Die Miniaturisierung der Medizintechnik im Bereich elektronischer Mikrosensoren, Mikroroboter und intravaskulärer Implantate schreitet rasant voran. Dieser Fortschritt wird jedoch durch eine Reihe technischer Hindernisse behindert. Einer der wichtigsten ist die Schwierigkeit, kleine, aber effiziente Energiespeicher zu entwickeln, die es Mikrosystemen ermöglichen, autonom zu funktionieren, beispielsweise in sehr kleinen Bereichen des menschlichen Körpers. Zudem müssen diese Energiespeicher biokompatibel sein, da sie für den Einsatz im Körper bestimmt sind.

Es wurde ein Prototyp eines Energiespeichers entwickelt, der diese wesentlichen Eigenschaften erfüllt.

Der Durchbruch gelang einem internationalen Team, unter anderem bestehend aus Oliver G. Schmidt und Jeji Lee, beide von der TU Chemnitz in Deutschland.

Dieses Team hat die bisher kleinsten Superkondensatoren dieser Art entwickelt, die bereits in künstlichen Blutgefäßen arbeiten und als Stromquelle für ein kleines Sensorsystem zur pH-Messung dienen können.

Dieses Speichersystem eröffnet neue Möglichkeiten für die nächste Generation biomedizinischer intravaskulärer Implantate und Mikrorobotersysteme, die in kleinen, unzugänglichen Bereichen des menschlichen Körpers eingesetzt werden könnten. Beispielsweise kann eine Echtzeit-Blut-pH-Überwachung helfen, das Tumorwachstum in einem frühen Stadium vorherzusagen.

Das Set aus 90 Biosuperkondensatoren an der Fingerspitze ist in der Lage, verschiedene Sensoren mit der zum Betrieb notwendigen Energie zu versorgen. (Foto: Oliver G. Schmidt Forschungsgruppe. CC BY-ND)

Im Gegensatz zu anderen mikroskopischen Superkondensatoren, die keine biokompatiblen Materialien verwenden, sondern beispielsweise korrosive Elektrolyte und andere Eigenschaften aufweisen, die mit einer intrakorporalen Verwendung nicht kompatibel sind, sind Biosuperkondensatoren vollständig biokompatibel; sie können in Körperflüssigkeiten wie Blut verwendet werden.

Darüber hinaus können Biosuperkondensatoren das Selbstentladungsverhalten durch bioelektrochemische Reaktionen im Körper kompensieren. Diese natürlichen chemischen Reaktionen steigern die Leistung des Geräts um 40 Prozent.

Bisher waren die kleinsten Energiespeicher mehr als 3 Kubikmillimeter groß. Der röhrenförmige Biosuperkondensator des Smith-Teams ist 3.000-mal kleiner. Mit einem Volumen von 1 Nanoliter nimmt es weniger Platz ein als ein Staubkorn und ist dennoch in der Lage, beispielsweise eine Sensorik im Blut zu aktivieren.

Die flexible Schlauchgeometrie des neuen Biosuperkondensators bietet wirksamen Schutz vor Deformitäten, die durch pulsierenden Blutfluss oder Muskelkontraktionen verursacht werden.

Smith, Lee und Kollegen in der Fachzeitschrift Nature Communications präsentieren technische Informationen zu ihren Fortschritten mit dem Titel „Nano-Biosuperkondensatoren bieten autarke Sensoren im Blut“. (Quelle: NCYT de Amazings)