Biokraftstoffzellen für Implantate Energie mit Enzymen - medizin&technik - Ingenieurwissen für die Medizintechnik

Biokraftstoffzellen für Implantate

Energie mit Enzymen

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Den Energieertrag steigern, indem die Energie vieler spontaner Enzymreaktionen gespeichert und gebündelt werden (Bild: Alejandro Posada)
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Energie für Implantate: Ein internationales Forscherteam findet einen Weg, den Energieertrag von Biokraftstoffzellen zu steigern, indem sie die Energie vieler spontaner Enzymreaktionen speichern und bündeln.

Chemische Reaktionen, bei denen Elektronen freigesetzt werden, können zur Stromerzeugung genutzt werden. Um zukünftige medizinische Implantate anzutreiben, haben Forscher Biokraftstoffzellen entwickelt, in denen Enzyme, die aus lebenden Organismen gewonnen werden, Elektronen freisetzen. Bei der Oxidation von Zuckermolekülen zum Beispiel ist dies der Fall.

Bisher zu wenig Energie

Ein generelles Problem jedoch ist, dass die Energie und Spannung der Elektronen, die in einer Biobrennstoffzelle erzeugt werden können, eher gering ist. Bei einem Haushaltsgerät ist es einfach, die Spannung zu erhöhen: je mehr Batterien nebeneinander geschaltet werden, desto höher die Voltzahl. Im menschlichen Körper ist dies jedoch nicht möglich. Spannungen können nicht addiert werden, da sich jede Biobrennstoffzelle gezwungenermaßen in derselben Flüssigkeit mit dem gleichen elektrischen Potential befindet. Das bedeutet, dass Biokraftstoffzellen derzeit in den meisten Fällen nur deutlich weniger als 1 Volt erzeugen können. Das schränkt ihre praktische Anwendung stark ein, um medizinische Implantate ausreichend mit Energie zu versorgen.

Hinzu kommt, dass die grundlegenden Gesetze der Thermodynamik ebenfalls die Energie einschränken, die bei enzymatischen Reaktionen freigesetzt werden kann. Die Herausforderung besteht also darin, neue Ansätze für Biokraftstoffzellen zu entwickeln, die diese Einschränkungen umgehen können.

Freigesetzte Elektronen zwischenspeichern

Forscher der Universität Bordeaux, des französischen CNRS (Centre national de la recherche scientifique), der Universität Stuttgart und des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) haben nun einen cleveren Weg gefunden, die Einschränkungen der Thermodynamik zu überwinden. Es gelang ihnen, die bei der Oxidation von Glukose freigesetzten Elektronen zwischenzuspeichern und einen Teil dieser Energie zu nutzen, um die Spannung der verbleibenden Elektronen zu erhöhen.

Das Funktionsprinzip ist sehr allgemein und beruht darauf, die Energie der Elektronen vorübergehend in einem elektromagnetischen Feld zu speichern. Um dies zu erreichen, wird ein kleiner elektronischer Schaltkreis – angetrieben durch die chemische Reaktion selbst – in die Biobrennstoffzelle integriert, um Strom zu gewinnen und die Spannung zu erhöhen. Damit ermöglicht das Konzept die Umwandlung einfacher Biomoleküle in hochenergetische Kraftstoffe.

Völlig neues Konzept mit vielen Möglichkeiten

„Die Umwandlung der Ausgangsstoffe in hochenergetische Elektronen mittels Biokraftstoffzellen bietet uns völlig neue Möglichkeiten, um elektronische Geräte mit Energie zu versorgen und wichtige Chemikalien künstlich herzustellen“, sagt Peer Fischer, Leiter der Forschungsgruppe Mikro-, Nano- und molekulare Systeme am Max-Planck-Institut für intelligente Systeme und Professor für Physikalische Chemie an der Universität Stuttgart. „Es ist jetzt möglich, die Oxidation reichlich vorhandener niederenergetischer Moleküle zu nutzen, um daraus Moleküle herstellen zu können, die mehr Energie benötigen, um sich zu bilden. Das ist ein völlig neues Konzept.“

https://doi.org/10.1038/s41467–018–05704–5

www.is.mpg.de

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