Implantatversorgen mit Energie aus Blutzucker

Laut den Wissenschaftlern leiden die Versuchstiere keine Schmerzen, da sich an den Eintrittsstellen für die Geräte keinerlei Nervenenden befinden. Zukünftig soll diese Technologie zur Energieversorgung von Herzschrittmachern und anderen Implantaten verwendet werden.

Stromerzeugung aus Zucker - Christian Köhler, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Sven Kerzenmacher am Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg, gibt einen kurzen Überblick über die Stromgewinnung aus Zucker. Um Strom zu erzeugen, wird an der Anode Glukose oxidiert und an der Kathode Sauerstoff reduziert. Dadurch wandern die Elektroden und es fließt Strom. Dieser Prozess erfordert allerdings einen Katalysator. Hier gibt es zwei verschiedene Ansätze, die verfolgt werden: Abiotische Brennstoffzellen verwenden Elektroden aus Platin, die gleichzeitig als Katalysator dienen, bei enzymatischen Zellen übernehmen Enzyme die Oxidation von Glukose.

Die Technologie wurde schon früher von US-Wissenschaftler an Schnecken, Muscheln und den Ohren von Hasen getestet. Erstmals wurde ein elektronisches Gerät durch Energie aus dem Inneren eines lebenden Organismus mit Strom versorgt. Beim Experiment mit einer Hummer als Energielieferant und einer Uhr als Verbraucher sank nach einer Stunde der Blutzuckerspiegel der Hummer vorerst ab. Nach der Nahrungsaufnahme stieg er allerdings wieder an und die Hummer betrieben die Uhr weiter. Die Energiequelle zum Betrieb der so genannten ‚Hummer-Uhr’ galt als Auftakt für weitere Forschungen.

Versuche an einem künstlichen System, das dem menschlichen Kreislauf nachempfunden wurde, haben bewiesen, dass die Glukosekonzentrationen, die im menschlichen Körper normalerweise vorkommen, ausreichen, um einen Herzschrittmacher zu betreiben. Die Wissenschaftler haben in einem Experiment mit verschiedenen Blutzuckerwerten in künstlichen Lösungen einen Schrittmacher fünf Stunden lang ausschließlich mit Energie aus Glukose betrieben.

Einsatz in der Medizintechnik - Die Brennstoffzellen haben eine Größe von wenigen Quadratzentimetern. Ein Modul mit zirka 13 cm² passt zu den Maßen eines Herzschrittmachers. Die Elektrode könnte mit einem galvanischen Verfahren direkt auf einen Schrittmacher aufgebracht werden. Die Größe der Zellen ist direkt proportional zur Leistung. Für die Versorgung von Implantaten reicht der Strom aus den kleinen Modulen in unserem Labor schon aus. Nach der Meinung von Christian Köhler ist der Weg bis zu einer medizinischen Anwendung aber noch weit.

Es gibt derzeit noch einige Probleme zu lösen. Enzyme haben eine begrenzte Lebensdauer und die Katalysatoren aus Platin verstopfen im Körper nach kurzer Zeit. Die Leistungsdichte enzymatischer Brennstoffzellen ist höher als die von abiotischen. Das Potenzial der Technologie ist unbestritten. In Zukunft sollen die Brennstoffzellen Humanimplantate unbegrenzt und kontinuierlich mit Strom versorgen. Patienten müssten sich dann lediglich einmal einer Operation unterziehen. Mögliche Anwendungen reichen von Glukose-Sensoren für Diabetiker bis zu Herzschrittmachern.

Die Forscher haben bereits einige Ideen, wie sie die derzeitigen Probleme beheben könnten. In den nächsten zehn Jahren sollte zumindest im Labor klar sein, ob das Konzept einsatzfähig ist. Für einen Einsatz beim Menschen muss das System 100 %ig zuverlässig sein. Dazu sind langfristige Zulassungsstudien nötig.

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