Neue Forschung zu drahtlosen, wiederaufladbaren Batterien zielt darauf ab, chirurgische Risiken zu reduzieren

3D-Darstellung eines Mannes mit Herzschrittmacher. Bildnachweis: Adobe Stock. Alle Rechte vorbehalten.

5. Juni 2023

Von Jennifer Matthews

UNIVERSITY PARK, Pennsylvania – Forscher an der Penn State entwickeln eine neue drahtlose wiederaufladbare Batterie für biomedizinische Elektronik, wie zum Beispiel Herzschrittmacher, die es ermöglicht, diese ohne invasive Operation aufzuladen und zu verwalten.

„Wir wollen die Batterie und das Materialdesign optimieren und dies mit kabellosem Laden verbinden“, sagte Feifei Shi, Assistenzprofessorin für Energietechnik am John and Willie Leone Family Department of Energy and Mineral Engineering an der Penn State. „Derzeit beschränken wir uns auf das Laden per Kabel und kabelloses Laden ist definitiv die Zukunft.“

Biomedizinische Geräte stellen physiologische Funktionen im menschlichen Körper wieder her, die chronische Schmerzen lindern und die Lebensqualität erheblich verbessern. In den letzten Jahrzehnten gab es ein enormes Wachstum bei Elektronik und drahtloser Technologie, die sich für dieses Ziel einsetzen. Eine verbleibende Herausforderung für medizinische Geräte ist jedoch die Stromversorgung. Der Großteil der meisten implantierbaren elektronischen Geräte wird von Primärbatterien angetrieben, die eine begrenzte Lebensdauer haben und über Kabel aufgeladen werden müssen. Da die Lebenserwartung der Menschen so hoch wie nie zuvor ist, benötigen Wissenschaftler eine langlebigere und zuverlässigere Alternative zu den derzeit verwendeten Lithium-Jod-Batterien.

„Vor zehn Jahren war das nicht das Problem“, sagte Shi. „Aber heutzutage kommt es viel häufiger zum Batteriewechsel, weil die Menschen länger leben.“

Der erste implantierte Herzschrittmacher nutzte eine wiederaufladbare Nickel-Cadmium-Batterie. Anschließend wurden Zink-Quecksilber-Batterien entwickelt, die mehr als zwei Jahre hielten. Doch nichts funktionierte so gut wie die 1972 erfundene Lithium-Jod-Batterie. Diese Batterien halten bis zu 10 Jahre und sind für viele Hersteller von Herzschrittmachern der Goldstandard. Probleme treten jedoch auf, wenn Menschen ihre Herzschrittmacherbatterien manchmal um Jahrzehnte überdauern. Operationen zum Batteriewechsel sind zwar relativ sicher, aber insbesondere im fortgeschrittenen Alter nicht ohne Risiken. Zu diesen Risiken gehören Infektionen, Blutgerinnsel, Schäden an Blutgefäßen oder Nerven, Lungenkollaps und Herzperforation.

Um zur Lösung dieses Problems beizutragen, hat Shi von Johnson & Johnson einen Zuschuss in Höhe von 150.000 US-Dollar für ein dreijähriges Projekt zur Entwicklung einer wiederaufladbaren Batterie erhalten, die drahtlos aufgeladen werden kann. Das Ergebnis wird eine einzigartige, fernaufladbare Hochleistungsbatterie im menschlichen Körper sein. Dieses neue wiederaufladbare Batteriesystem hat das Potenzial, das Risiko von Infektionen und anderen Komplikationen im Zusammenhang mit chirurgischen Eingriffen zu beseitigen und eine stabilere und langlebigere Stromversorgung bereitzustellen, sodass mehr Gesundheitsdiagnosesensoren in implementierte medizinische Geräte integriert werden können. Sie glaubt, dass dieses Projekt im Erfolgsfall Leben retten, Leid minimieren, Kosten senken und die nächste Revolution bei umsetzbaren medizinischen Geräten auslösen wird, sagte Shi.

Der erste Schritt besteht darin, eine bestehende, nichtkommerzielle kabellose Lademethode zu übernehmen, die biologisch sicher ist und Muskelgewebe durchdringen kann, wodurch das Laden im Körper möglich wird. Zu diesem Zweck werden sie einige Prototypen in kleinem Maßstab testen, um die optimale Chemie für diesen Batterietyp zu finden.

„Frühere Untersuchungen belegen im Allgemeinen das kabellose Laden mit einer Glühbirne oder einem Kondensator, sie beweisen jedoch nie, dass sie eine Batterie laden können“, sagte Shi. „Es gibt einen Unterschied zwischen dem Zünden einer Glühbirne und einem echten Nutzungs- und Alterungstest.“

Die zweite Aufgabe wird die Strukturoptimierung sein. Das Gerät muss winzig sein und der Rezeptor muss integriert sein, was ein neuartiges Konzept ist, erklärte Shi.

„Ich möchte die Batterie als Ganzes betrachten und über jede einzelne Komponente nachdenken. Dabei geht es nicht nur um die Leistung der Batterie“, sagte Shi. „Wir fangen bei Null an, es gibt nichts Vergleichbares, also haben wir viel Freiheit. Das ist gut, denn wenn wir an vorhandener Technologie arbeiten würden, hätten wir nicht zu viel Spielraum. Das gibt uns mehr.“ Möglichkeiten, etwas Neues, etwas Nützlicheres für die Gesellschaft zu erfinden.“

Die größten Herausforderungen seien Sicherheit und Batterielebensdauer, sagte Shi. Im Idealfall, sagte sie, hofft sie, etwas zu entwickeln, das eine Lebensdauer von 20 oder 30 Jahren hat und im menschlichen Körper sicher ist.

„Wenn du ein Auto hast, das Feuer fängt, kannst du weglaufen“, sagte Shi. „Aber wenn man etwas in seinem Körper hat, das überhaupt nicht zugänglich ist, muss es zuverlässig sein, daher ist Sicherheit die höchste Priorität und die komplexeste.“

Shi sagte, sie hoffe, dass ihr Hintergrund und ihre Erfahrung in der Batterieentwicklung sowie die Zusammenarbeit mit anderen Forschern es ihr ermöglichen werden, eine Batterie herzustellen, die die biomedizinische Batterietechnologie neu definiert.

„Sowohl im Hinblick auf den Akku als auch auf den Aspekt des kabellosen Ladens besteht mein oberstes Ziel darin, einen besseren Akku zu entwickeln, der kabelloses Laden im Körper ermöglicht“, sagte Shi. „Mein Forschungsgebiet ist nur ein sehr enger Bereich, und Gesundheit und medizinische Geräte sind multidisziplinäre Forschungsgebiete. Um dies zu verwirklichen, brauchen wir die Zusammenarbeit vieler Menschen.“

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