CN111132562A - 可食用材料和由其制成的可食用电气系统 - Google Patents

Abstract

可食用电气系统，其包含食物和/或基于食物的材料，所述食物和/或基于食物的材料的电气特性与传统电子电路使用的常规材料的电气特性相当或基本上相同，并且所述电气系统被配置为包括电容器、电阻器、电感器、麦克风、RF滤波器、pH监测器件中的至少一种，以从体内收集代表活体生物组织的信息。用于构建这种可食用电气系统的一组材料以及使用这种系统采集此类信息的方法。可食用电气系统可以被配置为可植入的。

Description

可食用材料和由其制成的可食用电气系统

相关申请的交叉引用

本国际申请要求于2017年5月09日提交的美国临时申请号62/503,665和于2017年6月07日提交的美国临时申请号62/516,498的优先权。上述专利申请的每一个的公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及电子器件和部件，特别是，涉及完全或部分地由食物材料、类食物材料和/或食品以及全范围的支持用于预期目的的这种电子器件和部件的制造的食物相关材料形成的电子器件和部件，以及相关的制造方法。

背景技术

材料科学的进步导致生物医学电子器件从不可植入的电子器件发展到可植入的，可部分生物降解的，以及最近发展到物理瞬态电子器件(physically transientelectronic device)。

与皮肤关联设置(例如，在皮肤上)的各种器件被格式化以检测诸如心率、温度和基于汗液的身体成分的变量。可植入系统可以更稳固，但通常更具侵入性，并且存在感染、出血以及在出现故障时需要手术恢复的潜在风险。一些可植入器件包括可植入心脏器件、颅内压力传感器和可吞咽的基于胶囊的器件，这些器件被配置为测量温度、压力，实现成像并测量酸度(pH)数据，以补充诊断和局部药物递送。

生物相容性程度更高的器件显然是更优选的，因为这种器件不太可能引起发炎反应，从而导致例如动脉再狭窄或局部植入物中的组织瘢痕形成。

迄今为止讨论的可生物降解电子器件包括原电池和生物传感器以及有机场效应晶体管。值得注意的是，完全可生物降解的器件仍然是一个目标，而不是现实，这主要是由于缺乏电性能与常规无源可植入器件中使用的可用不可降解金属和绝缘材料类似的可生物降解材料。

已经尝试了物理瞬态电子器件的实现，并且包括可以用作可编程的非抗生素杀菌剂的器件；结合可降解器件部件、可降解衬底和/或可降解封装材料的瞬态器件；用于患者体内神经刺激的可植入的、可调的、可生物降解的医疗器件；以及用于诊断和治疗应用的可摄入和/或可消化的电子器件。众所周知，这些初步论证的结果具有若干明显的局限性。实际局限性之一是源于如下事实：原型通常是使用形状和/或形式和/或物质是永久性的并且在很大程度上不可降解的材料制造的，因此可能需要物理取回(例如，当这些器件已经执行了其功能并且不再需要时，或者在出现故障时)。即使减少或甚至消除了取回给定的物理瞬态电子器件的要求或需要，此类器件仍然需要通常经由外科手术进行植入的侵入性措施，因此继承了与手术相关的所有常见缺陷(例如高成本和与手术期间、手术后或同时发生的并发症相关的风险)。现有的物理瞬态系统的另一个局限性方面在于：为了或试图增强此类系统的生物降解性并限制其毒性以及减少使用此类系统的不良影响，这些系统是使用传统的电子材料制造的，但以几何尺寸减小的尺度(例如纳米尺度)方式制造，以增强其生物降解性并限制毒性和不良事件。

值得注意的是，物理瞬态电子器件的制造仍然利用具有有限的生物相容性，通常有毒且总体上对人体不一定安全的传统微电子材料。

发明内容

本发明的实施方式提供了用于制造电气系统的成组材料。这种成组材料包括食物、类食物材料、食品、基于食物的材料、合成材料和天然材料中的任意项。在一个实现方式中，所述成组材料包括基本上干燥的材料。成组材料可以另外包含选自碳、无毒金属和无毒非金属无机材料的材料和/或代表导电材料、介电材料或压电材料的材料。

本发明的实施方式还提供了一种可食用电气系统，其包括来自第一组材料的至少一种材料，所述第一组材料包含食物、类食物材料、食品、基于食物的材料、合成材料和天然材料。(在一种特定情况下，第一组材料包括增塑剂和山梨糖醇中的至少一种。)可替代地或另外地，所述可食用电气系统包括来自第二组材料的至少一种材料，所述第二组材料包括碳、无毒金属和无毒非金属无机材料，而任选地，来自第一组和第二组材料中的至少一者的材料是导电材料、介电材料或压电材料。在任何这些情况下，所述系统可以包括被配置为电绝缘构件、介电构件、导电构件中的至少一者的部件和/或被配置为电阻器、电容器、电感器、天线、互连件、晶体管、二极管、衬底、导线和印刷电路板中的至少一者的部件。(在系统中，导线可能会绞合。)在任何这些情况下，可食用电气系统还可以被配置为可植入系统和/或包括麦克风和pH传感器中的至少一者。在这些实现方式的任何一种中，第一组材料可以包括蔬菜、水果、面包、面粉、油、碳化棉花糖、硬糖、棉花、碳化棉纤维、蚕丝、碳化蚕丝、骨头、肌腱、明胶、谷物、糖类、活性物质、木炭、棉花软糖、蛋的组分和淀粉中的一种或多种。基本上任何实施方式都可以包括用来自第一组材料的涂层材料涂覆的至少一个部件或成组部件(在后者的特定情况下，涂层材料被设置为基本上封装这种部件或成组部件和/或涂层材料包括明胶和糖糊中的至少一种)。所述系统的部件可以安装在可食用的印刷电路板上，并且任选地可操作地连接到微芯片电子电路。在一个相关实施方式中，至少两个部件直接或间接连接以彼此进行电子通信。可食用电气系统的任何实施方式可另外配备有电源，该电源被配置为向至少一个系统部件提供所述部件的正常运行所需的动力。

实施方式还提供了一种可植入电气系统，其包含以下中的至少一者：i)来自第一组材料的第一材料，所述第一组材料包括食物、类食物材料、食品、基于食物的材料、合成材料和天然材料；和ii)来自第二组材料的第二材料，所述第二组材料包括碳、无毒金属和无毒非金属无机材料。所述系统可以另外包括以下中的至少一者：a)被配置为电绝缘构件、介电构件、导电构件中的至少一者的部件；和b)被配置为电阻器、电容器、电感器、天线、互连件、晶体管、二极管、衬底、导线、印刷电路板和微芯片中的至少一者的部件。在任何实现方式中，所述系统可以被配置用于经口、经颊、经鼻、经直肠或经阴道施用。在任何实现方式中，所述系统可以包含选自以下的器件：pH传感器，射频(RF)滤波器，麦克风，机械传感器，温度传感器，压力传感器，分析物传感器，微生物传感器和流体流量传感器。可植入电气系统的基本上任何实施方式都可以被配置为用于食物储存或食物包装。在一种特定情况下，系统的部件可以被配置为可食用、可生物降解和可摄入中的至少一种。

此外，实施方式提供了一种可植入电气系统，其包括以下中的至少一者：i)来自第一组材料的第一材料，所述第一组材料包括食物、类食物材料、食品、基于食物的材料、合成材料和天然材料；和ii)来自第二组材料的第二材料，所述第二组材料包括碳、无毒金属和无毒非金属无机材料，并且另外还具有以下中的至少一者：a)被配置为电绝缘构件、介电构件、导电构件中的至少一者的部件；和b)被配置为电阻器、电容器、电感器、天线、互连件、晶体管、二极管、衬底、导线、印刷电路板和微芯片中的至少一者的部件或器件。在基本上任何情况下，可植入电气系统可以任选地包含选自以下的器件：pH传感器，射频(RF)滤波器，麦克风，机械传感器，温度传感器，压力传感器，分析物传感器，微生物传感器和流体流量传感器。

附图说明

图1包含食物金字塔的示意图和总结了来自各种食物组的食物的电气特性的表格。

图2A、2B、3A和3B是表示各种食物材料的EDX测试结果的图表。

图4是碳化棉花糖的微尺度形态的放大图。

图5是棉花的微尺度形态的放大图。

图6是蚕丝的微尺度形态的放大图。

图7是列出碳化棉花糖、棉花和蚕丝材料的电导率值的表格。

图8A、8B分别示出了用于表征材料的压电系数d₃₃的实验装置以及样品和电极设计的示意图。

图9是各种不同类型的可食用材料的相对电导率的示意图。

图10是西兰花粉末的微尺度形态的放大图。

图11是可食用压电薄膜的放大横截面图。

图12A、12B、12C、12D是将商用锆钛酸铅(PZT)薄膜(图12A)与用西兰花/明胶(图12B)、卷心菜/明胶(图12C)和花椰菜/明胶(图12D)制成的薄膜的压电性能进行比较的线图。

图13A、13B示出了可食用电容器的一个实施方式的横截面和外部图像。

图14包含表示各种电容器实施方式的根据经验测量的电容随频率变化的图。

图15A、15B是可食用电阻器的一个实施方式的SEM和光学图像。

图16A、16B是可食用电感器的一个实施方式的SEM和光学图像。

图17A、17B包含由不同复合材料形成的电阻测试结果与由活性炭形成的电阻测试结果相比随长度变化的线图。

图18A、18B、18C是示出具有不同直径和长度的电感器的工作性能的线图。

图19A、19B、19C呈现由可食用材料形成的导线的一个实施方式的透视图、形态和电阻图。

图20A、20B、20C分别示出天线的一个实施方式的透视图以及天线的输出电压随输入电压变化和随时间变化的曲线图。

图21A、21B、21C示出可食用pH传感器的部件。图21A是可食用pH传感器的图像，所述可食用pH传感器在可食用无酵饼(matzoth)衬底上包含作为工作电极的金和氧化锌(II)(Au-ZnO)，用于无线传输信号的由金制成的天线，和可食用电容器。图21B是图21A的可食用pH传感器的电子部件的放大图。图1C是包含可食用pH传感器和用于检测并测量从可食用pH传感器传输的信号的外部器件的电气结构的示意图。

图22提供了示出根据经验确定的图21A、21B、21C的可食用pH传感器的实施方式的电容和共振频率值的图。

图23A、23B示出了可食用射频滤波器的一个实施方式以及对于所述滤波器的构成部件的一系列电阻率、电感和电容值的模拟和测量的频率响应。

图24A示出了具有沉积金层的由糖粉制成的PCB的俯视图。

图24B是带有导体(碳化的，和电感器，缠绕的碳化材料)的面包板(饼干/撒盐饼干)的透视图。

图25A、25B示出了可食用压电麦克风的一个实施方式及其表征结果。图25A：可食用压电麦克风的图像。图25B：用于表征可食用压电麦克风的器件。

图26A、26B、26C、26D、26E示出了对于图25A的实施方式在不同频率下记录的电压波形，并且示出了使用图25A的实施方式所记录的声音的保真度。

图27A、图27B分别呈现利用图25A的实施方式采集的输入的腹部声音的振幅和记录的腹部声音的振幅。

图28A、28B是用于进行材料的电导率测量的结构的示意图。图28A示出了用于非液体材料的电导率测量的“三明治”结构。图28BB示出了用于液体材料的电导率测量的样品架。

图29是针对d33表征材料压电性能的测量装置的示意图。

图30A、30B、30C分别示出了不同面团的根据经验测量的机械性能：面粉面团、糖粉面团和甘薯面团)。

图31是涂覆时间为1分钟、5分钟和10分钟的不同长度导线的电阻测试结果的线图。

通常，可以将附图中的元件的尺寸和相对比例设置为与实际不同，以适当地促进附图的简单、清晰和理解。出于相同的原因，存在于一个附图中的所有元件可以不必在另一个附图中示出。

具体实施方式

在微电子部件制造领域中，由于缺乏可以以非常特定、无毒且可生物吸收的方式与生物组织结合的材料而造成的持续限制引发了一个问题，即人们是否可以实现与活组织相容的微电子器件，而同时对在内部设置所述器件的活组织留下非常小的(如果有的话)痕迹或影响。

例如，尽管胃肠道(GI)提供了人体外部环境与内部环境之间的主要界面之一，并且因此为器件驻留和监测大范围的健康以及疾病状况和状态提供了巨大的表面积，但胃肠道仍然是迄今为止仅进行了部分探索的身体领域。本发明的实施方式通过提供适合制造可植入和/或可食用电气系统的材料的组或套组来解决该局限性，所述可植入和/或可食用电气系统在人体内使用时是无毒的且在生理上安全的，并且替代和/或补充迄今为止通常用于制造电气或电子电路和系统的材料。实施方式还提供了由这些材料制造的电子器件和部件。这组用于制造所讨论的电气系统的材料的可用性(其中至少一部分包括迄今为止尚未用于此目的的食物相关材料，如下所述)，并且系统本身充分拓宽了用于微电子制造的材料的选择，并将如此配置的电气系统的应用和用途扩展到涵盖与胃肠道和/或人体其它腔或孔相关的生物组织的表征的情况。

为了本公开和所附权利要求的目的，术语“可食用的”被定义为适合安置或设置在胃肠道中并且通常被认为是安全的东西(以及无论这种可食用的东西是否具有任何营养物或营养)。就该术语标识电气系统而言，该术语定义了可以例如经由营养手段(例如鼻胃(NG)管或胃造口管)或经由吞咽、摄入流体、摄入润滑溶液或实际咀嚼(chewing)、咀嚼(mastication)和吞服并接着吞咽来食用或以其它方式进入胃肠道的电气系统。可食用电气系统包括被配置为抵抗磨损、表面损坏或压实和/或减小尺寸，同时在功能上(操作上)保持基本上完整，可吞咽并能够穿过胃肠道的系统。另一方面，术语“可植入的”被定义为适合掺入活的生物组织(例如人体中)而没有任何显著不利的缺陷，例如生物组织中毒。如本文所用，可食用物是可植入物。应用于金属或其它无机材料时，术语“可食用”和“可植入”被定义为是指，如果所述材料被人类内部消耗，则它们仍然是无毒无害的并且通常不会破坏人类健康。

术语“电气系统”是指单个独立的电子部件或成组这样的部件，它们彼此可操作地协作以形成被构造为按预期运行的器件(以及任选地用电源供电)。“部件”是指用于制造电气系统的材料或单个零件。(可食用/可植入电气系统的各个零件、部件和/或器件的实例包括晶体管，电阻器(例如电位计)，电容器，电感器，电极，绝缘体材料，导电材料和或由这种材料制成的导线/互连件，天线和二极管。)

如下文所讨论，下文公开的可植入和/或可食用电气系统的一些实施方式是至少部分可生物降解的。可替代地或另外地，这样的实施方式被配置为确保：i)将这些实施方式定位在生物组织内部基本上缺乏(不需要或暗含)与改变生物组织的结构相关的侵入性措施，和/或ii)这些实施方式是可消化的或可生物吸收的，从而在设置于生物组织内部的这种系统完成有用操作后，所述系统的至少一部分被生物组织溶解或以其它方式吸收，同时所述系统的剩余的不可吸收部分被生物系统去除(例如，经由排泄)，或者由于它们的基本很小的尺寸而可以无限期地保留在生物组织中，而不会对生物组织产生有害影响。即使减少或甚至消除了取回给定的物理瞬态电子器件的要求或需要，这种器件仍然需要通常经由外科手术进行植入的侵入性措施，因此继承了与手术相关的所有常见缺陷。

因此，通过设计使用位于组织中部(例如胃肠道中)的电气系统的测量方法，解决了相关技术的当前问题，即从组织内部采集代表活体生物组织状态的数据而不会有害地影响组织的结构和/或存活参数(例如生存力)或者不会使所选系统在组织内部停留较长时间以执行这种测量，所述电气系统允许在活体组织溶解/吸收此类系统的基于食物的部件之前的任何时刻收集所需数据。

确定材料组

所描述的电气系统包括电子部件和电子器件。使用食物材料、加工食物材料、类食物材料、食品和天然材料中的一种或多种或其组合来制造电子部件。优选地，所述电子部件包括至少一种或多种食物材料。

如本文所用，除非另有明确定义，否则：

术语“食物”用于指被摄入以向生物体提供饱腹感或营养支持的材料。该术语包括例如适合作为普通人类食物食用的基本未加工或生的食物、组分或成品系统。生食的实例包括香蕉或其它水果以及生肉或鱼肉。

加工食物通常被理解为在烹饪之前和/或之后已经加工的食物。因此，术语“加工食物”被定义为是指已经经历了转化过程以将其转化为也可以被人类安全食用的另一种材料的食物材料。转化过程可以是物理的，化学的或两者兼有。物理转化可以包括蒸煮、烘焙和/或干燥，而化学转化可以包括碳化。加工食物的实例包括奶酪、烤脆饼(lavosh)、无酵饼或土豆片。

术语“类食物”是指很大程度上由生化化合物或其它有机成分系统化的材料，但世界大多数人口通常不将其用于食物。此处的实例由壳聚糖和藻酸盐提供。

术语“食品”是指由诸如动物和植物的源生物材料系统化或制造的材料，其可以用作食物或者是食物组分。此处的实例包括大豆蛋白或乳清。

术语“基于食物的”广义上是指如上文所定义的食物材料、加工食物材料、类食物材料和食品。

“天然材料”是来自植物、动物或自然界中存在的其它材料的尚未对其进行实质性化学或物理改变以改变其性质的任何产品或物理物质。

术语“基本上干燥”或“干燥的”描述了如使用湿重至干重或吸湿性分析所测量，水分含量为样品总重量的至多10重量％的材料。“基本上干燥”或“干燥的”的有用实例包括在给定材料样品中小于5％wt/wt的水分含量，优选小于4％wt/wt的水分含量，更优选小于3％wt/wt的水分含量，甚至更优选小于2％wt/wt的水分含量，进一步优选小于1％wt/wt或甚至小于0.5％wt/wt的水分含量，并且最优选小于0.1％wt/wt或甚至0％wt/wt的水分含量。

因此，选择了一种方法，该方法涉及利用常见的且大部分为天然的食品材料来制造电子部件和电子器件的可能性。人们认为，源自天然食物的材料可以用作制造电子部件和电子器件的主要要素，并且可以用可食用的加工食物材料、食物组分和在有限的基础上无毒水平的传统电子材料填补这些材料无法提供的任何性能缺陷，从而创建完整的系统。然后选择最佳的候选天然、加工和加合物食物材料，以创建用于电子部件和电子器件制造的“优选食物套组”。

因此，为了确定适合制造可食用/可植入电气系统元件的材料规格，首先选择了一些参考材料。与食物有关的材料从公共商业市场、连锁超市或特色食物商店获得。添加剂化学物质和试剂获自标准的科学供应商和或五金店。

实施例1：电介质和导电材料。

典型的电子电路需要电介质和导体(通过其电导率范围来鉴定)。已知电介质是绝缘材料(绝缘体)或非常差的电流导体。(当将电介质置于电场中时，几乎没有电流流过，因为与金属不同，它们不具有可以在材料中漂移的松散结合或游离的电子。而是发生了电极化。)这里，介电材料和绝缘材料(所述术语在本文中基本上可以互换使用)被认为是电导率σ低于10^-8S/m的材料；而电导率大于10⁶S/m的材料被定义为导电的或导体。这些参考σ值用于确定使用基于食物的材料将电子部件和电子器件系统化所需的阈值。

根据本发明的范围，使用导体和绝缘体的组合来制造可食用和/或可植入电气系统的有源和无源微电子部件，而绝缘体用于形成涂层和封装层(保护电气系统的给定实施方式的至少一部分免于在生物组织内部很快地溶解)以及电气系统的电容器部件中的介电材料(电容在1pF至100nF的典型范围内)。导体出现在导线/互连件、电极和其它部件中。可以使用电介质和导电的基于食物的材料的混合物来构建电阻器，其电阻的宽泛范围为约10Ω至约20ΜΩ。这些参考值确定了使用食物材料制造部件和器件所需的规格。

选择特定的天然未加工的食物，根据公认定义的食物组(例如，脂肪、肉类、蔬菜、面包等)进行组织化，作为分析电性能以及随后的部件或器件制造的候选材料。使用电导率探针和半导体参数分析仪进行表征。如图1表格的阴影部分所示，带阴影的相应油类和干燥食物(包括肉类、蔬菜、明胶、水果和面包)可以达到作为绝缘体/介电材料所需的电导率。天然食物被证明能够提供良好的绝缘体/介电材料，但可能无法像电气部件那样表现良好。这里，明胶被分类为肉类，因为它是从动物原料中的胶原蛋白得到的。干燥食物使用典型的干燥机制成。成为良好绝缘体的原因是天然食物包含共价材料并且不包含移动电子以传导电流。相反，由于存在游离离子来传导电流，因此包含盐(例如黄油)或水(例如新鲜的肉类和蔬菜)的食物相对导电。

下表1、3、6总结了常用食物材料的电导率和介电常数的更全面列表。

为了填补电导率谱中的空白，类似地对食品和无毒水平的电子材料进行鉴定和分析。为此，表2示出了在微电子制造中使用的一些常规材料的参数。

实施例2：压电体。

在某些形式中，电子部件可以包括压电材料。已知压电材料在经受机械应力时产生电压。因而，压电材料可以与其它材料一起用于感测应用或用于发电，或者用于包括压力传感器、麦克风和扬声器的应用。一些天然和可食用材料例如骨头和肌腱以及纤维素(许多蔬菜中都含有)都显示出压电效应。蔬菜材料所显示的压电机制源于蔬菜中取向的纤维素微晶由于与不对称碳原子相关的极性原子团的内部旋转而展现剪切压电性的能力。

因此，出于实现本发明构思的目的，在某些形式中，压电材料包括含有明胶和富含纤维素的蔬菜的复合材料。在某些形式中，压电材料由纤维素、富含纤维素的蔬菜或其组合形成。富含纤维素的蔬菜的实例包括但不限于西兰花、花椰菜、卷心菜、球芽甘蓝、菠菜、生菜等。在某些形式中，可将增塑剂包括在复合材料中以增强机械柔韧性。优选地，增塑剂是可食用的。可食用增塑剂的实例包括但不限于甘油、丙二醇、山梨糖醇等。

实施例3：粘合材料。

在某些形式中，可以使用粘合材料或粘合剂来增加电气系统的实现方式的元件之间的粘合性。优选地，粘合剂是可食用粘合剂。合适的可食用粘合剂包括但不限于蛋清和羧甲基纤维素。氢键的存在和与蛋白质的离子相互作用产生高的粘合强度，并使蛋清成为良好的粘合材料。例如，可以使用来自该组材料的实施方式的粘合剂来实现衬底与沉积在衬底上的材料之间的良好粘合。

实施例4：封装材料。

根据本发明的构思，用于预定用途的成组材料的实施方式可以包括封装剂(被配置为涂层，例如，覆盖电气系统的可食用/可植入部件，以减慢这种部件在活体生物组织内部的溶解或吸收)。表4中示出了被鉴定用作封装(涂覆)材料的材料的非限制性实例。在一些情况下，上文讨论的绝缘材料也可以用作封装剂。

实施例5：额外材料

其它材料可以包含在电气系统中。这些包括但不限于食用染料(例如FD&C蓝色1亮蓝、蓝色FCF、FD&C黄色5、酒石黄、FD&C红色3赤藓红和FD&C红色40)，以及一些半导体材料诸如磷掺杂硅、硼掺杂硅、锗、硅锗合金。应当理解，这些额外材料在与活组织并置时不应超过其安全剂量。例如，锗有剧毒并且在150ppm下会产生不可逆的有害作用。

表1.常用食物材料和详细电气特性的列表。

表2.用于活体组织的导电材料及其安全剂量。

^aFulati等,Sensors,2009,9,8911-8923；^bMcInturf等,Toxicol.Appl.Pharmacol.,2011,254,133-137(2011)；^cTable和Table,维生素A，维生素K，砷，硼，铬，铜，碘，铁，锰，钼，镍，硅，钒和锌的膳食参考摄入量(Dietary referenceintakes for vitamin A,vitamin K,arsenic,boron,chromium,copper,iodine,iron,manganese,molybdenum,nickel,silicon,vanadium,and zinc.)(2001)；^dErdman Jr,I.A.MacDonald,S.H.Zeisel,当前营养学知识(Present knowledge in nutrition).(JohnWiley&Sons,2012)；^eDel Valle等,钙和维生素D的膳食参考摄入量(Dietary referenceintakes for calcium and vitamin D.)(National Academies Press,2011)；^fJain和Elsayed,J Nephrol,2013,26,856-864；^gWildman和Medeiros,Advanced humannutrition.(CRC press,1999)。

表3.介电材料

表3.(续)介电材料

表4.鉴定用作封装材料的材料的非限制性列表

用于鉴定适合形成用于制造电气系统的实施方式的材料组的材料的各种材料的 表征。

实施例6：导电/介电材料的表征。

除了可食用的无毒金属外，还对来自加工食物(实际上基本上是活性炭)、碳化糖(棉花糖)、纤维素(棉花)和蛋白质(蚕丝)的碳进行了选择和测试。将退火过程用于给定材料的碳化。如图2A、2B、3A、3B所示，能量色散X射线光谱(EDX)结果表明这些材料包含碳。

使用扫描电子显微镜(Hitachi S4700 FESEM)测定活性炭、碳化棉花糖、碳化棉花、碳化蚕丝、西兰花粉末、压电膜、电感器和导电材料的表面形态和元素含量。

包括碳化棉花糖(图4)、棉花(图5)和蚕丝(图6)的不同微尺度形态的结果归因于这些材料的不同电气特性。具体来说，纤维状碳化棉花趋向于形成连续的传导电子的路径，而片状碳化棉花糖和蚕丝必须聚集以形成相似的传导路径。

在拍摄SEM、EDX图像之前，将某些材料在真空室中涂覆200nm厚的金层。

图7中总结的电子电导率结果表明，这些加工食物材料和无毒金属(也参见表2)可以按预期用途使用，作为制造电气系统的实施方式的导电材料。从图4-7和表2可以明显看出，可食用食物材料可以覆盖宽泛范围的电导率，总结在图9中。为了构建导电线/互连件，使用可食用金属，而将混合有面包/面粉和油的干蔬菜用作绝缘体。混合的碳化棉花糖和面粉可用于构建电阻器。

实施例7：压电材料的表征。

用包含半径小于50μm的粉末团块的西兰花粉末(与明胶混合以形成压电复合材料)进行适用于预期用途的压电材料的表征。图10示出了西兰花粉末的SEM图像。

在一些实施方式中，来自该组材料的压电材料可以被格式化为薄膜(或不同形状)。将西兰花粉末(Holistic Herbal Solutions,LLC)通过筛目尺寸为90μm的筛网进行筛分，然后通过磁力搅拌与明胶溶液均匀混合，接着在24℃下浇铸。每1g西兰花粉末使用2g明胶。通过添加可食用的增塑剂如甘油来调节薄膜的刚度。通过使用电动摇床、加速度计和信号分析仪来表征可食用压电薄膜的压电耦合系数。所述耦合系数测得为d33＝4.3pC/N，并且d31＝0.31pC/N。这些根据经验定义的值与众所周知的压电材料ZnO的5pC/N相当。图11示出了由西兰花粉末制成的可食用压电薄膜的横截面图。

除了富含纤维素的西兰花外，还使用本文所述的方法将其它富含纤维素的食物包括球芽甘蓝、花椰菜和卷心菜与胶凝混合，以形成压电复合材料。在表征这些材料的压电性能时使用了与上述相同的方法。结果示于图12A、12B、12C和12D，并示于表7中。

所述材料均表现出明显的压电效应。在含纤维素的蔬菜与明胶之间的重量比相同(1g含纤维素的蔬菜与2g明胶)的情况下，由于西兰花是最富含纤维素的蔬菜，因此其具有最强的压电效应。应当指出，明胶也具有可检测的压电效应，因为它是从来自动物原料的胶原蛋白得到的。然而，其d33系数比西兰花小约30倍。因此，所观测到的压电效应主要由蔬菜的材料限定。

因此，本领域技术人员将容易理解，对食物材料的电气特性的研究为建立可食用/可植入电气系统的实施方式的形成所必需的电气部件工具箱提供了机会。

电气系统和构成部件和/或器件的实施例。

本文描述的电气系统包括电子部件和电子器件。使用食物材料、加工食物材料、类食物材料、食品和天然材料或其组合中的一种或多种来制造电子部件。优选地，电子部件包括至少一种或多种食物材料。

彼此可操作地协作的一个或多个电子部件可用于制造电子器件。电气系统的实施方式是可食用的和/或可摄入的和/或可生物相容的和/或可生物降解的和/或可生物吸收的和/或可植入的。

下文所讨论的电子部件的实施方式随着时间的推移在活体组织(例如胃肠道，如果通常被引入受试者中)内部降解。降解性质可以包括水解、酶促、热过程或其组合。可以通过选择用于形成构成电子部件的材料，材料的体积、质量、密度，封装层的存在或几种此类手段的组合来改变和/或预定降解速率。

电气系统的实施方式的代表性构成部件/器件包括电容器，电感器，天线，互连件(例如导电材料线)，绝缘体，电阻器(例如电位计)，晶体管，二极管(例如发光二极管)，导电材料/互连件，印刷电路板，电极和压电元件。

实施例8：电容器

根据一种实施方式，使用平行布置并由一个或多个介电材料片隔开的导电材料片制造电容器。优选地，将导电材料形成为沉积在介电材料的相对侧上的薄板或图案。所述材料可以经由手动施加、涂抹、喷涂、刷涂、蒸发变酸、用有机物(例如酒精)蒸发溶剂、旋铸沉积的导电材料和介电材料来施加，分别作为电流或电荷收集器和电介质或隔膜。当将导电材料沉积为薄板时，这些板优选在其上沉积薄板的介电材料的整个表面上形成层。优选地，所使用的导电材料是惰性、无毒的，即，这些材料在引入受试者中时不参与化学反应。可食用的无毒金属如金(例如，纯度为23开)是用于制造可食用电容器的交流导电材料的实例。可食用介电材料的每个表面上的金属导电材料层的厚度可以在50nm至500nm之间(包括端点)，100nm至400nm之间，或者150nm至300nm之间(包括端点)。在一些实现方式中，金属导电材料层的厚度为约200nm。(可用于制造电容器极板的导电材料的列表如表2所示。)

可以用于制造电容器的大量介电材料如表3所示。在某些形式中，介电材料包含可食用的增塑剂，例如甘油或丙二醇，以增强材料的机械柔韧性。在某些形式中，还可以将高k材料添加到电介质中以增加所得复合介电材料的介电常数。在一些实现方式中，介电材料被模制成膜，其厚度可以在10μm至500μm之间(包括端点)，优选地在80μm至140μm之间(包括端点)。优选地，介电材料包含明胶。

上述电容器的电容可以在1pF至200nF之间(包括端点)，优选在1pF至100nF(包括端点)的典型范围内。应当理解，可以根据需要改变沉积的导电材料(板或图案化)的总表面积，沉积的导电材料之间的电介质的厚度或两者，以改变电容器的电容。

在一个特定的实现方式中，所得电容器另外还包括电解质材料，当在电容器上施加电压时，该电解质材料充当电荷载体。

在一种代表性的情况下，将明胶膜用作介电层。这里，称取2g明胶并撒在20g蒸馏水上。将混合物保持10分钟，以使明胶完全溶胀，然后通过在恒定的磁力搅拌下将明胶溶解在约100ml蒸馏水中30分钟来制备明胶溶液。在混合和搅拌期间，明胶溶液的温度维持在60℃。随后，称取1.2g甘油并添加至明胶溶液中并搅拌10分钟。甘油用作可食用增塑剂。明胶膜是通过在50℃的丙烯酸玻璃板上溶液浇铸12个小时而制得的。明胶膜的典型厚度在80μm至140μm之间变化。金属迹线的图案由荫罩限定。仔细对准具有相同图案的两个荫罩，并将其贴附到明胶膜的两侧。使用金溅射在明胶膜的每一侧沉积200nm厚的金层。在沉积之后去除荫罩以形成所得电容器。这里，沉积的金和明胶膜分别用作电流或电荷收集器和电介质或隔膜。

图13A、13B包含两个图像，第一个图像示出了电容器的一个实施方式的横截面，第二个图像呈现了由涂有可食用Au作为电极的作为介电层的薄明胶片所制成的电容器的外部图。电容的测量在具有精密LCR仪(Hewlett-Packard 4061A半导体材料/部件测试系统)的探针台上进行。图14示出了用不同组成的可食用增塑剂甘油构建的电容器的电容。

实施例9和10：电阻器和电感器

可以使用包含来自上述组中的材料的混合绝缘体-导电材料体系来设计电阻器。所述电阻器的电阻范围在0.1Ω至25ΜΩ之间(包括端点)，优选在10Ω至20ΜΩ之间(包括端点)。在一些实施方式中，电阻器是使用绝缘材料(例如甘薯淀粉)和导电材料(例如碳化棉花糖)通过使用注射器的挤压工艺制成的。

在一种实施方式中，所述电阻器被格式化为直导线，即导电“面条”。在制造过程中，可以在电阻器仍然潮湿时将一层或多层导电材料添加到电阻器的外部，以增加电导率。

然而，在挤压步骤期间，构建材料可以缠绕在选定形状的物体上。当物体(预成型件)为圆柱形时，产生电感器。在一些形式中，电感器的长度可以在2mm至30mm之间，优选地在5mm至20mm之间。在一些实施方式中，电感器回路的直径在2mm至40mm之间(包括端点)，优选地在5mm和30mm之间。在一些形式中，电感器的电感可以在0.5μH和10⁴μH之间(包括端点)。应当理解，可以调节电感器的长度、直径或两者，以实现期望的电感值。

在一种情况下，为了生产电阻器，称取1.5克甘薯淀粉、0.45克活性炭和0.5克碳化棉花糖，并在单独的陶瓷容器中混合在一起。将混合物研磨10分钟以均匀分散甘薯淀粉、活性炭和碳化棉花糖。然后将容器放在加热板(200℃)上并加热5分钟，接着加入2g蒸馏水，并在不断搅拌下再加热5分钟。经加热的混合物形成了低粘度(略带流动性)的面团。然后将混合物转移到注射器中。可以使用具有不同孔口尺寸的注射器。孔口的尺寸限定了可食用电阻器的直径。通常使用的孔口直径为2mm，范围在0.1至2mm之间(即最大孔口对应于18号规格)。将混合物以0.7mL/min的速率推到沸腾的蒸馏水中3分钟，然后将其浸入室温的蒸馏水中以提高挤出混合物的韧度/刚度。最后，将挤出的混合物送入烘箱，并在60℃下干燥12小时，形成可食用的电阻器。所述可食用的电阻器是基本上导电和可食用的面条。

可食用电阻器也可以按照上述程序，由碳化棉花和碳化蚕丝形成，同时用这些材料代替碳化棉花糖。在此过程中，也可以使用面粉代替甘薯淀粉。

按照上述用于制造可食用电阻器的程序来制备可食用电感器。将混合物推到沸腾的蒸馏水中并在室温下浸入蒸馏水中后，将样品缠绕在直径为约2至15mm的圆柱形物体例如简单的金属或玻璃棒或圆柱管上，长度在40cm至80cm之间。圆柱形物体的缠绕长度和直径影响可食用电感器的电感。然后将缠绕的可食用电感器在60℃的烘箱中干燥12小时，随后在干燥过程后从圆柱形物体上取下。将可食用的电感器制成基本上干燥的。

图15A、15B和图16A、16B分别示出了由甘薯淀粉和碳化棉花糖通过所述挤出工艺制成的电阻器和电感器的SEM和光学图像。如图15A、16A的SEM图像所示，碳化棉花形成沿着“面条”的主体基本上连续的电气补丁。

图17A、17B包含了由不同复合材料形成的电阻测试结果与由活性炭形成的电阻测试结果相比随着长度变化的线图。碳化蚕丝(图17A)和碳化棉花糖(图17B)被用作碳化棉花的替代品。碳化蚕丝和碳化棉花糖的含量为10％、20％或30％。

图18A、18B、18C是示出了不同直径和长度的电感器在10³Hz至10⁶Hz之间(包括端点)的频率下的工作性能的线图。线圈的直径为10mm(图18A)、18mm(图18B)和28mm(图17C)。使用基于食物的材料制造的电感器显示与基于非食物的材料制造的电感器类似的特性：对于给定的频率扫描，电感与电感器的长度和直径成正比。

实施例11：导线/互连件

在某些实施方式中，详细的制造方法与上面参考电阻器所描述的基本相同。简而言之，可食用导线之一由作为衬底材料的米纸和作为功能部件的溅射Au制成。参见图19A。上面实施例中讨论的可食用导线和互连件形成为具有导电迹线层的衬底。衬底由米纸或电阻率大于1×10¹⁰Ω-m的任何其它基于食物的材料制成。米衬底的尺寸为3mm×(20-50mm)×0.2mm(厚度)。使用蛋清作为粘合层，将具有互连件/导线图案的荫罩贴附到米纸上。实施方式然后在70℃的烘箱中干燥8小时以形成衬底。

然后将衬底放置在金溅射机的真空室中，在其中通过荫罩将金沉积在衬底上，厚度为100nm。米纸非常薄，因此非常柔韧，因此可以用作导线/互连件中的衬底。如在图19B的SEM横截面图中所示，Au层的厚度在100nm的数量级上，并且在图19C中呈现了这种导线的电阻随着长度变化的曲线。

在一种相关的实施方式中，通过在金溅射机中用金在作为衬底的米纸上涂覆1分钟、5分钟和10分钟来制备导线，并确定这些导线的电阻随着长度变化的曲线，图31。如图31所示，在衬底上涂覆金1分钟所制成的导线在测试的长度范围内具有最高的电阻(三倍)。同时，涂覆金5分钟和10分钟的衬底在所测试的整个长度上具有相似的电阻。这表明，与更高量的金(10分钟涂覆)相比，可以使用更少的金(5分钟涂覆)来获得相同的电气特性。

实施例13：印刷电路板/面包板

可食用的可印刷电路板(PCB)传真充当衬底，可食用电子器件的其它部件安装在其上。优选地，将PCB制成可食用的。在某些形式中，可食用PCB衬底可由诸如糖粉、黄原胶和蛋清的材料形成。在将电气系统安装在可食用PBC上之前，可以将粘合剂施加到PCB的表面，以确保可食用PCB与电气系统之间的良好粘合。

使用糖粉、黄原胶和蛋清如下制备每个可食用PCB衬底：称取60克糖粉、0.5g黄原胶和12g蛋清，并在玻璃碗中使用手动搅拌器混合在一起。将它们混合直到形成粘性糊状物，并且大部分糖粉已掺入所述粘性糊状物中。将20g额外的糖粉和粘性糊状物倒在实验室工作台上，接着捏合，直到形成光滑且不粘的糖糊面团。将所述不粘的糖糊面团分成八块。将每个小块铺开并切成7cm×7cm×0.2cm的小块或衬底(即可食用PCB衬底)。然后将每个切块在室温下干燥12小时。在将荫罩置于可食用PCB衬底上之前，在可食用PCB衬底的表面上涂覆均匀的蛋清层。蛋清用作表面粘合剂，以确保荫罩与可食用PCB衬底的良好贴附。将可食用PCB衬底在70℃的烘箱中干燥8小时后，将每个PCB放置在金溅射机的真空室中，然后将金相对于荫罩沉积在所述PCB的表面上。图24A示出了具有沉积金层2406的由糖粉制成的PCB2404的俯视图。

根据本发明的实施方式，面包板可以由多种碳水化合物和蛋白质成分制造，这些成分可以主要由部分加工的食物形成或可以由部分加工的食物制造。实例包括利用诸如白面包的面包，将其辊平并挤压，然后打孔以允许插入部件。可替代地，可以利用食品，例如无酵饼、扁平的无酵面包和具有穿孔的饼干等。可以利用类似的易消化饼干或撒盐饼干。在图24B中示出了具有导体(碳化电阻器2420和电感器2430-缠绕的碳化材料)的面包板(饼干/撒盐饼干)2410的透视图。

实施例14：天线

天线在物理和/或无线连接的电子部件之间发送和/或接收信号。在某些形式中，天线从受试者内部和/或外部的源发送和/或接收信号。可以使用上述任何导电材料来制造天线部件。在某些形式中，天线包括可食用Au。

实际上，天线的荫罩是使用下文在荫罩制备部分中所述的相同方法制成的。然后，将荫罩贴附到可食用PCB衬底上，接着使用金溅射机沉积约200nm厚的金沉积层。沉积后，去除荫罩，并在可食用PCB衬底上形成天线。图20A、20B、20C分别示出了天线的一个实施方式的透视图，以及天线的输出电压随输入电压变化和随时间变化的曲线图。

为了表征天线的一种实施方式，将由50匝铜线圈(直径50mm；高度60mm)制成的发射器连接到信号发生器，并将交流电(AC)源连接到所述发射器，峰峰电压为1V至10V(包括端点)。将所测试的天线面向线圈横截面距10mm的距离放置。所测试天线的两个端口连接到示波器，在示波器上记录信号波形和峰峰值。

另外，制造并测试了若干有源系统，即具有特定功能的系统，包括pH传感器、射频滤波器和压电麦克风。

实施例15：pH监测电路(pH传感器)

可食用pH传感器的一种实施方式包括作为工作电极的金-氧化锌(II)(Au-ZnO)薄层，用于无线传输信号的由金制成的天线，以及可食用电容器，它们均设置在可食用衬底(例如，可食用无酵饼衬底)上，图21A、21B。ZnO与酸性或碱性溶液的反应可用于改变Au和ZnO电极之间的电容C，因此pH传感器的共振频率f根据

其中L是不依赖于pH值的天线的电感。为了校准可食用的pH传感器，通过标准实验室pH计测量各种溶液的pH值；表征Au-ZnO电极的电容，并使用由读取器、差分放大器和频谱分析仪组成的市售电路检测pH传感器的共振频率(图21C)。在校准过程中，将可食用的pH传感器浸入pH值范围为1至14的测试溶液中。

工作机理是针对酸性溶液的工作机理。驻留在ZnO表面的H⁺可以质子化或去质子化：

导致表面电荷和表面电势，因此其对pH敏感。对于碱性溶液，随着OH^-基团的增加，会出现羟基络合物，例如Zn(OH)₃ ^-，

图22提供了图21A、21B、21C的可食用pH传感器的实施方式的根据经验确定的电容和共振频率值的图。

实施例16：射频滤波器

参考图23A，制造了可食用的射频(RF)滤波器2300，其包括：i)由碳化棉花糖和甘薯淀粉制成的电阻器2310；ii)由碳化棉花和甘薯淀粉制成的电感器2320，以及iii)可食用电容器2330，并测试了其频率依赖性特征。针对目标频率范围选择电阻(R)、电感(L)和电容(C)的值，并分别进行测量和验证(R＝20Ω，L＝0.2μΗ，C＝1.7nF)。模拟了该系列RLC滤波器的频率响应，并使用常规信号发生器和示波器进行测量。相应的图呈现于图23B中。

实施例17：压电麦克风

参考图25A、25B、26A、26B、26C、26D、27A和27B，以确定可食用的压电薄膜是否可用于将机械振动转换为明显的电压变化用于潜在的生物医学应用，可食用压电麦克风构建如下：使用上文在压电复合薄膜部分中描述的明胶/西兰花膜，形成2mm厚的可食用压电薄膜。压电薄膜的两面都涂有200nm厚的Au电极。将通过将100nm的金层施加到米纸上而构建的导电材料线连接到Au电极。

为了测试可食用的压电麦克风，经由扬声器播放从计算机产生的具有限定频率的声音(即虚拟钢琴键)，其中将可食用的压电麦克风牢固地贴附到扬声器的振动膜，以检测机械振动。所产生的频率范围在27Hz至131Hz之间(为简单起见，仅显示结果的几个非限制性实例)。将可食用麦克风的实施方式连接到示波器以记录并显示电压波形。来自示波器的已记录的模拟电压信号进一步馈送到扬声器以进行任选的播放。应理解，低频声音在生物医学应用中特别重要，因为它在与正常和病理状况相关的腹部范围内。为了确定可食用的压电麦克风是否可用于生物医学应用，将来自70岁腹痛老人的肠鸣声馈入扬声器，并经由可食用麦克风进行录音。将记录的电压波形与原始测试声音的波形进行比较，具有良好的相关性。

应理解，对食物相关材料的电气特性进行整体研究的结果以及可食用/可植入的电气系统的实施方式的制造演示，为构建包含可用于制造可食用电子部件和可食用电子器件的材料的“工具箱”提供了机会，其非限制性实例如表5所示。

表5.用于构建电子部件的工具箱中的材料

表6：具有相应电导率和介电常数的食物的列表

表7.不同压电材料的D₃₃

额外考虑。

在用于构建电子部件的实施方式的材料的制备过程中，通常不以相同的方式处理不同的食物材料。例如，在蔬菜或水果的情况下，将每个蔬菜/水果切成圆形切片，其厚度在1mm至2mm之间(包括端点)，并且直径在1cm至4cm之间(包括端点)。使用家用食品干燥机在60℃下将蔬菜/水果切片干燥12小时，以获得干燥状态的食物物质，即干蔬菜或干水果。然而，应理解，在一些实施方式中，非干燥食物材料可以以某些形式使用。

在碳化棉花糖、棉花和蚕丝的情况下，将几克量的棉花糖、棉花和蚕丝各自在280℃下以2℃/min的加热速率退火1小时，随后在氩气流中在1000℃下以6℃/min的加热速率退火1小时。在这些退火步骤结束时，获得碳化棉花糖、碳化棉花和碳化蚕丝。然后将碳化棉花糖、碳化棉花和碳化蚕丝在单独的研钵中研磨成小块(直径约300μm)。

在压电复合薄膜的情况下，使用明胶/西兰花膜。这种膜制备如下：称取2g明胶，并撒在20g蒸馏水(即20mL)上。使混合物静置10分钟，以使明胶完全溶胀，此后，通过在恒定磁力搅拌下将溶胀的明胶溶解在约100ml蒸馏水中30分钟来制备明胶溶液。在混合和搅拌期间，明胶溶液的温度维持在60℃。称取1g西兰花粉末和1g甘油并将其加入明胶溶液中，接着搅拌10分钟。明胶/西兰花膜是通过在50℃的丙烯酸玻璃板上溶液浇铸12小时制得的。

在制备荫罩的情况下，在AutoCAD中设计所需的荫罩图案，并使用激光切割机(VLS6.60激光切割机，Universal Laser System,Inc.)将其转移到Mylar膜(厚度为0.1mm)上。激光切割机切穿Mylar膜，以制成具有所需图案的荫罩。

为了制备甘薯淀粉面团、糖粉面团和面粉面团：将每个面团揉捏并切成尺寸为3×2×0.2cm的板以进行机械测试。Instron 4411用于执行压缩测试。

材料、部件和器件的表征已在上文至少部分解决。另外，为了表征电导率，将恒电位仪(Gamry Potentiostats Reference 300)和万用表(Hewlett Packard)用于生食和干燥食物材料。对于粉状食物材料，使用直径为1英寸的不锈钢模具来盛装粉状食物材料，包括鲜奶粉、碳化棉花糖、15碳化棉花、碳化蚕丝、多用途面粉和糖粉。然后在模具上施加30MPa的压力，以生产浓缩片。将两个不锈钢板放置在食物原料片的两侧，以形成“三明治”结构，使用Gamry Potentiostats Reference 3000进行电导率测量，图28A。对于液体食物材料，使用两侧均带有铜箔的塑料盒(图28B)来盛装液体食物材料。然后将两个铜箔连接到万用表以进行电阻测量。

为了测量电感，使用卡尺测量每个电感器的直径，同时使用精密LCR表(Hewlett-Packard 4061 A半导体材料/部件测试系统)测量电感。

在对用于结构部件的食物材料进行机械表征期间，将给定的样品放置在材料测试系统(Instron 4411)的平台上进行压缩测试。初始设置后，加载并记录通过挤压目标的压缩力。还记录挤压目标的位移，直到样品破裂。前几个数据用于计算样品的杨氏模量(应力(σ)/应变(ε))。应力是通过将施加力除以样品顶部面积(力(F)/面积(a))来计算的，而应变是通过将位移除以样品厚度(位移(Δ1)/厚度(1))来计算的。然后，通过将应力值除以应变值来计算杨氏模量，如上文针对样品的额外压缩力、位移、面积和厚度所述。

为了表征压电耦合系数，在测试前测量了样品的尺寸、重量和电容。图29示出了表征的示意图。将横杆的一端固定，而另一端连接至电动摇床。使用蜡将样品以距摇床末端四分之三的距离连接在横杆上。加速度计安装在同一位置以测量样品的加速度。电动摇床连接到其电源和频率为50Hz的信号发生器。在摇床施加振动的过程中，惯性力经由F＝ma施加到样品，在通过信号分析仪表征的样品上产生电压V。根据d₃₃＝CV/F评估压电系数(d33)，其中C是样品的电容(单独计算)。系数d31是使用疲劳载荷框架(Bose ElectroForceBiodynamic 5160)表征的，而电流是用皮安表(Keithley 6485)测量的，图4A。样品被制成在顶部和底部表面均具有8×25.4mm Ag涂料电极。然后用Cu带将电极延伸，以允许与皮安表适当连接，图4B。对样品施加动力，以测量周期性输出电流。

面粉面团、糖面团和甘薯面团的杨氏模量分别如图30A、30BB和30C所示。尽管甘薯淀粉和小麦粉都可以用作电阻器和电感器中的衬底，但与普通面粉相比，甘薯淀粉的面团易于成型，并且在干燥状态下不易破裂。原因是甘薯淀粉比面粉中含有更多的淀粉，并且淀粉在水和热的存在下会发生胶凝化。胶凝化后，淀粉面团将变得均匀且发粘，这使其易于成型为具有光滑表面的所需形状。因此，甘薯淀粉可以用作电阻器和电感器的良好衬底。

可以使用本领域普通技术人员已知的方法来制造所讨论的电气系统的实施方式。这些方法包括但不限于丝网印刷、增材制造、喷雾干燥和挤出。这些实施例提供了有关如何制造这些电气系统的指南。选定的食物材料可以经由特定方式进行加工，以产生多种形式。作为非限制性实例，可以使用上述基于食物的材料来制造可食用pH传感器。例如，可食用pH传感器包括可食用电子部件，例如由Au和ZnO制成的电极，由金制成的天线，和电容器，它们都安装在可食用衬底(例如，可食用的无酵饼衬底或可食用的糖基衬底)上。ZnO与酸性或碱性溶液的反应可用于改变Au与ZnO电极之间的电容，从而改变可食用pH传感器的共振频率。可食用pH传感器的共振频率可以使用合适的电子电路来检测，例如由读取器、差分放大器和频谱分析仪组成的市售电路。可食用pH传感器可以使用通过pH计(例如，可从HannaInstruments购得)测量的溶液的pH值来校准。在校准过程中，可食用的pH传感器可浸入pH值为1至14的测试溶液中。

利用所描述的肠内电子基础材料和食物套组的系统的制造提供了可以在人类或动物应用之外使用的新型材料和部件。可以由这些材料形成器件，所述材料可以在代表了可生物降解的绿色材料的另一种形式的环境中使用。这里的实例包括温度传感器、风传感器、灰尘传感器、流量和排水系统以及土壤pH系统。在使用昂贵的构成材料的情况下，有机可生物降解材料的使用受到限制，基于食物的材料提供实用和经济优势。

为了本公开和所附权利要求书的目的，关于当前值、要素、特性或特征的描述词的术语“基本上”、“近似”、“大约”和类似术语的使用旨在强调所提及的值、要素、特性或特征，尽管不一定恰好如所述一样，但出于本领域技术人员所述的实际目的，这些值、要素、特性或特征仍将被考虑。这些术语当应用于指定的特征或质量描述词时，意指“大部分”、“主要”、“相当”、“大体上”、“基本上”、“在很大或显著程度上”、“大部分但不一定全部相同”，例如以合理地表示近似语言并描述指定的特征或描述词，以使本领域普通技术人员可以理解其范围。在描述所选特征或概念时使用这些术语既不暗示也不为不确定性提供任何依据，并且也不为指定特征或描述词增加数值限制。如本领域技术人员所理解的，所述值、要素或特性的确切值或特征与所述值或特征的实际偏差落在由实验测量误差限定的数值范围内并且可能变化，该误差在使用本领域中公认用于所述目的的测量方法时是典型的。

总体而言，已经用食物材料、加工食物材料、类食物材料和/或食品完全或部分地制造了电子器件和电子部件——统称为电气系统。所述电子器件和电子部件与肠道相容；被动或主动摄入，可生物降解和/或可生物相容，或其组合。与肠道相容的电子器件、电子部件可以被动地或主动地放置或以其它方式定位在胃肠道中从嘴到肛门的任何位置。它们可以使用诸如显微镜或套管针的器件来安置，经由吞咽或NG管输注来吞咽；并且是可生物相容的，可生物降解的或其组合。它们可能与所含的营养元素一起吸收和/或具有相容的非吸收性元素，例如麸皮或玉米皮，它们不经消化或吸收就通过肠道并被清除。所述系统的元件可以被身体部分或完全吸收，或者可以是营养性的。所述系统可用于非医疗应用，例如在食品包装中或在器件于规定时段内完全降解的环境中。

在某些形式中，食物材料是天然食物材料，例如未加工的水果和蔬菜。在其它形式中，食物材料也可以部分或全部加工，例如来自生谷物的磨碎的小麦或麸皮；或由小麦、玉米、黑麦或其它谷物制成的面粉，或煮熟的蛋或其组分。在某些形式中，电气系统包含加工食物材料和/或无毒水平的传统电子材料，以便增强所需电子部件的电气特性(例如电导率)。在某些形式中，加工食物材料可以是碳化食物材料，例如碳化的植物纤维，例如燕麦或小麦麸，大麦，黑麦，木材来源或棉花，碳化棉花糖，或碳化蚕丝。在某些形式中，无毒的传统电子材料可以是金属或金属氧化物，例如金或氧化锌(II)，或者是材料如碳或碳纳米管。在某些形式中，电气系统包含类食物材料或其它天然材料，或其组合，例如，多糖如纤维素、糖类，蛋白质如蚕丝、明胶、胶原蛋白或凝结蛋清(白蛋白)，细胞外基质，蔬菜或动物油或脂肪如橄榄、玉米和坚果油，以及材料如骨头、羟基磷灰石及其组分。

尽管已经描述了某些实现方式，但是这些实现方式仅通过举例的方式给出，而无意于限制本公开的教导。实际上，本文描述的新颖的方法、设备和系统可以以多种其它形式来实施；此外，在不脱离本公开的精神的情况下，可以对本文所述的方法、设备和系统的形式进行各种省略、替换和改变。

Claims (26)

1.一种可食用电气系统，其包括来自第一组材料的至少一种材料，所述第一组材料包括

食物，

类食物材料，

加工食物，

食品，

基于食物的材料，

合成材料，以及

天然材料。

2.权利要求1的可食用电气系统，其还包括来自第二组材料的至少一种材料，所述第二组材料包括碳、无毒金属和无毒非金属无机材料。

3.权利要求1至2任一项的可食用电气系统，其中来自所述第一组材料和第二组材料中的至少一者的材料是导电材料、介电材料或压电材料。

4.权利要求1至3任一项的可食用电气系统，其包括被配置为电绝缘构件、介电构件、导电构件中的至少一者的部件。

5.权利要求1至3任一项的可食用电气系统，其包括被配置为电阻器、电容器、电感器、天线、互连件、晶体管、二极管、衬底、导线和印刷电路板中的至少一者的部件。

6.权利要求1至3任一项的可食用电气系统，其包括麦克风和pH传感器中的至少一者。

7.权利要求1至6任一项的可食用电气系统，其中所述第一组材料包括蔬菜、水果、面包、面粉、油、碳化棉花糖、硬糖、棉花、碳化棉纤维、蚕丝、碳化蚕丝、骨头、肌腱、明胶、谷物、糖类、活性物质、木炭、棉花软糖、蛋的组分和淀粉中的一种或多种。

8.权利要求4至6任一项的可食用电气系统，其中所述可食用电气系统的部件或成组部件涂覆有来自所述第一组材料的涂层材料。

9.权利要求8的可食用电气系统，其中所述涂层材料包括明胶和糖糊中的至少一种。

10.权利要求8至9任一项的可食用电气系统，其中所述涂层材料基本上封装所述部件或成组部件。

11.权利要求5的可食用电气系统，其中导线被绞合成螺旋状。

12.权利要求1至6任一项的可食用电气系统，来自所述第一组材料的一种或多种材料包括表1中列出的材料。

13.权利要求1至8任一项的可食用电气系统，其包含安装在可食用印刷电路板上并且任选地可操作地连接到微芯片电子电路的部件。

14.权利要求1至8任一项的可食用电气系统，其包含至少两个直接或间接地连接以彼此进行电子通信的部件。

15.权利要求1的可食用电气系统，其中所述第一组材料还包括增塑剂和山梨糖醇中的至少一种。

16.用于制造电气系统的成组材料，所述成组材料包括以下中的任意项：

食物，

类食物材料，

加工食物，

食品，

基于食物的材料，

合成材料，以及

天然材料。

17.权利要求16的供使用的成组材料，其中来自所述成组材料的材料是基本上干燥的。

18.权利要求16至17任一项的供使用的成组材料，其中所述成组材料还包括选自碳、无毒金属和无毒非金属无机材料的材料。

19.权利要求16至18任一项的供使用的成组材料，其中来自所述成组材料的材料包括导电材料、介电材料和压电材料中的至少一种。

20.一种可植入电气系统，其包括：

以下中的至少一者：i)来自第一组材料的第一材料，所述第一组材料包括食物、类食物材料、食品、基于食物的材料、合成材料和天然材料，和ii)来自第二组材料的第二材料，所述第二组材料包括碳、无毒金属和无毒非金属无机材料。

21.权利要求20的可植入电气系统，其还包括以下中的至少一者：

a)被配置为电绝缘构件、介电构件、导电构件中的至少一者的部件，和

b)被配置为电阻器、电容器、电感器、天线、互连件、晶体管、二极管、衬底、导线、印刷电路板和微芯片中的至少一者的部件。

22.权利要求20至21任一项的可植入系统，其被配置为经口、经颊、经鼻、经直肠或经阴道施用于组织。

23.权利要求20至22任一项的可植入电气系统，其包括选自以下的器件：pH传感器，射频(RF)滤波器，麦克风，机械传感器，温度传感器，压力传感器，分析物传感器，微生物传感器和流体流量传感器。

24.权利要求20至23任一项的可植入电气系统，其中所述系统的部件被配置为可食用、可生物降解和可摄入中的至少一种。

25.一种可植入电气系统，其包括：

以下中的至少一者：i)来自第一组材料的第一材料，所述第一组材料包括食物、类食物材料、食品、基于食物的材料、合成材料和天然材料，和ii)来自第二组材料的第二材料，所述第二组材料包括碳、无毒金属和无毒非金属无机材料，

以及

以下中的至少一者：a)被配置为电绝缘构件、介电构件、导电构件中的至少一者的部件，和

b)被配置为电阻器、电容器、电感器、天线、互连件、晶体管、二极管、衬底、导线、印刷电路板和微芯片中的至少一者的部件或器件。

26.权利要求25的可植入电气系统，其包括选自以下的器件：pH传感器，射频(RF)滤波器，麦克风，机械传感器，温度传感器，压力传感器，分析物传感器，微生物传感器和流体流量传感器。

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