CN102354760A - 一种可植入人体结肠内形成微生物燃料电池的电极装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于微生物燃料电池领域，具体公开了一种可植入人体结肠内形成微生物燃料电池的电极装置。该装置包括阴极1、阳极2和它们之间的连接支架3。该电极装置形成的微生物燃料电池中，有机物质在阳极产电微生物的作用下氧化，产生电子通过外电路到达阴极，同时质子扩散到阴极，微量氧气、二氧化碳、硝酸盐和延胡索酸作为电子受体在阴极与电子及质子结合发生还原反应，实现产电过程。本发明结构简单，植入人体内形成微生物燃料电池可为植入式医疗设备供电，具有较长的使用寿命。

Description

一种可植入人体结肠内形成微生物燃料电池的电极装置

技术领域

本发明属于微生物燃料电池领域，特别涉及一种可植入人体结肠内形成微生物燃料电池的电极装置，用于解决植入式医疗设备持续而稳定的能源供给问题。

背景技术

随着医学技术的不断发展，各种以治疗和诊断为目的的植入式医疗设备(Implantable Medical Devices，IMDs)已经应用于人体的各个部位。植入式医疗设备根据是否需要供电电源分为两类：被动式和主动式。无需能量供应的如人工关节、人造血管和整形外科仪器等是典型的被动仪器；而主动仪器如心脏起搏器、植入耳蜗和药物泵等各种激励系统，需要一定的能量供给才能维持其正常运作。目前，主动型IMDs广泛采用的电源是锂电池，其最长使用寿命为10年，当电源的电能耗尽时，病人需要接受手术来更换电池，增加了患者的手术风险和经济负担。核电池虽然寿命可以超过15年，但是它造价高，可能存在累积的放射性伤害。其他的一些新型供电技术如电磁转化、压电转化、热电转化、超声波、射频技术、激光技术等尚未得到应用。因此需要为主动型植入式医疗设备寻找更加持久和安全的电源。

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是近年发展起来的一项新型能源技术，是一种以微生物为催化剂将有机物中的化学能转化为电能的装置，通常由阳极室、阴极室和隔膜(非必需)构成。在阳极室中，有机物在微生物的作用下分解产生质子、电子和代谢产物，电子首先传递到阳极，然后通过外电路到达阴极。同时质子透过隔膜传递到阴极室中，在阴极与电子、氧化剂反应得到还原产物，完成能量转化过程。

人体结肠中的环境非常适合MFC的应用：①结肠微生物种类繁多，已报道肠道内梭状芽胞杆菌和大肠杆菌可以作为MFC的产电微生物。②结肠内容物中存在大量的有机物质，如淀粉、纤维素、单糖、蛋白质等，其中大部分物质已用于MFC产电。③大肠腔内有微量的氧气，同时还存在硝酸盐、微生物代谢产生的中间产物如延胡索酸等可以作为MFC阴极反应的电子受体。若构建结肠内MFC作为电源，则为解决IMDs持续而稳定的供电提供了一条新途径。

公开号CN 101673836A面向植入式医疗设备供电的微生物燃料电池的专利在人体横结肠部位构建一种阳极贴于横结肠内壁，阴极置于横结肠的中部，利用横结肠内壁和中间的氧气浓度梯度及微生物的作用产生电能的MFC。MFC构建位置特定，横结肠不适合植入电极的患者无法使用。其次，MFC单纯利用氧气作为电子受体，可能会因为结肠氧气浓度不足而影响电能产生。第三，电极不易植入结肠内。

发明内容

本发明以微生物燃料电池技术为基础，目的在于提出一种可植入人体结肠内形成微生物燃料电池的电极装置，该装置能够为构建可为植入式医疗设备提供持续稳定电能的微生物燃料电池提供电极系统。

本发明提出了一种可植入人体结肠内形成微生物燃料电池的电极装置，该装置包括阴极1、阳极2和它们之间的连接支架3。

阴极1包括中心使用柔韧性、导电性、稳定性和生物相容性好的导电材料制成的圆筒形电极4，沿圆周均匀布置同材质的长方形的电极片5，外圈为同材质的圆柱形支架体6，整个装置为一整体。阴极中心圆筒形电极4的直径为1～10mm，长度为1～10mm，长方形电极片5的一边长度及外圈圆柱形支架体6的长度均与中心圆筒形电极4的长度相同。

阳极2包括一段使用柔韧性、导电性、稳定性和生物相容性好的导电材料制成的网状结构的中段圆柱支架体7，两端为同材质的喇叭形、杯口形或是蘑菇口形的支架头8，它们为一整体。其中中段圆柱支架体7的直径为5～30mm，长度为10～80mm。两端的支架头8的直径大于中段圆柱支架体7的直径，长度5～10mm。

阴极1与阳极2之间的连接支架3采用柔韧性、稳定性和生物相容性好的绝缘材料制成，保证阴极1与阳极2不会因为使用环境的剧烈蠕动而接触短路。

本装置结构简单，易于使用，构成的微生物燃料电池可以持续的为植入式医疗设备提供电能。

附图说明

图1本发明所述的可植入人体结肠内形成微生物燃料电池的电极装置结构示意图

图2阴极结构示意图

图3阳极结构示意图

图4电极装置形成的微生物燃料电池工作原理示意图

图中：1是阴极；2是阳极；3是连接支架；4是阴极圆筒形电极片；5是阴极长方形电极片；6是阴极支架体；7是阳极中段网状支架体；8是阳极支架头；9是电极头；10是外电路；11是腔体；12是负载。

具体实施方式

下面将参照附图对本实施的装置做详细的说明。在图中，为了方便说明，放大或是缩小了各个结构之间的厚度，所示的大小也不代表实际尺寸。参考图是本实施理想化的示意图，不应该被认为是限制本实施的范围。

图1是本实施的一种可植入人体结肠内形成微生物燃料电池的电极装置的示意图。装置由阴极1、阳极2和它们之间的连接支架3组成。阴极与阳极之间的连接支架3采用柔韧性、稳定性和生物相容性好的绝缘材料如医用植入性的硅胶制成，保证阴极1与阳极2不会因为使用环境的剧烈蠕动而接触短路。阴、阳极之间的连接像几条有一定弹性同时又有塑形的弹簧绳把两个不同的部件连接在一起，使得被连接的部件之间不会接触。

图2是阴极1结构示意图。阴极1包括中心使用柔韧性、导电性、稳定性和生物相容性好的导电材料如钛镍记忆合金制成的圆筒形电极4，沿圆周均匀布置两片同材质的长方形的电极片5，外圈为同材质的圆柱形支架体6，整个装置为一整体。阴极的支架上固定了相同材质的电极头9，电极头9的构造参照心脏起搏器电极导线中电极的固定部位的设计。阴极中心圆筒形电极4的直径为1～10mm，长度为1～10mm，长方形电极片5的一边长度及外圈圆柱形支架体6的长度均与中心圆筒形电极4的长度相同。

图3是阳极2结构示意图。阳极2包括一段使用柔韧性、导电性、稳定性和生物相容性好的导电材料如钛镍记忆合金制成的网状结构的阳极中段圆柱支架体7，两端为同材质的喇叭形的支架头8，它们为一整体。其中中段圆柱支架体7的直径为5～30mm，长度为10～80mm。两端的支架头8的直径大于中段圆柱支架体7的直径，长度5～10mm。阳极一端的支架头也固定了相同材质的电极头9，电极头的构造可以参照心脏起搏器电极导线中电极的固定部位的设计。在阳极面向阴极的支架头表面涂有绝缘性能的材料如多孔聚四氟乙烯、磺化聚醚砜等，防止万一连接出现故障，阴、阳极不会因为接触而短路。

阴极1、阳极2及它们之间的连接支架3使用的材料除了具备上述特征之外还具有一定的记忆特性和超弹性，在特定温度下对装置进行软化处理使其形状可任意改变，在人的体温范围内则可以恢复原来的形状。

图4为电极装置形成的微生物燃料电池的工作原理示意图。在腔体中，燃料依次通过阴极1和阳极2，阴极1区域的氧化还原电位比阳极2区域稍高。产电微生物氧化有机物质将呼吸链的电子传递到阳极2，然后经过外电路10到达阴极1，同时质子扩散到阴极1，电子受体在阴极1与电子及质子结合发生还原反应，实现产电过程。电子受体包括氧气、硝酸盐、二氧化碳、延胡索酸。外电路包含负载12。12可以是一个元器件也可以是多个元器件的串并联结构，12中包含了植入式医疗设备。形成微生物燃料电池可以直接或是根据设定的程序为植入式医疗设备供电。

该装置可用于构建可为植入式医疗设备(如心脏起搏器和心脏除颤器等，功率需求30-100μW)供电的微生物燃料电池提供电极系统。

Claims (6)

1.一种可植入人体结肠内形成微生物燃料电池的电极装置，其特征在于：该装置包括阴极(1)、阳极(2)和它们之间的连接支架(3)。

2.根据权利要求1所述的一种可植入人体结肠内形成微生物燃料电池的电极装置，其特征是所述阴极(1)包括中心使用柔韧性、导电性、稳定性和生物相容性好的导电材料制成的圆筒形电极(4)，沿圆周均匀布置同材质的长方形电极片(5)，外圈为同材质的圆柱形支架体(6)。

3.根据权利要求1所述的一种可植入人体结肠内形成微生物燃料电池的电极装置，其特征在于，阴极中心圆筒形电极(4)直径为1～10mm，长度为1～10mm，长方形电极片(5)的一边长度、外圈圆柱形支架体(6)的长度均与中心圆筒形电极片(4)的长度相同。

4.根据权利要求1所述的一种可植入人体结肠内形成微生物燃料电池的电极装置，其特征在于：阳极(2)包括一段使用柔韧性、导电性、稳定性和生物相容性好的导电材料制成的网状结构的中段圆柱支架体(7)，两端为同材质的喇叭形、杯口形或是蘑菇口形的支架头(8)。

5.根据权利要求1所述的一种可植入人体结肠内形成微生物燃料电池的电极装置，其特征是所述阳极(2)中段圆柱支架体(7)的直径为5～30mm，长度为10～80mm。阳极两端的支架头(8)的直径大于中段圆柱支架体7的直径，长度5～10mm。

6.根据权利要求1所述的一种可植入人体结肠内形成微生物燃料电池的电极装置，其特征在于阴极(1)与阳极(2)之间的连接支架(3)采用柔韧性、稳定性和生物相容性好的绝缘材料制成，保证阴极(1)与阳极(2)不会因为使用环境的剧烈蠕动而接触短路。 

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