Kleine Geräte, die auf oder im Körper platziert werden, sollen Menschen mit bestimmten Gesundheitsproblemen helfen: Ein Beispiel dafür ist der Herzschrittmacher, doch auch andere medizinische Kleingeräte und Implantate werden bereits genutzt oder momentan entwickelt. Ein Anwendungsbereich ist dabei die Behandlung des Typ-1-Diabetes, bei dem der Körper der Betroffenen selbst kein Insulin mehr bilden kann. Um das Hormon zur Regulierung des Blutzuckerspiegels zuzuführen, kommen bereits Insulinpumpen zum Einsatz.
Glukose-Brennstoffzelle statt Batterie
Für ihre Funktionen benötigen medizinische Geräte natürlich eine zuverlässige Energieversorgung. In der Regel werden dafür Batterien oder Akkus eingesetzt. Doch seit einiger Zeit arbeiten Forscher auch an alternativen Möglichkeiten der Energiebereitstellung, etwa durch die Nutzung der Bewegungen des Körpers. Ein Forscherteam der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH) präsentiert nun ein neuartiges System. Sie nutzen dabei den Blutzucker – den Treibstoff des Körpers –, um elektrische Energie zu erzeugen: Dieser Glukose genannte Energieträger befindet sich im Blut, aber auch in anderen Körperflüssigkeiten. „So kamen wir auf die Idee, Überschuss an metabolischer Energie zu nutzen, um Strom für den Betrieb von biomedizinischen Geräten herzustellen“, sagt Seniorautor Martin Fussenegger.
Bei ihrer Entwicklung handelt es sich um eine sogenannte Brennstoffzelle. So werden technische Geräte bezeichnet, die anstatt Bewegungsenergie einen zugeführten Brennstoff elektrochemisch in Strom umsetzen können. Im Fall des Konzepts der Forscher ist dies die Glukose aus der Körperflüssigkeit. Möglich wird die Nutzung durch eine speziell entwickelte Anode (Elektrode) in der Blutzucker-Brennstoffzelle. Sie besteht aus kupferbasierten Nanopartikeln und spaltet zur Stromerzeugung Glukose in Glukonsäure und ein Proton auf. Die positiv geladenen Teilchen können dann einen Stromkreislauf in Gang setzen, erklären die Wissenschaftler.
Um für die „Treibstoffzufuhr“ und Implantierbarkeit dieser Brennstoffzelle zu sorgen, wird sie mit einem biologisch kompatiblen Algenprodukt ummantelt. Dieses sogenannte Alginat saugt sich mit Körperflüssigkeit voll und lässt dabei Glukose aus dem Gewebe in die Funktionseinheit passieren. Der bisher entwickelte Prototyp der Blutzucker-Brennstoffzelle ähnelt dadurch einem kleinen Teebeutel, der unter die Haut eingesetzt werden kann. Dass das Konzept tatsächlich auch für eine brauchbare Leistung sorgen kann, verdeutlichte die Forschergruppe anhand einer raffinierteren Anwendung, die sie bereits zuvor entwickelt und in einem experimentellen Modell des Typ-1-Diabetes bei Mäusen erfolgreich eingesetzt haben.
