Mini-Brennstoffzelle läuft mit Glucose

Winziger Stromlieferant: Künftig könnten medizinische Implantate mit im Körper erzeugtem Strom laufen statt mit einer Batterie. Denn Forschende haben eine Mini-Brennstoffzelle entwickelt, die körpereigene Glucose spaltet und so den nötigen Strom produziert. Dank eines hauchdünnen Keramik-Elektrolyten und Platinelektroden ist die nur 400 Nanometer dünne Glucose-Brennstoffzelle problemlos sterilisierbar und bioverträglich., wie das Team berichtet.

Medizinische Implantate wie Sensoren, Herzschrittmacher oder Elektroden zur Schmerzhemmung oder der tiefen Hirnstimulation benötigen zuverlässige und möglichst kleine Stromquellen. Bisher laufen gängige Implantate mit Lithium-Ionen-Akkus, doch diese Batterien können nicht beliebig verkleinert werden. Wissenschaftler suchen daher nach Möglichkeiten, Strom auf andere Wiese zu gewinnen, beispielsweise triboelektrisch aus der Bewegung des Herzens. Das ist jedoch nur bei bewegten Organen möglich.

Körpereigene Glucose als Energielieferant

Eine andere Lösung haben nun Philipp Simons vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) und seine Kollegen entwickelt. Sie haben eine Glucose-Brennstoffzelle entwickelt, die körpereigenen Zucker in Elektrizität umwandelt. Glucose ist im Körper überall vorhanden, daher liege es nahe, dessen leicht verfügbare Energie elektrochemisch zu nutzen, so Simons. Die Idee einer Glucose-Brennstoffzelle ist nicht neu, schon in den 1960ern wurde damit experimentiert.

Frühere Ansätze nutzten Polymere als Elektrolytschicht. Weil diese aber hitzeempfindlich sind, ließen sie sich nur schlecht sterilisieren. Zudem sind waren nur schwer mit den Siliziumchips der gängigen Implantate zu verbinden und wurden daher schon früh durch die Lithium-Ionen-Akkus ersetzt. „Der jüngste Schub der Miniaturisierung von Bioelektronik hat den Bedarf an implantierbaren Stromquellen mit höherer Energiedichte geschaffen“, erklären die Forschenden.

Keramisches Cerdioxid als Elektrolyt

Das Team hat daher eine neue Version der Glucose-Brennstoffzelle entwickelt, die einen keramischen Elektrolyt statt des Polymers verwendet. Das insgesamt nur 370 Nanometer dünne Ensemble besteht aus zwei Elektroden aus Platin, die von einer hauchdünnen Schicht aus keramischem Cerdioxid (CeO₂) getrennt werden. Dieses Material ist hart, bioverträglich und gut durchlässig für Protonen, weshalb es auch in gängigen Wasserstoff-Brennstoffzellen schon eingesetzt wird.

Strom erzeugt diese Brennstoffzelle aus der in den Körperflüssigkeiten vorhandenen Glucose. Diese wird an der Anode in Glukonsäure umgewandelt, wobei ein Paar Protonen und ein Paar Elektronen freigesetzt werden. Der Elektrolyt leitet die Protonen durch die Brennstoffzelle zur Kathode, wo sie sich mit Luft zu Wassermolekülen verbinden. Die freigewordenen Elektronen werden in einen externen Stromkreis abgeleitet, wo sie zur Stromversorgung des elektronischen Implantats verwendet werden können.

Genug Spannung für Mikroimplantate

Für erste Versuche produzierten Simons und seine Kollegen Testsysteme mit 150 der rund 300 Mikrometer breiten Brennstoffzell-Einheiten, verteilt auf fünf Siliziumchips. Dann ließen sie eine Glukoselösung über jeden Wafer fließen und maßen die von den Systemen erzeugte Spannung. Das Ergebnis: Die winzigen Dünnschicht-Brennstoffzellen produzierten im Mittel eine Spannung von rund 35 Millivolt. Die Energiedichte lag bei knapp zwölf Mikrowatt pro Quadratzentimeter, der Maximalwert erreichte sogar 43 Mikrowatt pro Quadratzentimeter.

„Damit erreicht das System Werte, die für miniaturisierte Geräte relevant sind“, berichtet das Team. „Die keramischen Mikro-Glucose-Brennstoffzellen sind die bisher kleinsten potenziell implantierbaren Stromquellen und könnten so neue hochgradig miniaturisierte Implantate ermöglichen.“ (Advanced Materials, 2022; doi: 10.1002/adma.202109075)

Quelle: Massachusetts Institute of Technology, Technische Universität München