JP2010529880A - カーボンナノチューブ電源セル - Google Patents

Abstract

機械的変形を電流に変換する装置であって、これらの機械的変形を該装置の一部に対する液圧の結果、発生させる。この装置を、植込み可能なリード線内に組込み、患者の心血管系に挿入する。本装置の目的は、他の植込み可能な装置の様々な用途のためにエネルギーを蓄える電池を充電することである。

【選択図】 図１

Description

本発明は、植込み型医療機器が必要とする電力を発電するようにした、植込みに適した小型発電装置に関する。

ペースメーカーや植込み型除細動器（ＩＣＤ）等の植込み可能な医療装置は増々高度化しており、そうした装置には全て電源が必要である。患者にとっては、装置と共に電池を植込み、感染症や炎症等の原因となり得る外部電源との接続を避けるのが最も都合がよい。しかしながら、電池の寿命は限られており、いずれ交換が必要であり、また配置設計上装置の消費電力が制約されるため、機能性は非侵襲装置で達成されるより遥かに低くなる。

従って、生体適合性のある、植込み可能な医療装置用の高密度且つ高効率の発電セルであって、電池の代わりに或は電池の補助として、生体が発生する又は生体から得られるエネルギーを利用する発電セルに対するニーズが存在する。

本発明では、その第１目的を、複数の金属製カーボンナノチューブ（多層又は単層）を、電解液を含む２つの可撓性リザーバ間を流体連通させた状態で、対向する電極と接触させて設け、これを達成する。

ダンベル形状の装置を形成する２ローブの片方の少なくとも約一部分を、血液と触覚通信状態にし、それにより各脈拍で繰返し収縮させ、その結果収容した流体をカーボンナノチューブ又はチャネルを通して圧送して、電気を生じさせる。

本発明の上記の及び他の目的、効果、特徴及び利点については、添付図と共にそれらの実施例に関する以下の説明から、一層明らかとなろう。

装置１００のナノチューブ部の一部における金属製ナノチューブと電極に対する流れに関する略図である。 先行技術によるカーボンナノチューブ組立体の、バイアス電圧に応じた流動誘起電圧のグラフである。 典型的な装置１００用充電回路である。 装置１００のフローセル４００の一部の部分切断斜視図である。 図４に示した装置１００のフローセル部分の横断立面図である。 図５の対向する流体チャンバ間の幅狭な括れ部分にあるカーボンナノチューブ部分の切断斜視図である。 作動中の装置の可撓部分の変位について、ＦＥＭモデルの結果を、図５に示した断面図に対応する二次元プロットで示した図である。 作動中の装置の可撓部分の速度場について、ＦＥＭモデルの結果を、図５に示した断面図に対応する二次元プロットで示した図である。 本装置の別の実施例の中心部分の断面図である。 図１から図９の装置のいずれかをカテーテル又は植込み可能なリード線の端部に配置する実施例の断面図である。 図１から図９の装置のいずれかを、例えばカテーテル又はリード線の一部内に配置した実施例の断面図である。

図１〜図１１を参照すると、同じ参照番号で様々な図での同じ構成要素を指し、これらの図では新規に改良したカーボンナノチューブ電源セルを説明しており、本明細書では殆どの場合１００で示している。

また、流動液体と接触状態の、多層（ＭＷＮＴ）又は単層（ＳＷＮＴ）の金属製カーボンナノチューブ（ＭＮＴ）として知られる導電性カーボンナノチューブにより、液体と固体基板とが密接に原子接触する広い界面積を提供する独特なマイクロ流体系を提供する。これによりナノチューブ中で自由電荷キャリアを流動液体中の粒子と強力に結合できるが、液体が実際に極性又はイオン性のものである場合、一層強力となる。

導電性ナノチューブが準一次元であるため、この結合の効果は、電荷キャリアのエントレインメントによって更に高められることが予想される。ＭＷＮＴにおける流動誘起電流の効果については、クライ・ピィ（Ｋｒａｉ．Ｐ）氏及びシャピロ（Ｓｈａｐｉｒｏ）氏により、２００１年、フィジカル・レビュー・レターズ、第８６１３１号で発表されている。近年、ＳＷＮＴ束を流れる様々な液体について実験的に研究がなされ、エス・ゴーシュ（Ｓ．Ｇｈｏｓｈ）氏、エィ・ケィ・ソード（Ａ．Ｋ．Ｓｏｏｄ）氏、エス・ラマスワミ（Ｓ．Ｒａｍａｓｗａｍｙ）氏及びエヌ・クマール（Ｎ．Ｋｕｍａｒ）氏が；「フロー-インデュースト・ボルテージ・アンド・カレント・ジェネレーション・イン・カーボン・ナノチューブ」、フィジカル・レビューＢ、第７０巻、第２０５４２３号、２００４年（参照により本明細書に組込む）で教示したように、流れ方向に沿って試料で電圧が発生することが判明した。

しかしながら、全く予想外に、電圧の流れ速度に応じた変化が、非線形となることが分かり、対数形式で速度変化の５倍超と適合する可能性もあった。

図１は、ゴーシュ氏他の教示を利用した装置１００のナノチューブ部分１１に関する略図であり、該装置は電流と電圧を測定する実験装置としても使用できる。アーク放電法で作製したＳＷＮＴ束１０５を、２個の金属電極１１１と１１２との間に配設し、ナノチューブ１０５を支持用絶縁基板１０６によって夫々の位置に保持する。同じ絶縁体１０６をまた、電極１１１及び１１２で被覆したナノチューブ１０５の一部の上層導体として用いて、示している。この構成は、図６で示すように、特に積層部分１１に好適である。電気信号を、図１に矢印１０で示したように、流れ方向（Ｕ_Ｌ）に沿って測定する。

流動誘起電圧及び電流の依存性は、ゴーシュ氏が教示した経験的関係と合致する（上記参照）。

Ｖ_０を基準流速とし、Ｕを流速、Ｉ_０を初期測定電流、Ｕ_０を初期測定電圧とする。Ｉ_０とＵ_０の両方が一定である点に注意されたい。

他の実験では、１Ｍの塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）水溶液を使用し、その結果Ｖ_０＝５ｘ１０^−４ｍ／ｓに対する流動誘起電圧はＵ_０＝３０ｍＶとなり、また
Ｒ_０＝Ｕ_０／Ｉ_０＝７５、
Ωは、Ｌ＝０．５ｃｍ、Ｈ＝２ｃｍ、ｈ＝７０μｍ、であった。

ナノチューブ膜の全体積はＶ_０＝７ｍｍ^３であった。

流動誘起電力は下記式で求められる。

カーボンナノチューブ膜の単位体積当りで発生する電力はＷ＝Ｐ／Ｖ_０である。

例えば、ｕ＝１ｃｍ／秒とすると、Ｐ＝０．１１ｍＷ又はＷ＝１６μＷ／ｍｍ^３となる。従って、例えば、装置の有効体積を１ｃｍ^３とすると、１６ｍＷの電力を発生する可能性がある。電池を充電するのに使用できる最大電力を、その値の半分とする。

ゴーシュ氏らはまた、流れ方向に対する流動誘起電流の方向を、バイアス電圧Ｖ_Ｂの関数とした（本明細書で図２として複製した、ゴーシュ氏の参考文献の図２で示すように）。この電位によりＳＷＮＴに、図２の挿図で示すように、試料付近のフローチャンバに浸漬したＡｕ基準電極として、バイアスをかける。流動誘起電圧の符号及び大きさの、０．０１Ｍの塩化カリウム（ＫＣｌ）水溶液（１．４ｍＳ／ｍの伝導率）に対する、固定流速０．０４ｃｍ／ｓでのＶ_Ｂへの依存度を、図３に示す。流動誘起信号がプラス、即ちＶ_Ｂがプラスのときに、Ｉがｕと逆並列となり、信号の符号が逆、即ちＶ_Ｂがマイナスのときに、Ｉがｕと並列となることが、分かる。

従って、電流Ｉをｕと並列（逆並列）とするためには、ナノチューブの電荷キャリアをホール（電子）とする必要がある。

ナノチューブにプラスのバイアスをかけると、負イオンＣｌ⁻、ＯＨ⁻がＳＷＮＴに近付き、カーボンにホールを局在させて、流動誘起電流のために電子を利用可能にする。同様に、バイアスがマイナスの場合、ホールを放出する。バイアス電圧が増大するに従い、流動誘起電流に加わるキャリア数は、図２に示すように、増加する。

上記の実験では、電圧がＶ_Ｂ＝０．５Ｖに対して５０倍超増大する。ナノチューブ膜をバイアスするのに消費する電力が、膜自体が発生する電力より大幅に少ないとすると、カーボンナノチューブ膜の単位体積から発生する最大電力を、以下のように表すことができる。

Ｇをバイアス効果による利得係数とすると、ｕ＝１ｃｍ／秒でＧ＝５０では、Ｗ_ｍａｘ＝２０ｍＷ／ｍｍ^３の装置を得られる。

図３は、前述した流動誘起電源セル装置１００の電気配線図である。前掲した図２で見られるように、図１で説明した装置１００には、ダイオードブリッジ１１０の対向する側面に接続した対向電極１１１と１１２を有し、該ダイオードブリッジ１１０を次に電池１２０に、ダイオードブリッジ１１０の残りの２側面を介して、接続する。従って、電極１１１と電極１１２との間の電子流（電流）の方向に関係無く、ブリッジ１１０からの電流は必ず電池１２０を充電するよう流れる。

図４では、装置１００のフローセル４００部分の概略モデルを説明しており、該装置は、他の実施例で示したように、侵襲的な植込み可能な電力回収装置として、任意に配置する。フローセル４００により、好適にはイオンを含有する、塩化カリウム水溶液等の流体を定期的に、図１で示したナノチューブ部分及び電極に流す手段を提供する。このモデルでは、液体の流動力学をシミュレートする。構造体を、シリコン、ナイロン等の材料から成る、弾性の密封した（生体適合性の）ポリマー殻から構成する。

フローセル４００を好適には一般的なダンベル形状とし、このダンベル形は、図示したように、各端部を略球状又は略楕円状チャンバ又はローブ４０１及び４０２とし、該対向するチャンバ又はローブを、ＭＮＴを含む幅狭なネック又はチャネル４１５で分離している。図で示すように、この装置１００を、該装置のローブの片方を血液に露出し、他方を露出しない（リード線内に配置した）状態で、リード線に挿入する。装置１００の連結したローブ４０１と４０２の内部４１０を、様々な塩の水溶液等のイオン性液体で充填する。フローセル４００を、本明細書で図示したダンベル以外の形としてもよい。

提示した実施例では、殻壁４１６の厚みを、ローブ間のチャネル４１５からの最遠位先端付近の最も薄い部分で約１．２５ｍｍとする。しかし、当然ながら、壁厚は、該壁を構成する材料のコンプライアンスによって変更できる。

装置１００のフローセル４００の露出部分又はローブに圧力がかかると、その部分又はローブが収縮して、該ローブ中の液体を押圧し、（装置の中心部に位置する-濃い灰色で表した）単層カーボンナノチューブを通り、装置の非露出部分を膨張させる。こうして液体が単層カーボンナノチューブを流れることで、電池を充電するのに必要な電流が発生する（この物理現象に関する説明については本明細書に詳細に記述した）。

図５では、図４に記載した装置の断面図を示しており、装置中央の黒い部分には単層カーボンナノチューブを含み、装置両側の２つの「空」穴には、装置の片方のローブから他方まで流れる液体を収容する。２本の導線を、２つの電極に接続する（カーボンナノチューブに接触させた状態で）；該電極は、装置の片方から他方まで、及びその逆の液体流を妨げない点に、注意されたい。

図６Ａ及び図６Ｂでは、単層カーボンナノチューブの内部組織に関する１実施例について説明している。図６Ａ及び図６Ｂは、ＭＮＴ膜１０５のスタック及び関連する電極１１１及び１１２の直交断面であり、夫々で図１の装置副部１１を形成し、この図では１１、１１'、１１''及び１１'''と符記している。該副部１１、１１'、１１"及び１１'''に共通な電極１１１を、該共通電極１１１用のバス電極１２１を介して並列に接続する。別の共通バスを対向する電極１１２と接続してもよい。こうして積層して配置することで、サブチャネル６０１を提供し、それにより液体をＭＮＴ装置１００の流体リザーバ４００の各ローブ４０１と４０２との間で流すようにできる。ナノチューブを好適には、薄膜構造体（数十ミクロンの厚さ）に組織化し、電極として機能する様々な金属を使用して基板１０６に固定する。電極の上に、別の誘電体層を堆積させる。この構造体で単体膜又は装置部分を構成する。

また、当然ながら、チャネル４１５の一部の断面である図９の断面図に示したように、ＭＮＴの各層と夫々の電極１１１／１１２と支持基板１０６とを同様に連続して交互に並べたチャネルを、ＭＮＴと電極との層を可撓性基板上に配設して螺旋状に巻回して形成した、実質的に同心配置した形状とすることもできる。かかる構成では、単一の幅広な副部１１を螺旋状に巻回する。この断面図のように、断面を電極面１１２にすると、ナノチューブ層１０５は図面に現れない。ナノチューブ層１０５又は電極１１１／１１２が螺旋状に巻くのに十分な程度まで可撓性でなければ、電極とナノチューブを被覆していない剥脱した状態の基板１０６副部に、巻回又は曲折を行う可能性がある。しかしながら、この構成の利点は、すべての電極を既に螺旋状パターンで接続している点である。複数折り重ねて使用する場合では、折り重ねた後に、図６の１２１のように、電極を加えることができる。

図７では、上述したように、下側ローブの外殻（効果的には膜）を加圧して、装置４００の片方のローブから他方に液体を流した、また同様に逆方向に液体を流した場合の、膜（外殻）の変形について説明している。右側のグレースケールで、現在変形している装置４００に変位の大きさをグレースケールでマッピングして表している。実線で示した輪郭は、変形していない又は均等に加圧した状態の装置４００の形状である。上側ローブが変形した結果、下側ローブが変形すると共に、中央の連結チャネル４１５の壁が僅かに変形している。また、当然ながら、上側ローブの体積が減少するに従い、下側ローブの液体体積は増加する。チャネル４１５でのかかる変形によってＭＮＴアレイ構造又は副部１１が損傷しない程度まで、中央の連結チャネルの壁を、図示したローブ４０１及び４０２より厚くする、或はより硬質な材料で補強することができる。

図８では、一連の短い矢印で流速場の流れ方向を示し、装置内での流速の分布について説明している。右側のグレースケールバーは速度の大きさｏを表し；最高速度は、チャネル４１５の中間（ナノチューブ１０５が位置する箇所）で測定され、有限要素法を使用して、１．４ｃｍ／ｓが算出された。

図１０では、発電セルとして或は人間又は他の生物に植込む装置として装置１００を使用した構造及び方法に関する第１実施例について、説明している。周期的な脈圧により、少なくとも片方のローブを周期的に収縮及び膨張させて、チャネル４１５を通して流体を移動させ、その結果電流を発生させ、電池１２０を充電する。植込みは、一時的又は永久的なものとできる。好適には、少なくとも片方のローブ、この実施例では上側ローブ４０１を、周囲容器１０２０によって外圧から隔離する。対照的に、下側ローブ４０２は、血流の周期的な圧力を受けるようにし、該下側ローブを、容器１０２０を支持するカテーテル端部又は心臓用電極リード線１０００端部のいずれかとする。装置１００には、電極リード線１０１１及び１０１２を有し、該リード線をチャネル４１５にあるＭＮＴアレイ１０５の両側の電極１１１と１１２に接続する。

図１１では、植込み電源セルとして装置１００を使用する構造及び方法に関する他の実施例について説明している。カテーテル又はリード線上側部分１０００ａには容器１０２０を含み、該容器の下側を、カテーテル又はリード線下側部分１０００ｂに連結するローブ４０２のために、開口又は露出部分１０２５としている。しかしながら、上側部分１０００ａと下側部分１０００ｂとを、空洞又は露出部分を囲んで連結する。当然ながら、かかる露出部分を、ローブ４０２を囲む流体を収容する柔軟な膜としてもよい、或はローブ４０２の壁でカテーテル／リード線の柔軟部分の一部を形成することもできる。

カテーテル又はリード線における装置１００の使用に関する記述は例示であり、当然ながら、血流を周期的に加圧して他の組織又は流体を通してその場所に圧送する場合には、装置１００を血液と直接接触させる必要はない。

本発明について好適実施例に関して記述したが、該記述により本発明の範囲を、記載した特定の形に限定するものではなく、該記述により付記したクレームにより規定した本発明の精神及び範囲を逸脱しない変形例、変更例及び同等物を含むものとする。

１１ ナノチューブ部分
１００ 装置
１０５ ナノチューブ
１０６ 基板
１１０ ダイオードブリッジ
１１１、１１２ 電極
１２０ 電池
１２１ バス電極
４００ フローセル
４０１、４０２ ローブ
４１５ チャネル
４１６ 殻壁
６０１ サブチャネル
１０００ カテーテル又は心臓用電極リード線
１０１１、１０１２ 電極リード線
１０２０ 容器
１０２５ 開口又は露出部分

Claims (20)

1. ａ）第１可撓性流体閉込用ローブ、
   ｂ）第２可撓性流体閉込用ローブ、
   ｃ）各前記第１及び第２可撓性流体閉込用ローブより実質的に流体容量が少なく、該両方ローブ間で流体連通チャネルを形成する幅狭なチャネル、
   を備える発電装置であって、
   ｄ）前記幅狭なチャネルには、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）及び多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）から成る群から選択する少なくとも１つの金属製カーボンナノチューブ（ＭＮＴ）層を更に備え、該ＭＮＴ層の対向する端部を、前記第１可撓性流体閉込用ローブと前記幅狭なチャネルとの間の接合部に向けて、及び前記第２可撓性流体閉込用ローブと前記幅狭なチャネルとの間接合部に向けて配設し、該ＭＮＴ層を孤立電極と電気的に通信状態とすること、
   を特徴とする発電装置。
2. 前記可撓性流体閉込用ローブを、溶解したイオン性化合物で充填すること、を特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 少なくとも片方のローブの一部分を周期的な圧力変動に曝す一方、他方のローブを該片方のローブから実質的に分離し、それにより（電解質）流体を周期的にＭＮＴアレイを通して圧送して、前記孤立電極間で電流を発生させるように、又は充電するようにすること、を特徴とする請求項１に記載の発電装置。
4. 前記幅狭なチャネルにおいてＭＮＴを支持する複数の基板を更に備え、前記基板に配設する多数のＭＮＴスタックにおいて、複数の介在チャネルを前記イオン性流体をその間に流すために残存させること、を特徴とする請求項１に記載の発電装置。
5. ＭＮＴを支持する少なくとも１つの基板を更に備える発電装置であって、前記幅狭なチャネル内のＭＮＴを、前記基板に配設した螺旋状に巻いたＭＮＴアレイとし、該アレイには、前記螺旋状に巻いた層間に前記イオン性流体を流すための介在チャネルを有すること、を特徴とする請求項１に記載の発電装置。
6. 前記第１可撓性流体閉込用ローブ、前記第２可撓性流体閉込用ローブ及びその間の流体連通状態にある各ローブより実質的に流体容量が少ない前記幅狭なチャネルを、ダンベル形状とすること、を特徴とする請求項１に記載の発電装置。
7. 前記第１可撓性流体閉込用ローブ、前記第２可撓性流体閉込用ローブを、柔軟な高分子膜とすること、を特徴とする請求項１に記載の発電装置。
8. 実質的に流体容量の少ない幅狭なチャネルが、前記第１可撓性流体閉込用ローブ及び前記第２可撓性流体閉込用ローブの柔軟な高分子膜より硬質な壁を有すること、を特徴とする請求項７に記載の発電装置。
9. 実質的に流体容量の少ない幅狭なチャネルが、前記第１可撓性流体閉込用ローブ及び前記第２可撓性流体閉込用ローブの柔軟な高分子膜より厚い壁を有すること、を特徴とする請求項７に記載の発電装置。
10. ａ）第１可撓性流体閉込用ローブ、
    ｂ）第２可撓性流体閉込用ローブ、
    ｃ）前記ローブ間で流体連通状態とする、各ローブより実質的に流体容量が少ない幅狭なチャネル、
    ｄ）前記第１及び第２可撓性流体閉込用ローブの一方をその中に配置する容器であって、該容器中に封入する前記ローブを周囲環境からの圧力から隔絶する容器、
    ｅ）前記可撓性ローブ、前記幅狭なチャネル及び前記容器の少なくとも１つを支持するカテーテル又はリード線であって、前記容器に配設しない他方のローブを、少なくとも間接的に、前記カテーテルの外部環境に露出する、カテーテル又はリード線、
    を備える植込み可能な発電装置であって、
    ｆ）前記可撓性流体閉込用ローブを、溶解したイオン性化合物で充填すること、
    ｇ）前記幅狭なチャネルには、少なくとも１層のＭＮＴを更に備え、該チャネルの対向する端部を、前記第１可撓性流体閉込用ローブと前記幅狭なチャネルとの間の接合部に向けて、及び前記第２可撓性流体閉込用ローブと前記幅狭なチャネルとの間の接合部に向けて、配設し、前記ＭＮＴを孤立電極と電気的に通信状態にすること、
    ｈ）前記容器内に配設しない前記ローブの周期的な圧力変動により、少なくとも１層のＭＮＴを通過するイオン性溶液を周期的に圧送して、前記孤立電極間で電流を発生させる、又は充電すること、
    を特徴とする植込み可能な発電装置。
11. 前記容器内に配設しない他方のローブを、直接前記カテーテルの外部環境に露出すること、を特徴とする請求項１０に記載の植込み可能な発電装置。
12. 前記容器内に配設しない他方のローブを、カテーテル又はリード線の端部に配置すること、を特徴とする請求項１０に記載の植込み可能な発電装置。
13. 前記容器内に配設しない他方のローブを、前記カテーテル又はリード線の端部間に配設すること、を特徴とする請求項１０に記載の植込み可能な発電装置。
14. ＭＮＴを支持する少なくとも１つの基板を更に備える植込み可能な発電装置であって、前記幅狭なチャネル内のＭＮＴを、前記基板に配設した螺旋状に巻いたＭＮＴアレイとし、該アレイには、前記螺旋状に巻いた層間に前記イオン性流体を流すための介在チャネルを有すること、を特徴とする請求項１０に記載の植込み可能な発電装置。
15. 前記幅狭なチャネルにおいてＭＮＴを支持する複数の基板を更に備え、前記基板に配設する多数のＭＮＴスタックにおいて、複数の介在チャネルを前記イオン性流体をその間に流すために残存させること、を特徴とする請求項１０に記載の植込み可能な発電装置。
16. 前記植込み可能な発電装置には：
    ａ）電池、
    ｂ）ダイオードブリッジ、
    を更に備え、
    ｃ）前記孤立電極の、前記ＭＮＴフローセルの対向する第１及び第２端子を、前記ダイオードブリッジの対向する端子と信号通信状態にし、前記ダイオードブリッジの残り２つの端子を、前記電池に接続して、それにより前記ＭＮＴフローセルに流体を流し、その結果前記電池を充電すること、
    を特徴とする請求項１０に記載の植込み可能な発電装置。
17. ａ）電池、
    ｂ）ダイオードブリッジ、
    ｃ）対向する第１及び第２端子を有するＭＮＴフローセル、
    を備える充電回路であって、
    ｄ）前記ＭＮＴフローセルの対向する第１及び第２端子を、前記ダイオードブリッジの対向する端子と信号通信状態にし、前記ダイオードブリッジの残りの２端子を、前記電池に接続し、それにより前記ＭＮＴフローセルに流体を流し、その結果前記電池を充電すること、
    を特徴とする充電回路。
18. 前記対向する第１及び第２端子の少なくとも１つに、外部からバイアスをかけること、を特徴とする請求項１７に記載の充電回路。
19. 前記ＭＮＴフローセルには：
    ａ）第１可撓性流体閉込用ローブ、
    ｂ）第２可撓性流体閉込用ローブ、
    ｃ）各前記第１及び第２可撓性流体閉込用ローブより実質的に流体容量が少なく、該両方ローブ間で流体連通チャネルを形成する幅狭なチャネル、
    を備え、
    ｄ）前記第１可撓性流体閉込用ローブ、前記第２可撓性流体閉込用ローブ及びその間の流体連通状態にある各ローブより実質的に流体容量が少ない前記幅狭なチャネルを、ダンベル形状とすること、
    を特徴とする請求項１７に記載の充電回路。
20. 前記第１可撓性流体閉込用ローブ、前記第２可撓性流体閉込用ローブを、柔軟な高分子膜とすること、を特徴とする請求項１９に記載の充電回路。