專(zhuān)利名稱：面向植入式醫(yī)療設(shè)備供電的微生物燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種面向植入式醫(yī)療設(shè)備供電的微生物燃料電池，該電池可利用人體腸道內(nèi)的微生物和內(nèi) 容物產(chǎn)電，用于滿足植入式醫(yī)療設(shè)備的用電需求。該發(fā)明屬生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域，用于解決植入式醫(yī)療 設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定的能源供給問(wèn)題。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代醫(yī)學(xué)開(kāi)發(fā)了許多可運(yùn)行于人體內(nèi)輔助或替換某些器官功能的植入式醫(yī)療設(shè)備(I mp 1 an t ab 1 e Medical Devices, IMDs)。目前植入式醫(yī)療設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用于人體中的各個(gè)部位。根據(jù)對(duì)能量的需求，可以 將植入式醫(yī)療設(shè)備分為兩類(lèi)主動(dòng)型和被動(dòng)型，其中主動(dòng)型設(shè)備如心臟起搏器、植入耳蝸和藥物泵等需要 一定的電能來(lái)維持其正常運(yùn)作，功率量級(jí)一般在uW^W之間。目前植入式醫(yī)療設(shè)備的能量供應(yīng)主要來(lái)自 于其內(nèi)部的電池，當(dāng)電池的電能耗盡時(shí)需要進(jìn)行手術(shù)更換整個(gè)設(shè)備，給病人帶來(lái)了很大的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì) 負(fù)擔(dān)。解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵在于植入式醫(yī)療設(shè)備能量的穩(wěn)定持續(xù)供應(yīng)。目前使用的主要是傳統(tǒng)化學(xué)電池，其 中應(yīng)用最多的是鋰碘電池，不考慮電池泄露和其他故障其壽命最長(zhǎng)為10年。但該電池的實(shí)際生存率僅為 32. 7%，因此60%以上使用鋰碘電池的心臟起搏器在5-8年時(shí)就會(huì)由于不同的原因需要更換電池。核電池雖 然壽命可以超過(guò)15年，但有可能在人體內(nèi)造成累積放射性損傷，其應(yīng)用還不安全和完善，因此需要為植 入式醫(yī)療設(shè)備尋找更加持久和安全的電源。早期有人提出利用以人體內(nèi)的葡萄糖為燃料，氧氣為氧化劑，以酶為催化劑的酶燃料電池為心臟起搏 器供屯，雖然其反應(yīng)條件溫和，原料供應(yīng)充足，但是由于酶的壽命較短且易受到蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)的交 聯(lián)而失去活性等影響了電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。Weiner等人提出可以利用體熱發(fā)電，但由于人體各部分溫差 不大，尚不能提供足夠的電能。在常溫下微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell, MFC)利用微生物中酶的催化作用，將有機(jī)物中的 化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能，具有很高的能量轉(zhuǎn)化效率。本專(zhuān)利發(fā)明人考慮到人類(lèi)和微生物存在著密切的共生 關(guān)系，利用微生物燃料電池技術(shù)解決IMD電源問(wèn)題。MFC技術(shù)因其可利用人體自身的微生物和有機(jī)物產(chǎn)電， 因此具有持續(xù)產(chǎn)生電能、長(zhǎng)壽命和安全等特點(diǎn)，可以為IMD帶來(lái)重大變革。通過(guò)對(duì)人體各部位正常菌群的分析，植入MFC的最佳人體位置應(yīng)是大腸。在大腸內(nèi)構(gòu)建為IMD供電的 MFC具有以下四點(diǎn)優(yōu)勢(shì)①在大腸內(nèi)沒(méi)有較高的氧分壓干擾，選用生物相容性較好的材料就不會(huì)產(chǎn)生炎癥 反應(yīng)。②可直接利用大腸內(nèi)源微生物完成電子的傳遞過(guò)程?！蚶么竽c這個(gè)半連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)可以滿足微 生物燃料電池的連續(xù)工作條件。 在漿狀的大腸內(nèi)容物中未降解的成分主要是蛋白質(zhì)、脂類(lèi)物質(zhì)、纖維 素以及死亡的細(xì)胞，這些物質(zhì)可以在微生物的作用下分解產(chǎn)生電能，其中纖維素還可以幫助清理電極表面。 大腸分為盲腸、結(jié)腸和直腸，其中結(jié)腸又分為升結(jié)腸、橫結(jié)腸、降結(jié)腸和乙狀結(jié)腸4部分。盲腸由于長(zhǎng)度 較短且pH較低不適于植入電極系統(tǒng)；而直腸是暫時(shí)貯存糞便的場(chǎng)所，環(huán)境條件變化較大，因此選擇結(jié)腸 作為植入部位。綜合分析結(jié)腸各部分的氧分壓、長(zhǎng)度、pH等條件，橫結(jié)腸是較理想的植入部位。橫結(jié)腸的 pH偏中性適合電子傳遞；其長(zhǎng)度和直徑均較大，有比較大的面積和體積來(lái)植入電極；其內(nèi)容物的停留時(shí)間 較長(zhǎng)，環(huán)境狀態(tài)較穩(wěn)定，微生物繁殖旺盛，有利于MFC系統(tǒng)持續(xù)產(chǎn)生電能。另外在大腸壁的粘膜上附著大 量厭氧細(xì)菌，而中間的流動(dòng)內(nèi)容物中含有較多好氧微生物，表明在大腸中存在一定的氧氣濃度梯度，即中 間氧氣濃度較高，接近大腸粘膜處氧氣濃度較低，微生物可以利用這個(gè)氧氣濃度梯度產(chǎn)生電子，并通過(guò)微 生物燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生電能。本發(fā)明的發(fā)明人通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了在上述條件下可以產(chǎn)生滿足植入式醫(yī)療設(shè)備 需求的電能。本發(fā)明利用微生物燃料電池技術(shù)解決植入式醫(yī)療設(shè)備的電能供應(yīng)問(wèn)題，可以在人體內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生電能并 具有較長(zhǎng)的壽命。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種面向植入式醫(yī)療設(shè)備供電的微生物燃料電池，由陽(yáng)極、陰極和橫結(jié)腸組成， 陽(yáng)極、陰極設(shè)置于橫結(jié)腸內(nèi)利用腸道微生物和內(nèi)容物產(chǎn)電，為植入式醫(yī)療設(shè)備供電。本發(fā)明是通過(guò)如下的方案實(shí)現(xiàn)的面向植入式醫(yī)療設(shè)備供電的微生物燃料電池，其陽(yáng)極可采ffl螺旋狀的，柔韌性、導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和生 物相容性好的材料，如活性碳纖維布、活性炭纖維氈等材料，貼于橫結(jié)腸腸道內(nèi)壁；陰極可采用長(zhǎng)條形與 陽(yáng)極相同或不同的具有柔韌性、導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和生物相容性好的材料，置于橫結(jié)腸的中部，從而利用橫 結(jié)腸內(nèi)從中部到腸壁表面的氧氣濃度梯度和微生物的作用產(chǎn)生電能。在陽(yáng)極面向橫結(jié)腸中部的表面上涂上 可使質(zhì)子通過(guò)，但同時(shí)具有絕緣性能的材料如多孔聚四氣乙烯、磺化聚醚砜等，以防lh橫結(jié)腸收縮蠕動(dòng)時(shí) 陽(yáng)極和陰極接觸短路。陽(yáng)極面積小于橫結(jié)腸面積的1/10,陰極休積小于橫結(jié)腸體積的1/100，從而不會(huì)影響腸道的消化吸收 功能和原有的微生態(tài)群落結(jié)構(gòu)。腸道內(nèi)具有產(chǎn)電功能的微生物會(huì)附著在陽(yáng)極表面，而陰極會(huì)附著具有催化電子受體接受電子的微生 物。人體的腸道蠕動(dòng)使腸道內(nèi)容物連續(xù)通過(guò)陽(yáng)極和陰極，陽(yáng)極微生物將腸道內(nèi)容物中有機(jī)物的電子轉(zhuǎn)移給 陽(yáng)極，通過(guò)連接陰極和陽(yáng)極的線路送到陰極，同時(shí)質(zhì)子通過(guò)大腸內(nèi)容物從陽(yáng)極傳遞到陰極，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù) 穩(wěn)定地產(chǎn)電。有益效果本發(fā)明所涉及的面向植入式醫(yī)療設(shè)備供電的微生物燃料電池較好地利用腸道內(nèi)微生物為催化劑，利用 其內(nèi)容物為基質(zhì)產(chǎn)生電能，滿足植入式醫(yī)療設(shè)備的需耍。電池的陽(yáng)極貼于腸道內(nèi)壁，貝.有較好的導(dǎo)電性能 且其面積相對(duì)腸道面積較小，不會(huì)影響腸道的吸收功能和固有的微生態(tài)結(jié)構(gòu)。電池陰極置丁腸道中央，可 以利用腸道內(nèi)天然存在的氧氣濃度梯度和微生物產(chǎn)電。利用腸道的蠕動(dòng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定地產(chǎn)電。應(yīng)用領(lǐng)域本發(fā)明的面向植入式醫(yī)療設(shè)備供電的微生物燃料電池> 可以在人體內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生電能，并具有較長(zhǎng)的壽 命和安全等特點(diǎn)，降低降低病人手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)及經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，可用于解決植入式醫(yī)療設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定的能源供給問(wèn) 題，有望在生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。


圖1微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意2電池結(jié)構(gòu)側(cè)視圖具體實(shí)施方式
如圖l、圖2所示，為本發(fā)明所述的面向植入式醫(yī)療設(shè)備供電的微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖，該電池由 橫結(jié)腸1,設(shè)于橫結(jié)腸1內(nèi)的陽(yáng)極2和陰極3兩個(gè)電極構(gòu)成，其中陽(yáng)極2采用導(dǎo)電性和柔韌性較好的活性 碳纖維布，呈螺旋形貼于橫結(jié)腸1的內(nèi)壁，陰極3采用載鉑防水碳布，置于橫結(jié)腸l的中央，在陽(yáng)極2面 向橫結(jié)腸1中部的表面涂布一層多孔聚四氣乙烯材料的涂層6。人體的腸道蠕動(dòng)使腸道內(nèi)容物連續(xù)通過(guò)陽(yáng) 極2和陰極3,陽(yáng)極2上附著的產(chǎn)電微生物將腸道內(nèi)容物中有機(jī)物的電子轉(zhuǎn)移給陽(yáng)極2，并通過(guò)連接陽(yáng)極2 和陰極3的線路4送到陰極，同時(shí)質(zhì)子通過(guò)大腸內(nèi)容物從陽(yáng)極2傳遞到陰極3，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定地產(chǎn)電。 在陽(yáng)極2和陰極3的連接線路4上接入超級(jí)電容器5，可以直接或通過(guò)指定程序?yàn)橹踩胧结t(yī)療設(shè)備提供電 能。面向植入式醫(yī)療設(shè)備供電的微生物燃料電池可以產(chǎn)生7-10 mW的電能，足夠供給如心臟起搏器(30-100 心臟除顫器(30-100 uW)，藥物泵(100 uW-2 mW)和植入耳蝸(10 niW)等的使用，適用于植入 式醫(yī)疔設(shè)備。權(quán)利要求
1、一種面向植入式醫(yī)療設(shè)備供電的微生物燃料電池，由陽(yáng)極、陰極和人自身的橫結(jié)腸組成，陽(yáng)極、陰極設(shè)置于橫結(jié)腸內(nèi)利用腸道微生物和內(nèi)容物產(chǎn)電，為植入式醫(yī)療設(shè)備供電。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l的面向植入式醫(yī)療設(shè)備供電的微生物燃料電池，其特征是陽(yáng)極貼于橫結(jié)腸腸道內(nèi)壁，陰極置于橫結(jié)腸的中部，從而利用橫結(jié)腸內(nèi)的氧氣濃度梯度和微生物的作用產(chǎn)生電能。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1的面向植入式醫(yī)療設(shè)備供電的微生物燃料電池，其特征是在陽(yáng)極的向橫結(jié)腸中部的表面上涂上可使質(zhì)子通過(guò)，但是具有絕緣性能的材料，以防止橫結(jié)腸收縮蠕動(dòng)時(shí)陽(yáng)極和陰極接觸短路。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1的面向植入式醫(yī)療設(shè)備供電的微生物燃料電池，其特征是陽(yáng)極面積小于橫結(jié)腸內(nèi)表面積的1/10,陰極體積小于橫結(jié)腸體積的1/100，不會(huì)影響腸道的消化吸收功能和原有的微生態(tài)群落結(jié)構(gòu)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1的面向植入式醫(yī)療設(shè)備供電的微生物燃料電池，其特征是利用腸道蠕動(dòng)獲得連續(xù)的基質(zhì)供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定地產(chǎn)電。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種面向植入式醫(yī)療設(shè)備供電的微生物燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)置在人體的橫結(jié)腸中，利用腸道微生物和內(nèi)容物產(chǎn)電，可為植入式醫(yī)療設(shè)備提供能源。電池陽(yáng)極采用柔韌性、導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和生物相容性好的材料制成，呈螺旋形貼于腸道內(nèi)壁，陰極布置于氧氣濃度較高的腸道中部，利用腸道蠕動(dòng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定地產(chǎn)電。該微生物燃料電池可以利用腸道微生物與內(nèi)容物產(chǎn)生足夠的電能滿足植入式醫(yī)療設(shè)備的需要，可以在人體內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生電能并具有較長(zhǎng)的壽命，為解決植入式醫(yī)療設(shè)備的能源問(wèn)題提供了一條新的技術(shù)途徑。
文檔編號(hào)H01M4/86GK101673836SQ200910093468
公開(kāi)日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月29日
發(fā)明者紅 劉, 韓宇峰 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)