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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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Menschlicher Stoffwechsel betreibt Bio-Batterie |
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| | | US-Chemiker haben eine winzige "Bio-Batterie" entwickelt, die mit Hilfe des Zellstoffwechsels elektronische Implantate betreiben kann. Damit könnten Patienten in Zukunft selbst jene Energie liefern, die für Sensoren zu ihrer Gesundheitsüberwachung nötig sind. |
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Die "Biotreibstoff-Zelle" verwandelt jene Energie, die während des normalen Stoffwechselvorgangs bei der Reaktion von Glukose mit Sauerstoff freigesetzt wird, direkt in Elektrizität. Beispielsweise könnte sie in Kontakt mit Glukose-hältigen Körperflüssigkeiten unter der Haut oder im Rückenmark gebracht werden.
Von entsprechenden Forschungen eines Teams um Adam Heller von der Universität Texas in Austin berichtet die Online-Ausgabe von "Nature".
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Die Originalstudie von Adam Heller, Nicolas Mano und Fei Mao ist unter dem Titel "A Miniature Biofuel Cell Operating in A Physiological Buffer" im "Journal of the American Chemical Society" (Bd. 124, S. 12962 - 12963) erschienen. |
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 Zum Artikel (kostenpflichtig) |
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Bekannte Idee, neue Umsetzung |
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Prinzipiell ist die Idee von Bio-Batterien nicht neu. Schon seit vierzig Jahren gibt es Mini-Kraftwerke, die ihre Energie auf Basis der Reaktion von Glukose (Traubenzucker) und Sauerstoff generieren.
Die nun vorgestellte Batterie versuchen aber die Erfordernisse medizinischer Anwendungen zu erfüllen: d.h. die Zellen sind sehr klein, sollen bei der Temperatur, dem Säuregehalt und der Salzkonzentration des Blutes arbeitsfähig sein, und produzieren die passende Stromstärke und Spannung.
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Kohlefasern, von Katalysator umgeben |
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Die Batterie enthält zwei Kohlefasern mit einer Länge von zwei Zentimetern und einem Durchmesser von sieben Tausendstel Millimeter. Die Fasern sind von einem Katalysator umgeben, der die chemischen Reaktionen bei der Glukoseverbrennung beschleunigt. Diese Reaktion findet auf beiden Elektroden statt.
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Biologischer Stromkreislauf |
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Die eine Elektrode ist mit einem Polymer und einem Enzym (Glukose Oxidase) verkleidet, die der Glukose Elektronen entzieht. Das Polymer stellt eine elektronische Verbindung zwischen dem Enzym und der Kohlefaser her
Auf der anderen Elektrode fügt ein weiteres Polymer-behaftetes Enzym dem gelösten Sauerstoff Elektronen hinzu. Mit dem Fortgang der Reaktion werden die Elektronen in einen Stromkreis gebracht.
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Stoffwechsel
Der Stoffwechsel (Metabolismus) in einer Zelle lässt sich in zwei Bereiche - Baustoffwechsel und Energiestoffwechsel - unterteilen. Der Stoffwechsel erfolgt über eine Kette von Zwischenprodukten, immer unter Mitwirkung von Enzymen. Kohlenhydrate (Stärke, Glykogen) werden über den Einfachzucker Glukose zu aktivierter Essigsäure (Acetyl-Coenzym-A) abgebaut. Diese Verbindung ist Ausgangspunkt neuer Synthesen (Fette) und Reaktionspartner für den Zitronensäurezyklus und die Atmungskette. Endprodukte sind Kohlendioxid, das ausgeatmet wird, und Wasser. Dabei wird eine erhebliche Menge Energie freigesetzt, die in einer energiereichen Verbindung Adenosintriphosphat (ATP) gespeichert wird. Diese kann zur Unterhaltung aller Lebensvorgänge, die Energie verbrauchen, verwendet werden. |
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Mehr über Stoffwechsel und Zellatmung |
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Auf Eigenschaften des Blutes abgestimmt |
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Das Gerät soll bei einer Temperatur und einem Säuregehalt von normalem Blut arbeiten: bei 37 Grad Celsius und einem pH-Wert von 7,2. Nach Angaben der Hersteller produziert es die gleiche Menge an Energie wie die Batterie einer Armbanduhr mit 1,9 Mikrowatt.
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Anwendungen: Diabetes-Kontrolle, Tierforschung |
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Angewandt könnte es beispielsweise werden, um einen Mini-Sensor für die Diabetes-Kontrolle zu betreiben. Zu schwach sei die Batterie hingegen, um ein künstliches Herz mit Energie zu versorgen. Und auch zu kurzlebig, verliert sie doch sechs Prozent ihrer Kraft pro Tag.
Besser wären da andere Anwendungen im Bereich der Forschung: etwa für Überwachungsgeräte, die an Insekten oder anderen Tieren befestigt werden, um sie im Laufe einiger Tage verfolgen zu können.
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Nachjustierungen nötig |
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Hinzu kommt, dass echte Körperflüssigkeiten - etwa jene menschlicher Zellen, komplizierter reagieren könnten als jene Modellflüssigkeiten, welche die Wissenschaftler verwendet haben.
"Ich glaube, dass wir die chemische Zusammensetzung noch einmal nachjustieren müssen", wird Heller in Nature zitiert, "ehe die Bio-Batterien tatsächlich zur Anwendung in der Medizin gelangen können".
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Mehr dazu in science.ORF.at:
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01.01.2010 |
