(57)【要約】【課題】  三次元の生体適合性通電素子を形成するための方法及び装置を提供する。【解決手段】  いくつかの実施形態では、三次元の生体適合性通電素子を形成するための方法及び装置は、三次元表面に導電トレースを形成することと、導電トレースに通電素子の能動素子を堆積させることと、を含む。この能動素子は、生体適合性材料で封止される。いくつかの実施形態では、この方法及び装置の使用分野は、通電素子を必要とする任意の生体適合性デバイス又は製品などであり得る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元の生体適合性通電素子を形成する方法であって、
絶縁材料で作製された基板を受けることであって、該基板が三次元表面を有する、ことと、
該三次元表面に２つ又は３つ以上の導電トレースを形成することと、
１つの該導電トレースの少なくとも一部にアノード化学製剤を堆積させて、アノードを形成することと、
別の該導電トレースの少なくとも一部にカソード化学製剤を堆積させて、カソードを形成することと、
該アノード及び該カソードの少なくとも一部に電解質を堆積させることと、
生体適合性材料を使用して該アノード、該カソード、及び該電解質を封入して、三次元の生体適合性通電素子を形成することと、を含む、方法。
【請求項２】
前記三次元表面が、２つ又は３つ以上の非平行面を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記三次元表面の少なくとも一部を粗面化すること、を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
コーティングによって前記三次元表面の少なくとも一部をコーティングすること、を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記アノード及び前記カソードに接触させてブリッジ化学製剤を堆積させること、を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記基板を除去して前記三次元の生体適合性通電素子を分離すること、を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記生体適合性材料が、アルギン酸塩、パリレン、ポリアクリロニトリル、ポリエチレングリコール、ポリピロール、誘導体化セルロース、ポリスルホン、又はポリアミドを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記三次元表面に２つ又は３つ以上の導電トレースを形成することが、前記三次元表面に導電性化学製剤を堆積することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記電解質がゲルである、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
第１の封入材料を使用して前記アノード、前記カソード、及び前記電解質を封入すること、を更に含み、前記生体適合性材料を使用して前記アノード、前記カソード、及び前記電解質を封入して、前記三次元の生体適合性通電素子を形成することが、前記生体適合性材料を使用して該第１の封入材料を封入して、前記三次元の生体適合性通電素子を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記アノード化学製剤が亜鉛を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記導電トレースが金属粒子を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記アノード化学製剤が第１の金属を含み、前記カソード化学製剤が第２の金属を含み、該第２の金属が該第１の金属とは異なる、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
三次元の生体適合性通電素子であって、
絶縁材料で作製され、三次元表面を有する基板と、
該三次元表面にある２つ又は３つ以上の導電トレースと、
１つの該導電トレースの少なくとも一部にアノード化学製剤で作製されたアノードと、
別の該導電トレースの少なくとも一部にカソード化学製剤で作製されたカソードと、
該アノード及び該カソードの少なくとも一部を被覆する電解質と、
該アノード、該カソード、及び該電解質を被覆する生体適合性封入剤と、を含む通電素子。
【請求項１５】
前記三次元表面が、２つ又は３つ以上の非平行面を含む、請求項１４に記載の通電素子。
【請求項１６】
前記三次元表面の一部にコーティングを更に含む、請求項１４に記載の通電素子。
【請求項１７】
前記アノード及び前記カソードと接触している、ブリッジ化学製剤で作製されたブリッジを更に備える、請求項１４に記載の通電素子。
【請求項１８】
前記生体適合性封入剤が、アルギン酸塩、パリレン、ポリアクリロニトリル、ポリエチレングリコール、ポリピロール、誘導体化セルロース、ポリスルホン、又はポリアミドを含む、請求項１４に記載の通電素子。
【請求項１９】
前記アノード化学製剤が亜鉛を含む、請求項１４に記載の通電素子。
【請求項２０】
前記アノード化学製剤が第１の金属を含み、前記カソード化学製剤が第２の金属を含み、該第２の金属が該第１の金属とは異なる、請求項１４に記載の通電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
三次元の生体適合性通電素子を形成するための方法及び装置について説明する。いくつかの実施形態では、三次元の生体適合性通電素子を形成するための方法及び装置は、三次元表面に導電トレースを形成することと、導電トレースに通電素子の能動素子を堆積させることと、を含む。この能動素子は、生体適合性材料で封止される。いくつかの実施形態では、この方法及び装置の使用分野は、通電素子を必要とする任意の生体適合性装置又は製品などであり得る。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療用装置の種類及びその機能が急速に発達し始めている。これらの医療用装置としては、例えば、埋め込み型ペースメーカ、生物学的機能のモニタリング及び／又は検査を行うための電子ピル、能動部品を備える外科用装置、コンタクトレンズ、輸液ポンプ、及び神経刺激装置が挙げられてよい。追加機能及び上記の医療用装置の性能の向上が開発されている。しかし、理論化された追加機能を実現するには、これらの装置の多くで、これらの装置の寸法及び形状に関する要件、並びに新たな通電部品のエネルギー要件に適合する内蔵型の通電手段が必要とされている。
【０００３】
一部の医療用装置は、多くの生体適合性及び／又は埋め込み型装置に組み込み可能な様々な機能を実行する半導体部品などの部品を含んでよい。しかし、これらの半導体部品は、エネルギーを必要とする。したがって、かかる生体適合性装置は、通電素子を含む必要がある。生体適合性装置のトポロジー及び比較的小さい寸法は、様々な機能を定義するために新しく、かつ困難な環境をもたらす。多くの実施形態では、生体適合性装置内の半導体部品を通電するために安全性及び信頼性を備え、小型かつ費用効率の高い手段を提供することが重要である。したがって、生体適合性装置内又はその上に埋め込むための三次元の生体適合性通電素子を形成する、新たな実施形態に対するニーズが存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、三次元表面に三次元の通電を形成し、生体適合性装置にこれを含むための方法及び装置が開示される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
いくつかの実施形態によると、三次元の生体適合性通電素子及びこれを形成する方法が開示される。方法は、三次元表面を有する、絶縁材料で作製された基板を受ける工程と、三次元表面に２つ以上の導電トレースを形成することと、１つの導電トレースの少なくとも一部にアノード化学製剤を堆積させてアノードを形成する工程と、別の導電トレースの少なくとも一部にカソード化学製剤を堆積させてカソードを形成する工程と、アノード及びカソードの少なくとも一部に電解質を堆積させる工程と、生体適合性材料を使用してアノード、カソード及び電解質を封入して三次元の生体適合性通電素子を形成する工程と、を含む。
【０００６】
三次元表面は２つ以上の非平行面を含んでよく、少なくとも三次元表面の一部は、１つ以上の製剤の堆積前及び／又は堆積中に粗面化されるか、コーティングされてよい。電解質は、パリレンＣなどの生体適合性材料を使用してアノード及びカノードと共に封入されてよい、ゲル状の電解質であってよい。いくつかの実施形態では、ブリッジ素子はアノード及びカソードに接触していてよい。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】三次元表面に化学混合物を堆積させるために使用され得る、例示の印刷装置の表現を示す。
【図２】例示の通電素子構造の表現を示す。
【図３】三次元表面上の通電素子の例示の断面表現を示す。
【図４】増強された粘着性能を備える通電素子を形成する効果のある導電トレースの例示の設計を示す。
【図５】三次元表面に三次元の生体適合性通電素子を形成するための例示の方法を示す。
【０００８】
本明細書及び図面を通じて、同様の参照記号は同様の要素を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
三次元の生体適合性通電素子を形成するための方法及び装置が開示される。好ましい実施形態及び代替的実施形態の双方の説明は、単なる例示的な実施形態に過ぎず、当業者には、様々な変型、修正、及び変更が明白であり得る。したがって、例示的な実施形態は、本出願の範囲を制限するものではない。三次元の生体適合性通電素子は、生物の身体内又はこれに近接して使用されるために設計される。
【００１０】
用語集
本説明及び下記の特許請求の範囲において様々な用語が使用されてよく、下記の定義が適用される。
本明細書で使用するとき、「アノード」は電極を指し、電流は、この電極を通って有極電気装置に流れ込む。電流の方向は、通常、電子流とは逆方向である。換言すれば、電子は、アノードから、例えば、電気回路に流入する。
【００１１】
本明細書で使用するとき、「結合剤」は、機械的変形に対する弾性応答を呈することができ、他の通電素子部品と化学的に適合するポリマーを指す。例えば、結合剤としては、電気活物質、電解質、集電子などが挙げられてよい。
【００１２】
本明細書で使用するとき、「生体適合性」とは、特定用途において適切な宿主反応を伴って実行する材料又は装置を指す。例えば、生体適合性装置は、生体系に対して毒性又は有害な影響を及ぼさない。
【００１３】
本明細書で使用するとき、「カソード」は、そこを通って電流が有極電気装置から流出する電極を指す。電流の方向は、通常、電子流とは逆方向である。したがって、電子流は有極電気装置のカソードに流入し、例えば、接続された電気回路から流出する。
【００１４】
本明細書で使用するとき、「コーティング」は、材料の薄型堆積物を指す。いくつかの用途では、この用語は、堆積物が形成される基板の表面を実質的に被覆する、薄型堆積物を指すであろう。他のより特定の用途では、この用語は、表面のより小さい領域にある薄型堆積物を説明するために使用されてよい。
【００１５】
本明細書で使用するとき、「電極」は、エネルギー源内の活物質を指してよい。例えば、電極は、アノード及びカソードのいずれか又は両方を含んでよい。
【００１６】
本明細書で使用するとき、「通電された」とは、電流を供給することができるか、又は内部に蓄積された電気的エネルギーを有することができる状態を指す。
【００１７】
本明細書で使用するとき、「エネルギー」は、仕事を行うための物理的システムの能力を指す。通電素子の多くの用途は、電気的作用を実行できる能力に関するものであってよい。
【００１８】
本明細書で使用するとき、「エネルギー源」又は「通電素子」又は「通電デバイス」は、エネルギーを供給できるか、論理デバイス又は電気デバイスを通電された状態にすることができる、任意のデバイス又は層を指す。通電素子は、電池を含んでよい。電池は、アルカリ電池用化学組成物で形成されてよく、固体電池又は湿電池であってよい。
【００１９】
本明細書で使用するとき、「充填剤」は、酸性電解質又はアルカリ性電解質のいずれとも反応しない、１つ以上の通電素子用セパレータを指す。概して、充填剤としては、カーボンブラックなどの実質的に非水溶性の物質；炭塵；黒鉛；シリコン、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、バリウム、チタン、鉄、亜鉛、及び錫などの金属酸化物及び水酸化物；カルシウム及びマグネシウムなどの金属炭酸塩；雲母、モンモリロナイト（montmorollonite）、カオリナイト、アタパルジャイト、及びタルクなどの鉱物；ポルトランドセメントなどの合成ゼオライト及び天然ゼオライト；ケイ酸カルシウムなどの析出金属ケイ酸塩；中空又は中実のポリマー又はガラス微小球、フレーク、及び繊維；などが挙げられてよい。
【００２０】
本明細書で使用するとき、「機能化」は、例えば、通電、起動、又は制御などの機能を、層又はデバイスが実行できるようにすることを指す。
【００２１】
本明細書で使用するとき、「成形型」は、未硬化配合物から三次元の物体を形成するために使用され得る、剛性又は半剛性の物体を指す。いくつかの好ましい成形型は、互いに対向する場合、三次元の物体の構造を画定する２つの成形型部分を含む。
【００２２】
本明細書で使用するとき、「出力」は、単位時間当たりに行われる仕事、又は移送されるエネルギーを指す。
【００２３】
本明細書で使用するとき、「再充電可能」又は「再通電可能」は、仕事をするためのより高い能力を有する状態へと復元可能な能力を指す。多くの場合、特定の再開された期間、特定の率で、電流を流す能力で復元できることに関連して用いてよい。
【００２４】
本明細書で使用するとき、「再充電」又は「再通電」は、仕事をするためのより高い能力を有する状態に復元することを指す。多くの場合、特定の再開された時間、特定の率で電流を流すことができる状態にデバイスを復元することに関連して用い得る。
【００２５】
本明細書で使用するとき、「離型させる」（「成形型から離型させる」と言われることもある）は、三次元の物体が成形型から完全に分離した状態、又は穏やかな振動によって取り外すことができるように、ほんの軽く成形型に取り付けられている状態のいずれかであることを意味する。
【００２６】
本明細書で使用するとき、「積層された」は、少なくとも２成分層を、層のうちの１層の１つの面の少なくとも一部が、第２の層の第１の面と接触するように、互いに近接して配置することを意味する。いくつかの実施形態では、接着のためであれ、又は他の機能のためであれ、コーティングが２つの層の間に存在し、これらの層はそのコーティングを通じて互いに接触している。
【００２７】
本明細書で使用するとき、「三次元表面」又は「三次元基板」は、平面とは対照的に、トポグラフィーが２つ以上の非平行面を含む、三次元に形成された任意の表面又は基板を指す。例えば、曲面は三次元表面であってよい。
【００２８】
本明細書で使用するとき、「トレース」は、回路部品を電気的に接続できる通電素子部品を指す。例えば、回路トレースは、基板がプリント基板であり、フレックス回路内の銅、金、又は印刷堆積物であり得る場合、銅又は金を含んでよい。トレースはまた、非金属物質、化学物質、又はこれらの組み合わせで構成されてよい。
【００２９】
三次元の生体適合性通電素子の印刷
本明細書に示される方法及び装置は、三次元の生体適合性デバイス内又はその上に含めるための三次元の生体適合性通電素子を形成することに関する。
【００３０】
図１は、印刷技術によって通電素子を形成するための方法を示している。これらの実施例では、「印刷技術」という語句は、定義された位置に材料を堆積させるか、材料の堆積物を残すプロセスによって概して表される。下記の説明では、材料が表面の特定の孤立した位置に配置される「アディティブ」技術について主に説明されるが、コーティングがその後パターン化されて、選択した位置の材料を除去でき、したがって孤立した位置のパターンをもたらしてよい「サブトラクティブ」技術もまた、本願の範囲内である。
【００３１】
図１には、一対の導電トレース１２０及び１３０、並びに例示のプリンター１１０が図示されている。図１には、２つの導電トレース１２０及び１３０が示されており、いくつかの実施形態では、２つ以上の導電トレースが三次元表面に含まれるか、形成されてよい。各導電トレースは、好ましくは導電性であって、アノード、カソード、及び他の能動素子を形成するための電荷をもたらす。いくつかの実施形態では、導電トレース１２０及び１３０は互いに電気的に接続されており、通電素子の能動素子に電気的接続をもたらす。
【００３２】
いくつかの実施形態では、図１に示されるように、導電トレース１２０及び１３０は、隣接する導電トレースの比較的近くに存在してよい。隣接する導電トレースは、これらのトレース上に能動素子がもたらされる場合、反対の極性の電極又は化学組成物の種類を示してよい。例えば、導電トレース１２０及び１３０の一方は、アノードの位置にあってよく、他方は、カソードの位置にあってよい。
【００３３】
プリンター１１０は、定義された局部領域への材料の分配を制御できる、印刷ヘッド１１５を有してよい。最も単純な実施形態では、印刷ヘッド１１５は、例えば、１５０マイクロメートル〜３００マイクロメートルの寸法の出口オリフィスを有し得るステンレス鋼針を含んでよい。印刷ヘッド１１５は、カソード及びアノードを印刷するための精密ステンレス鋼先端部、具体的には、２５ゲージ、２７ゲージ、３０ゲージ、又は３２ゲージの長さ３．５６ｃｍ（１．４インチ）の先端部であってよい。他の例の印刷ヘッド１１５もまた本出願の範囲内であり、精度要件、堆積させる化学組成物など様々な要因に応じて可変である。
【００３４】
アノードは、組み込まれたデバイスに対する通電素子の負（−）電位接続を示し、カソードは通電素子の正（＋）電位接続を示す。下記の説明を通じてアノード及びカソードの特定の向きについて説明されているが、アノード及びカソードの向きは可変であり、例えば、逆向きにすることができる。いくつかの実施形態では、カソードは、アノードよりも大きい表面積を有するように構成されてよい。
【００３５】
プリンター１１０は、通電素子の様々な部品の形成に使用される多様な活性材料及び支援材料の混合物を含み、これらを装填してよい。これらの材料の組み合わせは、微細粉末状の活性アノード材料又は活性カソード材料を含んでよい。いくつかの実施形態では、様々な材料は、ふるい分けなどの選別法で処理されて、狭く、粉末成分の制御された粒度分布を有する混合物をもたらしてよい。一実施例では、１つのアノード混合物は、２５マイクロメートルのふるいを通過するのに十分小さい粉末成分を含む亜鉛粉末製剤を含んでよい。様々な材料に含まれる成分の粒度を制限することにより、印刷ヘッド１１５のオリフィスの寸法は、１００〜２００マイクロメートルなど比較的小さくてよい。したがって、複雑な三次元輪郭を含み、寸法が非常に小さい電池を形成できる。
【００３６】
表１は、印刷可能なアノード製剤の成分の例示の混合物を示す。表２は、印刷可能なカソード製剤の成分の例示の混合物を示す。また、表３は、任意の印刷可能なブリッジ素子製剤の成分の例示の混合物を示す。表１〜３に示されるように、例示の混合物には、活性成分に加えて、様々な溶媒、充填剤、結合剤などが含まれてよい。また、当業者には、組成、成分、成分の量、成分の性質に対する数多くの修正及び他のこのような変更は、本出願の範囲内であり得ることが明らかであろう。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
【表２】
2014180567.tif 000004
【００３９】
【表３】
2014180567.tif 000005
【００４０】
プリンター１１０に混合物が装填されると、導電トレース１２０の上の三次元の位置に印刷ヘッド１１５を配置するために使用される自動化などプリンター１１０の制御機構によって、その印刷ヘッド１１５が三次元表面に対して移動できるか、三次元表面が印刷ヘッド１１５に対して移動できる。印刷ヘッド１１５は、水平方向、垂直方向、及び／又は長手方向に移動できるため、印刷ヘッド１１５は、任意の三次元表面に化学混合物を精密に堆積させることができる。したがって、三次元表面は単一の平面ではないが、２つ以上の非平行面を含んでよい。加えて、三次元表面は、任意の数の形状、突起部、輪郭、凸凹、及び／又はトポグラフィーを含んでよい。例えば、マイクロ規模の凹凸形状を含む通電されたレンズ、ピル、及び弁は、三次元表面を備えるデバイスの例である。
【００４１】
ある実施例では、自動ディスペンサー又はインクジェット式プリンターが、プリンター１１０として使用されてよい。印刷ヘッド１１５は、印刷ヘッド１１５が三次元表面に対して移動すると、プリンター１１０からいくらかの化学混合物を分注するように構成されてよい。分注される化学混合物の量又は率は、例えば、部品の所望の厚さ及び／又は三次元表面のトポグラフィーに応じて異なる。例えば、より厚い部品は、分注される化学混合物の量又は率を増すことによって堆積され得る。
【００４２】
印刷ヘッド１１５による化学混合物の分注に続いて、線、複数の線、短点、層、及び／又は複数の短点が、導電トレース１２０上のアノード１４０など適切な機構に形成されてよい。様々な化学混合物の異なるパターンは、三次元表面の任意の位置、つまり導電トレース１２０及び１３０の内側及び外側の両方に印刷されて、通電素子の異なる部品を形成してよい。いくつかの実施形態では、化学混合物は、導電トレース１２０及び１３０を完全に被覆してよく、他の実施形態では、化学混合物は導電トレース１２０及び１３０を部分的に被覆してよい。化学混合物が導電トレース１２０及び１３０を部分的に被覆する実施形態では、導電トレース１２０及び１３０は、通電素子の電気的相互接続部として機能してよい。例えば、２つの通電素子が三次元表面で形成されている場合、これらの通電素子は、導電トレース１２０及び１３０の１つ以上を使用して直列に接続されてよい。
【００４３】
ここで図２を参照すると、三次元の基板上の印刷された通電素子２００の実施例では、導電トレース２３０及び２４０を含む基板が示されており、電極堆積物２１０及び２２０は、対応の導電トレース２３０及び２４０を完全には被覆していない。しかし、代わりの実施形態では、電極堆積物２１０及び２２０は、導電トレース２３０及び２４０を完全に被覆するか、又は更にはわずかにこれらをこえることができる。更に、図２では、導電トレース２３０上にある例示のアノード２１０及び導電トレース２４０上にある例示のカソード２２０など、導電トレース上にある印刷済み機構の実施例が示されているが、三次元表面の任意の位置に他の機構が印刷されてよい。例えば、印刷通電素子２００がブリッジ２５０を含む実施形態では、ブリッジ２５０は導電トレース２３０と２４０との間に堆積されてよい。他の実施例では、任意の他の機能が、三次元表面の任意の位置に位置付けられ、印刷され、及び／又は堆積されてよい。
【００４４】
図３を参照すると、三次元表面３１０上の通電素子３００の断面図の実施例を示している。三次元表面３１０は比較的平滑に示されているが、三次元表面３１０は任意の数の形状、突起部、輪郭、凸凹、及び／又はトポグラフィーを含んでよい。いくつかの実施形態では、三次元表面３１０は、単量体組成物など任意の電気的及び／若しくは物理的絶縁材料、並びに／又は架橋されたシリコーンエラストマー若しくはヒドロゲル、ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（アクリル酸）、シリコーンヒドロゲル、フルオロシリコーンヒドロゲル、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリ（メタクリル酸メチル）、及び／若しくは変性ポリオレフィンであってよいプレポリマー材料で作製されてよい。１つ又は２つ以上の添加剤と組み合わされて三次元表面を形成してよい他の材料としては、例えば、チーグラー・ナッタ（Zieglar-Natta）ポリプロピレン樹脂が挙げられる。三次元表面は、半剛性又は可撓性であってよい。三次元表面は、生体適合性材料で作製されてよい。他の実施形態では、三次元表面３１０は、導電性又は半導電性である材料、例えば、導電性熱可撓性材料で作製されてよい。
【００４５】
いくつかの実施形態では、任意のコーティング３２０が三次元表面３１０に塗布されてよい。このコーティングは、任意の厚さを有して、三次元表面の表面特性を変更してよい。三次元表面は、例えば、疎水性又は親水性であってよい。したがって、ポリマーなどコーティング３２０による三次元表面のコーティングは、その上に堆積される材料にとって所望の付着特性を備える三次元表面をもたらしてよい。コーティング３２０は生体適合性であってよく、例えば、ポリウレタン、（メタ）アクリレート−ウレタンコポリマーなどが挙げられる。
【００４６】
導電トレース３３０及び３４０は、コーティング３２０上に形成されてよい。化学混合物は、導電トレース３３０及び３４０上に堆積されて、通電素子３００の素子を形成してよい。例えば、アノード３５０は、上記のようにアノード形成に有用な化学製剤を堆積させることによって導電トレース３３０上に形成される。アノード３５０には、例えば、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、カルシウム（Ｃａ）、鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、鉛（Ｐｂ）、リチウムの層間化合物、及び／又は金属水素化物が挙げられてよい。同様に、カソード３６０は、上記のようにカソード形成に有用な化学製剤を堆積させることによって導電トレース３４０上に形成される。カソード３６０には、例えば、塩素（Ｃｌ２）、二酸化イオウ（ＳＯ２）、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）、オキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）、塩化銅（ＣｕＣｌ２）、二硫化鉄（ＦｅＳ２）、酸化銀（ＡｇＯ）、臭素（Ｂｒ２）、酸化水銀（ＨｇＯ）、酸化鉛（ＰｂＯ２）、及び／又はヨウ素（Ｉ２）が挙げられてよい。いくつかの実施形態では、アノード３５０は、導電トレース３３０上に形成されてよく、カソード３６０は、導電トレース３４０上に形成されてよい。更に、アノード３５０及びカソード３６０に加えて、又はアノード３５０及びカソード３６０の代わりに、他の能動素子が導電トレース３３０及び３４０上に形成されてよい。
【００４７】
アノード３５０及びカソード３６０の組み合わせは、電池など通電素子の重要な構成部品である。しかし、アノード３５０及びカソード３６０は平行及び離間された構成で示されているが、アノード３５０及びカソード３６０は任意の構成であってよい。例えば、アノード３５０及びカソード３６０の長さに応じて、アノード３５０及びカソード３６０が互いに直接接触していなければ、必ずしも平行ではなくてもよい。加えて、アノード３５０及びカソード３６０は、同一平面上になくてよい。むしろ、三次元表面３１０の２つの異なる深さに位置付けられてよい。例えば、三次元表面３１０が内側又は外側突起部を有し、アノード３５０又はカソード３６０の１つがこの突起部上に堆積される場合、アノード３５０又はカソード３６０の一方は、他方に対して低い又は高い面内にあってよい。更に、いくつかの実施形態では、アノード３５０が三次元表面３１０全体に形成されてよく、カソード３６０は、アノード３５０とカソード３６０との間に絶縁体を有する積層構成でアノード３５０上に形成されてよい。
【００４８】
いくつかの実施形態では、アノード３５０とカソード３６０とを接続し、少なくとも部分的に、又は完全にこれらの上に広がるブリッジ３７０が所望により形成されてよい。図３に示されているように、ブリッジ３７０は、アノード３５０とカソード３６０とを接続し、部分的に被覆する。ブリッジ３７０は多孔性絶縁体であってよく、これを通じてイオン拡散が発生し、上記のようにブリッジの形成に有用な化学製剤を堆積させることによってアノード３５０及びカソード３６０上に形成されてよい。
【００４９】
電解質３８０は、アノード３５０、カソード３６０、及びブリッジ３７０上に堆積される。湿電池型の通電素子３００では、電解質３８０は、多くの場合、水溶液及び他の化学製剤であり得る、溶媒の組み合わせで形成されてよい。電解質３８０は、アノード３５０とカソード３６０との間にイオン伝導性を確立する。いくつかの実施形態では、電解質３８０は、図３の通電素子３００の断面図では表現されないように、アノード３５０、カソード３６０、及びブリッジ３７０を通じて浸透し得る液体であってよい。他の実施形態では、電解質３８０はゲル状であり、アノード３５０、カソード３６０、及びブリッジ３７０を部分的又は完全に被覆してよい。電解質３８０は、酸性、塩基性、又は中性であり、例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、塩化亜鉛（ＺｎＣｌ２）、塩化アンモニウム（ＮＨ４Ｃｌ）などであってよい。
【００５０】
電解質３８０は、三次元表面３１０の両端部において通電素子３００を接続し、封止できる一次封入剤３９０を使用して封入されるか、封止される。一次封入剤３９０は非導電性であるべきであり、エポキシ、フルオロポリマー、アクリル、シリコーン、ポリウレタン、エナメル質、埋め込み用樹脂、コンフォーマルコーティングなどであってよい。いくつかの実施形態では、二次封入剤３９５が、所望により一次封入剤３９０上に含まれてよい。一次封入剤３９０及び／又は二次封入剤３９５は、形成された通電素子を画定してよい。いくつかの実施形態では、一次封入剤３９０及び／又は二次封入剤３９５の厚さは一定であってよいが、他の実施形態では、この厚さは、通電素子３００のＸ−Ｙ平面に沿って変動してよい。
【００５１】
一次封入剤３９０又は二次封入剤３９５の最も外側は、通電素子３００が二次封入剤３９５を含むかどうかに応じて、バリア特性を提供し、通電素子に対する粒子の出入りを阻止し、接触している場合に環境に反応しないように化学的耐性があり、水分摂取をほとんど行わない。一次封入剤３９０又は二次封入剤３９５の最も外側はまた、通電素子３００が二次封入剤３９５を含むかどうかに応じて、生体適合性ポリマーなど生体適合性材料で作製されてよい。生体適合性材料は、多様な用途に十分な可撓性を提供しつつ、生体適合性通電素子の様々な素子をまとめるために十分な力を呈する必要がある。生体適合性封入剤は、例えば、アルギン酸塩、パリレン（パリレンＣなど）、ポリアクリロニトリル（「ＰＡＮ」）、ポリエチレングリコール、ポリピロール、誘導体化セルロース（derivatised celluloses）、ポリスルホン、ポリアミドなどで作製されてよい。
【００５２】
更に、図３の印刷通電素子３００の断面図ではアルカリ型湿電池が示されているが、固体電池など多数の他の種類の通電素子が形成されてよい。更に、アディティブ印刷プロセスが詳細に開示されてきたが、多数のサブトラクティブ加工法もまた、通電素子３００の形成に使用できる。例えば、リソグラフィプロセス及びサブトラクティブエッチング加工を使用して、所望の領域を除去できる。いくつかの実施形態では、サブトラクティブプロセス及びアディティブプロセスの組み合わせが使用可能であり、例えば、アノード３５０及びカソード３６０を形成するために選択的に除去される大量の堆積物が作製され、一方でブリッジ３７０がアディティブプロセスによって形成され得る。
【００５３】
例示の通電素子用トレースの設計の態様
アルカリ型湿電池は、通電素子の複雑な例を示す。これらの型の電池の構成要素の中で、電解質製剤は、いくつかの実施形態では、（酸性とは対照的の）塩基性を有する。特定の実施形態では、様々な構成要素の互いに対する粘着性が重要な要件であり得る。加えて、塩基性水溶液の存在下では、特定のトレース設計によって、他のトレース設計よりも良好な粘着性を実現できてよい。
【００５４】
例えば、疎水性の導電トレースは、コーティング上に形成されてよい。かかる疎水性を有するトレース製剤の例は、金属含浸ペーストなど導電性エポキシ製剤で形成されたトレースであってよい。これらのトレースは、比較的低い抵抗を有する、相当量の導電性粒子を含んでよく、導電トレースは、下層のコーティングに対する十分な粘着性をもたらしてよい。導電性エポキシの導電トレースは、上記のプリンターを使用して、又は任意の他の堆積方法を使用して形成されてよい。いくつかの実施形態では、導電トレースの設計は、更なる表面積を準備すること、及び／又はこれらの上に形成される堆積トレースを封入する機構を作製することのいずれかによって、粘着性を増強し得る物理的特性を有してよい。
【００５５】
図４を参照すると、三次元表面４１０上の３つの導電トレース４２０、４４０、及び４５０の例示の設計が示されている。導電トレースは、導電トレース４２０、４４０、及び４５０内に欠損部である円領域４３０が存在するように形成されてよい。円領域４３０がプロセスから選別して排除されるように、アディティブプロセスを使用して導電トレース４２０、４４０、及び４５０を形成してよい。あるいは、円領域４３０が除去されるか、エッチングされるように、サブトラクティブプロセスを使用して導電トレース４２０、４４０、及び４５０を形成してよい。
【００５６】
いくつかの実施形態では、円領域４３０の縁部は、垂直ではなくてよく、代わりに、例えば、アンダーカット又は逆行性であってよい。特に導電トレース４２０、４４０、及び４５０が異なる金属の積層体から形成される、等方性エッチング化学組成物は、縁部輪郭の残部から突出する突起部をもたらしてよい。導電トレース材料がプリンターによって塗布される場合、後続の材料はこの突起部の下を流れ、より良好な粘着性をもたらしてよい。それにもかかわらず、凸部及び凹部の両方の多くの異なる設計は、導電トレース４２０、４４０、及び４５０の粘着特性の向上に効果があってよい。
【００５７】
いくつかの実施形態では、導電トレース４２０、４４０、及び４５０が使用されてアノード及びカソードが形成され、異なる電気化学電位が必要とされる場合、異なる金属が必要とされてよい。かかる異なる金属によって、導電トレースと取り付けられた電極材料との電気化学的親和性が確保される。アノードトレース及びカソードトレースを構成する材料の種類に関する様々な選択肢としては、銀及び金などの貴金属、並びに亜鉛、ニッケル、アルミニウム、チタンなどの他の金属、並びに／又は銀、金、及び／若しくは銅フレークなどであってよい導電性エポキシが挙げられてよい。
【００５８】
三次元表面に通電素子を形成する方法
図５を参照すると、三次元表面に通電素子を形成する例示の方法５００が開示される。最初に、様々な材料が堆積されて通電素子を形成する三次元表面を有する基板を受ける（工程５０２）。いくつかの実施形態では、基板は別の供給元、つまりサードパーティから受けてよく、他の実施形態では、例えば、鋳造によって形成してよい。
【００５９】
いくつかの実施形態では、所望により三次元表面を粗面化してよい（工程５０４）。三次元表面は、例えば、物理的な表面研磨、気相エッチング、及び／又は液相エッチングによって粗面化してよい。粗面は、表面の化学組成物が変化したため、及び／又は物理的表面積も増加したために、所望の粘着性能を有し得る。いくつかの実施形態では、三次元表面は、射出成形又は注型成形を使用して基板を形成できる粗面化成形ツールを提供することによって基板鋳造中に粗面化できるため、又は基板の材料が許容可能な粘着性能を有する場合、この工程を回避してよい。
【００６０】
いくつかの実施形態では、所望により三次元表面にコーティングを施してよい（工程５０６）。三次元表面のコーティングには、例えば、湿潤性、機械的完全性、粘着性、及び活性基による三次元表面の機能化など多数の利点が存在し得る。
【００６１】
次に、三次元表面で導電トレースを画定する（工程５０８）。導電トレースの画定には、例えば、スクリーン印刷、シャドーマスク堆積、サブトラクティブフォトリソグラフィーエッチング、又はサブトラクティブエッチング加工用の直接アブレーションなど多数の方法を使用できる。上記のように、導電トレースは、接着剤及び金属フレーク混合物で形成された導電性ペーストを使用して三次元表面に印刷できる。例えば、銀導体導電トレースは、Ｎｓｃｒｙｐｔ（商標）印刷ユニット、ＥＦＤ型先端部、及びＤｕ  Ｐｏｎｔ  ５０２５などの銀系ペーストを使用して三次元表面で画定してよい。
【００６２】
三次元表面で導電トレースを画定したら、導電トレースに通電素子を形成できる。アノードは、導電トレースの部分集合に堆積させてよい（工程５１０）。アノード化学混合物は、導電トレースの部分集合を部分的に、又は完全に被覆してよい。アノードは、マスキング技術若しくは他のアディティブ技術、サブトラクティブ技術、成長技術、又は電気めっきなどのめっき技術によって堆積させてよい。いくつかの実施形態では、亜鉛系製剤を堆積させてアノードを画定してよい。多数の化学混合物及び製剤を堆積させてアノードを画定できる。ただし、表１は例示の製剤を提供する。
【００６３】
カソードは、導電トレースの別の部分集合に堆積させてよい（工程５１２）。カソード化学混合物は、導電トレースの他の部分集合を部分的に、又は完全に被覆してよい。カソードは、マスキング技術若しくは他のアディティブ技術、サブトラクティブ技術、成長技術、又は電気めっきなどのめっき技術によって堆積させてよい。多数の化学混合物及び製剤を堆積させてカソードを画定できる。ただし、表２は例示の製剤を提供する。
【００６４】
いくつかの実施形態では、所望により、アノード及びカソードに接触させてブリッジを堆積させてよい（工程５１４）。ブリッジ化学混合物は、部分的に又は完全に１つ以上の導電トレースを被覆する。ブリッジは、マスキング技術若しくは他のアディティブ技術、サブトラクティブ技術、成長技術、又は電気めっきなどのめっき技術によって堆積させてよい。多数の化学混合物及び製剤を堆積させてブリッジを画定できる。ただし、表３は例示の製剤を提供する。
【００６５】
図５は、カソードの前にアノードを堆積させることを示しているが、アノード及びカソードは、任意の順序で堆積させてよい。いくつかの実施形態では、例えば、カソードは、アノードよりも前に堆積させてよい。更に、図５は、アノード及びカソードの堆積に続いてブリッジを堆積させることを示している。しかし、いくつかの実施形態では、アノード及びカソードの堆積前にブリッジを導電トレースの間、及び／又は導電トレースに部分的に堆積させてより良好な粘着性を提供し、カソードからアノードを分離できる（特に、化学混合物が拡散する傾向にある場合）。
【００６６】
次いで、少なくともアノード及びカソードに電解質を堆積させる（工程５１６）。上記のように、電解質は、液体、ゲル状、又はポリマー形態であってよい。次いで、アノード、カソード、及び電解質を封入してよい（工程５１８）。三次元表面に他の部品が存在する場合、封入によってこれらの部品から通電素子を封止する。封入は、上記のように、単層封入又は二重層封入であってよい。封入材料の最も外側の層は、通電素子が生体適合性デバイス内に埋め込み可能であるように生体適合性であってよい。
【００６７】
電解質の性質に応じて、封入を行い、続いて、封入材料を通して、又は封入材料に形成された、画定された充填機構を通して液体電解質を注入できるように、工程５１６と５１８とを入れ替えることができる。かかる実施形態では、液体電解質の充填後に、充填に使用した封入材料内の領域が封止されてよい。液体電解質は、封入材料によって画定された空隙の大部分、例えば、８０％以上などを充填してよい。
【００６８】
いくつかの実施形態では、所望により基板を除去して、通電素子を分離させてよい（工程５２０）。基板の一部ではない生体適合性装置内に通電素子を埋め込む場合、生体適合性通電素子は分離され、生体適合性デバイス内に埋め込まれてよい。いくつかの実施形態では、封入されていない導電トレースの露出領域は、生体適合性通電素子への相互接続部として使用されてよい。例えば、エネルギーが必要とされるまで通電素子での引き出しを最小限に抑えるように、トリガー事象が発生した場合のみ、生体適合性デバイスの様々な機能を制御する集積回路を露出した導電トレースに接続できる。
【００６９】
生体適合性デバイスは、例えば、ペースメーカ及びマイクロエネルギーハーベスタなどの埋め込み型電子素子、生物学的機能のモニタリング及び／又は検査を行うための電子ピル、能動部品を備える外科用デバイス、眼科用デバイス、マイクロサイズのポンプ、除細動器、ステント、ニュートラルインターフェイス、薬剤分散デバイスなどであってよい。
【００７０】
いくつかの実施形態では、三次元の生体適合性通電素子は再充電可能であってよい。例えば、三次元表面には誘導コイルも製造されてよい。次いで、誘導コイルは、高周波（「ＲＦ」）フォブで通電されてよい。誘導コイルは、三次元の生体適合性通電素子に接続されて、ＲＦが誘導コイルに印加されると通電素子が再充電されてよい。別の実施例では、フォトダイオードもまた三次元表面に製造され、三次元の生体適合性通電素子に接続されてよい。フォトダイオードが光、つまり光子に曝露されると電子を生じさせて、通電素子を再充電するであろう。
【００７１】
生体適合性通電素子の形成、形成方法、及び形成の装置に関する実施例を示すために、特定の実施例について説明してきた。これらの実施例は、前記の説明のためであり、いかなる方法であっても特許請求の範囲を限定することを意図するものではない。したがって、本説明は、当業者には明らかであり得るすべての実施形態を抱持することを意図する。
【００７２】
〔実施の態様〕
（１）  三次元の生体適合性通電素子を形成する方法であって、
絶縁材料で作製された基板を受けることであって、該基板が三次元表面を有する、ことと、
該三次元表面に２つ又は３つ以上の導電トレースを形成することと、
１つの該導電トレースの少なくとも一部にアノード化学製剤を堆積させて、アノードを形成することと、
別の該導電トレースの少なくとも一部にカソード化学製剤を堆積させて、カソードを形成することと、
該アノード及び該カソードの少なくとも一部に電解質を堆積させることと、
生体適合性材料を使用して該アノード、該カソード、及び該電解質を封入して、三次元の生体適合性通電素子を形成することと、を含む、方法。
（２）  前記三次元表面が、２つ又は３つ以上の非平行面を含む、実施態様１に記載の方法。
（３）  前記三次元表面の少なくとも一部を粗面化すること、を更に含む、実施態様１に記載の方法。
（４）  コーティングによって前記三次元表面の少なくとも一部をコーティングすること、を更に含む、実施態様１に記載の方法。
（５）  前記アノード及び前記カソードに接触させてブリッジ化学製剤を堆積させること、を更に含む、実施態様１に記載の方法。
【００７３】
（６）  前記基板を除去して前記三次元の生体適合性通電素子を分離すること、を更に含む、実施態様１に記載の方法。
（７）  前記生体適合性材料が、アルギン酸塩、パリレン、ポリアクリロニトリル、ポリエチレングリコール、ポリピロール、誘導体化セルロース、ポリスルホン、又はポリアミドを含む、実施態様１に記載の方法。
（８）  前記三次元表面に２つ又は３つ以上の導電トレースを形成することが、前記三次元表面に導電性化学製剤を堆積することを含む、実施態様１に記載の方法。
（９）  前記電解質がゲルである、実施態様１に記載の方法。
（１０）  第１の封入材料を使用して前記アノード、前記カソード、及び前記電解質を封入すること、を更に含み、前記生体適合性材料を使用して前記アノード、前記カソード、及び前記電解質を封入して、前記三次元の生体適合性通電素子を形成することが、前記生体適合性材料を使用して該第１の封入材料を封入して、前記三次元の生体適合性通電素子を形成することを含む、実施態様１に記載の方法。
【００７４】
（１１）  前記アノード化学製剤が亜鉛を含む、実施態様１に記載の方法。
（１２）  前記導電トレースが金属粒子を含む、実施態様１に記載の方法。
（１３）  前記アノード化学製剤が第１の金属を含み、前記カソード化学製剤が第２の金属を含み、該第２の金属が該第１の金属とは異なる、実施態様１に記載の方法。
（１４）  三次元の生体適合性通電素子であって、
絶縁材料で作製され、三次元表面を有する基板と、
該三次元表面にある２つ又は３つ以上の導電トレースと、
１つの該導電トレースの少なくとも一部にアノード化学製剤で作製されたアノードと、
別の該導電トレースの少なくとも一部にカソード化学製剤で作製されたカソードと、
該アノード及び該カソードの少なくとも一部を被覆する電解質と、
該アノード、該カソード、及び該電解質を被覆する生体適合性封入剤と、を含む通電素子。
（１５）  前記三次元表面が、２つ又は３つ以上の非平行面を含む、実施態様１４に記載の通電素子。
【００７５】
（１６）  前記三次元表面の一部にコーティングを更に含む、実施態様１４に記載の通電素子。
（１７）  前記アノード及び前記カソードと接触している、ブリッジ化学製剤で作製されたブリッジを更に備える、実施態様１４に記載の通電素子。
（１８）  前記生体適合性封入剤が、アルギン酸塩、パリレン、ポリアクリロニトリル、ポリエチレングリコール、ポリピロール、誘導体化セルロース、ポリスルホン、又はポリアミドを含む、実施態様１４に記載の通電素子。
（１９）  前記アノード化学製剤が亜鉛を含む、実施態様１４に記載の通電素子。
（２０）  前記アノード化学製剤が第１の金属を含み、前記カソード化学製剤が第２の金属を含み、該第２の金属が該第１の金属とは異なる、実施態様１４に記載の通電素子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
2014180567000001.pdf