25.05.2022
Hocheffiziente Glukose-Brennstoffzelle für medizinische Implantate und Sensoren
Glukose ist der wichtigste Energielieferant in unseren Körper. 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.
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 Sauerstoff 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 Forschenden 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 Forschenden 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 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.
Quelle: Technische Universität München