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Superkondesatoren für den Einsatz im Körper Biokompatibler Mini-Energiespeicher für direkte Diagnose im Körper

Redakteur: Marc Platthaus

Miniatur-Sensoren, die Vitalwerte direkt im Körper bestimmen sollen, sind hochkomplexe Systeme. Eine der größten Hürden stellt die Energieversorgung dar. An der TU Chemnitz haben Wissenschaftler jetzt Energiespeicher entwickelt, die zwar nur so groß wie ein Staubkorn sind, aber Spannungen vergleichbar mit einer AAA-Batterie liefern.

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Eine Anordnung von 90 flexiblen und implantierbaren sogenannten Nano-Biosupercapacitors (nBFCs). Diese ermöglichen den autarken Betrieb von Mikrosensorik für den Einsatz unter anderem im Blut.
Eine Anordnung von 90 flexiblen und implantierbaren sogenannten Nano-Biosupercapacitors (nBFCs). Diese ermöglichen den autarken Betrieb von Mikrosensorik für den Einsatz unter anderem im Blut.
(Bild: Forschungsgruppe Prof. Dr. Oliver G. Schmidt)

Chemnitz – Die Miniaturisierung von mikroelektronischer Sensorik, mikroelektronischen Robotern oder intravaskulären Implantaten schreitet schnell voran. Sie stellt die Forschung aber auch vor große Herausforderungen. Eine der größten ist die Entwicklung winziger und dennoch effizienter Energiespeicher, die den Betrieb autonom arbeitender Mikrosysteme ermöglichen – z. B. in immer kleineren Bereichen des menschlichen Körpers. Darüber hinaus müssen diese Energiespeicher biokompatibel sein, um überhaupt im Körper eingesetzt werden zu können. Nun gibt es einen ersten Prototyp, der diese wesentlichen Eigenschaften vereint.

Der Durchbruch gelang einem internationalen Forschungsteam unter Leitung von Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Inhaber der Professur Materialsysteme der Nanoelektronik an der Technischen Universität Chemnitz, Initiator des Zentrums für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN) an der TU Chemnitz und Direktor am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden. Auch das Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden (IPF) war als Kooperationspartner an der Studie beteiligt. Die Forscher berichten in ihrer Arbeit vom bisher kleinsten so genannten „Biosuperkondensator“, der bereits in (künstlichen) Blutbahnen funktioniert und als Energiequelle für ein winziges Sensorsystem zur Messung des pH-Wertes verwendet werden kann.

Prof. Dr. Oliver G. Schmidt ist Pionier auf dem Gebiet der Mikrorobotik und Mikromotoren. Er ist Inhaber der Professur für Materialsysteme der Nanoelektronik an der Technischen Universität Chemnitz und Initiator des dortigen Zentrums für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN).
Prof. Dr. Oliver G. Schmidt ist Pionier auf dem Gebiet der Mikrorobotik und Mikromotoren. Er ist Inhaber der Professur für Materialsysteme der Nanoelektronik an der Technischen Universität Chemnitz und Initiator des dortigen Zentrums für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN).
(Bild: Jacob Müller)

Dieses Speichersystem eröffnet Möglichkeiten für intravaskuläre Implantate und mikrorobotische Systeme für die Biomedizin der nächsten Generation, die in schwer zugänglichen kleinen Räumen tief im Inneren des menschlichen Körpers agieren könnte. So kann z. B. die Erfassung des pH-Wertes im Blut in Echtzeit bei der Vorhersage der frühen Tumorbildung helfen. „Es ist äußerst ermutigend zu sehen, wie eine neue, extrem flexible und adaptive Mikroelektronik in die miniaturisierte Welt der biologischen Systeme vordringt“, zeigt sich Forschungsgruppen-Leiter Prof. Dr. Oliver G. Schmidt von diesem Forschungserfolg äußerst angetan.

Die Herstellung der Proben und die Untersuchung des Biosuperkondensators erfolgten größtenteils im Zentrum für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN) an der TU Chemnitz.

„Die Architektur unserer Nano-Bio-Superkondensatoren bietet die erste potenzielle Lösung für eine der größten Herausforderungen - winzige integrierte Energiespeicher, die den autarken Betrieb multifunktionaler Mikrosysteme ermöglichen“, sagt Dr. Vineeth Kumar, Forscher im Team von Prof. Schmidt und Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Forschungszentrum MAIN.

Sehr klein, aber Spannungen vergleichbar einer AAA-Batterie

Immer kleinere Energiespeicher im Submillimeterbereich - so genannte „Mikro-Superkondensatoren“ - für immer kleinere mikroelektronische Bauteile stellen aber nicht nur eine große technische Herausforderung dar. Denn in der Regel benutzen diese Superkondensatoren keine biokompatiblen Materialien, sondern z. B. korrosive Elektrolyten und entladen sich bei Defekten und Verunreinigungen schnell von selbst. Beide Aspekte machen sie für biomedizinische Anwendungen im Körper ungeeignet. Eine Lösung bieten so genannte „Biosuperkondensatoren (BSCs)“. Sie besitzen zwei herausragende Eigenschaften: Sie sind vollständig biokompatibel, das heißt, dass sie in Körperflüssigkeiten wie Blut eingesetzt und für weitere medizinische Studien genutzt werden können.

Zudem können Biosuperkondensatoren das Selbstentladungsverhalten durch bioelektrochemische Reaktionen kompensieren. Dabei profitieren sie sogar noch von körpereigenen Reaktionen. Denn zusätzlich zu typischen Ladungsspeicherreaktionen eines Superkondensators steigern Redox-Enzyme und lebende Zellen, die natürlicherweise im Blut vorhanden sind, die Leistung des Bauteils um 40%. Die derzeit kleinsten derartigen Energiespeicher sind größer als 3 Kubikmillimeter. Dem Team um Prof. Oliver Schmidt ist es nun gelungen, einen 3.000 Mal kleineren röhrenförmigen Biosuperkondensator herzustellen, der mit einem Volumen von 0.001 Kubikmillimeter (1 Nanoliter) weniger Raum als ein Staubkorn einnimmt und dennoch bis zu 1,6 V Versorgungsspannung für z. B. mikroelektronische Sensorik im Blut liefert. Das entspricht in etwa der Spannung einer handelsüblichen AAA-Batterie, wobei der eigentliche Stromfluss auf diesen kleinsten Skalen natürlich bedeutend geringer ist. Die flexible röhrenförmige Geometrie des Nano-Biosuperkondensators bietet effizienten Selbstschutz gegen Deformationen, die durch pulsierendes Blut oder Muskelkontraktion entstehen. Bei voller Kapazität kann der vorgestellte Nano-Biosuperkondensator ein komplexes vollintegriertes Sensorsystem zur Messung des pH-Wertes im Blut betreiben.

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Aktuelle Arbeit: Selbstständige Sensorik kann Tumor-Diagnostik unterstützen

Der pH-Wert des Blutes ist Schwankungen unterworfen. Eine kontinuierliche pH-Messung kann so z. B. bei der Früherkennung von Tumoren helfen. Für diesen Zweck entwickelten die Forscher einen pH-Sensor, der durch den Nano-Biosuperkondensator mit Energie versorgt wird.

Die bereits im Forschungsteam von Prof. Oliver Schmidt zuvor etablierte 5 µm thin film transistor (TFT)-Technologie konnte genutzt werden, um einen Ringoszillator mit außergewöhnlicher mechanischer Flexibilität zu entwickeln, der bei niedriger Leistung (nW bis µW) und hohen Frequenzen (bis 100 MHz) arbeitet. Für das aktuelle Projekt verwendete das Team einen fünfstufigen Ringoszillator. Das Team integrierte in den Ringoszillator einen pH-sensitiven BSC, so dass es zu einer Änderung der Ausgangsfrequenz in Abhängigkeit vom pH-Wert des Elektrolyten kommt. Dieser pH-sensitive Ringoszillator wurde ebenfalls mit der Swiss-Roll-Origami Technik in eine röhrenförmige 3D-Geometrie gebracht, sodass ein vollintegriertes und extrem kompaktes System aus Energiespeicher und Sensor geschaffen werden konnte. Der hohle Innenkern des Sensorsystems dient als Kanal für das Blutplasma. Darüber hinaus ermöglichen drei mit dem Sensor in Reihe geschaltete nBSCs eine besonders effiziente und autarke pH-Messung. Mit diesen Eigenschaften ergeben sich breite Anwendungsmöglichkeiten, z. B. in der Diagnostik und Medikation.

Originalpublikation: Lee, Y., Bandari, Li, Z., Vineeth Kumar Bandari, Oliver G. Schmidt et al. ano-biosupercapacitors enable autarkic sensor operation in blood.N. Nat Commun 12, 4967 (2021).

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