Forscher am MIT entwickeln für den Verzehr geeignete Batterie

Batterien für Anwendungen im Magen und im Verdauungsbereich mussten bisher sehr gut verkapselt sein. Jetzt hat ein Forscherteam um Giovanni Traverso am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge sogar eine mit der Zeit verdauliche Batterie entwickelt. Die könnte in Zukunft mit leichten Stromimpulsen mehr Hormone herauskitzeln oder Sensorkapseln ergänzen, die die Einnahme von Medikamenten kontrollieren, wie die Forschungsarbeit der Wissenschaftler beschreibt.

Als wichtigsten Teil seiner Forschungsarbeit, veröffentlicht in Nature Chemical Engineering, bezeichnet Traverso in den MIT News die Auswahl der verwendeten Materialien, denn die sollten alle vom menschlichen Verdauungsapparat gut zu vertragen sein. Zuvor gab es nur die Möglichkeiten, Energie direkt im Magen-Darm-Trakt zu gewinnen, zum Beispiel mit geeigneten Elektroden in der Magensäure. Energie ließe sich auch drahtlos von außen zuführen, etwa für ein passives RFID-Tag, oder man verwendet gut gekapselte kleine Knopfzellen. Solche Knopfzellen enthielten bisher aber Lithium, Silberoxid oder andere Metallverbindungen, wodurch sie ein Sicherheitsrisiko darstellten.

Für ihre Entwicklung (Links zu den Veröffentlichungen finden Sie unter ct.de/ytuz) griffen die MIT-Forscher nun insbesondere auf Metalle zurück, die in geringen Mengen für den menschlichen Verzehr unbedenklich sind. Als Elektrodenmaterial ihrer schluckbaren Batterie wählten sie Magnesium für die Anode und Molybdäntrioxid für die Kathode. Außerdem enthält die Batterie einen Elektrolyten aus ionischer Flüssigkeit in Gelform. Damit kann sie über mehrere Tage eine Spannung von 1,84 Volt bereitstellen.

Aktiver RFID-Chip meldet sich aus dem Magen

„Für viele der Systeme, die wir entwickeln, benötigen wir Energie“, sagt Traverso, Gastroenterologe, der zugleich am MIT-Fachbereich Maschinenbau lehrt. Dazu gehört beispielsweise eine Kapsel, die sich an die Magenschleimhaut heftet und dort mit schwachen Stromimpulsen die Produktion des sogenannten Hungerhormons Ghrelin anregt. Eine vermehrte Ausschüttung dieses appetitanregenden Peptids kann helfen, Erkrankungen zu behandeln, die mit Appetitlosigkeit einhergehen. Im Tierversuch mit der neuen Batterie steigerten bereits 20 Minuten Stimulation im Magen den Ghrelinspiegel um etwa 50 Prozent.

In einer zweiten Anwendung kombinierten die Forscher einen schluckbaren Sensor, der über mehrere Tage die kontinuierliche Einnahme von Medikamenten überwacht, mit einem aktiven RFID-Label. Die Signale der aktiven RFID-Technik durchdringen auch die Kleidung, reichen etwa 1,5 Meter weit und lassen sich dadurch ohne besonderen Aufwand für den Patienten im täglichen Leben auslesen und verarbeiten. Über das Signal lässt sich das Sensor-Batterie-System auch genau im Körper orten.

Um unterschiedlichen Anwendungen gerecht zu werden, bauten die Wissenschaftler zwei verschiedene Versionen ihrer verdaulichen Batterien auf. Bei der einen handelt es sich um eine Scheibe mit einem Durchmesser von 7,5 Millimetern und bei der anderen um eine Kapsel mit einer Länge von etwa 24 Millimetern.

Esspapier als Vorbild

Auch die Verpackung spielte eine entscheidende Rolle. Die Forscher benötigten ein Material, das die anderen Teile der Batterie stützt, ohne die Gesamtleistung durch elektrische Isolierung zu beeinträchtigen. Außerdem musste es eine große Oberfläche aufweisen. Inspiriert von Süßigkeiten mit einer essbaren Hülle aus Reispapier verwendeten sie für ihre Batterie eine Beschichtung auf Zellulosebasis. Die löst sich mit der Zeit genau wie diese Esspapierhüllen auf. Zudem tauchten sie das Material in Bienenwachs, um die zerstörerische Wirkung der Magensäure zu verlangsamen.

Bei Versuchen in saurer Lösung, die dem Magensaft vergleichbar ist, zeigte sich der Kompromiss aus Widerstandsfähigkeit und Verdaulichkeit. Alle Komponenten der Batterien funktionieren im unwirtlichen Milieu des Magens etwa drei Tage lang wie vorgesehen, anschließend beginnt ihre Leistung nachzulassen. Innerhalb von zwei Wochen zersetzt sich ihre Zelluloseverkapselung, gefolgt von der Auflösung der Elektroden, was schließlich nach mehreren Monaten zum vollständigen Zerfall führt. (agr@ct.de)

Paper und Kurzfilme der Forscher: ct.de/ytuz