20.05.2022 09:03
Mini-Brennstoffzelle erzeugt Strom mit körpereigenem Zucker
Traubenzucker, auch Glukose genannt, ist der wichtigste Energielieferant in unseren Körper. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) wollen den Zucker im Körper nun auch als Energiequelle für medizinische Implantate nutzen. Sie haben eine Glukose-Brennstoffzelle entwickelt, die den Zucker in Elektrizität umwandelt.
Plötzlich gesund
Fortschreitende Naturerkenntnis, ganz allgemein gesprochen, ‘Wissenschaft’, ist der stärkste Feind des medizinischen Wunders. Was unseren Vorfahren als Wunder erschien, was einfache Naturvölker heute noch in heftige Erregung versetzt, das berührt den zivilisierten Menschen längst nicht mehr.
Doch es gibt einen Gegensatz, der jedem Denkenden sofort auffällt: der unerhörte, durchaus nicht abgeschlossene Aufstieg der wissenschaftlichen Heilkunde und die ebenso unerhörte Zunahme der Laienbehandlung und der Kurpfuscherei. Man schätzt die Zahl der Menschen, die der Schulmedizin kein Vertrauen schenken, auf immerhin 50 Prozent.
Wie kann es sein, daß Laienbehandler und Kurpfuscher immer wieder spektakuläre Erfolge aufweisen, von denen die Sensationspresse berichtet?
Der Autor geht dieser Frage nach und kommt zu interessanten Erkenntnissen, aus denen er Vorschläge für eine bessere Krankenbehandlung durch seine ärztlichen Standesgenossen ableitet.
Medizinische Implantate wie etwa Sensoren zur Messung der Vitalfunktionen, Elektroden zur Hirntiefenstimulation bei Parkinson oder auch Herzschrittmacher benötigen zuverlässige und möglichst kleine Stromquellen. Batterien können jedoch nicht beliebig verkleinert werden, da sie ein gewisses Volumen benötigen, um Energie zu speichern.
Ein Forschungsteam um Jennifer Rupp, Professorin für Chemie der Festkörperelektrolyte an der TUM und Dr. Philipp Simons vom MIT hat nun eine Glukose-Brennstoffzelle entwickelt, die nur 400 Nanometer dick ist – ein Hundertstel des Durchmessers eines menschlichen Haares. “Anstatt eine Batterie zu verwenden, die 90 Prozent des Volumens eines Implantats beansprucht, könnte unser Gerät in Form von dünnen Filmen auf einem Silizium-Chip oder zukünftig sogar auf die Oberfläche der Implantate aufgebracht werden”, sagt Rupp.
Keramik statt Kunststoff
Die Glukose-Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden – der Kathode und der Anode – sowie einer Elektrolytschicht. Die Glukose aus dem Körper wird an der Anode in Glukonsäure umgewandelt, wobei Protonen freigesetzt werden. Der Elektrolyt leitet die Protonen durch die Brennstoffzelle zur Kathode, wo sie sich mit der Luft zu Wassermolekülen verbinden. Die Elektronen fließen in einen externen Stromkreis, wo sie zur Stromversorgung eines elektronischen Geräts verwendet werden können.
Die Idee, Glukose-Brennstoffzellen als Stromquelle zu nutzen, ist nicht neu. Die bisherigen Geräte verwendeten dabei Kunststoffe als Elektrolytschicht. „Da Kunststoffmaterialien nicht mit gängigen Produktionsverfahren der Halbleiterindustrie kompatibel sind, können sie nur schwer auf Siliziumchips aufgebracht werden, die Stand der Technik bei medizinischen Implantaten sind. Dazu sind harte Materialien nötig“, erklärt Simons. Ein weiterer Nachteil: Bei der Sterilisation der Implantate werden die Polymere, aus denen der Kunststoff besteht, teilweise beschädigt.
Die Forscherinnen und Forscher verwendeten für ihre Brennstoffzelle daher keramische Elektrolyte. Die gewählte Keramik lässt sich leicht miniaturisieren und auf einem Siliziumchip integrieren und ist biokompatibel. Das Material hält außerdem auch hohen Temperaturen stand.
Bisher höchste Leistungsdichte
Das Team stellte 150 der Glukose-Brennstoffzellen auf einem Chip her, jede etwa 400 Nanometer dünn und etwa 300 Mikrometer breit. Die Forscherinnen und Forscher brachten die Zellen auf Siliziumwafern auf und zeigten so, dass die Geräte mit einem gängigen Halbleitermaterial kombiniert werden können. Anschließend ließen sie eine Glukoselösung über jeden Wafer fließen.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler stellten fest, dass viele der Zellen eine Spitzenspannung von etwa 80 Millivolt erzeugten. Diese Spannung ist ausreichend, um Sensoren und viele andere elektronische Geräte für Implantate zu betreiben. In Anbetracht der winzigen Größe jeder Zelle ist dies die höchste Leistungsdichte aller bisherigen Glukose-Brennstoffzellendesigns.
“Es ist das erste Mal, dass die Protonenleitung in elektrokeramischen Materialien für die Umwandlung von Glukose in Strom genutzt werden kann”, erklärt Rupp. In einem nächsten Schritt will das Forschungsteam dazu beitragen, die Erfindung langfristig in die praktische Anwendung zu bringen.
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Jennifer Rupp
Technische Universität München
Professur für Chemie der Festkörperelektrolyte
+49 89 289 54440
jrupp@tum.de
Originalpublikation:
Philipp Simons, Steven A. Schenk, Marco A. Gysel, Lorenz F. Olbrich, Jennifer L.M. Rupp: A Ceramic-Electrolyte Glucose Fuel Cell for Implantable Electronics, Advanced Materials, April 2022,
https://doi.org/10.1002/adma.202109075
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten
Chemie, Elektrotechnik, Energie, Medizin, Werkstoffwissenschaften
überregional
Forschungsergebnisse
Deutsch
