Glukose ist mehr als ein Zucker, der aus den von uns konsumierten Lebensmitteln gewonnen wird: Es ist die Energie, die jede Zelle in unserem Körper zum Arbeiten bringt. Und in Zukunft könnte es auch unsere medizinischen Implantate antreiben.
Darauf setzen Ingenieure des MIT und der Technischen Universität München. Sie schufen eine neuartige Brennstoffzelle, die Glukose in Strom umwandelt, ohne sie vorher in Wasserstoff umzuwandeln. Und oft nur 400 Nanometer, etwa 1/100 der Dicke eines menschlichen Haares, und erzeugt etwa 43 Mikrowatt Strom pro Quadratzentimeter – die derzeit höchste Leistungsdichte.
Das neue Gerät ist zudem robust, hält Temperaturen bis 600 Grad Celsius stand und ist wasserdicht. Mit anderen Worten, es kann auch dem Hochtemperatur-Sterilisationsprozess standhalten, den alle implantierbaren Geräte erfordern, wenn sie in ein medizinisches Implantat integriert werden.
a) Schema einer keramischen Glucose-Brennstoffzelle basierend auf einer selbsttragenden Membran aus einer porösen Pt-Anode/CeO-Elektrolyten
2 / dichte Pt-Kathode.
b) Optisches Foto eines Brennstoffzellenchips, der 30 einzelne Brennstoffzellenvorrichtungen mit Glukose enthält.
c) Lichtmikroskopische Aufnahme einer einzelnen selbsttragenden Ceroxidmembran.
Wie wird die „Glukosezelle“ hergestellt?
Das Herzstück des neuen Geräts ist Keramik, ein Material, das seine elektrochemischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen und in kleinem Maßstab beibehält. Forscher glauben, dass sie ultradünne Filme erhalten können, die um Implantate herum angebracht werden können, um die Elektronik passiv mit Strom zu versorgen, indem sie die riesigen Glukosereserven unseres Körpers nutzen.
Die Glukose-Brennstoffzelle ist ein Gerät, das Energie aus Zucker erzeugt, der überall in unserem Körper vorhanden ist. Die Idee ist, diese leicht verfügbare Energie zu sammeln und sie zum Aufladen implantierter Geräte zu verwenden Philip Simons, der das Projekt im Rahmen seiner Doktorarbeit am Department of Materials Science and Engineering des MIT entwickelt hat.
„Anstatt eine Batterie zu verwenden, die 90 % des Volumens eines Implantats einnehmen kann, könnten wir das Implantat mit einem dünnen Film beschichten und es ohne Masse mit Strom versorgen“, sagt er. Jennifer L. M. Rupp, Betreuer von Simons und Professor an der Technischen Universität München in Deutschland.
Simons und Kollegen beschreiben das Design der Glukosezelle in der Zeitschrift Fortgeschrittene Werkstoffe: Hier ist der Link.
Weil es sehr wichtig ist
Mit diesem Projekt haben die Forscher einen neuen Weg zu Miniaturstromquellen für implantierte Sensoren und möglicherweise andere Funktionen beschritten. Der „strategische“ Einsatz von Keramik ist ein Wendepunkt: ungiftig, wirtschaftlich, geeignet für Sterilisationsverfahren. Wirklich vielversprechend!
