(57)【要約】【課題】  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】  一部の実施形態においては、生体適合性通電素子を形成するための方法及び装置は、燃料電池の中にキャビティを形成することを伴う。カソード、アノード、膜、及び燃料貯蔵部の活性素子は、生体適合性材料の積層スタック内に封止されている。いくつかの実施形態では、本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を含み得る。【選択図】  図１Ａ
2017157554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードスペーサ層と、
前記アノードスペーサ層内に位置する第１孔と、
カソードスペーサ層と、
前記カソードスペーサ層に位置し、前記第１孔と位置揃えされる少なくとも１つの第２孔であって、前記第１孔と前記第２孔とが位置揃えされると、前記第２孔の内部に露出するアノードスペーサ層の隆起部が存在するように、前記第１孔よりも大きくなっている、第２孔と、
前記第２孔内に配置される膜層であって、アノードスペーサ層の前記隆起部に接着されている、膜層と、
前記第１孔の側面と前記膜層の第１表面との間の第１キャビティであって、アノード溶液が充填されている、第１キャビティと、
前記第２孔の側面と前記膜層の第２表面との間の第２キャビティであって、カソード溶液が充填されている、第２キャビティと、
燃料溶液が充填されている第３キャビティであって、チャネルにより前記第１キャビティと接続されている、第３キャビティとを備える、生体適合性通電素子。
【請求項２】
前記アノード溶液が第１酵素を含む、請求項１に記載の生体適合性通電素子。
【請求項３】
前記アノード溶液がグルコース−６−リン酸デヒドロゲナーゼを含む、請求項２に記載の生体適合性通電素子。
【請求項４】
前記アノード溶液がα−グルカンホスホリラーゼを含む、請求項２に記載の生体適合性通電素子。
【請求項５】
前記アノード溶液がホスホグルコムターゼを含む、請求項２に記載の生体適合性通電素子。
【請求項６】
前記アノード溶液が６−ホスホグルコン酸デヒドロゲナーゼを含む、請求項２に記載の生体適合性通電素子。
【請求項７】
前記生体適合性通電素子が、生物医学的装置内の電気活性素子に電気的に接続されている、請求項３に記載の生体適合性通電素子。
【請求項８】
前記生体適合性通電素子が、生物医学的装置内の電気活性素子に電気的に接続されている、請求項１に記載の生体適合性通電素子。
【請求項９】
前記生物医学的装置が眼科用装置である、請求項７に記載の生体適合性通電素子。
【請求項１０】
前記眼科用装置がコンタクトレンズである、請求項９に記載の生体適合性通電素子。
【請求項１１】
マルトデキストリンを更に含む、請求項１０に記載の生体適合性通電素子。
【請求項１２】
グルコースを更に含む、請求項１０に記載の生体適合性通電素子。
【請求項１３】
前記アノードスペーサ層と前記カソードスペーサ層との間に、封止部を追加的に備え、前記封止部がまた前記アノードスペーサ層と前記カソードスペーサ層との間に任意の層を備える、請求項１に記載の生体適合性通電素子。
【請求項１４】
前記封止部がレーザー溶接により形成されている、請求項１３に記載の生体適合性通電素子。
【請求項１５】
前記封止部が超音波溶接により形成されている、請求項１３に記載の生体適合性通電素子。
【請求項１６】
前記封止部が、ポリマー封止部の光パターニングにより形成されている、請求項１３に記載の生体適合性通電素子。
【請求項１７】
アノードスペーサ層と、
前記アノードスペーサ層内に位置する第１孔と、
カソードスペーサ層と、
前記カソードスペーサ層に位置し、前記第１孔と位置揃えされる少なくとも１つの第２孔であって、前記第１孔と前記第２孔とが位置揃えされると、前記第２孔の内部に露出するアノードスペーサ層の隆起部が存在するように、前記第１孔よりも大きくなっている、第２孔と、
前記第２孔内に配置される膜層であって、アノードスペーサ層の前記隆起部に接着されている、膜層と、
前記第１孔の側面と前記膜層の第１表面との間の第１キャビティであって、アノード溶液が充填されている、第１キャビティと、
前記第２孔の側面と前記膜層の第２表面との間の第２キャビティであって、カソード溶液が充填されている、第２キャビティと、
燃料溶液が充填されている第３キャビティであって、チャネルにより前記第１キャビティと接続されている、第３キャビティと、
電気的に作動されるチャネルブロック機構とを備える、生体適合性通電素子であって、前記チャネルブロック機構が、前記第３キャビティを前記第１キャビティに接続する前記チャネルをブロックし、前記電気的作動は、燃料が前記第３キャビティから前記第１キャビティの中に流入するのを可能にする、生体適合性通電素子。
【請求項１８】
前記アノード溶液が第１酵素を含む、請求項１７に記載の生体適合性通電素子。
【請求項１９】
前記アノード溶液がグルコース−６−リン酸デヒドロゲナーゼを含む、請求項１８に記載の生体適合性通電素子。
【請求項２０】
前記アノード溶液がα−グルカンホスホリラーゼを含む、請求項１８に記載の生体適合性通電素子。
【請求項２１】
前記アノード溶液がホスホグルコムターゼを含む、請求項１８に記載の生体適合性通電素子。
【請求項２２】
前記アノード溶液が６−ホスホグルコン酸デヒドロゲナーゼを含む、請求項１８に記載の生体適合性通電素子。
【請求項２３】
前記生体適合性通電素子が、生物医学的装置内の電気活性素子に電気的に接続されている、請求項１９に記載の生体適合性通電素子。
【請求項２４】
前記生体適合性通電素子が、生物医学的装置内の電気活性素子に電気的に接続されている、請求項１７に記載の生体適合性通電素子。
【請求項２５】
前記生物医学的装置が眼科用装置である、請求項２４に記載の生体適合性通電素子。
【請求項２６】
前記眼科用装置がコンタクトレンズである、請求項２５に記載の生体適合性通電素子。
【請求項２７】
マルトデキストリンを更に含む、請求項２４に記載の生体適合性通電素子。
【請求項２８】
グルコースを更に含む、請求項２４に記載の生体適合性通電素子。
【請求項２９】
前記アノードスペーサ層と前記カソードスペーサ層との間に、封止部を追加的に備え、前記封止部がまた前記アノードスペーサ層と前記カソードスペーサ層との間に任意の層を備える、請求項１７に記載の生体適合性通電素子。
【請求項３０】
前記封止部がレーザー溶接により形成されている、請求項２９に記載の生体適合性通電素子。
【請求項３１】
前記封止部が超音波溶接により形成されている、請求項２９に記載の生体適合性通電素子。
【請求項３２】
前記封止部が、ポリマー封止部の光パターニングにより形成されている、請求項２９に記載の生体適合性通電素子。
【請求項３３】
バッテリーセルを更に含む、請求項１７に記載の生体適合性通電素子。
【請求項３４】
前記バッテリーセルが、前記電気的作動のためのエネルギーを供給する、請求項３３に記載の生体適合性通電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。一部の実施形態においては、生体適合性通電素子を形成するための方法及び装置は、通電素子の膜素子を形成することを伴う。アノード、カソード、及び燃料電池溶液を含む活性素子は、形成された膜素子に電気化学的に接続され、その膜素子と相互作用し得る。いくつかの実施形態では、本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を含み得る。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療用装置の数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ー、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、及び神経刺激装置を挙げることができる。上記医療用装置の多くに対する追加機能及び性能向上が理論上想定され、開発されている。しかしながら、理論上想定される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、様々な機能を実行し、かつ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、半導体デバイスなどの部品を含んでよい。しかしながら、そのような半導体部品はエネルギーを必要とするため、典型的に生体適合性装置内に通電素子も含まれ得る。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、新規かつ困難な環境をもたらす。多くの実施形態においては、生体適合性装置内の半導体部品に通電するための、安全で、信頼性が高く、小型で、かつ費用対効果の高い手段を提供することが重要となる場合がある。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生体適合性通電素子を形成する新規な実施形態に対する需要が存在し、その場合、その素子の構造は、通電素子の化学成分の収容性の改善とともに、通電素子内に収容される化学成分量制御の改善を提供するものである。燃料電池、特に生体利用可能な燃料源を用いる燃料電池は、通電素子として良好な解決策となり得るものである。一部の例においては、燃料電池とバッテリーとの組み合わせにより、生物医学的装置にエネルギーを供給し得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
したがって、燃料電池の化学物質を有意に収容し得る構造体を作製しながら、製造上の利点を与える、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。また、その構造設計は、燃料電池素子内部に見出される通電素子の量に対する固有の制御も提供し得る。
【０００５】
一部の実施形態においては、構造体の層を積層体に配置することにより、通電素子が形成され得る。アノードスペーサ層は、アノード層を切り欠いた第１孔を有し得る。孔のスペーサ層側壁は、複数の層が積層される際に形成されるキャビティの部分であり得る。カソードスペーサ層は、その中に切り欠いた第２孔を有し得る。一部の例においては、第２孔は、第１孔に位置揃えされ得る。第２孔は第１孔よりも大きくてよく、両穴を互いに位置揃えした場合には、アノードスペーサ層材料の隆起部が第１孔内に露出し得る。膜層が、第２孔にフィットしかつ第１孔よりも大きくてよい寸法及び形状にカットされ得る。膜層は、第２孔内に配置されかつアノードスペーサ層材料の隆起部に付着し得る。構造体は、第１孔の側部と膜層の第１表面との間に第１キャビティを形成し得る。第１キャビティは、アノード溶液を充填され得る。第２キャビティは、膜層を配置したことの結果により生じ得るが、膜層の表面と、カソードスペーサ層内に露出した第２孔の側壁領域とを含み得る。一部の例においては、第２キャビティ内に存在し得る、アノードスペーサ層材料の隆起部上の領域が存在し得る。第２キャビティは、カソード溶液を充填され得る。燃料溶液を充填される第３キャビティが存在し得る。一部の例においては、第３キャビティと第１キャビティとの間の流体の動きを提供するチャネルが形成され得る。一部の例においては、アノード溶液は、第１酵素を含み得る。一部の例においては、アノード溶液は、グルコース−６−リン酸デヒドロゲナーゼを含む。一部の例においては、アノード溶液は、α−グルカンホスホリラーゼを含む。一部の例においては、アノード溶液は、ホスホグルコムターゼをも含み得る。一部の例においては、アノード溶液は、６−ホスホグルコン酸デヒドロゲナーゼを含み得る。例示的オプションのうちの１つ以上のものを含む様々なタイプの通電素子のうちの少なくとも１つが、生物医学的装置内の電気活性素子に電気的に接続され得る。生物医学的装置は、眼科用装置であり得る。眼科用装置は、コンタクトレンズであり得る。通電素子内部の燃料溶液及びその他の溶液は、マルトデキストリン及びグルコースのうちの１つ以上を含み得る。様々なキャビティを互いに分離し、通電素子内部の材料を通電素子の外部から分離するために通電素子内部に形成される、多くの封止部が存在し得る。封止部は、アノードスペーサ層とカソードスペーサ層との間に形成され得る。一部の例においては、アノードスペーサ層とカソードスペーサ層との間には、封止部内に処理後含まれる中間層が存在し得る。封止部は、レーザー溶接、超音波溶接、及び直接熱溶接のうちの１つ以上により形成され得る。封止部はまた、ポリマー封止部の光パターニングによっても形成され得る。
【０００６】
別の例においては、生体適合性通電素子は、多くの層から形成され得る。アノードスペーサ層が形成され、レーザー切断と型抜きとを含む様々な手段により、アノードスペーサ層の中に第１孔が切り込まれ得る。カソード層が形成され得る。第２孔が、カソードスペーサ層の中に配置され得る。第２孔は、第１孔に位置揃えされ得る。一部の例においては、膜層が、アノード層とカソード層との間に配置され得る。他の例においては、第２孔は、第１孔よりも大きく切り込まれ得る。第２孔及び第１孔は、装置の中に位置揃えされ得る。位置揃えされた第１孔と第２孔とは、第２孔内に露出され得るアノードスペーサ材料の隆起部を形成し得る。膜層が、第２孔の内部にフィットし得る形状に形成され得る。膜は、第２孔内に配置されかつアノードスペーサ層材料の隆起部に付着し得る。構造体は、第１孔の側部と膜層の第１表面との間に第１キャビティを形成し得る。第１キャビティは、アノード溶液を充填され得る。第２キャビティは、膜層を配置したことの結果により生じ得るが、膜層の表面と、カソードスペーサ層内に露出した第２孔の側壁領域とを含み得る。一部の例においては、第２キャビティ内に存在し得る、アノードスペーサ層材料の隆起部上の領域が存在し得る。第２キャビティは、カソード溶液を充填され得る。燃料溶液を充填される第３キャビティが存在し得る。一部の例においては、第３キャビティと第１キャビティとの間の流体の動きを提供するチャネルが形成され得る。チャネルは、電気的に作動されるチャネルブロック機構を含み得るが、そのチャネルブロック機構は、第３キャビティを第１キャビティに接続するチャネルをブロックし、かつそれが電気的に作動されると、燃料が第３キャビティから第１キャビティの中に流れ込むのが可能になる。一部の例においては、アノード溶液は、第１酵素を含み得る。一部の例においては、アノード溶液は、グルコース−６−リン酸デヒドロゲナーゼを含む。一部の例においては、アノード溶液は、α−グルカンホスホリラーゼを含む。一部の例においては、アノード溶液は、ホスホグルコムターゼをも含み得る。一部の例においては、アノード溶液は、６−ホスホグルコン酸デヒドロゲナーゼを含み得る。例示的オプションのうちの１つ以上のものを含む様々なタイプの通電素子のうちの少なくとも１つが、生物医学的装置内の電気活性素子に電気的に接続され得る。生物医学的装置は、眼科用装置であり得る。眼科用装置は、コンタクトレンズであり得る。通電素子内部の燃料溶液及びその他の溶液は、マルトデキストリン及びグルコースのうちの１つ以上を含み得る。様々なキャビティを互いに分離し、通電素子内部の材料を通電素子の外部から分離するために通電素子内部に形成される、多くの封止部が存在し得る。封止部は、アノードスペーサ層とカソードスペーサ層との間に形成され得る。一部の例においては、アノードスペーサ層とカソードスペーサ層との間には、封止部内に処理後含まれる中間層が存在し得る。封止部は、レーザー溶接、超音波溶接、及び直接熱溶接のうちの１つ以上により形成され得る。封止部はまた、ポリマー封止部の光パターニングによっても形成され得る。
【０００７】
本概要に記載されたような通電素子であって、１つ以上のバッテリーセルをも含む通電素子の例が存在し得る。バッテリーセルは、多くの機能的態様を有し得る。一部の例においては、バッテリーセルは、通電素子の活性動作を開始するための活性化素子とともに用いられ得る。活性化には、燃料源を収容するキャビティと、燃料電池のアノード溶液を含み得る通電素子の１種類以上の溶液との間の封止部を電気的に変化させることを含み得る。バッテリーは、燃料電池が動作条件に到達し始める間の期間にわたっても動作し得る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本発明の上述及び他の特徴と利点は、添付図面に例証されるような、本発明の好ましい実施形態の以下のより詳しい記載から明白となるであろう。
【図１Ａ】例示的なコンタクトレンズ用途に対応する生体適合性通電素子の例示的な態様を示す。
【図１Ｂ】例示的なコンタクトレンズ用途に対応する生体適合性通電素子の例示的な態様を示す。
【図１Ｃ】例示的なコンタクトレンズ用途に対応する生体適合性通電素子の例示的な態様を示す。
【図１Ｄ】例示的なコンタクトレンズ用途に対応する生体適合性通電素子の例示的な態様を示す。
【図２】例示的な燃料電池設計の、個別のセルの例示的な寸法及び形状を示す。
【図３Ａ】例示的なアノード及びカソード接続部を有する独立型のパッケージ化された生体適合性通電素子を示す。
【図３Ｂ】例示的なアノード及びカソード接続部を有する独立型のパッケージ化された生体適合性通電素子を示す。
【図４−１】Ａ〜Ｎ生物医学的装置用の生体適合性通電素子を形成するための例示的な方法工程を示す。
【図４−２】Ａ〜Ｎ生物医学的装置用の生体適合性通電素子を形成するための例示的な方法工程を示す。
【図４−３】Ａ〜Ｎ生物医学的装置用の生体適合性通電素子を形成するための例示的な方法工程を示す。
【図５Ａ】キャビティベースの燃料電池の例示的特徴部を示す。
【図５Ｂ】キャビティベースの燃料電池の例示的特徴部を示す。
【図６Ａ】キャビティベースの燃料電池の、代替的な例示的特徴部を示す。
【図６Ｂ】キャビティベースの燃料電池の、代替的な例示的特徴部を示す。
【図７】例示的なキャビティベースの燃料電池の、アノード領域及び燃料保管領域の拡大図を示す。
【図８】例示的なキャビティベースの燃料電池のカソード領域の拡大図を示す。
【図９Ａ】例示的な燃料電池のための例示的な相互接続スキームを示す。
【図９Ｂ】例示的な燃料電池のための例示的な相互接続スキームを示す。
【図９Ｃ】例示的な燃料電池のための例示的な相互接続スキームを示す。
【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本出願において開示される。通電素子内部の膜素子は、新規の方法で形成され、新規の材料を含み得る。以下の節において、様々な実施形態の詳細な説明が記載される。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、当業者であれば、様々な修正及び変更が明らかになるであろう。したがって、例示の実施形態は、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するために設計される。
【００１０】
用語集
本説明及び以下の特許請求の範囲において、以下の定義が適用される様々な用語が使用され得る。
本明細書で使用するとき、「アノード」は、そこを通って電流が有極電気装置に流れ込む電極を指す。電流の方向は、典型的に、電子流の方向とは逆である。換言すれば、電子は、例えば、アノードから電気回路に流入する。
【００１１】
本明細書で使用される場合、「生体適合性」とは、特定の用途において適切な宿主応答で機能する材料又はデバイスを指す。例えば、生体適合性装置は、生体系に毒性又は有害な影響を及ぼさない。
【００１２】
本明細書で使用するとき、「カソード」とは、電極を指し、電流は、この電極を通って有極電気装置（デバイス）から流れ出る。電流の方向は、典型的に、電子流の方向とは逆である。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。
【００１３】
本明細書で使用するとき、「被覆（コーティング）」は、材料の薄型堆積物（薄い形態での材料の付着）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。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内にある小さい薄型堆積物を説明するために使用されてよい。
【００１４】
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得る。例えば、電極は、アノード及びカソードの一方又は両方を含んでもよい。
【００１５】
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。
【００１６】
本明細書で使用するとき、「エネルギー」とは、ある物理系が仕事をする能力のことを指す。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連するものであってよい。
【００１７】
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「通電装置」は、エネルギーを供給できるか、論理装置又は電気装置を通電された状態にすることができる、任意の装置又は層を指す。通電素子は、燃料電池を含み得る。燃料電池は、アルカリ型セル化学物質により形成することが可能であり、固体燃料電池であっても湿燃料電池であってもよい。
【００１８】
本明細書において用いられる場合、「フィルム」とは、被覆又はコーティングとして機能する材料の薄層を指すが、積層構造体中では、フィルムは典型的には、上表面、下表面、及び本体部を有する平坦な層にほぼ等しいが、典型的にはその本体部は、その層の範囲よりずっと薄い。
【００１９】
本明細書で使用するとき、「機能化」は、例えば、通電、起動、及び／又は制御などの機能を、層又は装置が実行できるようにすることを指す。
【００２０】
本明細書で使用するとき、「成形型」は、未硬化配合物（アンキュア・フォーミュレーション）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。
【００２１】
本明細書で使用するとき、「電力」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。
【００２２】
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される能力を指す。多くの使用は、特定の再度確立された期間、特定の率で、電流を流す能力で復元できることに関連し得る。
【００２３】
本明細書で使用するとき、「再通電」又は「再充電」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装置を復元することに関連して用い得る。
【００２４】
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。
【００２５】
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分が、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。
【００２６】
本明細書で使用するとき、「トレース」は、回路部品を接続できる通電素子部品を指す。例えば、回路トレースは、基板がプリント回路基板である場合、銅又は金を含むことができ、典型的には、フレックス回路内の銅、金、又は印刷された膜であり得る。特殊な種類の「トレース」は、集電体である。集電体は、電気化学的適合性を有するトレースであり、この電気化学的適合性により集電体は、アノード又はカソードとの間に電子が伝達される際に用いるのに好適なものとなる。
【００２７】
本明細書に示される方法及び装置は、平面状又は三次元の生体適合性装置内又はその上に含めるための生体適合性通電素子を形成することに関する。
【００２８】
本開示による燃料電池を組み立て構成する方法には他の例があり得るが、その一部は以下のセクションにおいて説明され得る。しかしながら、これらの例の多くに対して、それらが独自のものであるとして説明し得る、燃料電池の選択されたパラメータ及び特徴が存在する。以下の項では、いくつかの特徴及びパラメータに焦点が当てられる。
【００２９】
生体適合性通電素子を有する例示的な生物医学的装置の構成
本開示の通電素子、燃料電池を内蔵し得る生物医学的装置の一例は、焦点を調節する、電気活性のコンタクトレンズであり得る。図１Ａを参照すると、このようなコンタクトレンズのインサートの一例が、コンタクトレンズのインサート１００として図示され得る。このコンタクトレンズのインサート１００には、制御電圧に応答して焦点特性の変化を調整することができる電気活性素子１２０が存在し得る。制御電圧信号を提供し、かつ外部の制御信号に対する環境の感知を制御するなどの他の機能も提供する回路１０５は、生体適合性燃料電池素子１１０によって給電され得る。図１Ａに示すように、燃料電池素子１１０は、複数の主要部分（本ケースにおいては３つのピース）としてとして見出すことができ、燃料電池科学素子の様々な構成を含み得る。燃料電池素子は、相互接続領域１１４の下に描かれ得るような、複数のピースを結合するための様々な相互接続機能部を有し得る。燃料電池素子は、それ自身の基板１１１を有し得る回路素子に接続され得るが、その基板１１１上には、相互接続機能部１２５が配置され得る。集積回路の形態であってよい回路１０５は、基板１１１及びその相互接続特徴部１２５と電気的及び物理的に接続されることができる。
【００３０】
図１Ｂを参照すると、コンタクトレンズ１５０の断面のレリーフ図は、コンタクトレンズのインサート１００と、論じられているその構成要素とを含み得る。コンタクトレンズインサート１００は、コンタクトレンズヒドロゲル１５５のスカート内に封入され得るが、そのコンタクトレンズヒドロゲル１５５は、インサートを封入し得るだけでなく、コンタクトレンズ１５０とユーザーの目との快適な境界面を提供し得る。
【００３１】
本開示の概念を参照すると、燃料電池素子は、図１Ｃに図示される別の例に描かれているような二次元形態に形成され得る。この図においては、燃料電池化学素子１６０の領域内に、燃料電池構成要素１６５と第２の燃料電池構成要素との領域内の、２つの燃料電池セルの主要な領域が存在し得る。平型素子が回路素子１６３に接続されていてよく、図１Ｃにおいてこの素子は、２つの主要回路領域１６７を含み得る。回路素子は、電気的接点１６１と物理的接点１６２とで、燃料電池素子に接続され得る。平面構造は、本開示において既に説明したように三次元円錐構造に曲げられてもよい。このプロセスでは、第２の電気接点１６６及び第２の物理的接点１６４を使用して、三次元構造を接続し物理的に安定化することができる。図１Ｄを参照すると、この三次元円錐構造１８０を示す図を見ることができる。物理的及び電気接触点１８１もまた見ることができ、この図は、得られた構造体の三次元表示と見なすことができる。この構造体は、モジュール化された電気及び燃料電池構成要素を含み得るが、このモジュール化された要素は、レンズインサートともに生体適合性装置に組み込まれる。
【００３２】
セグメント化された燃料電池スキーム
図２を参照すると、コンタクトレンズタイプの実施例のための例示的な燃料電池素子の、異なるタイプのセグメント化された燃料電池スキームの一例が示されている。セグメント化された構成要素は、比較的円形状２７１、正方形状２７２、又は矩形状であってよい。矩形状の例では、矩形は、小さい矩形形状２７３、それより大きい矩形形状２７４、又は大きい矩形形状２７５であり得る。これらの異なるタイプのセグメント化は、例えば、容量、内部抵抗、製造性、電圧能力、欠陥抵抗性、及びパッケージ化のような、燃料電池の諸パラメータについての、設計上のトレードオフを提供する。
【００３３】
平型燃料電池素子のカスタム形状
生体適合性燃料電池の一部の例においては、燃料電池は平型素子として形成され得る。図３Ａを参照すると、燃料電池素子の矩形輪郭３１０の一例が、アノード接続部３１１及びカソード接続部３１２とともに描かれ得る。図３Ｂを参照すると、燃料電池素子の円形の輪郭３３０の一例が、アノード接続部３３１及びカソード接続部３３２とともに描かれ得る。
【００３４】
平型に形成された燃料電池の一部の例においては、燃料電池形状の輪郭は、カスタム製品にフィットするような寸法及び幾何形状に構成され得る。矩形又は円形の輪郭の例に加えて、所与の製品に燃料電池の構成がフィットするよう最適化されるのを可能にし得る、「自由形態」又は「自由形状」のカスタム輪郭を形成し得る。
【００３５】
可変光学素子の例示的な生物医学的装置の場合には、平型輪郭の「自由形態」の例は、弓状の形状であり得る。その自由形態は、三次元的（３Ｄ）形状に形成された際には、コンタクトレンズの制限領域内にフィットする円錐形、環状スカートの形態をとり得るような幾何形状であり得る。医療装置が、二次元（２Ｄ）又は３Ｄ形状に関する要件を有する場合には、同様の有利な幾何学的形状が形成され得るということは明らかであり得る。
【００３６】
燃料電池の生体適合性の態様
一例として、本開示による燃料電池は、安全性及び生体適合性に関する重要な態様を有し得る。一部の例においては、生物医学的装置用燃料電池は、典型的な燃料電池の使用のシナリオで求められる要件よりもはるかに厳しい要件を満たす必要があり得る。いくつかの例では、設計的側面は、ストレスを与える事象に関連するものが考えられる。例えば、電子コンタクトレンズの安全性は、レンズの挿入又は取り外しの際にユーザーがレンズを破壊した場合を考慮する必要があり得る。別の例では、設計的側面は、ユーザーの目に異物が当たる可能性を考慮してもよい。設計のパラメータ及び制約を生じさせ得ると考えられるストレスの多い状況の更なる例は、非限定的な例では、水中環境又は高地環境のような厳しい環境においてユーザーがレンズを装着する可能性に関する場合がある。
【００３７】
こうした装置の安全性は、装置を作製する材料、装置を製造する際に使用するこうした材料の量、更には、周囲環境又は体内環境から装置を隔てるために適用されるパッケージの影響を受ける場合がある。一例においては、ペースメーカーが、燃料電池を含み、かつ長期間にわたってユーザーの体内に埋め込まれ得る、典型的なタイプの生物医学的装置であり得る。したがって、いくつかの例では、そのようなペースメーカーは、典型的には、溶接されたチタン気密容器で、又は他の例では、複数の封入層でパッケージ化される。新たに出現した電動式生物医学的装置は、パッケージング（特に燃料電池パッケージング）に関する新たな課題を提示し得る。こうした新たな装置は、既存の生物医学的装置よりもかなり小さい場合があり、例えば、電子コンタクトレンズ又はピルカメラは、ペースメーカーよりも大幅に小さい場合がある。そのような例では、パッケージングのために利用可能な体積及び面積は、大幅に減少する可能性がある。
【００３８】
マイクロ通電素子の電気的要件
設計に際して考慮すべき別の分野は、燃料電池装置上のデバイスの電気的要件に関するものであり得る。適切な燃料電池は、医療用装置の電源として機能するために、システムが非接続モード又は外部給電されていないモードで動作しているときの全ての電気的要件を満たす必要があり得る。接続されない又は外部給電されない生物医学的装置の新興分野は、例えば、視力矯正コンタクトレンズ、健康状態監視装置、ピルカメラ、及び新型装置を含むことができる。集積回路（ＩＣ）技術における近年の進歩により、非常に低い電流レベル（例えば、ピコアンペアの待機電流及びマイクロアンペアの動作電流）での有意義な電気的操作が可能となり得る。ＩＣ技術は、微小装置を可能にすることもできる。
【００３９】
生物医学的用途用のマイクロ燃料電池は、多くの困難な要件を同時に満たすことが要求される場合がある。例えば、マイクロ燃料電池は、組み込まれている電気回路に適した動作電圧を供給する能力を有することが要求される場合がある。この動作電圧は、ＩＣプロセス「ノード」、回路から別の装置への出力電圧、及び特定の消費電流目標値（これは、所望の装置寿命にも関連する場合がある）などのいくつかの要因の影響を受け得る。
【００４０】
ＩＣプロセスに関して、ノードは、トランジスタにおける「いわゆる」チャネルなどの、トランジスタの最小機能部寸法によって差別化され得る。この物理的形状は、他のＩＣ製造パラメータ（ゲート酸化膜厚など）とともに、所与のプロセスノードで製造された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の得られる「ターンオン」又は「閾値」電圧の定格標準と関連付けることができる。例えば、最小機能部寸法が０．５ミクロンのノードにおいては、ターンオン電圧が５．０ＶのＦＥＴを見つけるのはありふれたことであり得る。しかしながら、最小機能部サイズが９０ｎｍの場合には、そのＦＥＴは、１．２、１．８、又は２．５Ｖでターンオンし得る。ＩＣ製造工場は、ある特定の電圧範囲での使用に特徴づけられ、定格を定められた、例えばインバーターやフリップフロップのようなデジタルブロックの標準的なセルを供給し得る。設計者は、デジタルデバイスの密度、アナログ／デジタル混合信号デバイス、リーク電流、配線層、及び高電圧ＦＥＴのような特殊デバイスのアベイラビリティといったいくつかの要因に基づいて、ＩＣプロセスノードを選択する。マイクロ燃料電池から電力を引き出すことができる電気部品のこうしたパラメータに関する側面を前提として、マイクロ燃料電池の電源を、特に利用可能な電圧及び電流の点で、選択したプロセスノード及びＩＣ設計の要件に一致させることが重要となり得る。
【００４１】
一部の例においては、マイクロ燃料電池により給電される電気回路は、他の装置に接続されてもよい。非限定的な例においては、マイクロ燃料電池により給電される電気回路は、アクチュエータ又はトランスデューサに接続されてもよい。こうした装置としては、用途に応じて、発光ダイオード（ＬＥＤ）、センサ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ポンプ、又は多くの他のこのような装置を挙げることができる。いくつかの例では、接続されたこのようなデバイスは、一般的なＩＣプロセスノードよりも高い動作電圧条件を必要とする場合があり、例えば、可変焦点レンズは、起動するために３５Ｖを必要とすることがある。そのため、そうしたシステムを設計する際に、燃料電池により供給される動作電圧は、非常に重要な考慮事項となり得る。このタイプの考慮事項の一部の例においては、１Ｖの燃料電池から３５Ｖを生成するレンズ駆動装置の効率性は、２Ｖの燃料電池により動作する場合に得られるであろう効率性よりも相当程度低い場合がある。ダイのサイズなど、更なる要件は、マイクロ燃料電池の動作パラメータも考慮すると、著しく異なる場合がある。
【００４２】
個々の燃料電池セルは、典型的には、開回路電圧、負荷時電圧、及びカットオフ電圧が規定され得る。開回路電圧とは、負荷抵抗が無限大の状態の燃料電池によって生成される電位である。負荷時電圧は、適切かつ通常の規定負荷インピーダンスがセル端子間に加えられた状態でセルによって生成される電位である。一部の例においては、キャパシタ又はバッテリーが燃料電池を補完し、燃料電池の出力密度が不十分であり得る一時的かつダイナミックな負荷条件を緩衝するために用いられ得る。
【００４３】
有効寿命は、典型的には、燃料電池が保管に耐え、かつ依然として有用な動作パラメータを維持することができる期間を指す。有効寿命は、いくつかの理由から、生物医学的装置にとって特に重要であり得る。電子素子は、例えば、電子コンタクトレンズが導入される場合のように、無動力の装置に取って代わる可能性がある。こうした既存の市場空間における製品は、消費者、サプライチェーン、及びその他の要件に起因して、確立された有効寿命要件（例えば、３年）を有している場合がある。そのような規格は新しい製品のために変更されないということが、典型的には望ましい場合がある。有効寿命要件はまた、マイクロ燃料電池を含む装置の流通方法、在庫管理方法、及び使用方法に従って設定されてもよい。したがって、生物医学的装置用マイクロ燃料電池は、例えば年数で表すことができる具体的な有効寿命要件を有していてもよい。
【００４４】
一部の例においては、燃料電池は、電気システムに電気的エネルギーを供給する働きをしてもよい。こうした例では、燃料電池は、電気システムの回路に電気的に接続されてよい。回路と燃料電池との間の接続は、相互接続に分類され得る。こうした相互接続は、いくつかの要因により、生物医学マイクロ燃料電池にとってますます困難になり得る。いくつかの例では、電動式生物医学的装置は非常に小さいので、相互接続のための面積及び容積がほとんどない場合がある。寸法及び面積の制約は、相互接続部の電気抵抗及び信頼性に影響を与え得る。
【００４５】
その他の点に関して、燃料電池は、高温で沸騰し得る液体を収容していてもよい。この制約は、例えば、溶融するために比較的高温（２５０℃）を必要とし得るはんだ相互接続を用いたいという要望と、直接的に相克する。一部の例においては、燃料電池化学物質と、はんだベースの相互接続を形成するために用いられる熱源とは、互いに空間的に隔て得るが、新たに登場しつつある生物医学的装置の場合には、その小さい寸法のため、水性溶液とはんだ接合部とを、熱伝導を低減するのに十分な距離で分離することは不可能となり得る。
【００４６】
相互接続
相互接続により、外部回路と接続された燃料電池から電流が流れることが可能となり得る。そのような相互接続は、燃料電池の内部環境及び外部環境をインターフェイスで接続して、これらの両環境間の境界又は封止部を越え得る。こうした相互接続は、外部回路との接続を形成し、燃料電池封止部を通過した後、燃料電池内の集電体と接続するトレースと見なすことができる。そのため、こうした相互接続はいくつかの要件を有し得る。燃料電池外部において、相互接続は、典型的なプリント回路トレースに類似したものであり得る。トレースは他のトレースとはんだ付けされるか、ないしは別の方法で接続されてよい。燃料電池が、集積回路を含む回路基板とは別の物理的要素である例においては、燃料電池相互接続により、外部回路との接続が可能となり得る。この接続は、はんだ付け、導電性テープ、導電性インク若しくは導電性エポキシ、又は他の手段で形成されてもよい。相互接続トレースは、燃料電池外部の環境に耐える（例えば、酸素の存在下で腐食しない）必要があり得る。
【００４７】
相互接続部は燃料電池封止部を貫通するので、相互接続が封止部と共存し、かつ封止を可能にすることが非常に重要であり得る。封止部と燃料電池パッケージとの間に必要となり得る接着に加えて、封止部と相互接続部との間に接着が必要となり得る。燃料電池内部の水性溶液及びその他の材料の存在下で、封止の完全性が維持される必要があり得る。相互接続部は、典型的には金属性であり、燃料電池パッケージングの破損点として知られている場合がある。電位及び／又は電流の流れにより、燃料電池内部の溶液が相互接続部に沿って「クリープ」する傾向が増大する場合がある。したがって、相互接続は、封止完全性を維持するように設計する必要があり得る。
【００４８】
燃料電池内部において、相互接続部は集電体とインターフェイス接続されてもよく、実際に集電体を形成してもよい。この点で、相互接続は、本明細書に記載する集電体の要件を満たす必要があり得、又は、かかる集電体と電気的接続を形成する必要があり得る。
【００４９】
相互接続部及び集電体の候補となる１つの分類は、金属箔である。そのような箔は、２５ミクロン以下の厚さで利用可能であり、このことにより、そのような箔が非常に薄型の燃料電池に適したものとなる。そのような箔はまた、表面粗さが低くかつ汚染が低い状態で供給され得るが、この２つの要因は、燃料電池の性能にとって、非常に重要なものであり得る。箔としては、亜鉛、ニッケル、黄銅、銅、チタン、他の金属、及び種々の合金を挙げることができる。金属箔はまた、その表面に塗布され得る様々なタイプのコーティングを施され得る。１つの例においては、銅箔にカーボン又は黒鉛のコーティングが施され得るが、そのコーティングは、隣接する溶液に対する電極の表面積を増やし得るような粗い表面トポロジーを有する導電性フィルムであり得る。更に、コーティングは、隣接する溶液と金属フィルムとの間に様々な種類の障壁を提供し得るが、それにより化学反応性の異なる態様を有することになり得る。電極の箔に施される、多くのフィルム及びコーティングが存在し得る。
【００５０】
モジュール化された燃料電池構成要素
いくつかの例では、モジュール化された燃料電池構成要素は、本開示のいくつかの態様及び実施例に従って形成され得る。こうした実施例では、モジュール化された燃料電池アセンブリは、生物医学的装置の他の部品とは別個の構成要素であってよい。眼科用コンタクトレンズ装置の実施例では、かかる設計は、媒体インサートの残りの部分から分離された、モジュール化された燃料電池を含んでいてもよい。モジュール化された燃料電池構成要素を形成することによる利点は数多く存在し得る。例えば、コンタクトレンズの実施例では、モジュール化された燃料電池構成要素は、別個の非一体的なプロセスで形成され、それにより、三次元に形成された剛性光学樹脂部品を処理する必要性が軽減され得る。加えて、複数の供給メーカーをよりフレキシブルに選択することができ、この複数の供給メーカーは、生物医学的装置内部の他の部品の製造とより平行したやり方で、作業を行うことが可能である。更に、モジュール化された燃料電池構成要素の製造を、三次元（３Ｄ）形状に成形される装置の特徴と切り離すことができる。例えば、最終的に三次元形態である必要がある用途では、モジュール化された燃料電池システムは、平坦に、又はおおよそ二次元的全体像で製造された後、適切な三次元形状に成形されてもよい。モジュール化された燃料電池構成要素は、残りの生物医学的装置とは独立に試験することができ、また、燃料電池構成要素による歩留まり損失は、組み立て前に選別され得る。得られたモジュール化された燃料電池構成要素は、上に電池構成要素を形成することができる適切な剛性領域を有しない様々な媒体インサート構造体内で使用することができ、更なる実施例では、モジュール化された燃料電池構成要素の使用は、普通であれば用いられるであろう製造技術（例えば、ウェブベースの技術（ロールツーロール処理）、シートベースの技術（シートツーシート処理）、プリント処理、及びリソグラフィ処理など）とは異なる選択肢の活用を促進することができる。モジュール化された燃料電池の一部の例においては、かかる装置は個別に収容されるという側面を有するので、生物医学的装置の構造全体に追加材料が加えられることになり得る。そうした影響は、利用可能な空間パラメータがモジュール化された燃料電池溶液の厚さ及び容積を最小化するのを要する場合に、そのような溶液の使用に制約を課する場合がある。
【００５１】
燃料電池が可変視覚レンズ内で使用され得る本開示の燃料電池用途例の一部において、形状因子は、燃料電池構成要素の三次元的な湾曲を必要とする場合があり、この湾曲の曲率半径は約８．４ｍｍ程度であり得る。そのような湾曲特性は比較的急であると考えることができ、参考までに、ヒトの指先に見られるタイプの湾曲に近似し得る。比較的急な湾曲特性により、製造側面において課題が生じる。本開示の一部の例においては、モジュール化された燃料電池構成要素は、平坦で二次元的に製造された後、比較的曲率の高い三次元形態に形成され得るように設計され得る。
【００５２】
燃料電池モジュールの厚さ
生物医学的用途用の燃料電池構成要素を設計する際には、様々なパラメータの兼ね合いを図って、技術的要件と、安全要件と、機能要件とのバランスをとってもよい。燃料電池構成要素の厚さは、重要かつ制約的なパラメータであり得る。例えば、光学レンズ用途では、ユーザーが快適に装着できる装置の能力は、生物医学的装置全体の厚さにクリティカルな依存を有し得る。したがって、燃料電池をより薄く設計するには、非常に重要で、その実現を可能とする側面が存在し得る。一部の例においては、燃料電池の厚さは、上部シートと、底部シートと、スペーサシートを合わせた厚さ、及び接着剤層の厚さによって決定されてもよい。実際の製造態様は、膜厚のある種のパラメータを、使用可能なシート在庫の標準値に決定してもよい。加えて、膜は、厚さの最小値を有していてもよく、化学的適合性、湿気／ガス不透性、表面仕上げ、及び膜層上に堆積することができるコーティングとの適合性に関する技術的考慮事項に基づき、フィルムをこの値に特定してもよい。
【００５３】
一部の例においては、完成した燃料電池構成要素の望ましい又は目標とする厚さは、２２０μｍ未満である構成要素厚であってよい。こうした例では、この望ましい厚さは、エンドユーザーの快適性、生体適合性、及び容認に関する制約を前提として、ヒドロゲルレンズ形状によって規定される利用可能な容積内部に燃料電池構成要素を挿着する必要があり得る、例示的な眼用レンズ装置の三次元形状によって決定され得る。この容積及びこの容積が燃料電池構成要素の厚さの必要性に与える影響は、装置全厚に関する仕様、並びに装置の幅、円錐角、及び内径に関する装置仕様の関数であってよい。得られる燃料電池構成要素の設計に関する別の１つの重要な設計考慮事項は、燃料電池構成要素の所与の設計において、結果として得られる化学エネルギー（これは設計に起因し得る）に対して、活性燃料電池化学物質及び材料がどのくらいの容積を使用可能かということに関連し得る。次いで、この結果として得られる化学エネルギーと、機能的生物医学的装置の、目標寿命及び動作条件に関する電気的要件とのバランスをとってもよい。
【００５４】
燃料電池モジュールの可撓性
燃料電池の設計、及び燃料電池をエネルギー源として利用する関連装置の設計と関係する別の側面は、燃料電池構成要素の可撓性である。可撓性のある燃料電池形態によって与えられる利点は数多く存在し得る。例えば、可撓性のある燃料電池モジュールは、燃料電池形態を二次元平面形態に製造するという前述の能力を促進することができる。形態の可撓性により、二次元の燃料電池を、後に、コンタクトレンズなどの生物医学的装置内にフィットする適切な三次元形状に形成することが可能となり得る。
【００５５】
燃料電池モジュールの可撓性により得ることができる利益の別の一例において、燃料電池及びそれに続く装置が可撓性である場合には、装置の使用に関連した利点が存在し得る。一例では、コンタクトレンズの形態の生物医学的装置は、媒体インサートベースのコンタクトレンズの挿入／取り外しが、非充填型の標準的なヒドロゲルコンタクトレンズの挿入／取り外しに近い場合があるという利点を有し得る。更に、燃料電池モジュール及びそれに関連する生物医学的装置の可撓性は、これらの装置の使用に対して重要な利点を可能とするものであり得る。非限定的な一例として、眼内レンズは、可撓性のある燃料電池モジュールを用いる生物医学的装置の一例を提供し得るが、それは、外科手術中におけるそのようなレンズの典型的な挿入法では、折り畳まれたレンズ本体が小さな切開部を通して配置され、その後広げられて適切な位置に配置され得るからである。このタイプの手術等の場合、より小さな切開部位は、より良い結果をもたらし、治癒を早め、かつその他の利益をもたらし得る。
【００５６】
曲げ回数は、燃料電池のエンジニアリングにとって重要であり得る。例えば、平面形態からコンタクトレンズにとって好適な形状へと１回だけ曲がることができる燃料電池は、複数回曲がることができる燃料電池と有意に異なる設計を有し得る。燃料電池の曲げが、曲げ事象を機械的に乗り越える能力を超える場合もある。例えば、電極は、破損せずに物理的に曲げ可能であり得るが、電極の機械的及び電気化学的特性は、曲げにより変化する場合がある。曲げによって誘発される変化は、例えば、インピーダンスの変化としてすぐに現れる場合もあり、又は、曲げは、長期に及ぶ有効寿命試験においてのみ明らかとなる変化を誘発する場合もある。
【００５７】
燃料電池モジュールの幅
本開示の生体適合性通電素子又は燃料電池をその中で使用することができる多くの用途が存在し得る。一般に、燃料電池の幅の要件は、主として電池が適用される用途の関数であり得る。１つの例示的なケースにおいて、コンタクトレンズの燃料電池システムは、モジュール化された燃料電池構成要素の幅に関する仕様に対する制約されたニーズを有し得る。燃料電池構成要素により給電される可変光学機能を有する眼科用装置の一部の例においては、装置の可変光学部分は、直径約７．０ｍｍの中央球面領域を占めていてよい。例示的な燃料電池素子は、中央光学系の周囲に環円錐状スカートとしてフィットする三次元物体と考えることができ、切頭円錐状のリングに形成されることができる。必要とされる剛性インサートの最大直径が直径８．５０ｍｍであり、ある特定の直径（例えば、おおよそ直径８．４０ｍｍ）の球体に接触することが目標であり得る場合には、幾何学的形状が燃料電池の可能な許容幅を決定し得る。得られる形状の望ましい仕様を計算するのに有用であり得る形状モデルが存在してもよく、これは、いくつかの例では、円環の扇形になるように平坦化された円錐台と呼ばれる場合もある。
【００５８】
平坦化された燃料電池の幅は、燃料電池素子の２つの特徴である、活性燃料電池構成要素と封止部幅とにより決定され得る。眼科用装置に関連した一部の例においては、ターゲット厚は、片面当たり０．１００ｍｍ〜０．５００ｍｍであってよく、活性燃料電池構成要素のターゲット幅はおよそ０．８００ｍｍであってよい。他の生物医学的装置は異なる設計制約を有していてもよいが、可撓性平型燃料電池素子の原理を同じように適用することが可能である。
【００５９】
燃料電池構成要素の設計における設計要素としてのキャビティ
一部の例においては、燃料電池素子は、活性燃料電池化学物質の領域を分割するやり方で設計されてもよい。活性燃料電池構成要素を個別のセグメントに分割することにより、多くの利点を得ることができる。非限定的な例において、製作する素子を個別で比較的小さくすることにより、こうした素子の製造を容易にすることができる。多数の比較的小さい素子を含む燃料電池素子の機能を改善することができる。様々な種類の不具合をセグメント化することができ、機能しない素子を隔離することにより、場合によっては、機能の喪失を減少させることができる。これは、燃料電池溶液の減少が生じ得る例に関連し得る。個別化された構成要素を隔離することにより、燃料電池の重要領域からの流体の漏れを生じさせる不具合を、燃料電池素子全体のうちの小さなセグメントの機能低下に限定することができる一方、この不具合による流体の減少は、単一セルとして構成された燃料電池における著しく大きな領域を空にする可能性がある。セルを小さくすることにより、総じてみると、活性燃料電池化学物質の量は低減することになり得るが、こうした小さいセルそれぞれを取り囲む材料の網目は、結果として全体構造を強化することができる。
【００６０】
感圧接着剤
一部の例においては、本開示の複数の層状マイクロ燃料電池を備える複数の構成要素は、シーラントとしての役割も果たす感圧接着剤（ＰＳＡ）によって一体に保持され得る。以下に述べるように、感圧接着剤に代わり得るものを用いてもよい。無数の市販の感圧接着剤配合物が存在し得るが、そうした配合物は、そのせいで感圧接着剤が生体適合性層状マイクロ燃料電池内で使用するのに適さないものとなり得る成分を含み得る。感圧接着剤に使用するのに望ましくない成分の例としては、低分子量の浸出性成分、酸化防止剤（例えばＢＨＴ及び／又はＭＥＨＱ）、可塑化用オイル、不純物、例えば、不飽和化学結合、残留溶媒及び／又はモノマー、重合開始フラグメント、極性粘着付与剤等を含む酸化に不安定な部分が挙げられる。
【００６１】
一方、好適なＰＳＡは以下の特性を示すことができる。層状構成要素に塗布して、約２〜２０マイクロメートルの薄層を得ることが可能であり得る。その上、望ましくない又は非生体適合性の成分の含有量が最低限であるか、好ましくは全く含有していない場合がある。加えて、好適なＰＳＡは十分な接着性及び凝集性を有するので、層状燃料電池の構成要素どうしを結合することができる。また、好適なＰＳＡは、燃料電池内の溶液を確実に封止しながら、本構成の装置に固有のマイクロメートルスケールの機能部分に流入することが可能であり得る。好適なＰＳＡのいくつかの実施例では、燃料電池が極度の湿度に長時間さらされる場合であっても所望の水性溶液成分を燃料電池内部に保持するために、ＰＳＡは水蒸気に対する透過性が低くてもよい。
【００６２】
こうした要件を考慮すると、望ましい要件の全てではないが、その多くを満たすＰＳＡ組成物に配合することができる市販材料は、ポリイソブチレン（ＰＩＢ）であり得る。更に、ＰＩＢは、吸水性が非常に低く、かつ酸素透過性が低い、優れたバリアシーラントであり得る。本開示の実施例で有用なＰＩＢの例は、ＢＡＳＦ社のＯｐｐａｎｏｌ  Ｂ１５であり得る。Ｏｐｐａｎｏｌ  Ｂ１５は、トルエン、ドデカン、ミネラルスピリット等のような炭化水素溶媒に溶解することができる。好ましいＰＳＡ組成物は、例えば、７０％（ｗ／ｗ）のトルエンと３０％のドデカンとを含む溶媒混合物中に溶解した３０％のＯｐｐａｎｏｌ  Ｂ１５（ｗ／ｗ）を含み得る。ＰＩＢベースのＰＳＡ感圧接着剤の接着性及びレオロジー特性は、いくつかの実施例では、異なる分子量グレードのＰＩＢをブレンドすることにより決定され得る。一般的なアプローチは、湿潤性、粘着性、及び接着性に影響を与えるために、低モル質量のＰＩＢ（例えばＯｐｐａｎｏｌ  Ｂ１０）を多く使用し、強靭性及び流れ抵抗性に影響を与えるために、高モル質量のＰＩＢを少量使用するといったものであってよい。したがって、モル質量グレードの異なる任意の数のＰＩＢのブレンドを想定することができ、該ブレンドは本開示の範囲内で実施可能であり得る。更に、上記要件を満たすことができるのであれば、ＰＳＡ配合物に粘着付与剤を添加してもよい。粘着付与剤は、その性質上、ＰＳＡ配合物に極性を付与するので、ＰＳＡのバリア特性に悪影響を与えないように注意して使用する必要があり得る。更に、粘着付与剤は、場合によっては酸化的に不安定であり得、また、酸化防止剤を含む場合があり、酸化防止剤がＰＳＡから浸出する可能性がある。こうした理由から、生体適合性層状マイクロ燃料電池用のＰＳＡに用いられる好ましい粘着付与剤としては、全面的に又は大部分が水素化された炭化水素樹脂粘着付与剤（例えばＥａｓｔｍａｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社のＲｅｇａｌｒｅｚシリーズ粘着付与剤など）を挙げることができる。
【００６３】
本明細書における多くの例においては、処理の例は、感圧接着剤の使用を含み得る。多くの場合においては、他のタイプの接着剤又は封止剤を、同様の方法及び同様の結果で用い得る。一部の例においては、接着された面が封止される能力を高めるため、複数の部分を互いに接着するのに用いられる処理に加えて、追加的処理が用いられ得る。例えば、レーザー溶接により、封止部を接合し、又は更にサポートし得る。他の例においては、超音波溶接又は熱溶接が、封止の態様をサポートするために用いられ得る。なおも更なる例は、光によりパターン形成されたポリマー封止部を含み得る。一部の例においては、感圧接着剤の使用により、加工中の製品が一般構造体に組み立てられ得るが、その後、多くの構造的素子が接合された後で、追加的処理が、適切な封止表面を向上し、又は規定するのを確実にし得る。
【００６４】
生体適合性燃料電池モジュールのパッケージ及び基板に関する更なる考慮事項
パッケージング及び基板に関する考慮事項は数多く存在し得、そうした考慮事項が、生体適合性層状マイクロ燃料電池で用いられるパッケージ設計の望ましい特性を決定し得る。例えば、パッケージングは、主に箔及び／又は膜ベースであるのが望ましくあり得、パッケージング層は極力薄くてもよい（例えば、１０〜５０μｍ）。加えて、パッケージングは、有効寿命中の水分の得失に対する十分な拡散バリアを提供することができる。多くの望ましい実施例において、パッケージングは、酸素の侵入に対する十分な拡散バリアを提供し得る。
【００６５】
一部の例においては、パッケージングは、放出され得る任意のガスに、有限透過経路を提供し得る。
【００６６】
いくつかの実施例では、上部及び底部パッケージング層は、金属箔又はポリマー膜を含み得る。一部の例においては、そのようなポリマー膜は、それ自体が多くの方法でコーティングされ得るが、その方法には、蒸着、スパッタリング、が含まれるがそれに限られず、あるいは金属性化合物若しくは元素、又は例えば二酸化シリコンのような、他の非金属化合物の層によりコーティングされ得る。上部及び底部パッケージング層は、複数のポリマー及び／又はバリア層を含む多層膜構造体からなる場合がある。そうした膜構造体は、共押出バリア積層膜と呼ぶことができる。本開示において特に有用な市販の共押出バリア積層膜の例は、３Ｍ  Ｓｃｏｔｃｈｐａｋ  １１０９裏材であり得るが、その裏材は、ＰＥＴキャリアウェブ、蒸着アルミニウムバリア層、及びポリエチレン層からなり、合計平均膜厚さは３３μｍである。数多くの他の同様の多層バリア膜を利用することができ、本開示の代替え実施例において使用することができる。
【００６７】
ＰＳＡを含む設計構造体では、ＰＳＡはパッケージング層の対向面を封止する必要もあり得るので、パッケージング層の表面粗さは特に重要となり得る。表面粗さは、箔及び膜の製造で用いる製造プロセス（例えば、中でも、圧延、押出、エンボス加工、及び／又はカレンダー工法を用いるプロセス）によって生じる場合がある。表面が粗すぎる場合、所望のＰＳＡ厚さが表面粗さＲａ程度であり得るとき、ＰＳＡを均一な厚さで塗布することができない場合がある。更に、対向面がＰＳＡ層厚さ程度であり得る粗さを有する場合、ＰＳＡは、対向面を適切に封止することができない場合がある。本開示において、１０μｍ未満の表面粗さＲａを有するパッケージング材は、許容可能な実施例であり得る。いくつかの実施例では、表面粗さの値は、５マイクロメートル以下であってよい。また、更なる実施例では、表面粗さは１マイクロメートル以下であってよい。表面粗さの値は、白色光干渉法、スタイラス形状測定等のような測定技術であるが、これらに限定されない、様々な方法によって測定することができる。表面粗さをいくつかの代替パラメータで説明することができる、及び、本明細書で論じる平均表面粗さＲａ値が、前述の製造プロセスに固有の特徴の種類を表すことを意味するようにしてもよい、多くの例が、表面形状測定の分野に存在し得る。
【００６８】
燃料電池のアーキテクチャ及び製造
燃料電池のアーキテクチャと製造技術とは、密接に関連しあっている場合がある。本開示中の前のセクションにおいて論じたように、燃料電池は次の要素を有する：不活性電極を有するカソード領域、典型的には燃料電池反応の触媒用酵素を有するアノード、燃料源、電解質と呼ばれ得る膜、カソード集電体、アノード集電体、及びパッケージング。一部の例においては、設計は、二重用途の構成要素、例えば、集電体の役割も果たす金属パッケージを使用するプロセスを有し得る。相対容積及び厚さの観点から、こうした素子は、カソード及び燃料源を除き、ほぼ全て同じ容積であってよい。
【００６９】
こうした実施例では、様々な構成要素の相対的な大きさは、次の素子厚さに近似され得る：アノード集電体＝１μｍ；カソード集電体＝１μｍ；膜／電解質＝気体の化合物の隔離に有効で、かつイオン種の拡散に有効ある限りにおいてできるだけ薄く又は厚く、予定厚さが約１０μｍであり得る；アノードキャビティの厚さ＝５０μｍ；燃料電池キャビティの厚さは約５０〜６０μｍで、カソード＝５μｍである。素子のこうした実施例では、使用環境において燃料電池化学物質を維持するために十分な保護を提供するのに必要なパッケージングは、最大約５０μｍの予定最大厚を有し得る。
【００７０】
円筒形状又は矩形形状といった大型の角柱構造体とは本質的に異なっていてよく、また、ウェハーベースのソリッドステート構造体と異なっていてよい一部の実施例では、かかる実施例は、様々な構成に作製されたウェブ又はシートを使用し、燃料電池素子がその内部に配置されている、「パウチ」状の構造体とすることができる。この収容体は、他面の上に曲げられた２枚の膜又は１枚の膜を有してもよく、これら構造のいずれもほぼ平面状の表面を２つ形成することができ、次にこれら平面の外周を封止して容器を形成することができる。この薄いが幅広の形状因子により、燃料電池素子自体が薄くかつ幅広となり得る。更に、こうした実施例は、コーティング、グラビア印刷、スクリーン印刷、スパッタリング、又は他の同様の製造技術を用いる用途に好適であり得る。
【００７１】
一部の例においては、燃料電池構造体の加工処理は、積層アセンブリとして分類され得るが、そのアセンブリは燃料電池を一層ずつ構築するために、ウェッブ又はシート形態の膜使用することを伴い得る。シートは、感圧接着剤、熱活性接着剤、又は化学反応型接着剤などの接着剤を使用して互いに接合することが可能である。一部の例においては、シートは熱溶着、超音波溶接などの溶接技術によって接合することが可能である。シートは、ロール・ツー・ロール（Ｒ２Ｒ）、又はシート・ツー・シートアセンブリのような標準的な工業的手法に適していてもよい。先に指摘したように、燃料用の内部容積は、燃料電池内の他の活性素子よりも実質的に大きい必要があり得る。燃料電池構造体の多くは、この燃料のためのスペースを作り出し、燃料電池が屈曲する際に燃料が移動しないように支持する必要があり得る。厚さのかなりの部分を消費する場合がある燃料電池構造物の別の部分は、膜の材料であり得る。一部の例においては、シート形態の膜が、積層加工の有利な解決法を生み出し得る。他の例においては、膜は、膜として機能する層の中にポリマー材料を分配することにより形成され得る。シート膜アプローチの場合、別のラミネート層を導入して、この素子を収容してもよい。分配されたポリマーの膜の場合、膜を収容するために必要となるスペーサ材料の体積を収容するため、形成される装置の厚さが増大し得る。
【００７２】
これらの積層型燃料電池アセンブリの例においては、製品は、パッケージ層とアノード集電体との組み合わせであるアノードシート、更にはアノード層用基板を有し得る。成形品は、オプションの膜スペーサシート、カソードスペーサシート、及びカソードシートをも有し得る。カソードシートは、パッケージ層とカソード集電体層の組み合わせであってよい。
【００７３】
電極と集電体との間が密接に接触していることが、インピーダンスを低減し、かつ放電容量を増大させるために非常に重要である。電極の一部が集電体と接触していない場合、電気の伝導が電極を通って生じることから（電極の導電性は通常、集電体よりも低い）、又は電極の一部が完全に切断された状態になることから、抵抗が増大し得る。層状積層体の組み立て後にエンボス加工工程を行って、積層体を圧縮してもよい。
【００７４】
燃料電池が配置された膜の、例示的なかつ図示された加工
燃料電池素子の加工に伴い得る工程の一例を、図４Ａ〜４Ｎを参照しながら見ることができる。例示的な工程のいくつかにおける加工は、個々の図で見られる場合がある。図４Ａにおいては、ＰＥＴアノードスペーサ４０１及びＰＥＴカソードスペーサ４０４が図示されている。ＰＥＴアノードスペーサ４０１は、ＰＥＴ膜４０３を適用することによって形成することができ、この膜の厚さは、例えば、およそ０．０８ｍｍ（３ミル）であってよい。一部の例においては、２つのＰＥＴ層は、両層の間に存在する金属で封止されたキャビティ４０７を取り囲む場合がある。金属封止部は、ＰＥＴ層どうしの間のスペース内にある電気的接続層を含み、電気的駆動により金属封止部を取り除くことが可能となり得る。ＰＥＴ層の両側にはＰＳＡ層を見出すことができ、又はこれらの層は、ポリビニリデンフルオリド（ＰＶＤＦ）剥離層４０２で覆われていてよく、該層の厚さは、およそ０．０３ｍｍ（１ミル）であってよい。ＰＥＴカソードスペーサ４０４は、大まかに言って０．０８ｍｍ（３ミル）の厚さを有し得るＰＶＤＦ層４０９から形成され得る。キャッピングＰＥＴ層４０５が存在してもよく、該層の厚さはおよそ０．０１ｍｍ（０．５ミル）であってよい。ＰＶＤＦ層４０９とキャッピングＰＥＴ層４０５との間は、いくつかの実施例では、ＰＳＡ層であってよい。
【００７５】
図４Ｂに進むと、カソードスペーサ層４０４内の孔４０６は、レーザー切断処理により切り込まれ得る。次に図４Ｃでは、切り込まれたＰＥＴカソードスペーサ層４０８は、ＰＥＴアノードスペーサ層４０１に積層され得る。図４Ｄに進むと、カソードスペーサ孔４１０及び燃料キャビティ孔４１１が、レーザー切断処理により切り込まれ得る。この切断工程のアライメントは、ＰＥＴカソードスペーサ層４０４内の、先に切り込まれている特徴部に対して位置合わせされ得る。図４Ｅでは、膜４１２の層が、キャリア４１３に結合され得る。図４Ｆに進むと、カソードキャビティ及びアノードキャビティを取り囲む、先に説明した２つのレーザーにより切り込まれた孔の寸法と、およそＰＥＴカソードスペーサ孔の寸法との間の形状に膜の材料が切り込まれ、予備切断された膜４２０が形成され得る。図４Ｇに進むと、ピックアンドプレイスツール４２１を使用して、膜の個々のピースを、成長しつつある装置上の所望の位置にピックアンドプレイスし得る。図４Ｈでは、プレイスされた膜のピース４２２が、固定される。キャビティ溶液４２３は、一部の例においては氷のスラリーであり得るが、カソードキャビティの中に充填され得る。キャビティ溶液４２３が液体の形態である場合には、充填は、各層を図に描かれた方向とは反転した状態で行われ得る。図４Ｉに進むと、成長しつつある装置構造体がカソード接点４２５に接合され得る。
【００７６】
図４Ｊに進むと、燃料電池用の混合燃料が、アノードキャビティ４３０と燃料キャビティ４３２とに添加され得る。一部の実施例においては、スキージ４３１を使用して、カソード混合物を被加工物全体に広げ、このプロセスでは、形成されつつある燃料電池装置の間隙を充填してよい。充填後、残っているＰＶＤＦ剥離層４３３を除去することができ、そうすることにより結果として図４Ｋから図４Ｌに示す構造変化を得ることができる。図４Ｌでは、例えば酵素及び緩衝液のような追加的材料４４０が、ＰＥＴ層の上の高さにあるアノードキャビティに添加され得る。一部の例においては、アノードキャビティに含まれる酵素には、グルコース−６−リン酸デヒドロゲナーゼ、α−グルカンホスホリラーゼ、ホスホグルコムターゼ、及び６−ホスホグルコン酸デヒドロゲナーゼ、並びに酵素のその他の例が挙げられる。図４Ｍに進むと、アノード接点層４５０は、アノード４５１上の酵素結合層を含み得るが、アノード接点層４５０は、成長しつつある構造体に接合され得る。最後の図４Ｎでは、レーザー切断工程が実行され、サイド領域４６０を除去し、燃料電池素子を得ることができる。本開示の趣旨の範囲内で有用であり得る、材料及び目標厚さに対する多くの修正、削除、変更が存在し得る。
【００７７】
燃料電池素子
積層ベースのキャビティによるアプローチは、燃料電池を形成する際に有用であり得る。燃料電池を有する通電素子は、本開示に説明されるキャビティアプローチを用いうるが、カソード、アノード、又は燃料ソースである多くのキャビティとともに、複数のキャビティを含み得る。カソードキャビティは、カソード流体組成物を収容し得る。アノードキャビティは、燃料源の異化酸化を促進する多くの酵素を含有し得るアノード流体組成物を収容し得る。燃料源キャビティは、燃料電池用の燃料源を収容し得る。この燃料源は、非限定的例としてのグルコース又はマルトデキストリンのような炭化水素バイオ燃料を含み得る。これらのキャビティの膜層はまた、電解質とも呼ばれ得るが、反応の中間物質を互いから離しておく一方で、水素イオンのような小さなイオン種が、電解質領域にわたって拡散するのを可能にする。電解質は、非限定的な例として半透過性の材料を含む異なる材料を含み得る。一部の例においては、通電素子は、燃料電池とバッテリー素子の両方を含み得る。バッテリー素子は、燃料電池を使用条件に活性化させるのに有益であり得るが、燃料が、保管されていた場所から燃料電池の中に燃料が流れるのを可能にし得る。
【００７８】
ここで図５Ａを参照すると、キャビティベースの燃料電池は、動作用に３つの主要なキャビティを有し得る：燃料源キャビティ５１０、アノードキャビティ５２０、カソードキャビティ５３０。一部の例においては、単一のキャビティが、重ねられた実装形態を有し得るが、アノード、カソード及び燃料源キャビティのうちの１つ以上が、単一のキャビティを占め、間に挟まる層が、異なる機能を分離するようになっている。これらのキャビティ又はキャビティ内の素子の相互作用及び相互接続は、燃料電池として機能することを可能にし得るものである。燃料源キャビティ５１０とアノードキャビティ５２０とは、２つのキャビティ間のブリッジ５４０により接続され得るが、そのブリッジ５４０は、キャビティ燃料電池の所望の動作の際に開放され得るまで、２つのキャビティを分離するためのゲート５４５を含む。アノードキャビティ５２０とカソードキャビティ５３０とは、半透過性膜又は電解質５５０により分離され得るが、半透過性膜又は電解質５５０は、それぞれのキャビティの一般的内容物を分離するが、キャビティ燃料電池の機能に必要となり得るような、アノードキャビティ５２０からカソードキャビティ５３０への陽子の移動を可能にする。アノードキャビティ５２０及びカソードキャビティ５３０は、燃料電池内部の反応で放出されるエネルギーを使用し得る外部サーキット５６０により接続され得る。相互接続部により、キャビティ燃料電池として機能するために必要となり得るように、アノードキャビティ５２０内の電極５６１からカソード、キャビティ５３０内の電極５６２への電子の移動を容易にし得る。本明細書において使用され得る燃料電池に関連させて先に論じた、キャビティベースの加工処理に関連する材料及び加工処理の数多くの例が存在し得る。一部の例においては、追加的な燃料源キャビティを用いることなく、アノードキャビティが燃料源を収容し得るということが明らかであり得る。
【００７９】
燃料電池の一部の例においては、アノード及びカソード内の電極の有効表面積は、燃料電池の性能において重要な要因となり得るものである。一部の例においては、表面積の大きい、プラチナベースの電極が使用され得る。表面積の広い膜を形成することのその他の例には、物理的に表面に織目をつけること、広い表面積の樹枝状の表面形状を成長させること、電気メッキ、スパッタコーティング、レーザーによるミリング、化学的エッチング、及びその他の同様の例があり、それらは望ましい電極を提供し得る。
【００８０】
燃料電池内では、分子種の拡散が、装置内部に規制されることが、とりわけ重要であり得る。電解質は、反応物質がアノードとカソードとの間を行き来するのを防ぎ、水素イオンがセルを通って拡散し、電気化学回路を完成するのを可能にするのにキーとなる機能を果たし得る。構造物の反応プロセスのその他の部分は、同様の重要な機能を有する。接着剤５７０は、拡散制御及び材料選択が重要であり、接着層に形成された封止部が、例としてレーザーベースのメルトフロー封止のような補完的な封止を有し得るという例であり得る。層５７１のような積層材料は、不透過性の材料が望ましいという別の例であり得る。１つの例においては、電解質５５０と燃料源キャビティ５１０との間の不透過特性を加え得る補完的積層ピース５７２が見出され得る。図５Ｂを参照すると、燃料キャビティの体積は、燃料を、膜／電解質領域から隔離するために用いられ得る不透過層５７３により変化し得る。
【００８１】
カソードキャビティ５３０内にのみ存在するように制御されるべきである、酸素のような他の種があり得る。この機能をサポートするため、酸素に対して不透過性である様々な層が形成され得る。あるいは、燃料電池内の反応プロセスで用いられるので、酸素に対して透過性を有すべきである燃料電池の領域が存在する。アノード電極それ自身は、ガスがカソードセルの中に拡散するのを可能にする穿孔又は隙間を有し得る。構造電気的相互接続部５７５及び支持層５７６のような他の構造体は、酸素に対して透過性を有するようにも設計され得る。燃料源が燃料電池内で反応するにつれて、酸素がカソードセル内で消費され、二酸化炭素がアノードセル内で発生し得る。一部の例においては、二酸化炭素が発生しセルの外部に拡散し得るが、他の例においては、二酸化炭素は、二酸化炭素が溶解した際に起こるｐＨの変化を抑制する緩衝液が存在する反応物質溶液中に溶解する。
【００８２】
一部の例においては、様々な領域が、酸素のような分子の、境界を超えて拡散するのを許さないままで保たれる場合であっても、酸化源がカソード溶液に組み込まれ得る。酸素を吸収するように形成された一般的なゼオライト、又はナノチューブが、酸素分子を吸着し、酸化反応中にその酸素分子を引き渡すように構成され得る。同様に、ゼオライトの吸着表面が、燃料電池内で電気が生成されている過程で、アノード中に形成される二酸化炭素を隔離するために用いられ得る。
【００８３】
論じている燃料電池の例において、有益な機能を有する多くの活性種が存在し得る。電動式の装置は、比較的長い貯蔵期間にわたり、貯蔵保管される必要があり得るので、電極表面に接続され得る酵素の種類のような、生体適合性燃料電池の構成要素を安定化させる重要な考慮事項が存在し得る。１つの重要な考慮事項としては、アノードセル由来のエネルギーが使用されるときまで燃料源をアノードセルから隔離することであり得る。ここで図６Ａと６Ｂとを参照すると、燃料電池活性化素子が示され得る。燃料源キャビティ５１０は、燃料電池の動作のための燃料源を収容し得るが、その非限定的例としては、マルトデキストリン、グルコース、又はその他のバイオ燃料が挙げられ得る。一部の例においては、燃料源は、マルトデキストリン、グルコース、又はその他のバイオ燃料の水性溶液であり得る。他の例においては、固体燃料の又は燃料の高濃度の溶液が、燃料キャビティ内に収容され得る。ゲート６１０が閉じると、燃料源が、燃料源キャビティ５１０からアノードキャビティ５２０へと移動するのが妨げられ得る。非限定的な例として、このゲート６１０が閉じている場合、それは導電性を有する金属シートからなり得る。他の例においては、ゲートは電気的に制御される膨張性の素子であり得るが、それは燃料が燃料キャビティからアノードキャビティへと移動するのを可能にするため、多数回開閉するようにプログラムされ得る。別体の電力源別体の電力源６２０は、本開示の参照された関連出願に記載のキャビティ形態のバッテリーを含み得るが、その電力源６２０は、閉鎖されたゲート６１０に、接点６２１、６２２で接続され、電気的スイッチ６３０により接続されるか又は破壊され得る回路を作製し得る。別体の電力源６２０の動作電圧は、電気スイッチ６３０が回路を完成するために接続された際に、閉鎖されたゲート６１０にまたがる電圧が、電気ヒューズのように薄膜を融解させるのに十分なレベルに電力を非常に素早く上昇させ得るのに十分高いものであり得る。このように、一部の例においては、電流の流れが、閉鎖されたゲート６１０の破壊をもたらし得るが、その結果、図６Ｂに図示されているような開放されたゲート６４０が実現され得る。これが起こると、燃料源キャビティ５１０内の燃料源は、ここでアノードキャビティ５２０に移動し得る。このように活性化信号が、小さなバッテリーセルにより給電される電子回路によって受信され得る。バッテリーセルの容量は、活性化信号のレシーバーをサポートするのに必要なものと、閉鎖されたゲート６１０で燃料電池の燃料源キャビティ内の封止部を破壊するのに必要なエネルギーとに基礎を置き得る。一部の例においては、バッテリーは、燃料電池が始動する間の時間にわたり、生物医学的装置を動作させる、小さな追加的なエネルギー容量を有し得る。一部の例においては、燃料電池をなす材料は、バッテリーの化学物質よりも生物学的適合性のあるものであり得るが、それらのケースでは、この複合型設計の燃料電池ベースの通電素子を使用することは、生体適合性材料の燃料電池内での使用を最大化し得る。
【００８４】
ここで図７を参照すると、例示的な活性化したアノードキャビティを見ることができる。開放されたゲート６４０が、燃料源キャビティ５１０（ただし図７には不図示のため、図５Ａを参照）と、アノードキャビティ５２０との間に存在し、燃料源はアノードキャビティ５２０の中に、矢印７１０で示される方向に移動することが可能であり得る。活性化したアノードキャビティは、内容物の組み合わせを収容し得るが、そこには、溶液のｐＨを安定的に維持する緩衝溶液、単一の又は複数を組み合わせた反応触媒、及び他の燃料源がこれらの内容物にさらされた場合には、燃料源と反応し得る内容物の具体的濃度のものが含まれる。反応触媒は、マルトデキストリン又はその他のグルコース分子（ただしこれらに限られない）のようなバイオ燃料との所望の異化反応において、反応触媒として機能するため、具体的な単一の酵素又は複数酵素の組み合わせからなり得る。この異化反応は、多くの自由陽子を生成し得るが、それらは矢印７３０によって示される方向に膜（前の議論では、電解質とも呼ばれている）を越えて、カソードキャビティ５３０に移動し得るが、その様子は、後続の図８に図示されている。また、同数の自由電子が、矢印７３５により示される方向に、外部回路５６０を通ってカソードに移動し得る。活性化されたアノードキャビティ内で発生する具体的な異化反応によっては、活性化されたアノードキャビティが、酸素不透過性であるのが望ましい場合がある。これを実現するため、電気的相互接続具であり得る外側アノード境界線７４０は、金属のような（ただしそれに限られない）酸素不透過性材料からなり得る。一部の例においては、黄銅、チタン、アルミニウム、及びこれに類似の金属の膜が用いられ得る。ある特定のタイプの燃料源の場合、異化酸化反応は、副産物７５０として二酸化炭素を生成し得る。アノードキャビティは、酸素がキャビティの中に拡散するのを許さないように設計されている場合があるが、この同じ、不透過性で活性化されたアノードキャビティが、生成した二酸化炭素を追い散らすことができないようになっている場合もあり得る。一部の例においては、生成した二酸化炭素は、アノードの水性溶液に溶解し得る。溶解するに際して、二酸化炭素は、活性化されたアノードキャビティ内に存在する内容物の溶液のｐＨを変化させ得る。そのため、アノードのｐＨが反応をもたらすのに十分なレベルに低下する前に放出され得る二酸化炭素の量を増加させるのに、溶液内の緩衝液が有用であり得る。そのため、ｐＨを動作水準に保つために緩衝液を導入し得る。
【００８５】
ここで図８を参照すると、活性化されたカソードキャビティが示され得る。この活性化されたカソードキャビティは、カソード内で起こる還元反応８２０の場として機能し得る導電性電極８１０を含み得る。この還元反応８２０は、アノードキャビティからの陽子及び電子の流入により引き起こされ得る。還元反応８２０を起こすためには、環境８３０から活性化されたカソードキャビティの中に、酸素を導入し得る。そのため、カソードキャビティ５３０は、ヒドロゲルをはじめとする（ただしそれに限られない）酸素透過性材料から構築され得る。活性化されたカソードキャビティ内の還元反応８２０の生成物として、水８４０が生成し得る。一部の例においては、本明細書で論じたタイプの燃料電池を、カソード領域が生物医学的装置内の、酸素源に近い位置に配置されるように設計するのが望ましい場合があり得る。非限定的な一例において、コンタクトレンズは、「外側湾曲」表面と「内側湾曲」表面とを有し得る。内側湾曲表面は、目の表面上に又はそれに最も近く配置され得る。そのため「外側湾曲」表面は、目の環境を囲む大気に面して存在し得る。使用中のレンズ表面は、それでも涙液に浸されているであろうと思われるが、大気に近い側の酸素濃度は相対的に高いものと予想され得る。
【００８６】
生物医学的装置が無酸素環境内に保持される容器に、生物医学的装置がパッケージされる場合には、燃料電池の動作を停止することが可能であり得る。酸素がなければ、反応は究極的には停止する。それゆえ、このタイプの例においては、パッケージを開封すると、酸素が大気から生物医学的装置の中に流れ込むのが可能になり、燃料電池の中に拡散するのが可能になり得る。酸素が燃料電池の中に拡散すると、燃料電池は、その燃料源を消費しながら電流を発生させ始め得る。このように、このような例の結果として、別のタイプの活性化が導かれ得る。図８の例においては、電子がカソードセルに流入し、電気的負荷５６０に向かう矢印により図示されている。電気的負荷５６０を通過して流れた後で、電子はカソードの中に、導電性電極８１０を通って入り、次に還元反応８２０に参加する。
【００８７】
ここで図９を参照すると、キャビティベースの複数の燃料電池の例示的な組み合わせが図示され得る。複数のキャビティ燃料電池の組み合わせにより給電され得る装置によっては、その装置に、単一のキャビティ燃料電池だけで供給し得るものより大きな電圧又は電流を供給することが望ましい場合があり得る。それゆえ、図９Ａに示すように多くのキャビティベースの燃料電池を並列９１０に接続し、供給される電流を増やし得る。別の例においては、図９Ｂに示すように直列９２０で組み合わせを形成し、供給される電圧を増やし得る。図９Ｃに示すように、キャビティベースの燃料電池の、多くの異なる直列及び並列の組み合わせ９３０が、結果として生じる供給電圧及び電流を実現するために可能であり得る。積層キャビティベースのアプローチは、直接的なあり方で組み合わされ得る、多くの燃料電池の例を小さな体積内に画定するための同様に直接的なあり方に帰結し得る。また、キャビティ燃料電池により給電される装置の全般的な寿命を延ばすため、キャビティ燃料電池のこの例示的な組み合わせは、非限定的な例として、装置の電源を入れるとすぐに活性化されるキャビティ燃料電池とともに、より後の時点で活性化されるキャビティ燃料電池をも含み得る。キャビティベースの燃料電池は、非限定的な例として、有限の燃料源又は活性構成要素の劣化により制限される有限の寿命を有し得るが、これらのキャビティ燃料電池により給電される装置の寿命は、キャビティ燃料電池の寿命に限定され得る。しかしながら、もし多くのグループの燃料電池が、それぞれのグループが単独で装置に給電する能力を有しながら次々に電源を入れられると、これらのグループのうちのいくつが使用されるかによって、装置の寿命は２倍、３倍、又は更に大きく延び得る。後続のキャビティ燃料電池グループの活性化は、例えば、負荷電圧がある値よりも下がったのを測定した制御回路によって作動され得るが、これはあくまで非限定的例である。
【００８８】
燃料電池は、多くのタイプの生物医学的装置に向けて設計され、組み込まれ得る。一部の例においては、キャビティベースのアーキテクチャに基づいた燃料電池は、望ましいソリューションを結果としてもたらし得る。生物医学的装置は、例えば、ペースメーカー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装置、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、眼科用装置、マイクロサイズのポンプ、除細動器、ステントなどであってよい。
【００８９】
燃料電池を含む生体適合性通電素子の形成、形成方法、及び形成器具に関する実施形態を示すために、特定の実施例について説明してきた。これらの実施例は、上記の例示のためであり、いかなる方式で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。結果的に、本説明は、当業者には明らかであり得る全ての実施形態を包含することを意図する。
【００９０】
〔実施の態様〕
（１）  アノードスペーサ層と、
前記アノードスペーサ層内に位置する第１孔と、
カソードスペーサ層と、
前記カソードスペーサ層に位置し、前記第１孔と位置揃えされる少なくとも１つの第２孔であって、前記第１孔と前記第２孔とが位置揃えされると、前記第２孔の内部に露出するアノードスペーサ層の隆起部が存在するように、前記第１孔よりも大きくなっている、第２孔と、
前記第２孔内に配置される膜層であって、アノードスペーサ層の前記隆起部に接着されている、膜層と、
前記第１孔の側面と前記膜層の第１表面との間の第１キャビティであって、アノード溶液が充填されている、第１キャビティと、
前記第２孔の側面と前記膜層の第２表面との間の第２キャビティであって、カソード溶液が充填されている、第２キャビティと、
燃料溶液が充填されている第３キャビティであって、チャネルにより前記第１キャビティと接続されている、第３キャビティとを備える、生体適合性通電素子。
（２）  前記アノード溶液が第１酵素を含む、実施態様１に記載の生体適合性通電素子。
（３）  前記アノード溶液がグルコース−６−リン酸デヒドロゲナーゼを含む、実施態様２に記載の生体適合性通電素子。
（４）  前記アノード溶液がα−グルカンホスホリラーゼを含む、実施態様２に記載の生体適合性通電素子。
（５）  前記アノード溶液がホスホグルコムターゼを含む、実施態様２に記載の生体適合性通電素子。
【００９１】
（６）  前記アノード溶液が６−ホスホグルコン酸デヒドロゲナーゼを含む、実施態様２に記載の生体適合性通電素子。
（７）  前記生体適合性通電素子が、生物医学的装置内の電気活性素子に電気的に接続されている、実施態様３に記載の生体適合性通電素子。
（８）  前記生体適合性通電素子が、生物医学的装置内の電気活性素子に電気的に接続されている、実施態様１に記載の生体適合性通電素子。
（９）  前記生物医学的装置が眼科用装置である、実施態様７に記載の生体適合性通電素子。
（１０）  前記眼科用装置がコンタクトレンズである、実施態様９に記載の生体適合性通電素子。
【００９２】
（１１）  マルトデキストリンを更に含む、実施態様１０に記載の生体適合性通電素子。
（１２）  グルコースを更に含む、実施態様１０に記載の生体適合性通電素子。
（１３）  前記アノードスペーサ層と前記カソードスペーサ層との間に、封止部を追加的に備え、前記封止部がまた前記アノードスペーサ層と前記カソードスペーサ層との間に任意の層を備える、実施態様１に記載の生体適合性通電素子。
（１４）  前記封止部がレーザー溶接により形成されている、実施態様１３に記載の生体適合性通電素子。
（１５）  前記封止部が超音波溶接により形成されている、実施態様１３に記載の生体適合性通電素子。
【００９３】
（１６）  前記封止部が、ポリマー封止部の光パターニングにより形成されている、実施態様１３に記載の生体適合性通電素子。
（１７）  アノードスペーサ層と、
前記アノードスペーサ層内に位置する第１孔と、
カソードスペーサ層と、
前記カソードスペーサ層に位置し、前記第１孔と位置揃えされる少なくとも１つの第２孔であって、前記第１孔と前記第２孔とが位置揃えされると、前記第２孔の内部に露出するアノードスペーサ層の隆起部が存在するように、前記第１孔よりも大きくなっている、第２孔と、
前記第２孔内に配置される膜層であって、アノードスペーサ層の前記隆起部に接着されている、膜層と、
前記第１孔の側面と前記膜層の第１表面との間の第１キャビティであって、アノード溶液が充填されている、第１キャビティと、
前記第２孔の側面と前記膜層の第２表面との間の第２キャビティであって、カソード溶液が充填されている、第２キャビティと、
燃料溶液が充填されている第３キャビティであって、チャネルにより前記第１キャビティと接続されている、第３キャビティと、
電気的に作動されるチャネルブロック機構とを備える、生体適合性通電素子であって、前記チャネルブロック機構が、前記第３キャビティを前記第１キャビティに接続する前記チャネルをブロックし、前記電気的作動は、燃料が前記第３キャビティから前記第１キャビティの中に流入するのを可能にする、生体適合性通電素子。
（１８）  前記アノード溶液が第１酵素を含む、実施態様１７に記載の生体適合性通電素子。
（１９）  前記アノード溶液がグルコース−６−リン酸デヒドロゲナーゼを含む、実施態様１８に記載の生体適合性通電素子。
（２０）  前記アノード溶液がα−グルカンホスホリラーゼを含む、実施態様１８に記載の生体適合性通電素子。
【００９４】
（２１）  前記アノード溶液がホスホグルコムターゼを含む、実施態様１８に記載の生体適合性通電素子。
（２２）  前記アノード溶液が６−ホスホグルコン酸デヒドロゲナーゼを含む、実施態様１８に記載の生体適合性通電素子。
（２３）  前記生体適合性通電素子が、生物医学的装置内の電気活性素子に電気的に接続されている、実施態様１９に記載の生体適合性通電素子。
（２４）  前記生体適合性通電素子が、生物医学的装置内の電気活性素子に電気的に接続されている、実施態様１７に記載の生体適合性通電素子。
（２５）  前記生物医学的装置が眼科用装置である、実施態様２４に記載の生体適合性通電素子。
【００９５】
（２６）  前記眼科用装置がコンタクトレンズである、実施態様２５に記載の生体適合性通電素子。
（２７）  マルトデキストリンを更に含む、実施態様２４に記載の生体適合性通電素子。
（２８）  グルコースを更に含む、実施態様２４に記載の生体適合性通電素子。
（２９）  前記アノードスペーサ層と前記カソードスペーサ層との間に、封止部を追加的に備え、前記封止部がまた前記アノードスペーサ層と前記カソードスペーサ層との間に任意の層を備える、実施態様１７に記載の生体適合性通電素子。
（３０）  前記封止部がレーザー溶接により形成されている、実施態様２９に記載の生体適合性通電素子。
【００９６】
（３１）  前記封止部が超音波溶接により形成されている、実施態様２９に記載の生体適合性通電素子。
（３２）  前記封止部が、ポリマー封止部の光パターニングにより形成されている、実施態様２９に記載の生体適合性通電素子。
（３３）  バッテリーセルを更に含む、実施態様１７に記載の生体適合性通電素子。
（３４）  前記バッテリーセルが、前記電気的作動のためのエネルギーを供給する、実施態様３３に記載の生体適合性通電素子。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図４−３】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【外国語明細書】
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