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Batterie überflüssig

Neuer Herzschrittmacher nutzt Reibungselektrizität zur Stromversorgung

Wissenschaftler haben eine triboelektrische Stromversorgung entwickelt, die aus der Bewegung des Herzens Energie für Herzschrittmacher erzeugt. Tierversuche mit Schweinen waren erfolgreich, bis die Technologie beim Menschen eingesetzt werden kann, muss sie aber noch kleiner und effizienter werden. In Zukunft könnten so Herzschrittmacher und andere Implantate mit Strom versorgt werden, ohne dass dafür Batterien und regelmäßige operative Batteriewechsel nötig sind.

Peking (China). Laut dem Jahresbericht des Deutschen Herzschrittmacher-Registers (PDF) erhielten allein im Jahr 2016 77.188 Patienten in Deutschland ein neues Implantat. Die Energieversorgung aller derzeit erhältlichen Herzschrittmacher erfolgt durch eine Lithium-Iod-Batterie oder Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie, die den Nachteil hat, dass sie durchschnittlich nur eine Lebensdauer von acht Jahren hat. Sobald die zuverlässige Funktion des Implantats aufgrund der schwächer werdenden Batterie nicht mehr garantiert werden kann, ist es nötig, einen Gerätewechsel durchzuführen, der einen kleinen operativen Eingriff benötigt.

In Zukunft könnte eine neue Entwicklung vom Institut für Bioenergie und Nanosysteme in Peking dafür sorgen, dass sich Herzschrittmacher selbst mit Strom versorgen und so regelmäßige Operationen überflüssig werden. Veröffentlicht wurden die Ergebnisse der Forschungsarbeit im Fachmagazin Nature.

Triboelektrisches System

Statt einer Batterie nutzten die chinesischen Wissenschaftler zur Stromversorgung des Implantats ein triboelektrisches System, das aus den Bewegungen des Herzens Strom erzeugt. Dies funktioniert, indem die Pumpbewegungen des Herzens zwei Metallschichten aufeinanderdrückt und dann wieder auseinanderzieht. Während des Vorgangs werden Elektronen freigesetzt, die zur Energieversorgung des Herzschrittmachers genutzt werden.

Das triboelektrischen besteht auf einer Metallschicht aus polarisierten Polytetrafluorethylens (PTFE) und einer Aluminiumschicht, die die Elektronen bei der Berührung abgibt. Zwischen den Metallschichten befindet sich ein poröser Abstandshalter, die durch die Herzbewegungen zusammengedrückt wird, was in Folge den Elektronentransfer zwischen den beiden Metallschichten ermöglicht. Eine Elektrode leitet die erzeugte Spannung an einen kleinen Kondensator ab, der den erzeugten Strom speichert und das Implantat mit Energie versorgt.

Versuche mit Schweinen erfolgreich

Um die Leistungsfähigkeit der Stromversorgung zu untersuchen, hat das Team um Han Ouyang Versuche mit Schweinen durchgeführt, denen der triboelektrischen Energiesammler an die Außenwand der linken Herzkammer implantiert wurde. Da das Organ der Schweine und das menschliche Herz vergleichbar groß und schwer sind, ist auch der Energiebedarf eines Herzschrittmachers nahezu identisch. Jede Systole des Herzens sorgte dafür, dass der triboelektrische Generator Energie von 0,495 Mikrojoule erzeugte. Innerhalb von drei Stunden konnte im Kondensator so eine Spannung von 3,55 Volt erzeugt werden. Die Leistung des Generators ist damit viermal so hoch, wie bei bisherigen Ansätzen der in vivo Stromerzeugung.

Anschließend haben die Wissenschaft den triboelektrischen Generator mit einem aktuellen Herzschrittmacher verbunden und diesen in Schweine implantiert. Nachdem die Schweine durch ihre Herzfunktion den Stromspeicher aufgeladen haben die Wissenschaftler reversible Rhythmusstörungen verursacht, indem sie die Herzregion der Tiere stark abgekühlt haben. Wenn das Stromversorgung durch das triboelektrische System stark genug ist, müsste somit der Herzschrittmacher aktiviert werden.

Das Experiment verlief erfolgreich und der implantierte Herzschrittmacher konnte allein mit der Stromversorgung durch den in vivo Generator die Rhythmusstörungen der Schweineherzen korrigieren. Nachdem der gespeicherte Strom nach etwa einer Minute verbraucht war, schlugen die Schweineherzen selbstständig im normalen Rhythmus weiter und auch der Blutdruck normalisierte sich wieder.

Die Wissenschaftler erklären, dass die Versuche gezeigt haben, dass eine triboelektrische Stromversorgung grundsätzlich ausreichend Strom bereitstellen kann und neben Herzschrittmachern auch für andere medizinische Einsatzzwecke eine Alternative zur Batterie darstellt. Derzeit ist das System allerdings noch zu groß, um es bei Menschen zu implantieren. In Zukunft arbeiten die Wissenschaftler daher daran, die Technologie zu verkleinern, um dann klinische Studien mit menschlichen Probanden durchführen zu können.

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