[發(fā)明專利]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

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110279369.7
• 申請(qǐng)日: 2011-09-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102354760A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉紅;于超靈;謝倍珍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/86
• 分類號(hào): H01M4/86;H01M8/16
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

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(wèn)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(Implantable?Medical?Devices，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(wú)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(zhǎng)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(lái)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(guò)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(Microbial?Fuel?Cell，MFC)是近年發(fā)展起來(lái)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(yáng)極室、陰極室和隔膜(非必需)構(gòu)成。在陽(yáng)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(yáng)極，然后通過(guò)外電路到達(dá)陰極。同時(shí)質(zhì)子透過(guò)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(guò)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(kāi)號(hào)CN?101673836A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(yáng)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(wú)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(yáng)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(zhǎng)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1～10mm，長(zhǎng)度為1～10mm，長(zhǎng)方形電極片5的一邊長(zhǎng)度及外圈圓柱形支架體6的長(zhǎng)度均與中心圓筒形電極4的長(zhǎng)度相同。

陽(yáng)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5～30mm，長(zhǎng)度為10～80mm。兩端的支架頭8的直徑大于中段圓柱支架體7的直徑，長(zhǎng)度5～10mm。

陰極1與陽(yáng)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1與陽(yáng)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(jiǎn)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。

附圖說(shuō)明

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)示意圖

圖2陰極結(jié)構(gòu)示意圖

圖3陽(yáng)極結(jié)構(gòu)示意圖

圖4電極裝置形成的微生物燃料電池工作原理示意圖

圖中：1是陰極；2是陽(yáng)極；3是連接支架；4是陰極圓筒形電極片；5是陰極長(zhǎng)方形電極片；6是陰極支架體；7是陽(yáng)極中段網(wǎng)狀支架體；8是陽(yáng)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)施方式