Medizinische Nanopartikel im Körper können bislang nur passiv genutzt werden. Mit der neuen Technik könnten elektronische Implantate die Energie direkt aus dem Körper beziehen.
Forscher der Columbia Universität (New York) haben zum ersten einen Mikrochip entwickelt, der durch energiereiche Moleküle mit Energie versorgt wird. Dieselben Moleküle sorgen auch für den Antrieb von Zellen in lebenden Organismen.
Dieser Durchbruch könnte zukünftig zur Entwicklung von Geräten führen, die in Zellen implantiert werden und sich dort durch biologische Energie mit Strom versorgen.
Das Molekül Adenosine Triphosphate lagert chemische Energie und wird in den Zellen zum Transport von Energie verwendet. Der neue Mikrochip basiert auf Enzymen, die als Sodium-Potassium ATPases bekannt sind. Die Moleküle bringen das ATP zur Freigabe von Energie.
Die Enzyme pumpen Sodium- und Potassium-Ionen durch die Membrane. Bei diesem Vorgang entsteht das elektrische Potenzial.
Der Elektro-Ingenieur Ken Shepard erklärt, dass die Ionen-Pumpen ?wie elektroähnliche Komponenten in lebenden Zellen arbeiten? und dabei ein elektrisches Feld erzeugen, das ausreicht, um ?ein Solid-State-System anzutreiben?.
Um das zu erreichen, setzten die Forscher Sodium-Potassium ATPases aus einem Schweinehirn in künstliche Fettmembrane. Dort fanden sich mehr als 2 Millionen aktive Moleküle pro Quadratmillimeter ? rund fünf Prozent der natürlichen Dichte in den Nervenleitungen von Säugetieren.
Bei Anwesenheit von ATP erzeugten die Ionen-Pumpen 78 Millivolt. Eine Biozelle aus zwei Membranen erzeugt genug Energie, um einen CMOS-Chip anzutreiben. Der Wirkungsgrad der Ionen-Pumpen liegt bei 14,9 Prozent.
Für den Antrieb von konventionellen Implantaten wie Herzschrittmachern eignet sich die Technik laut der Forscher allerdings nicht, da sich ATP nur in Zellen, aber nicht im Blutstrom findet.
Vielmehr könnte sich das System für den aktiven Antrieb von Nanopartikeln mit medizinischer Funktion eignen ? bislang können diese nur aus passivem Material gefertigt werden.