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Herzrhythmusstörungen: Schrittmacher ohne Batterien

Ein Generator könnte unserem Herzen helfen, sich selbst auf die Sprünge zu helfen. Weil er ohne Batterien auskommt, hält dieser Schrittmacher vielleicht sogar ein Leben lang.
Implantierbarer triboelektrischer Nanogenerator mit HerzmodellLaden...

Wenn ein Herz schlägt, pumpt es nicht nur literweise Blut durch den Körper, sondern liefert auch Energie. Diese Energie hat ein internationales Forscherteam genutzt, um bei Schweinen einen Schrittmacher zu betreiben. Wenn man ihnen ein solches Gerät einpflanzt, fungiert ihr Herz also als Energieversorger, und man könnte auf eine Batterie verzichten. Die Wissenschaftler von Universitäten aus Atlanta und Peking veröffentlichten ihre Entwicklung nun in der Fachzeitschrift »Nature Communications«.

Das Gerät besteht im Grunde aus drei Teilen: Energiegewinnung, -regler und einem herkömmlichen Herzschrittmacher. Zur Energiegewinnung wird die mechanische Energie des Herzschlags in elektrische Energie umgewandelt – das Gerät wirkt also als Generator. Bei jedem Schlag berühren sich in seinem Inneren Schichten aus zwei unterschiedlichen Materialien. Dabei kommt es zu einem spontanen Austausch von Elektronen. Wenn man die Schichten nun wieder trennt, entsteht ein Ladungsunterschied und damit elektrische Spannung. Diesen triboelektrischen Effekt kennt man aus dem Alltag: Zieht man sich einen Polyesterpullover über den Kopf, laden sich Pullover und Haare auf. Eine feine Nanostruktur der sich berührenden Schichten vergrößert die Kontaktfläche und somit die Leistung des Geräts. Dank der Bauweise ihres »implantierbaren triboelektrischen Nanogenerators« ist es den Forschern in der Studie gelungen, mit ihrem Gerät deutlich mehr Energie zu gewinnen als in bisherigen Versuchen.

Aus dem Herzschlag eines Schweins konnten die Forscher 0,495 Mikrojoule abgreifen – das ist mehr Energie, als man benötigt, um den Schrittmacher eines Menschen zu speisen. Damit wäre es also theoretisch möglich, ein solches System bei Menschen anzuwenden. Heutige Herzschrittmacher werden mit Batterien betrieben. Wenn deren Lebensdauer von fünf bis zehn Jahren abgelaufen ist, muss der Schrittmacher ausgewechselt werden. Dazu ist ein kleiner operativer Eingriff notwendig, den man Herzpatienten mit Hilfe eines sich selbst versorgenden Herzschrittmachers möglicherweise ersparen könnte. Allerdings stehen dessen Anwendung noch einige Probleme im Wege. Beispielsweise ist der Prototyp mindestens fünfmal so groß wie heutige batteriebetriebene Geräte, die nur etwa die Größe eines Zwei-Euro-Stücks haben. Zudem muss untersucht werden, ob das verwendete Material dauerhaft vom Körper toleriert wird und wie langlebig solche Geräte sind.

17/2019

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 17/2019

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