18/10/2011 - Biokraftstoffzellen, Strom aus dem Körper

Menéame

Die elektronischen Geräte an die Wand anschließen, mit Batterien oder vielleicht mit Sonnenkollektoren aufladen, ist nicht sonderbar. Das sind die Möglichkeiten, wie wir normalerweise Energie für unsere Geräte bekommen, aber stellen Sie sich vor, dass Sie sie in Ihrem Körper einstecken können?

Es klingt vielleicht zu nachsichtig, aber unter den Füßen der Alpen haben Dr. Serge Cosnier und sein Team an der Joseph Fourier University in Grenoble, Südfrankreich, ein Gerät gebaut, das es möglich machen würde.

Das Gerät, das Biokraftstoffzelle oder Biokraftstoffzelle genannt wird, verwendet Glukose und Sauerstoff aus den Konzentrationen, die im Körper gespeichert werden, um Strom zu erzeugen.

Es ist das erste Team von Wissenschaftlern in der Welt, die zeigen, dass ihr Gerät funktioniert, nachdem es in einem lebenden Tier implantiert wurde.

Wenn alles so läuft, wie geplant, könnten Biotreibstoffe Zellen dazu verwendet werden, eine breite Palette von medizinischen Implantaten, von Sensoren und Geräten, um interne Medikamente bis zu künstlichen Organen zu liefern, mit Energie zu versorgen.

Alles, was Sie brauchen, um sie zu aktivieren, ist, einen süßen Bar oder ein kohlensäurehaltiges Getränk zu essen.

Revolution

Biokraftstoffzellen könnten eine Revolution in der Welt der künstlichen Organe und Prothesen auslösen, die jedes Jahr das Leben von Zehntausenden von Menschen verändern könnte.

Eine neue Palette von künstlichen Organen, angetrieben von Elektrizität, ist in voller Entwicklung, einschließlich Herzen, Nieren und Harnwege. Die Entwicklung künstlicher Glieder wie Hände, Finger und sogar Augen hat ebenfalls begonnen. Aber alle haben eine Achillesferse: Sie brauchen Strom, um zu funktionieren.

Batterien sind gut genug für einige Implantate, die nicht viel Energie benötigen, aber sehr schnell abladen. Sogar Geräte, die nicht viel Strom verwenden, wie Herzschrittmacher, haben eine begrenzte Lebensdauer, da sie von Batterien abhängig sind.

In der Regel müssen diese Batterien nach fünf Jahren ihrer Implantation ausgetauscht werden.

Eine Studie in den Vereinigten Staaten ergab, daß jeder fünfte Mensch im Alter von 70 Jahren, der einen Herzschrittmacher implantiert hat, weitere 20 Jahre überlebte. Das bedeutet, dass diese Gruppe älterer Erwachsener nach dem ersten Implantat etwa drei weitere Operationen benötigte, nur um die Batterie ersetzen zu können.

Jede Operation ist mit den Risiken eines chirurgischen Eingriffs verbunden. Etwas, das jeder vermeiden kann, würde ich tun. Künstliche Organe wie Nieren, Augen oder Arme würden einen solchen Energiestand erfordern, dass innerhalb weniger Wochen eine Nachfüllung erforderlich wäre, um sie am Laufen zu halten.

Es wäre nicht praktisch, Batterien auf diesen Geräten zu verwenden. So werden Biotreibstoffe zu einer Hoffnung.

Dr. Cosnier und sein Team sind eine der weltweit führenden Forschergruppen, die Technologie entwickeln, um die damit verbundenen Einschränkungen zu verringern.

Körperflüssigkeiten

Biokraftstoffzellen sind unglaublich einfach. Sie bestehen aus zwei speziellen Elektroden, einer hat die Eigenschaft, die Elektronen des Glukoses zu entfernen, und die andere hat die Fähigkeit, Elektronen an die Moleküle Sauerstoff und Wasserstoff zu spenden und Wasser zu erzeugen.

Die Elektroden werden in einer Lösung mit Glukose und Sauerstoff verbunden. Eine Elektrode beginnt Elektronen aus der Glukose zu extrahieren und die andere wird Elektronen im Sauerstoff entleeren. Die Elektroden werden an einen Stromkreis angeschlossen, und es entsteht ein Nettostrom von Elektronen, was zu einem elektrischen Strom führt.

Glukose und Sauerstoff sind im menschlichen Körper erhältlich. Daher könnte hypothetisch gesehen eine Biokraftstoffzelle auf unbestimmte Zeit arbeiten.

"Eine Batterie verbraucht die Energie, die sie gespeichert hat, und wenn sie vorbei ist, ist sie vorbei. Eine Biokraftstoffzelle kann theoretisch unbegrenzt funktionieren, da sie Stoffe aus physiologischen Flüssigkeiten verbraucht und ständig Ersatzteile ist," so Cosnier.

Die Idee von Zellen, die Glukose- und Sauerstoffenergie in physiologischen Flüssigkeiten erhalten, wurde erstmals in den 70er Jahren formuliert, aber sie blieb auf dem Weg, weil die Menge der Energie, die die ursprünglichen Prototypen produzierten, zu wenig für praktische Zwecke war.

Im Jahr 2002 wurden jedoch die Fortschritte in der Biotechnologie, die Itamar Willner, ein Forscher an der Hebräischen Universität in Jerusalem, ins Leben gerufen hatte, um die Theorie erneut zu betrachten.

In einer Forschung, die in der renommierten Zeitschrift Science veröffentlicht wurde, erklärte Willner, dass dank der Fortschritte in der Biotechnologie der Tag kommen würde, an dem Geräte wie künstliche Glieder und Organe von biologischen Brennstoffzellen angetrieben würden, die Elektrizität aus Körperflüssigkeiten erzeugen.

"Seitdem haben Biotreibstoffe eine große Aufmerksamkeit erhalten," sagte Dr. Eileen Yu, Forscherin an der University of Newcastle, die Teil des Projekts zur Entwicklung solcher Geräte ist.

Nanotechnologie

Der Schlüssel zu den jüngsten Entwicklungen war zum Teil, dass wir unser Wissen über biologische Moleküle, die als Enzyme bekannt sind, vertieft haben.

Enzyme sind Moleküle natürlichen Ursprungs, die chemische Reaktionen auslösen.

Forscher, die biologische Brennstoffzellen untersuchen, fanden heraus, daß ein Enzym, das besonders als Glukoseoxidase bekannt ist, sehr gut ist, um Elektronen aus Glukose zu entfernen. "Es ist sehr effizient, Elektronen zu erzeugen," sagte Willner.

Angetrieben von neuen Entwicklungen im Bereich der Enzymmanipulation und des Wachstums bei der Verfügbarkeit von Kohlenstoffnanoröhren (die hocheffiziente Leiter sind) haben viele Forschergruppen weltweit biologische Brennstoffzellen entwickelt, die fähig sind, Strom zu erzeugen.

Im Jahr 2010 getesteten Dr. Cosnier und sein Team 40 Tage lang eine Biokraftstoffzelle an einer Ratte und berichteten, dass sie perfekt funktionierte. Es gab einen stabilen Strom ohne Nebenwirkungen auf das Verhalten des Tieres.

Ihr System ist überraschend einfach. Die Elektroden werden durch Verdichten einer Paste aus Kohlenn-Nanoröhren mit Oxid-Glucose für eine Elektrode und Glucose und Polyphenoloxidase für die andere hergestellt.

Die Elektroden verfügen über einen Platindraht, der den Schaltkreis trägt. Die Elektroden werden in ein spezielles Material eingewickelt, um zu verhindern, dass alle Nanoröhrchen oder Enzyme in andere Körperteile entweichen.

Schließlich wird das gesamte Paket in ein Netz eingewickelt, das die Elektroden vor dem Immunsystem des Körpers schützt, während es den freien Fluss von Glukose und Sauerstoff zu Elektroden ermöglicht. Das gesamte Paket wird in der Ratte implantiert.

"Es ist ein wichtiger Schritt, um zu zeigen, dass die grundlegenden Aspekte der Forschung in ein praktisches Instrument umgesetzt werden können," sagte Willner. "Erweist sich als praktikables Paket, das implementiert werden kann."

Optmismus

Das Implantat bei der Ratte war ein positiver Test des Konzepts, sagte Cosnier. "Die Ratten sind so klein, dass die Energieerzeugung nicht ausreicht, um ein konventionelles Gerät zu fördern."

Der Wissenschaftler plant, die Zelle in einer Kuh zu implantieren. "Es gibt mehr Platz. Deshalb kann eine größere Zelle implantiert werden, was eine höhere Energieerzeugung bedeuten würde."

Es gibt noch einen langen Weg vor uns. "Auf der Grundlage des aktuellen Fortschritts, vertraue ich darauf, dass es in den nächsten zehn Jahren aufregende Entwicklungen geben wird," sagte Willner.

Laut Cosnier gibt es noch viel zu verbessern.

"Heute erzeugen wir genug Energie, um einen Harnsphinter oder Herzschrittmacher zu füttern. Wir arbeiten an einem System, das 50-mal so viel Energie erzeugen kann. Auf diese Weise werden wir in der Lage sein, anspruchsvollere Geräte zu liefern," sagte der Experte.

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