JP5572429B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、体内埋め込み型機器へ電力を供給するに電源装置に関する。

一般に、多くの体内埋め込み型機器は、その電力の供給源として内蔵電池を搭載している。然し乍、内蔵電池を搭載している場合、この内蔵電池の寿命に伴った、定期的な電池交換が必要である。電池交換に際しては、手術が必要となることがある。この手術は、体内埋め込み型機器の装用者にとって負担が大きい。

そこで例えば特許文献１には、血流を利用してＭａｇｎｅｔｏ−Ｈｙｄｒｏ−Ｄｙｎａｍｉｃｓ（ＭＨＤ）発電を行い、体内埋め込み型機器に電力を供給する電源装置が開示されている。また、例えば特許文献２には、生体内での振動や患者の運動を利用したエレクトレット振動発電や永久磁石を用いた発電を行い、体内埋め込み型機器に電力を供給する電源装置が開示されている。また、例えば特許文献３には、体内に埋め込んだバイオ燃料電池から成る電源装置が開示されている。

特開２０００−３７４６３号公報 特開２０００−３０８３２６号公報 特開２００６−１４７４７２号公報

然し乍、特許文献１及び特許文献２に開示されている技術に依れば、十分な発電量を確保するために発電部位のサイズが大きくなることや、心臓の動き、血流、及び拍動等の生命維持に係る動きを利用して発電する場合、患者の生体に負荷をかけることが無いように発電量を小さくする必要があること等の課題がある。

また、特許文献３に開示されている燃料電池は、発電量は十分であるが、発電に必要な燃料や酸素を、体内にあるその燃料電池に供給する方法が開示されておらず、恒常的に発電することができないという課題がある。

そこで本発明は、非侵襲かつ恒常的に十分な電力を体内で発電できる電源装置を提供することを目的とする。

前記目的を果たすため、本発明の電源装置の一態様は、電解質を透過する障壁内に配置され、酸素と燃料の供給を受けて発電を行う発電部と、前記障壁の外部に前記発電部と対向して配置され、前記酸素と前記燃料を導入する導入部と、を具備し、前記発電部は、固体高分子電解質と、前記固体高分子電解質上に形成され、前記酸素を還元する酸素極と、前記固体高分子電解質上で前記酸素極と離間して形成され、燃料を酸化する燃料極と、を有し、前記導入部は、前記酸素極と対向し、前記導入部から前記障壁を透過させて該酸素極に前記酸素を供給する酸素導入極と、前記燃料極と対向し、前記導入部から前記障壁を透過させて該燃料極に前記燃料を供給する燃料導入極と、前記酸素導入極及び前記燃料導入極に電圧を印加する電圧印加部と、を有する、ことを特徴とする。

本発明に依れば、体内に埋め込んだ燃料電池に非侵襲かつ恒常的に燃料及び酸素を供給することができるので、非侵襲かつ恒常的に十分な電力を体内で発電できる電源装置を提供できる。

図１は、本発明の一実施形態に係る電源装置の構成例を示す図。 図２は、本発明の一実施形態に係る電源装置の発電動作を説明する為の図。 図３は、本発明の一実施形態に係る電源装置の第１の変形例の構成例を示す図。 図４は、本発明の一実施形態に係る電源装置の第２の変形例の構成例を示す図。 図５は、本発明の一実施形態に係る電源装置の第３の変形例に係る人工血球及びグルコースの包摂又は内包を説明する為の図。 図６は、本発明の一実施形態に係る電源装置の第３の変形例に係る人工血球及びグルコースを内包するリポソームの移動を説明する為の図。 図７は、本発明の一実施形態に係る電源装置を、埋め込み型バイタルセンサの電源として用いた場合のシステムの構成例を示す図。 図８は、本発明の一実施形態に係る電源装置を、体内埋め込み型投薬装置の電源として用いた場合のシステムの構成例を示す図。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る電源装置の概念的な構成を示す。本電源装置は、例えば体内に装着され、発電を行う発電部１０と、皮膚９０を挟んだ外部に発電部１０と対向して配置され、燃料などを導入する導入部２０とを有する。

発電部１０は所謂バイオ燃料電池であり、例えばナフィオン（登録商標）で構成される固体高分子電解質１１上の一部に、酸素極１２が形成されており、その他の部分の一部に燃料極１３が形成されている構成である。酸素極１２は、例えば表面積が大きい炭素材から成る炭素電極に貴金属のナノ粒子を担持しているものである。燃料極１３も同様に、例えば炭素電極に貴金属のナノ粒子を担持しているものである。貴金属としては、例えば白金や金を用いることができる。ここで、固体高分子電解質１１はこれに限定するものでなく、ほかの電解質に置き換えても作用するが、体温付近での発電効率は、固体高分子電解質が優れているため、固体高分子電解質が望ましい。

導入部２０は、酸素極１２及び燃料極１３と皮膚９０を挟んでそれぞれ対向して配置される、酸素導入極２１及び燃料導入極２３を有している。酸素導入極２１及び燃料導入極２３は一対の電極であり、電源２５により電圧が印加されている。酸素導入極２１及び燃料導入極２３は一対の電極であるので、電源２５により電圧が印加されると、異なる電位となる。そして、電源２５により電圧が印加されると、酸素導入極２１及び燃料導入極２３と皮膚９０とには電流が流れる。

酸素導入極２１と皮膚９０との間には、生理食塩水に人工血球を溶解した溶液を浸潤させた、多孔質の酸素極パッド２２が配設される。人工血球としては、例えば、パーフルオロケミカルや人工赤血球等を用いることができる。また、人工血球に代わり過酸化水素を用いても良い。また、燃料導入極２３と皮膚９０との間には、生理食塩水にグルコースを溶解した溶液を浸潤させた、多孔質の燃料極パッド２４が配設される。

この様に、例えば発電部１０は、酸素と燃料の供給を受けて発電を行う発電部として機能し、例えば導入部２０は、障壁の外部に前記発電部と対向して配置され、前記酸素と前記燃料を導入する導入部として機能する。そして、例えば固体高分子電解質１１は、発電部が有する固体高分子電解質として機能し、例えば酸素極１２は、固体高分子電解質上に形成され、酸素を還元する酸素極として機能し、例えば燃料極１３は、固体高分子電解質上で前記酸素極と離間して形成され、燃料を酸化する燃料極として機能する。更に、例えば酸素導入極２１は、酸素極と対向し、導入部から障壁を透過させて該酸素極に酸素を供給する酸素導入極として機能し、例えば燃料導入極２３は、燃料極と対向し、導入部から障壁を透過させて該燃料極に燃料を供給する燃料導入極として機能し、例えば電源２５は、酸素導入極及び燃料導入極に電圧を印加する電圧印加部として機能する。

次に、本電源装置の動作について、図２を参照して説明する。
酸素導入極２１及び燃料導入極２３に電圧を印加すると、酸素導入極２１及び燃料導入極２３付近に形成される電位勾配に応じて、酸素極パッド２２及び燃料極パッド２４に含まれている生理食塩水中のナトリウムイオン及び塩化物イオンが皮膚９０を介して発電部１０の方向へ泳動される。これに応じて、酸素導入極２１及び燃料導入極２３付近に発電部１０方向への液体の対流が生じる。この対流に乗って酸素極パッド２２に含まれている人工血球は、発電部１０の酸素極１２に搬送される。同様に、燃料極パッド２４に含まれているグルコースも対流に乗って燃料極１３に搬送される。

この様に、酸素導入極２１及び燃料導入極２３に電圧を印加することによって、ナトリウムイオン及び塩化物イオンを泳動すること及び、これらイオンの移動と共にその他の分子を泳動することをイオントフォレーシスと称する。

発電部１０の燃料極１３においては、炭素電極に担持された貴金属ナノ粒子の触媒効果によってグルコース（Ｃ_６Ｈ_１２Ｏ_６）が酸化され、グラコノラクトン（Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_６）が生成される。即ち、
Ｃ_６Ｈ_１２Ｏ_６→Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_６＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
という反応が起こり、グルコースから電子ｅ⁻とプロトンＨ^＋が取り出される。

一方、酸素極１２においては、炭素電極に担持された貴金属ナノ粒子の触媒効果によって、搬送されてきた人工血球に含まれる酸素が還元される。即ち、
１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
という反応が起こり、水が生成される。

従って、酸素極１２及び燃料極１３に、電源を必要とする体内に埋め込まれた機器９２を接続すると、電子ｅ⁻は、接続した機器９２に流れ、一方プロトンＨ^＋は、固体高分子電解質１１内を移動する。
この様に、本電源装置は、機器９２に対して、その駆動のための電力を供給する。

イオントフォレーシスにおいては、例えば電流量を、酸素導入極２１及び燃料導入極２３の面積に応じて０．２５〜０．５０ｍＡ／ｃｍ^２等、パルス周波数５０ｋＨｚ等とする。導入時間は例えば１−３０分程度等とする。これらの値は一例であり、使用に際しては、適宜調整する。

酸素極１２及び燃料極１３は炭素電極であり、多孔質で表面積を大きくしてある炭素材を用いているので、イオントフォレーシスで導入された酸素は酸素極１２に、グルコースは燃料極１３に、それぞれ保持される。従って、イオントフォレーシスによる酸素及びグルコースの導入後、しばらくの間発電が続くことになる。

以上の通り本実施形態に依れば、体外から燃料となるグルコース及び酸素を、イオントフォレーシスにより、非侵襲且つ安全に経皮導入して、体内の発電部１０で発電をすることができる。本実施形態の発電部１０は、従来電池のように電池寿命が限定されず、長期に亘り恒常的に発電することができるので、埋め込み型の機器９２に電力を供給する電源装置として好適である。

［第１の変形例］
次に、本発明の第１の変形例について説明する。ここで本変形例の説明では、上述の実施形態との相違点に限定して説明し、同一の部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。
上述の実施形態では、図２に示した様に、酸素極１２及び燃料極１３に機器９２を直接接続している。従って、導入部２０を駆動させて、イオントフォレーシスを行っている間、並びにその後酸素極１２及び燃料極１３に酸素及びグルコースが保持されている間のみ発電し、機器９２に電力を供給することができる。

これに対して本変形例は、図３に示す様に、酸素極１２及び燃料極１３に、例えばリチウムイオン電池等又はキャパシタ等電気容量から成る二次電池３０を接続し、これに機器９２を接続する。本変形例では、発電部１０で発電した電力は、二次電池３０に蓄電される。そして、機器９２は、この二次電池３０から電力が供給される。

本変形例に依れば、二次電池３０による蓄電のため、機器９２に安定的に電力を供給できる。
また、酸素極１２及び燃料極１３に保持される酸素及びグルコースの量を少なくする様に、酸素極１２及び燃料極１３を構成する炭素電極の露呈する表面積を小さくすれば、導入部２０によって、酸素及びグルコースを供給している間のみ発電を行うように構成することができる。

この場合、発電部１０による発電の期間を、導入部２０による酸素及びグルコースの供給期間により制御することができる。この場合でも、二次電池３０に蓄電されるので、機器９２には、安定して電力を供給することができる。

［第２の変形例］
次に、本発明の第２の変形例について説明する。ここで本変形例の説明では、上述の実施形態との相違点に限定して説明し、同一の構成部位については同一の符号を付して、その説明は省略する。
上述の実施形態においては、酸素導入極２１及び燃料導入極２３は、一対の電極として構成されている。これに対して本変形例では、図４に示す様に、酸素導入極２１及び燃料導入極２３に加えて、基準電極２６をさらに設けて構成されている。本変形例においては、基準電極２６に対する電圧を酸素導入極２１及び燃料導入極２３にそれぞれ印加するように構成する。その他の構成は、上述の実施形態と同様である。

本変形例に依れば、酸素導入極２１及び燃料導入極２３を共に、皮膚９０に対して正の同電位としたり、負の同電位としたりすることができる。

尚、基準電極２６は、必ずしも酸素導入極２１及び燃料導入極２３の近くにある必要はなく、例えば、酸素導入極２１及び燃料導入極２３を胸に、基準電極２６を手のひらに等、離れた位置に設置しても良い。

［第３の変形例］
次に、本発明の第３の変形例について説明する。ここで本変形例の説明では、上述の実施形態との相違点に限定して説明し、同一の構成部位については同一の符号を付して、その説明は省略する。
上述の実施形態においては、酸素極パッド２２には生理食塩水に過酸化水素又は人工血球を溶解した溶液を、燃料極パッド２４には生理食塩水にグルコースを溶解した溶液を、それぞれ浸潤させている。そして、イオントフォレーシスの実施にあたっては、生理食塩水中のナトリウムイオン及び塩化物イオンの泳動によって生じる液体の対流に乗せて人工血球及びグルコースを搬送している。これに対して本変形例では、搬送効率を向上させるため、搬送する人工血球及びグルコースに電荷をもたせる。

例えば、図５（ａ）の様に、電荷を有する低分子５３で、人工血球５１又はグルコース５２を包摂すれば良い。また、例えば、図５（ｂ）の様に、イオン性界面活性剤５４により形成されるミセル５６に、過酸化水素、人工血球５１又はグルコース５２を内包させれば良い。また、例えば、図５（ｃ）の様に、電荷を有する脂質５５により形成されるリポソーム５７に、過酸化水素、人工血球５１又はグルコース５２を内包させれば良い。リポソームを形成する脂質としては、例えば、１，２−Ｄｉｐａｌｍｉｔｏｙｌ−ｓｎ−Ｇｌｙｃｅｒｏ−３−Ｓｕｃｃｉｎａｔｅ、Ｎ−Ｐａｌｍｉｔｏｙｌ Ｈｏｍｏｃｙｓｔｅｉｎｅ、１，２−Ｄｉｏｌｅｏｙｌ−ｓｎ−Ｇｌｙｃｅｒｏ−３−Ｐｈｏｓｐｈｏｅｔｈａｎｏｌａｍｉｎｅその他の脂質や、その誘導体を用いることができる。

次に本変形例の動作について説明する。例えば脂質５５により形成されるリポソーム５７が人工血球５１又はグルコース５２を内包する場合を例に挙げて図６を参照して説明する。
例えば、人工血球５１を内包するリポソーム５７ｃを構成する脂質５５に、陽イオン性脂質５５ｃを用いて、グルコース５２を内包するリポソーム５７ａを構成する脂質５５に、陰イオン性脂質５５ａを用いる。すると、人工血球５１及びそれを内包するリポソーム５７ｃは全体として正に帯電する。同様に、グルコース５２及びそれを内包するリポソーム５７ａは全体として負に帯電する。これらリポソームの作製は、一般に知られている作製方法による。

人工血球５１を内包するリポソーム５７ｃは、酸素極パッド２２に浸潤している。グルコース５２を内包するリポソーム５７ａは、燃料極パッド２４に浸潤している。そして、電源２５によって、酸素導入極２１には正の電圧を、燃料導入極２３には負の電圧を印加する。すると、正に帯電した人工血球５１を内包するリポソーム５７ｃ及び負に帯電したグルコース５２を内包するリポソーム５７ａは、それぞれ電位勾配に従って、酸素導入極２１及び燃料導入極２３から離れる方向、即ち、それぞれ皮膚９０を透過して酸素極１２及び燃料極１３の方へ移動する。酸素極１２及び燃料極１３に到達した人工血球５１及びグルコース５２は、上述の通り、発電部１０の発電に用いられる。

尚、帯電させる電荷の正負は逆でもよく、人工血球５１を負に帯電させ、グルコース５２を正に帯電させても良い。その場合は、酸素導入極２１に負の電圧を、燃料導入極２３に正の電圧を印加すれば良い。
また、図５（ａ）に示す様な電荷を有する低分子５３で人工血球５１又はグルコース５２を包摂する場合も、図５（ｂ）に示す様なイオン性界面活性剤５４により形成されるミセル５６に人工血球５１又はグルコース５２を内包させる場合も、同様に機能する。

また、人工血球５１及びグルコース５２に帯電させる電荷の正負は、上述の場合の様に互いに正負が逆であることが望ましいが、共に正に帯電させても、共に負に帯電させても良い。この場合、第２の変形例の様に、基準電極２６に対して酸素導入極２１及び燃料導入極２３を共に正の電圧を印加したり、共に負の電圧を印加したりすれば良い。

以上の通り本変形例に依れば、人工血球５１及びグルコース５２に電荷をもたせ、酸素導入極２１及び燃料導入極２３によって生じさせる電場によって、人工血球５１及びグルコース５２に直接に力を掛けることができるので、液体の対流に乗せて搬送する場合に比較して、効率良く人工血球５１及びグルコース５２を搬送することができる。

尚、低分子５３、イオン性界面活性剤５４、及び脂質５５には、人体に無害なものを用いるが、必要であれば、発電後、酸素導入極２１及び燃料導入極２３に印加する電圧の正負を逆にして、体内から体外に物質を輸送する、所謂逆イオントフォレーシスによって、人工血球５１及びグルコース５２を搬送した後の、低分子５３、イオン性界面活性剤５４、及び脂質５５を回収しても良い。

［応用例］
次に、本実施形態及びその変形例に係る電源装置の応用例について説明する。
図２に示す体内埋め込み型の機器９２を、例えば心臓ペースメーカとして、本電源装置は、その心臓ペースメーカに電力を供給する電力源として用いることができる。広く一般に使用されている心臓ペースメーカは、その電力の供給源として、内蔵電池が装填されているため、定期的な電池交換が必要になる。一般的な心臓ペースメーカでは、５年に１回程度、電池交換に伴う再手術が必要になる。これに対して、本実施形態及びその変形例に係る電源装置を用いれば、イオントフォレーシスにより体外から体内の発電部に燃料及び酸素を送るので、定期的な手術は不要になる。

心臓ペースメーカに限らず、例えば、埋め込み型バイタルセンサに電力を供給する電源としても、本電源装置を用いることができる。埋め込み型バイタルセンサは、日々の健康状態の管理に役立ち、病気の早期発見につながる医療器具である。例えば、深部体温、血糖値、脈拍、血圧等のバイタルデータをセンシングして、メモリにストレッジし、定期的に外部端末にデータを移送する。

図７に示すように、埋め込み型バイタルセンサ６１は、例えば、センサ部６２、コンピュータ（ＣＰＵ）６３、メモリ部６４、通信部６５、アンテナ６６、及び二次電池６７で構成される。センサ部６２により検出されたバイタルデータは、メモリ部６４に随時、記憶される。メモリ部６４に蓄積されたバイタルデータは、定期的に又は手動で、通信部６５及びアンテナ６６を介して無線で、外部端末６８に送信される。外部端末６８に収集されたデータは、さらに外部サーバ６９に送信され、保存される。このデータは日々の健康管理や遠隔地医療への応用が出来る。

また、このシステムは、一人暮らしの老齢者への危険回避システムとして用いることも出来る。たとえば、埋め込んだ加速度センサが一定時間応答が無い場合、何らかの異常が発生し、体を動かすことが出来ないと判断して、外部端末にアラートを送信し、外部に救援を求めるシステムの構築が可能である。深部体温センサを用いれば、急な発熱をセンサが感知することで、外部端末にアラートを送信して、外部に救援を求めるシステムの構築が可能である。

また、本電源装置は、例えば体内埋め込み型投薬装置に電力を供給する電力源として用いることができる。慢性疾患において、定期的に微量の薬剤投与が必要な場合に例えば、ケミカルセンサ７２、薬剤タンク７３、投薬機構７４及び制御部７５で構成され、二次電池６７を含む体内埋め込み型投薬装置７１を生体内に埋め込む。例えば、糖尿病の場合、血中グルコース濃度をケミカルセンサ７２でモニタし、薬剤タンク７３に溜めているインシュリンを、血中グルコース濃度に応じて必要量だけ投薬機構７４によって投与する様設定する。この構成において、薬剤タンク７３が外部からの薬剤供給ポートを有し、注射等でインシュリンの補充が可能である様に構成すれば、インシュリンの投薬量を削減できるだけでなく、インシュリンの注射回数も減らすことが出来る。

尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても、発明が解決しようとする課題の欄で述べられた課題が解決でき、かつ、発明の効果が得られる場合には、この構成要素が削除された構成も発明として抽出され得る。さらに、異なる変形例にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０…発電部、１１…固体高分子電解質、１２…酸素極、１３…燃料極、２０…導入部、２１…酸素導入極、２２…酸素極パッド、２３…燃料導入極、２４…燃料極パッド、２５…電源、２６…基準電極、３０…二次電池、５１…人工血球、５２…グルコース、５３…低分子、５４…イオン性界面活性剤、５５…脂質、５６…ミセル、５７…リポソーム、６１…込み型バイタルセンサ、６２…センサ部、６３…コンピュータ、６４…メモリ部、６５…通信部、６６…アンテナ、６７…二次電池、６８…外部端末、６９…外部サーバ、７１…込み型投薬装置、７２…ケミカルセンサ、７３…薬剤タンク、７４…投薬機構、７５…制御部、９０…皮膚、９２…機器。

Claims (9)

1. 電解質を透過する障壁内に配置され、酸素と燃料の供給を受けて発電を行う発電部と、
   前記障壁の外部に前記発電部と対向して配置され、前記酸素と前記燃料を導入する導入部と、を具備し、
   前記発電部は、
   固体高分子電解質と、
   前記固体高分子電解質上に形成され、前記酸素を還元する酸素極と、
   前記固体高分子電解質上で前記酸素極と離間して形成され、燃料を酸化する燃料極と、を有し、
   前記導入部は、
   前記酸素極と対向し、前記導入部から前記障壁を透過させて該酸素極に前記酸素を供給する酸素導入極と、
   前記燃料極と対向し、前記導入部から前記障壁を透過させて該燃料極に前記燃料を供給する燃料導入極と、
   前記酸素導入極及び前記燃料導入極に電圧を印加する電圧印加部と、を有する、
   ことを特徴とする電源装置。
2. 前記燃料は、糖類であることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記糖類は、荷電分子で包接されている、電荷を有するミセルに内包されている、又は電荷を有するリポソームに内包されている、何れかの形態であることを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
4. 前記酸素導入極は、過酸化水素、パーフルオロケミカル、又は人工赤血球の何れかを、前記酸素極に供給することを特徴とする請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の電源装置。
5. 前記過酸化水素は、電荷を有するミセルに内包されている、又は電荷を有するリポソームに内包されている、何れかの形態であることを特徴とする請求項４に記載の電源装置。
6. 前記パーフルオロケミカル又は前記人工赤血球は、荷電分子で包接されている、電荷を有するミセルに内包されている、又は電荷を有するリポソームに内包されている、何れかの形態であることを特徴とする請求項４に記載の電源装置。
7. 前記酸素導入極は、パーフルオロケミカル又は人工赤血球を前記酸素極に供給し、
   前記パーフルオロケミカル又は前記人工赤血球は、前記糖類を包摂する荷電分子、又は前記糖類を内包するミセル若しくはリポソームの電荷と反対の電荷を有する、ミセル又はリポソームに内包されている、
   何れかの形態であることを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
8. 前記酸素極及び前記燃料極は、貴金属ナノ粒子を有することを特徴とする請求項１乃至請求項７のうち何れか１項に記載の電源装置。
9. 前記貴金属ナノ粒子は白金又は金であり、
   前記酸素極及び前記燃料極は、炭素電極に前記白金又は金からなる貴金属ナノ粒子を担持させた電極である、
   ことを特徴する請求項８に記載の電源装置。

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