CN101673836A - 面向植入式医疗设备供电的微生物燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向植入式医疗设备供电的微生物燃料电池系统，该系统设置在人体的横结肠中，利用肠道微生物和内容物产电，可为植入式医疗设备提供能源。电池阳极采用柔韧性、导电性、稳定性和生物相容性好的材料制成，呈螺旋形贴于肠道内壁，阴极布置于氧气浓度较高的肠道中部，利用肠道蠕动实现连续稳定地产电。该微生物燃料电池可以利用肠道微生物与内容物产生足够的电能满足植入式医疗设备的需要，可以在人体内持续产生电能并具有较长的寿命，为解决植入式医疗设备的能源问题提供了一条新的技术途径。

Description

面向植入式医疗设备供电的微生物燃料电池
技术领域
本发明涉及一种面向植入式医疗设备供电的微生物燃料电池，该电池可利用人体肠道内的微生物和内容物产电，用于满足植入式医疗设备的用电需求。该发明属生物医学工程技术领域，用于解决植入式医疗设备持续稳定的能源供给问题。
背景技术
现代医学开发了许多可运行于人体内辅助或替换某些器官功能的植入式医疗设备(ImplantableMedical Devices，IMDs)。目前植入式医疗设备已经应用于人体中的各个部位。根据对能量的需求，可以将植入式医疗设备分为两类：主动型和被动型，其中主动型设备如心脏起搏器、植入耳蜗和药物泵等需要一定的电能来维持其正常运作，功率量级一般在μW~mW之间。目前植入式医疗设备的能量供应主要来自于其内部的电池，当电池的电能耗尽时需要进行手术更换整个设备，给病人带来了很大的手术风险和经济负担。
解决这一问题的关键在于植入式医疗设备能量的稳定持续供应。目前使用的主要是传统化学电池，其中应用最多的是锂碘电池，不考虑电池泄露和其他故障其寿命最长为10年。但该电池的实际生存率仅为32.7％，因此60％以上使用锂碘电池的心脏起搏器在5-8年时就会由于不同的原因需要更换电池。核电池虽然寿命可以超过15年，但有可能在人体内造成累积放射性损伤，其应用还不安全和完善，因此需要为植入式医疗设备寻找更加持久和安全的电源。
早期有人提出利用以人体内的葡萄糖为燃料，氧气为氧化剂，以酶为催化剂的酶燃料电池为心脏起搏器供电，虽然其反应条件温和，原料供应充足，但是由于酶的寿命较短且易受到蛋白质等大分子物质的交联而失去活性等影响了电池的长期稳定运行。Weiner等人提出可以利用体热发电，但由于人体各部分温差不大，尚不能提供足够的电能。
在常温下微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)利用微生物中酶的催化作用，将有机物中的化学能直接转化成电能，具有很高的能量转化效率。本专利发明人考虑到人类和微生物存在着密切的共生关系，利用微生物燃料电池技术解决IMD电源问题。MFC技术因其可利用人体自身的微生物和有机物产电，因此具有持续产生电能、长寿命和安全等特点，可以为IMD带来重大变革。
通过对人体各部位正常菌群的分析，植入MFC的最佳人体位置应是大肠。在大肠内构建为IMD供电的MFC具有以下四点优势：①在大肠内没有较高的氧分压干扰，选用生物相容性较好的材料就不会产生炎症反应。②可直接利用大肠内源微生物完成电子的传递过程。③利用大肠这个半连续流动系统可以满足微生物燃料电池的连续工作条件。④在浆状的大肠内容物中未降解的成分主要是蛋白质、脂类物质、纤维素以及死亡的细胞，这些物质可以在微生物的作用下分解产生电能，其中纤维素还可以帮助清理电极表面。大肠分为盲肠、结肠和直肠，其中结肠又分为升结肠、横结肠、降结肠和乙状结肠4部分。盲肠由于长度较短且pH较低不适于植入电极系统；而直肠是暂时贮存粪便的场所，环境条件变化较大，因此选择结肠作为植入部位。综合分析结肠各部分的氧分压、长度、pH等条件，横结肠是较理想的植入部位。横结肠的pH偏中性适合电子传递；其长度和直径均较大，有比较大的面积和体积来植入电极；其内容物的停留时间较长，环境状态较稳定，微生物繁殖旺盛，有利于MFC系统持续产生电能。另外在大肠壁的粘膜上附着大量厌氧细菌，而中间的流动内容物中含有较多好氧微生物，表明在大肠中存在一定的氧气浓度梯度，即中间氧气浓度较高，接近大肠粘膜处氧气浓度较低，微生物可以利用这个氧气浓度梯度产生电子，并通过微生物燃料电池系统产生电能。本发明的发明人通过实验证明了在上述条件下可以产生满足植入式医疗设备需求的电能。
本发明利用微生物燃料电池技术解决植入式医疗设备的电能供应问题，可以在人体内持续产生电能并具有较长的寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向植入式医疗设备供电的微生物燃料电池，由阳极、阴极和横结肠组成，阳极、阴极设置于横结肠内利用肠道微生物和内容物产电，为植入式医疗设备供电。
本发明是通过如下的方案实现的：
面向植入式医疗设备供电的微生物燃料电池，其阳极可采用螺旋状的，柔韧性、导电性、稳定性和生物相容性好的材料，如活性碳纤维布、活性炭纤维毡等材料，贴于横结肠肠道内壁；阴极可采用长条形与阳极相同或不同的具有柔韧性、导电性、稳定性和生物相容性好的材料，置于横结肠的中部，从而利用横结肠内从中部到肠壁表面的氧气浓度梯度和微生物的作用产生电能。在阳极面向横结肠中部的表面上涂上可使质子通过，但同时具有绝缘性能的材料如多孔聚四氟乙烯、磺化聚醚砜等，以防止横结肠收缩蠕动时阳极和阴极接触短路。
阳极面积小于横结肠面积的1/10，阴极体积小于横结肠体积的1/100，从而不会影响肠道的消化吸收功能和原有的微生态群落结构。
肠道内具有产电功能的微生物会附着在阳极表面，而阴极会附着具有催化电子受体接受电子的微生物。人体的肠道蠕动使肠道内容物连续通过阳极和阴极，阳极微生物将肠道内容物中有机物的电子转移给阳极，通过连接阴极和阳极的线路送到阴极，同时质子通过大肠内容物从阳极传递到阴极，从而实现连续稳定地产电。
有益效果：
本发明所涉及的面向植入式医疗设备供电的微生物燃料电池较好地利用肠道内微生物为催化剂，利用其内容物为基质产生电能，满足植入式医疗设备的需要。电池的阳极贴于肠道内壁，具有较好的导电性能且其面积相对肠道面积较小，不会影响肠道的吸收功能和固有的微生态结构。电池阴极置于肠道中央，可以利用肠道内天然存在的氧气浓度梯度和微生物产电。利用肠道的蠕动实现连续稳定地产电。
应用领域：
本发明的面向植入式医疗设备供电的微生物燃料电池，可以在人体内持续产生电能，并具有较长的寿命和安全等特点，降低降低病人手术风险及经济负担，可用于解决植入式医疗设备持续稳定的能源供给问题，有望在生物医学工程技术领域得到广泛应用。
附图说明
图1微生物燃料电池结构示意图
图2电池结构侧视图
具体实施方式
如图1、图2所示，为本发明所述的面向植入式医疗设备供电的微生物燃料电池结构示意图，该电池由横结肠1，设于横结肠1内的阳极2和阴极3两个电极构成，其中阳极2采用导电性和柔韧性较好的活性碳纤维布，呈螺旋形贴于横结肠1的内壁，阴极3采用载铂防水碳布，置于横结肠1的中央，在阳极2面向横结肠1中部的表面涂布一层多孔聚四氟乙烯材料的涂层6。人体的肠道蠕动使肠道内容物连续通过阳极2和阴极3，阳极2上附着的产电微生物将肠道内容物中有机物的电子转移给阳极2，并通过连接阳极2和阴极3的线路4送到阴极，同时质子通过大肠内容物从阳极2传递到阴极3，从而实现连续稳定地产电。在阳极2和阴极3的连接线路4上接入超级电容器5，可以直接或通过指定程序为植入式医疗设备提供电能。面向植入式医疗设备供电的微生物燃料电池可以产生7-10mW的电能，足够供给如心脏起搏器(30-100μW)，心脏除颤器(30-100μW)，药物泵(100μW-2mW)和植入耳蜗(10mW)等的使用，适用于植入式医疗设备。

Claims (5)

1、一种面向植入式医疗设备供电的微生物燃料电池，由阳极、阴极和人自身的横结肠组成，阳极、阴极设置于横结肠内利用肠道微生物和内容物产电，为植入式医疗设备供电。
2、根据权利要求1的面向植入式医疗设备供电的微生物燃料电池，其特征是阳极贴于横结肠肠道内壁，阴极置于横结肠的中部，从而利用横结肠内的氧气浓度梯度和微生物的作用产生电能。
3、根据权利要求1的面向植入式医疗设备供电的微生物燃料电池，其特征是在阳极的向横结肠中部的表面上涂上可使质子通过，但是具有绝缘性能的材料，以防止横结肠收缩蠕动时阳极和阴极接触短路。
4、根据权利要求1的面向植入式医疗设备供电的微生物燃料电池，其特征是阳极面积小于横结肠内表面积的1/10，阴极体积小于横结肠体积的1/100，不会影响肠道的消化吸收功能和原有的微生态群落结构。
5、根据权利要求1的面向植入式医疗设备供电的微生物燃料电池，其特征是利用肠道蠕动获得连续的基质供应，实现连续稳定地产电。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105390689A (zh) * 2014-08-21 2016-03-09 庄臣及庄臣视力保护公司 在生物相容性电池中使用的阴极混合物
CN111714132A (zh) * 2020-04-30 2020-09-29 苏州无双医疗设备有限公司 一种应用葡萄糖生物燃料电池的植入式医疗设备

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