题目：面向植入式医疗设备供电的微生物燃料电池运行机制研究

随着生物医学工程技术的发展，面向各类以治疗和诊断为目的的植入式医疗设备（Implantable Medical Device，IMD）的种类日益增多，其中，电源是有源IMD的最核心部件，而目前IMD的供电电源存在寿命短、辐射、输出不稳定等缺点，因此，如何为IMD提供更加持久、高效、安全的电源是生物医学工程及相关领域研究的重要问题之一。微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）能够在常温常压下，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。MFC由于其原料广泛，反应条件温和，连续产电等优点，得到了越来越广泛的关注。而大肠内存在一个独特的微生态系统和丰富的碳源，利用大肠中的土著微生物和碳源产生电能供给IMD，通过MFC技术解决IMD的电源问题，这很有可能为IMD带来重大变革。因此，本文开展了面向植入式医疗设备供电的微生物燃料电池运行机制的研究，为建立利用MFC技术解决IMD供电的持久性、高效性和安全性建立理论和技术基础。本论文构建了以纤维素为唯一碳源的MFC，研究了微生物降解大肠内的主要碳源纤维素产电过程中微生物间的协同作用。分析了MFC的产电效能和不同运行时期的阳极室COD、微生物群落结构，蛋白质的变化，获得了4株在试验MFC运行后期大量出现的微生物，人罗氏菌（Roseburia hominis）、多粘类芽孢杆菌（Paenibacillus polymyxa）和肠埃希氏菌（Escherichia coli），布氏弓形菌（Arcobacter butzleri）。发现在微生物降解纤维素协同产电过程中，参与不同碳源降解过程的微生物依次发生作用。在碳源缺乏时，硫还原菌属（Desulfurella）菌种被大量富集，添加外源基质后，参与物质代谢的柠檬酸杆菌属（Citrobacter）、梭菌属（Clostridium）大量富集；稳定输出阶段，外源基质分解，能够利用多种碳源的拟杆菌属（Bacteroides）得到大量富集。为提高MFC产地效率，以模式产电厌氧菌G. sulfurreducens构建了MFC，筛选参与微生物产电过程差异表达的蛋白质.共研究获得23个鉴定结果，分别代表15个单一蛋白，主要涉及物质运输和合成（52 %）、电子传递（22 %）、抗逆（13 %）、识别（4 %）四个过程。为了更好的研究利用MFC为IMD供电，设计了一个面向IMDs供电的MFC的新构型。试验拟构建严格模拟人体大肠内部结构和环境的反应器。试验拟采用质地柔软、密封性好、生物相容性好的材料，诸如人工硅胶等，构建模拟大肠管壁；采用阴极板在前，阳极板在后的结构构建无膜MFC；同时，模拟人工大肠内容物连续流的运行方式；为了更好的监测和调节阴极区和阳极区pH值和ORP的变化，在阴极区和阳极区分别设置了pH传感器和ORP传感器。