Medizin: Diese Mini-Brennstoffzelle wird mit körpereigenem Zucker betrieben

Kleine Implantate wie etwa Sensoren, Herzschrittmacher oder Elektroden spielen in der Medizin eine immer größere Rolle. Um zuverlässig funktionieren zu können, brauchen diese Implantate eine möglichst gut funktionierende und kleine Stromquelle. Gängiger Standard sind hierfür Lithium-Ionen Akkus. Forscher:innen haben nun allerdings eine Alternative entwickelt: Eine Mini-Brennstoffzelle, die für den Betrieb körpereigene Glucose spaltet.

Glucose-Brennstoffzelle statt Lithium-Ionen-Akkus

Das größte Problem mit Lithium-Ionen-Akkus ist, dass diese nicht beliebig verkleinert werden können. Also müssen alternative Möglichkeiten zur Stromgewinnung gefunden werden. Eine Möglichkeit ist etwa die triboelektrische Stromgewinnung, bei der die Bewegung eines Organs wie etwa des Herzens genutzt wird. Logischerweise ist dies aber nur dort möglich, wo sich auch ein Organ bewegt.

Ein Team rund um Philipp Simons vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat nun eine andere Lösung entwickelt. Diese kommt in Form einer Glucose-Brennstoffzelle, die den körpereigenen Zucker in Elektrizität umwandeln kann. Das ist insofern von Vorteil, als dass Glucose überall im Körper vorhanden und daher eine leicht verfügbare Energiequelle ist. Die Idee, die in der Glucose gebundene Idee elektrochemisch zu nutzen, ist nicht neu. Bereits in den 60er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts wurde mit Glucose-Brennstoffzellen experimentiert. Diese frühen Ansätze nutzten Polymere. als Elektrolytschicht. Diese sind allerdings hitzeempfindlich, weshalb sie sich nur schlecht sterilisieren ließen. Daher kommen heutzutage weitestgehend Lithium-Ionen-Akkus zum Einsatz, um Implantate mit Energie zu versorgen. „Der jüngste Schub der Miniaturisierung von Bioelektronik hat den Bedarf an implantierbaren Stromquellen mit höherer Energiedichte geschaffen„, so die Wissenschaftler:innen.

Keramik dient als Elektrolyt

Die Glucose-Brennstoffzelle, die die Forscher:innen entwickelt haben, nutzt einen keramischen Elektrolyt anstelle des Polymers. Insgesamt ist die Anordnung nur 370 Nanometer dick und besteht aus zwei Elektroden aus Platin, zwischen denen eine dünne Schicht aus keramischen Cerdioxid (CeO2) eingebracht ist. Das keramische Material ist hart und bioverträglich. Außerdem lässt es Protonen durch, weshalb es auch in vielen Wasserstoff-Brennstoffzellen zum Einsatz kommt.

Für die Stromerzeugung nutzt die von den Forscher:innen entwickelte Brennstoffzelle dann die in den Körperflüssigkeiten vorhandene Glucose, die an der Anode in Glukonsäure umgewandelt wird. Dabei wird ein Paar Protonen sowie ein Paar Elektronen freigesetzt werden. Die Protonen werden dann vom Elektrolyt durch die Brennstoffzelle zur Katode geleitet. Dort verbinden sie sich dann mit Luft zu Wassermolekülen. Die freigewordenen Elektronen hingegen werden in einen externen Stromkreis abgeleitet und dienen dann zur Stromversorgung des elektronischen Implantats.

Erste Tests verliefen erfolgreich

In ersten Versuchen verwendete die Wissenschaftler:innen Testsysteme mit insgesamt 150 der Brennstoffzell-Einheiten, die auf fünf Silikonchips verteilten. Diese Wafer wurden dann von einer Glukoselösung überflossen, während die Forscher:innen die von den Systemen erzeugte Spannung maßen. Dabei stellte sich heraus, dass die kleinen Dünnschicht-Brennstoffzellen im Schnitt eine Spannung von etwa 35 Millivolt bei einer Energiedichte von etwa zwölf Mikrowatt pro Quadratzentimeter. Maximal betrug die Energiedichte 43 Mikrowatt pro Quadratzentimeter.

„ Damit erreicht das System Werte, die für miniaturisierte Geräte relevant sind. Die keramischen Mikro-Glucose-Brennstoffzellen sind die bisher kleinsten potenziell implantierbaren Stromquellen und könnten so neue hochgradig miniaturisierte Implantate ermöglichen„, so die Forscher:innen.

via TU München