Medizin: Dieses Implantat erzeugt Strom aus dem Sauerstoff im Blut

Medizinische Implantate kommen immer häufiger zum Einsatz. Aber egal, ob es sich um einen Herzschrittmacher oder einen Neurostimulator im Gehirn handelt: Sie alle benötigen Strom. Diesen erhalten sie in der Regel von Lithium-Iod- oder aber Silber-Zink-Batterien. Forscher:innen haben nun eine neue Art von Batterie entwickelt, die Strom aus dem Sauerstoffgehalt im Blut erzeugen kann. In der Theorie können diese Akkus damit unendlich lange laufen. Künftig könnten mit ihnen dann alle möglichen Arten von medizinischen Implantaten betrieben werden. Allerdings gibt es dabei ein Problem.

Sauerstoff im Blut ist Teil der chemischen Reaktion

Die konventionellen Stromspeicher, die derzeit in medizinischen Implantaten zum Einsatz kommen, haben naturgemäß nur eine begrenzte Lebensdauer. Ist diese erschöpft, müssen die Batterien ersetzt werden – in der Regel operativ. Dies stellt natürlich eine Belastung für die Patient:innen dar. Deshalb arbeiten Forscher:innen weltweit an neuen Akkutechnologien, die als Alternative zum Einsatz kommen können.

Einen solchen Ansatz hat nun ein Forschungsteam rund um Yang Lv von der Tianjin University of Technology in China entwickelt. Die implantierbare Batterie, die das Team vorgestellt hat, setzt auf körpereigene Ressourcen und muss deshalb nicht ausgetauscht werden. Der Akku wird mit Sauerstoff aus dem menschlichen Blut betrieben. „Wenn wir die kontinuierliche Sauerstoffzufuhr im Körper nutzen können, wird die Lebensdauer der Batterien nicht durch die endlichen Materialien in herkömmlichen Batterien begrenzt„, so Xizheng Liu, Koautor des betreffenden Paper.

Für die Umwandlung von Blutsauerstoff in Strom müssen die Elektroden elektrochemische Reaktionen mit dem körpereigenen Sauerstoff eingehen. Die Forscher:innen verwendeten eine Anode aus einer Natrium-Metall-Legierung mit Gallium und Zinn (NaGaSn) und einen Katalysator aus porösem Gold für die Kathode. Zwischen diesen beiden Elektroden platzierten sie dann eine Membran. Für den Schutz der Batterie sorgt ein weicher, flexibler Film aus einem Biopolymer.

An der Anode wird Natrium zu Natriumionen oxidiert. Diese bewegen sich dann durch die Membran zur Kathode, während die an der Anode freigewordenen Elektronen über den Stromkreislauf zur Kathode wandern. Dort angekommen reagieren sie mit den Natriumionen und dem Sauerstoff zu Natriumoxid. Im Rahmen dieser Reaktion wird dann Energie freigesetzt.

Erprobung im Tierversuch

Die Materialien, die dabei zum Einsatz kommen, sind komplett biokompatibel, können also in den menschlichen Körper implantiert werden, ohne dass es zu Entzündungen oder anderen Reaktionen kommen sollte. Derzeit testen die Forscher:innen anhand eines Rattenmodells, ob die Prototypen wirklich ohne Probleme in lebendes Gewebe eingesetzt werden können.

Die Tiere im Versuch wiese keine Entzündungsreaktionen auf. Ferner kam es nicht zu einem Einfluss der Nebenprodukte der Stromerzeugung (Natriumionen, Hydroxidionen und geringe Mengen Wasserstoffperoxid) auf den Stoffwechsel der Tiere. Die Nebenprodukte wurden problemlos abgebaut, und auch Tests der Leber- und Nierenfunktion ergaben keine Probleme. Zudem heilten die Wunden, die beim Einsetzen des Implantats entstanden, problemlos wieder ab.

Batterien erzeugen erst nach Wundheilung stabil Strom

Als das Team die Batterien auf ihre Funktion hin testeten, ergab sich, dass diese zwei Wochen nach dem Einsetzen eine stabile Spannung erzeugten, die zwischen 1,3 und 1,4 Volt lag. Dabei betrug die maximale Leistung 2,6 Mikrowatt pro Quadratzentimeter. Die Leistung der Prototypen reicht noch nicht für Geräte wie Herzschrittmacher aus, allerdings zeigte sich, dass die Erzeugung elektrischer Energie aus körpereigenem Sauerstoff im Grundsatz möglich ist. Die Forscher:innen fanden außerdem heraus, dass die Wunde verheilen muss, damit die Blutgefäße um die Batterie herum ausreichend regenerieren um die Erzeugung einer stabilen Spannung zu ermöglichen.

In weiteren Studien sollen nun andere Materialien für die Elektroden getestet werden. Außerdem will das Team die Effizienz der Stromerzeugung verbessern, sodass die Batterien dann tatsächlich für medizinische Implantate verwendent werden können. Auch der Einsatz bei der Behandlung von Tumoren wäre möglich. „Da Tumorzellen empfindlich auf Sauerstoff reagieren, kann die Implantation dieser sauerstoffverbrauchenden Batterie dazu beitragen, Krebs auszuhungern. Es ist auch möglich, die Batterieenergie in Wärme umzuwandeln, um Krebszellen abzutöten„, erklärt Liu.

via Science Daily