Durch den Einsatz implantierbarer Glukosebrennstoffzellen rückt die unerschöpfliche Stromversorgung medizinischer Implantate in greifbare Nähe. In Zukunft könnte somit auf den chirurgischen Austausch erschöpfter Batterien verzichtet werden.
Implantierbare Glukosebrennstoffzellen bieten sich als elegante Art der Energiegewinnung innerhalb des menschlichen Körpers an. In ein paar Jahren könnten sie die Elektronik aktiver medizinischer Implantate dauerhafte mit Energie versorgen. Damit wäre der Verzicht auf klassische Primärbatterien oder wieder aufladbare Akkus möglich. Verbrauchte Primärbatterien müssen durch operative Eingriffe ersetzt werden, wobei in der Regel das komplette Implantat ausgestauscht wird. Externe Auflademechanismen für Akkus schränken dagegen die Bewegungsfreiheit und so die Lebensqualität der betroffenen Patienten erheblich ein.
Glukosebrennstoffzellen können hingegen unter Verwendung von biokompatiblen abiotischen Katalysatoren auf Platin-Basis elektrische Energie durch direkte elektrochemische Umsetzung des in der Gewebeflüssigkeit gelösten Blutzuckers mit Sauerstoff gewinnen. Bereits in den 1960er Jahren als Alternative zu den damals in Herzschrittmachern verwendeten Batterien entwickelt, verlor die Technologie trotz vielversprechender Ergebnisse mit der Markteinführung leistungsstarker Lithium-Iod-Batterien an Bedeutung und geriet zunehmend in Vergessenheit. Mit der steigenden Anzahl mikrosystemtechnischer Implantate für medizinische Langzeit-Anwendungen herrscht jedoch wieder gesteigertes Interesse an einer autarken, von Batterien unabhängigen Energieversorgung.
Vor diesem Hintergrund wurde das Konzept implantierbarer Glukosebrennstoffzellen an Prof. Roland Zengerles Lehrstuhl für Anwendungsentwicklung des Instituts für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg wieder aufgegriffen und weiter entwickelt. Aktuell können unter Laborbedingungen — in neutraler Pufferlösung mit physiologischen Konzentrationen von Glukose und Sauerstoff — mit der am IMTEK entwickelten Glukosebrennstoffzelle Leistungsdichten bis zu 4 µW cm-2 erreicht werden. Während dies ausreichend wäre um etwa einen typischen Herzschrittmacher mit einer auf der Gehäuseoberfläche ausgeführten Brennstoffzelle direkt im Körpergewebe autark zu betreiben, liegt eine große Herausforderung jedoch im Betrieb der Brennstoffzelle in realitätsnaher Körperflüssigkeit. Die darin enthaltenen Substanzen, insbesondere Aminosäuren, können die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle erheblich einschränken. Aktueller Forschungsschwerpunkt ist deshalb die gezielte Optimierung der Katalysatoren durch Legierungsbildung und Ausrüstung mit polymeren Schutzschichten. Hierzu sind die am IMTEK entwickelten neuartigen Platinelektroden eine ideale Plattform. Ferner ist zu erwarten, dass in Zukunft der Trend zu energiesparender Implantatelektronik die Anwendung der implantierbaren Glukosebrennstoffzelle nicht nur für Herzschrittmacher, sondern auch für eine Vielzahl weiterer Implantate – etwa implantierbare Vitalsensoren – ermöglicht.
Weitere Informationen www.imtek.de/anwendungen
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