Aktive Implantate sind in Zukunft vielleicht nicht mehr auf herkömmliche Batterien angewiesen, sondern könnten ihre Energie aus Blutzucker und Sauerstoff gewinnen. An einem entsprechenden Ansatz forschen Mikrosystemtechniker in Freiburg.
Bisher haben Forscher noch keine optimale Lösung gefunden, um implantierbare medizinische Mikrosysteme mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Batterien eines Herzschrittmachers – üblicherweise Lithium-Batterien – müssen zum Beispiel nach etwa acht Jahren ersetzt werden. Das ist ein für die Patienten belastender und teurer chirurgischer Eingriff. Alternative Ansätze sehen vor, wieder aufladbare Batterien zu verwenden. Allerdings mindert das Aufladen der Batterien die Lebensqualität der Betroffenen erheblich.
Ein ganz anderes Konzept ist allerdings denkbar und aktuell Gegenstand der Forschung. Implantierbare Glukosebrennstoffzellen auf der Basis von Edelmetall-Katalysatoren wie Platin könnten Strom erzeugen, indem sie auf den im Blut gelösten Zucker als Energiequelle zugreifen. Solche Katalysatoren sind über längere Zeiträume stabil und lassen sich steriliseren. Beides macht sie für den Einsatz in Implantatsystemen geeignet. Diese könnten zukünftig nach dem Prinzip der Brennstoffzelle mit Strom versorgt werden, der durch die ständige elektrochemische Umsetzung von Blutzucker (Glukose) und Sauerstoff aus der Gewebeflüssigkeit erzeugt wird.
Das Konzept der Glukosebrennstoffzellen ist an sich keine neue Entwicklung. Gedankliche Ansätze dazu wurden in den 60er Jahren diskutiert und sollten eine Alternative zu den damaligen Batterien sein. Als in den 70er Jahren allerdings die Lithium-Batterien aufkamen und deren Energie für die Versorgung von zum Beispiel Herzschrittmachern ausreichte, wurde die Weiterentwicklung der Brennstoffzellen nicht weiter verfolgt und geriet in Vergessenheit.
Eine Brennstoffzelle, die dem heutigen Wissensstand entspricht, wurde nun in einer Arbeitsgruppe des Freiburger Instituts für Mikrosystemtechnik IMTEK entwickelt. Sie soll als dünne Beschichtung auf der Oberfläche des Implantats angebracht werden.
Dieses Vorgehen weist gegenüber dem bisherigen Weg, Brennstoffzellen-Elektroden aus einem Aktivkohle-Polymer-Gemisch herzustellen, einige Vorteile auf: Die Zellen sind nur noch halb so dick und erbringen etwa 30 % mehr Leistung. Zudem sind Platinelektroden gegen ungewollte chemische Reaktionen wie Hydrolyse und Oxidation unempfindlich. Biologen, Chemiker und Ingenieure entwickeln derzeit neue Materialien und Techniken, um die Leistung der Brennstoffzellen zu steigern. Leistungsdichten von bis zu 5 µW/cm² sind bislang möglich, an einem Modul mit 100 µW Ausgansleistung wird gerade geforscht.
Wie gut sich das System mit dem menschlichen Körper verträgt, wird zunächst im Labor untersucht. Dort arbeitet die Brennstoffzelle in einem Medium, das der Gewebsflüssigkeit ähnelt. Eine große Herausforderung ist hier die teilweise Deaktivierung des Katalysators durch Belegung mit körpereigenen Aminosäuren.
Weitere Informationen Institut für Mikrosystemtechnik www.imtek.de
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