專利名稱：：一種可植入人體結(jié)腸內(nèi)形成微生物燃料電池的電極裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于微生物燃料電池領(lǐng)域，特別涉及一種可植入人體結(jié)腸內(nèi)形成微生物燃料電池的電極裝置，用于解決植入式醫(yī)療設(shè)備持續(xù)而穩(wěn)定的能源供給問題。
背景技術(shù)：
：隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種以治療和診斷為目的的植入式醫(yī)療設(shè)備(ImplantableMedicalDevices,IMDs)已經(jīng)應(yīng)用于人體的各個(gè)部位。植入式醫(yī)療設(shè)備根據(jù)是否需要供電電源分為兩類被動(dòng)式和主動(dòng)式。無需能量供應(yīng)的如人工關(guān)節(jié)、人造血管和整形外科儀器等是典型的被動(dòng)儀器；而主動(dòng)儀器如心臟起搏器、植入耳蝸和藥物泵等各種激勵(lì)系統(tǒng)，需要一定的能量供給才能維持其正常運(yùn)作。目前，主動(dòng)型IMDs廣泛采用的電源是鋰電池，其最長使用壽命為10年，當(dāng)電源的電能耗盡時(shí)，病人需要接受手術(shù)來更換電池，增加了患者的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。核電池雖然壽命可以超過15年，但是它造價(jià)高，可能存在累積的放射性傷害。其他的一些新型供電技術(shù)如電磁轉(zhuǎn)化、壓電轉(zhuǎn)化、熱電轉(zhuǎn)化、超聲波、射頻技術(shù)、激光技術(shù)等尚未得到應(yīng)用。因此需要為主動(dòng)型植入式醫(yī)療設(shè)備尋找更加持久和安全的電源。微生物燃料電池(MicrobialFuelCell，MFC)是近年發(fā)展起來的一項(xiàng)新型能源技術(shù)，是一種以微生物為催化劑將有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，通常由陽極室、陰極室和隔膜(非必需)構(gòu)成。在陽極室中，有機(jī)物在微生物的作用下分解產(chǎn)生質(zhì)子、電子和代謝產(chǎn)物，電子首先傳遞到陽極，然后通過外電路到達(dá)陰極。同時(shí)質(zhì)子透過隔膜傳遞到陰極室中，在陰極與電子、氧化劑反應(yīng)得到還原產(chǎn)物，完成能量轉(zhuǎn)化過程。人體結(jié)腸中的環(huán)境非常適合MFC的應(yīng)用①結(jié)腸微生物種類繁多，已報(bào)道腸道內(nèi)梭狀芽胞桿菌和大腸桿菌可以作為MFC的產(chǎn)電微生物。②結(jié)腸內(nèi)容物中存在大量的有機(jī)物質(zhì)，如淀粉、纖維素、單糖、蛋白質(zhì)等，其中大部分物質(zhì)已用于MFC產(chǎn)電。③大腸腔內(nèi)有微量的氧氣，同時(shí)還存在硝酸鹽、微生物代謝產(chǎn)生的中間產(chǎn)物如延胡索酸等可以作為MFC陰極反應(yīng)的電子受體。若構(gòu)建結(jié)腸內(nèi)MFC作為電源，則為解決IMDs持續(xù)而穩(wěn)定的供電提供了一條新途徑。公開號CN101673836A面向植入式醫(yī)療設(shè)備供電的微生物燃料電池的專利在人體橫結(jié)腸部位構(gòu)建一種陽極貼于橫結(jié)腸內(nèi)壁，陰極置于橫結(jié)腸的中部，利用橫結(jié)腸內(nèi)壁和中間的氧氣濃度梯度及微生物的作用產(chǎn)生電能的MFC。MFC構(gòu)建位置特定，橫結(jié)腸不適合植入電極的患者無法使用。其次，MFC單純利用氧氣作為電子受體，可能會(huì)因?yàn)榻Y(jié)腸氧氣濃度不足而影響電能產(chǎn)生。第三，電極不易植入結(jié)腸內(nèi)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明以微生物燃料電池技術(shù)為基礎(chǔ)，目的在于提出一種可植入人體結(jié)腸內(nèi)形成微生物燃料電池的電極裝置，該裝置能夠?yàn)闃?gòu)建可為植入式醫(yī)療設(shè)備提供持續(xù)穩(wěn)定電能的微生物燃料電池提供電極系統(tǒng)。本發(fā)明提出了一種可植入人體結(jié)腸內(nèi)形成微生物燃料電池的電極裝置，該裝置包括陰極1、陽極2和它們之間的連接支架3。陰極1包括中心使用柔韌性、導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和生物相容性好的導(dǎo)電材料制成的圓筒形電極4，沿圓周均勻布置同材質(zhì)的長方形的電極片5，外圈為同材質(zhì)的圓柱形支架體6，整個(gè)裝置為一整體。陰極中心圓筒形電極4的直徑為110mm，長度為110mm，長方形電極片5的一邊長度及外圈圓柱形支架體6的長度均與中心圓筒形電極4的長度相同。陽極2包括一段使用柔韌性、導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和生物相容性好的導(dǎo)電材料制成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的中段圓柱支架體7，兩端為同材質(zhì)的喇叭形、杯口形或是蘑菇口形的支架頭8，它們?yōu)橐徽w。其中中段圓柱支架體7的直徑為530mm，長度為1080mm。兩端的支架頭8的直徑大于中段圓柱支架體7的直徑，長度510mm。陰極1與陽極2之間的連接支架3采用柔韌性、穩(wěn)定性和生物相容性好的絕緣材料制成，保證陰極ι與陽極2不會(huì)因?yàn)槭褂铆h(huán)境的劇烈蠕動(dòng)而接觸短路。本裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于使用，構(gòu)成的微生物燃料電池可以持續(xù)的為植入式醫(yī)療設(shè)備提供電能。圖1本發(fā)明所述的可植入人體結(jié)腸內(nèi)形成微生物燃料電池的電極裝置結(jié)構(gòu)示意2陰極結(jié)構(gòu)示意3陽極結(jié)構(gòu)示意4電極裝置形成的微生物燃料電池工作原理示意中1是陰極；2是陽極；3是連接支架；4是陰極圓筒形電極片；5是陰極長方形電極片；6是陰極支架體；7是陽極中段網(wǎng)狀支架體；8是陽極支架頭；9是電極頭；10是外電路；11是腔體；12是負(fù)載。具體實(shí)施例方式下面將參照附圖對本實(shí)施的裝置做詳細(xì)的說明。在圖中，為了方便說明，放大或是縮小了各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的厚度，所示的大小也不代表實(shí)際尺寸。參考圖是本實(shí)施理想化的示意圖，不應(yīng)該被認(rèn)為是限制本實(shí)施的范圍。圖1是本實(shí)施的一種可植入人體結(jié)腸內(nèi)形成微生物燃料電池的電極裝置的示意圖。裝置由陰極1、陽極2和它們之間的連接支架3組成。陰極與陽極之間的連接支架3采用柔韌性、穩(wěn)定性和生物相容性好的絕緣材料如醫(yī)用植入性的硅膠制成，保證陰極1與陽極2不會(huì)因?yàn)槭褂铆h(huán)境的劇烈蠕動(dòng)而接觸短路。陰、陽極之間的連接像幾條有一定彈性同時(shí)又有塑形的彈簧繩把兩個(gè)不同的部件連接在一起，使得被連接的部件之間不會(huì)接觸。圖2是陰極1結(jié)構(gòu)示意圖。陰極1包括中心使用柔韌性、導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和生物相容性好的導(dǎo)電材料如鈦鎳記憶合金制成的圓筒形電極4，沿圓周均勻布置兩片同材質(zhì)的長方形的電極片5，外圈為同材質(zhì)的圓柱形支架體6，整個(gè)裝置為一整體。陰極的支架上固定了相同材質(zhì)的電極頭9，電極頭9的構(gòu)造參照心臟起搏器電極導(dǎo)線中電極的固定部位的設(shè)計(jì)。陰極中心圓筒形電極4的直徑為110mm，長度為110mm，長方形電極片5的一邊長度及外圈圓柱形支架體6的長度均與中心圓筒形電極4的長度相同。圖3是陽極2結(jié)構(gòu)示意圖。陽極2包括一段使用柔韌性、導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和生物相容性好的導(dǎo)電材料如鈦鎳記憶合金制成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的陽極中段圓柱支架體7，兩端為同材質(zhì)的喇叭形的支架頭8，它們?yōu)橐徽w。其中中段圓柱支架體7的直徑為530mm，長度為1080mm。兩端的支架頭8的直徑大于中段圓柱支架體7的直徑，長度510mm。陽極一端的支架頭也固定了相同材質(zhì)的電極頭9，電極頭的構(gòu)造可以參照心臟起搏器電極導(dǎo)線中電極的固定部位的設(shè)計(jì)。在陽極面向陰極的支架頭表面涂有絕緣性能的材料如多孔聚四氟乙烯、磺化聚醚砜等，防止萬一連接出現(xiàn)故障，陰、陽極不會(huì)因?yàn)榻佑|而短路。陰極1、陽極2及它們之間的連接支架3使用的材料除了具備上述特征之外還具有一定的記憶特性和超彈性，在特定溫度下對裝置進(jìn)行軟化處理使其形狀可任意改變，在人的體溫范圍內(nèi)則可以恢復(fù)原來的形狀。圖4為電極裝置形成的微生物燃料電池的工作原理示意圖。在腔體中，燃料依次通過陰極1和陽極2，陰極1區(qū)域的氧化還原電位比陽極2區(qū)域稍高。產(chǎn)電微生物氧化有機(jī)物質(zhì)將呼吸鏈的電子傳遞到陽極2，然后經(jīng)過外電路10到達(dá)陰極1，同時(shí)質(zhì)子擴(kuò)散到陰極1，電子受體在陰極1與電子及質(zhì)子結(jié)合發(fā)生還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)電過程。電子受體包括氧氣、硝酸鹽、二氧化碳、延胡索酸。外電路包含負(fù)載12。12可以是一個(gè)元器件也可以是多個(gè)元器件的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，12中包含了植入式醫(yī)療設(shè)備。形成微生物燃料電池可以直接或是根據(jù)設(shè)定的程序?yàn)橹踩胧结t(yī)療設(shè)備供電。該裝置可用于構(gòu)建可為植入式醫(yī)療設(shè)備(如心臟起搏器和心臟除顫器等，功率需求30-100μW)供電的微生物燃料電池提供電極系統(tǒng)。權(quán)利要求1.一種可植入人體結(jié)腸內(nèi)形成微生物燃料電池的電極裝置，其特征在于該裝置包括陰極(1)、陽極⑵和它們之間的連接支架(3)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可植入人體結(jié)腸內(nèi)形成微生物燃料電池的電極裝置，其特征是所述陰極(1)包括中心使用柔韌性、導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和生物相容性好的導(dǎo)電材料制成的圓筒形電極G)，沿圓周均勻布置同材質(zhì)的長方形電極片(5)，外圈為同材質(zhì)的圓柱形支架體(6)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可植入人體結(jié)腸內(nèi)形成微生物燃料電池的電極裝置，其特征在于，陰極中心圓筒形電極⑷直徑為110mm，長度為110mm，長方形電極片(5)的一邊長度、外圈圓柱形支架體(6)的長度均與中心圓筒形電極片(4)的長度相同。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可植入人體結(jié)腸內(nèi)形成微生物燃料電池的電極裝置，其特征在于陽極(包括一段使用柔韌性、導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和生物相容性好的導(dǎo)電材料制成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的中段圓柱支架體(7)，兩端為同材質(zhì)的喇叭形、杯口形或是蘑菇口形的支架頭⑶。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可植入人體結(jié)腸內(nèi)形成微生物燃料電池的電極裝置，其特征是所述陽極O)中段圓柱支架體(7)的直徑為530mm，長度為1080mm。陽極兩端的支架頭(8)的直徑大于中段圓柱支架體7的直徑，長度510mm。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可植入人體結(jié)腸內(nèi)形成微生物燃料電池的電極裝置，其特征在于陰極(1)與陽極(之間的連接支架C3)采用柔韌性、穩(wěn)定性和生物相容性好的絕緣材料制成，保證陰極(1)與陽極(不會(huì)因?yàn)槭褂铆h(huán)境的劇烈蠕動(dòng)而接觸短路。全文摘要本發(fā)明屬于微生物燃料電池領(lǐng)域，具體公開了一種可植入人體結(jié)腸內(nèi)形成微生物燃料電池的電極裝置。該裝置包括陰極1、陽極2和它們之間的連接支架3。該電極裝置形成的微生物燃料電池中，有機(jī)物質(zhì)在陽極產(chǎn)電微生物的作用下氧化，產(chǎn)生電子通過外電路到達(dá)陰極，同時(shí)質(zhì)子擴(kuò)散到陰極，微量氧氣、二氧化碳、硝酸鹽和延胡索酸作為電子受體在陰極與電子及質(zhì)子結(jié)合發(fā)生還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)電過程。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，植入人體內(nèi)形成微生物燃料電池可為植入式醫(yī)療設(shè)備供電，具有較長的使用壽命。文檔編號H01M8/16GK102354760SQ201110279369公開日2012年2月15日申請日期2011年9月20日優(yōu)先權(quán)日2011年9月20日發(fā)明者于超靈,劉紅,謝倍珍申請人:北京航空航天大學(xué)