СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ БИОСОВМЕСТИМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПИТАНИЯ
TECHNIQUES AND DEVICE FOR 3D BIOCOMPATIBLE BATTERIES PRODUCTION

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Описаны способы и устройство для изготовления трехмерных биосовместимых элементов питания. В некоторых вариантах осуществления способы и устройство для изготовления трехмерных биосовместимых элементов питания включают в себя формирование проводящих дорожек на трехмерных поверхностях и нанесение на проводящие дорожки активных компонентов элементов питания. Активные элементы герметизированы в биосовместимом материале. В некоторых вариантах осуществления область применения способов и устройств может включать в себя любое биосовместимое устройство или продукт, для которых необходимы элементы питания.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В последнее время отмечается быстрое развитие различных видов медицинских устройств и их функциональных возможностей. К таким медицинским устройствам можно отнести, например, имплантируемые кардиостимуляторы, электронные таблетки для мониторинга и/или тестирования той или иной биологической функции, хирургические устройства с активными компонентами, контактные линзы, инфузионные дозаторы и нейростимуляторы. Расширялись дополнительные функции и повышалась эффективность упомянутых выше медицинских устройств. Вместе с тем, чтобы обеспечить теоретический уровень дополнительных функций, многие из таких устройств в настоящее время нуждаются в автономных средствах питания, которые соответствуют требованиям к размерам и форме таких устройств, а также потребностям в энергоснабжении новых компонентов с энергообеспечением.
Некоторые медицинские устройства могут включать в себя такие компоненты, как полупроводниковые элементы, выполняющие разнообразные функции и входящие в состав множества биосовместимых и/или имплантируемых устройств. Однако такие полупроводниковые компоненты нуждаются в энергоснабжении, а потому в таких биосовместимых устройствах также должны присутствовать элементы питания. Топология и сравнительно небольшой размер биосовместимых устройств создают новые и сложные условия для определения различных функциональных возможностей. Во многих вариантах осуществления важно обеспечить безопасные, надежные, компактные и экономически эффективные средства питания полупроводниковых компонентов в биосовместимых устройствах. Таким образом, существует потребность в новых вариантах осуществления для изготовления трехмерных биосовместимых элементов питания для их имплантации внутри или на поверхности биосовместимых устройств.
ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В этой связи в настоящем документе раскрываются способы и устройство для изготовления трехмерных биосовместимых элементов питания на трехмерных поверхностях и их встраивания в биосовместимые устройства.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления раскрываются трехмерные биосовместимые элементы питания и способы их изготовления. Такой способ включает в себя получение подложки из изолирующего материала, причем такая подложка имеет трехмерную поверхность; формирование двух или более проводящих дорожек на трехмерной поверхности; нанесение химической композиции анода по меньшей мере на часть одной из проводящих дорожек для образования анода; нанесение химической композиции катода по меньшей мере на часть другой из проводящих дорожек для образования катода; нанесение электролита поверх по меньшей мере части анода и катода; а также инкапсулирование анода, катода и электролита с использованием биосовместимого материала для образования трехмерного биосовместимого элемента питания.
Трехмерная поверхность может содержать две или более непараллельные плоскости, и по меньшей мере часть трехмерной поверхности может быть шероховатой или на нее может быть нанесено покрытие до и/или в процессе нанесения одной или более композиций. В качестве электролита можно использовать гелевый электролит, который может быть инкапсулирован вместе с анодом и катодом с использованием биосовместимого материала, например, парилена-С. В некоторых вариантах осуществления в контакте с анодом и катодом может находиться элемент мостика.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлен пример устройства печати, которое можно использовать для нанесения химических смесей на трехмерную поверхность.
На фиг. 2 представлен общий вид примера конструкции элемента питания.
На фиг. 3 представлен пример вида в разрезе элементов питания на трехмерной поверхности.
На фиг. 4 представлен пример размещения проводящих дорожек, используемых для формирования элементов питания с повышенными адгезионными свойствами.
На фиг. 5 представлен пример способа формирования трехмерных биосовместимых элементов питания на трехмерных поверхностях.
Одинаковыми условными символами в описании и на рисунках обозначаются одинаковые элементы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Раскрываются способы и устройство для изготовления трехмерных биосовместимых элементов питания. Описания как предпочтительных, так и альтернативных вариантов осуществления являются только примерами осуществления, и специалистам в данной области будут понятны возможности внесения различных модификаций и изменений. Поэтому представленные примеры осуществлений не ограничивают объем настоящей заявки. Трехмерные биосовместимые элементы предназначены для использования внутри тела живого организма или в непосредственном контакте с ним.
СПИСОК ТЕРМИНОВ
В описании и представленных ниже пунктах формулы изобретения использован ряд терминов, для которых будут приняты следующие определения.
Используемый 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, поток электронов поступает из анода, например, в электрическую схему.
Используемый в настоящем документе термин «связующие» относится к полимеру, который способен проявлять упругие свойства под воздействием механической деформации и который химически совместим с другими компонентами элементов питания. Например, связующие могут включать в себя электроактивные материалы, электролиты, токосъемники и т.д.
Используемый в настоящем документе термин «биосовместимый» относится к материалу или устройству, которое выполняет свои функции в конкретном приложении при соответствующем отклике носителя. Например, биосовместимое устройство не оказывает токсического или травмирующего воздействия на биологические системы.
Используемый в настоящем документе термин «катод» относится к электроду, по которому электрический ток вытекает из поляризованного электрического устройства. Направление электрического тока, как правило, противоположно направлению потока электронов. Поэтому поток электронов поступает в катод поляризованного электрического устройства и вытекает, например, из подключенной электрической схемы.
Используемый в настоящем документе термин «покрытие» относится к нанесению материала тонким слоем. В ряде применений такой термин будет относиться к тонкому слою, который по существу покрывает поверхность подложки, на которой формируется покрытие. В других более специализированных применениях термин может использоваться для описания тонких покрытий в более ограниченных участках поверхности.
Используемый в настоящем документе термин «электрод» может относиться к активной массе в источнике питания. Например, сюда могут входить один или оба из анода и катода.
Используемый в настоящем документе термин «с энергообеспечением» относится к возможности подачи электрического тока или хранения электрической энергии внутри устройства.
Используемый в настоящем документе термин «энергия» относится к способности физической системы совершать работу. Многие варианты применения элементов питания могут быть связаны с возможностью выполнять электрические действия.
Используемый в настоящем документе термин «источник энергии», или «элемент питания», или «устройство с энергообеспечением», относится к любому устройству или слою, который может снабжать устройство энергией или переводить логическое или электрическое устройство в состояние с энергообеспечением. Элементы питания могут включать в себя аккумуляторные батареи. Аккумуляторные батареи могут быть основаны на гальванических элементах щелочного типа и могут представлять собой твердотельные аккумуляторные батареи или жидкостные батареи.
Используемый в настоящем документе термин «наполнители» относится к одному или более разделителям в элементах питания, которые не взаимодействуют с кислотными или щелочными электролитами. По существу наполнители могут включать в себя по существу нерастворимые в воде материалы, например, сажу; угольную пыль; графит; оксиды и гидроксиды металлов, например, кремния, алюминия, кальция, магния, бария, титана, железа, цинка и олова; карбонаты металлов, например, кальция и магния; такие минералы, как слюда, монтмориллонит, каолинит, аттапульгит и тальк; синтетические и природные цеолиты, например, портланд-цемент; осажденные силикаты металлов, например, силикат кальция; пустотелые или сплошные полимерные или стеклянные микросферы, пластинки и волокна; и т.п.
Используемый в настоящем документе термин «функционализированный» относится к получению слоя или устройства, способного выполнять некоторую функцию, включая, например, энергообеспечение, активацию и/или управление.
Используемый в настоящем документе термин «форма для литья» относится к жесткому или полужесткому предмету, который может использоваться для формирования трехмерных объектов из неполимеризованных композиций. Некоторые предпочтительные формы для литья состоят из двух частей формы для литья, которые при наложении друг на друга определяют структуру трехмерного объекта.
Используемый в настоящем документе термин «мощность» относится к совершаемой работе или переданной энергии за единицу времени.
Используемые в настоящем документе термины «перезаряжаемый» или «повторно подключенный к источнику питания» относятся к возможности восстановить состояние с более высокой способностью выполнять работу. В рамках настоящего изобретения упомянутая способность, как правило, может относиться к восстановлению способности обеспечивать электрический ток определенной величины в течение определенных, периодически повторяющихся промежутков времени.
Используемые в настоящем документе термины «перезаряжать» или «повторно подключать к источнику питания» относятся к восстановлению до состояния повышенной способности к совершению работы. В рамках настоящего изобретения упомянутая способность, как правило, может относиться к восстановлению способности устройства обеспечивать электрический ток определенной величины в течение определенных, периодически повторяющихся промежутков времени.
Используемый в настоящем документе термин «высвобожденный», или иногда «высвобожденный из формы для литья», означает, что трехмерный объект либо полностью отделен от формы, либо лишь слабо прикреплен к ней с возможностью отделения легким встряхиванием.
Используемый в настоящем документе термин «наложение» означает размещение по меньшей мере двух слоев-компонентов в непосредственной близости друг к другу таким образом, что по меньшей мере часть одной поверхности одного из слоев контактирует с первой поверхностью второго слоя. В некоторых вариантах осуществления между двумя слоями может находиться покрытие, обеспечивающее сцепление или выполняющее иные функции, так что слои контактируют друг с другом через указанное покрытие.
Используемый в настоящем документе термин «трехмерная поверхность», или «трехмерная подложка», относится к любой поверхности или подложке, сформированным в трехмерном пространстве с топографией, включающей в себя две или более непараллельные плоскости, в отличие от планарной поверхности. Например, трехмерной поверхностью может быть криволинейная поверхность.
Используемый в настоящем документе термин «дорожки» относится к компонентам элементов питания, способным электрически соединять между собой компоненты схемы. Например, дорожки схемы могут быть изготовлены из меди или золота, если подложкой является печатная плата, и могут быть изготовлены из меди, золота или печатного слоя в устройстве органической электроники. Дорожки также могут быть изготовлены из неметаллических материалов, химических веществ или их смесей.
Печатное изготовление трехмерных биосовместимых элементов питания
Представленные в настоящем документе способ и устройство относятся к изготовлению трехмерных биосовместимых элементов питания для включения в структуру или нанесения на поверхность трехмерных биосовместимых устройств.
На Фиг. 1 представлен способ формирования элементов питания с помощью технологий печати. В этих примерах термин «технологии печати» в целом относится к процессу нанесения слоя материала в определенных зонах. Хотя в приведенных ниже описаниях основное внимание уделяется «аддитивным» технологиям, в которых материал наносят на определенные отдельные участки на поверхности, «субтрактивные» технологии, в которых на покрытие может быть нанесен рисунок для возможности удаления материала в выбранных участках с последующим формированием рисунка на отдельных участках, также входят в объем настоящей заявки.
На Фиг. 1 показаны пара проводящих дорожек 120 и 130 и пример принтера 110. На Фиг. 1 представлены две проводящие дорожки 120 и 130, и в некоторых вариантах осуществления на трехмерную поверхность можно нанести или сформировать две или более проводящие дорожки. Каждая проводящая дорожка предпочтительно является электропроводной, обеспечивая электрический потенциал для формирования анода, катода и других активных элементов. В некоторых вариантах осуществления проводящие дорожки 120 и 130 могут быть электрически связаны друг с другом, обеспечивая электрическое соединение для активных компонентов элементов питания.
Как показано на Фиг. 1, в некоторых вариантах осуществления проводящие дорожки 120 и 130 могут проходить относительно близко к соседней проводящей дорожке. Соседние проводящие дорожки можно использовать для электродов противоположной полярности или химического состава, когда на этих дорожках формируют активные компоненты. Например, одна из проводящих дорожек 120 и 130 может представлять собой место размещения анода, а вторая — место размещения катода.
Принтер 110 может иметь печатающую головку 115, которая позволяет контролировать распределение материала в определенной локализованной области. В простейших вариантах осуществления печатающая головка 115 может включать в себя иглу из нержавеющей стали, которая может иметь выходное отверстие размерами, например, от 150 микрон до 300 микрон. Печатающая головка 115 может иметь прецизионный наконечник из нержавеющей стали для печати катода и анода, и, в частности, иметь калибр 25, 27, 30 или 32 при длине наконечника 3,56 см (1,4 дюйма). Другие примеры печатающей головки 115 также входят в объем настоящей заявки и могут варьироваться в зависимости от различных факторов, например, требований к точности, наносимого химического состава и т. д.
Анод представляет собой точку подключения с отрицательным (–) потенциалом элемента питания, а катод представляет собой точку подключения с положительным (+) потенциалом элемента питания к встроенным устройствам. Хотя в приведенном ниже описании даны конкретные ориентации анода и катода, такие ориентации анода и катода можно изменить, например, на обратные. В некоторых вариантах осуществления катод может быть выполнен с возможностью иметь большую площадь поверхности, чем анод.
Принтер 110 может удерживать внутри и может заряжаться смесью различных активных и вспомогательных материалов для использования при формировании различных компонентов элемента питания. Такие комбинации материалов могут содержать активные материалы анодов и катодов в форме микроразмерного порошка. В некоторых вариантах осуществления различные материалы могут проходить предварительную обработку типа сортировки, например, просеивание, чтобы получить смесь с узким и контролируемым распределением по размерам порошковых компонентов. В одном из примеров одна анодная смесь может содержать композицию цинкового порошка с порошковыми компонентами, достаточно малыми для прохождения через 25-микронное сито. За счет ограничения размеров компонентов в различных материалах можно выбирать относительно малый размер отверстия в печатающей головке 115, например, от 100 до 200 микрон. По этой причине появляется возможность сформировать аккумуляторную батарею, включающую в себя сложные трехмерные контуры при очень малых размерах.
В таблице 1 приведен пример смеси компонентов для изготовления композиции анода печатным способом. В таблице 2 приведен пример смеси компонентов для изготовления композиции катода печатным способом. В таблице 3 приведен пример смеси компонентов для изготовления композиции необязательного элемента мостика печатным способом. Как видно из таблиц 1–3, кроме активных компонентов в состав примеров смесей могут входить различные растворители, наполнители, связующие и т. д. Специалистам в области также будет очевидно, что в объем настоящего изобретения может входить множество различных модификаций состава, компонентов, количеств компонентов, свойств компонентов и иные подобные изменения.
Таблица 1Пример смеси анода
Материал
Функция/описание
Полиэтиленоксид в дистиллированной воде
Разбавленное связующее
Порошок цинкового сплава, содержащего висмут и индий
Активный анод
Aerosil R972
Реологический модификатор/стабилизатор
Полиэтиленгликоль в дистиллированной воде
Пластификатор
Triton X-100 в дистиллированной воде
ПАВ
Таблица 2Пример смеси катода
Материал
Функция
Полиэтиленоксид в дистиллированной воде
Разбавленное связующее
Электролитический порошок двуокиси марганца
Активный катод
Aerosil R972
Реологический модификатор
Серебряные чешуйки
Проводящая добавка
Triton X-100 в дистиллированной воде
ПАВ
Таблица 3Пример смеси разделителя связующего «мостика»
Материал
Функция
Полиэтиленоксид в дистиллированной воде
Разбавленное связующее
Сульфат бария
Наполнитель
Aerosil R972
Реологический модификатор
Полиэтиленгликоль в дистиллированной воде
Пластификатор
Triton X-100 в дистиллированной воде
ПАВ
При загрузке смеси в принтер 110 его печатающая головка 115 может перемещаться относительно трехмерной поверхности, или же трехмерная поверхность может перемещаться относительно печатающей головки 115 под действием управляющего механизма принтера 110, такого как автоматическая система, используемая для установки положения печатающей головки 115 в трехмерном пространстве над проводящей дорожкой 120. Поскольку печатающая головка 115 может перемещаться горизонтально, вертикально и/или продольно, такую печатающую головку 115 можно использовать для нанесения химической смеси на любую трехмерную поверхность с высокой точностью. Соответственно, трехмерная поверхность не является планарной с единственной плоскостью, но может включать в себя две или более непараллельные плоскости. Кроме того, трехмерная поверхность может содержать любое количество элементов любой формы, выступы, контуры, неоднородности и/или элементы топографии. В частности, примерами устройств с трехмерными поверхностями являются линза с энергообеспечением, таблетка и клапан с микромасштабными контурными формами.
В одном из примеров в качестве принтера 110 можно использовать автоматический дозатор или струйный принтер. По мере перемещения печатающей головки 115 относительно трехмерной поверхности печатающей головкой 115 можно управлять таким образом, чтобы она дозировала определенные количества химической смеси из принтера 110. Количество и скорость дозирования наносимой химической смеси зависит, например, от желаемой толщины компонента и/или топографии трехмерной поверхности. Например, более толстый слой компонента можно наносить путем увеличения количества или скорости дозирования химической смеси.
После дозирования химической смеси через печатающую головку 115 из линии, множества линий, точки, слоя и/или множества точек на проводящей дорожке 120 можно образовать нужный элемент, например, анод 140. Различные структуры из разных химических смесей можно печатать в любом месте на трехмерной поверхности, как внутри, так и снаружи проводящих дорожек 120 и 130, для формирования различных компонентов элемента питания. В некоторых вариантах осуществления химическая смесь может полностью покрывать проводящие дорожки 120 и 130, тогда как в других вариантах осуществления химическая смесь может покрывать проводящие дорожки 120 и 130 лишь частично. В тех вариантах осуществления, где химическая смесь частично покрывает проводящие дорожки 120 и 130, такие проводящие дорожки 120 и 130 могут выступать в качестве электрических соединений элементов питания. Например, если на трехмерной поверхности сформированы два элемента питания, такие элементы питания могут быть соединены последовательно с помощь одной или более проводящих дорожек 120 и 130.
На Фиг. 2 представлен пример печатного элемента питания 200 на трехмерной подложке с проводящими дорожками 230 и 240, где нанесенные электродные слои 210 и 220 не покрывают всей поверхности своих соответствующих проводящих дорожек 230 и 240. При этом в альтернативных вариантах осуществления нанесенные электродные слои 210 и 220 могут полностью покрывать или даже несколько выходить за пределы проводящих дорожек 230 и 240. Кроме того, хотя на Фиг. 2 представлен пример печатных структур, которые находятся поверх проводящих дорожек, например, пример анода 210, который расположен поверх проводящей дорожки 230, и пример катода 220, который расположен поверх проводящей дорожки 240, любые другие элементы можно наносить в любой точке трехмерной поверхности. Например, в вариантах осуществления, где в печатном элементе питания 200 используется мостик 250, такой мостик 250 можно наносить между проводящими дорожками 230 и 240. В других вариантах осуществления в любой точке трехмерной поверхности можно разместить, напечатать и/или нанести любые другие элементы.
На Фиг. 3 представлен пример вида в сечении элемента питания 300 на трехмерной поверхности 310. Хотя трехмерная поверхность 310 показана на рисунке относительно гладкой, такая трехмерная поверхность 310 может включать любое число различных форм, выступов, контуров, неоднородностей и/или элементов топографии. В некоторых вариантах осуществления трехмерная поверхность 310 может быть выполнена из любого электрически и/или физически изолирующего материала, например, мономерного состава и/или форполимерного материала, которые можно поперечно сшить, кремнийсодержащих эластомеров или гидрогелей, полиэтиленоксида, полиакриловой кислоты, кремнийсодержащих гидрогелей, фторированных кремнийсодержащих гидрогелей, полипропилена, полистирола, полиэтилена, полиметилметакрилата и/или модифицированного полиолефина. Другие материалы, которые можно использовать в комбинации с одной или более добавками для образования трехмерной поверхности, включают в себя, например, полипропиленовые смолы Zieglar-Natta. Трехмерная поверхность может быть полужесткой или гибкой. Трехмерная поверхность может быть выполнена из биосовместимого материала. В других вариантах осуществления трехмерную поверхность 310 можно изготавливать из материала, который является электрическим проводником или полупроводником, например, термопластического проводящего материала.
В некоторых вариантах осуществления на трехмерную поверхность 310 можно нанести необязательное покрытие 320. Такое покрытие может иметь любую толщину, обеспечивающую изменение поверхностных свойств трехмерной поверхности. Например, трехмерная поверхность может быть гидрофобной или гидрофильной. В этом случае покрытие трехмерной поверхности покрытием 320, например, полимером, может придавать трехмерной поверхности желательные адгезионные характеристики для материалов, которые будут затем на нее наноситься. Покрытие 320 может быть биосовместимым и может включать в себя, например, полиуретаны, метакрилат-уретановые сополимеры и т. п.
2
2
2
2
2
2
2
2
На поверхности покрытия 320 можно сформировать проводящие дорожки 330 и 340. На проводящие дорожки 330 и 340 можно нанести химические смеси для образования компонентов элемента питания 300. Например, для формирования анода 350 поверх проводящей дорожки 330 наносят химические вещества, которые используются для изготовления анода, как описано выше. Анод 350 может включать в себя, например, литий (Li), натрий (Na), магний (Mg), алюминий (Al), кальций (Ca), железо (Fe), цинк (Zn), кадмий (Cd), свинец (Pb), интеркалированные соединения лития и/или гидриды металлов. Аналогичным образом для формирования катода 360 поверх проводящей дорожки 340 наносят химические вещества, которые используются для изготовления катода, как описано выше. Катод 360 может включать в себя, например, хлор (Cl), двуокись серы (SO), двуокись марганца (MnO), основный оксид никеля (NiOOH), хлорид меди (CuCl), дисульфид железа (FeS), окись серебра (AgO), бром (Br), окись ртути (HgO), окись свинца (PbO) и/или йод (I). В некоторых вариантах осуществления анод 350 можно формировать поверх проводящей дорожки 330, а катод 360 можно формировать поверх проводящей дорожки 340. Кроме того, поверх проводящих дорожек 330 и 340 можно формировать и другие активные элементы в дополнение к аноду 350 и катоду 360 или вместо анода 350 и катода 360.
Комбинация анода 350 и катода 360 является важными компонентами элемента питания, такого как аккумуляторная батарея. При этом, хотя анод 350 и катод 360 показаны в параллельной и раздельной конфигурации, анод 350 и катод 360 могут быть выполнены в любой конфигурации. Например, в зависимости от длины анода 350 и катода 360 анод 350 и катод 360 не обязательно должны быть параллельны, если они непосредственно не контактируют друг с другом. Кроме того, анод 350 и катод 360 не обязательно должны быть компланарными. Напротив, они могут размещаться на двух различных уровнях на трехмерной поверхности 310. Например, если трехмерная поверхность 310 содержит выступы или углубления и либо анод 350, либо катод 360 наносят поверх таких выступов или углублений, то либо анод 350, либо катод 360 могут находиться в нижней или верхней плоскости относительно друг друга. Более того, в некоторых вариантах осуществления, если анод 350 может быть сформирован на всей трехмерной поверхности 310, то катод 360 может быть образован поверх анода 350 в наложенной конфигурации с изоляцией между анодом 350 и катодом 360.
В некоторых вариантах осуществления можно необязательно сформировать мостик 370, который соединяет и по меньшей мере частично или полностью покрывает анод 350 и катод 360. Как показано на Фиг. 3, мостик 370 соединяет и частично покрывает анод 350 и катод 360. Мостик 370 может представлять собой пористый изолятор, через который может осуществляться и формироваться диффузия ионов поверх анода 350 и катода 360 путем нанесения химических веществ, используемых для формирования мостика, как описано выше.
2
4
Поверх анода 350, катода 360 и мостика 370 наносят электролит 380. В жидкостном элементе питания 300 электролит 380 можно изготовить из смеси растворителя, который в большинстве случаев может представлять собой водный раствор, и других химических веществ. Электролит 380 обеспечивает ионную проводимость между анодом 350 и катодом 360. В некоторых вариантах осуществления электролит 380 может представлять собой жидкость, которая может проходить через анод 350, катод 360 и мостик 370, так что она не видна на поперечном сечении элемента питания 300 на Фиг. 3. В других вариантах осуществления электролит 380 может присутствовать в форме геля и частично или полностью покрывать анод 350, катод 360 и мостик 370. Электролит 380 может быть кислотным, основным, нейтральным, и в этом качестве могут выступать, например, гидроксид калия (KOH), гидроксид натрия (NaOH), хлорид цинка (ZnCl), хлорид аммония (NHCl) и т. п.
Электролит 380 инкапсулирован или герметизирован основным герметизирующим материалом 390, который может соединять и который герметизирует элемент питания 300 с обоих концов трехмерной поверхности 310. Основной герметизирующий материал 390 должен быть непроводящим, и для него можно использовать эпоксидные смеси, фторполимеры, акриловые производные, кремнийсодержащие соединения, полиуретаны, эмали, керамику, конформные покрытия и т.п. В некоторых вариантах осуществления поверх основного герметизирующего материала 390 можно необязательно нанести вспомогательный герметизирующий материал 395. Основной герметизирующий материал 390 и/или вспомогательный герметизирующий материал 395 могут определять форму элемента питания. В некоторых вариантах осуществления толщина основного герметизирующего материала 390 и/или вспомогательного герметизирующего материала 395 может быть постоянной, тогда как в других вариантах осуществления толщина может меняться при перемещении в плоскости x–y элемента питания 300.
Внешняя поверхность основного герметизирующего материала 390 или вспомогательного герметизирующего материала 395 в зависимости от того, используется ли вспомогательный герметизирующий материал 395 в элементе питания 300, придает барьерные свойства для препятствования свободному прохождению частиц в обе стороны в элемент питания, отличается химической стойкостью, так что не реагирует с внешней средой, с которой находится в контакте, а также совсем или практически не поглощает воду. Внешняя поверхность основного герметизирующего материала 390 или вспомогательного герметизирующего материала 395, в зависимости от того, используется ли вспомогательный герметизирующий материал 395 в элементе питания 300, также изготавливают из биосовместимого материала, например, биосовместимого полимера. Такой биосовместимый материал должен отличаться достаточной прочностью, чтобы удерживать вместе различные компоненты биосовместимого элемента питания, одновременно обеспечивая достаточную гибкость для различных приложений. Биосовместимый герметизирующий материал может, например, состоять из альгинатов, париленов, таких как парилен-С, полиакрилонитрилов («ПАН»), полиэтиленгликолей, полипирролов, модифицированных целлюлоз, полисульфонов, полиамидов или им подобных.
Кроме того, хотя в поперечном сечении печатного элемента питания 300 на Фиг. 3 приведена жидкостная аккумуляторная батарея щелочного типа, можно формировать многие другие типы элементов питания, в том числе твердотельные аккумуляторные батареи. Кроме того, хотя выше подробно были описаны аддитивные процессы печати, для формирования элемента питания 300 можно использовать различные субтрактивные методы обработки. Например, для удаления требуемых участков можно использовать литографические процессы и субтрактивную обработку травлением. В некоторых вариантах осуществления можно использовать сочетание субтрактивных и аддитивных процессов, где, например, наносятся крупные слои, которые избирательно удаляют для образования анода 350 и катода 360, в то время как мостик 370 можно изготовить с использованием аддитивного процесса.
Аспекты структуры дорожек для примеров элементов питания
Жидкостные аккумуляторные батареи щелочного типа являются сложным примером элемента питания. Электролиты, входящие в состав такого рода аккумуляторных батарей, в некоторых вариантах осуществления могут иметь основные (в отличие от кислотных) свойства. Адгезия различных компонентов друг к другу может быть важным требованием для некоторых вариантов осуществления. Кроме того, в присутствии основных водных растворов некоторые варианты структуры дорожек могут обеспечивать лучшую адгезию по сравнению с другими вариантами.
На покрытии могут быть сформированы проводящие дорожки, которые, например, являются гидрофобными. Примером композиции дорожки с такими гидрофобными свойствами могут быть дорожки, образованные из проводящих эпоксидных композиций, например, металлизированных паст. В таких дорожках может содержаться значительное количество проводящих частиц, которые имеют относительно низкое сопротивление, и такие проводящие дорожки могут обеспечивать достаточную адгезию к нижележащему покрытию. Проводящие дорожки из проводящего эпоксидного компаунда можно наносить с помощью описанного выше принтера или с использованием любого другого способа нанесения покрытий. В некоторых вариантах осуществления структуры проводящих дорожек могут иметь физические характеристики, которые могут усиливать адгезию или за счет дополнительной площади поверхности, и/или за счет формирования элементов, которые фиксируют нанесенные дорожки, образованные на их поверхности.
На Фиг. 4 представлен пример структуры трех проводящих дорожек 420, 440 и 450 на трехмерной поверхности 410. Проводящие дорожки можно формировать таким образом, чтобы внутри проводящих дорожек 420, 440 и 450 создать пропущенные участки, кольцевые области 430. Для формирования проводящих дорожек 420, 440 и 450 можно применять аддитивный процесс, так что кольцевые области 430 маскируются в ходе процедуры нанесения. В альтернативном варианте осуществления для формирования проводящих дорожек 420, 440 и 450 можно использовать субтрактивный процесс для удаления или вытравливания кольцевых областей 430.
В некоторых вариантах осуществления край кольцевых областей 430 может быть не вертикальным, а иметь прямой или обратный наклон. Изотропное химическое травление, особенно если проводящие дорожки 420, 440 и 450 формируются из набора слоев различных металлических материалов, может приводить к образованию выступа, проходящего поверх остальной части профиля края. Если проводящий материал дорожки наносится с помощью принтера, очередной накладываемый материал может затекать под выступ, что может обеспечивать более эффективную адгезию. Независимо от этого для улучшения адгезионных свойств проводящих дорожек 420, 440 и 450 можно применять самые различные варианты структуры выступов и углублений.
В некоторых вариантах осуществления, где проводящие дорожки 420, 440 и 450 используются для формирования анодов и катодов, для которых требуются различные электрохимические потенциалы, могут потребоваться различные металлические материалы. Такое использование различных металлических материалов обеспечивает электрохимическую совместимость проводящих дорожек с контактирующими с ними материалами электродов. Различных вариантов выбора видов материалов, которые входят в состав дорожек анода и катода, могут включать в себя благородные металлы, например, серебро и золото, а также другие металлы, в том числе цинк, никель, алюминий, титан и/или проводящие эпоксидные смолы, которые могут содержать серебряные, золотые и/или медные чешуйки.
Способы формирования элементов питания на трехмерных поверхностях
На Фиг. 5 представлен пример способа 500 для формирования элементов питания на трехмерных поверхностях. Вначале готовится трехмерная поверхность, на которую будут наноситься различные материалы для образования элемента питания (стадия 502). В некоторых вариантах осуществления подложка может быть получена из другого источника или от третьей стороны, тогда как в других вариантах осуществления подложка может быть изготовлена, например, с помощью литья.
В некоторых вариантах осуществления трехмерная поверхность может быть необязательно шероховатой (стадия 504). Трехмерной поверхности можно придать шероховатость, например, физической абразией поверхности, газофазным травлением и/или жидкофазным травлением. Шероховатая поверхность может иметь искомые адгезионные свойства в результате изменения химической структуры поверхности и/или увеличения физической площади поверхности. В некоторых вариантах осуществления такой этап может быть пропущен, поскольку шероховатость трехмерной поверхности может быть сформирована в процессе литья подложки за счет использования шероховатых форм для отливки в случае применения литья под давлением или литьевого формования для изготовления подложек, или же если материал субстрата обладает приемлемыми адгезионными характеристиками.
В некоторых вариантах осуществления на трехмерную поверхность (стадия 506) можно необязательного нанести покрытие. Нанесение покрытия на трехмерную поверхность может обеспечивать множество преимуществ, например, смачиваемость, механическую прочность, адгезию и функционализацию трехмерной поверхности за счет введения активных групп.
Затем на трехмерной поверхности формируют проводящие дорожки (стадия 508). Для нанесения проводящих дорожек можно использовать множество способов, таких как, например, трафаретная печать, нанесение теневой маски, фотолитографическое субтрактивное травление или прямая абляция для обработки субтрактивным травлением. Как уже отмечалось выше, проводящие дорожки можно наносить на трехмерную поверхность печатным способом с использованием проводящих паст, изготовленных из смесей адгезивов и металлических чешуек. Например, проводящие дорожки с серебряным проводником можно наносить на трехмерную поверхность с использованием печатающего устройства Nscrypt™, наконечника типа EFD и пасты на основе серебра, например, Du Pont 5025.
После нанесения проводящих дорожек на трехмерную поверхность на полученных проводящих дорожках можно сформировать элементы питания. На подмножестве проводящих дорожек можно сформировать анод (стадия 510). Химическая смесь анода может частично или полностью покрывать подмножество проводящих дорожек. Анод можно наносить с помощью трафаретной техники или иных аддитивных технологий, субтрактивных технологий, технологий наращивания или технологий осаждения, например, электроосаждения. В некоторых вариантах осуществления для формирования анода можно наносить композиции на основе цинка. Для формирования анода можно наносить множество различных химических смесей и композиций. Однако в таблице 1 приведен пример композиции.
На другом подмножестве проводящих дорожек можно сформировать катод (стадия 512). Химическая смесь катода может частично или полностью покрывать другое подмножество проводящих дорожек. Катод можно наносить с помощью трафаретной техники или иных аддитивных технологий, субтрактивных технологий, технологий наращивания или технологий осаждения, например, электроосаждения. Для формирования катода можно наносить множество различных химических смесей и композиций. Однако в таблице 2 приведен пример композиции.
В некоторых вариантах осуществления в контакте с анодом и катодом можно необязательно нанести мостик (стадия 514). Химическая смесь мостика может частично или полностью покрывать одну или несколько проводящих дорожек. Мостик можно наносить с помощью трафаретной техники или иных аддитивных технологий, субтрактивных технологий, технологий наращивания или технологий осаждения, например, электроосаждения. Для формирования мостика можно наносить множество различных химических смесей и композиций. Однако в таблице 3 приведен пример композиции.
Хотя на Фиг. 5 приведен пример нанесения анода до формирования катода, анод и катод можно наносить в любой последовательности. Например, в некоторых вариантах осуществления катод можно наносить до анода. Кроме того, в приведенном на Фиг. 5 примере мостик наносят после нанесения анода и катода. Вместе с тем в некоторых вариантах осуществления можно сначала нанести мостик между и/или частично на проводящих дорожках до нанесения анода и катода, чтобы обеспечить более эффективную адгезию и изолировать анод от катода, в особенности, если наносимая печатным способом химическая смесь склонна к растеканию.
Затем по меньшей мере на анод и катод наносят электролит (стадия 516). Как отмечалось выше, электролит может быть представлен в жидкой, гелеобразной или полимерной форме. После это можно инкапсулировать анод, катод и электролит (стадия 518). Инкапсулирование обеспечивает герметичную изоляцию элементов питания от других компонентов на трехмерной поверхности, если таковые имеются. Как описано выше, инкапсулирование можно проводить с одним слоем или с двумя слоями. Внешний слой инкапсулирующего материала может быть биосовместимым, так что элементы питания можно встраивать в биосовместимые устройства.
В зависимости от свойств электролита стадии 516 и 518 можно менять местами, так что сначала можно провести инкапсулирование с последующей инжекцией жидкого электролита через инкапсулирующий материал или через специальный элемент для заполнения, сформированный в инкапсулирующем материале. В таких вариантах осуществления после заливки жидкого электролита можно также провести герметизацию зоны инкапсулирующего материала, через которую производилась такая заливка. Жидкий электролит может заполнять большую часть объема, например, 80% или более, пространства, созданного инкапсулирующим материалом.
В некоторых вариантах осуществления подложку можно необязательно удалить для отделения элемента питания (стадия 520). Если элемент питания встраивается в биосовместимое устройство, которое не является частью подложки, то биосовместимый элемент питания можно отделить и встроить в такое биосовместимое устройство. В некоторых вариантах осуществления в качестве выводных контактов биосовместимого элемента питания можно использовать открытые участки проводящих дорожек, не покрытые инкапсулирующим материалом. Например, к открытым участкам проводящих дорожек можно подключить интегральную схему для управления различными функциями биосовместимого устройства только в момент инициирующего события, с тем чтобы свести к минимуму расход заряда элемента питания, до тех пор пока не возникнет потребность в использовании его энергии.
Биосовместимые устройства могут представлять собой, например, имплантируемые электронные устройства, в частности, кардиостимуляторы и микроисточники энергии, электронные таблетки для мониторинга и/или тестирования той или иной биологической функции, хирургические устройства с активными компонентами, офтальмологические устройства, микронасосы, дефибрилляторы, стенты, нейронные интерфейсы, устройства дозирования лекарств и т.п.
В некоторых вариантах осуществления трехмерный биосовместимый элемент питания может быть перезаряжаемым. Например, на трехмерной поверхности может быть сформирована индукционная катушка. Индукционную катушку затем можно возбуждать радиочастотным («РЧ») импульсом. Индукционную катушку можно подключить к трехмерному биосовместимому элементу питания для подзарядки элемента питания при подаче РЧ на индукционную катушку. В другом примере на трехмерной поверхности можно также изготовить фотодиоды, которые подключаются к трехмерному биосовместимому элементу питания. Под действием света или фотонов фотодиоды будут вырабатывать электроны для подзарядки элемента питания.
Выше были описаны конкретные примеры исключительно для иллюстрации различных вариантов осуществления формирования, способов формирования и устройств формирования биосовместимых элементов питания. Такие примеры предназначены для указанных целей иллюстрации и никоим образом не призваны ограничивать объем пунктов формулы изобретения. Соответственно, настоящее описание предполагает охват всех вариантов осуществления, которые могут быть очевидны для специалистов в данной области.