Brennstoffzelle Wie mit Blutzucker Strom erzeugt werden kann

Forschende der ETH Zürich haben eine implantierbare Brennstoffzelle entwickelt, die aus überschüssiger Glukose im Blut Strom erzeugt. Damit ließen sich zukünftig am Körper sitzende medizinische Geräte betreiben.

Besonders in westlichen Industrienationen nehmen viele Menschen mehr Kohlenhydrate zu sich als sie im Alltag benötigen. Die Folge sind Übergewicht, Diabetes oder Herz-Kreislauferkrankungen. Das brachte ein Forschungsteam vom Departement Biosysteme der ETH Zürich auf die Idee, diesen Überschuss an metabolischer Energie zu nutzen, um Strom für den Betrieb von biomedizinischen Geräten herzustellen.

Sich selbst versorgende Insulinpumpe

Bei Typ-1-Diabetiken produziert der Körper kein Insulin. Deshalb müssen sich Betroffene das Hormon von außen zuführen, um den Blutzuckerspiegel zu regulieren. Heutzutage geschieht dies meist über Insulinpumpen, die direkt am Körper sitzen. Solche Geräte, aber auch andere medizinische Anwendungen wie beispielsweise Herzschrittmacher, brauchen eine zuverlässige Energieversorgung. Diese wird derzeit vor allem mit Strom aus Batterien oder wiederaufladbaren Akkus sichergestellt.

Das Team um Prof. Martin Fussenegger hat nun eine implantierbare Brennstoffzelle als Prototyp entwickelt, die überschüssigen Blutzucker (Glukose) aus dem Gewebe nutzt, um daraus elektrische Energie zu erzeugen. Die Brennstoffzelle wiederum kombinierten die Forschenden mit bereits vor einigen Jahren entwickelten künstlichen Beta-Zellen, die wie ihre natürlichen Vorbilder in der Bauchspeicheldrüse Insulin produzieren und den Blutzuckerspiegel wirksam senken.

Brennstoffzelle im Teebeutel-Format

Wie die ETH Zürich berichtet, ist das Kernstück der Brennstoffzelle eine eigens für diese Anwendung geschaffene Anode (Elektrode). Diese besteht aus kupferbasierten Nanopartikeln und spaltet zur Stromerzeugung Glukose in Glukonsäure und ein Proton auf, was einen Stromkreislauf in Gang setzt. Die Brennstoffzelle selbst ist in ein Vlies eingewickelt und mit Alginat, einem für medizinische Anwendungen zugelassenen Algenprodukt, ummantelt, heißt es. Dadurch ähnelt die Brennstoffzelle einem Teebeutelchen, das unter die Haut eingesetzt werden kann. Das Alginat sauge sich mit Körperflüssigkeit voll und lasse Glukose aus dem Gewebe in ihr Inneres passieren.

Kopplung mit designten Beta-​Zellen

In einem zweiten Schritt haben die Forschenden die Brennstoffzelle mit einer Kapsel gekoppelt, die künstliche Beta-Zellen enthält. Diese können mit elektrischem Strom oder blauem LED-​Licht dazu angeregt werden, Insulin zu produzieren und auszuschütten. Das System kombiniert damit dauerhafte Stromerzeugung und kontrollierte Insulinabgabe: Sobald die Brennstoffzelle einen Glukoseüberschuss registriert, springt die Stromproduktion an. Die elektrische Energie wird dann dazu genutzt, die Beta-Zellen zu stimulieren, sodass sie Insulin produzieren und ins Blut abgeben. Der Blutzuckerspiegel sinkt dadurch auf ein normales Maß. Sobald er unter einen bestimmten Schwellenwert fällt, stoppt die Strom- und damit die Insulinproduktion. Den Prototyp des Systems haben die Forschenden im Mausmodell erfolgreich getestet.

Zur Diabetesbehandlung einsetzbar

Laut ETH Zürich liefert die Brennstoffzelle nicht nur genügend elektrische Energie, um die Designerzellen zu stimulieren, sie reicht auch aus, damit das implantierte System mit externen Geräten wie einem Smartphone kommunizieren kann. Das ermögliche es potenziellen Nutzern, das System über eine entsprechende App zu justieren. Auch ein Arzt könnte aus der Ferne darauf zugreifen und Anpassungen vornehmen.

Zur Originalpublikation in der Fachzeitschrift Advanced Materials

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