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Baumwollbasierte Hybrid-Biokraftstoffzelle könnte implantierbare medizinische Geräte antreiben

20.11.2018

Georgia Tech/Korea University

Rasterelektronenmikroskopische Bilder zeigen Details der Elektroden auf Baumwollbasis, die in einer neuen Biokraftstoffzelle verwendet werden

Georgia Tech/Korea University

Das Bild zeigt einfache Baumwollfasern und metallische Baumwollfasern, die als Elektroden in einer neuen Biokraftstoffzelle verwendet werden

Eine glukosebetriebene Biokraftstoffzelle, die Elektroden aus Baumwollfasern verwendet, könnte eines Tages helfen, implantierbare medizinische Geräte wie Herzschrittmacher und Sensoren zu betreiben. Die neue Brennstoffzelle, die doppelt so viel Strom liefert wie herkömmliche Biokraftstoffzellen, könnte mit Batterien oder Superkondensatoren zu einer hybriden Energiequelle für die Medizinprodukte kombiniert werden.

Forscher des Georgia Institute of Technology und der Korea University verwendeten Goldnanopartikel, die auf der Baumwolle aufgebracht wurden, um hochleitfähige Elektroden herzustellen, die zur Verbesserung der Effizienz der Brennstoffzelle beitrugen. Damit konnten sie eine der größten Herausforderungen angehen, die die Leistung von Biokraftstoffzellen einschränken - die Verbindung des Enzyms, das zur Oxidation von Glukose verwendet wird, mit einer Elektrode.

Eine schichtweise Montagetechnik zur Herstellung der Goldelektroden - die sowohl die elektrokatalytische Kathode als auch das leitfähige Substrat für die Anode liefern - trug dazu bei, die Leistungskapazität auf bis zu 3,7 Milliwatt pro Quadratzentimeter zu erhöhen.

"Wir könnten dieses Gerät als kontinuierliche Energiequelle nutzen, um chemische Energie aus Glukose im Körper in elektrische Energie umzuwandeln", sagte Seung Woo Lee, Assistant Professor an der Woodruff School of Mechanical Engineering der Georgia Tech. "Die Schicht-für-Schicht-Abscheidungstechnik steuert präzise die Abscheidung sowohl des Goldnanopartikels als auch des Enzyms und erhöht die Leistungsdichte dieser Brennstoffzelle drastisch."

Die Herstellung der Elektroden beginnt mit einer porösen Baumwollfaser, die aus mehreren hydrophilen Mikrofibrillen besteht - Cellulosefasern mit Hydroxylgruppen. Goldnanopartikel mit einem Durchmesser von etwa acht Nanometern werden dann mit organischen Linkermaterialien auf die Fasern montiert.

Um die Anode zur Oxidation der Glukose zu erzeugen, verwenden die Forscher das Enzym Glukoseoxidase in Schichten, die sich mit einem aminfunktionalisierten kleinen Molekül namens TREN abwechseln. Die Kathode, in der die Sauerstoffreduktionsreaktion stattfindet, verwendete die goldbeschichteten Elektroden, die elektrokatalytische Fähigkeiten besitzen.

"Wir kontrollieren präzise die Ladung des Enzyms", sagte Lee. "Wir produzieren eine sehr dünne Schicht, so dass der Ladungstransport zwischen dem leitfähigen Substrat und dem Enzym verbessert wird. Wir haben eine sehr enge Verbindung zwischen den Materialien hergestellt, um den Transport von Elektronen zu erleichtern."

Die Porosität der Baumwolle ermöglichte eine Erhöhung der Anzahl der Goldschichten im Vergleich zu einer Nylonfaser. "Baumwolle hat viele Poren, die die Aktivität in elektrochemischen Geräten unterstützen können", erklärt Yongmin Ko, Gastprofessorin und Co-Autorin der Studie. "Die Baumwollfaser ist hydrophil, d.h. der Elektrolyt benetzt die Oberfläche leicht."

Neben der Verbesserung der Leitfähigkeit der Elektroden könnte die Baumwollfaser die Biokompatibilität des Geräts verbessern, das für den Betrieb bei niedrigen Temperaturen ausgelegt ist, um den Einsatz im Körper zu ermöglichen.

Implantierbare Biokraftstoffzellen leiden mit der Zeit unter einem Abbau, und die vom US-amerikanischen und koreanischen Team entwickelte neue Zelle bietet eine verbesserte Langzeitstabilität. "Wir haben eine Rekordleistung von hoher Leistung, und die Lebensdauer sollte für biomedizinische Anwendungen wie Herzschrittmacher verbessert werden", sagte Lee.

Herzschrittmacher und andere implantierbare Geräte werden heute mit Batterien betrieben, die in den letzten Jahren verwendet wurden, müssen aber möglicherweise noch bei einem chirurgischen Eingriff ersetzt werden. Die Biokraftstoffzelle könnte eine kontinuierliche Ladung für diese Batterien bereitstellen, was die Zeit verlängern könnte, in der Geräte ohne Batteriewechsel betrieben werden können, fügte Lee hinzu.

Darüber hinaus könnte die Biokraftstoffzelle für die Stromversorgung von Geräten verwendet werden, die für den vorübergehenden Gebrauch bestimmt sind. Solche Vorrichtungen können implantiert werden, um eine zeitgesteuerte Freisetzung eines Medikaments zu ermöglichen, würden sich aber im Laufe der Zeit biologisch abbauen, ohne dass eine operative Entfernung erforderlich ist. Für diese Anwendungen würde keine Batterie mitgeliefert, und die begrenzte benötigte Leistung könnte von der Biokraftstoffzelle bereitgestellt werden.

Zukünftige Ziele der Forschung sind der Nachweis des Betriebs der Biokraftstoffzelle mit einem Energiespeicher und die Entwicklung einer funktionsfähigen implantierbaren Energiequelle. "Wir wollen dafür weitere biologische Anwendungen entwickeln", sagt Lee. "Wir möchten mit anderen Anwendungen wie Batterien und Hochleistungsspeichern noch weiter gehen."

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