Glukose: Körpereigener Strom für die Biobrennstoffzelle

Das Molekül dieser Woche heißt Glukose.

"Glukose ist Traubenzucker."

Also eigentlich eine ziemlich triviale Verbindung.

Kerzenmacher: "Kommt auch im Blut vor als Blutzucker. Über den Blutkreislauf wird die Glukose im Körper verteilt, und so kann dann zum Beispiel eine Muskelzelle Energie gewinnen."

Gut! Das haut uns jetzt auch noch nicht um!

Kerzenmacher: "Wir machen aus Glukose Strom, um zum Beispiel einen Herzschrittmacher anzutreiben."

Das lässt uns dann doch hellhörig werden! Forscher tüfteln tatsächlich an medizinischen Implantaten, die keine Batterien mehr brauchen. Stattdessen laufen sie mit biologischen Brennstoffzellen, die ihre Energie aus dem Körper selbst beziehen, und zwar aus der Glukose im Blut. Das Ziel sind Herzschrittmacher, die nie mehr schlappmachen.

Kipf: "Ich wiege hier meine verschiedenen Komponenten für mein Medium ab. Für meine Brennstoffzelle."

Ein Labor im IMTEK, dem Institut für Mikrosystemtechnik an der Universität Freiburg. Während sich Doktorandin Elena Kipf an der Feinwaage zu schaffen macht, wirft Chemieingenieur Sven Kerzenmacher einen Blick in seinen Inkubator:

"Ist im Prinzip ein Wärmeschrank. Der kontrolliert die Temperatur auf 37 Grad, also ungefähr auf Körpertemperatur."

Was sich in dem Wärmeschrank befindet, könnte man rein äußerlich für einen Eierkocher halten. Tatsächlich handelt es sich aber um einen Minireaktor:

Kerzenmacher: "In dem Topf ist eine Salzlösung mit Glukose. Und da wird Luft und Stickstoff eingeblasen, um auch ungefähr die Bedingungen im Körper widerzuspiegeln. Und da blubbert dann die Luft und macht auch ein Geräusch."

Nicht für sechs Eier ist Platz in dem Reaktor, sondern für sechs Brennstoffzellen. Sie sind kaum größer als Briefmarken und aufwendig verkabelt.

"Die sind in Haltern eingebaut, quasi kreisrund in diesem Topf, und machen Strom."

Man hört zwar immer, dass Brennstoffzellen Wasserstoff brauchen. Es geht aber auch mit anderen Energieträgern wie bei dem Freiburger Prototyp, den Sven Kerzenmachers Arbeitsgruppe weiterentwickelt:

Kerzenmacher: "Man hat zwei Elektroden. Das sind Anode und Kathode. An der Anode wird ein Brennstoff oxidiert. In unserem Fall ist das die Glukose. Die gibt Elektronen ab. An der anderen Elektrode, da werden diese Elektronen auf Sauerstoff übertragen. Und der elektrische Strom entsteht, wenn die Elektronen von der Anode, also von der Glukose, zur Kathode fließen. Ganz simpel im Prinzip."

Eine solche Stromquelle könnte sich in unserem Körper quasi selbst bedienen und Strom für einen Herzschrittmacher liefern. Denn Glukose und Sauerstoff sind im Gewebe ausreichend vorhanden.

Kerzenmacher: "Unsere Idee ist, dass wir die Brennstoffzelle quasi als Beschichtung auf das Schrittmachergehäuse aufbringen. Und von den Flächen und von dem Leistungsbedarf passt das sehr gut zusammen."

An biologischen Brennstoffzellen wurde schon in den 70er-Jahren geforscht. Dann aber nicht mehr. Weil die Batterieentwicklung große Fortschritte machte. Aber auch heute noch gibt der Stromversorger seinen Geist eher auf als das Implantat selbst:

Kerzenmacher: "Diese Batterie ist beim Herzschrittmacher zum Beispiel nach acht Jahren erschöpft. In der Regel wird das komplette Implantat ausgetauscht. Das bedeutet eine Operation, Krankenhausaufenthalt und auch sehr hohe Kosten. Das ist im Bereich von 10.000 Euro."

Ein batterieloser Herzschrittmacher mit körpereigener Glukosezufuhr dagegen müsste nie ausgetauscht werden. Das ist jedenfalls die Vision der Freiburger Mikroingenieure. Sie können sich vorstellen, auch Hirnschrittmacher und Insulinpumpen mit Biobrennstoffzellen zu bestücken. Solche Implantate sind derzeit in der Entwicklung.

Noch bleibt aber jede Menge Entwicklungsarbeit im Labor zu leisten. Chemieingenieur Kerzenmacher geht davon aus,

"dass es sich in fünf bis zehn Jahren abzeichnen wird, inwieweit diese Technologie dann wirklich im Markt umgesetzt werden kann."