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Biosuperkondensator: Energie für Sensoren im Blut

Miniaturisierung
Biosuperkondensator: Energie für Sensoren im Blut

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90 flexible und implantierbare so genannte Nano-Biosupercapacitors (nBFCs) sind hier angeordnet. Diese winzigen Komponenten ermöglichen es, Mikrosensorik autark zu betreiben – zum Beispiel für den Einsatz im Blut (Bild: AG Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, TU Chemnitz/IFW Dresden)
Einen biokompatiblen Energiespeicher für den Sensorik-Einsatz in Blutbahnen haben Forscher der der TU Chemnitz, des IFW Dresden und des IPF Dresden präsentiert. Der Nano-Biosuperkondensator hält auch den Strömungen in den Gefäßen stand.

Mikroelektronische Sensoren und Roboter sowie intravaskuläre Implantate werden immer kleiner. Sie brauchen winzige, aber effiziente und biokompatible Energiespeicher, damit die  Mikrosysteme autonom arbeiten können. Einen ersten Prototypen für solche Speicher gibt es nun. Der bisher kleinste so genannte „Biosuperkondensator“liefert Energie für ein winziges Sensorsystem, das in (künstlichen) Blutbahnen den pH-Wert misst. Dessen Veränderungen können bei der Vorhersage der frühen Tumorbildung helfen.

Biosuperkondensator – für den Einsatz in biologischen Systemen

Intravaskuläre Implantate und mikro-robotische Systeme für die Biomedizin der nächsten Generation sollen in schwer zugänglichen kleinen Räumen tief im Inneren des menschlichen Körpers agieren können. „Es ist äußerst ermutigend zu sehen, wie eine neue, extrem flexible und adaptive Mikroelektronik in die miniaturisierte Welt der biologischen Systeme vordringt“, sagt Prof. Dr. Oliver G. Schmidt.

Schmidt leitet das internationale Forscherteam, dem der Durchbruch gelang. Der Wissenschaftler hat an der Technischen Universität Chemnitz die Professur Materialsysteme der Nanoelektronik inne. Darüber hinaus hat er das Zentrum für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen an der TU Chemnitz initiiert und und ist Direktor am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden. Auch das Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden (IPF) war als Kooperationspartner an der Studie beteiligt. Die Herstellung der Proben und die Untersuchung des Biosuperkondensators erfolgten größtenteils im Zentrum für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (Main) an der TU Chemnitz.

Körperflüssigkeiten können den neuen Superkondensatoren nichts anhaben

Biosuperkondensatoren, kurz BSCs, können in Körperflüssigkeiten wie Blut eingesetzt und für weitere medizinische Studien genutzt werden. Das ist nicht selbstverständlich: Für Energiespeicher im Submillimeterbereich – so genannte „Mikro-Superkondensatoren“ – werden bisher zum Beispiel korrosive Elektrolyten verwendet. Bei Defekten und Verunreinigungen entladen sie sich schnell von selbst. Das macht sie für biomedizinische Anwendungen im Körper ungeeignet. Das Selbstentladungsverhalten wird bei den Biosuperkondensatoren hingegen durch bioelektrochemische Reaktionen kompensiert. Dabei profitieren die Bauteile von körpereigenen Reaktionen. Denn zusätzlich zu typischen Ladungsspeicherreaktionen eines Superkondensators steigern Redox-Enzyme und lebende Zellen, die im Blut vorhanden sind, die Leistung des Bauteils um 40 %.

Volumen? Kleiner als ein Staubkorn

Die derzeit kleinsten Energiespeicher sind größer als 3 mm³. Dem Team um Schmidt ist es gelungen, einen 3.000 Mal kleineren röhrenförmigen Biosuperkondensator herzustellen. Mit einem Volumen von 0,001 mm³ –also einem Nanoliter – nimmt er weniger Raum ein als ein Staubkorn. Dennoch liefert er bis zu 1,6 V Versorgungsspannung. Das entspricht in etwa der Spannung einer handelsüblichen AAA-Batterie. Der Stromfluss auf diesen kleinsten Skalen ist allerdings viel geringer.

Die flexible röhrenförmige Geometrie des Nano-Biosuperkondensators bietet Schutz vor Deformationen. Das ist für den Einsatz in der Blutbahn wichtig. Die Strömungseigenschaften und der Druck in den Gefäßen verändern sich ständig, denn der Blutfluss pulsiert und variiert je nach Gefäßdurchmesser und Blutdruck. Jedes implantierbare System innerhalb des Kreislaufsystems muss solchen Bedingungen standhalten und eine stabile Leistung bieten.

Leistung der Biosuperkondensatoren wird in mikrofluidischen Kanälen getestet

Das Team untersuchte daher die Leistungsfähigkeit seiner Entwicklung – ähnlich wie in einem Windkanal – in so genannten mikrofluidischen Kanälen mit Durchmessern von 120 bis 150 µm, um Gefäße verschiedener Größe nachzuahmen. Dabei zeigte sich, dass die Nano-Biosuperkondensatoren ihre Leistung unter physiologisch relevanten Bedingungen gut und stabil bereitstellen können.

Damit ergeben sich breite Anwendungsmöglichkeiten, zum Beispiel in der Diagnostik und Medikation.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Oliver G. Schmidt
Professur Materialsysteme der Nanoelektronik an der TU Chemnitz und Leibniz-Institut für Festkörper und Werkstoffforschung Dresden e.V.
E-Mail: o.schmidt@ifw-dresden.de
www.ifw-dresden.de

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