Bioelektronische Energieumwandlung

Abbildung: Ein Bauelement aus Kohlenstoffnanoröhren, die von Poly(3-hexylthiophen) umhüllt und in Polydimethylsiloxan-Blättchen dispergiert sind, konvertiert Laserlicht effizient in thermische Energie und nachfolgend in Elektrizität. Der Konverter ist flexibel und äußerst kompakt (siehe Bild) und kann mit einem Laser manipuliert werden, der im Wellenlängenbereich arbeitet, der lebendes Gewebe durchdringt. [Bildquelle: Angewandte Chemie]

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Herzschrittmacher und andere implantierte medizintechnische Systeme benötigen elektrischen Strom, um zu arbeiten.

Um die Batterie zu tauschen, ist eine erneute Operation nötig - und damit eine erneute Belastung des Patienten.

Ein japanisches Team um Eijiro Miyako vom National Institute of Advanced Industrial Science and Technology stellt in der Zeitschrift Angewandte Chemie nun einen alternativen Ansatz vor: Einen implantierbaren Stromerzeuger, der einfach durch die Haut mit Laserlicht bestrahlt wird.

Bioelektronische Geräte verhelfen inzwischen vielen Patienten zu einem längeren Leben und einer verbesserten Lebensqualität. Dabei sind Herzschrittmacher nicht die einzigen elektronischen Implantate. So gibt es inzwischen auch "Schmerzschrittmacher" zur Linderung schwerer chronischer Schmerzen. Diese Neurostimulatoren senden elektrische Impulse direkt an das Rückenmark und blockieren so den Weg des Schmerzsignals zum Gehirn. Ein weiteres Beispiel sind implantierbare Medikamentenpumpen, die Schmerzmittel direkt in die Nähe des Rückenmarks leiten oder Diabetiker automatisch mit Insulin versorgen.

Solche elektronischen Implantate werden meist durch Lithiumbatterien angetrieben, die aber maximal 10 Jahre halten. Die Batterie muss in einer erneuten Operation gewechselt werden. Entsprechend groß ist der Wunsch nach wiederaufladbaren Varianten. Verschiedene Alternativen gibt es bereits, etwa elektrische Zellen, die durch körpereigene Glucose betrieben werden, oder Muskel-getriebene Dynamos. Der Nachteil: Die Stromerzeugung kann nicht geregelt werden. Andere Ansätze arbeiten mit Hilfe elektromagnetischer Stromerzeugung, die aber elektronische Geräte in der Umgebung stören kann.

Das japanische Team hat nun eine interessante Alternative entwickelt, ein Gerät, das bei Bestrahlung mit einem Laser Strom liefert. Herzstück des Systems sind feinst verteilt in eine Silikon-Matrix eingebettete Kohlenstoffnanoröhrchen. Diese absorbieren Laserlicht und wandeln die Lichtenergie sehr effektiv in Wärme um. Diese Wärmeenergie wird dann von dem winzigen Gerät wiederum in elektrischen Strom umgewandelt. Das funktioniert dank des "Seebeck-Effekts": In einem Stromkreis aus zwei verschiedenen elektrischen Leitern - hier einer speziellen Anordnung von Halbleitermaterialien - entsteht bei einer Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktstellen eine kleine elektrische Spannung. Nur die mit dem Silikon-Kohlenstoffnanoröhrchen-Komposit beschichtete, bestrahlte Seite der Anordnung erwärmt sich, so entsteht die benötigte Temperaturdifferenz. Da die Kohlenstoffnanoröhrchen sehr gut in einem Wellenlängenbereich absorbieren, der durch Gewebe dringt, könnte das Gerät, das nicht größer als ein Würfel mit ca. einem halben Zentimeter Kantenlänge sein muss, unter die Haut implantiert werden. Durch einfache Bestrahlung soll es später einmal genug Spannung erzeugen, um den Akku z.B. eines Herzschrittmachers wieder aufzuladen.

Die Forscher arbeiten nun daran, die Energieumwandlung des Stromerzeugers noch effizienter zu machen und seine Sicherheit für den medizinischen Einsatz zu erhöhen.

Über den Autor

Dr. Eijiro Miyako forscht am Health Research Institute (HRI) des National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Japan, wo er sich vor allem mit der Nanocarbon-Technologie beschäftigt. Die Entwicklung funktionaler Nanocarbon-Materialien für Biotechnologie und Medizinwissenschaften steht im Mittelpunkt seiner Forschungsarbeiten.

Dr. Eijiro Miyako, Dr. Chie Hosokawa, Dr. Masami Kojima, Dr. Masako Yudasaka, Dr. Ryoji Funahashi, Dr. Isao Oishi, Dr. Yoshihisa Hagihara, Dr. Mototada Shichiri, Mizuki Takashima, Keiko Nishio, Dr. Yasukazu Yoshida:
A Photo-Thermal-Electrical Converter Based On Carbon Nanotubes for Bioelectronic Applications.
In: Angewandte Chemie; online veröffentlicht am 26. Oktober 2011, DOI 10.1002/ange.201106136

Quelle: Angewandte Chemie, Presseinformation Nr. 47/2011

Aktualisiert am 05.12.2011.

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