用于密封并包封生物相容性通电元件的装置和方法
【专利说明】用于密封并包封生物相容性通电元件的装置和方法
[0001] 相关专利申请的交叉引用
[0002] 本专利申请要求2014年8月21日提交的美国临时申请62/040178的权益。
【背景技术】
[0003] 1.巧术领域
[0004] 本发明描述了用于密封并包封生物相容性通电元件的装置和方法。在一些实例 中，用于密封并包封生物相容性通电元件的装置和方法的使用领域可包括任何需要能量的 生物相容性装置或产品。
[000引 2.巧关领域描沐
[0006] 近来，医疗装置的数量开始快速增长并且其功能不断完善。运些医疗装置可包括 例如植入式起搏器、监测和/或测试生物功能的电子药丸、具有活性部件的外科装置、接触 镜片、输注累和神经刺激器。前述许多医疗装置的功能增加和性能增强已经理论化并得W 发展。然而，为了实现在理论上所说的增加的功能，运些装置中的许多现在都需要自备式通 电机构，该机构与运些装置的尺寸和形状要求W及新通电部件的能量要求相容。
[0007] -些医疗装置可包括诸如半导体器件的电气部件，运些部件执行多种功能并且可 W结合到许多生物相容性和/或植入式装置中。然而，此类半导体部件需要能量，因此，通 电元件也应该优选地被包括在此类生物相容性装置中。生物相容性装置的外形和相对较小 的尺寸可为各种功能的限定产生挑战性的环境。在许多实例中，重要的是提供安全、可靠、 紧凑和高性价比的装置来为生物相容性装置内的半导体部件供电。因此，需要形成用于植 入生物相容性装置之内或之上的生物相容性通电元件，在生物相容性装置中的运些毫米或 更小尺寸的通电元件结构在保持生物相容性的同时也提供了增强的功能。
[0008] 另外，可能需要保护运些通电元件，使其免受周围环境影响，W便维持其功能和性 能。运可能包括使流体流入或流出通电元件。举例来说，置于接触镜片中的生物相容性电 池可能会暴露于泪液，从而可能导致流体与阳极和阴极接触，最终缩短电池寿命。因此，需 要保护通电元件，使其免受外部环境影响。
【发明内容】
[0009] 因此，本发明公开了用于密封并包封生物相容性通电元件的装置和方法，其在维 持生物相容性通电元件所需的生物相容性、性能和功能的同时提供电化学和生物相容性优 点。
[0010] 一个总体方面包括由能够密封的聚合物膜包封的生物相容性通电元件。可W对该 能够密封的聚合物膜进行处理，W便用其自身形成密封，且与生物相容性通电元件之类的 元件一起形成密封。另外，该能够密封的聚合物膜可W围绕通电元件形成包封件，同时保持 生物相容性通电元件内的腔结构。生物相容性通电元件可包括：第一集流体和第二集流体、 阴极、阳极、电解质W及包括腔的层状结构。
[0011] 生物相容性通电元件的具体实施可具有W下特征中的一种或多种。能够密封的聚 合物膜可包含聚丙締。能够密封的聚合物膜可W通过焊接方式处理。能够密封的聚合物膜 还可利用粘合剂粘附到生物相容性通电元件。能够密封的聚合物膜可被焊接到生物相容性 通电元件内容纳的分隔物。能够密封的聚合物膜可被焊接到生物相容性通电元件内容纳的 分隔物架。能够密封的聚合物膜可被焊接到生物相容性通电元件的集流体。生物相容性通 电元件可用于生物医疗装置中。生物医疗装置可W是眼科装置。眼科装置可W是接触镜片。
[0012] 另一个总体方面包括用于包封生物相容性通电元件的方法，其中该方法包括：获 得能够密封的第一聚合物膜；将第一集流体放置在能够密封的第一聚合物上；将第一电极 放置在第一集流体上；将分隔物架放置在第一集流体上，其中使分隔物架包围第一电极，并 且其中分隔物架在层状结构内生成限定的腔；将分隔物放置在分隔物架上，其中使分隔物 在腔内围住第一电极；将第二电极放置在分隔物上；将能够密封的第二聚合物放置在第二 集流体上；W及将能够密封的第一聚合物和第二聚合物密封到一起，W形成密封的且包封 的通电元件。生物相容性通电元件可包括：第一集流体和第二集流体、阴极、阳极、电解质W 及包括腔的层状结构。
[0013] 用于包封生物相容性通电元件的方法的具体实施可具有W下特征中的一种或多 种。第一聚合物层和第二聚合物层可包含聚丙締。将能够密封的第一聚合物和第二聚合物 密封到一起可包括焊接。将能够密封的第一聚合物和第二聚合物密封到一起可包括用粘合 剂将能够密封的第一聚合物和第二聚合物粘附起来。能够密封的第一聚合物和第二聚合物 可包括粘合剂与能够密封的第一聚合物和第二聚合物的焊接的组合。该方法还可包括用粘 合剂将第一集流体和第二集流体粘附到分隔物架。该方法还可包括用粘合剂将能够密封的 聚合物膜粘附到生物相容性通电元件。该方法还可包括使能够密封的聚合物膜金属化，W 形成金属化的聚合物膜。该方法还可包括通过焊接用通电元件密封金属化的聚合物膜。该 方法还可包括通过焊接将金属化的聚合物膜密封到集流体。该方法还可包括将生物相容性 通电元件放置到插入件中。该方法还可包括将插入件放置到生物医疗装置中。生物医疗装 置可W是眼科装置。眼科装置可W是接触镜片。
【附图说明】
[0014] W下是附图所示的本发明优选实施例的更为具体的说明，通过运些说明，本发明 的上述及其他特征和优点将显而易见。
[0015] 图IA至图ID示出了与接触镜片的示例性应用一致的生物相容性通电元件的示例 性方面。
[0016] 图2示出了示例性电池设计的单个电池的示例性尺寸和形状。
[0017] 图3A示出了具有示例性阳极和阴极连接件的第一独立式封装的生物相容性通电 元件。
[0018] 图3B示出了具有示例性阳极和阴极连接件的第二独立式封装的生物相容性通电 元件。
[0019] 图4A至图4N示出了形成用于生物医疗装置的生物相容性通电元件的示例性方法 步骤。
[0020] 图5示出了示例性的完全成形的生物相容性通电元件。
[0021] 图6A至图6F示出了生物相容性通电元件结构形成的示例性方法步骤。
[0022] 图7A至图7F示出了采用另选电锻方法使生物相容性通电元件结构形成的示例性 方法步骤。
[0023] 图8A至图細示出了形成具有水凝胶分隔物的用于生物医疗装置的生物相容性通 电元件的示例性方法步骤。
[0024] 图9A至图9C示出了利用另选的水凝胶处理实例使生物相容性通电元件结构形成 的示例性方法步骤。
[0025] 图IOA至图IOF示出了将阴极混合物沉积到腔中的优化及未优化的过程。
[0026] 图11示出了腔内阴极混合物的聚结。
[0027] 图12A至图12F示出了胶凝的电解质在生物相容性通电元件中的示例性用途。 [002引 图13A至图13C示出了用于密封并包封生物相容性通电元件的示例性设计。
[0029] 图14A至图14H示出了用于密封并包封生物相容性通电元件的示例性方法步骤。
[0030] 图15A至图15D示出了示例性通电元件的示例性剖视图。
[0031] 图16A至图16G示出了用于密封并包封生物相容性通电元件的另选示例性方法步 骤。
【具体实施方式】
[0032] 本申请中公开了在生物相容性电池中使用的生物燃料电池。在下述部分中，给出 了各种实例的详细描述。文中描述的实例仅为示例性实施例，各种修改和更改对于本领域 的技术人员而言可为显而易见的。因此，实例不限制本申请的范围。可设计生物燃料电池 和包含该生物燃料电池的结构W用于在生物相容性电池中使用。在一些实例中，运些生物 相容性电池可被设计成在活生物体的机体中或其附近使用。
[0033] 术语
[0034] 在下文的说明和权利要求书中，可用到各种术语，它们将采用W下定义：
[0035] 如本文所用的"阳极"是指电流通过其流进极化的电气装置的电极。电流的方向 通常与电子流的方向相反。换句话讲，电子从阳极流进例如电路中。
[0036] 如本文所用的"粘结剂"是指能够表现出对机械变形的弹性反应并且与其他通电 元件部件化学相容的聚合物。例如，粘结剂可包括电活性材料、电解质、聚合物，等等。
[0037] 如本文所用的"生物相容性"是指在具体的应用中W合适的宿主反应执行的材料 或装置。例如，生物相容性装置对生物系统不具有毒性或有害作用。
[003引如本文所用的"阴极"是指电流通过其流出极化的电气装置的电极。电流的方向 通常与电子流的方向相反。因此，电子流进极化的电气装置的阴极并流出例如所连接的电 路。
[0039] 如本文所用的"涂层"是指薄的形式的材料沉积物。在一些用途中，该术语将指代 基本上覆盖基底表面的薄沉积物，该沉积物在表面上形成。在其他更特殊的用途中，该术语 可用于描述在表面的更小区域中的小且薄的沉积物。
[0040] 如本文所用的"电极"可指能量源中的有效质量。例如，它可W包括阳极和阴极之 一或二者。
[0041] 如本文所用的"通电的"是指能够提供电流或能够在其内储存电能的状态。
[0042] 如本文所用的"能量"是指使物理系统做功的能力。通电元件的许多用途可设及 能够执行电动作的能力。
[0043] 如本文所用的"能量源"或"通电元件"或"通电装置"是指能够提供能量或将逻辑 或电气装置置于通电状态的任何装置或层。通电元件可包括电池。电池可由碱性类型的电 池化学物质形成，并且可为固态电池或湿电池。
[0044] 如本文所用的"填充物"是指不与酸或碱性电解质反应的一种或多种通电元件分 隔物。一般来讲，填充物可包括基本上不溶于水的材料，诸如炭黑；煤粉；石墨；金属氧化 物和氨氧化物诸如娃、侣、巧、儀、领、铁、铁、锋和锡的那些氧化物和氨氧化物；金属碳酸盐， 诸如巧和儀的那些碳酸盐；矿物质，诸如云母、蒙脱±、高岭石、绿坡缕石和滑石；合成的和 天然的沸石，诸如波特兰水泥；沉淀金属娃酸盐，诸如娃酸巧；中空或实屯、聚合物或玻璃微 球、薄片和纤维；等等。
[0045] 如本文所用的"功能化的"是指使层或装置能够执行包括例如通电、激活和/或控 制的功能。
[0046] 如本文所用的"电离盐"是指能溶于溶剂中W生成溶解在溶液中的离子的离子固 体。在多种实例中，溶剂可包括水。
[0047] 如本文所用的"模具"是指可W用于由未固化的制剂形成S维物体的刚性或半刚 性物体。一些示例性模具包括两个模具部件，所述两个模具部件在彼此相对时限定=维物 体的结构。
[004引如本文所用的"功率"是指单位时间内做的功或传递的能量。
[0049] 如本文所用的"可再充电"或"可再通电"是指恢复到具有更大做功本领的状态的 能力。多种用途可设及能够使电流W某一速率在特定的恢复时间周期内流动的恢复能力。
[0050] 如本文所用的"再通电"或"再充电"是指恢复到具有更大做功本领的状态。多种 用途可设及使装置恢复到使电流W某一速率在特定的恢复时间段内流动的能力。
[0051] 如本文所用的并有时称为"从模具释放"的"释放"意指S维物体与模具完全分离， 或者只是松散地附接到模具，使得可通过轻轻晃动而移除。
[0052] 如本文所用，"分隔物架"是指生物相容性通电元件中用于避免分隔物周围发生边 缘短路的元件，其实施方式为切割分隔物、液体分隔物或运两种分隔物的组合。分隔物架可 W是接受机械加工（例如激光加工）并再放置到电池构造内的聚合物诸如聚丙締。分隔 物架需要是能够密封到封装膜的顶部和底部的材料；也可W是玻璃或陶瓷之类的另一种材 料，只要能被切割和密封即可。粘合剂、亮漆、环氧树脂、渐青等物质可W与刚性分隔物架结 合使用。
[0053] 如本文所用的"堆叠的"是指将至少两个部件层紧邻彼此放置，使得其中一层的一 个表面的至少一部分接触第二层的第一表面。在一些实例中，不论用于粘附或者用于其他 功能的涂层可驻留在通过该涂层彼此接触的两个层之间。
[0054] 如本文所用的"迹线"是指能够将电路部件连接在一起的通电元件部件。例如， 当基底为印刷电路板时，电路迹线可包括铜或金，并且在柔性电路中通常可为铜、金或印刷 膜。一种特殊类型的"迹线"为集流体。集流体是具有电化学相容性的迹线，运使得集流体 适用于在电解质的存在下引导电子流向阳极或流出阴极。
[0055] 本文展示的方法和设备设及形成用于包括在扁平或=维生物相容性装置之内或 之上的生物相容性通电元件。一种特定类型的通电元件可为W层形式制造的电池。层还可 被归类为层合物层。W运种方式形成的电池可被归类为层状电池。
[0056] 根据本发明，还可有关于如何组装和配置电池的其他实例，其中一些会在W下部 分中描述。然而，对于许多运些实例，存在可独立进行描述的电池的所选参数和特性。在下 述部分中，将重点描述一些特性和参数。
[0057] 具有牛物巧容忡通由元件的示例忡牛物民疗装晉构推
[005引可包括本发明的通电元件、电池的生物医疗装置的实例可W是电活性调焦接触镜 片。参见图1A，此类接触镜片插入件的实例可被描述为接触镜片插入件100。在接触镜片 插入件100中，可存在电活性元件120,该电活性元件可响应于控制电压来适应聚焦特性变 化。用于提供那些控制电压信号W及提供其他功能诸如根据外部控制信号控制环境感测的 电路105可由生物相容性电池元件110供电。如图IA所示，电池元件110可作为多个主 要部件，在此例中是=个部件，并可包括本文讨论的各种电池化学元件构造。电池元件110 可具有各种互连特征结构，W将可示出为在互连件区域114下方的件接合在一起。电池元 件110可连接至电路元件，该电路元件可具有自身的基底111，互连特征结构125可位于该 基底上。可为集成电路形式的电路105可电连接和物理连接至基底111及其互连特征结构 125。
[0059] 参见图1B，接触镜片150的剖面浮雕（cross sectional relief)可包括接触镜片 插入件100及其所讨论的组成。接触镜片插入件100可被包封到接触镜片水凝胶155的裙 边中，裙边可包封接触镜片插入件100并为用户的眼睛提供与接触镜片150的舒适接触面。
[0060] 参考本发明的概念，电池元件可W二维形式形成，如图IC所描述。在该图示中，可 存在电池单元的两个主要区域，即电池部件165和第二电池部件的区域W及电池化学元件 160的区域。在图IC中W扁平形式示出的电池元件可连接至电路元件163,在图IC的实例 中电路元件163可包括两个主要电路区域167。电路元件163可在电触点161和物理触点 162处连接至电池元件。如已相对于本发明进行描述的，该扁平结构可折叠成=维锥形结 构。在此过程中，第二电触点166和第二物理触点164可用于连接=维结构并使其保持物 理稳定。参见图1D，可找到该S维锥形结构180的图示。其中也可找到物理触点和电触点 181，并且该图示可视为所得结构的=维视图。该结构可包括模块化电气和电池部件，所述 部件将与镜片插入件一起结合到生物相容性装置中。
[0061] 分段式由術方案
[0062] 参见图2,针对用于接触镜片类型实例的示例性电池元件描述了不同类型的分段 式电池方案的实例。分段部件可相应地为圆形271、正方形272或矩形。在矩形实例中，矩 形可W是小矩形形状273,较大矩形形状274,或者甚至更大的矩形形状275。
[0063] 扁平由術元件的定制形状
[0064] 在生物相容性电池的一些实例中，电池可成形为扁平元件。参见图3A，描述了具有 阳极连接件311和阴极连接件312的电池元件的矩形轮廓310的实例。参见图3B，描述了 具有阳极连接件331和阴极连接件332的电池元件的圆形轮廓330的实例。
[0065] 在一些扁平形式电池的实例中，可将电池形式的轮廓配置成在尺寸和几何形状上 与定制产品贴合。除矩形或圆形轮廓的实例外，还可形成定制的"自由形式"或者"自由形 状"轮廓，运可允许优化电池构型W装配在给定的产品内。
[0066] 在可变光学件的示例性生物医疗装置中，扁平轮廓的"自由形式"实例可为弧形形 式。自由形式可具有W下几何形状，当它形成=维形状时，其可采用装配在接触镜片的限制 范围内的锥形、环形裙边的形式，。显然，在医疗装置具有限制性2D或3D形状要求的情况 下，可形成类似的有利几何形状。
[0067] 由術的牛物巧容忡方而
[0068] 作为一个实例，根据本发明的电池可具有关于安全性和生物相容性的重要方面。 在一些实例中，用于生物医疗装置的电池可需要满足优于典型应用场景的要求。在一些实 例中，可在设计方面考虑到与应力事件相关。例如，可需要考虑用户在插入或取出镜片期 间打碎镜片的情况下电子接触镜片的安全性。又如，可能在设计方面应考虑用户眼睛被异 物袭击的可能性。可在开发设计参数和约束条件时考虑到的应力条件的其他实例可设及， 在非限制性实例中，用户在具有挑战性的环境如水下环境或高海拔环境中佩戴镜片的可能 性。
[0069] 形成装置的材料、生产装置中所用的材料量W及用于将装置与其身体上或体内的 周围环境分开的封装件均可影响此类装置的安全性。在一个实例中，起搏器可为一种典型 类型的生物医疗装置，其可包括电池并且可植入用户体内较长时间段。因此，在一些实例 中，此类起搏器通常可用焊接、密封的铁外壳进行封装，或在其他实例中，进行多层包封。新 兴的动力生物医疗装置可为封装尤其是电池封装带来新的挑战。运些新型装置可比现有 的生物医疗装置小得多，例如，电子接触镜片或药丸摄影机可显著小于起搏器。在运些实例 中，可用于封装的体积和面积可大大降低。
[0070] 微由術的由气要求
[0071] 设计考虑的另一个领域可设及装置的电气要求，运可由电池提供。为了能用作医 疗装置的电源，合适的电池可需要在不连接或没有外部供电模式下操作时能满足系统的全 部电气要求。新兴的不连接或没有外部供电的生物医疗装置领域可包括例如视力矫正接触 镜片、健康监测设备、药丸摄影机W及一些新型装置。集成电路（IC)技术的最新进展可允 许在极低的电流水平下进行有意义的电气操作，例如，待机电流仅为皮安级W及工作电流 仅为微安级。IC的进展也可允许非常小的装置。
[0072] 用于生物医疗应用的微电池可需要满足许多同步的、挑战性的需求。例如，微电池 可需要具有将合适的工作电压递送至相结合的电路的能力。该工作电压可受若干因素的影 响，包括JC工艺"节点"、电路到其他装置的输出电压、W及具体的电流消耗目标（运也可 与期望的装置寿命相关）。
[0073] 至于IC工艺，节点通常可通过晶体管的最小特征尺寸进行区分，诸如其"所谓的" 晶体管通道。该物理特征结构W及IC制造的其他参数诸如栅极氧化厚度可与针对在给定 工艺节点中制造的场效应晶体管（FET)的"开启"电压或"阔值"电压所得的评级标准相关 联。例如，在最小特征尺寸为0. 5微米的节点中，场效应晶体管开启电压通常为5. 0V。然而 在最小特征尺寸为9