Innovative Brennstoffzellen liefern Strom für medizinische Implantate

Winzige Sensoren sammeln im Körper Informationen ein, während Chips kleine Stromstöße abgeben, um wichtige Funktionen zu aktivieren – die Entwicklung kleinster medizinischer Implantate hat in den vergangenen Jahren einen enormen Schub erfahren. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die Energieversorgung. Es gibt zahlreiche unterschiedliche Konzepte. Ein Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat jetzt einen Weg gefunden, Zucker dafür nutzbar zu machen.

Glukose-Brennstoffzelle als natürlicher Energielieferant

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben eine Brennstoffzelle entwickelt, die Zucker (Glukose) in Elektrizität umwandeln kann. Das klingt fast nach einem natürlichen Prozess, denn dieser Einfachzucker – umgangssprachlich besser bekannt als Traubenzucker – ist auch für den Körper einer der wichtigsten Energielieferanten.

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Solche Innovationen werden dringend benötigt, denn unter anderem Elektroden zur Hirntiefenstimulation bei Parkinson oder auch Herzschrittmacher sind auf eine zuverlässige Stromquelle angewiesen. Batterien müssen allerdings eine gewisse Größe haben, um genug Energie speichern zu können. Wünschenswert wäre es jedoch, die Stromquellen weiter zu verkleinern. Das würde unter anderem ihre Verträglichkeit verbessern.

Die Glukose-Brennstoffzelle, die das Forscherteam entwickelt hat, setzt hier neue Maßstäbe. Denn sie ist nur 400 Nanometer dick – das entspricht etwa einem Hundertstel des Durchmessers eines menschlichen Haares. „Anstatt eine Batterie zu verwenden, die 90% 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 Jennifer Rupp, Professorin für Chemie der Festkörperelektrolyte an der TUM.

Keramik macht Glukose-Brennstoffzelle alltagstauglich für medizinische Implantate

Dabei ist die Idee, Zucker als Energielieferanten zu nutzen, keineswegs neu. Üblicherweise wird dabei aber Kunststoff als Elektrolytschicht eingesetzt, und das ist nicht ganz unproblematisch, wie Philipp Simons vom MIT erklärt: „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.“ Bei der Sterilisation der Implantate könnten Polymere zudem beschädigt werden.

Die Lösung der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ist also ein alternatives Material. Für ihre Glukose-Brennstoffzelle setzen sie keramische Elektrolyte ein. Nach Angaben der Forschenden hat das gleich mehrere Vorteile: Ihre Keramik lasse sich problemlos in einem sehr kleinen Maßstab herstellen und auf einem Siliziumchip integrieren. Zudem sei sie biokompatibel und unempfindlich gegenüber hohen Temperaturen. Das Verfahren der Sterilisation überstehe sie dementsprechend unbeschadet.

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Hohe Leistung der Glukose-Brennstoffzellen gemessen

So funktioniert die Glukose-Brennstoffzelle im Detail: Sie besteht wie gewohnt aus zwei Elektroden, der Kathode und der Anode, sowie einer Elektrolytschicht. Der Zucker, der im Körper vorhanden ist, wird im ersten Schritt an der Anode in Glukonsäure umgewandelt. Bei diesem Prozess werden Protonen freigesetzt. Der Elektrolyt leitet die Protonen dann durch die Brennstoffzelle zur Kathode. Dort verbindet sie sich mit der Luft zu Wassermolekülen. Die Elektronen fließen in einen externen Stromkreis, wo sie zur Stromversorgung eines elektronischen Geräts verwendet werden können.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler stellten 150 Brennstoffzellen auf einem Chip her. Sie brachten die Zellen auf Siliziumwafern auf und ließen schließlich eine Glukoselösung über die Wafer laufen. Dabei erzeugten viele der Zellen eine Spitzenspannung von ungefähr 80 Millivolt. Diese Spannung würde nach Ansicht der Forschenden ausreichen, um Sensoren und andere Geräte für Implantate mit Energie zu versorgen. „Es ist das erste Mal, dass die Protonenleitung in elektrokeramischen Materialien für die Umwandlung von Glukose in Strom genutzt werden kann“, sagt Rupp.

Der nächste Schritt steht auch schon fest: Bei der Theorie soll es nicht bleiben. Das Team will die Glukose-Brennstoffzelle weiterentwickeln, damit möglichst schnell praktische Anwendungstests folgen können.