Implantierbare Batterien können mit körpereigenem Sauerstoff betrieben werden

"Von einer neuen Energiequelle bis hin zu potenziellen Biotherapien - die Aussichten für diese Batterie sind aufregend"

05.04.2024

Von Herzschrittmachern bis hin zu Neurostimulatoren - implantierbare medizinische Geräte sind auf Batterien angewiesen, um das Herz am Schlagen zu halten und Schmerzen zu dämpfen. Doch die Batterien sind irgendwann leer und müssen durch invasive Operationen ersetzt werden. Um diese Probleme zu lösen, haben chinesische Forscher eine implantierbare Batterie entwickelt, die mit körpereigenem Sauerstoff betrieben wird. Die Studie, die am 27. März in der Fachzeitschrift Chem veröffentlicht wurde, zeigt an Ratten, dass das Proof-of-Concept-Design stabile Energie liefern kann und mit dem biologischen System kompatibel ist.

Chem/Lv et al., CC BY-SA

Implantierbare und biokompatible Na-O2-Batterie

"Wenn man darüber nachdenkt, ist Sauerstoff die Quelle unseres Lebens", sagt der korrespondierende Autor Xizheng Liu, der an der Tianjin University of Technology auf Energiematerialien und -geräte spezialisiert ist. "Wenn wir die kontinuierliche Versorgung des Körpers mit Sauerstoff nutzen können, wird die Lebensdauer von Batterien nicht durch die endlichen Materialien in herkömmlichen Batterien begrenzt."

Um eine sichere und effiziente Batterie zu bauen, stellten die Forscher ihre Elektroden aus einer Legierung auf Natriumbasis und nanoporösem Gold her, einem Material mit Poren, die tausendmal kleiner sind als die Breite eines Haares. Gold ist für seine Kompatibilität mit lebenden Systemen bekannt, und Natrium ist ein wesentliches und allgegenwärtiges Element im menschlichen Körper. Die Elektroden gehen chemische Reaktionen mit dem Sauerstoff im Körper ein, um Strom zu erzeugen. Um die Batterie zu schützen, umhüllten die Forscher sie mit einem porösen Polymerfilm, der weich und flexibel ist.

Anschließend implantierten die Forscher die Batterie unter die Haut auf dem Rücken von Ratten und maßen ihre Stromleistung. Zwei Wochen später stellten sie fest, dass die Batterie stabile Spannungen zwischen 1,3 V und 1,4 V erzeugen kann, mit einer maximalen Leistungsdichte von 2,6 µW/cm2. Obwohl die Leistung nicht ausreicht, um medizinische Geräte mit Strom zu versorgen, zeigt das Design, dass es möglich ist, Sauerstoff im Körper zur Energiegewinnung zu nutzen.

Das Team untersuchte auch Entzündungsreaktionen, Stoffwechselveränderungen und Geweberegeneration in der Umgebung der Batterie. Die Ratten zeigten keine offensichtlichen Entzündungen. Nebenprodukte der chemischen Reaktionen der Batterie, darunter Natriumionen, Hydroxidionen und geringe Mengen an Wasserstoffperoxid, wurden vom Körper leicht verstoffwechselt und beeinträchtigten Nieren und Leber nicht. Die Ratten heilten nach der Implantation gut ab, und die Haare auf ihrem Rücken wuchsen nach vier Wochen vollständig nach. Zur Überraschung der Forscher regenerierten sich auch die Blutgefäße rund um die Batterie.

"Wir waren erstaunt über die instabile Stromproduktion direkt nach der Implantation", sagt Liu. "Es stellte sich heraus, dass wir der Wunde Zeit zum Heilen geben mussten, damit sich die Blutgefäße um die Batterie herum regenerieren und sie mit Sauerstoff versorgen konnten, bevor die Batterie stabilen Strom liefern konnte. Dies ist ein überraschender und interessanter Befund, denn er bedeutet, dass die Batterie bei der Überwachung der Wundheilung helfen kann".

Als Nächstes plant das Team, die Energieversorgung der Batterie zu verbessern, indem es effizientere Materialien für die Elektroden erforscht und die Struktur und das Design der Batterie optimiert. Liu wies auch darauf hin, dass die Batterie in der Produktion leicht zu vergrößern ist und dass die Wahl kostengünstiger Materialien den Preis weiter senken kann. Die Batterie des Teams könnte auch für andere Zwecke als die Stromversorgung medizinischer Geräte eingesetzt werden.

"Da Tumorzellen empfindlich auf den Sauerstoffgehalt reagieren, könnte die Implantation dieser sauerstoffverbrauchenden Batterie dazu beitragen, Krebszellen auszuhungern. Es ist auch möglich, die Energie der Batterie in Wärme umzuwandeln, um Krebszellen abzutöten", sagt Liu. "Von einer neuen Energiequelle bis hin zu potenziellen Biotherapien - die Aussichten für diese Batterie sind aufregend."

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