Zelluläre Kraftwerke: Stromgeneration durch Integration von Zellen mit Nanoelektrodenmustern

Vor dem Hintergrund einer wachsenden Zahl von elektronischen Geräten, die Patienten zur Behandlung unterschiedlicher Krankheiten – darunter Arrhythmie, Parkinsonsche Krankheit, Taubheit und Diabetes – implantiert werden, hat sich die Entwicklung biokompatibler miniaturisierter Energiequellen zu einem wichtigen Forschungszweig entwickelt. In diesem Zusammenhang stellen vor allem die moderne Nano- und Mikrotechnologie neuartige Verfahren zur Verfügung, um entsprechende Geräte durch innovative, von der Natur inspirierte biochemische Systeme zu betreiben. Systeme, die sich, neben der Fähigkeit zur Selbsterneuerung vor allem durch ihren enormen Wirkungsgrad auszeichnen und zu einem fundamental neuen Verständnis der Interaktion von biologischen und nicht-biologischen Komponenten beitragen könnten.

Zielsetzung des Projekts ist die Entwicklung einer neuartigen bionischen Energiequelle, basierend auf der Fusion von Zellen mit synthetischen Grenzflächen, die eine verlustarme Umwandlung von chemischer in elektrische Energie ermöglicht. Das System wird gespeist aus dem elektrochemischen Membranpotential eukaryontischer Zellen oder biotechnologisch hergestellter Lipidvesikel mit integrierten Ionenkanälen, die auf Oberflächenfeldern hochspezialisierter Nanoelektroden aufgebracht werden. Das Projekt soll zum Gewinn grundlegender Erkenntnisse zur Wechselwirkung biologischer und nicht-biologischer Systeme beitragen, nsbesondere in Bezug auf die Integration von Nanoelektroden in Zellen und Vesikel und deren elektrochemische Eigenschaften unter physiologischen Bedingungen. Als effiziente und selbstregenerierende Energiequelle besitzen diese „bionischen Generatoren“ großes Potential, um bei einem breiten Spektrum von Anwendungen Verwendung zu finden. Darunter selbstladende und biokompatible Prothesen oder Körperimplantate, wie z.B. Herz- und Hirnschrittmacher, Cochlea-Implantate, Insulinpumpen, künstliche Netzhäute oder Geräte zur Überwachung von Körperfunktionen.

Eine eukaryotische Zelle, ausplattiert auf einem Nanoelektroden-Interface. Die teilisolierten Gold-Nanoelektroden haben einen Durchmesser von ca. 100 nm.