Medizintechnik: Brennstoffzelle in Ratte implantiert
© Cinquin, P. et al.: A Glucose BioFuel Cell Implanted in Rats. In: PLoS ONE 5, e10476, 2010, fig. 1B (Ausschnitt)
Künstliche Organe, die ihre natürlichen Gegenstücke bei Ausfall ersetzen, sind heutzutage technisch ohne Weiteres möglich, doch ihre Energieversorgung gestaltet sich schwierig. Deswegen versuchen Forscher mit Hilfe von Biobrennstoffzellen den nötigen Strom aus dem im Blut reichlich vorhandenen Zucker Glukose zu gewinnen. Französische Forscher haben jetzt eine solche Zelle erfolgreich an einer Ratte getestet. Das Gerät von der Größe einer Fingerkuppe lieferte, allein durch die extrazelluläre Flüssigkeit mit Glukose und Sauerstoff versorgt, über einen Zeitraum von elf Tagen eine Leistung von zwei Mikrowatt. Die Batterie eines Herzschrittmachers liefert etwa zehn Mikrowatt.
So lange eine Anwendung nur sehr geringe Leistungen erfordert, kann die entsprechende Energie von außen zugeführt werden. Doch viele prinzipiell mögliche Anwendungen brauchen ein Vielfaches davon – schon ein künstlicher Schließmuskel erfordert 200 Mikrowatt, und eine künstliche Niere nach Schätzungen von Wissenschaftlern noch einmal 100 Mal mehr. Um diese Energiemengen zuverlässig über lange Zeiträume bereitzustellen, müssen die Geräte auf die Energiequellen des Körpers selbst zurückgreifen: die chemische Energie der Glukose.
Wie in einer Körperzelle wird in einer Biobrennstoffzelle Glukose oxidiert, um Energie zu gewinnen. Die Reaktionen laufen mit Hilfe spezieller Biokatalysatoren ab, die an Kathode und Anode fixiert sind. Treibende Kraft der Zelle ist die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser, die von geeigneten Enzymen katalysiert wird. Die nötigen Elektronen stammen aus der Oxidation der Glukose an der Anode durch Glukose-Oxidase.
Allerdings sind nicht alle Enzyme gleich gut für die Konstruktion einer Biobrennstoffzelle geeignet. Bisherige Prototypen verwenden für die Wasseroxidation die Bilirubin-Oxidase, die die kovalente Bindung an die Elektrode besser verträgt als andere Enzyme. Sie ist jedoch für den Einsatz im Körper ungeeignet, da sie nur bei pH-Werten arbeitet, die nicht der Körperphysiologie entsprechen, und von Chlorid und Harnstoff gehemmt wird.
Deswegen haben die Wissenschaftler um Serge Cosnier vom CNRS die benötigten Enzyme und Kofaktoren rein mechanisch an die Elektroden gefesselt: Einerseits schlossen sie die Moleküle in der Porenstruktur der Graphitelektroden ein, zum anderen verwendeten sie eine semipermeable Membran, um die Chemikalien am Ort der Reaktion festzuhalten. Auf diese Weise konnten sie mit der Polyphenol-Oxidase ein Enzym verwenden, das auch unter den Bedingungen im Körper funktioniert.
Die so hergestellte Zelle implantierten die Forscher in den Bauchraum einer ausgewachsenen Ratte, um die Stromproduktion unter physiologischen Bedingungen zu testen. Tatsächlich lieferten die Elektroden bei einem Gesamtvolumen von 133 Mikrolitern eine stabile Leistung von zwei Mikrowatt über mehrere Tage.
In einem weiteren Versuch zeigten die Forscher, dass die beteiligten Enzyme wie Glukose-Oxidase in einer geeigneten Verpackung über mehr als drei Monate im Körper verbleiben können, ohne nennenswert an Aktivität zu verlieren. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass es dank weiterer Verbesserungen der Elektrodensysteme und mit deutlich größeren Zellen bald gelingen wird, implantierte Geräte zu betreiben, die dauerhaft ein Milliwatt oder sogar noch mehr Leistung benötigen. (lf)
So lange eine Anwendung nur sehr geringe Leistungen erfordert, kann die entsprechende Energie von außen zugeführt werden. Doch viele prinzipiell mögliche Anwendungen brauchen ein Vielfaches davon – schon ein künstlicher Schließmuskel erfordert 200 Mikrowatt, und eine künstliche Niere nach Schätzungen von Wissenschaftlern noch einmal 100 Mal mehr. Um diese Energiemengen zuverlässig über lange Zeiträume bereitzustellen, müssen die Geräte auf die Energiequellen des Körpers selbst zurückgreifen: die chemische Energie der Glukose.
Wie in einer Körperzelle wird in einer Biobrennstoffzelle Glukose oxidiert, um Energie zu gewinnen. Die Reaktionen laufen mit Hilfe spezieller Biokatalysatoren ab, die an Kathode und Anode fixiert sind. Treibende Kraft der Zelle ist die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser, die von geeigneten Enzymen katalysiert wird. Die nötigen Elektronen stammen aus der Oxidation der Glukose an der Anode durch Glukose-Oxidase.
Allerdings sind nicht alle Enzyme gleich gut für die Konstruktion einer Biobrennstoffzelle geeignet. Bisherige Prototypen verwenden für die Wasseroxidation die Bilirubin-Oxidase, die die kovalente Bindung an die Elektrode besser verträgt als andere Enzyme. Sie ist jedoch für den Einsatz im Körper ungeeignet, da sie nur bei pH-Werten arbeitet, die nicht der Körperphysiologie entsprechen, und von Chlorid und Harnstoff gehemmt wird.
Deswegen haben die Wissenschaftler um Serge Cosnier vom CNRS die benötigten Enzyme und Kofaktoren rein mechanisch an die Elektroden gefesselt: Einerseits schlossen sie die Moleküle in der Porenstruktur der Graphitelektroden ein, zum anderen verwendeten sie eine semipermeable Membran, um die Chemikalien am Ort der Reaktion festzuhalten. Auf diese Weise konnten sie mit der Polyphenol-Oxidase ein Enzym verwenden, das auch unter den Bedingungen im Körper funktioniert.
Die so hergestellte Zelle implantierten die Forscher in den Bauchraum einer ausgewachsenen Ratte, um die Stromproduktion unter physiologischen Bedingungen zu testen. Tatsächlich lieferten die Elektroden bei einem Gesamtvolumen von 133 Mikrolitern eine stabile Leistung von zwei Mikrowatt über mehrere Tage.
In einem weiteren Versuch zeigten die Forscher, dass die beteiligten Enzyme wie Glukose-Oxidase in einer geeigneten Verpackung über mehr als drei Monate im Körper verbleiben können, ohne nennenswert an Aktivität zu verlieren. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass es dank weiterer Verbesserungen der Elektrodensysteme und mit deutlich größeren Zellen bald gelingen wird, implantierte Geräte zu betreiben, die dauerhaft ein Milliwatt oder sogar noch mehr Leistung benötigen. (lf)
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