(gòu)造中。當(dāng)可用空間參數(shù)需要最小化的溶液厚度或體積時，此類影響可為模塊化燃料電池溶液的使用設(shè)定限制。

在本公開中燃料電池可用于可變光學(xué)鏡片的燃料電池應(yīng)用的一些示例中，其形狀因數(shù)可能需要燃料電池部件具有三維曲率，其中曲率半徑可為大約8.4mm。此類曲率的性質(zhì)可被視為相對陡峭，并且作為參考可近似于在人指尖上發(fā)現(xiàn)的曲率類型。相對陡峭的曲率性質(zhì)給制造帶來了挑戰(zhàn)。在本公開的一些示例中，模塊化燃料電池部件可被設(shè)計成使得其可以扁平、二維的方式來制造，然后形成相對高曲率的三維形式。

燃料電池模塊厚度

在設(shè)計用于生物醫(yī)療應(yīng)用的燃料電池部件時，可在各種參數(shù)中進(jìn)行權(quán)衡，以平衡技術(shù)、安全性及功能的需求。燃料電池部件的厚度可以是重要的限制性參數(shù)。例如，在光學(xué)鏡片應(yīng)用中，裝置可被用戶舒適佩戴的能力關(guān)鍵取決于整個生物醫(yī)療裝置的厚度。因此，將燃料電池設(shè)計得更薄是關(guān)鍵、有利的方面。在一些示例中，燃料電池厚度可由頂片和底片、隔離片的組合厚度以及粘合劑層厚度確定。實際制造方面可使膜厚度的某些參數(shù)達(dá)到可用片材原料的標(biāo)準(zhǔn)值。此外，膜可具有最小厚度值，所述最小厚度值可基于涉及化學(xué)相容性、不透濕性/不透氣性、表面光潔度以及與可沉積在膜層上的涂層的相容性的技術(shù)考慮來指定。

在一些示例中，精加工燃料電池部件的期望或目標(biāo)厚度可為小于220μm的部件厚度。在這些示例中，該期望厚度可由示例性眼科鏡片裝置的三維幾何結(jié)構(gòu)決定，其中該燃料電池部件可能需要適配在由滿足最終用戶舒適度、生物相容性以及可接受約束條件的水凝膠鏡片形狀限定的可用體積內(nèi)。該體積及其對燃料電池部件厚度需求的影響可根據(jù)裝置總厚度規(guī)格以及涉及裝置寬度、錐角和內(nèi)徑的裝置規(guī)格而變化。所得燃料電池部件設(shè)計的另一個重要設(shè)計考慮可涉及相對于可由該設(shè)計產(chǎn)生的所得化學(xué)能，在給定燃料電池部件設(shè)計中活性燃料電池化學(xué)物質(zhì)與材料的可用體積。然后該所得化學(xué)能可針對功能性生物醫(yī)療裝置的電氣需求對其目標(biāo)壽命和工作條件進(jìn)行平衡。

燃料電池模塊柔性

與燃料電池設(shè)計和使用基于燃料電池的能量源的相關(guān)裝置的設(shè)計有關(guān)的另一方面是燃料電池部件的柔性。柔性燃料電池形式可賦予許多優(yōu)點。例如，柔性燃料電池模塊可有助于前面提及的以二維扁平形式制造燃料電池形式的能力。形式的柔性可允許二維燃料電池隨后被形成到適當(dāng)?shù)娜S形狀中，以適配在生物醫(yī)療裝置諸如接觸鏡片中。

在可由燃料電池模塊中的柔性賦予的益處的另一個示例中，如果燃料電池和之后的裝置為柔性的，則可存在裝置使用方面的優(yōu)勢。在一個示例中，接觸鏡片形式的生物醫(yī)療裝置可有利于基于介質(zhì)插入件的接觸鏡片的插入/移除，這可更接近標(biāo)準(zhǔn)的、非填充型水凝膠接觸鏡片的插入/移除。另外，燃料電池模塊和相關(guān)生物醫(yī)療裝置的柔性可為這些裝置的使用帶來重要優(yōu)勢。作為一個非限制性示例，眼內(nèi)透鏡可提供使用柔性燃料電池模塊的生物醫(yī)療裝置的示例，因為這類鏡片在外科手術(shù)期間的典型插入允許通過小切口來放置折疊的鏡片主體，然后將其展開到位。對于這種類型的手術(shù)等，較小的切口部位可得到改善的手術(shù)結(jié)果、更快速的愈合以及其他此類益處。

撓曲的次數(shù)對燃料電池的工程改造可為重要的。例如，從平面形式到適于接觸鏡片的形狀可以僅撓曲一次的燃料電池可與能夠進(jìn)行多次撓曲的燃料電池具有明顯不同的設(shè)計。燃料電池的撓曲不僅僅是能夠機械性地進(jìn)行撓曲。例如，電極可物理上能夠在不破裂的情況下?lián)锨?，但電極的機械和電化學(xué)特性可能因撓曲而改變。撓曲引起的變化可立刻顯現(xiàn)，例如阻抗的改變，或者撓曲也可引起僅在長期儲存壽命測試中顯現(xiàn)的變化。

燃料電池模塊寬度

可存在可利用本公開的生物相容性通電元件或燃料電池的多種應(yīng)用。一般來講，燃料電池寬度要求在很大程度上可取決于其所施加的應(yīng)用。在一種示例性情況下，接觸鏡片燃料電池系統(tǒng)對模塊化燃料電池部件的寬度可具有限制的規(guī)格要求。在具有由燃料電池部件供電的可變光學(xué)功能的眼科裝置的一些示例中，裝置的可變光學(xué)部分可占據(jù)直徑約7.0mm的球形中心區(qū)。示例性燃料電池元件可被視為三維物體，它作為環(huán)狀的錐形裙邊圍繞中心光學(xué)件適配并被形成到截短的錐形環(huán)中。如果剛性插入件的所需最大直徑為8.50mm的直徑，并可標(biāo)出與某一直徑球體(例如，直徑為大約8.40mm)相切，則該幾何構(gòu)造可確定所允許的燃料電池寬度?？纱嬖诳捎糜谟嬎闼脦缀谓Y(jié)構(gòu)的所需規(guī)格的幾何模型，所述幾何結(jié)構(gòu)在一些示例中可被稱為壓入環(huán)帶扇形的錐形截頭。

扁平燃料電池的寬度可由燃料電池元件的兩個特征結(jié)構(gòu)決定：活性燃料電池部件寬度和密封件寬度。在涉及眼科裝置的一些示例中，每個面的目標(biāo)厚度可介于0.100mm和0.500mm之間，活性燃料電池部件的目標(biāo)寬度可為大約0.800mm。其他生物醫(yī)療裝置可具有不同的設(shè)計約束，但柔性扁平燃料電池元件的原理可以相似方式應(yīng)用。

作為燃料電池部件設(shè)計中的設(shè)計元素的腔體

在一些示例中，可采用使活性燃料電池化學(xué)物質(zhì)區(qū)域分段的方式來設(shè)計燃料電池元件。將活性燃料電池部件分成離散區(qū)段可有很多優(yōu)勢。在一個非限制性示例中，分立和較小元件的制造可促進(jìn)這些元件的生產(chǎn)。包括許多較小元件的燃料電池元件的功能可得到改善?？蓪⒏鞣N缺陷分割開，并且在一些情況下可隔離無功能性元件以減少功能損失。這可能與可發(fā)生燃料電池溶液損失的示例相關(guān)。各個部件的隔離可能會存在為了限制整個燃料電池元件小區(qū)段的功能損失而造成流體從燃料電池的關(guān)鍵區(qū)域泄漏出來的缺陷，然而通過該缺陷產(chǎn)生的流體損失可為被配置為單獨單元的燃料電池空出一塊顯著較大的區(qū)域。雖然從整體角度來看較小的電池可使活性燃料電池化學(xué)物質(zhì)的體積減小，但是圍繞每個較小電池的材料網(wǎng)可導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的加強。

壓敏粘合劑

在一些示例中，包括本公開的層狀微燃料電池的多個部件可通過還用作密封劑的壓敏粘合劑(psa)保持在一起。如下文所述，可以使用壓敏粘合劑的替代形式。盡管可存在大量可商購獲得的壓敏粘合劑制劑，但是此類制劑可包含可使它們不適合在生物相容性層狀微燃料電池內(nèi)使用的組分。壓敏粘合劑中不期望的組分的示例可包括：低分子量可過濾組分、抗氧化劑如bht和/或mehq、增塑油、雜質(zhì)、包含例如不飽和化學(xué)鍵、殘留溶劑和/或單體、聚合引發(fā)劑片段、極性增粘劑等的氧化不穩(wěn)定部分等等。

在另一方面，合適的psa可表現(xiàn)出以下特性。它們能夠被施用于層狀部件以實現(xiàn)大約2到20微米的薄層。同樣，它們可包含最小量優(yōu)選為零的非期望的或非生物相容性的組分。另外，它們可具有足夠的粘附性和內(nèi)聚性，以便將層狀燃料電池的部件粘結(jié)在一起。并且，在燃料電池內(nèi)提供流體的穩(wěn)固密封的同時，它們可能夠流入本發(fā)明構(gòu)造的裝置中固有的微米級特征結(jié)構(gòu)中。在合適的psa的一些示例中，psa可對水蒸氣具有低滲透性，以便甚至在燃料電池可能長時間經(jīng)受極端濕度的情況下，維持燃料電池內(nèi)所需的含水溶液組合物。

考慮到這些要求，聚異丁烯(pib)可為一種可商購獲得的材料，其可被配制到滿足許多(如果不是全部的話)所需要求的psa組合物中。此外，pib可為一種具有極低吸水性和低透氧性的極好阻隔密封劑?？捎糜诒竟_的示例中的pib示例可為basfcorporation的oppanolb15。oppanolb15可溶解在諸如甲苯、十二烷、溶劑油等的碳?xì)浠衔锶軇┲?。?yōu)選的psa組合物可包含溶于溶劑混合物中的30重量％oppanolb15，該溶劑混合物包含70重量％甲苯和30重量％十二烷。在一些示例中，基于pib的psa的粘附性和流變性可通過共混不同分子量等級的pib來確定。通常的方法可為使用大部分低摩爾質(zhì)量的pib，例如oppanolb10來實現(xiàn)潤濕、粘性和粘附性，并且使用小部分高摩爾質(zhì)量的pib來實現(xiàn)韌性和抗流動性。因此，可在本公開的范圍內(nèi)設(shè)想并實施任何數(shù)量的pib摩爾質(zhì)量等級的共混。此外，只要可滿足上述要求，便可將增粘劑添加到psa制劑。就其本質(zhì)來說，增粘劑為psa制劑賦予極性特性，因此可能需要小心使用以便不對psa的阻隔性造成不利影響。此外，增粘劑在一些情況下可為氧化不穩(wěn)定的并且可包括可濾去psa的抗氧化劑。因為這些原因，在用于生物相容性層狀微燃料電池的psa中使用的優(yōu)選增粘劑可包括完全氫化或大部分氫化的烴類樹脂增粘劑，諸如得自eastmanchemicalcorporation的regalrez系列增粘劑。

在本文的各種示例中，處理的示例可包括使用壓敏粘合劑。在許多情況下，可以類似方式使用其他類型的粘附或密封，并可得到相似效果。在一些示例中，可以采用用于將各部分粘附在一起的額外處理以提高密封粘附表面的能力。例如，激光焊接可接合密封或進(jìn)一步支持密封。在其他示例中，超聲波焊接或熱焊接可用于支持密封特性。另外的示例可包括光圖案化的聚合物密封件。在一些示例中，使用壓敏粘合劑可將工件組裝成通用結(jié)構(gòu)，然后在接合多個結(jié)構(gòu)元件之后進(jìn)行額外的處理，這可確保強化或限定適當(dāng)?shù)拿芊獗砻妗?/p>

生物相容性燃料電池模塊中的附加封裝件和基底因素

可存在多種封裝和基底因素，所述封裝和基底因素可決定生物相容性層狀微燃料電池中使用的封裝設(shè)計的所需特性。例如，封裝件可能有利地主要基于箔和/或膜，其中這些封裝層可盡可能薄，例如10微米至50微米。此外，封裝件可在儲存壽命期間提供針對濕氣獲取或損失的足夠擴散阻隔。在許多可取的示例中，封裝件可對氧氣侵入提供足夠的擴散阻隔。

在一些示例中，封裝件可提供有限的供可釋放的任何氣體透過的路徑。

在一些示例中，頂部和底部封裝層可包括金屬箔或聚合物膜。在一些示例中，這類聚合物膜自身可以多種方式被涂覆，包括以非限制性方式蒸發(fā)、濺鍍或以其他方式被金屬化合物或元素或其他非金屬化合物諸如二氧化硅的層涂覆。頂部和底部封裝層可由包含多個聚合物和/或阻隔層的多層膜構(gòu)造構(gòu)成。此類膜構(gòu)造可稱為共擠出阻隔層合膜。特別用于本公開中的市售共擠出阻隔層合膜的一個示例可為3mscotchpak1109背襯，該背襯由pet載體幅材、氣相沉積鋁阻隔層和聚乙烯層組成，總平均膜厚度為33微米。許多其他類似的多層阻隔膜可為可用的并且可用于本公開的另選示例中。

在包括psa的設(shè)計構(gòu)造中，封裝層表面粗糙度可尤其重要，因為psa還可能需要密封相對的封裝層表面。表面粗糙度可由用于生產(chǎn)箔和膜的制造過程產(chǎn)生，例如，采用軋制、擠出、壓印和/或壓延等的過程。如果表面太粗糙，當(dāng)所需psa厚度可為大約表面粗糙度ra時，psa可能不能以均一厚度施加。此外，如果相對面具有的粗糙度可為大約psa層的厚度，則psa不能抵靠相對面充分密封。在本公開中，表面粗糙度ra小于10微米的封裝材料可以是可接受的示例。在一些示例中，表面粗糙度值可為5微米或更小。并且，在另外的示例中，表面粗糙度可為1微米或更小。表面粗糙度值可通過多種方法測量，包括但不限于諸如白光干涉法、觸針式輪廓儀等測量技術(shù)。在表面計量學(xué)領(lǐng)域可存在許多示例，表面粗糙度可通過許多另選參數(shù)來描述，并且本文所討論的平均表面粗糙度(ra)值可旨在代表上述制造過程中固有的特征結(jié)構(gòu)類型。

燃料電池架構(gòu)和制造

燃料電池架構(gòu)和制造技術(shù)可以緊密相關(guān)。如已在本公開的前面部分中所論述，燃料電池具有下列元件：帶有惰性電極的陰極區(qū)域、通常含有用于催化燃料電池反應(yīng)的酶的陽極、燃料源和可被稱為電解質(zhì)的隔膜、陰極集流體、陽極集流體以及封裝件。在一些示例中，該設(shè)計可具有雙用部件，例如使用金屬封裝件兼作為集流體的工藝。從相對體積和厚度的角度來看，這些元件除了陰極和燃料源以外可幾乎全部為相同體積。

在這些示例中，各種部件的相對尺度可近似以下元件的厚度：陽極集流體＝1μm；陰極集流體＝1μm；隔膜/電解質(zhì)＝具有可有效隔離氣體化合物并有效擴散離子物質(zhì)的厚度，其中預(yù)期厚度可為大約10μm；陽極腔厚度＝50μm；燃料電池腔厚度為大約50-60μm且陰極＝5μm。對于這些元件示例，提供足夠保護(hù)以在使用環(huán)境中保持燃料電池化學(xué)物質(zhì)所需要的封裝件可具有大約50μm的預(yù)期最大厚度。

在一些示例中，可根本不同于大的棱形構(gòu)造諸如圓柱形或矩形，并且可不同于基于晶片的固態(tài)構(gòu)造，此類示例可使用制成各種構(gòu)型的幅材或片材而呈“袋”狀構(gòu)造，燃料電池元件被布置在此構(gòu)造內(nèi)。此容納構(gòu)造可具有兩個膜或彎曲到另一側(cè)上的一個膜，所述任一構(gòu)型可形成兩個大致平坦的表面，然后可被密封于周邊上以形成容器。此薄但寬的形狀因數(shù)可使燃料電池元件本身薄且寬。此外，這些示例可能適用于涂布、凹版印刷、絲網(wǎng)印刷、噴涂或其他類似制造技術(shù)。

在一些示例中，燃料電池結(jié)構(gòu)的處理可被分類為層合組件，這可涉及使用幅材或片材形式的膜來逐層構(gòu)建燃料電池。片材可使用粘合劑粘結(jié)到彼此，所述粘合劑諸如壓敏粘合劑、熱活化粘合劑或基于化學(xué)反應(yīng)的粘合劑。在一些示例中，片材可通過焊接技術(shù)諸如熱焊接、超聲波焊接等粘結(jié)。片材可使自身適用于標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)慣例，如卷對卷(r2r)或片對片組裝。如前文所述，燃料的內(nèi)部體積可能需要基本上大于燃料電池中的其他活性元件。燃料電池構(gòu)造的大部分可需要形成燃料的空間，并支持其在燃料電池?fù)锨陂g遷移。燃料電池構(gòu)造中可占厚度預(yù)算大部分的另一部分可以是隔膜材料。在一些示例中，片材形式的隔膜可為層合處理提供有利的解決方案。在其他示例中，可通過將聚合物材料分配到層中來充當(dāng)隔膜而形成隔膜。對于片材隔膜方法，可以引入另一層合層來包含此元件。對于分散聚合物隔膜，可以增大所形成裝置的厚度以便適應(yīng)和包含必要的隔離件材料體積來容納該隔膜。

在這些層合的燃料電池組件示例中，產(chǎn)品可具有陽極片，所述陽極片可為封裝層和陽極集流體以及陽極層基底的組合。成形產(chǎn)品還可具有任選的隔膜隔離片、陰極隔離片和陰極片。陰極片可為封裝層與陰極集流體層的組合。

電極與集流體之間的緊密接觸對于減小阻抗和增大放電容量而言是至關(guān)重要的。如果電極的部分不與集流體接觸，則電阻可由于隨后通過電極導(dǎo)通(與集流體相比通常導(dǎo)電性較小)而增加，或電極的一部分可變成完全斷開。在組裝層狀疊堆之后可進(jìn)行壓印步驟，從而向疊堆中引入壓縮。

燃料電池的示例性圖示處理—放置隔膜

參見圖4a至圖4n，其中可示出在處理燃料電池元件時可能涉及的步驟的示例。一些示例性步驟的處理可見于各附圖中。在圖4a中，示出了pet陽極隔離件401和pet陰極隔離件404的組合。pet陽極隔離件401可通過施用例如可為大約3密耳厚的pet403膜而形成。在一些示例中，兩個pet層可圍繞兩層之間的金屬密封腔407。金屬密封件可包括pet層之間的空間內(nèi)的電連接層以允許電驅(qū)動除去金屬密封件。在pet層的任一側(cè)上可存在psa層，或者可覆蓋有可為大約1密耳厚的聚偏二氟乙烯(pvdf)剝離層402。pet陰極隔離件404可由可為大約3密耳厚的pvdf層409形成?？纱嬖诤穸瓤蔀榇蠹s0.5密耳的封蓋pet層405。在一些示例中，在pvdf層409和封蓋pet層405之間可為psa層。

接著參見圖4b，可通過激光切割處理在陰極隔離層404中切出孔406。接下來在圖4c中，可將切割后的pet陰極隔離層層合408至pet陽極隔離層401。接著參見圖4d，可通過激光切割處理切出陰極隔離件孔410和燃料腔孔411。該切割步驟的對準(zhǔn)可與之前pet陰極隔離層404中的切割特征結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)。在圖4e中，隔膜層412可以粘結(jié)至載體413。接著參見圖4f，隔膜材料可被切割成尺寸介于之前兩個圍繞陰極和陽極腔的激光切割孔的尺寸之間，并且約為pet陰極隔離件孔的尺寸，從而形成預(yù)切割隔膜420。接著參見圖4g，拾取和放置工具421可用于將隔膜的分立件拾取并放置到生長裝置上的其所需位置中。在圖4h中，將所放置的隔膜件422緊固到位。可將腔體溶液423(在一些示例中可為冰漿液)填充到陰極腔中。如果腔體溶液423為液態(tài)，則可進(jìn)行填充，其中層與圖示方向相反。接著參見圖4i，生長裝置結(jié)構(gòu)可被粘結(jié)到陰極接觸件425。

接著參見圖4j，可將燃料電池的燃料混合物加入陽極腔430和燃料腔432中。在一些示例中，可使用刮刀431將陰極混合物鋪展在整個工件上，并在此過程中填充所形成的燃料電池裝置的間隙。填充后，可將剩余的pvdf剝離層433移除，從而可得到圖4k至圖4l所示的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。在圖4l中，可將額外材料440如酶和緩沖液加入陽極腔中以同樣達(dá)到pet層頂部高度。在一些示例中，陽極腔中包含的酶可包括葡萄糖-6-磷酸脫氫酶、α-葡聚糖磷酸化酶、磷酸葡萄糖變位酶和6-磷酸葡糖酸脫氫酶以及酶的其他示例。接著參見圖4m，可在陽極451上包括酶結(jié)合層的陽極接觸層450可粘結(jié)到生長結(jié)構(gòu)。在最后的圖4n示意圖中，可執(zhí)行激光切割過程來移除側(cè)區(qū)域460并產(chǎn)生燃料電池元件。對于在本公開的意圖內(nèi)可用的材料和厚度目標(biāo)，可進(jìn)行多種更改、刪除和改變。

燃料電池元件

基于層合層的腔體方法可用于形成燃料電池。包含燃料電池的通電元件可采用本公開所述的腔體方法，并且可包括多個腔，其中多個腔為陰極、陽極或燃料源。陰極腔可包含陰極流體組合物。陽極腔可包含陽極流體組合物，該組合物可包含多種酶以促進(jìn)燃料源的分解氧化。燃料源腔可包含燃料電池的燃料源。作為非限制性示例，這種燃料源可包括烴類生物燃料諸如葡萄糖或麥芽糖糊精。這些腔體的隔膜層(也可被稱為電解質(zhì))保持反應(yīng)中間體彼此分開，同時允許小離子物質(zhì)諸如氫離子在電解質(zhì)區(qū)上擴散。電解質(zhì)可包括不同的材料，作為非限制性示例，包括半滲透性材料。在一些示例中，通電元件可同時包括燃料電池以及蓄電池元件兩者。蓄電池元件可用于在使用條件下啟用燃料電池，并且可允許燃料從儲存位置流入燃料電池中。

現(xiàn)在參見圖5a，基于腔體的燃料電池可具有三個主要操作腔：燃料源腔510、陽極腔520和陰極腔530。在一些示例中，單個腔體可具有堆疊式實施方式，其中陽極腔、陰極腔和燃料源腔中的一者或多者占據(jù)單個腔體，而中間層分隔開不同的功能。這些腔體或腔體中元件的相互作用和相互連接可起到燃料電池的作用。燃料源腔510和陽極腔520可通過這兩個腔之間的橋540連接，該橋包括柵極545以分隔這兩個腔直至其可在進(jìn)行腔燃料電池的期望操作時打開。陽極腔520和陰極腔530可通過半滲透性隔膜或電解質(zhì)550分隔開，該半滲透性隔膜或電解質(zhì)將每個腔的一般內(nèi)容物分隔開，但可允許質(zhì)子從陽極腔520轉(zhuǎn)移至陰極腔530，這可能是腔體燃料電池的運作所必需的。陽極腔520和陰極腔530可通過外部電路560連接，該外部電路可利用在燃料電池內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)所釋放的能量。相互連接可利于電子從陽極腔520中的電極561轉(zhuǎn)移到陰極腔530中的電極562，這可能是腔體燃料電池的運作所必需的。可存在與本說明書中先前論述的基于腔體的處理相關(guān)的材料和處理的多個示例，所述基于腔體的處理與可用燃料電池有關(guān)。在一些示例中，可能顯而易見的是，在沒有使用額外燃料源腔的情況下，陽極腔可包括燃料源。

在燃料電池的一些示例中，陽極和陰極中電極的有效表面積在燃料電池性能方面可為重要的影響因素。在一些示例中，可使用基于高表面積鉑的電極。形成高表面積膜的其他示例，諸如以物理方式使表面紋理化、增加高表面積的樹枝狀特征結(jié)構(gòu)、電鍍、噴涂、激光銑削、化學(xué)腐蝕以及其他此類示例可提供所需電極。

在燃料電池中，分子物質(zhì)在裝置內(nèi)的擴散受到調(diào)控可能特別重要。電解質(zhì)可以在防止反應(yīng)物在陽極和陰極之間跨越起到關(guān)鍵作用，同時還允許氫離子擴散通過電池以接通電化學(xué)電路。構(gòu)建反應(yīng)過程的其他部分具有類似的重要功能。粘合劑570可為一個示例，其中擴散控制和材料選擇可能很重要，并且在粘合劑層處形成的密封件可提供補充性密封，諸如作為示例的基于激光的熔流密封。層合材料諸如層571可為另一示例，其中非滲透性材料是可取的。在一個示例中，可存在補充層合件572，該層合件可提供在電解質(zhì)550與燃料源腔510之間的非滲透性特性。參見圖5b，燃料腔的體積可通過防滲層573來改變，該防滲層可用于將燃料與隔膜/電解質(zhì)區(qū)隔離開。

還可存在其他物質(zhì)，諸如氧氣，應(yīng)將其控制為僅存在于陰極腔530中?？尚纬刹荒芡高^氧氣的各種層以支持這種功能。或者，存在應(yīng)當(dāng)可透過氧氣的燃料電池區(qū)域，因為在燃料電池的反應(yīng)過程中將使用氧氣。陽極電極自身可具有穿孔或間隙，這些穿孔或間隙允許氣體擴散到陰極電池中。也可將其他結(jié)構(gòu)諸如電互連器575和支撐層576設(shè)計成對氧氣具有滲透性。隨著燃料源在燃料電池中反應(yīng)，在陰極電池中消耗氧氣，而在陽極電池中可釋放二氧化碳。在一些示例中，可釋放二氧化碳并使二氧化碳擴散到電池之外，或在其他示例中，二氧化碳可以溶解在反應(yīng)物溶液中，該反應(yīng)物溶液中存在緩沖液以限制由于二氧化碳溶劑化而造成的ph變化。

在一些示例中，可在陰極溶液中摻入氧化劑源，甚至是在各區(qū)域不允許分子如氧氣擴散穿過邊界時。為吸收氧氣而形成的常用沸石、或納米管可被構(gòu)造成吸收氧氣分子并在氧化反應(yīng)期間將其釋放。以類似的方式，沸石的吸附表面可用于隔離在燃料電池發(fā)電的過程中在陽極形成的二氧化碳。

可存在多種活性物質(zhì)，這些活性物質(zhì)在所論述的燃料電池的示例中具有有用的功能。因為動力式裝置可能需要儲存一段相當(dāng)長的儲存壽命，因此可能需要考慮可使生物相容性燃料電池的部件穩(wěn)定的一些重要因素，諸如可結(jié)合至電極表面的各種酶。一個重要的考慮因素可能是在使用來源于燃料源的能量之前燃料源與陽極電池的隔離?，F(xiàn)在參見圖6a和6b，這些圖可示出燃料電池啟動元件。燃料源腔510可包含用于操作燃料電池的燃料源，作為非限制性示例，燃料源可包含麥芽糖糊精、葡萄糖或其他生物燃料。在一些示例中，燃料源可為麥芽糖糊精、葡萄糖或其他生物燃料的水溶液。在其他示例中，可將燃料固體或其高度濃縮溶液儲存在燃料腔中。閉合柵極610可防止燃料源從燃料源腔510轉(zhuǎn)移到陽極腔520中。作為非限制性示例，此閉合柵極610可由導(dǎo)電金屬片組成。在其他示例中，此柵極可為電控伸展性元件，該元件可被編程為打開和閉合多次，以允許燃料從燃料腔移至陽極腔。獨立功率源620(其可包括如在本公開所參考的相關(guān)申請中描述的由腔體形成的蓄電池)可在連接點621、622處連接至閉合柵極610以形成電路，該電路可通過電開關(guān)630連接或斷開。獨立功率源620的操作電壓可以足夠高，使得在連接電開關(guān)630以接通電路時，閉合柵極610上的電壓可以非常快速地增大功率足以熔融薄膜如電熔絲。因此在一些示例中，電流流動可導(dǎo)致閉合柵極610破裂，從而得到打開的柵極640，如圖6b所示。當(dāng)發(fā)生這種情況時，燃料源腔510中的燃料源便可即刻轉(zhuǎn)移至陽極腔520中。因此，啟動信號可被由小蓄電池單元供電的電子電路接收。蓄電池單元的容量可以基于支持啟動信號的接收體所需的容量以及在閉合柵極610處使燃料電池燃料源腔中的密封件破裂所需的能量。在一些示例中，蓄電池可具有小的額外能量容量，以便在啟用燃料電池時使生物醫(yī)療裝置操作一段時間。在一些示例中，構(gòu)成燃料電池的材料可能比蓄電池化學(xué)物質(zhì)更具有生物相容性，并且在其這些情況下，使用具有這種復(fù)合設(shè)計的基于燃料電池的通電元件可最大程度提高生物相容性材料在燃料電池中的使用。

現(xiàn)在參見圖7，可以看到示例性活性陽極腔。由于打開柵極640位于燃料源腔510(在圖7中未示出但如參考圖5a所示)與陽極腔520之間，燃料源可能夠沿著箭頭710所示的方向行進(jìn)到陽極腔520中?；钚躁枠O腔可包含各成分的組合，所述成分包括用于維持溶液的穩(wěn)定ph的緩沖溶液、反應(yīng)催化劑的單一或可能的組合以及特定濃度的其他成分(當(dāng)該活性陽極腔暴露于這些成分中時，這些成分可與燃料源反應(yīng))。反應(yīng)催化劑可由單一酶或特定酶的組合組成，以便在與生物燃料諸如但不限于麥芽糖糊精或其他葡萄糖分子發(fā)生期望的分解反應(yīng)中用作反應(yīng)催化劑。這種分解反應(yīng)可生成多個自由質(zhì)子以及相同數(shù)目的自由電子，所述自由質(zhì)子可以沿著箭頭730所示的方向行進(jìn)穿過隔膜(在前文論述中也被稱為電解質(zhì))到陰極腔530(示于下圖8中)中，所述自由電子可以沿著箭頭735所示的方向行進(jìn)穿過外部電路560同樣到達(dá)陰極。根據(jù)在活性陽極腔中發(fā)生的具體分解反應(yīng)，可能期望活性陽極腔不能透過氧氣。為實現(xiàn)此目的，外部陽極邊界740(其可為電互連器)可由不能透過氧氣的材料(諸如作為非限制性示例，金屬)構(gòu)成。在一些示例中，可以使用黃銅、鈦、鋁及類似金屬的膜。對于某些類型的燃料源，分解氧化反應(yīng)可得到二氧化碳作為副產(chǎn)物750。由于陽極腔可被設(shè)計成不允許氧氣擴散到該腔中，因此這種相同的防滲活性陽極腔可能也無法驅(qū)散生成的二氧化碳。在一些示例中，所生成的二氧化碳可溶解在陽極的水溶液中。在溶解過程中，二氧化碳可改變存在于活性陽極腔中的成分溶液的ph。因此，可在溶液中使用緩沖溶液以在陽極的ph降至足夠低以對反應(yīng)造成影響之前增加可釋放的二氧化碳的量。因此，可以引入緩沖液以保持ph處于操作水平內(nèi)。

現(xiàn)在參見圖8，可以看到活性陰極腔。該活性陰極腔可包含導(dǎo)電電極810，該電極可充當(dāng)存在于陰極中的還原反應(yīng)820位點。這種還原反應(yīng)820可通過質(zhì)子和電子從陽極腔流入而發(fā)生。為了使還原反應(yīng)820發(fā)生，可將氧氣從環(huán)境830引入到活性陰極腔中；這樣，陰極腔530可以由能透過氧氣的材料(包括但不限于水凝膠)構(gòu)造。作為活性陰極腔中還原反應(yīng)820的產(chǎn)物，可生成水840。在一些示例中，可能期望將本文所述類型的燃料電池設(shè)計成使得陰極區(qū)位于生物醫(yī)療裝置內(nèi)，以致其位于氧氣源附近。在一個非限制性示例中，接觸鏡片可具有“外部彎曲”表面和“內(nèi)部彎曲”表面。內(nèi)部彎曲表面可依靠在眼睛表面上或靠近眼睛表面。“外部彎曲”表面可因此面向圍繞眼環(huán)境的大氣環(huán)境。雖然鏡片表面在使用期間仍可浸在淚液中，但可能期望接近大氣環(huán)境的氧氣濃度相對較高。

如果生物醫(yī)療裝置被封裝在容器中，從而保持生物醫(yī)療裝置處于不含氧氣的環(huán)境中，則可以暫停燃料電池工作。當(dāng)不存在氧氣時，反應(yīng)最終將停止。因此，在這種類型的示例中，打開封裝件可允許氧氣從大氣環(huán)境流入生物醫(yī)療裝置中并擴散到燃料電池中。當(dāng)氧氣擴散到燃料電池中時，隨著其燃料源的消耗可以開始生成電流。因此，從這種示例中可得到另一類型的啟動。在圖8的示例中，電子流入陰極電池中，如由指向電力負(fù)載560的箭頭所示。在流經(jīng)電力負(fù)載560之后，電子通過導(dǎo)電電極810進(jìn)入陰極中，然后參與還原反應(yīng)820。

現(xiàn)在參見圖9，可以看到基于腔體的燃料電池的示例性組合。根據(jù)可由腔體燃料電池的組合供電的裝置，可能期望為該裝置提供比僅單個腔燃料電池所提供的電壓或電流更大的電壓或電流。同樣地，多個基于腔體的燃料電池可以平行方式910連接(如圖9a所示)以增大所提供的電流。又如，可形成組合以增大所提供的電壓，諸如在系列920中，如圖9b所示。在圖9c中，可能具有基于腔體的燃料電池的許多不同系列和平行組合930，以實現(xiàn)所得的供應(yīng)電壓和電流。基于層合腔體的方法可通過直接的方式來將多個燃料電池示例限定在小體積中，這些燃料電池可以同等直接的方式組合。另外，為延長由腔體燃料電池供電的裝置的總體壽命，作為非限制性示例，腔體燃料電池的這種示例性組合可包括為裝置通電后立即啟動的腔體燃料電池以及在稍后時刻啟動的腔體燃料電池。由于基于腔體的燃料電池可具有有限的使用壽命，其受到有限燃料源或活性組分降解的限制，因此作為非限制性示例，由這些腔體燃料電池供電的裝置的使用壽命可能不高于腔體燃料電池的使用壽命。但是，如果多組燃料電池(各自具有為裝置單獨供電的能力)連續(xù)供電，則裝置的使用壽命可根據(jù)所使用的這些組的具體數(shù)量而增加兩倍、三倍或增加更大倍數(shù)。后續(xù)腔體燃料電池組的啟動可例如由控制電路觸發(fā)，作為非限制性示例，該控制電路測量降至低于一定值的負(fù)載電壓。

可將燃料電池設(shè)計為并入多種類型的生物醫(yī)療裝置中。在一些示例中，基于腔體基架構(gòu)的燃料電池可成為期望的解決方案。生物醫(yī)療裝置可為例如植入式電子裝置諸如起搏器和微能量收集器、用于監(jiān)測和/或測試生物功能的電子藥丸、具有活性部件的外科裝置、眼科裝置、微型泵、除顫器、支架等。

已描述了具體的示例來舉例說明包括燃料電池的生物相容性通電元件的形成、形成方法和形成設(shè)備的實施方案。這些示例用于所述舉例說明，而無意以任何方式限制權(quán)利要求書的范圍。因此，本說明書旨在涵蓋對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說可顯而易見的所有實施方案。