CN114517775A - 网格组合式电极之电化学泵装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种网格组合式电极的电化学泵装置，用于连接一药物注射容器使用。在连接电源后，阴极(或阳极)透过网格电极与该超吸收材料层的电解液产生电化学反应释放出一第一气体，第一气体立即从网格电极之网目通过而没有阻隔损耗；阳极(或阴极)透过平面电极与超吸收材料层另一侧的电解液产生电化学反应释放出一第二气体，第二气体先穿透超吸收材料层纤维间的小空间/通道后再穿过网格电极的网目；随着第一气体及第二气体增加，扩展推动活塞来推送药剂。

Description

网格组合式电极之电化学泵装置
技术领域
本发明涉及一种释放气体压力的电化学泵领域，特别是一种使用网格电极的电化学泵的网格组合式电极的电化学泵装置。
背景技术
许多慢性疾病的治疗，需要以精准受控的药剂量，在连续或特定时间间隔下进行皮下施用药物或治疗剂。此外，某些治疗需要大于1毫升的注射量超过限有皮下注射装置的注射体积之极限，且注射速动不是过快(数秒钟)就是过慢(数小时)；例如，传统蛋白质药物之静脉注射其注射量通常超过30mL甚至到达250mL，其注射时间为30分钟到数小时。
许多穿戴式药物泵装置是由步进电机(或用于旋转齿轮的类似部件)驱动，然而，它们的运动是离散的(每次转一格)，而不是连续的。因此，步进电机提供的基础输送流量也是离散的(每次一小滴)。例如，在5到5000nl/min范围内的基础速率(胰岛素的典型剂量方案)具有离散的每次5nl递送，速率介于每小时一次递送至每小时一千次递送之间，注射1毫升最快通常要超过3-6小时，此种注射速度又过慢无法满足病人需求(5-10分钟)。
叉指微电极广泛用于电化学传感器和致动器，由于气泡静摩擦力(气泡和电极之间的表面张力)，这些2D电极实际上难以排出微电极表面产生的气体。气泡静摩擦问题增加了平面电极的阳极和阴极之间的总电压(电阻)，并增加了控制电路的功耗。添加亲水性材料(如高吸水性材料)有助于有效去除电极表面产生的气泡，从而降低电极的电压和功耗。这种吸附材料可以在中低气体产生条件下(<100μL/min)有效去除气体，但是，当需要更高的气体去除率(>100μL/min)时，需要具有更高气体去除率的新电极室设计。
现有的电化学泵通常是由两片电极板作用产生气体，由于电极板位于大面积的两边，产生的气体被迫只能从较窄的夹层周边窜出，如此释放的气体紊乱，导致在两片电极板之间的压力不平均，无法提供有效的线性与特定曲线的气体而使得药剂提供无法达到患者所需。所以，开发一种电化学泵，能提供定向定量的气体产生速度来供药，并可达到线性与特定曲线的供气压力是极为重要。
发明内容
有鉴于此，本发明为解决现有技术问题，提出一种网格组合式电极的电化学泵装置，可达到线性与特定曲线的供气压力来供药。
参照图1，本发明一种网格组合式电极的电化学泵，包含：提供本装置工作电压的一电源、一网格电极、一第二电极及一超吸收材料层；电源连接网格电极及第二电极；超吸收材料层夹在该网格电极及第二电极之间，储存一电解液。
该电解液经由电化学反应后会释放一气体。
本发明该网格组合式电极的电化学泵可外加一外壳，组成一网格组合式电极的电化学泵装置；外壳包覆网格电极、第二电极及该超吸收材料层，外壳上包含一出气口相邻该网格电极，如图3所示。
本发明该网格组合式电极的电化学泵装置连接一药物注射容器，动作流程如图2、图3所示：
A1.该网格电极连接该电源的第一极性(例如阴极、负极)，第二电极连接该电源的第二极性(例如阳极、正极)，第二电极为一平面电极，网格电极及第二电极之间夹着该超吸收材料层，超吸收材料层先行吸收该电解液(例如：去离子水加盐类，如NaCl，CaCl2， KCl等…)；
A2.在电化学作用下，第一极性(例如阴极)透过网格电极与超吸收材料层一侧，第一极性(例如阴极)与电解液产生电化学反应，而释放出作为第一气体(例如：H2)的气体；
A3.该第二极性(例如阳极)透过与第二电极与超吸收材料层另一侧，第二极性(例如阳极)与该电解液产生电化学反应，而释放出作为第二气体(例如：02)的气体；
A4.第一气体(例如：H2)从超吸收材料层靠近该网格电极端释放后，会立即从该网格电极的网目通过该外壳上的出气口到达该药物注射容器的一气室而没有阻隔损耗，比现有技术少了一层阻隔损耗；
A5.该第二气体(例如：O2)从该超吸收材料层靠近该第二电极端释放后，需要先穿透该超吸收材料层纤维之间的小空间/通道后再穿过该网格电极的网目后通过外壳上出气口到达气室；在穿透该超吸收材料层纤维时会有些微的损耗，也比现有技术减少了阻隔损耗；以及
A6.随着该第一气体(例如：H2)及该第二气体(例如：O2)增加，该气室随之扩展推动一活塞，间接推送一药剂。
较佳的，电化学式的实施例为：
Figure RE-GDA0003405892610000021
Figure RE-GDA0003405892610000022
Net：2H2O(l)→O2(g)+2H2(g)
较佳的，该超吸收材料层吸收产生电化学气体的液体，能控制电化学反应的面积和电化学反应产生的气体流速。
值得注意的是，本发明的该网格组合式电极之电化学泵与现行技术双电极结构相比，可以提供数倍的气体排出速率，从而降低电化学系统的电压和功耗；如图9所示，在电极性能测试时，使用相同的外加恒压条件下的电流响应，本发明比现有技术电流响应高；如图10所示，在电极性能测试时，使用相同的条件下电化学所产生的气体体积，本发明所产生的气体体积比现有技术多。
附图说明
图1是网格组合式电极之电化学泵示意图；
图2是网格组合式电极之电化学泵装置流程示意图；
图3是电化学泵连接药物注射容器示意图；
图4是平面电极的三个实施例示意图；
图5是不同组合的电化学泵示意图；
图6是绕卷式网格组合式电极之电化学泵示意图；
图7是绕卷式电化学泵连接药物注射容器示意图；
图8是圆形网格组合式电极之电化学泵装置示意图；
图9是电极性能测试-电流示意图；
图10是电极性能测试-体积示意图。
附图标记说明：1-电源；11-电源开关；2-网格电极；3-第二电极；30-平面电极；31-基板层；32-电极层；4-超吸收材料层；5-外壳；51-出气口；6-气体；7-多孔气管； 8-气密垫片；9-药物注射容器；91-气室；92-活塞；93-药剂；100、200、300-网格组合式电极之电化学泵；100A、400A、500A-网格组合式电极之电化学泵装置；400-绕卷式圆柱体泵；500-中空式圆柱泵；A1～A6-网格组合式电极之电化学泵装置动作流程。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明的各实施例。除了这些详细说明之外，本发明亦可广泛地施行于其它的实施例中，任何所述实施例的轻易替代、修改、等效变化都包含在本发明之范围内。说明书的描述中的许多特定细节，用于使本领域技术人员能够对本发明有较完整的了解；然而，本发明可能在省略部分或全部特定细节的前提下，仍可实施。此外，众所周知的步骤或组件并未描述于细节中，以避免对本发明形成不必要之限制。图式中相同或类似之组件将以相同或类似符号来表示。特别注意的是，附图仅为示意之用，并非代表组件实际之尺寸或数量，有些细节可能未完全绘出，以求附图简洁。
本发明实施例的一网格组合式电极之电化学泵100连接一电源1，该电化学泵100如图1、图5所示，包含:
一网格电极2，连接电源1的一第一极性，因电化学作反应产生的一气体6为一第一气体(例如:H2)，该第一气体可以无阻隔损耗地从该网格电极2的网目通过；
一第二电极3，连接该电源1的一第二极性，本实施例的第二电极3为一基板层31及一电极层32所组成的一平面电极30，因电化学作反应产生的气体6为第二气体(例如:O2)，第二气体先穿透超吸收材料层4纤维之间的小空间/通道后再从该网格电极2的网目通过；
一超吸收材料层4，位于该网格电极2与该第二电极3之间，超吸收材料层4储存有一电解液(例如:去离子水加盐类，如NaCl,CaCl2,KCl等…)；
网格电极2及第二电极3之间夹着该超吸收材料层4，第一气体及第二气体从网格电极2方向输出。
需要说明的是，图5中标记气体6代表电化学作反应产生作为第一气体或第二气体的气体。
本发明的该网格组合式电极的电化学泵100与现有技术的双电极结构相比，本发明可以提供数倍的气体排出速率，从而降低电化学系统的电压和功耗。
在上述实施例中，第一极性若为正极(阳极)，则第二极性为负极(阴极)；第一极性若为负极(阴极)，则该第二极性为正极(阳极)。
较佳的，电解液材料包含:氢氧化物电解质、水和盐、酸或碱的水溶液，以及非水离子溶液、乙醇。
较佳的，网格电极2由交叉且彼此连接的多条网格线形成的数个网目所组成。
较佳的，电源1包含:水银电池、锂电池、碳锌电池及能提供一电压的电源。
较佳的，网格电极材料包含:Pt、Ti、Au、IrO2、Ag、C和Pd及任何的电极材料。
在本发明一实施例中，第二电极3包含基板层31及电极层32，基板层31可以是硬质基板、可挠基板、多孔基板。
较佳的，基板层31为硬质基板材料，包含:硬性玻璃基板、蓝宝石基板、透明陶瓷基板或其他适合的基板；基板层为可挠基板材料，包含:薄型玻璃基板或高分子材料可挠基板。
较佳的，电极层32材料包含:Pt、Ti、Au、IrO2、Ag、C和Pd及任何的电极材料。
较佳的，超吸收材料层4材料可以是任何吸收性的材料，例如:凝胶的固相、棉、超吸收性聚合物、海绵材料或其任意组合(例如吸收在海绵内的凝胶)；其功能是维持电解质在整个该超吸收材料层4的均匀分布，并确保与电极保持接触。
在本发明一实施例中，第二电极3可以是网格电极2或是不同于该网格电极2的网目形状、大小所组成的该第二电极3。
较佳的，第一极性及该第二极性经电化学作用产生的第一气体和第二气体包含:氢气、氧气和/或二氧化碳的组合；例如，水的电解产生氧气和氢气，而乙醇的电解产生二氧化碳和氢气；使用乙醇可以降低电解泵的功耗，延长电池的使用寿命。
在本发明一实施例中，如图4所示，第二电极3包含该平面电极30，例如：矩形电极(一个电极)，叉指电极(两个电极)，阴极-阳极-参比电极(三个电极)，但本发明不仅限于此。
较佳的，网格电极2包括多条网格线形成的些网目，包含：叉指、方形、矩形、四边形、蜂巢形、多边形。
在本发明一实施例中，一网格组合式电极的电化学泵200连接一电源1，电化学泵200如图5中图所示，包括:
一网格电极2，连接电源1的一第一极性，用于电化学作反应产生一第一气体；
一第二电极3，本实施例的第二电极3为两层，每层均为由一基板层31及一电极层32所组成的一平面电极30，两层的平面电极30各自连接该电源1的一第二极性，因电化学作反应产生第二气体；
一超吸收材料层4，该超吸收材料层4为两层，储存有一电解液；
其中，网格电极2位于电化学泵200上层与下层之间，网格电极2数量为一层；电化学泵200上层和下层分别包括从外向内的基板层31，电极层32、超吸收材料层4；该第一气体及该第二气体需先穿透该超吸收材料层4纤维之间的小空间/通道后再从侧边方向输出。
在上述实施例中，每层的平面电极30的基板层31为多孔基板，第一气体及第二气体可从基板层31上的孔洞排出。
在本发明一实施例中，一网格组合式电极的电化学泵300连接一电源1，如图5下图所示:
一网格电极2，实施例该网格电极2为两层，分别连接该电源1的一第一极性，因电化学作反应产生一第一气体，第一气体可以无阻隔损耗的从上下两层的该网格电极2 的网目通过；
一第二电极3，本实施例第二电极3是一个由一基板层31及上下两层的一电极层32组成的双面一平面电极30，第二电极连接电源1的一第二极性，因电化学作反应产生第二气体，第二气体分别先穿透上下两层的该超吸收材料层4纤维之间的小空间/通道后再从上下两层的该网格电极2的网目通过；
一超吸收材料层4，该超吸收材料层4为两层，储存有一电解液；以及
其中，第二电极3位于电化学泵300上层与下层之间，第二电极3的基板层31数量为一层，电极层32位于基板层31上下两层。电化学泵300的上层和下层分别包括从外向内的网格电极2、连接网格电极的超吸收材料层4，第一气体及该第二气体从上下该网格电极2及周边方向输出。
在上述实施例中，其动作流程如下:
B1.网格电极2连接一电源1之一第一极性，两层该电极层32连接该电源1一第二极性阳极；
B2.阴极透过上层网格电极2与上层超吸收材料层4一侧的电解液产生电化学反应，而释放出一第一气体；第一气体从上层超吸收材料层4靠近上层网格电极2端释放后，会立即从上层网格电极2的网目向上释出而没有阻隔损耗；
B3.阴极透过下层该网格电极2与下层超吸收材料层4一侧的电解液产生电化学反应，而释放出第一气体；第一气体从下层超吸收材料层4靠近下层网格电极2端释放后，会立即从下层网格电极2的网目向下释出而没有阻隔损耗；
B4.阳极透过上层该电极层32与上层超吸收材料层4一侧的电解液产生电化学反应，而释放出一第二气体；第二气体从上层超吸收材料层4靠近上层电极层32端释放后，向侧边释出或/及穿透上层超吸收材料层4纤维间的小空间/通道后再穿过上层网格电极2的网目向上释出；
B5.阳极透过下层该电极层32与下层该超吸收材料层4一侧的该电解液产生电化学反应，释放出第二气体；第二气体从下层超吸收材料层4靠近下层电极层32端释放后，向侧边释出或/及穿透下层超吸收材料层4纤维间的小空间/通道后再穿过下层网格电极2的网目向下释出；以及
B6.网格组合式电极的电化学泵300释放的气体6方向为从各周边方向输出。
在本发明一实施例中，一网格组合式电极之电化学泵连接一电源1，如图6所示，包括:
一网格电极2，连接该电源1的一第一极性，因电化学作反应产生一第一气体；
一第二电极3，连接该电源1的一第二极性，本实施例该第二电极3为可绕多孔基板材料的一基板层31及一电极层32所组成的一平面电极30，因电化学作反应产生第二气体；
一超吸收材料层4，位于网格电极2与第二电极3之间，超吸收材料层4储存有一电解液；以及
外层为网格电极2、中层为超吸收材料层4及内层为第二电极3，三层绕卷而成一绕卷式圆柱体泵400，位于内层的第一气体及第二气体需先穿透该超吸收材料层4纤维之间的小空间/通道及该基板层31上孔洞后再从外层该网格电极2排出。
在上述实施例中，绕卷式圆柱体泵400的第二电极3可以由不同或相同于网格电极2的网目形状、大小所组成；此结构可以减少第一气体及第二气体由内层排出时的阻隔损耗。
在上述实施例中，如图7所示，一种网格组合式电极的电化学泵装置400A包括:绕卷式圆柱体泵400及一外壳5；网格组合式电极的电化学泵400A连接一药物注射容器9，电化学作用产生的气体6通过外壳5上一出气口51，再到达药物注射容器9的一气室 91，随着气体6增加，气室91随之扩展并推动一活塞92，间接推送一药剂93。
如图7所示，网格组合式电极的电化学泵装置400A与药物注射容器9利用一气密垫片8连接，加强该气室91气密性效果。
在本发明一实施例中，一网格组合式电极的中空式圆柱泵500连接一电源1，如图8所示，包括:
一网格电极2，连接该电源1的一第一极性，用于电化学作反应产生一第一气体；
一第二电极3，连接该电源1的一第二极性，本实施例该第二电极3为可绕基板材料的一基板层31及一电极层32所组成的一平面电极30，用于电化学作反应产生以第二气体；
一超吸收材料层4，位于网格电极2与第二电极3之间，该超吸收材料层4储存有一电解液；以及
中空式圆柱泵500的外层为第二电极3、中层为超吸收材料层4及内层为网格电极2，三层绕卷而成；第一气体可以无阻隔损耗的从该网格电极2的网目通过到中心及该第二气体需先穿透该超吸收材料层4纤维之间的小空间/通道再从该网格电极2的网目通过到中心。
在上述实施例中，如图7所示，一种网格组合式电极的电化学泵装置500A，包含:中空式圆柱泵500及一外壳5；网格组合式电极的电化学泵500A连接一药物注射容器9，电化学作用产生的该气体6由中空式圆柱泵500中心通过外壳5上一出气口51，再到达该药物注射容器9的一气室91，随着气体6增加，气室91随之扩展并推动一活塞92，间接推送一药剂93。
在上述实施例中，一多孔气管7安装于中空式圆柱泵500中间，气体6通过多孔气管7壁上的数个气孔71后，再引到出气口51。
在上述实施例中，多孔气管7可设计成凸出于该外壳5，可插入该药物注射容器9并与一气密垫片8密合。
较佳的，网格组合式电极的电化学泵500A可设计为独立分离式，使用时再插入该药物注射容器9内。
以上所述实施例仅仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在使本领域技术人员能够了解本发明并据以实施，而不是限定本发明之保护范围，凡依本发明所揭示之精神所作的均等变化或修饰，均应落入发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种网格组合式电极的电化学泵装置，连接一电源所述电化学泵装置包括：
一网格电极，连接该电源的一第一极性，用于电化学作反应产生作为第一气体的气体，所述第一气体可以无阻隔损耗的从该网格电极的网目通过；
一第二电极，连接该电源的一第二极性，用于电化学作反应产生作为第二气体的气体，所述第二气体先穿透该超吸收材料层纤维之间的小空间/通道后再从该网格电极的网目通过；
一超吸收材料层，位于该网格电极与该第二电极之间，所述超吸收材料层储存有一电解液；以及
一外壳，包覆所述网格电极、所述第二电极及所述超吸收材料层，所述外壳包含一出气口，第一气体该第二气体从该出气口输出。
2.如权利要求1所述的网格组合式电极的电化学泵装置，其中第二电极包含由一基板层及一电极层所组成的平面电极，基板层包含一可挠基板。
3.如权利要求1所述的网格组合式电极的电化学泵装置，其中第二电极为上下两外层，其每层各自向内依序连接超吸收材料层及网格电极；所述网格电极数量为一层。
4.如权利要求2或3所述的网格组合式电极的电化学泵装置，其中第二电极的基板层为多孔基板。
5.如权利要求2所述的网格组合式电极的电化学泵装置，其中第二电极的基板层各自向外依序连接电极层、超吸收材料层该网格电极，基板层数量为一层。
6.如权利要求1所述的网格组合式电极的电化学泵装置，其中外壳连接一药物注射容器，第一气体及第二气体从出气口输出，推动药物注射容器活塞，间接推送药剂。
7.如权利要求1所述的网格组合式电极的电化学泵装置，其中第二极性包括：由一个电极构成的矩形电极，有两个电极构成的叉指电极，由三个电极构成的阴极-阳极-参比电极。
8.一种网格组合式电极的电化学泵装置，连接一电源所述电化学泵装置包括：
一网格电极，连接该电源之一第一极性，因电化学作反应产生作为第一气体的气体；
一第二电极，连接该电源之一第二极性为可绕多孔材料，因电化学作反应产生作为第二气体的气体；
一超吸收材料层，位于该网格电极与该第二电极之间，该超吸收材料层储存有一电解液；以及
一外壳，包覆电化学泵，所述外壳包含一出气口，第一气体及第二气体从所述出气口输出；
其中，所述电化学泵为绕卷式圆柱体泵，其外层为网格电极、中层为超吸收材料层、内层为第二电极。
9.如权利要求8所述的网格组合式电极的电化学泵装置，其中外壳连接一药物注射容器，第一气体及第二气体从该出气口输出，推动药物注射容器活塞，间接推送药剂。
10.如权利要求8所述的网格组合式电极的电化学泵装置，其中第二电极由交叉且彼此连接的多条网格线形成的数个网目所组成。
11.如权利要求8所述的网格组合式电极的电化学泵装置，其中第二极性包含：由一个电极构成的矩形电极，由两个电极构成的叉指电极，由三个电极构成的阴极-阳极-参比电极。
12.一种网格组合式电极的电化学泵装置，连接一电源所述电化学泵装置包括：
一网格电极，连接该电源的一第一极性，用于电化学作反应产生作为第一气体的气体；
一第二电极，连接该电源的为可绕材料的一第二极性，用于电化学作反应产生作为第二气体的气体；
一超吸收材料层，位于网格电极与第二电极之间，所述超吸收材料层储存有一电解液；
一外壳，包覆电化学泵，所述外壳包含一出气口，第一气体及第二气体从电化学泵中心通过出气口输出；
其中，所述电化学泵为一中空式圆柱泵，其外层为所述第二电极、中层为所述超吸收材料层，内层为所述网格电极，三层绕卷而成。
13.如权利要求12所述的网格组合式电极的电化学泵装置，其中，所述外壳连接一药物注射容器使用，第一气体及第二气体从出气口输出，推动该药物注射容器活塞，间接推送药剂。
14.如权利要求12所述的网格组合式电极的电化学泵装置，其中中空式圆柱泵中心安装有一多孔气管，气体通过多孔气管壁上的数个气孔后，再引到出气口。
15.如权利要求13所述的网格组合式电极的电化学泵装置，其中外壳可为独立分离式设计，使用时插入该药物注射容器并与一气密垫片密合。
16.如权利要求12所述的网格组合式电极的电化学泵装置，其中第二极性包含：由一个电极构成的矩形电极，由两个电极构成的叉指电极，由三个电极构成的阴极-阳极-参比电极。
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