Millionen Menschen weltweit tragen einen Herzschrittmacher – ein implantiertes Gerät, das sie gegen Rhythmusstörungen und Aussetzer ihres Herzens schützt. Doch bisher haben diese Geräte einen Nachteil: Ihre Batterien müssen nach einiger Zeit ausgetauscht werden. Jetzt haben Forscher einen Schrittmacher entwickelt, der ganz ohne Batterien auskommt. Seine Energie bezieht er stattdessen triboelektrisch – aus der Bewegung des Herzens. In ersten Tests mit Schweinen konnte dieser sich selbst mit Strom versorgende Schrittmacher genügend Strom erzeugen, um seine Funktion zu erfüllen und Rhythmusstörungen zu beseitigen.
Schon seit einigen Jahren forschen Wissenschaftler weltweit an Technologien, die elektronische Geräte von Batterien und Akkus unabhängig machen könnten. Möglich wird dies beispielsweise durch Materialien, die unter dem Einfluss von Temperaturschwankungen oder Magnetfeldern Elektronen freisetzen, aber auch durch triboelektrische Verbundstoffe, die bei Druck oder Verformung Strom erzeugen. Dabei kommt es beim Kontakt zweier Materialschichten zum Austausch von Elektronen, die bei der anschließenden Trennung abgeleitet werden können. Ein Beispiel für solche triboelektrische Generatoren haben Forscher erst vor wenigen Monaten genutzt, um eine implantierten Nervenstimulator bei Ratten zu betreiben. Für die nötige Energie sorgte in diesem Fall die natürliche Peristaltik des Magens.
Kontakt und Trennung setzen Elektronen frei
Doch bisherige Versionen triboelektrischer Generatoren für Implantate hatten ein Manko: Ihre Energieproduktion war noch zu gering, um Schrittmacher und andere Implantate beim Menschen anzutreiben. Jetzt jedoch könnte Forschern um Han Ouyang vom Institut für Nanoenergie und Nanosysteme in Peking ein wichtiger Schritt in diese Richtung gelungen sein. Sie haben ein triboelektrisches System entwickelt, das die Bewegung des Herzens zur Energiegewinnung nutzt – und dabei genügend Strom erzeugt, um einen gängigen Herzschrittmacher anzutreiben. Die Wissenschaftler beschreiben ihr implantierbares System als quasi symbiotisch: “Der symbiotische Schrittmacher nimmt Energie vom Körper auf um seine Arbeit leisten zu können. Gleichzeitig bekommt der Körper dafür elektrische Stimulation vom Schrittmacher um die Herztätigkeit zu regulieren”, so Ouyang und sein Team.
Konkret besteht der Energiesammler dieses Systems aus einer triboelektrischen Schicht polarisierten Polytetrafluorethylens (PTFE) und einer Aluminiumschicht, die als Elektronendonor fungiert. Beide Schichten sind normalerweise durch einen porösen, schwammartigen Abstandshalter getrennt. Durch die Herzbewegung wird diese elastische Trennschicht zusammengedrückt und es kommt zum Elektronentransfer. Die erzeugte Spannung wird über eine Elektrode abgeleitet und an einen kleinen Kondensator als Speichereinheit übertragen. Der gesamte Generator ist in einer Hülle eingeschlossen und kann so zusammen mit dem Schrittmacher und der Speichereinheit in den Brustkorb implantiert werden.
Herzrhythmusstörungen beim Schwein behoben
Wie gut dieser “symbiotische” Schrittmacher funktioniert, haben Ouyang und sein Team an Schweinen getestet. Diese besitzen Herzen, die den menschlichen sehr ähnlich sind und die auch in Größe, Gewicht und dem Energiebedarf für Schrittmacher vergleichbar sind. Der triboelektrische Energiesammler wurde den Schweinen nahe an der Wand der linken Herzkammer implantiert. “Dadurch bewirkte die Herzbewegung periodischen Kontakt und Trennung der beiden triboelektrischen Schichten”, erklären die Forscher. Bei jeder Systole des Herzens wurde der Generator zusammengedrückt und erzeugte einen Spannungspuls. Die dabei erzeugte Energie entsprach rund 0,495 Mikrojoule. Das sei mehr als die für Schrittmacher nötige Schwelle bei Schwein oder Mensch, berichten die Wissenschaftler. Im Laufe von drei Stunden stieg dadurch in der Speichereinheit die elektrische Spannung schrittweise von 0 auf 3,55 Volt.
Nun folgte der eigentliche Test: Die Forscher koppelten den Generator an einen gängigen kommerziellen Herzschrittmacher und lösten – nach der entsprechenden Aufladungsphase – bei dem Schwein durch starkes Abkühlen der Herzgegend vorübergehende Rhythmusstörungen aus. Der Schrittmacher reagierte darauf und sendete Stromstöße aus, die das Schweineherz wieder zu geregelten Schlägen animierten, wie die Wissenschaftler berichten. Der zwischenzeitlich abgesunkene Blutdruck des Tieres normalisierte sich dadurch wieder. Weil der Schrittmacher durch seine Impulse den Energievorrat der Speichereinheit aufbrauchte, stoppte die Anregung des Herzens nach rund einer Minute. Der normale Herzrhythmus war da jedoch schon wiederhergestellt.
“Dieser Generator stellt damit eine vielversprechende Methode dar, um biomechanische Energie in vivo zu sammeln”, konstatieren Ouyang und sein Team. “Die Leistung des Geräts ist beeindruckend, denn sie ist viermal so hoch wie bei bisherigen Ansätzen dieser Art.” Zudem sei das System gut verträglich und haltbar. In Tests absolvierte der triboelektrische Generator bereits mehr als 100 Millionen mechanische Stimulationszyklen, wie die Wissenschaftler berichten. Bevor ein solcher sich selbst versorgender Herzschrittmacher allerdings beim Menschen implantiert werden kann, müsse das System noch kleiner und effizienter werden, so Ouyang und seine Kollegen. Dann aber könnten solche “symbiotischen Bioelektroniken” für eine Vielzahl von medizinischen Anwendungen eingesetzt werden.
Quelle: Han Ouyang (Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems, Peking) et al., Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-019-09851-1
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