模拟大肠内部环境的微生物燃料电池研究

1144766066 · 发表于 2022-5-7 10:38:41

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雅宝题库解析：
持续、高效和安全的电源是保证心脏起搏器、植入耳蜗和药物泵等有源植入式医疗设备（Implantable Medical Devices, IMDs）正常工作的关键部件。但是目前有源IMDs广泛使用的是具有一定寿命的锂电池已不能满足患者的需要，其他的新型供电技术还未应用。而在大肠内构建微生物燃料电池（Microbial fuel cell, MFC）为IMDs供电具有持续产生电能、长寿命和安全等特点，可能为IMDs带来重大变革。本文根据大肠内部环境特点，构建了5个模拟大肠内部环境的双室连续流MFCs。5个电池在模拟正常的肠道内环境条件下运行，均可以稳定的产生电能，平均最大输出功率密度为51.18 mW/m2。根据肠道面积计算，平均输出电能15.35mW，满足大多数IMDs需要。针对人体疾病时可能发生的肠道内的变化，进行了模拟人体疾病发生时肠道内环境变化情况下MFCs实验。结果表明，肠道内环境的变化会影响植入其中MFC的产电能力和产电稳定性，但是产能均能满足IMDs的需要。恢复肠道正常的蠕动速度和温度，MFC产电能力可以得到立即恢复，而恢复肠道内容物的正常pH值，MFC的产电能力无法立即恢复。模拟疾病发生时肠道蠕动加快，肠道内容物pH值下降，肠道温度升高的内环境状态，电池对这种变化有一定的抗冲击能力，但是随着疾病时间的增加输出电压急剧下降。及时恢复肠道的健康状态，MFC产电能力得到恢复。因此需要设置蓄电部件以保证持续稳定的供电。设计了一种可植入结肠内形成微生物燃料电池的电极结构，并将其用于构建模拟大肠内部环境的单室连续流MFC。MFC在模拟正常的肠道内环境条件下运行，开路电压为290.7mV，最高输出功率密度为 0.670mW/m2（体积功率密度0.03W/m3），内阻为1000Ω。根据肠道面积计算，电池可产生201μW电能，足够为一些IMDs供电。电池稳定运行期间，阴、阳极附近溶液pH及ORP变化幅度均很小，不会给人体肠道内的环境造成较大影响。该电极结构适合植入结肠内形成MFC为IMDs供电。

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