Биосовместимая проволочная аккумуляторная батарея

Биосовместимая проволочная аккумуляторная батарея

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область применения изобретения

Настоящее изобретение относится к перезаряжаемой электрохимической аккумуляторной батарее и более конкретно относится к биосовместимой перезаряжаемой электрохимической аккумуляторной батарее, выполненной в виде проволоки, для запитывания устройства, предназначенного для имплантации в живой организм или в непосредственной близости от него, а также любого другого устройства, требующего нетрадиционных форм аккумуляторной батареи.

2. Описание смежной области

В последнее время наблюдается резкий рост числа имплантируемых медицинских устройств. Например, за последнее десятилетие многократно возросло применение стентов, стентов, выделяющих лекарственный препарат, кардиостимуляторов, дефибрилляторов, вспомогательных желудочковых систем, инфузионных помп для глюкозы и нейростимуляторов. Некоторые из перечисленных выше примеров, а также ряд других имплантируемых и/или неимплантируемых медицинских устройств представляют собой активные устройства, для работы которых необходимы источники энергии. К источникам энергии или аккумуляторным батареям, которые используют совместно с имплантируемыми или неимплантируемыми медицинскими устройствами, как правило, предъявляются жесткие требования относительно физических размеров и характеристик. Аккумуляторные батареи предыдущего поколения, которые были разработаны для имплантируемых медицинских устройств, представляли собой более крупные устройства с относительно коротким сроком службы. Однако с распространением миниатюрных имплантируемых медицинских устройств для таких разнообразных приложений, как доставка лекарственных средств, измерение и контроль уровня глюкозы и нейростимуляция, необходимы аккумуляторные батареи, способные обеспечивать подходящий уровень энергии и занимающие еще меньший объем. Помимо небольшого размера предназначенная для имплантации аккумуляторная батарея также предпочтительно должна иметь подходящий срок службы, несущественно малые скорости саморазряда, высокую надежность в течение продолжительного периода времени, а также быть совместимой с химической средой в организме пациента. Иными словами, она должна быть настолько биосовместима, насколько это возможно. Для соблюдения этого требования можно использовать биосовместимые покрытия и/или герметично закрывающие материалы.

Определенные типы используемых в аккумуляторных батареях химических систем, например, литиевые химические системы, нуждаются в герметизации аккумуляторной батареи; однако герметичная упаковка может затруднить получение нетрадиционных конструктивных решений. Таким образом, для устранения необходимости в герметизации аккумуляторной батареи можно использовать другие химические системы.

Устройства, кратко описанные выше, считаются включающими в себя некоторые из более традиционных запитываемых энергией или потребляющих энергию имплантируемых устройств. В последнее время были высказаны предположения о возможности встраивания активных компонентов или потребляющих энергию компонентов в состав устройств, традиционно считающихся пассивными. Например, контактные линзы обеспечивали выполнение функции корректировки зрения путем использования светопреломляющих свойств линзы. Кроме того, в контактных линзах можно использовать свойство изменения пигментации для достижения косметических улучшений или в состав линзы можно ввести терапевтические средства и/или лекарственные средства для обеспечения функций терапевтического устройства. Эти характеристики можно достичь в пассивном устройстве без запитывания контактной линзы энергией. Другим работающим в пассивном режиме устройством является пробка для слезной точки, которая используется для облегчения синдрома сухого глаза путем замедления ухода слезной жидкости через слезную точку. Однако, как указано выше, высказывались предположения о возможности введения активных компонентов в состав устройств, традиционно считающихся пассивными, таких как контактные линзы и/или пробки для слезной точки. Например, активный компонент контактной линзы может обеспечить возможность изменения оптической силы линзы. Кроме того, пробка для слезной точки может содержать микроразмерный насос для введения терапевтического средства. В настоящем документе пробка для слезной точки относится к устройству, форма и размер которого подходят для того, чтобы вводить его в нижний или верхний слезный каналец глаза через нижнюю или верхнюю слезную точку соответственно.

Таким образом, существует необходимость в хранении энергии в аккумуляторных батареях, которые совместимы с требованиями к размерам и форме этих устройств, а также с потребностями в энергии этих новых активных компонентов. Эти миниатюрные или микроразмерные аккумуляторные батареи должны обеспечивать подходящий уровень энергии на выходе, быть способны заряжаться с приемлемой скоростью, иметь подходящий жизненный цикл, быть способными продолжительное время работать в режиме глубокого разряда и по существу защищать себя от опасности утечки электролита.

ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Биосовместимая перезаряжаемая электрохимическая аккумуляторная батарея, составляющая предмет настоящего изобретения, преодолевает ряд недостатков, связанных с используемыми в настоящее время аккумуляторными батареями для имплантируемых и/или неимплантируемых медицинских устройств, а также устройствами немедицинского применения.

В соответствии с одним аспектом настоящее изобретение относится к электрохимическому элементу аккумуляторной батареи. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи содержит анодный токосъемник, выполненный в виде проволоки с заданным профилем сечения, анодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части анодного токосъемника, разделительный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере некоторой части анодного слоя, катодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части разделительного слоя, причем разделительный слой выполнен с возможностью предотвращения электрического контакта между анодным слоем и катодным слоем, катодный токосъемник, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части катодного слоя, и электролит, обеспечивающий ионную проводимость между анодным слоем и катодным слоем.

В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к электрохимическому элементу аккумуляторной батареи. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи содержит по меньшей мере один анодный токосъемник, выполненный в виде проволоки с заданным профилем сечения, по меньшей мере один катодный токосъемник, выполненный в виде проволоки с заданным профилем сечения, причем по меньшей мере один катодный токосъемник расположен смежно по меньшей мере с одним анодным токосъемником и находится на заданном расстоянии от него, причем каждый из по меньшей мере одного анодного токосъемника и по меньшей мере одного катодного токосъемника выполнены в виде пар, анодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части по меньшей мере одного анодного токосъемника, катодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части по меньшей мере одного катодного токосъемника, разделительный слой, образованный и расположенный вокруг некоторой части как анодного слоя, так и катодного слоя, причем разделительный слой выполнен с возможностью предотвращения электрического контакта между анодным слоем и катодным слоем, и электролит, обеспечивающий ионную проводимость между анодным слоем и катодным слоем.

В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к электрохимическому элементу аккумуляторной батареи. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи содержит катодный токосъемник, выполненный в виде проволоки с заданным профилем сечения, катодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части катодного токосъемника, разделительный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере некоторой части катодного слоя, анодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части разделительного слоя, причем разделительный слой выполнен с возможностью предотвращения электрического контакта между катодным слоем и анодным слоем, анодный токосъемник, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части анодного слоя, и электролит, обеспечивающий ионную проводимость между катодным слоем и анодным слоем.

В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к устройству, включающему в себя электрохимический элемент аккумуляторной батареи. Устройство содержит запитываемый энергией компонент, имеющий по меньшей мере один набор положительных и отрицательных электрических контактов, и электрохимический элемент аккумуляторной батареи в форме проволоки, расположенный внутри или на поверхности запитываемого энергией компонента, причем электрохимический элемент аккумуляторной батареи в форме проволоки имеет анодный токосъемник и катодный токосъемник, взаимно соединенные по меньшей мере с одним набором положительных и отрицательных электрических контактов, тем самым образуя замкнутую схему.

В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к скрытому электрохимическому элементу аккумуляторной батареи. Скрытый электрохимический элемент аккумуляторной батареи содержит анодный токосъемник, выполненный в виде проволоки с заданным профилем сечения, анодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части анодного токосъемника, причем анодный слой образован из предшественника восстанавливающего материала, который может быть превращен в восстанавливающий материал, разделительный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере некоторой части анодного слоя, катодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части разделительного слоя, причем катодный слой образован из предшественника окисляющего материала, который может быть превращен в окисляющий материал, причем разделительный слой выполнен с возможностью предотвращения электрического контакта между анодным слоем и катодным слоем, катодный токосъемник, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части катодного слоя, и электролит, обеспечивающий ионную проводимость между анодным слоем и катодным слоем.

В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к скрытому электрохимическому элементу аккумуляторной батареи. Скрытый электрохимический элемент аккумуляторной батареи содержит катодный токосъемник, выполненный в виде проволоки с заданным профилем сечения, катодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части катодного токосъемника, причем катодный слой образован из предшественника окисляющего материала, который может быть превращен в окисляющий материал, разделительный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере некоторой части катодного слоя, анодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части разделительного слоя, причем анодный слой образован из предшественника восстанавливающего материала, который может быть превращен в восстанавливающий материал, причем разделительный слой выполнен с возможностью предотвращения электрического контакта между катодным слоем и анодным слоем, анодный токосъемник, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части внешнего слоя, и электролит, обеспечивающий ионную проводимость между катодным слоем и анодным слоем.

В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к электрохимическому элементу аккумуляторной батареи. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи содержит по меньшей мере один анодный токосъемник, выполненный в виде проволоки с заданным профилем сечения, по меньшей мере один катодный токосъемник, выполненный в виде проволоки с заданным профилем сечения, причем по меньшей мере один катодный токосъемник расположен смежно по меньшей мере с одним анодным токосъемником и находится на заданном расстоянии от него, причем каждый из по меньшей мере одного анодного токосъемника и по меньшей мере одного катодного токосъемника выполнены в виде пар, анодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части по меньшей мере одного анодного токосъемника, причем анодный слой образован из предшественника восстанавливающего материала, который может быть превращен в восстанавливающий материал, катодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части по меньшей мере одного катодного токосъемника, причем катодный слой образован из предшественника окисляющего материала, который может быть превращен в окисляющий материал, разделительный слой, образованный и расположенный вокруг некоторой части как анодного слоя, так и катодного слоя, причем разделительный слой выполнен с возможностью предотвращения электрического контакта между анодным слоем и катодным слоем, и электролит, обеспечивающий ионную проводимость между анодным слоем и катодным слоем.

В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к способу образования электрохимического элемента для применения с устройством. Способ образования электрохимического элемента для применения с устройством содержит этапы, на которых вытягивают отрезок электрохимического элемента аккумуляторной батареи в форме проволоки из бухты электрохимического элемента аккумуляторной батареи в форме проволоки, причем электрохимический элемент аккумуляторной батареи в форме проволоки содержит анодный токосъемник и катодный токосъемник, отделяют заданный отрезок электрохимического элемента аккумуляторной батареи в форме проволоки заданной длины от бухты электрохимического элемента аккумуляторной батареи в форме проволоки, открывают части как анодного токосъемника, так и катодного токосъемника для установления электрического контакта с запитываемым устройством, и укладывают электрохимический элемент аккумуляторной батареи в форме проволоки в заданную форму для использования с запитываемым устройством.

Биосовместимая перезаряжаемая электрохимическая аккумуляторная батарея, составляющая предмет настоящего изобретения, имеет форму проволоки. Проволочная аккумуляторная батарея разработана для использования внутри или в непосредственной близости от тела живого организма и представляет собой микроминиатюрную, простую в использовании, гибкую и недорогую перезаряжаемую электрохимическую аккумуляторную батарею, которая обеспечивает надежный и стабильный источник энергии для любого ряда связанных с организмом приложений. Биосовместимую перезаряжаемую электрохимическую аккумуляторную батарею, составляющую предмет настоящего изобретения, также можно использовать в любом ряду других подходящих приложений, требующих нетрадиционных факторов формы и микроминиатюрных размеров, например, в умных кредитных картах или активных RFID-метках. Аккумуляторную батарею можно укоротить до размера, необходимого для конкретного приложения, с сохранением того же напряжения холостого хода независимо от итоговой конфигурации проволоки и длины используемой проволоки. Более того, при заданной длине отрезка аккумуляторной батареи можно выбрать различные размеры сечения для оптимизации различных рабочих характеристик батареи под конкретное приложение, например, для получения большей емкости.

Традиционные аккумуляторные батареи имеют небольшое отношение длины к диаметру, обычно называемое коэффициентом пропорциональности (например, аккумуляторная батарея типа AA имеет коэффициент пропорциональности приблизительно 3,7, а аккумуляторная батарея типа AAA имеет коэффициент пропорциональности приблизительно 4,7), тогда как аккумуляторная батарея в форме проволоки, составляющая предмет настоящего изобретения, может иметь очень большое отношение длины к диаметру, по порядку величины значительно превышающее десять к одному. Следует понимать, что коэффициенты пропорциональности являются относительными величинами. Это может оказаться особенно большим преимуществом в тех случаях, когда фактор формы является ограничивающим параметром для конструкции устройства. Например, аккумуляторную батарею в форме проволоки, составляющую предмет настоящего изобретения, можно использовать для питания широкого диапазона устройств, включая контактные линзы, имеющие активные компоненты, пробки для слезной точки, имеющие активные компоненты, интраокулярные линзы, имеющие активные компоненты, или стенты, имеющие активные компоненты, для введения терапевтических средств или ускорения заживления. В определенных из этих приложений может потребоваться использовать короткий отрезок проволоки в силу накладываемых устройством ограничений на размер; таким образом, коэффициент пропорциональности может быть снижен.

Традиционная щелочная аккумуляторная батарея имеет конструкцию типа провод-оболочка, как например, «стакан» батареи типа AA, или конструкцию типа верх-низ, как, например, часовые батареи. В других аккумуляторных батареях типа «стакан» используется конструкция типа «рулет» из свернутой многослойной структуры для увеличения площади поверхности материалов, на которой может протекать электрохимическая реакция. Аккумуляторная батарея в форме проволоки, составляющая предмет настоящего изобретения, позволяет получить большее отношение площади поверхности (разделителя) к объему (активных материалов), чем любая из описанных выше традиционных конструкций. Это может позволить получить высокие характеристики скорости разряда и заряда, несмотря на малые собственные размеры аккумуляторной батареи. В традиционной аккумуляторной батарее емкость определяется в виде стандартного размера аккумуляторной батареи, тогда как в случае проволочной аккумуляторной батареи емкость определяется в виде линейной плотности энергии, т.е. микроампер-час/мин.

Традиционная аккумуляторная батарея представляет собой металлический стакан, который обжимается для образования закрытого контейнера, содержащего полимерные отверстия для обеспечения возможности выхода образующихся газов. В случае использования химической системы щелочной перезаряжаемой батареи в традиционной аккумуляторной батарее может потребоваться применение определенных катализаторов рекомбинации газов для предотвращения разрыва металлического стакана. Кроме того, некоторые традиционные и перезаряжаемые щелочные аккумуляторные батареи требуют применения специального цинкового сплава для аккумуляторных батарей, который одновременно должен иметь высокую чистоту и быть способен снижать скорость побочной реакции с цинком и водой, приводящей к выделению газообразного водорода, которая может привести к утечке или разрыву стакана батареи. До принятия действующих в настоящее время норм по защите окружающей среды вместо цинковых сплавов для аккумуляторных батарей использовалась ртуть. Аккумуляторная батарея в форме проволоки, составляющая предмет настоящего изобретения, не имеет корпуса типа «стакан» и по существу открыта для окружающей среды для обмена как влагой, так и газами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вышеизложенные и прочие характеристики и преимущества настоящего изобретения станут понятны после следующего более подробного описания предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированных с помощью прилагаемых чертежей.

На фиг. 1 представлен вид в частичном разрезе в сечении примера осуществления биосовместимой однопроволочной аккумуляторной батареи в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 2 схематически представлена упрощенная схема с использованием биосовместимой однопроволочной аккумуляторной батареи в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 3 представлен вид в частичном разрезе в сечении альтернативного примера осуществления биосовместимой двухпроволочной аккумуляторной батареи в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 4 схематически представлена упрощенная схема с использованием примера осуществления биосовместимой двухпроволочной аккумуляторной батареи в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 5 схематически представлена упрощенная схема с использованием примера осуществления биосовместимой двухпроволочной аккумуляторной батареи в антипараллельной конфигурации в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 6 схематически представлена упрощенная схема с использованием примера осуществления биосовместимой многопроволочной аккумуляторной батареи в параллельной конфигурации с последовательным соединением смежных электрохимических элементов в соответствии с настоящим изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Аккумуляторная батарея, элемент аккумуляторной батареи или электрохимический элемент представляет собой устройство, в котором химическая энергия, содержащаяся в составляющих аккумуляторную батарею материалах, непосредственно преобразовывается в электрическую энергию путем электрохимической окислительно-восстановительной реакции. Эти аккумуляторные батареи, элементы аккумуляторной батареи или электрохимические элементы можно в широком смысле разделить на первичные аккумуляторные батареи, которые предназначены и оптимизированы для проведения только одного цикла разряда, неперезаряжаемые, и вторичные аккумуляторные батареи, которые можно перезаряжать путем обращения окислительно-восстановительной реакции. Первичные аккумуляторные батареи обладают рядом преимуществ, включая большой срок хранения, высокую плотность энергии при скоростях разряда от низкой до умеренной, неприхотливость и простоту использования. Вторичные аккумуляторные батареи также имеют ряд преимуществ, включая высокую плотность энергии, высокую скорость разряда, плоские кривые разряда и хорошие характеристики при низких температурах в дополнение к их способности к перезарядке. Вторичная аккумуляторная батарея, как правило, имеет худшее сохранение заряда по сравнению с первичной аккумуляторной батареей; однако этот недостаток компенсируется возможностью перезарядки вторичной аккумуляторной батареи. Для простоты описания при применении настоящем документе термин «аккумуляторная батарея» используется для обозначения устройства, содержащего один электрохимический элемент или множество электрохимических элементов, соединенных параллельно или последовательно в зависимости от необходимого выходного напряжения и емкости.

Третий тип аккумуляторной батареи представляет собой резервную аккумуляторную батарею. В аккумуляторной батарее этого типа один из сегментов батареи до активации отделен от остальных компонентов. Поскольку до активации такого устройства химические реакции в нем не протекают, аккумуляторная батарея этого типа имеет большой срок хранения.

Элемент аккумуляторной батареи или электрохимический элемент содержит три основных компонента, а именно: анод (отрицательный электрод), катод (положительный электрод) и электролит (ионный проводник). Анод представляет собой топливный электрод, который отдает электроны во внешнюю схему или нагрузку и окисляется в ходе электрохимической реакции. Материал анода предпочтительно должен иметь высокую эффективность как восстановитель, высокий выход заряда (А-ч/г), хорошую электропроводность, хорошую стабильность, быть простым в обработке и недорогим. Если планируется использование аккумуляторной батареи внутри тела, материал анода предпочтительно должен быть настолько биосовместимым, насколько это возможно, или защищенным от непосредственного контакта с телом. Катод представляет собой окисляющий электрод, который принимает электроны из внешней схемы или нагрузки и восстанавливается в ходе электрохимической реакции. Материал катода предпочтительно должен иметь высокую эффективность как окислитель, быть стабильным при контакте с электролитом и обеспечивать полезное для использования рабочее напряжение. Если планируется использование аккумуляторной батареи внутри тела, материал катода, как и анода, предпочтительно должен быть настолько биосовместимым, насколько это возможно, или защищенным от непосредственного контакта с телом. Электролит представляет собой материал, который обеспечивает среду для переноса заряда, в виде ионов, в электрохимическом элементе между анодом и катодом. Материал электролита предпочтительно должен иметь хорошую ионную проводимость, не обладая при этом электронной проводимостью, быть электрохимически стабильным, не вступать в реакции с материалами электродов, мало менять свои свойства при изменении температуры, быть безопасным в работе и недорогим. Типичные электролиты представляют собой водные растворы или полимерные гели, однако они также могут содержать другие материалы и формы, такие как твердые полимерные электролиты. Как и описано выше, в случае планирования использования аккумуляторной батареи внутри тела электролит должен быть настолько биосовместимым, насколько это возможно, или защищенным от непосредственного контакта с телом.

Электрохимическому элементу можно придать любой подходящий размер, форму и/или конфигурацию, совместимые с его конечным применением. Анод и катод электрически изолированы друг от друга в электрохимическом элементе для защиты от короткого замыкания, но по меньшей мере частично смочены электролитом. Таким образом, для физического отделения анода от катода используется проницаемый для электролита разделитель. По существу конструкция и конфигурация компонентов электрохимического элемента разрабатывается с учетом возможности придания элементу необходимой формы. Электрохимические элементы могут быть герметичными для предотвращения и/или контроля утечек и также могут содержать отверстия, позволяющие выходить накапливающимся газам. Для получения готового к использованию электрохимического элемента по существу необходимы подходящие средства для присоединения выводов.

Работа электрохимического элемента в режиме разряда протекает следующим образом. При присоединении электрохимического элемента к внешней схеме или нагрузке электроны текут от анода, который при этом окисляется, через внешнюю схему или нагрузку, в катод, который принимает электроны и при этом восстанавливается. Замыкание электрической схемы происходит в электролите, в котором анионы, или отрицательно заряженные ионы, текут от катода к аноду, а катионы, или положительно заряженные ионы, текут от анода к катоду. Работа электрохимического элемента в режиме заряда протекает следующим образом. К электродам вместо внешней схеме присоединяется источник питания, и электроны текут к аноду, который теперь представляет собой катод реакции. По существу реакция обращается, анод становится катодом, катод становится анодом, и направления течения анионов и катионов меняются на обратные. Следует отметить, что существуют различные схемы заряда, например, заряд при постоянном напряжении, заряд при постоянном токе и затем при постоянном напряжении, импульсный заряд и т. п. Реакции, протекающие как в режиме разряда, так и в режиме заряда, можно представить в простом виде как стандартную электрохимическую окислительно-восстановительную реакцию, протекание которой зависит от материалов, из которых изготовлен анод и катод. Как более подробно описано ниже, использование различных материалов в качестве электродов позволяет получить различные напряжения и емкости.

Выбор материалов анода и катода определяет теоретические значения напряжения и емкости электрохимического элемента. Максимальная энергия, которую может отдать электрохимический элемент, определяется типом используемых активных материалов и количеством используемых активных материалов. На практике оказывается возможным достичь только части теоретической энергии электрохимического элемента, что обусловлено рядом факторов, включая вес и объем нереакционноспособных компонентов, тем фактом, что разряд электрохимического элемента не протекает при теоретическом напряжении, что приводит к снижению среднего напряжения, и тем фактом, что электрохимический элемент не разряжается полностью до нуля вольт, что приводит к снижению отдаваемых в нагрузку ампер-часов. Кроме того, в практически достижимом электрохимическом элементе активные материалы не расходуются строго в стехиометрических соотношениях, что приводит к снижению энергии, поскольку в химической реакции используется избыточное количество только одного из активных материалов.

В соответствии с одним примером осуществления настоящее изобретение относится к нетрадиционной аккумуляторной батарее или электрохимическому элементу. Более конкретно, в настоящем документе описан пример осуществления биосовместимой проволочной аккумуляторной батареи. Пример осуществления биосовместимой проволочной аккумуляторной батареи разработан для использования внутри или в непосредственной близости от тела живого организма и предпочтительно представляет собой микроминиатюрную, простую в использовании, гибкую и недорогую перезаряжаемую электрохимическую аккумуляторную батарею, которая обеспечивает надежный и стабильный источник энергии для любого ряда связанных с организмом приложений, а также не связанных с организмом приложений. Хотя описанные в настоящем документе предпочтительные примеры осуществления относятся к имплантируемым устройствам, проволочную аккумуляторную батарею можно использовать в любом количестве приложений. Кроме того, поскольку аккумуляторная батарея имеет форму проволоки, ее можно укоротить до необходимой для конкретного приложения длины при сохранении выходных характеристик независимо от формы, в которую в итоге будет выполнена проволока, и от длины используемой проволоки. По сравнению с традиционными аккумуляторными батареями, которые имеют малый коэффициент пропорциональности (отношение длины к диаметру), аккумуляторные батареи в форме проволоки могут иметь высокий коэффициент пропорциональности, например, существенно более 10:1. В определенных приложениях может потребоваться обрезать проволочную аккумуляторную батарею до малой длины. Другими словами, для соответствия геометрическим требованиям некоторого конкретного приложения может потребоваться уменьшить коэффициент пропорциональности. Это может оказаться особенно большим преимуществом в тех случаях, когда фактор формы является ограничивающим параметром для конструкции устройства. Например, аккумуляторную батарею в форме проволоки, составляющую предмет настоящего изобретения, можно использовать совместно с любым рядом медицинских устройств, требующих электропитания, таких как умные контактные линзы, умные пробки для слезных точек и умные интраокулярные линзы.

Биосовместимые проволочные аккумуляторные батареи, составляющие предмет настоящего изобретения, могут содержать ряд вариаций конструкции. Например, в одном примере осуществления биосовместимая проволочная аккумуляторная батарея может содержать конфигурацию, в которой анод окружен катодом. В другом примере осуществления биосовместимая проволочная аккумуляторная батарея может содержать конфигурацию, в которой катод окружен анодом. Другие примеры осуществления могут включать в себя вариации указанных выше конструкций и более подробно описаны ниже. Например, биосовместимая проволочная аккумуляторная батарея может содержать конфигурацию с одной или более парой анода-катода. Кроме того, для изготовления всех компонентов аккумуляторной батареи можно использовать различные подходящие материалы, как подробно описано в настоящем документе. На фиг. 1 представлен вид в частичном разрезе в сечении одного примера осуществления биосовместимой проволочной аккумуляторной батареи 100 в соответствии с настоящим изобретением.

В примере осуществления, показанном на фиг. 1, основа проволочной аккумуляторной батареи содержит анодный токосъемник 102. Анодный токосъемник 102 может иметь любые подходящие форму, размер и материал в зависимости от применения или приложения аккумуляторной батареи 100. Анодный токосъемник 102 можно изготовить из любого подходящего электропроводного материала или можно изготовить из непроводящей подложки с нанесенным на нее слоем электропроводного материала. Поскольку он может контактировать с телом, анодный токосъемник 102 предпочтительно должен быть сделан максимально биосовместимым или должен быть защищен от прямого контакта с телом любым подходящим способом. В показанном на фигуре примере осуществления анодный токосъемник 102 представляет собой медную проволоку с по существу круговым сечением и диаметром приблизительно 75 (семьдесят пять) микрон. На анодный токосъемник 102 также может быть нанесено покрытие из ограничивающих коррозию или химическую активность материалов, такое как покрытие на основе никеля, золота и/или графита. При использовании покрытия для его нанесения можно использовать любые подходящие и хорошо известные способы. Кроме того, если профиль и/или размер являются критическими ограничивающими факторами конструкции и используется нанесенное покрытие, профиль несущей подложки можно уменьшить в размерах для обеспечения места под дополнительный слой.

В альтернативном примере осуществления анодный токосъемник 102 может представлять собой одиночную нить из углеродного волокна или пучок из множества углеродных нитей. В настоящем документе углеродные материалы или материалы на основе углерода включают в себя все элементарные формы углерода. Количество материала анодного токосъемника предпочтительно должно быть минимально достаточным для обеспечения возможности подходящей обработки и использования конечного продукта. Другими словами, размеры анодного токосъемника 102 выбирают в соответствии с параметрами конструкции, необходимыми для ее конечного использования.

Нити из углеродного волокна в диапазоне размеров, описанном в настоящем документе, доступны в продаже. Например, доступная в продаже одиночная нить из углеродного волокна Panex®35, производство компании Zoltek Companies, Inc., имеет диаметр 7 (семь) микрон. Медные и золотые проволоки, используемые для соединения кристаллов интегральных микросхем, доступны в продаже с диаметрами 25 (двадцать пять) микрон или менее. По существу единственным ограничением на размеры сечения анодного токосъемника 102 является возможность получения необходимых электрических и механических характеристик с использованием подходящего процесса.

Вокруг анодного токосъемника 102 концентрически расположен анодный слой 104. Хотя при применении в настоящем техническом описании термин «концентрически» используется в отношении примера осуществления, показанного на фиг. 1, различные компоненты, описанные в настоящем документе, не обязательно должны быть расположены концентрическим образом. Как описано выше, анодный слой 104 может содержать любой ряд подходящих материалов, выполняющих функцию восстановителей. Примеры анодных материалов включают в себя H₂, Li, Na, Mg, Al, Ca, Fe, Zn, Cd, Pb, интеркаляционные соединения лития (например, (Li)C₆) и металлогидриды; однако для изготовления анода можно использовать множество других материалов, как известно специалистам в соответствующей области. Анодный слой 104 может иметь любую подходящую конфигурацию, но предпочтительно соответствует форме анодного токосъемника 102 для получения минимальной толщины профиля. Выбор материала анода зависит от ряда факторов, включая электрохимическую активность и совместимость с условиями среды, в которой он будет использоваться. Как указано выше, материал анода предпочтительно должен быть максимально биосовместимым или должен быть защищен от непосредственного контакта с телом. Анодный слой 104 может иметь сплошную структуру, образованную только из анодного мате