JP5279069B2 - Bio battery - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve problems that a bio battery causes drop in power generation capacity by activity deterioration of enzymes, mediators, or the like immobilized on an electrode, and deterioration by oxidation reaction caused by dissolved oxygen when operated under natural environment or in vivo environment cannot be prevented, and cannot continue power generation for a long time. <P>SOLUTION: A biodegradable polymer whose decomposition rate is controllable is utilized. For example, by connecting two or more bio batteries in a state being separated from an electrolyte solution, contact of an electrolyte solution with an electrode successively occurs by decomposition of the polymer, power generation successively starts in every cell, and as a result, power generation can be continued for a long time. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、長期間にわたって発電可能なバイオ電池に関するものである。特には、本発明は、生分解性の高分子を用いて電解質溶液より隔離した2個以上の電池を連結した構造であり、高分子の分解による各々の電池の接液と、接液による発電が、時差を有して自動的に順次開始することによって長期間の発電が可能な電池、特には燃料電池に関するものである。また、本発明では、生分解性高分子を利用して電極部が電解質溶液より隔離されており、該生分解性高分子が分解されることにより電解質溶液が電極部に接液して発電が開始される構造を有することを特徴とする電池又は発電デバイスにも関する。   The present invention relates to a bio battery capable of generating power over a long period of time. In particular, the present invention has a structure in which two or more batteries separated from an electrolyte solution are connected using a biodegradable polymer, and the wetted liquid of each battery by polymer decomposition and power generation by wetted liquid However, the present invention relates to a battery, particularly a fuel cell, capable of generating electricity for a long time by automatically and sequentially starting with a time difference. In the present invention, the electrode part is isolated from the electrolyte solution using a biodegradable polymer, and when the biodegradable polymer is decomposed, the electrolyte solution is in contact with the electrode part to generate power. It also relates to a battery or power generation device characterized by having a starting structure.

電源を搭載した超小型の電子デバイスを自然環境や生体内環境に分散配置し、これを用いて持続的・網羅的に計測や診断および治療を行なおうとする試みが始まっている。このような分散型・小型デバイスにおいては充電が困難であるため、電源の寿命がデバイスの設計や実用形態を制限する場合が多く、発電能力を長期間にわたって維持できる小型電源の開発が求められている。   Attempts have been made to disperse and arrange ultra-small electronic devices equipped with a power supply in the natural environment or in-vivo environment, and to perform continuous, comprehensive measurement, diagnosis and treatment using this device. Because such distributed and small devices are difficult to charge, the life of the power supply often limits the design and practical form of the device, and there is a need to develop a small power supply that can maintain the power generation capacity for a long period of time. Yes.

自然環境や生体内環境に分散して利用される電子デバイスの電源として、マンガン電池などの一次電池やバイオ燃料電池(非特許文献1)が考えられる。特にバイオ燃料電池は、生体触媒(酵素もしくは微生物)を用い、さらに環境に優しい有機物のみで構成が可能で、環境や生体に負荷をかけない使い捨て電源になりうる。また、生体触媒が有する高度な反応特異性によって、精製せずに自然界に存在する糖分などを直接エネルギー源にできる可能性がある。体液(血液や組織液など)に含まれる糖分も燃料となりうるため、皮膚パッチ型さらに埋め込み型の医療用マイクロ燃料電池の開発が検討されている(非特許文献2)。
しかしながら、一次電池が出力できる電気量は活物質の量で規定されるため、利用期間をそれ以上に引き延ばすことは原理的に不可能である。バイオ燃料電池においては、電極に固定した酵素やメディエーターなどの活性劣化などが主要因となって発電能力の低下が起こる。酵素やメディエーターの安定化を指向した研究が続けられているが、自然環境や生体内環境に曝されて働く際に、溶存酸素による酸化反応などによる劣化を完全に防ぐことは極めて困難である。
As power sources for electronic devices that are used in a distributed environment in the natural environment or in the living body, a primary battery such as a manganese battery or a biofuel cell (Non-Patent Document 1) can be considered. In particular, a biofuel cell uses a biocatalyst (enzyme or microorganism) and can be composed of only environmentally friendly organic substances, and can be a disposable power source that does not place a burden on the environment or the living body. In addition, due to the high reaction specificity of the biocatalyst, there is a possibility that sugar existing in nature can be directly used as an energy source without purification. Since sugars contained in body fluids (blood, tissue fluid, etc.) can also serve as fuel, development of skin patch type and implantable medical micro fuel cells has been studied (Non-patent Document 2).
However, since the amount of electricity that the primary battery can output is defined by the amount of active material, it is impossible in principle to extend the usage period beyond that. In a biofuel cell, the power generation capacity is reduced mainly due to degradation of the activity of enzymes, mediators and the like immobilized on the electrode. Although research aimed at stabilizing enzymes and mediators continues, it is extremely difficult to completely prevent degradation due to oxidation reactions caused by dissolved oxygen when working exposed to the natural environment or in vivo.

一次電池やバイオ燃料電池の消耗や劣化は、電極が電解質溶液(バイオ燃料電池においては燃料を含む電解質溶液)に接した状態で進行する。電解質溶液に接していない状態では活物質の消耗は起こらない。このことを利用して長期保存を可能とした海水電池が、古くから非常用の救命ボートや救命胴衣のランプなどに使用されている。海水電池はMgとAgClによる一次電池であり、乾燥状態で保存され、使用時に海水などの電解質溶液を注入して発電を開始させるので保存中の劣化が無い。最近では、尿によって発電を開始するMg-AgCl電池が開発され、尿検査チップ用の電源として期待されている(非特許文献3)。バ
イオ燃料電池を含めたバイオ電池においても同様であり、溶液に接しない乾燥状態であれば酵素やメディエーターを固定した電極の長期保存が可能であり、燃料を含む電解質溶液を注入して初めて発電が開始される。しかしながら、これらの技術は長期保存のための方法であり、稼動時間を長期間に延長させるものではない。
The consumption and deterioration of the primary battery and the biofuel cell proceed while the electrode is in contact with the electrolyte solution (in the biofuel cell, the electrolyte solution containing fuel). The active material is not consumed when it is not in contact with the electrolyte solution. Seawater batteries that can be stored for a long time using this fact have been used for emergency lifeboats, lifejacket lamps, and the like. A seawater battery is a primary battery made of Mg and AgCl, stored in a dry state, and injecting an electrolyte solution such as seawater to start power generation during use, so there is no deterioration during storage. Recently, an Mg-AgCl battery that starts power generation using urine has been developed and is expected as a power source for a urine test chip (Non-patent Document 3). The same applies to biocells including biofuel cells. Electrodes with immobilized enzymes and mediators can be stored for a long period of time if they are dry and not in contact with the solution. Power generation is not possible until an electrolyte solution containing fuel is injected. Be started. However, these techniques are methods for long-term storage and do not extend the operation time to a long period.

A. Heller, Phys Chem. Chem. Phys., 6; 209, 2004.A. Heller, Phys Chem. Chem. Phys., 6; 209, 2004. A. Heller, AIChE J., 51; 1054, 2005.A. Heller, AIChE J., 51; 1054, 2005. K. B. Lee, J. Micromech. Microeng., 15; 5210, 2005.K. B. Lee, J. Micromech. Microeng., 15; 5210, 2005.

本発明は、分解速度が調節可能な生分解性高分子で複数の電池を電解質溶液から隔離して連結することにより、高分子の分解による電解質溶液と電極との接液が順次発生し、それにより発電の開始が電池ごとに順次起こり、その結果長期間の発電が維持できるという電池、特には一次電池およびバイオ燃料電池を包含するバイオ電池(発電デバイスを包含する)を提供することである。   The present invention is a biodegradable polymer whose rate of degradation can be adjusted, and by connecting a plurality of batteries separately from the electrolyte solution, liquid contact between the electrolyte solution and the electrode due to polymer degradation occurs sequentially. Thus, it is intended to provide a battery, particularly a bio battery (including a power generation device) including a primary battery and a biofuel cell, in which power generation starts sequentially for each battery, and as a result, long-term power generation can be maintained.

本発明によれば、ポリ乳酸(PLA)、ポリグリコール酸(PGA)、乳酸とグリコール酸の共重合体(PLGA)などの生分解性高分子を利用し電極部と電解質溶液とが隔離され、この生分解性高分子が分解することによって電解質溶液が電極部に接液して発電が開始されることを特徴とするバイオ電池が得られる。
また、本発明によれば、分解に要する時間が異なる生分解性高分子を利用することによって電解質溶液から隔離された複数のバイオ電池が連結されることで、各々の電池の発電が順次開始されることになり、長期間発電を維持可能なバイオ電池が得られる。
また、本発明によれば、電池のひとつが液に接するまでは、残りの生分解性高分子の隔離膜は液に接することなく、電解質溶液による分解作用を受けないようにしてあれば、一種類の生分解性高分子を用いても、各々の電池の発電が順次開始されることになり、長期間発電を維持可能なバイオ電池が得られる。
本発明では、生分解性高分子を利用することで電解質溶液から隔離された電極部を、該生分解性高分子が分解されることで、電解質溶液に接触させ起電させる構造の電池及び/又は起電デバイスをも提供している。
さらに本発明は、外部より燃料供給が可能な電池、例えば、燃料電池に加え、製造時にパッケージされた通常の一次電池形態の電池へも応用が可能なものである。
According to the present invention, a biodegradable polymer such as polylactic acid (PLA), polyglycolic acid (PGA), a copolymer of lactic acid and glycolic acid (PLGA) is used, and the electrode part and the electrolyte solution are isolated, When the biodegradable polymer is decomposed, the electrolyte solution comes into contact with the electrode portion and power generation is started.
In addition, according to the present invention, by using a plurality of biocells isolated from the electrolyte solution by using biodegradable polymers having different time required for decomposition, power generation of each battery is sequentially started. Thus, a bio battery capable of maintaining power generation for a long time is obtained.
In addition, according to the present invention, until one of the batteries comes into contact with the liquid, the remaining biodegradable polymer separator does not come into contact with the liquid and is not subjected to the decomposition action by the electrolyte solution. Even if a kind of biodegradable polymer is used, power generation of each battery is started sequentially, and a bio battery capable of maintaining power generation for a long time can be obtained.
In the present invention, a battery having a structure in which an electrode portion isolated from an electrolyte solution by using a biodegradable polymer is brought into contact with the electrolyte solution to generate electricity by decomposing the biodegradable polymer and / or Or the electromotive device is also provided.
Furthermore, the present invention can be applied to a battery in which fuel can be supplied from the outside, for example, a battery in the form of a normal primary battery packaged at the time of manufacture in addition to a fuel cell.

かくして、本発明は、次なるものを提供する。
(1)電極部が電解質溶液より隔離されている電池を少なくとも一個有しており、電池が2個以上連結され、当該電解質溶液から隔離されている電極部に電解質溶液が接液して発電が開始されることで、当該2個以上連結された電池で順次発電を行うものであることを特徴とするバイオ電池。
(2)生分解性高分子の分解により順次電極電解質溶液に接液するものであることを特徴とする前記(1)に記載のバイオ電池。
(3)生分解性高分子を、電解質溶液より電極部を隔離せしめる隔壁として用いているものであることを特徴とする前記(1)又は(2)に記載のバイオ電池。
(4)生分解性高分子を、電極部を内包する容器又は区画と電解質との間の仕切板又は蓋を該容器又は該区画に接着するための接着剤として用いているものであることを特徴とする前記(1)又は(2)に記載のバイオ電池。
(5)前記生分解性高分子が分解されることで電解質溶液が電極部に接液して順次発電が開始される構造によって、長期間の発電が維持できることを特徴とする前記()〜(4)のいずれか一に記載のバイオ電池。
(6)前記生分解性高分子は、分解時間が異なるものを2種類以上用い、分解に伴い順次発電が開始することによって長期間の発電が維持できることを特徴とする前記()〜(4)のいずれか一に記載のバイオ電池。
(7)機械式スイッチにより順次電極電解質溶液に接液するものであることを特徴とする前記(1)に記載のバイオ電池。
Thus, the present invention provides the following.
(1) electrode portion has at least one of the batteries is isolated from the electrolyte solution, the battery is connected two or more, the electrolyte solution in the electrode portion is isolated from the electrolyte solution is power and wetted A biobattery characterized in that when it is started, it sequentially generates power with the two or more connected batteries.
(2) The biobattery according to the above (1), wherein the electrode part sequentially contacts the electrolyte solution by the decomposition of the biodegradable polymer.
(3) The biobattery according to (1) or (2), wherein the biodegradable polymer is used as a partition wall that separates the electrode part from the electrolyte solution .
(4) The biodegradable polymer is used as an adhesive for adhering a partition plate or lid between the container or compartment containing the electrode part and the electrolyte to the container or compartment. The bio battery according to (1) or (2), characterized in that it is characterized in that
(5) the electrolyte solution by the biodegradable polymer is decomposed by a structure sequentially generating power by liquid contact to the electrode portion is started, long-term power generation, characterized in that to maintain (2) - The biobattery according to any one of (4).
(6) the biodegradable polymer, said to be characterized by what is between the time of degradation varies with two or more types, can be maintained long term power by sequentially generating starts with the decomposition (2) - ( The biobattery as described in any one of 4).
(7) The biobattery according to (1), wherein the electrode unit is in contact with the electrolyte solution sequentially by a mechanical switch.

(8)前記生分解性高分子は、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、乳酸とグリコール酸の共重合体もしくはそれらの誘導体を含むことを特徴とする前記()〜(6)のいずれか一に記載のバイオ電池。
(9)前記バイオ電池は、酵素を電極触媒として、糖、乳酸及びアルコールからなる群から選択されたものを燃料として発電する電池であることを特徴とする前記(1)〜(8)のいずれか一に記載のバイオ電池。
(10)前記バイオ電池は、微生物を用いて、糖、乳酸及びアルコールからなる群から選択されたものを燃料として発電する電池であることを特徴とする前記(1)〜(8)のいずれか一に記載のバイオ電池。
(11)前記バイオ電池は、ミリオーダー以下の微小な電池を2個以上平面に配列したシート状の形状であることを特徴とする前記(1)〜(10)のいずれか一に記載のバイオ電池。
(12)前記バイオ電池は、電極と構造材を含んだ全ての部品が有機物で構成されることを特徴とする前記(1)〜(11)のいずれか一に記載のバイオ電池。
(13)生分解性高分子を利用して電極部が電解質溶液より隔離され、且つ、生分解性高分子が分解されることにより電解質溶液が電極部に接液して発電が開始される構造を有することを特徴とする電池又は発電デバイス。
(8) The biodegradable polymer includes polylactic acid, polyglycolic acid, a copolymer of lactic acid and glycolic acid, or a derivative thereof, as described in any one of ( 2 ) to (6) above The bio battery as described.
(9) The bio battery is a battery that generates electricity using an enzyme as an electrode catalyst and a fuel selected from the group consisting of sugar, lactic acid, and alcohol. The bio battery according to any one of the above.
(10) Any one of (1) to (8), wherein the biobattery is a battery that uses a microorganism to generate electricity using a fuel selected from the group consisting of sugar, lactic acid, and alcohol. The bio battery according to 1.
(11) The bio battery according to any one of (1) to (10), wherein the bio battery has a sheet-like shape in which two or more micro batteries of millimeter order or less are arranged in a plane. battery.
(12) The biobattery according to any one of (1) to (11), wherein all parts including an electrode and a structural material are made of an organic substance.
(13) A structure in which the electrode part is isolated from the electrolyte solution using the biodegradable polymer, and power generation is started by the electrolyte solution coming into contact with the electrode part by decomposing the biodegradable polymer. A battery or a power generation device comprising:

本発明により、以下の効果が得られる。
PLGAなどの生分解性高分子を用いており、バイオ電池の電極を電解質溶液から隔離して安定な保存状態を確保した電池が提供できれば、そうした電池を複数を連結することで、時差を有した発電が自動的に順次開始され、発電を長期間維持できるようになる。バイオ電池の発電が長期間維持できるようになれば、この電池を搭載した小型センサを分散させて環境情報を収集したり、体内埋め込み型の診断・治療デバイスを自立させるのに有効である。さらにバイオ電池においては、有機物のみでの構成が可能となる極めて安全性に優れた発電装置であり、環境や生体への親和性が高く、本発明によって長期間の発電が可能になれば、自然環境や生体内環境に負荷をかけない使い捨て電源として利用できる可能性がある。本発明によれば、生体内などの隔離された環境中で、電解質溶液から隔離されて安定な保存状態を確保してある電池を、生分解性高分子が分解する現象を利用して、起電開始時間を制御する技術が提供される。
本発明のその他の目的、特徴、優秀性及びその有する観点は、以下の記載より当業者にとっては明白であろう。しかしながら、以下の記載及び具体的な実施例等の記載を含めた本件明細書の記載は本発明の好ましい態様を示すものであり、説明のためにのみ示されているものであることを理解されたい。本明細書に開示した本発明の意図及び範囲内で、種々の変化及び/又は改変(あるいは修飾)をなすことは、以下の記載及び本明細書のその他の部分からの知識により、当業者には容易に明らかであろう。本明細書で引用されている全ての特許文献及び参考文献は、説明の目的で引用されているもので、それらは本明細書の一部としてその内容はここに含めて解釈されるべきものである。
According to the present invention, the following effects can be obtained.
If a biodegradable polymer such as PLGA is used and a battery with a stable storage state can be provided by isolating the electrode of the bio battery from the electrolyte solution, there is a time difference by connecting a plurality of such batteries. Power generation is automatically started sequentially and power generation can be maintained for a long time. If the power generation of a bio battery can be maintained for a long period of time, it is effective to disperse small sensors equipped with this battery and collect environmental information, or to make an implantable diagnostic / treatment device self-supporting. Furthermore, a biobattery is an extremely safe power generation device that can be configured only with organic substances, has high affinity for the environment and living organisms, and can generate power for a long time according to the present invention. There is a possibility that it can be used as a disposable power source that does not place a burden on the environment or in vivo environment. According to the present invention, a battery that has been isolated from an electrolyte solution and has secured a stable storage state in an isolated environment such as a living body can be started by utilizing the phenomenon that a biodegradable polymer is decomposed. A technique for controlling the power start time is provided.
Other objects, features, excellence and aspects of the present invention will be apparent to those skilled in the art from the following description. However, it is understood that the description of the present specification, including the following description and the description of specific examples and the like, show preferred embodiments of the present invention and are presented only for explanation. I want. Various changes and / or modifications (or modifications) within the spirit and scope of the present invention disclosed herein will occur to those skilled in the art based on the following description and knowledge from other parts of the present specification. Will be readily apparent. All patent documents and references cited herein are cited for illustrative purposes and are not to be construed as a part of this specification. is there.

以下、本発明の実施の形態について説明する。
本明細書中、「電池」とは、エネルギーを直接に直流電力に変換する電力機器を指しており、例えば、化学反応により生ずるエネルギーを利用する起電装置・発電デバイスを包含するもので、本発明では、特に、バイオ電池及びバイオ発電デバイスを包含しており、例えば、外部より燃料供給が可能な燃料電池に加え、製造時にパッケージされた通常の一次電池形態の電池も包含される。
本明細書中、バイオ燃料電池としては、酵素を電極触媒としてグルコースやアルコールなどを燃料として発電する燃料電池、もしくは微生物を用いてグルコースやアルコールなどを燃料として発電する燃料電池などが挙げられる。
本発明は、連結された2個以上のバイオ電池が時差を有して順次発電を開始することで、個々のバイオ電池の寿命が短くとも、全体として長期間発電を維持できる電池であることを特徴としている。具体的には、分解速度が異なる生分解性高分子を利用して電解質溶液から隔離された2個以上の複数の電池を作製し、連結することで、発電が自動的に順次開始され、長期に渡って一定量以上の電力を供給することが可能なバイオ電池である。もしくは、同一種類の生分解性高分子で隔離した場合であっても、分解反応が順次開始する構造とすることで、長期に渡って一定量以上の電力を供給することが可能な電池である。
本発明において、好適には、対象とするバイオ電池は、特には燃料電池、すなわち、バイオ燃料電池である。バイオ電池の種類は特に限定されるものではなく、酵素や微生物の酸化還元反応を利用する電池すべて、特には燃料電池すべてを含み、電子伝達物質、すなわち、メディエータを利用するものも包含される。
Embodiments of the present invention will be described below.
In this specification, “battery” refers to a power device that directly converts energy into direct current power, and includes, for example, an electromotive device / power generation device that uses energy generated by a chemical reaction. In particular, the invention includes a bio battery and a bio power generation device. For example, in addition to a fuel cell capable of supplying fuel from the outside, a battery in the form of a normal primary battery packaged at the time of manufacture is also included.
In the present specification, examples of the biofuel cell include a fuel cell that generates electricity using an enzyme as an electrode catalyst and glucose or alcohol as a fuel, or a fuel cell that generates electricity using glucose or alcohol as a fuel using a microorganism.
The present invention is a battery that can maintain power generation for a long time as a whole even if the life of each bio battery is short, by connecting two or more connected bio batteries to start power generation sequentially with a time difference. It is a feature. Specifically, two or more batteries isolated from the electrolyte solution using biodegradable polymers with different decomposition rates are manufactured and connected to automatically start power generation sequentially. It is a bio battery that can supply a certain amount of power over a certain amount. Or, even when isolated with the same type of biodegradable polymer, it is a battery that can supply a certain amount of power over a long period of time by adopting a structure in which the decomposition reaction starts sequentially. .
In the present invention, the target biocell is preferably a fuel cell, that is, a biofuel cell. The type of biobattery is not particularly limited, and includes all batteries that utilize redox reactions of enzymes and microorganisms, particularly all fuel cells, and those that use electron mediators, that is, mediators.

まず、酵素の酸化還元反応を利用する電池における構成要素について説明する。
アノード電極へ固定する酵素として、例えば、ジアフォラーゼとグルコースデヒドロゲナーゼの併用や、グルコースオキシダーゼが代表的である。これ以外として、フルクトースオキシダーゼ,フルクトースデヒドロゲナーゼ、アルコールオキシダーゼ,アルコールデヒドロゲナーゼ、乳酸オキシダーゼ,乳酸デヒドロゲナーゼ等の酵素から選択されることが好ましい。しかしながら、アノード電極へ使用可能な酵素はこれらに限定されず、糖やアルコールなどのバイオマス燃料の分解に有用なものであれば何れのものでもよい。
カソード電極としては、白金などの貴な金属単体電極あるいは、カーボンなどにビルリビンオキシダーゼやラッカーゼなどのマルチ銅オキシダーゼの酵素を固定化した電極を用いることが好ましい。しかしながら、カソード電極へ使用可能な酵素はこれらに限定されず、酸素還元に有用なものであれば何れのものでもよい。
First, components in a battery that utilizes an enzyme redox reaction will be described.
Typical examples of the enzyme immobilized on the anode electrode include a combination of diaphorase and glucose dehydrogenase and glucose oxidase. Other than this, it is preferable to select from enzymes such as fructose oxidase, fructose dehydrogenase, alcohol oxidase, alcohol dehydrogenase, lactate oxidase and lactate dehydrogenase. However, the enzyme that can be used for the anode electrode is not limited to these, and any enzyme that is useful for decomposing biomass fuels such as sugar and alcohol may be used.
As the cathode electrode, it is preferable to use a noble metal single electrode such as platinum, or an electrode in which an enzyme of multi-copper oxidase such as billibine oxidase or laccase is immobilized on carbon or the like. However, enzymes that can be used for the cathode electrode are not limited to these, and any enzyme that is useful for oxygen reduction may be used.

また、燃料電池の場合の燃料としては、ブドウ糖(グルコース)、果糖(フルクトース)、メタノール・エタノールなどのアルコール、乳酸、ショ糖(スクロース)などから選択されることが好ましい。しかしながら、使用可能な燃料はこれらに限定されず、前記アノード電極用酵素およびカソード電極用酵素に有用なものであれば何れのものでも良い。
次に、微生物の酸化還元反応を利用する電池においては、それが燃料電池の場合、燃料としては、糖やアルコールなどバイオマス燃料として用いられるもの全て、さらには、微生物にとって資化性の栄養源などすべてに対し、本発明の適用が可能である。
The fuel in the fuel cell is preferably selected from glucose (glucose), fructose (fructose), alcohols such as methanol / ethanol, lactic acid, sucrose (sucrose), and the like. However, usable fuels are not limited to these, and any fuel may be used as long as it is useful for the anode electrode enzyme and the cathode electrode enzyme.
Next, in a battery using a redox reaction of microorganisms, when it is a fuel cell, all fuels used as biomass fuels such as sugar and alcohol, as well as nutrients that are assimilated for microorganisms, etc. The present invention can be applied to all of them.

本発明においてバイオ電池を被覆したり、接着剤などとして使用する生分解性高分子は、合成高分子もしくは天然系高分子であって、電極部に電解質溶液が接液するのを防ぐ機能を有し、加水分解あるいは酵素や微生物の働きで低分子化合物に分解されることによって、電解質溶液の侵入を許し発電を開始させる役割を担うものである。例えば、具体例としては、合成ポリエステル系の生分解性高分子であるポリ乳酸(PLA)、ポリグリコール
酸(PGA)、乳酸とグリコール酸の共重合体(PLGA)、およびこれらの誘導体などから選
択されることが好ましい。該生分解性高分子としては、例えば、50/50 poly(D,L-lactide-co-glycolide) (50/50 DLPLG)、65/35 poly(D,L-lactide-co-glycolide) (65/35 DLPLG)、75/25 poly(D,L-lactide-co-glycolide) (75/25 DLPLG)、85/15 poly(D,L-lactide-co-glycolide) (85/15 DLPLG)、poly(D,L-lactide) (DLPLA)、poly(L-lactide) (LPLA)、poly(glycolide) (PGA)、poly(ε-caprolactone) (PCL)、25/75 poly(D,L-lactide-co-ε-caprolactone) (25/75 DLPLCL)、80/20 poly(D,L-lactide-co-ε-caprolactone) (80/20 DLPLCL)などが知られており、FDAで認可されている。しかしながら、使用可能な生分解性高分子はこれらに限定されず、加水分解あるいは酵素や微生物により低分子化合物へ分解するものであれば何れのものでもよい。分解速度は平均分子量や誘導体化によって調節可能であり、特にPLGAについては共重合比によって数時間から一ヶ月の間で調節できる。電池性能の劣化が顕著になり、接続されている機器の機能維持が困難になる直前に次の電池が発電を開始するように分解速度を設定できることが望ましい。
In the present invention, the biodegradable polymer used to coat the biobattery or as an adhesive or the like is a synthetic polymer or a natural polymer, and has a function of preventing the electrolyte solution from coming into contact with the electrode part. However, it is hydrolyzed or decomposed into low molecular weight compounds by the action of enzymes and microorganisms, thereby allowing the electrolyte solution to enter and starting power generation. For example, specific examples include polylactic acid (PLA), polyglycolic acid (PGA), a copolymer of lactic acid and glycolic acid (PLGA), and derivatives thereof, which are biodegradable polymers based on synthetic polyester. It is preferred that Examples of the biodegradable polymer include 50/50 poly (D, L-lactide-co-glycolide) (50/50 DLPLG), 65/35 poly (D, L-lactide-co-glycolide) (65 / 35 DLPLG), 75/25 poly (D, L-lactide-co-glycolide) (75/25 DLPLG), 85/15 poly (D, L-lactide-co-glycolide) (85/15 DLPLG), poly (D, L-lactide) (DLPLA), poly (L-lactide) (LPLA), poly (glycolide) (PGA), poly (ε-caprolactone) (PCL), 25/75 poly (D, L-lactide- co-ε-caprolactone) (25/75 DLPLCL), 80/20 poly (D, L-lactide-co-ε-caprolactone) (80/20 DLPLCL) are known and approved by the FDA. However, usable biodegradable polymers are not limited to these, and any biodegradable polymers may be used as long as they can be hydrolyzed or decomposed into low molecular weight compounds by enzymes or microorganisms. The degradation rate can be adjusted by the average molecular weight and derivatization, and in particular for PLGA, it can be adjusted from several hours to one month depending on the copolymerization ratio. It is desirable that the decomposition rate can be set so that the next battery starts power generation immediately before the deterioration of battery performance becomes significant and it becomes difficult to maintain the function of the connected device.

生分解性高分子は、近年盛んに研究されている材料であり、主要な用途としては、農業用フィルム用、食品包装用、ゴミ袋用、繊維用などが開発されている。生分解性高分子の一つであるPLGAは、ドラッグデリバリー技術において薬剤投与のタイミングを調節する応用として、薬剤粒子の担体物質あるいはコーティング物質が知られている(例えば, 特開平5-70363号公報、特表2006-507036号公報)。さらに、シリコンウェハーに多数作製した穴に薬剤を封入してPLGAで蓋をし、PLGAの分解によって順次薬剤が放出されるデリバリー
デバイスも開発されている(A.C.R.Grayson et al., Nature Materials, 2; 767, 2003.
)。
なお、本発明で用いる生分解性高分子の形態としては、PLA、PGA、PLGAおよびそれらの誘導体などの単体に限られるものではなく、例えば、弾性を有するシリコン樹脂などと混合して用いることも可能である。また電解質溶液からの隔離の方法としては、電極部を内包する容器又は区画と電解質との仕切板として用いる方法や、電極そのものを被覆する方法、電極部を内包する容器又は区画と電解質との間の仕切板の接着剤として用いる方法などがある。さらに電極として白金などの化学的安定性の高い材料を用いた場合、必ずしも電解質溶液からの隔離が必要ではない場合もある。
Biodegradable polymers are materials that have been actively studied in recent years, and their main uses have been developed for agricultural films, food packaging, garbage bags, textiles, and the like. PLGA, one of biodegradable polymers, is known as a carrier material or coating material for drug particles as an application for adjusting the timing of drug administration in drug delivery technology (for example, JP-A-5-70363). , Special Table 2006-507036). In addition, a delivery device has been developed in which a drug is sealed in a hole made in a large number of holes in a silicon wafer, covered with PLGA, and the drug is released sequentially by decomposition of PLGA (ACRGrayson et al., Nature Materials, 2; 767 , 2003.
).
The form of the biodegradable polymer used in the present invention is not limited to simple substances such as PLA, PGA, PLGA, and derivatives thereof. For example, the biodegradable polymer may be used by mixing with a silicone resin having elasticity. Is possible. In addition, as a method of isolation from the electrolyte solution, a method of using as a partition plate between a container or compartment containing an electrode part and an electrolyte, a method of covering the electrode itself, a container or compartment containing an electrode part and an electrolyte. There is a method used as an adhesive for the partition plate. Furthermore, when a material having high chemical stability such as platinum is used as the electrode, it may not always be necessary to isolate it from the electrolyte solution.

本発明はバイオ電池の形状を特に制限しないが、生分解性高分子による電解質溶液との隔離が可能で、それによって電解質溶液が電極部に接触することが防がれ、安定な保存状態が確保され得る形状が望ましい。生分解性高分子の分解によって電解質溶液が速やかに電極部に接触することも重要であるが、ミリオーダー以下のセル状の形状を用いた場合、気泡がこれを妨げることがあり得る。この場合、電極部に綿などを封入しておくと電解質溶液の侵入が比較的容易になる。また、隔離されている電極部を親水性にしておいたり、陰圧などにしておくことも可能である。このように、隔離状況が解消されたなら、速やかに電解質溶液と電極部が、十分に起電現象が生ずるように接触することを図ることができる。本発明において連結されるバイオ電池は2個以上であり上限はない。より多くのバイオ電池が連結され、適切なタイミングで発電を開始することが望ましい。たとえば、平板上に微小な電池を多数配列させて作製し、それぞれの電池を、たとえばインクジェットプリンタなどの印刷技術を利用して生分解性高分子で被覆してもよい。   Although the present invention does not particularly limit the shape of the biobattery, it can be separated from the electrolyte solution by a biodegradable polymer, thereby preventing the electrolyte solution from contacting the electrode part and ensuring a stable storage state. Shapes that can be made are desirable. It is also important that the electrolyte solution quickly contacts the electrode part by degrading the biodegradable polymer, but if a cell-like shape on the order of millimeters or less is used, bubbles may hinder this. In this case, if the electrode portion is sealed with cotton or the like, the electrolyte solution can be relatively easily penetrated. Further, the isolated electrode part can be made hydrophilic or have a negative pressure or the like. Thus, if the isolation state is eliminated, it is possible to promptly bring the electrolyte solution and the electrode portion into contact with each other so that the electromotive phenomenon occurs sufficiently. In the present invention, two or more biocells are connected and there is no upper limit. It is desirable to connect more bio batteries and start power generation at an appropriate timing. For example, a large number of small batteries may be arranged on a flat plate, and each battery may be covered with a biodegradable polymer using a printing technique such as an inkjet printer.

さらに本発明は、一次電池形態の電池へも応用が可能なものである。例えば、Mgをマイナス極としAgClやPbCl2をプラス極とする一次電池があるが、適用可能な一次電池の種類
は特に限定されるものではない。
Furthermore, the present invention can be applied to a battery in the form of a primary battery. For example, there is a primary battery in which Mg is a negative electrode and AgCl or PbCl 2 is a positive electrode, but the type of applicable primary battery is not particularly limited.

本発明では、時差式小型発電デバイスを提供する。当該デバイスの発電機構は、次々に発電する電極が切り替わり、常に新しい電極で発電できるような発電システムで、これを「時差式発電」とした。燃料などの電解質溶液中に曝されていない乾燥状態で保存された酵素電極などのバイオ電極は、性能低下が比較的起こりにくいと考えられ、溶液に触れる電極を次々と切り替えることで、電極の発電までに時差を持たせ、常に性能の高い(劣化していない)電極での発電を可能にするもので、当該時差式発電は本目的を達成できるものである。
本発明の時差式発電デバイスは、少なくとも次のような機構を備えたものである:
(1) 燃料溶液などの電解質溶液がバイオ電池、例えば、バイオ燃料電池内部に導入され
る。
(2) 一部のアノードとカソードによる発電が開始される。他は、カバーにより燃料など
の電解質溶液から遮断され、酵素反応などの化学反応を起こしていない保存状態にある。(3) (2)で発電していた酵素電極などのバイオ電極の性能低下が顕著になるタイミングで、燃料などの電解質溶液から遮断されていた酵素電極などのバイオ電極の一部が自然にあるいは強制的に、燃料などの電解質溶液に曝される。まだ燃料などの電解質溶液に曝されていない酵素電極などのバイオ電極は保存状態にある。
(4) (2)、(3)が連続することで、時差を持って次々と新しい電極が発電を始め、ほぼ一
定の発電量を得ることができる。
The present invention provides a time difference type small power generation device. The power generation mechanism of the device is a power generation system in which electrodes that generate power one after another are switched and power can always be generated with new electrodes, and this is called “time difference type power generation”. Bioelectrodes such as enzyme electrodes that have been stored in a dry state that have not been exposed to electrolyte solutions such as fuel are considered to be relatively unlikely to suffer from performance degradation. The time difference type power generation enables the power generation with the electrode having high performance (not deteriorated) at all times, and the time difference type power generation can achieve this purpose.
The time difference power generation device of the present invention has at least the following mechanism:
(1) An electrolyte solution such as a fuel solution is introduced into a biocell, for example, a biofuel cell.
(2) Power generation by some anodes and cathodes begins. The other is in a storage state where the cover is shielded from the electrolyte solution such as fuel and does not cause a chemical reaction such as an enzyme reaction. (3) At the timing when the degradation of the performance of the bioelectrode such as the enzyme electrode generated in (2) becomes significant, a part of the bioelectrode such as the enzyme electrode that has been cut off from the electrolyte solution such as fuel is naturally or It is forcibly exposed to an electrolyte solution such as fuel. Bioelectrodes such as enzyme electrodes that have not yet been exposed to electrolyte solutions such as fuel are in storage.
(4) By continuing (2) and (3), new electrodes start generating power one after another with a time difference, and a nearly constant power generation amount can be obtained.

一つの態様では、本時差式発電デバイスは、分解速度の異なる生分解性高分子を使用して構成できる。生分解性高分子の分解速度の差異は、例えば、モノマー比やポリマーの平均分子量の違いにより、分解速度を変えることが可能であり、例えば、PLGA(ポリ乳酸とポリグリコール酸の共重合体)は、よく研究されている。典型的な場合では、異なる崩壊速度を有す生分解性高分子薄膜によって酵素電極を燃料から遮断し、生分解性高分子薄膜の崩壊と共に、時間差で発電が自然に開始される時差式小型発電デバイスが挙げられる。
一つの態様では、電極部が電解質溶液より隔離されている電池を少なくとも一個有しており、電池が2個以上連結され、それら電池が、順次発電を行う形態のバイオ電池が挙げられる。各電池では、発電を順次なすためには、例えば、生分解性高分子の分解により順次電極が接液するものにするとか、あるいは、機械式スイッチにより順次電極が接液するものにすることが挙げられる。上記において、生分解性高分子を隔壁として用いたり、接着剤として用いているものが包含されてよい。例えば、複数の電池が側面に張り付いた構造とし、生分解性高分子の隔壁が分解された際に、電極が順次接液するものとか、分解速度の遅い蓋を生分解性高分子で接着してあり、接着剤の生分解性高分子の分解で軽くて浮く蓋が剥がれて浮き上がるとか、接着面が剥がれることにより、蓋が開くように反り返る場合などを挙げることができる。当該蓋の材料は、生分解性高分子とは別の材料でもよいし、分解速度の遅いものであってもよいが、これらに限定されず、また、所要の目的を達成可能であれば当該分野で知られた材料を適宜選択して使用できる。生分解性高分子で接着するには、例えば、CO2 bondingを使用できる。代表的な構成例を、図11にそれぞれ具体例として示す。
In one embodiment, the time difference power generation device can be constructed using biodegradable polymers having different degradation rates. The difference in the degradation rate of biodegradable polymers can be varied depending on, for example, the difference in monomer ratio and average molecular weight of the polymer. For example, PLGA (copolymer of polylactic acid and polyglycolic acid) Has been well studied. In a typical case, a biodegradable polymer thin film with different decay rates shuts off the enzyme electrode from the fuel, and a time-lag type small-scale power generation that automatically starts power generation with a time difference as the biodegradable polymer thin film collapses. Device.
In one embodiment, a biobattery having a configuration in which at least one battery in which an electrode portion is isolated from an electrolyte solution is included, two or more batteries are connected, and the batteries sequentially generate power can be given. In each battery, in order to generate power sequentially, for example, the electrodes may be in contact with each other sequentially by decomposition of the biodegradable polymer, or the electrodes may be sequentially in contact with the mechanical switch. Can be mentioned. In the above, what uses biodegradable polymer as a partition or an adhesive may be included. For example, a structure in which a plurality of batteries are attached to the side, and when the biodegradable polymer partition is disassembled, the electrode contacts the liquid sequentially, or the lid with a slow decomposition rate is bonded with the biodegradable polymer For example, the light and floating lid may be peeled off due to the decomposition of the biodegradable polymer of the adhesive, or the adhesive surface may be peeled off and the lid may be warped to open. The material of the lid may be a material different from the biodegradable polymer, or may be a material having a slow degradation rate, but is not limited thereto, and if the desired purpose can be achieved, Materials known in the field can be appropriately selected and used. For bonding with a biodegradable polymer, for example, CO 2 bonding can be used. A typical configuration example is shown as a specific example in FIG.

一つの態様では、電極部を電解質溶液より隔離する生分解性高分子の隔離膜を複数設けてあり、当該複数の隔離膜の一つが液に接するまでは、残りの生分解性高分子の隔離膜は液に接することなく、電解質溶液による分解作用を受けないようにしてあり、したがって、電解質溶液に電極部が接液していない残りの電極が存在しており、当該複数の隔離膜が順次分解されて該複数の電極部が順次電解質溶液に接液して、時差式発電が可能とされている形態のものが挙げられる。こうした態様のものでは、同一の生分解性高分子を使用することもできる。つまり、(1)発電と(2)次の電池(燃料溶液などの電解質溶液より隔離さ
れているもの)への壁(生分解性高分子などで構成あるいは生分解性高分子などを接着剤
としている)、が同時進行する構造であるものが包含される。こうしたものでは、一種類の材料で時差式発電が実現できる。図12には、本構成の一具体例を示してある。こうした機能を発揮するものは、すべて本発明の範囲内であり、上記以外にも様々な構造が考えられる。
別の態様では、ボタンを押すなどの方法で、出力が弱ってきたなどの場合に、次の電池を活性化するような形態であってよい(図13)。
以下に実施例を掲げ、図面を参照しながら本発明を具体的に説明するが、この実施例は単に本発明の説明のため、その具体的な態様の参考のために提供されているものである。これらの例示は本発明の特定の具体的な態様を説明するためのものであるが、本願で開示する発明の範囲を限定したり、あるいは制限することを表すものではない。本発明では、本明細書の思想に基づく様々な実施形態が可能であることは理解されるべきである。
全ての実施例は、他に詳細に記載するもの以外は、標準的な技術を用いて実施したもの、又は実施することのできるものであり、これは当業者にとり周知で慣用的なものである。ここでは、短時間で実験を実施するために、PLGAの平均分子量による分解速度の違いを利用しており、電池の劣化も顕著には起きていないが、共重合比による分解速度の制御は数時間から数ヶ月と幅広い事が知られており、電池の寿命に対応させた分解時間の設定が可能である。
In one embodiment, a plurality of biodegradable polymer isolation membranes for isolating the electrode portion from the electrolyte solution are provided, and the remaining biodegradable polymer is isolated until one of the plurality of isolation membranes contacts the liquid. The membrane does not come into contact with the liquid and is not subjected to the decomposition action by the electrolyte solution. Therefore, there are remaining electrodes in which the electrode portion is not in contact with the electrolyte solution, and the plurality of separation membranes are sequentially formed. There is a type in which the plurality of electrode portions are sequentially contacted with the electrolyte solution by being decomposed to enable time difference type power generation. In such an embodiment, the same biodegradable polymer can be used. In other words, (1) power generation and (2) the wall to the next battery (separated from electrolyte solution such as fuel solution) (composed of biodegradable polymer etc. or biodegradable polymer etc. as adhesive) Is a structure that proceeds simultaneously. In such a case, time difference type power generation can be realized with one kind of material. FIG. 12 shows a specific example of this configuration. Anything that exhibits these functions is within the scope of the present invention, and various structures other than those described above are possible.
In another aspect, when the output is weakened by a method such as pressing a button, the next battery may be activated (FIG. 13).
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to the drawings. However, the examples are merely provided for the purpose of describing the present invention and for reference to specific embodiments thereof. is there. These exemplifications are for explaining specific specific embodiments of the present invention, but are not intended to limit or limit the scope of the invention disclosed in the present application. In the present invention, it should be understood that various embodiments based on the idea of the present specification are possible.
All examples were performed or can be performed using standard techniques, except as otherwise described in detail, and are well known and routine to those skilled in the art. . Here, in order to carry out the experiment in a short time, the difference in decomposition rate due to the average molecular weight of PLGA is used, and the battery has not deteriorated significantly, but the decomposition rate is controlled by the copolymerization ratio several times. It is known to be wide from several hours to several months, and it is possible to set the disassembly time corresponding to the battery life.

(生分解性高分子の分解による電解質溶液の侵入)
図1(a)に示すように、ポテンシオスタット(HSV-100、 北斗電工)を用いてサイクリ
ックボルタンメトリーを行なった。溶液は1mMのフェロセンメタノールを含むリン酸緩衝水溶液であり、サーモスタットで35℃に維持されている。参照電極(R)には銀・塩化
銀(Ag/AgCl)電極、対極(C)には白金ワイヤーを用い、作用電極である3本のカーボン電極(直径3mm)はガラス管の中に設置した。図1(b)に示すように、これらのガラス管に
は直径3mmの穴を開けた蓋が貼り付けてあり、3本のガラス管のうち1本はそのまま用い
、他の2本は平均分子量が異なるPLGA5005(配合比50:50、平均分子量5000)、PLGA5015(配合比50:50、平均分子量15000)によって穴を塞いでから用いた。PLGAの塗布は、ヘ
キサフルオロ2プロパノールに溶かした1g/ml のPLGA溶液10μlを用いて行なった。図1(c)は実験開始直後、15分後、40分後に測定したサイクリックボルタモグラムである。フェロセンメタノールの酸化還元電流が2倍、3倍になっており、PLGA膜が時差を有して分解し、溶液がガラス管内に流入したために作用電極の面積が2倍、3倍になったことを反映している。
(Invasion of electrolyte solution by decomposition of biodegradable polymer)
As shown in FIG. 1 (a), cyclic voltammetry was performed using a potentiostat (HSV-100, Hokuto Denko). The solution is a phosphate buffered aqueous solution containing 1 mM ferrocenemethanol and maintained at 35 ° C. with a thermostat. A silver / silver chloride (Ag / AgCl) electrode was used for the reference electrode (R), platinum wire was used for the counter electrode (C), and three carbon electrodes (3 mm in diameter) as working electrodes were installed in a glass tube. . As shown in Fig. 1 (b), these glass tubes are attached with a lid with a 3mm diameter hole, one of the three glass tubes is used as it is, and the other two are average molecular weights. Were used after plugging the holes with different PLGA5005 (blending ratio 50:50, average molecular weight 5000) and PLGA5015 (blending ratio 50:50, average molecular weight 15000). PLGA was applied using 10 μl of a 1 g / ml PLGA solution dissolved in hexafluoro-2-propanol. FIG. 1 (c) is a cyclic voltammogram measured immediately after the start of the experiment, 15 minutes later and 40 minutes later. The redox current of ferrocenemethanol has doubled and tripled, the PLGA membrane has decomposed with a time difference, and the solution has flowed into the glass tube, so the area of the working electrode has doubled and tripled. Is reflected.

(バイオ燃料電池の時差式発電)
図2(a)に示す実験装置でバイオ燃料電池の時差式稼動を行なった。溶液は50mMグルコ
ース(D(+)-Glucose、 Mw:180.16)と1 mMのNADHを含むリン酸緩衝水溶液で、液温は35℃に保たれている。実施例1と同様にして作製した3本のガラス管の中に、酵素を固定化したアノードと、Ptカソードからなるバイオ燃料電池を挿入し、100kΩの外部負荷に生じる電圧を計測した。酵素を固定化したアノードは、2種類の酵素を積層して作製した。先ず、 NADHを酸化してNAD+を生成する酵素であるジアフォラーゼを、ビタミンK3を修飾した
ポリ-L-リジンおよびケッチェンブラックと共にカーボン電極上に塗布して固定化する。
その上に、グルコースを酸化するNAD+依存性のグルコースデヒドロゲナーゼをポリ-L-リ
ジンと共に塗布した。以上2種類の酵素の反応が連携することによって、賞味、グルコースを酸化して電子を引き抜く能力を持った電極となる。一方、Ptカソードにおいては、この電子が溶存酸素に渡される還元反応が起きる。
(Time difference power generation of biofuel cells)
The time difference type operation of the biofuel cell was performed with the experimental apparatus shown in FIG. The solution is a phosphate buffer aqueous solution containing 50 mM glucose (D (+)-Glucose, Mw: 180.16) and 1 mM NADH, and the temperature of the solution is kept at 35 ° C. A biofuel cell composed of an enzyme-immobilized anode and a Pt cathode was inserted into three glass tubes produced in the same manner as in Example 1, and the voltage generated at an external load of 100 kΩ was measured. The anode on which the enzyme was immobilized was prepared by laminating two kinds of enzymes. First, diaphorase, an enzyme that generates NAD + to oxidize NADH, immobilized by coating on a carbon electrode with poly -L- lysine and Ketchen black was modified vitamin K 3.
On top of that, a NAD + -dependent glucose dehydrogenase that oxidizes glucose was applied together with poly-L-lysine. As a result of the reaction of the two kinds of enzymes described above, an electrode having the ability to oxidize glucose and extract electrons is obtained. On the other hand, in the Pt cathode, a reduction reaction occurs in which these electrons are transferred to dissolved oxygen.

図2(b)は計測開始後2000秒間の出力電圧の変化である。約450秒と約1600秒の時点で出力電圧が急激に上昇しているのが読み取れる。これはPLGA5005膜とPLGA5015膜の崩壊によって起こった変化であり、バイオ燃料電池の時差式発電に成功したといえる。3本の電極
は並列に接続されているので、出力電圧はグルコース燃料電池の起電力(開回路時の電圧)を超えることはないが、電極面積が増えることで、より起電圧に近づいたと言える。これは電池の発電許容値が大きくなったため、電流が流れることによる電圧降下の影響が相対的に軽減されたためである。この実施例では、電池の性能が著しく悪くなるほどの長時間の実験は行えなかったが、共重合比が異なるPLGAを用いて長期の実験を行うことでバイオ燃料電池の性能低下をカバーする方法として時差式稼動が有効であることをより明確にすることができると考える。
FIG. 2B shows the change in output voltage for 2000 seconds after the start of measurement. It can be seen that the output voltage suddenly increases at about 450 seconds and about 1600 seconds. This is a change caused by the collapse of the PLGA5005 and PLGA5015 membranes, and it can be said that the time difference power generation of the biofuel cell was successful. Since the three electrodes are connected in parallel, the output voltage does not exceed the electromotive force (voltage at open circuit) of the glucose fuel cell, but it can be said that it has become closer to the electromotive voltage as the electrode area increases. . This is because the power generation allowable value of the battery is increased, and the influence of the voltage drop due to the flow of current is relatively reduced. In this example, it was not possible to carry out experiments for a long time so that the performance of the battery was significantly deteriorated. I think that it can be made clear that the time difference operation is effective.

(平板上に配列して作製されたバイオ燃料電池の時差式発電)
図3(a)に示すように、ガラス板上にPtの電極パターン(カソード用)とAuの電極パターン(アノード用)をフォトリソグラフィーとスパッタリングで作製した。Au電極上には実施例2と同じく酵素の固定化を行なった。そして、図3(b)の様に上面の直径3mm、下面の直径8mmの穴が開いたPLA板を貼り付けた。実施例1および実施例2と同様に PLGA5005およ
びPLGA5015によって穴が塞がれている。なお、電極のリード部はポリイミドで絶縁化した。この板状電池を、50mMグルコース(D(+)-Glucose、 Mw:180.16)と1 mMのNADHを含むリン酸緩衝水溶液(35℃)に挿入し、図2(a)と同様に出力電圧の変化を測定した。
(Time difference type power generation of biofuel cells arranged on a flat plate)
As shown in FIG. 3 (a), a Pt electrode pattern (for cathode) and an Au electrode pattern (for anode) were formed on a glass plate by photolithography and sputtering. The enzyme was immobilized on the Au electrode in the same manner as in Example 2. Then, as shown in FIG. 3B, a PLA plate having a hole with a diameter of 3 mm on the upper surface and a diameter of 8 mm on the lower surface was attached. Similar to Example 1 and Example 2, the holes are closed by PLGA5005 and PLGA5015. The lead part of the electrode was insulated with polyimide. This plate battery was inserted into a phosphate buffer solution (35 ° C) containing 50 mM glucose (D (+)-Glucose, Mw: 180.16) and 1 mM NADH, and the output voltage was adjusted in the same way as in Fig. 2 (a). Changes were measured.

出力電圧の測定結果は再現性が悪く、不安定であった。これは、電極部に存在する気体が抜けないために、PLGAが分解しても電解質溶液が速やかに侵入しないためであると考えられた。そこで、図3(c)に記載の様に、電極部に綿をつめて、電解質溶液が侵入しやすくしたところ、図3(d)に示す結果が得られた。PLGAの分解に対応すると見られる出力電圧
の上昇が確認された。実施例2よりも時間がかかっているのは、ガラス管を用いたときに
高分子の崩壊を促進した水圧が無いためと考えられる。
The output voltage measurement results were poorly reproducible and unstable. This was thought to be because the gas present in the electrode part did not escape and the electrolyte solution did not enter quickly even when PLGA was decomposed. Therefore, as shown in FIG. 3 (c), the electrode part was filled with cotton so that the electrolyte solution easily penetrated, and the result shown in FIG. 3 (d) was obtained. An increase in output voltage, which seems to correspond to the decomposition of PLGA, was confirmed. The reason that it takes longer than Example 2 is thought to be because there is no water pressure that promotes the collapse of the polymer when a glass tube is used.

実施例3では電極が3組であるが、微細加工技術を用いてより多数の電池を同一基板上に配列することが可能であり、インクジェットプリンタなどによってそれぞれの電池を生分解性高分子で被覆することで、より小型で、長期間にわたって発電が可能なバイオ燃料電池が作製可能である。実施例3では基板を用いているが、可塑性のあるシート状に作製することも可能である。   In Example 3, there are three sets of electrodes, but it is possible to arrange a larger number of batteries on the same substrate using a microfabrication technique, and each battery is covered with a biodegradable polymer by an inkjet printer or the like. By doing so, it is possible to produce a biofuel cell that is smaller and can generate power over a long period of time. In Example 3, a substrate is used, but it is also possible to produce a plastic sheet.

さらに実施例3で用いたカソード用のPt電極は化学安定性が高いため、必ずしも生分解性高分子により被覆する必要はなく、化学的に不安定な酵素が固定化されたアノードのみを被覆すれば、同様な効果は達成される。これにより、一層の小型化が可能となる。また、体積あたりの電極数を増加するには、基板あるいはシートを積層する構造も考えられる。   Furthermore, since the cathode Pt electrode used in Example 3 has high chemical stability, it does not necessarily have to be coated with a biodegradable polymer, and only the anode on which a chemically unstable enzyme is immobilized is coated. A similar effect is achieved. Thereby, further miniaturization becomes possible. In order to increase the number of electrodes per volume, a structure in which a substrate or a sheet is laminated is also conceivable.

(バイオ燃料電池電極の作製)
図4に全ての部品が有機物によるバイオ燃料電池の作製方法を示した。図3ではアノードおよびカソード電極としてそれぞれ生分解性機能のないAuとPtを用いているが、有機物のみを用いた電極の作製を試みた。まずテフロン(登録商標)シート上に印刷法を用いカーボン電極を作製した。ここで言うカーボンはカーボンブラックを指し、有機物として扱う。次に、カーボン電極上に円筒状のPLAを置き、板厚方向に2枚の押さえ板で加圧しPLAを板状に変形させた。加圧後、テフロン(登録商標)シートを取り除くとカーボン電極はPLA側に転写していることが確認された。PLA板のサイズは30mmx30mmx3mmであった。この
カーボン電極上にアノード用触媒、カソード用触媒を設置し、さらに両極をPLGAで覆うことにより、所定の時間差後発電を開始するバイオ燃料電池が作製される。基板は被覆材料より分解速度の長い生分解性材料である必要がある。電極としてはカーボンなどの導電性を有する有機物を用いることができ、導電性が妨げられない範囲で、カーボン粉末と生分解性物質を混合して作製した電極を用いることもできる。生分解性材料として、ここでは、PLAとPLGAを示したが、それに限定されるものではなく、基板材料としては被覆材料よ
り長い分解時間を持つ生分解性材料であれば何れの材料を用いてもよい。ここで言う基板は燃料電池を構成する構造材として扱うことができる。
(Production of biofuel cell electrodes)
FIG. 4 shows a method for producing a biofuel cell in which all parts are made of organic materials. In FIG. 3, Au and Pt, which have no biodegradable function, are used as the anode and cathode electrodes, respectively, but an attempt was made to produce an electrode using only organic substances. First, a carbon electrode was produced on a Teflon (registered trademark) sheet using a printing method. Carbon here refers to carbon black and is treated as an organic substance. Next, a cylindrical PLA was placed on the carbon electrode, and the PLA was deformed into a plate by pressing with two pressing plates in the plate thickness direction. After pressurization, when the Teflon (registered trademark) sheet was removed, it was confirmed that the carbon electrode was transferred to the PLA side. The size of the PLA plate was 30mmx30mmx3mm. By installing an anode catalyst and a cathode catalyst on the carbon electrode, and further covering both electrodes with PLGA, a biofuel cell that starts power generation after a predetermined time difference is manufactured. The substrate must be a biodegradable material that has a longer degradation rate than the coating material. As the electrode, an organic substance having conductivity such as carbon can be used, and an electrode prepared by mixing carbon powder and a biodegradable substance can be used as long as the conductivity is not hindered. Here, PLA and PLGA are shown as biodegradable materials, but the materials are not limited to them, and any material can be used as a substrate material as long as it is a biodegradable material having a longer decomposition time than a coating material. Also good. The substrate mentioned here can be handled as a structural material constituting the fuel cell.

(時差式小型発電デバイスの作製)
(a) PLGA薄膜の作製
乳酸とグリコール酸の配合比が1対1であるPLGAを用いた。PLGAは、PLGA5005(Mw. 5000,和光化学工業)、PLGA5015(Mw. 15000,和光化学工業)を用いた。PLGAは薄くすると
非常に割れやすいために、コンポジット化し強度を高めて用いた。PLGAにナノクレイ(Cloisite30B,Southern Clay Products)を分散させコンポジットとすることで強度を向上
させた。
PLGAとナノクレイを重量比96:4で、十分に混ぜる。得られた混合物を1,1,1,3,3,3-Hexafluoro-2-propanol(ヘキサフルオロプロパノール, Wako)に0.2mg/mLの濃度で溶かした。得られたものを、PLGA溶液とするが、ナノクレイは溶解せず、分散している状態であるため、使用直前に超音波洗浄機を用いて、十分に分散させてから必要量を取り出した。
(Production of time difference type small power generation device)
(a) Preparation of PLGA thin film PLGA having a mixing ratio of lactic acid and glycolic acid of 1: 1 was used. PLGA5005 (Mw. 5000, Wako Chemical Industry) and PLGA5015 (Mw. 15000, Wako Chemical Industry) were used for PLGA. Since PLGA is very fragile when thin, it was made into a composite and increased in strength. The strength was improved by dispersing nanoclay (Cloisite30B, Southern Clay Products) in PLGA to make a composite.
Mix PLGA and nanoclay thoroughly in a weight ratio of 96: 4. The obtained mixture was dissolved in 1,1,1,3,3,3-Hexafluoro-2-propanol (hexafluoropropanol, Wako) at a concentration of 0.2 mg / mL. The obtained product is used as a PLGA solution, but nanoclay is not dissolved and is in a dispersed state. Therefore, a necessary amount was taken out after sufficiently dispersing using an ultrasonic cleaner immediately before use.

(b) PLGA薄膜作製に用いるPDMS鋳型の作製
PLGA薄膜を成型するため、薄膜パターンを有すPDMSを鋳型として用いた。微細加工技術を使用したPDMS鋳型の作製のため、厚膜ネガレジストのSU-8を作製したい薄膜形状にパターニングし、それをPDMSに転写した。PLGAはPDMSから容易に剥離できるため、鋳型材料に適する。
(1) 基板の準備は次のようにして行った。スライドガラス(MICRO SLIDE GLASS, Thickn
ess 0.8〜1.0 mm, MATSUNAMI)をエタノール溶液中で超音波洗浄し、乾燥させた。(2)マ
スクの作製は次のようにして行った。マスクパターンを描画ソフトで描き、市販のOHPシ
ートに黒で印刷することにより作製した。(3)フォトリソグラフィーは次のようにして行
った。(i)プロモーター(AZ ADプロモーター、AZエレクトロニックマテリアル株式会社)を基板上にスピンコート(ACT-220D, Active)(4000rpm,30sec)し、ホットプレート(TH-900, AS ONE)を用い100℃で10minベークする。(ii)フォトレジスト(SU-8 2050, 化薬マイクロケム株式会社)をスピンコートする(2000rpm, 30sec;厚さ 70μm)。(iii)徐々に温度
を上げて、95℃で15minベークする。(iv)基板に位置を合わせてマスクを密着させ、露光
装置(UIV-5100, USHIO)を用いて33sec露光する。(v)徐々に温度を上げて、95℃で9minベ
ークする。(vi)現像液(SU-8デベロッパー, 化薬マイクロケム株式会社)中で10min現像し
、イソプロパノールで1min×2リンス(図5(a))した。(4)PDMSの主剤(SILPOT 184, DOW CORNING TORAY)と硬化剤(CATALYST SILPOT 184, DOW CORNING TORAY)を重量比10:1で混合し、よくかき混ぜた後、十分脱気し、(3)で作製したSU-8鋳型に流し込む。(5)オーブンでベークし、十分に硬化させた後SU-8鋳型からはずし、必要な部分を切り出した(図5(b)
)。
(b) Preparation of PDMS mold used for PLGA thin film production
In order to mold a PLGA thin film, PDMS having a thin film pattern was used as a mold. To produce a PDMS mold using microfabrication technology, SU-8, a thick film negative resist, was patterned into the desired thin film shape and transferred to PDMS. PLGA is suitable as a mold material because it can be easily peeled off from PDMS.
(1) The substrate was prepared as follows. Glass slide (MICRO SLIDE GLASS, Thickn
ess 0.8-1.0 mm, MATSUNAMI) was ultrasonically washed in an ethanol solution and dried. (2) The mask was manufactured as follows. The mask pattern was drawn with drawing software and printed on a commercially available OHP sheet in black. (3) Photolithography was performed as follows. (i) Spin coat (ACT-220D, Active) (4000rpm, 30sec) on substrate (AZ AD promoter, AZ Electronic Material Co., Ltd.) and use hot plate (TH-900, AS ONE) at 100 ° C Bake for 10 min. (ii) A photoresist (SU-8 2050, Kayaku Microchem Corporation) is spin coated (2000 rpm, 30 sec; thickness 70 μm). (iii) Raise the temperature gradually and bake at 95 ° C for 15 min. (iv) A mask is brought into close contact with the substrate and exposed for 33 seconds using an exposure apparatus (UIV-5100, USHIO). (v) Raise the temperature gradually and bake at 95 ° C for 9 min. (vi) The developer was developed in a developer (SU-8 developer, Kayaku Microchem Co., Ltd.) for 10 min, and rinsed with isopropanol for 1 min × 2 (FIG. 5 (a)). (4) Mix PDMS main agent (SILPOT 184, DOW CORNING TORAY) and curing agent (CATALYST SILPOT 184, DOW CORNING TORAY) at a weight ratio of 10: 1, stir well, and then thoroughly deaerate. Pour into the prepared SU-8 mold. (5) After baking in an oven and fully cured, it was removed from the SU-8 mold and the necessary part was cut out (Fig. 5 (b)
).

(c) PLGA薄膜の作製
PDMS鋳型を用いてPLGA薄膜を成型する手順を以下に示すようにして行った。液滴を乾燥させるだけでは、平らな膜とはならないため、エンボッシングにより平らなPLGA薄膜を得た。上記(a)で作製したPLGA分散液をガラス製マイクロシリンジを用いて、PDMS鋳型の凹
部に8μl滴下する。次に、常温で数時間乾燥させる。流動性が無くなったら、バキュームオーブン(AVO-250N, AS ONE)の減圧下40℃で2日間以上乾燥させた。次に、両面をスライ
ドガラスにはさみ、120℃に加熱したホットエンボス(AH-2003, AS ONE)で加圧し(0.2MPa)、冷却してから外した。
(c) Preparation of PLGA thin film
The procedure for forming a PLGA thin film using a PDMS mold was performed as follows. A flat PLGA thin film was obtained by embossing because a flat film was not obtained by simply drying the droplets. Using the glass microsyringe, 8 μl of the PLGA dispersion prepared in (a) above is dropped into the recess of the PDMS mold. Next, it is dried at room temperature for several hours. When the fluidity disappeared, it was dried for 2 days or more at 40 ° C. under reduced pressure in a vacuum oven (AVO-250N, AS ONE). Next, both surfaces were sandwiched between slide glasses, pressurized with hot embossing (AH-2003, AS ONE) heated to 120 ° C. (0.2 MPa), cooled, and then removed.

(d) 電極とPLGA薄膜取り付け枠の作製
微細加工技術を使用して電極基板の作製を行った。その電極にPLGA薄膜を接着するための枠を作製した。枠の作製は次のようにして行った。先ず、リフトオフ後の電極基板をエタノールで超音波洗浄し、乾燥させた。プロモーター(AZ ADプロモーター, AZエレクトロニックマテリアル株式会社)を基板上にスピンコート(ACT-220D, Active)(4000rpm, 30sec)し、ホットプレート(TH-900, AS ONE)を用い100℃で10minべークした。フォトレジスト(SU-8 2050,化薬マイクロケム株式会社)をスピンコート(1000rpm 30sec)し、次に徐々に温度を上げて、95℃で30minベークし、基板に位置を合わせてマスクを密着させ、露光装置(UIV-5100, USHIO)を用いて60sec露光した。徐々に温度を上げて、12minべークし、現像液(SU-8デベロッパー, 化薬マイクロケム株式会社)中で15min現像し、イソプロパノールで1min×2リンスした。この電極を図6に示す。以降、このSU-8の枠(高さ150μm)の付いた電極を時差式デバイス用電極とした。
(d) Fabrication of electrode and PLGA thin film mounting frame An electrode substrate was fabricated using microfabrication technology. A frame for bonding the PLGA thin film to the electrode was prepared. The frame was manufactured as follows. First, the electrode substrate after lift-off was ultrasonically cleaned with ethanol and dried. Promoter (AZ AD Promoter, AZ Electronic Material Co., Ltd.) is spin-coated (ACT-220D, Active) (4000rpm, 30sec) on the substrate, and hot plate (TH-900, AS ONE) is used for 10 min at 100 ° C. I was Photoresist (SU-8 2050, Kayaku Microchem Co., Ltd.) is spin-coated (1000rpm 30sec), then gradually raised in temperature, baked at 95 ° C for 30min, aligned with the substrate and brought into close contact with the mask Then, exposure was performed for 60 seconds using an exposure apparatus (UIV-5100, USHIO). The temperature was raised gradually, the mixture was baked for 12 minutes, developed in a developer (SU-8 developer, Kayaku Microchem Co., Ltd.) for 15 minutes, and rinsed with isopropanol for 1 minute × 2 times. This electrode is shown in FIG. Hereinafter, the electrode with the SU-8 frame (height 150 μm) was used as a time difference device electrode.

(e) PLGA薄膜の接着
燃料から酵素電極を遮断するには、作製したPLGA薄膜の酵素電極上面への接着が必要となるが、加熱や有機溶剤を用いた接着法では、酵素電極の失活を招いてしまう。また、接着剤の利用も考えられるが、微少量の接着剤を正確に塗布することは難しい。そこで、PLGAと酵素電極を接着する方法として、CO2 bondingを用いた。本接着法は、接着させたい
試料を貼り合わせた状態で40℃前後の耐圧容器内に入れ、CO2ガスを充填して圧力を上げ
ることで、高密度のCO2ガスがPLGA表面を溶解させ、接着できるというものである。使用CO2ガス中においても細胞は生存できるといった報告がある。本実施例では、耐圧容器内が35℃で一定となるようにした。CO2 bondingではCO2ガスが接着面の外周部から内部へとPLGA中を拡散しながらPLGAを溶解していることが示唆される結果を得た。上記(d)で得た時
差式デバイス用電極と上記(c)で得たPLGA薄膜の接着を行った。CO2 bondingでは、処理時のCO2圧力、加圧時間の条件設定を接着面積(接着距離)によって変えることができ、例
えば、印加圧力0.5MPa、印加時間30minで接着を行うことができる。
(e) Adhesion of PLGA thin film In order to cut off the enzyme electrode from the fuel, it is necessary to adhere the prepared PLGA thin film to the upper surface of the enzyme electrode. Will be invited. Although the use of an adhesive is also conceivable, it is difficult to accurately apply a minute amount of the adhesive. Therefore, CO 2 bonding was used as a method for bonding PLGA and the enzyme electrode. In this bonding method, the sample to be bonded is stuck in a pressure vessel at around 40 ° C, filled with CO 2 gas, and the pressure is increased, so that the high density CO 2 gas dissolves the PLGA surface. It can be glued. There are reports that cells can survive even in the CO 2 gas used. In this example, the inside of the pressure vessel was made constant at 35 ° C. In CO 2 bonding, it was suggested that CO 2 gas was dissolved in the PLGA while diffusing in the PLGA from the outer periphery to the inside of the bonding surface. The time-difference type device electrode obtained in the above (d) and the PLGA thin film obtained in the above (c) were adhered. In CO 2 bonding, the setting conditions of CO 2 pressure and pressurizing time during processing can be changed depending on the bonding area (bonding distance), and for example, bonding can be performed with an applied pressure of 0.5 MPa and an applied time of 30 minutes.

(f) 時差式小型発電デバイスを用いた時間差通電試験
上記(c)で得たPLGA薄膜で電極(上記(d)で作製)を覆うことで、溶液から電極を遮断し、PLGAの崩壊により、時差をつけて電極を溶液に露出させることが可能か否かを調べた。
PLGA5005とPLGA5015を用いて作製したPLGA薄膜を、それぞれの電極にCO2 bonding(0.5MPa,30min)により接着した。0.5mL/minの流量で0.1mMフェロセンメタノール溶液をペリスタポンプでPDMS流路(流路高さ1mm, 流路幅5mm)内に送液した(図7)。PLGA薄膜上面を、測定溶液が通過すると同時にポテンショスタットによるサイクリックボルタンメトリー法(CV法, 電位掃引速度5mVs-1)測定を開始し、3分毎に同じ電位を測定するように、
繰り返し測定した。
サイクリックボルタモグラムの、電位0.3Vにおける電流値を経過時間に合わせて取得した。PLGA5005で覆った電極では溶液導入後60min、PLGA5015で覆った電極では500minの間
まで、電流がほぼゼロであり、PLGA薄膜による電極の溶液からの遮断を実現できた。また、PLGA5005を用いた薄膜で覆った電極では、電流値が緩やかに増加していき、時差をつけて電極を機能させることにも成功した。PLGA5015を用いた薄膜電極で覆った電極でも時差をつけることに成功した。2種類のPLGA薄膜の崩壊過程が異なったことが認められた。
(f) Time difference energization test using time difference type small power generation device By covering the electrode (prepared in (d) above) with the PLGA thin film obtained in (c) above, the electrode is cut off from the solution, and by the collapse of PLGA, It was examined whether it was possible to expose the electrode to the solution with a time difference.
A PLGA thin film manufactured using PLGA5005 and PLGA5015 was bonded to each electrode by CO 2 bonding (0.5 MPa, 30 min). A 0.1 mM ferrocene methanol solution was fed into a PDMS channel (channel height 1 mm, channel width 5 mm) with a peristaltic pump at a flow rate of 0.5 mL / min (FIG. 7). Cyclic voltammetry (CV method, potential sweep rate 5mVs -1 ) measurement by potentiostat is started at the same time as the measurement solution passes through the upper surface of the PLGA thin film, and the same potential is measured every 3 minutes.
Repeatedly measured.
The current value at a potential of 0.3 V in the cyclic voltammogram was acquired according to the elapsed time. With the electrode covered with PLGA5005, the current was almost zero until 60 min after the introduction of the solution and with the electrode covered with PLGA5015 until 500 min, and the electrode was blocked from the solution by the PLGA thin film. In addition, with the electrode covered with a thin film using PLGA5005, the current value gradually increased, and we succeeded in making the electrode function with a time difference. We succeeded in making a time difference even with an electrode covered with a thin film electrode using PLGA5015. It was found that the disintegration processes of the two types of PLGA thin films were different.

(g) 酵素電極を用いた時間差通電試験
PLGA薄膜で覆ったグルコース酸化電極を用いて時間差の検証を行った。
上記(d)で作製した基板に酵素修飾を行った電極に対して、上記(c)で得たPLGA薄膜(PLGA5005)を、CO2 bonding(0.5MPa,30min)で接着する。0.5mL/minの流量で1mM NAD+、10mMグルコース、0.1M NaClを含む燃料溶液をPDMS流路(流路高さ1mm, 流路幅5mm)内にペリスタポンプで送液した(図7)。
PLGA薄膜上面を、測定溶液が通過すると同時にポテンショスタットによるリニアスウィープボルタンメトリー法(LSV法,電位掃引速度5mV s-1)測定を開始し、3分毎に同じ電
位を繰り返し測定した。
得られたリニアスウィープボルタモグラムの電位 0Vの電流値を経過時間に合わせてプ
ロットした結果を図8に示す。溶液を導入した0minから40minの間まで、PLGA薄膜で覆わ
れた電極では、電流が観測されず、PLGA薄膜による燃料からの酵素電極遮断を実現できた。その後、電流値の増加が徐々に得られ時差をつけた通電が観測された。但し、PLGA薄膜が酵素電極上に残っていることで、PLGA薄膜を介した燃料の流入速度が、酵素電極のグルコース消費速度に対して遅くなるという問題が観察された。
(g) Time difference energization test using enzyme electrode
The time difference was verified using a glucose oxidation electrode covered with a PLGA thin film.
The PLGA thin film (PLGA5005) obtained in (c) above is bonded to the electrode prepared by enzyme modification on the substrate prepared in (d) above by CO 2 bonding (0.5 MPa, 30 min). A fuel solution containing 1 mM NAD + , 10 mM glucose, and 0.1 M NaCl at a flow rate of 0.5 mL / min was fed into a PDMS channel (channel height 1 mm, channel width 5 mm) with a peristaltic pump (FIG. 7).
As soon as the measurement solution passed through the upper surface of the PLGA thin film, linear sweep voltammetry (LSV method, potential sweep rate 5 mV s -1 ) measurement using a potentiostat was started, and the same potential was repeatedly measured every 3 minutes.
FIG. 8 shows the result of plotting the current value of the potential 0 V of the obtained linear sweep voltammogram according to the elapsed time. In the electrode covered with the PLGA thin film from 0 min to 40 min into which the solution was introduced, no current was observed and the enzyme electrode was cut off from the fuel by the PLGA thin film. After that, an increase in current value was gradually obtained, and energization with a time difference was observed. However, a problem was observed in which the PLGA thin film remained on the enzyme electrode caused the fuel inflow rate through the PLGA thin film to be slower than the glucose consumption rate of the enzyme electrode.

(h) 時差式小型発電デバイスの電極性能安定性試験
上記で時間差のグルコース酸化が行えることを確認できたので、時間差発電バイオ燃料電池の安定性を評価した。分子量がMw 5000、Mw 15000と異なり、分解速度に差があるPLGA薄膜を用いることで、酵素電極をアレイ化した時間差発電燃料電池を構成した。
上記(d)で作製した基板に酵素修飾を行った電極に対して、上記(c)で得たPLGA薄膜(PLGA5005,5015)を、CO2 bonding(0.5MPa, 30min)で接着する。それに、PDMS流路(流路高さ1mm, 流路幅5mm)を接着させた流路セル(図9)に、0.5mL/minの流量で1mM NAD+、10mMグルコース、0.1M NaClを含む燃料溶液を流した。PLGA薄膜上面を、測定溶液が通過すると
同時に、ポテンショスタットにより0Vの定電圧を印加し、測定を開始した。また、比較としてPLGA薄膜で被覆されていない酵素電極1枚の測定も同様に行った。
電流−時間曲線を図10に示す。電極1枚だけでの電流値(a)に比べ、性能低下が緩や
かになり安定性が向上した。これは、燃料の供給開始で被覆されていない電極が時間の経過で性能低下していくなか、PLGA5005と5015で燃料から遮断されていた酵素電極がそれぞれ時間差をもって溶液にぬれ始め、グルコース酸化を開始し、徐々に電流値が大きくなったため、全体としての電流値が向上したものと考えられる。測定開始後の最大電流値を100%として、時間経過後の電流値を表1に示す。
(h) Electrode performance stability test of time difference type small power generation device Since it was confirmed that time difference glucose oxidation can be performed as described above, the stability of the time difference power generation biofuel cell was evaluated. A time difference power generation fuel cell in which enzyme electrodes are arrayed was constructed by using PLGA thin films having molecular weights different from Mw 5000 and Mw 15000 and having different decomposition rates.
The PLGA thin film (PLGA5005, 5015) obtained in (c) above is bonded to the electrode prepared by enzyme modification on the substrate prepared in (d) above by CO 2 bonding (0.5 MPa, 30 min). Fuel containing 1 mM NAD + , 10 mM glucose and 0.1 M NaCl at a flow rate of 0.5 mL / min in a flow channel cell (Fig. 9) with PDMS flow channel (flow channel height 1 mm, flow channel width 5 mm) The solution was poured. At the same time as the measurement solution passed through the upper surface of the PLGA thin film, a constant voltage of 0 V was applied by a potentiostat to start measurement. For comparison, the measurement of one enzyme electrode not covered with a PLGA thin film was performed in the same manner.
A current-time curve is shown in FIG. Compared to the current value (a) with only one electrode, the performance declined more slowly and stability was improved. This is because the enzyme electrodes that were cut off from the fuel in PLGA5005 and 5015 started to wet into the solution with a time lag and the glucose oxidation started as the performance of the uncoated electrodes deteriorated with the passage of time. However, since the current value gradually increased, it is considered that the current value as a whole was improved. Table 1 shows the current value after elapse of time, with the maximum current value after the start of measurement being 100%.

PLGA薄膜で燃料を遮断した酵素電極に関して、上記(g)において述べたように、グルコ
ースの供給量が十分でないため、PLGA薄膜で覆われていない電極と同程度の電流値を得られなかった。8時間経過した時点で、わずかながらではあるが性能の回復が見られた。こ
れは、分解によって孔のあきやすくなったPLGA薄膜が、燃料の流れの影響で大きく変形し、グルコースの流入量が増加したために生じたと考えられる。
As described in (g) above, regarding the enzyme electrode in which the fuel was blocked with the PLGA thin film, the amount of glucose supplied was not sufficient, so that a current value comparable to that of the electrode not covered with the PLGA thin film could not be obtained. After 8 hours, a slight recovery in performance was observed. This is thought to be because the PLGA thin film, which was easily perforated by decomposition, was greatly deformed by the influence of the fuel flow and the inflow of glucose increased.

本発明により、バイオ電池を時差式に稼動することができ、長寿命の電池が提供できるので、使い捨て可能な電池、ブドウ糖を燃料とする電池、体内医療装置用電池、皮膚貼付式医療器具用電池(湿布など)、皮膚貼付式美容用途用電池(パックなど)に応用可能であり、医療分野を含めたバイオデバイス開発に貢献する。
本発明は、前述の説明及び実施例に特に記載した以外も、実行できることは明らかである。上述の教示に鑑みて、本発明の多くの改変及び変形が可能であり、従ってそれらも本件添付の請求の範囲の範囲内のものである。
According to the present invention, a bio battery can be operated in a time difference manner and a long-life battery can be provided. Therefore, a disposable battery, a battery using glucose as a fuel, a battery for an in-vivo medical device, and a battery for a skin patch medical device It can be applied to skin-applied cosmetic batteries (packs, etc.) and contributes to biodevice development including the medical field.
It will be apparent that the invention may be practiced otherwise than as particularly described in the foregoing description and examples. Many modifications and variations of the present invention are possible in light of the above teachings, and thus are within the scope of the claims appended hereto.

本発明に従った生分解性高分子の分解による電解質溶液の侵入による電極の活性化。(a)実験構成図。(b)実験に用いたガラス管の写真。(c)実験開始直後、15分後、および40分後に測定したサイクリックボルタモグラム。電位走査速度は50mV/s。Activation of the electrode by penetration of the electrolyte solution by decomposition of the biodegradable polymer according to the invention. (A) Experimental configuration diagram. (B) A photograph of the glass tube used in the experiment. (C) Cyclic voltammograms measured immediately after the start of the experiment, after 15 minutes and after 40 minutes. The potential scanning speed is 50mV / s. 本発明に従ったバイオ燃料電池の時差式発電。(a)実験構成図。(b)負荷100kΩにおける出力電圧の経時変化。Time difference power generation of a biofuel cell according to the present invention. (A) Experimental configuration diagram. (B) Change in output voltage with time at a load of 100 kΩ. 本発明に従った平板上に配列して作製されたバイオ燃料電池の時差式発電。(a)ガラス板上に作製した電極の写真(b)PLGAで被覆した状態の電極基板の写真。(c)電極部に綿をつめることで電解質溶液が侵入しやすくなることの説明図。(d)負荷100kΩにおける出力電圧の経時変化。Time difference power generation of a biofuel cell produced on a flat plate according to the present invention. (A) Photo of electrode prepared on glass plate (b) Photo of electrode substrate covered with PLGA. (C) Explanatory drawing that electrolyte solution becomes easy to penetrate | invade by packing cotton in an electrode part. (D) Change in output voltage with time at a load of 100 kΩ. 本発明に従ったバイオ燃料電池電極。(a)外観写真。(b)電極の作製方法。A biofuel cell electrode according to the present invention. (A) Appearance photograph. (B) A method for manufacturing an electrode. 本発明に従ったPLGA薄膜作製に用いるPDMS鋳型の作製における薄膜パターン(a)とPDMS鋳型(b)を示す。The thin film pattern (a) and PDMS template (b) in preparation of the PDMS template used for PLGA thin film manufacture according to this invention are shown. 本発明に従った時差式デバイス用電極を示す。1 shows an electrode for a time difference device according to the present invention. 本発明に従った時差式小型発電デバイスを用いた時間差通電試験での実験構成図を示す。The experimental block diagram in the time difference electricity test using the time difference type small power generation device according to this invention is shown. 実施例5(g)で得られたリニアスウィープボルタモグラムの電位 0Vの電流値を経過時間に合わせてプロットしたグラフを示す。The graph which plotted the electric current value of the electric potential 0V of the linear sweep voltammogram obtained in Example 5 (g) according to elapsed time is shown. 本発明に従った時差式小型発電デバイスの電極性能安定性試験での実験構成図を示す。The experimental block diagram in the electrode performance stability test of the time difference type small power generation device according to this invention is shown. 実施例5(h)で得られた電流−時間曲線を示す。The current-time curve obtained in Example 5 (h) is shown. 本発明に従った時差式小型発電デバイスで燃料溶液から電極を隔離している蓋を生分解性高分子で接着して構成する一具体例を示す。1 shows a specific example in which a lid for isolating an electrode from a fuel solution is bonded with a biodegradable polymer in a time difference type small power generation device according to the present invention. 本発明に従った時差式小型発電デバイスで燃料溶液から電極を隔離している隔壁を複数、同一の生分解性高分子で構成し、該複数の隔壁を順次溶液に接触させて分解せしめ、複数の電極を順次稼動せしめるようにした一具体例を示す。A plurality of partition walls separating the electrodes from the fuel solution in the time difference type small power generation device according to the present invention are composed of the same biodegradable polymer, and the plurality of partition walls are sequentially brought into contact with the solution to be decomposed. A specific example is shown in which the electrodes are sequentially operated. 本発明に従った時差式小型発電デバイスで燃料溶液から電極を隔離している隔壁を複数で構成し、該複数の隔壁を機械式スイッチにより破壊せしめ、複数の電極を順次稼動せしめるようにした一具体例を示す。A plurality of partition walls separating electrodes from a fuel solution in a time difference type small power generation device according to the present invention, wherein the plurality of partition walls are broken by a mechanical switch, and the plurality of electrodes are sequentially operated. A specific example is shown.

Claims (13)

電極部が電解質溶液より隔離されている電池を少なくとも一個有しており、電池が2個以上連結され、当該電解質溶液から隔離されている電極部に電解質溶液が接液して発電が開始されることで、当該2個以上連結された電池で順次発電を行うものであることを特徴とするバイオ電池。 The battery electrode portion that is isolated from the electrolyte solution has at least one battery is connected two or more, the electrolyte solution generator is started by wetted the electrode portion is isolated from the electrolyte solution Thus, a biobattery is characterized in that power generation is performed sequentially with the two or more connected batteries. 生分解性高分子の分解により順次電極電解質溶液に接液するものであることを特徴とする請求項1に記載のバイオ電池。 The biobattery according to claim 1, wherein the electrode part is in contact with the electrolyte solution sequentially by decomposition of the biodegradable polymer. 生分解性高分子を、電解質溶液より電極部を隔離せしめる隔壁として用いているものであることを特徴とする請求項1又は2に記載のバイオ電池。 The biobattery according to claim 1 or 2 , wherein the biodegradable polymer is used as a partition wall that separates the electrode portion from the electrolyte solution . 生分解性高分子を、電極部を内包する容器又は区画と電解質との間の仕切板又は蓋を該容器又は該区画に接着するための接着剤として用いているものであることを特徴とする請求項1又は2に記載のバイオ電池。 The biodegradable polymer is characterized in that a partition plate or lid between a container or compartment containing an electrode part and an electrolyte is used as an adhesive for adhering to the container or the compartment. The biobattery according to claim 1 or 2. 前記生分解性高分子が分解されることで電解質溶液が電極部に接液して順次発電が開始される構造によって、長期間の発電が維持できることを特徴とする請求項〜4のいずれか一に記載のバイオ電池。 By a structure wherein the biodegradable polymer electrolyte solution by being decomposed is started sequentially generates electricity by liquid contact to the electrode portion, claim 2-4, characterized in that the long-term power can be maintained The bio battery according to 1. 前記生分解性高分子は、分解時間が異なるものを2種類以上用い、分解に伴い順次発電が開始することによって長期間の発電が維持できることを特徴とする請求項〜4のいずれか一に記載のバイオ電池。 Wherein the biodegradable polymer is used as the between disassembling least two different types, according to claim 2-4 either single, characterized in that the long-term power can be maintained by sequentially generating starts with the decomposition The bio battery according to 1. 機械式スイッチにより順次電極電解質溶液に接液するものであることを特徴とする請求項1に記載のバイオ電池。 The biobattery according to claim 1, wherein the electrode part is in contact with the electrolyte solution sequentially by a mechanical switch. 前記生分解性高分子は、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、乳酸とグリコール酸の共重合体もしくはそれらの誘導体を含むことを特徴とする請求項〜6のいずれか一に記載のバイオ電池。 The biobattery according to any one of claims 2 to 6, wherein the biodegradable polymer includes polylactic acid, polyglycolic acid, a copolymer of lactic acid and glycolic acid, or a derivative thereof. 前記バイオ電池は、酵素を電極触媒として、糖、乳酸及びアルコールからなる群から選択されたものを燃料として発電する電池であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一に記載のバイオ電池。 The bio battery according to any one of claims 1 to 8, wherein the bio battery is a battery that generates electricity using an enzyme as an electrode catalyst and a fuel selected from the group consisting of sugar, lactic acid, and alcohol. battery. 前記バイオ電池は、微生物を用いて、糖、乳酸及びアルコールからなる群から選択されたものを燃料として発電する電池であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一に記載のバイオ電池。 The biobattery according to any one of claims 1 to 8, wherein the biobattery is a battery that uses a microorganism to generate electricity using a fuel selected from the group consisting of sugar, lactic acid, and alcohol. . 前記バイオ電池は、ミリオーダー以下の微小な電池を2個以上平面に配列したシート状の形状であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一に記載のバイオ電池。 The biobattery according to any one of claims 1 to 10, wherein the biobattery has a sheet-like shape in which two or more micro batteries of millimeter order or less are arranged in a plane. 前記バイオ電池は、電極と構造材を含んだ全ての部品が有機物で構成されることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一に記載のバイオ電池。 The biobattery according to any one of claims 1 to 11, wherein all parts including an electrode and a structural material are made of an organic substance. 生分解性高分子を利用して電極部が電解質溶液より隔離され、且つ、生分解性高分子が分解されることにより電解質溶液が電極部に接液して発電が開始される構造を有することを特徴とする電池又は発電デバイス。 The electrode part is isolated from the electrolyte solution using a biodegradable polymer, and the electrolyte solution is in contact with the electrode part when the biodegradable polymer is decomposed to generate power. A battery or a power generation device.
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