Strom für Implantate: Brennstoffzelle für den Körper gewinnt elektrische Energie aus Blutzucker

Medizinische Kleingeräte und Implantate werden bereits heute genutzt. Ein prominentes Beispiel sind Herzschrittmacher. Und regelmäßig werden weitere solcher Geräte neu entwickelt, die Menschen mit bestimmten Gesundheitsproblemen helfen sollen. Eine Herausforderung ist dabei die Energieversorgung. Forscher:innen haben nun ein cleveres System vorgestellt, das in Zukunft genutzt werden soll, um etwa Implantate mit Strom zu versorgen. Es handelt sich um eine Brennstoffzelle, die aus dem Blutzucker im Körper elektrische Energie gewinnt. Das Konzept wurde auch bereits im Mäuse-Modell getestet, befindet sich allerdings noch in einer frühen Entwicklungsphase.

Strom aus dem Zucker im Blut gewinnen

Medizinische Kleingeräte und Implantate benötigen eine zuverlässige Energieversorgung, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Im Regelfall kommen dabei Batterien oder Akkus zum Eisatz. Allerdings arbeiten Forscher:innen weltweit auch an alternativen Möglichkeiten der Energieversorgung. Ein möglicher Ansatzpunkt ist es etwa, die Bewegung des Körpers zur Energieerzeugung zu nutzen.

Ein Team der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich (ETH) hat ein neuartiges System präsentiert, bei dem der Blutzucker zur Energiegewinnung eingesetzt wird. Die Glukose im Blut fungiert sozusagen als Treibstoff für den Körper. „So kamen wir auf die Idee, Überschuss an metabolischer Energie zu nutzen, um Strom für den Betrieb von biomedizinischen Geräten herzustellen„, erklärt Seniorautor Martin Fussenegger.

Die Forscher:innen entwickelten daraufhin eine Brennstoffzelle, also ein Gerät, das zugeführten Brennstoff elektrochemisch in Strom umsetzen kann. Als Brennstoff wird in diesem speziellen Fall die Glukose im Körper verwendet. Für ihre Brennstoffzelle entwickelten die Wissenschaftler:innen eine spezielle Anode, die aus kupferbasierten Nanopartikeln besteht und die Glukose zur Stromgewinnung in Glukonsäure und ein Atom spaltet. Diese Protonen können dann verwendet werden, um einen Stromkreislauf in Gang zu setzen.

Die Brennstoffzelle wird mit einem biologisch kompatiblen Algenprodukt namens Alginat ummantelt. Dieses saugt sich dann mit Körperflüssigkeit voll und lässt Glukose in die Funktionseinheit passieren. Der Prototyp der Zelle sieht aus wie ein kleiner Teebeutel und kann direkt unter die Haut transplantiert werden.

Tests im Mäusemodell verliefen erfolgreich

Die Funktionalität ihrer Entwicklung zeigten die Forscher:innen anhand einer Anwendung, die bereits in einem Mäusemodell mit Mäusen, die unter Diabetes Typ 1 leiden, getestet wurde. Es handelt sich dabei um speziell hergestellte Betazellen in Kapseln, die bei einer Stimulation durch Strom oder LED-Licht Insulin herstellen können. In einem weiteren Experiment mit Mäusen zeigte das Team, dass die dafür benötigte Energieversorgung von der Blutzucker-Brennstoffzelle übernommen werden kann. Wenn diese Brennstoffzelle einen Glukoseüberschuss registriert, springt die Stromproduktion an. Die dabei gewonnene elektrische Energie wird verwendet, um die Betazellen zu stimulieren, sodass diese Insulin produzieren und den Wirkstoff ins Blut abgeben. Das Insulin lässt den Blutzuckerspiegel absinken. Sobald ein bestimmter Schwellenwert erreicht ist, stoppt die Stromproduktion, sodass kein Insulin mehr produziert wird. Die Brennstoffzelle fungiert in diesem Anwendungsfall also nicht einfach nur als Stromversorgung, sondern überwacht nebenbei auch die Glukosewerte im Blut und reguliert die Insulinproduktion. „Das neue System reguliert den Insulinpegel und damit den Blutzuckerstand somit autonom und könnte künftig zur Diabetesbehandlung eingesetzt werden„, so Fussenegger.

Grafik: Maity D, et al, Adv. Mater. 2023 / ETH Zürich

Die Forscher:innen betonen allerdings auch, dass das Konzept sich trotz des erfolgreichen Tests im Mäusemodell noch in einer frühen Entwicklungsphase befindet. Fraglich ist unter anderem, inwieweit die Brennstoffzelle auch in anderen Anwendungsfällen zum Einsatz kommen kann, in denen eine kontinuierliche Versorgung eines Implantats mit Energie nötig ist. Die ETH sucht aktuell nach Industriepartnern, die Geld und Know-How zur Weiterentwicklung des Systems beitragen können. „Denn ein solches Gerät zur Marktreife zu bringen, übersteigt unsere finanziellen und personellen Mittel bei Weitem„, erklärt Fussenegger.

via ETH Zürich