Faszination Technik Wenn der Mensch zur Energiequelle seiner Implantate wird

Quelle: TU München / Redakteur: Dorothee Quitter

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: eine Glukose-Brennstoffzelle mit keramischer Elektrolytschicht, die den körpereigenen Zucker in Elektrizität umwandelt.

Anstelle von Batterien könnten zukünftig Glukose-Brennstoffzellen in Form von dünnen Filmen auf einem Silizium-Chip aufgebracht werden. Hier sind 30 einzelne Glukose-Brennstoffzellen zu sehen. Eine Zelle kann eine Spitzenspannung von etwa 80 Millivolt erzeugen.
Anstelle von Batterien könnten zukünftig Glukose-Brennstoffzellen in Form von dünnen Filmen auf einem Silizium-Chip aufgebracht werden. Hier sind 30 einzelne Glukose-Brennstoffzellen zu sehen. Eine Zelle kann eine Spitzenspannung von etwa 80 Millivolt erzeugen.
(Bild: Kent Dayton)

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.

Elektrolytschicht aus Keramik erlaubt Platzierung auf Siliziumchip

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. Jedoch verwenden bisherigen Geräte 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. Auch werden die Polymere bei der Sterilisation der Implantate teilweise beschädigt. Die Forscher verwendeten daher für ihre Brennstoffzelle 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.

Glukose-Brennstoffzellen mit Halbleitermaterial kombinierbar

Das Team stellte 150 der Glukose-Brennstoffzellen auf einem Chip her, jede etwa 400 Nanometer dünn und etwa 300 Mikrometer breit. Sie 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.

Zur Originalpublikation in der Fachzeitschrift Advanced Materials

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