TREND Medizinelektronik: Energiewende bei Implantaten

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Bislang halten sperrige Kabel oder Batterien medizinische Implantate am Laufen. In Zukunft allerdings soll das Kraftwerk Mensch selbst Herzschrittmacher und Co. mit Strom versorgen.

Ob Prothesen, Herzschrittmacher, künstliche Organe oder Nervenstimulatoren – mikroelektronische Implantate sind mittlerweile unverzichtbarer Bestandteil moderner Therapien. Die hochkomplexe Medizinelektronik gilt als High-Tech-Anwort auf Volkskrankheiten und die spezifischen Erkrankungen einer alternden Bevölkerung. Für Wachstum ist also gesorgt. Laut BBC Research steigt der letztjährige Umsatz von 24.6 Milliarden US-Dollar bis 2020 auf 37.6 Milliarden US-Dollar, bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 8.8 Prozent.

Fortschritte in der Halbleitertechnologie haben die „internen“ Heilsbringer auf  Größen von wenigen Millimetern schrumpfen lassen. Fast jedenfalls, denn die Energieversorgung sperrt sich gegen die „Verzwergung“. Miniaturisierte und gleichzeitig robuste Energieversorgungskonzepte für aktive Implantate sind also gefragt. Auch, weil operative Batteriewechsel genauso wie Kabellösungen immer mit Risiken verbunden sind.

Kraftwerk Körper

Der Wunsch nach einer unbegrenzten autarken Energieversorgung steht allerdings schon lange ganz oben auf der Liste der Medizinelektronik. Schon Ende der 50er-Jahre sollten atombetriebene Herzschrittmacher mit Plutonium das Energieproblem auf Dauer lösen. Siemens machte dann in den Siebzigern Versuche an Tieren mit Glukosebrennstoffzellen. Zwischenzeitlich wurden sie trotz vielversprechender Ergebnisse mit der Markteinführung leistungsstarker Lithium-Batterien eingestellt, später an der Universität von Freiburg und am Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) wieder aufgenommen. Durch Edelmetallkatalysatoren gewinnt man dort elektrische Energie aus der direkten elektrochemischen Umsetzung von körpereigenem Blutzucker (Glukose) aus der Gewebeflüssigkeit. Auf fertige Produkte wird man allerdings noch 5-10 Jahre warten müssen.

Eine unabhängige Energieversorgung verspricht auch sogenanntes „Energie-Harvesting“ – also die Gewinnung von kleinen Mengen elektrischer Energie aus dem Umfeld der Geräte durch Licht, Temperaturänderung, Wärmeströmung, Vibration/Stoss, Funkwellen oder Schall. Wobei der mit Abstand beliebteste Forschungsgegenstand das sogenannte Piezo-Harvesting ist. Es wandelt mechanischen Druck in elektrische Spannung um. Und das am liebsten für Herzschrittmacher. Kein Wunder, immerhin werden davon über eine Million weltweit, in Deutschland rund 70.000 pro Jahr implantiert.

Das Herz schlägt für Piezo

Flexibler piezoelektrischer Harvester (Image C. Dagdeviren University of Illinois)
Flexibler piezoelektrischer Harvester gewinnt Energie aus der Bewegung von Organen. (Image: C. Dagdeviren/University of Illinois)

So nützten etwa Wissenschaftler der University of Illinois in Urbana-Champaign die natürlichen Bewegungen von Herzen, Lungen und Zwerchfellen als Stromquelle. Dazu betteten sie flexible Bänder aus Blei-Zirconat-Titanat in Silikon-Streifen ein. Bei Dehnung oder Stauchung „zapft“ der bereits 1880 von den Brüdern Jacques und Pierre Curie in Frankreich entdeckte Piezoeffekt die lebenslange Energiequelle an. Eine Mikrobatterie übernimmt die Zwischenspeicherung.

Ähnliches entwickelt auch das Fraunhofer EMFT im EU-Projekt “MANpower”, das vom Tyndall National Institute, Irland geleitet wird. Teil des autarken, ultraminiaturisierten Herzschrittmachers soll neben MEMS- und IC-Bausteinen auch Energy-Harvesting auf Piezo-Basis sein, das die niedrigen Herzschlagfrequenzen von nur einigen Hertz in „brauchbare“ Energie verwandelt.

Es geht aber auch ohne Piezo. Beim torpedoförmigen Herzschrittmacher des Inselspitals in Bern treibt im Blutstrom ein Schaufelrad einen Mikrogenerator an. Um Blut in den Kreislauf zu pumpen, wendet das Herz mehr als ein Watt Leistung auf – rund das 200.000fache des durchschnittlichen Leistungsverbrauch eines modernen Herzschrittmachers von rund 5 Mikrowatt.

Aus dem selben Haus kam ein Prototyp, der auf dem automatischen Uhrwerk einer Schweizer Uhr basierte. Direkt auf den Herzmuskel genäht, rotiert aufgrund der Herzbewegung eine Unwucht, die eine mechanische Feder aufzieht. Hat diese die maximale Spannung erreicht hat, spult sie zurück und treibt dabei einen elektrischen Mikrogenerator an.

 

Der Phantasie scheinen also keine Grenzen gesetzt. Allerdings ist der Forschungsbedarf in diesem Bereich der Medizinelektronik immens und so einiges was mit „Durchbrüchen“ angekündigt wird, endet später mit Abbrüchen. Vieles wird auch gerade erst an Tieren erprobt. Bis es beim Menschen ankommt, werden noch einige Jahre vergehen. Man darf also gespannt sein, wenn das erste Körperkraftwerk vom Band läuft.

Herzschrittmacher (Bild: KAIST)

Das Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) versucht mit Piezo-Strom das Herz am Leben zu halten. (Bild: KAIST).