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Minikraftwerke fürs Herz

Energy-Harvesting-Systeme, die ihre Energie aus dem menschlichen Körper gewinnen, werden in Zukunft implantierbare Medizintechnik unterstützen können. Die vielversprechendsten Ansätze bestehen darin, die Blutdruckschwankungen des Herzens oder die im Blut vorhandene Glukose dafür zu nutzen. Um eine Chance im Markt zu haben, darf ein solches System jedoch nicht mehr Operationsaufwand erfordern als ein heutiger Herzschrittmacher.
Momentan hält die Batterie eines Herzschrittmachers zwischen 5 und 20 Jahre, bei einem Defibrillator sind es 4 bis 11 Jahre. „Die Systeme auszuwechseln, ist ein Routineeingriff von etwa 20 Minuten Dauer”, berichtet Prof. Manfred Zehender, leitender Oberarzt der Kardiologie und Angiologie der Universitätsklinik Freiburg. Der Empfänger eines Herzschrittmachers ist durchschnittlich 67 Jahre alt und überlebt diesen oft nicht.

Dagegen werden etwa Cochlea-Implantate schon kleinen Kindern eingesetzt. Hinzu kommt: „Herzschrittmacher und Defillibratoren sind ausgereifte Technik und Verbesserungen sind hier mehr marginaler Natur. Aber der Trend geht zu implantierbaren Diagnoseplattformen, die Blutdruck, Zucker und vieles mehr messen und entsprechend mehr Energie brauchen”, so Manfred Zehender. Und verlängerte Funktionszeit wie Zusatzfunktionen saugen momentan die verbesserte Batterieleistung auf. Da größere Batterien unerwünscht sind, könnten so genannte Energy-Harvesting-Systeme die Lebensdauer der momentanen verlängern oder auch helfen, die Implantate kleiner zu bauen.

Die vielversprechendsten Energy-Harvesting-Technologien bestehen darin, die Blutdruckschwankungen des Herzens oder die im Blut vorhandene Glukose dafür zu nutzen. „Und um eine Chance im Markt zu haben, darf ein solches System nicht mehr Operationsaufwand erfordern als ein heutiger Herzschrittmacher”, weiß Roy Freeland, Firmenchef von Perpetuum.

Die größte Marktnähe hat hier wohl das britische Verbundforschungsprojekt SIMM (self-energizing implantable medical microsystem). Unter der Koordination von Zarlink Semiconductor entwickelten die Unternehmen InVivo Technology, Perpetuum, Finsbury Orthopaedics und Odstock Medical ein System, das Strom aus den Druckschwankungen im Herzen erzeugt. Der Generator ist in den Katheder eines konventionellen Herzschrittmachers integriert. Roy Freeland: „Der Prototyp liefert momentan etwa ein Drittel der Energie, die ein Herzschrittmacher für den Betrieb benötigt und wurde schon im Tierversuch erfolgreich getestet.” Und wie man 100 Prozent der benötigten Energie schafft, weiß man schon. So ist Roy Freeland auch zuversichtlich, das System in drei bis fünf Jahren auf den Markt bringen zu können. Jetzt muss man das System tauglich für die Massenproduktion machen. Da die öffentliche Förderung ausläuft, sucht das Konsortium jetzt Partner.

Der SIMM-Generator arbeitet linear und nutzt den Druckunterschied zwischen Herzkammer und Vorhof aus. Zwei flüssigkeitsgefüllte Blasen bewegen entsprechend dem Druck der jeweiligen Herzkammer eine Flüssigkeit im Generator periodisch hin und her. Diese Flüssigkeitsbewegung verschiebt einen Magneten in einer mit Spulen versehenen Metallhülle. Durch Induktion erzeugt diese Anordnung Strom, wobei die Energieernte von der Herzfrequenz abhängt.

Auch Martin McHugh, Projektleiter des SIMM-Projekts und Mitarbeiter bei Zarlink Semiconductor ist zuversichtlich. Aber er weiß aus Erfahrung: „SIMM ist nur eine Möglichkeit.” Der Grund: Zarlink war schon im EU-Projekt ‚Healthy Aims‘ involviert, wo man in Zusammenarbeit mit dem Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg sich um Bio-Brennstoffzellen, die andere aussichtsreiche Technik, gekümmert hat. „Wir denken, dass diese Technik länger als SIMM bis zur Marktreife braucht, aber sie ist attraktiv”, so Martin McHugh.

Bio-Brennstoffzellen unter der Lupe
Und diese Idee gibt es auch schon länger. Siemens hat in den 1970er Jahren daran geforscht, dann aber diese Arbeiten eingestellt. Am IMTEK hat man diese Idee aufgegriffen und weiterentwickelt. Eine solche Brennstoffzelle nutzt Glukose und Sauerstoff des Blutes als Energiequelle. Bei Bio-Brennstoffzellen gibt es drei Prinzipien: die abiotisch katalysierte, die enzymatische und die mikrobielle Brennstoffzelle.
Bei der mikrobiellen Brennstoffzelle bilden etwa eingekapselte Hefen den Generator. Ein Zusatzstoff wie Methylenblau stiehlt den Hefen Elektronen und befördert sie schnell aus der Zelle heraus. An dieser Technologie arbeitet zum Beispiel das Team um Prof. Liwei Lin von der University of California at Berkeley.

Hier gibt es noch wichtige Probleme zu lösen: Damit die Hefen gut funktionieren, müssen deren Stoffwechselprodukte entfernt werden. Auch besteht hiereine gewissen Befürchtung, dass Hefen ins Blut gelangen könnten. Bei der enzymatischen Brennstoffzelle sind Enzyme der aktive Teil. An diesem Typ forscht ein Team von Dr. Sandun Fernando an der Texas A&M University. Problempunkt hier ist die Langzeitstabilität der Enzyme.
„Die abiotisch katalysierte Brennstoffzelle liefert zwar keine so große Stromdichte wie andere Bio-Brennstoffzellen, aber sie hat deren Probleme nicht. Katalysatoren sind hier Platin oder Aktivkohle, beides für den menschlichen Körper ungiftige Substanzen”, berichtet Sven Kerzenmacher, Projektleiter am IMTEK. Da Sauerstoff und Glukose im Blut gemischt vorkommen, wurden die Elektroden mit einer Kunststoffmembran umgeben, die selektiv diese beiden Energielieferanten durchlässt und permanente Kurzschlüsse zwischen Glukose- und Sauerstoffionen verhindert. Die Brennstoffzelle als solche funktioniert, aber natürlich gibt es auch hier noch Probleme: „Insbesondere Aminosäuren aus der Körperflüssigkeit können die Leistung der Brennstoffzelle vermindern, indem sie die Elektrodenoberfläche blockieren”, so Sven Kerzenmacher. Deshalb arbeiten die Wissenschaftler momentan vor allem an neuen

Katalysatoren und selektiv durchlässigen Kunststoffbeschichtungen um die Langzeitstabilität der Brennstoffzelle und die Körperverträglichkeit der Kunststoffe zu verbessern. Aber ein Problem haben alle Bio-Brennstoffzellentypen: Der Körper neigt dazu, Fremdkörper einzukapseln. So würde die Brennstoffzelle vom Blutstrom getrennt und damit nutzlos.

Und mit Martin McHugh ist sich Prof. Peter Woias, Leiter des Graduierten-Kollegs ‚Energy Harvesting‘ des IMTEK, sicher, dass der Markteintritt solcher Systeme momentan noch nicht einzuschätzen ist, denn die Zulassung ist langwierig und teuer. So werden viele Jahre vergehen, bis man die eigentliche Produktplanung angehen kann. „Eine Brennstoffzelle ist ein offenes System, das im Körpergewebe arbeitet und das große Problem heißt hier Einkapselung. Mechanische Wandler brauchen diese Verbindung nicht, deshalb ist die Einkapselung nicht das Problem”, so Peter Woias. Deshalb kann er sich vorstellen, dass die mechanischen Wandler eher auf den Markt kommen, da sie ein einfaches Implantat wären. Die Hersteller von Herzschrittmachern sind auch noch zurückhaltend mit Prognosen. Amy Jo Meyer, Sprecherin des St. Jude Medical, die die Herzschrittmacher-Sparte von Siemens übernommen hatte: „Wir setzen momentan auf eine patentierte Hybridtechnik, die SVO (Silber-Vanadium-Oxid) mit CFx (Carbon-Monoflurid) vereint und auf ein effizienteres Energiemanagement der Geräte. ” -Dr. Barbara Stumpp-