● 摘要
随着主动型植入式医疗设备在治疗中的广泛应用，其电源使用寿命较短的缺点越来越凸显出来，给病人带来了一定的手术风险和额外的经济负担。微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）具有良好的产电稳定性和持续性，结合人体与微生物群落的共生关系，本论文在课题组前期研究的基础上提出将微生物燃料电池系统植入人体内，利用内源微生物的作用产生电能，为植入式医疗设备供电的设想。本论文论证了合理的植入部位，建立了模拟人体内环境运行的微生物燃料电池并进行了产电可行性验证，通过性能分析与优化构建了面向植入式医疗设备供电的微生物燃料电池模拟实验系统，并开展了实验研究。 根据人体解剖结构和微生物的正常聚集部位及内环境参数，确定了横结肠为MFC的合理植入部位，利用其共生微生物及持续不断的代谢产物产生电能，根据横结肠的内环境特点确定了体外试验MFC运行的条件，包括pH、DO和温度等。根据横结肠中溶解氧浓度差异确定了电池结构，其中电池阳极设在贴近肠壁处，阴极设在肠中央，电路间连接超级电容器储存电能从而根据植入式医疗设备的需要供电。 为验证上述设想的可行性，构建了模拟人体内环境运行的MFC，并进行了产电性能的研究。MFC采用人工大肠液接种，控制MFC中的pH和DO使其与横结肠处的环境参数相似。电池运行两个月后产电性能基本稳定，开路电压达到552.2 mV，最大功率密度为73.5 mW/m2（体积功率密度为586.4 W/m3），内阻约400 Ω。MFC在运行过程中的内环境变化主要表现为溶解氧的消耗，阳极室中pH降低，阴极室中pH升高，但幅度均较小，不会给人体肠道内的环境造成较大影响。模拟人体内环境运行的MFC可以稳定运行，产生的电能足以为植入式医疗设备供电，并且不会对肠内环境造成显著影响。 在电池启动期间随着阳极上微生物膜的逐渐形成，电池的开路电压和最大功率密度不断升高并逐渐稳定。通过测试稳定后MFC的电池极化曲线和电极电势变化曲线，可以看出阴极反应是整个产电反应的限制因素，其原因在于阴极室中电子受体即溶解氧浓度较低且阴极面积相对较小，限制了阴极反应的速率。通过电流中断法分析了电池的内阻分布及导致内阻较高的原因，提出了进一步的优化方法，有利于完善电池系统，提高输出功率。 在上述研究的基础上构建了面向植入式医疗设备供电的微生物燃料电池模拟实验系统，以人工大肠液为基质，并利用蠕动泵模拟肠道蠕动时产生的内容物流动，测试了MFC的产电性能和条件变化，研究了模拟特殊情况时肠道内容物流动过快导致的电池产电性能变化。研究表明，设置于肠道中的MFC系统可以应对正常的内容物流动加快，但当流速过快时电池将无法产电。因此需要在电路中接入超级电容器，储备电能并按照植入式医疗设备的需求供电，以保证供电稳定。