CN105431187A - 电解再化合控制遮蔽件和其制造方法 - Google Patents

Abstract

结合在电解芯片上的再化合的遮蔽件通过遮蔽掉暴露于电解质溶液的电极部分而调整电解参数。这防止电解气体触及电极上的催化剂而再化合。

Description

电解再化合控制遮蔽件和其制造方法

交叉引用相关申请

本申请要求2013年6月25日提交的美国序列号61/839,166的优先权和权益，其全部公开内容通过引用并入本文。

发明领域

在各种实施方案中，本发明总体涉及电极制作，更具体地涉及用于电解泵装置的电极的制作。

发明背景

电解泵使用电化学产生的气体作为压力源，所述压力源用于将流体(例如，药剂)从一个位置配送到另一个位置。例如，在浸入在水性电解质中的两个金属电极(例如，铂、金或钯)之间合适的电压的施加产生氧气和氢气，所述氧气和氢气可以施加压力到活塞、膜、隔膜、或其它力传送器。水的电解在再化合催化剂(诸如铂)的存在下，快速且可逆地发生，所述再化合催化剂在不存在施加的电压时，催化氢和氧的再化合而重新形成水。电解机制可以有利地用于药物递送，因为它们可以被电子化控制并且电解和药物储器重新填充。

电解泵对药物递送应用提供了几个优点。它们的低温、低电压和低功耗操作使得它们非常适合于在体内长期工作。对于眼部应用，电解泵有利地产生可忽略的热，并且还可以实现高的应力-应变关系。此外，气体气析出甚至在加压环境(例如，300MPa)下进行，并产生氧气和氢气，所述氧气和氢气有助于体积膨胀，该体积膨胀约是在反应中使用的电解质(例如，水)的千倍。此外，它们使它们自身容易使用微电子来控制施加到泵的电压和电流(并因此控制压力产生的时间模式)。

然而，电解泵一般需要面向具体应用的制作。电极配置和图案例如可以设计或改造成以适应不同的泵送要求，所述泵送要求反过来转化为电压、电流、和再化合的要求。电极效率进一步受到电极材料、几何形状和表面条件的影响。

电解装置的总效率还受系统级参数的影响，所述系统级参数诸如为泵的尺寸、药物储器尺寸、药物储器形状、电解质混合物的特性、流体连接到药物储器的止回阀的开启压力、和使用过程中该泵可能经受的环境压力。这些次要因素间接影响电解电极的要求。

电极可以被设计成不同的形状。例如，由插入到药物腔室中的两个扁平电极组成的简单的配置。更精细的图案样式有成形为平行杆、平行线，同轴构件等的电极。电极也可以被图案化到表面上，以增加暴露的表面积。此外，出于冗余目的，也可以使用多对电极。

由于用于电池的有限空间、有关充电的顺应性问题、和/或与外植入非充电装置有关的成本，可植入的医疗设备具有仔细预算的功率要求。其结果是，通常执行细致的计算和重复测试来确保面向具体应用的电极配置满足装置的功率需求。诸如电解气体产生速度、再化合速度和电流消耗等参数可通过电极材料、间距、形状、宽度等的迭代修改而调整。然而，目前这种迭代过程涉及成品装置的构造，所述成品装置中的每一个被测试并修改，用于下一次迭代。目前没有切实可行的修改或改变已经制造好的电极的图案的方法，以便于测试和进一步的修改。

发明内容

本发明的实施方案提供了结合在电解芯片上的再化合的遮蔽件，以通过遮蔽掉暴露于电解质溶液的电极的部分而调整电解参数。这防止电解气体触及电极上的催化剂而再化合。由诸如铂等催化材料制成的电极的遮蔽掉的区域减慢了这些气体再化合回到电解质，从而对电解速率—特别是对气体产生的速率与气体再化合的速率的比率—提供控制，气体产生的速率与气体再化合的速率的比率代表泵性能的关键参数。如果在给定的电解电流下，过多的气体再化合，则泵送停止，并且需要更大的电解电流来促进气体的产生并驱动药物递送。

在一些实施方案中，电极是彼此间隔开的分立构件。在这样的配置中，两个电极可以被对称地遮蔽(通过单个遮蔽件或通过在各电极上的遮蔽件)或单个电极可以被屏蔽；操作效果将是等同的。

因此，在第一方面，本发明涉及用于给送液体的装置。在各种实施方案中，该装置包括壳体；在所述壳体内的泵组件，所述泵组件包括储器、电解施力机构和插管，所述插管用于响应于所述施力机构所施加的压力，将液体从所述储器引导到在所述壳体的外部的排出部位；和在所述施力机构内部的电解质储器和所述电解质储器中的电极组件，所述电极组件包括(i)至少两个电极和(ii)在所述电极中的至少一个电极的部分之上的不透气的遮蔽件。

所述遮蔽件的尺寸和形状可以设置成使得遮蔽的电极部分与未遮蔽的电极部分的比率获得气体再化合与气体产生的目标操作比率。在典型的实施方式中，所述电极设置在电解芯片上。所述电极可以包括下述的至少一种或实质上由其组成：在帕利灵(parylene)、陶瓷、或生物相容性绝缘体上的铂、金、或银。因此，所述电极可以充当再化合催化剂，但附加的再化合催化剂可以加入到电解质储器以增加再化合。

在一些实施方案中，所述遮蔽件结构的至少部分用环氧树脂粘接到所述电极。所述遮蔽件结构可以包括或实质上由PEEK、陶瓷、铝组成。间隔件可以插在支撑所述电极的芯片和覆盖结构(诸如膨胀膜)之间，且所述间隔件的高度限定电解质储器的高度。一般情况下，所述间隔件包围所述电极并且不结合到所述电极。

在另一方面，本发明涉及用于给送液体的装置的制造方法，特别地，所述装置包括壳体和在所述壳体内的泵组件，所述泵组件包括储器、气体驱动施力机构和插管，所述插管响应于所述施力机构所施加的压力，用于将液体从所述储器引导到在所述壳体的外部的排出部位，该装置还包括在泵送机构内部的电解质储器。在各种实施方案中，所述方法包括以下步骤：提供至少两个电极；用不透气的材料遮蔽所述电极中的至少一个电极的部分；和将所述电极引入到所述电解质储器，其中电极的暴露部分设计图案成实现所述储器中的气体再化合与气体产生的目标操作比率。

该遮蔽步骤可包括通过图案模板将不透气的材料沉积在所述电极中的至少一个上。替代性地，不透气材料可以通过化学气相沉积而施加。在各种实施方案中，遮蔽步骤包括通过在预定的图案中逐点印刷而将所述不透气的材料沉积在电极中的至少一个上。替代性地，所述遮蔽步骤包括将不透气的材料粘附到所述电极中的至少一个。间隔件可以设置到所述电解质储器的非电极部分。

贯穿本说明书，对“一个实施例”、“实施例”、“一个实施方案”或“实施方案”的引用意味着结合该实施例所描述的特定特征、结构或特性被包括在本技术的至少一个实施例中。因此，在贯穿本说明书的各个地方，短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“在一个实施方案中”、“在实施方案中”的出现不一定都指代同一实施例。此外，特定的特征、结构、例程、步骤或特性可以以任何合适的方式被组合在技术的一个或多个实施例中。本文提供的标题仅是为了方便而并没有试图限制或解释所要求保护的技术的范围或含义。术语“基本上”或“大约”是指±10％(例如，按重量计或按体积计)，且在一些实施方案中是指±5％。术语“实质上由…组成”不包括其它功能性材料，除非本文另有说明。然而，这样的其它材料可以以全体或个别的方式以可追迹的量存在。

附图说明

在附图中，贯穿不同的视图，相同的附图标记通常指代相同的部件。此外，附图不一定按比例绘制，相反重点通常在于示出本发明的原理。在以下的描述中，参照以下附图描述本发明的各种实施方案，其中：

图1示意性地示出结合本发明可用的电解泵侧剖视图。

图2是适于在图1中所示的泵中使用的电解电极布置的平面图。

图3是图2中所示的电极布置的平面图，其中，遮蔽件覆盖所述电极表面的部分。

图4是示出间隔件与图3中所示的遮蔽件一起使用的分解图。

具体实施方式

典型的药物递送装置包括储器和插管，所述储器装有包括治疗剂(例如，药物)的液体，所述插管与储器流体连通。在所述插管的远端处或附近，所述插管具有出口，所述出口构造成用于与患者的目标治疗部位(例如，患者的眼睛、耳朵、脑、肌肉等)流体连通。所述装置还包括在电解槽中的一对电极。在电极之间施加的电压自所述电解流体中产生气体。所产生的气体将力施加在力传送器上，诸如为活塞、隔膜或膜，所述力传送器迫使液体从储器流入所述插管并通过出口。换而言之，电极操作电解泵。电解质储器和药物储器之间的各种压力传送配置和接口可以被改造成适应泵的结构限制。这些限制在药物递送装置是可植入的实施方案中是更大的。根据目标治疗部位和将要递送的治疗剂的要求，替代性流体连通方法可以被并入，包括一个或多个插管、针、渗透膜、或烧结梯度(sinteringgradients)。

代表性的电解驱动式药物递送装置100示于图1。所示的装置100包括一对腔室130、140(例如，帕利灵包封)和插管120。上部腔室130限定药物储器，所述药物储器装有将要以液体形式给送的一种或多种药物，且下部腔室140包含流体(例如，和电解流体)，当所述流体被进行电解时，析出气体，所述气体包括一种或多种气体产品(如在一个实施方案中，电解腔室内的流体的电解产生两种气体H₂和O₂)。这两个腔室由隔膜150分开。隔膜150可以是弹性的和/或可以带波纹，从而为其提供膨胀，以响应在下部腔室140内的流体从液体到气体状态的相变。隔膜150可以由一个或多个帕利灵膜和/或复合材料制成，隔膜150和治疗剂的流体路径的其它部件可以由生物相容的材料制成。

腔室130、140可以位于成形的保护罩或壳160内，保护罩或壳160由相对刚性的生物相容性材料(例如，医用级聚丙烯、金属、和/或生物相容的塑料)制成。壳160提供坚硬的表面，药物储器腔室130的外壁110对该坚硬的表面施加压力，且该坚硬的表面保护泵免受意外的外力。壳160可以包括覆有帕利灵的固体、穿孔或非穿孔的生物相容性材料。包括例如电池和用于电力和数据传输的感应线圈的控制电路170被嵌入下部腔室140的下方(例如，下部电解腔室140的底壁280和壳体160的底板之间)。在一个实施方案中，控制电路170嵌入在保护性封装件(诸如但不限于，硅和/或帕利灵包封)。控制电路170对定位在下部腔室140内的一个或多个电解电极240提供电力，并且可以由诸如但不限于导电性环氧树脂等材料固定到电解电极240，该导电性环氧树脂包括生物相容性材料(例如金或银)。电解电极240可以形成在帕利灵膜上或帕利灵膜内，该帕利灵膜形成电解腔室140的底表面。粘合层(例如，包括钛或由钛组成)可用于将电解电极240粘附于电解腔室140的底表面。替代性地，电解腔室140的底表面可以包括由包括但不限于氧化铝、氧化锆、陶瓷、和/或蓝宝石等材料形成的基底，电解电极240联接到电解腔室140的底表面或嵌入在电解腔室140的底表面内。这些电解电极240的活化通过将流体从液体转变成气态(即通过电解产生气体)而产生在下部腔室140内的电解流体的相变。电极240通常充当再化合催化剂(即可以包含再化合催化剂或由再化合催化剂组成)。任选地，附加的再化合催化剂可以加入到电解腔室以增加再化合。

插管120将药物腔室130与治疗部位连接。止回阀200、一种或多种流量传感器205、和/或一种或多种化学或压力传感器205可以被定位在插管120内或壳160的内部，以控制和/或监测药物从药物腔室130通过插管120并进入治疗部位的流动。治疗部位可以是患者的眼睛210，或可以是任何其它目标身体部分。可以形成穿过保护壳160的孔，且再加注口220设置在其上。

包括闭环操作的泵送动作可以由控制电路170控制。在一个实施方案中，感应线圈允许与外部控制器(例如，便携式手持控制器)无线(例如，射频(RF))通信，所述外部控制器也可以用于例如给控制电路170的电池充电。外部控制器可用于发送无线信号给控制电路170，以编程、重新编程、操作、校准或以其他方式设置泵100的操作。控制电路170可以经由金属互连280而例如与下部电解腔室140中的电解电极240进行电通信，该金属互连280跨越电解腔室140的底壁。在一个实施方案中，电解电极240是铂。替代性地，任何其它合适的导电材料(例如，在帕利灵、陶瓷或生物相容性绝缘体上的铜、金或银)也可以使用。

在电极240的代表性配置示于图2。在该实施方案中，各个电极元件240a、240b是相互交错状的，并且可以覆盖电解腔室的大部分底板(用于有效利用有限的空间)。但是应当理解的是，该图是示意性且示例性的；电极不一定是相互交错状的，并且相互交错的电极不一定要符合该简单示出的样式。一般情况下，工作实施方案将包含具有更少绝缘表面积的更多数量的相互交错，以优化电解气体产生和再化合的效率以及相关的电流和电压要求。

绝缘区域242保持电极240a、240b之间的必要的电流隔离，电极240a、240b具有凸片，所述凸片允许方便连接到引线，所述引线将电极电连接到所述控制电路。

参考图3，单个遮蔽件250覆盖了相互交错的电极对240的环形部分；由于电极的对称性，两个电极240a、240b的比例相等的面积将被遮蔽掉。图3还示出了单个遮蔽件250可任选地包含一个或多个对齐特征252，该遮蔽件250覆盖相互交错的电极对240的环形部分。应当理解的是，各种不同的电极图案创建不同的对称轴线，且该遮蔽件的形状、大小和数量可以改变，以适应期望的电解气体再化合/产生比率。即，可以选择遮蔽与未遮蔽的电极区域的比率，以实现气体再化合与气体产生的目标工作比率。

在各种实施方案中，遮蔽件250由固体不透气材料(例如，诸如聚醚醚酮(PEEK)等热塑性材料或陶瓷或其它绝缘体)制成，其附到或沉积在电极240之上，通过减少电解槽中的电极的暴露面积而降低再化合速率。可以改变所述遮蔽件的形状和表面面积，以调整电解性能。例如，圆形电极的几何形状可以被修改成其它形状(例如，正方形)，或可以(以例如相互交错的指状物)图案化电极对，以比较测试形状和构造对性能的影响。

通常，从功能的角度来说，遮蔽件的最重要的设计参数是相对于电极表面面积的遮蔽件表面面积。然而，遮蔽件的形状也影响气体再化合速率与气体产生速率的比率。示出的遮蔽件250具有环形形状。实验已经表明在圆形电极组上，具有相同的表面积但没有中心孔的遮蔽件不产生所需的再化合/产生比率。这是由于该槽工作的方式，具体地是，产生的气体移向电极区的中心。在具有成形为实心盘的遮蔽件的情况下，再化合将会缓慢发生，随着自盘边缘向内的距离的增加，气泡在越过所述遮蔽件并到达外电极之前，需要行进得更远。相反，在遮蔽件的中心有孔的情况下，在所述中心发生适量的再化合，并且气泡不需要向远处行进了大于遮蔽件的环形范围。

在一些实施方案中，电解遮蔽件通过粘合剂(例如，环氧树脂)而附着到芯片。合适的粘合剂能耐电解和再化合而没有过多的层离，这种层离可能逐渐改变再化合/产生比率，因为遮蔽件随时间推移而失效。刚性电解遮蔽件材料可以被选择为当产生电解气体时，使电解遮蔽件的弯曲所引起的机械力的剥离作用最小化。一旦使用遮蔽件确立最佳的电极图案，它可以被应用到成品芯片；即，遮蔽件规定电极图案的哪些部分应该在成品生产芯片中被省略。

在其他实施方案中，通过例如有图案的模版(stenciltemplate)来沉积电解遮蔽件。例如，诸如氮化硅等材料可以通过化学气相沉积(CVD)来沉积，但可以使用适合于所选择的遮蔽件材料的任何沉积技术。利用这种方法，依次沉积可逐渐加宽遮蔽件，其中每次沉积占据等量的增量面积。芯片的性能可以各次沉积之间进行测试。替代性地，遮蔽件可以通过喷墨或其它逐点沉积过程而根据数字存储图案进行沉积。

此外，除了用于实验目的的芯片外，遮蔽件沉积可以被用来制造成品生产的电解芯片。例如，可建立基本模板电极图案，用于大批量生产，并且该图案可针对具有不同性能要求的装置，通过使用面向特定应用的遮蔽件来修改。即，遮蔽除了在限定特定芯片的最佳电极图案的实验用途之外，还可用于制造成品装置。

图4示出了泵组件的分解示意透视图。如上所述，再化合遮蔽件250覆盖在电解芯片400上的电极(在本图中未示出)的部分。如上所述，粘合剂、沉积或其他方法可以用于将电解再化合遮蔽件250附着到电解芯片400。任选地，间隔件410也可以附着到电解芯片400，以相对于覆盖部件调整电解再化合遮蔽件250的高度。具体地，力传送器420—即，如结合图1所述的可膨胀的膜—覆盖电极芯片400。电极芯片400和力传送器420之间的空间构成电解腔室的容积。因此，间隔件410的厚度可以改变，以获得目标的腔室容积并因此获得该腔室中的电解流体的量。间隔件410可包含开口(例如通孔、孔口、狭槽等)，特定高度的电解流体填充管可以被结合到所述开口中，以促成电解质溶液填充或添加。在电极的周边区域被遮蔽的实施方案中，间隔件可以整合所述遮蔽件并附到所述电解槽成为一个部件。

以上已经描述了本发明的某些实施方案。然而，应当明确指出的是，本发明并不限于这些实施方案，而是目的在于，使对本文所明确描述的那些的增加和修改也包括在本发明的范围之内。此外，应当理解，本文所描述的各种实施方案的特征不是相互排斥的，并且可以以各种组合和排列的形式存在，即使本文没有明确作出这样的组合或排列，而不脱离本发明的精神和范围。实际上，本文所描述的那些的变型、修改和其它实施方式将会由本领域的普通技术人员想到，而不脱离本发明的精神和范围。因此，本发明并不是仅由前述说明性描述所限定。

Claims (15)

1.用于给送液体的装置，所述装置包括：

壳体；

在所壳体内的泵组件，所述泵组件包括储器、电解施力机构和插管，所述插管响应于所述施力机构所施加的压力，用于将液体从所述储器引导到在所述壳体的外部的排出部位；和

在所述施力机构内部的电解质储器和所述电解质储器中的电极组件，所述电极组件包括(i)至少两个电极和(ii)在所述电极中的至少一个电极的部分上的不透气的遮蔽件。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述遮蔽件的尺寸和形状设置成使得遮蔽的电极部分与未遮蔽的电极部分的比率获得气体再化合与气体产生的目标工作比率。

3.如权利要求2所述的电解泵，其中所述电极设置在电解芯片上。

4.如权利要求1所述的电解泵，其中所述电极包括在帕利灵、陶瓷、或生物相容性绝缘体上的铂、金、或银中的至少一种。

5.如权利要求1所述的电解泵，其中所述电极充当再化合催化剂，且所述电解泵还包括附加的再化合催化剂。

6.如权利要求1所述的装置，其中所述遮蔽件的结构的至少部分用环氧树脂粘接到所述电极。

7.如权利要求1所述的装置，其中所述遮蔽件的结构包括PEEK、陶瓷、铝。

8.如权利要求1所述的装置，所述装置还包括间隔件，所述间隔件的高度限定所述电解质储器的高度。

9.如权利要求8所述的装置，其中所述间隔件包围所述电极并且不结合到所述电极。

10.用于给送液体的装置的制造方法，所述装置包括壳体和在所述壳体内的泵组件，所述泵组件包括储器、气体驱动施力机构和插管，所述插管响应于所述施力机构所施加的压力，用于将液体从所述储器引导到在所述壳体的外部的排出部位，该装置还包括在泵送机构内部的电解质储器；所述方法包括以下步骤：

提供至少两个电极；

用不透气的材料遮蔽所述电极中的至少一个电极的部分；和

将所述电极引入到所述电解质储器中，其中所述电极的暴露部分设计图案成实现所述储器中的气体再化合与气体产生的目标工作比率。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述遮蔽步骤包括通过图案模板将不透气的材料沉积到所述电极中的至少一个上。

12.如权利要求11所述的方法，其中通过化学汽相沉积而施加所述不透气的材料。

13.如权利要求10所述的方法，其中所述遮蔽步骤包括通过在预定的图案中逐点印刷而将所述不透气的材料沉积到电极中的至少一个上。

14.如权利要求10所述的方法，其中所述遮蔽步骤包括将所述不透气的材料粘附到所述电极中的至少一个上。

15.如权利要求10所述的方法，所述方法还包括将间隔件设置在所述电解质储器的非电极部分的步骤。