TUS entwickelt druckbare schweißbetriebene Biobrennstoffzellen für Gesundheitspflaster

Eine wasserbasierte Enzymtinte ermöglicht es Ingenieuren, vollständige schweißbetriebene Biobrennstoffzellen in einem einzigen Fertigungsdurchgang im Siebdruck herzustellen.

Indem ein empfindlicher, mehrstufiger Prozess auf eine bedruckbare Schicht reduziert wird, rückt die tatsächliche Massenproduktion batterieloser Gesundheitspflaster näher.

Drucken in einem Durchgang

Auf einem dünnen Papiersubstrat bilden die gedruckten Schichten zwei Elektroden, die elektrische Energie unmittelbar aus chemischen Stoffen im Schweiß gewinnen.

In diesem papierbasierten System zeigte Associate Professor Isao Shitanda von der Tokyo University of Science (TUS), dass eine einzelne, mit Enzymen versetzte Tinte beide Seiten der Energiezelle gleichzeitig erzeugen kann.

Statt Enzyme in getrennten Trocknungsschritten aufzutragen, bindet die neue Rezeptur sie in die gedruckte Struktur ein. Dadurch bleibt ihre Aktivität erhalten, ohne die elektrische Leistung zu beeinträchtigen.

Diese Zusammenführung verringert Unterschiede zwischen einzelnen Bauteilen und bereitet den nächsten Schritt vor: Laborproben in langlebige, tragbare Sensoren zu überführen.

Das Problem mit dem Volumen

Winzige Schweißsensoren passen bereits auf die Haut, doch eine Knopfzelle bestimmt weiterhin maßgeblich Dicke und Volumen.

Jede Batterie muss elektrische Ladung speichern, gegen Feuchtigkeit versiegelt sein und Biegungen standhalten. Deshalb greifen Entwickler zu steiferen Gehäusen.

Bei Einweg-Gesundheitspflastern erhöhen Batterien die Kosten und erschweren die Entsorgung, selbst wenn der Sensor nur papierdünn ist.

Ohne Batterie muss das Gerät Energie direkt vor Ort gewinnen; die Energiequelle muss sich daher einfach drucken lassen.

Energie aus der Körperchemie

Diese gedruckten Zellen speichern keine Energie, sondern nutzen chemische Stoffe, die der Körper über den Schweiß bereits abgibt.

Fachleute bezeichnen sie als enzymatische Biobrennstoffzellen: kleine Geräte, die mithilfe von Enzymen als Katalysatoren Körperchemikalien in Strom umwandeln.

In einer Zelle entzieht ein Enzym Laktat Elektronen; der Stromkreis leitet sie auf der gegenüberliegenden Seite zu Sauerstoff weiter.

Da Brennstoffmenge und Schweißfluss während körperlicher Aktivität rasch schwanken können, verändert sich auch die Leistungsabgabe.

Die Skalierung bleibt schwierig

Die industrielle Fertigung ist anspruchsvoll, weil die herkömmliche Herstellung von Biobrennstoffzellen mehrere komplexe Arbeitsschritte umfasst, die von Hand ausgeführt werden müssen.

Nach dem Drucken der Kohlenstoffschicht träufeln Beschäftigte Enzymlösungen darauf und warten anschließend, bis die ungleichmäßigen Filme getrocknet sind.

Schon geringe Unterschiede bei der aufgebrachten Flüssigkeitsmenge oder der Trocknungsdauer können Leistung und Sensorfunktion von Pflaster zu Pflaster verändern.

„Wir müssen eine Enzymtinte auf den Markt bringen, die gleichmäßig gedruckt werden kann und für die Massenproduktion geeignet ist“, sagt Dr. Shitanda.

Bedruckbare Bio-Tinten für Biobrennstoffzellen

Für den Druck in einem Durchgang mussten die empfindlichen Enzyme in eine Tinte überführt werden, die sich gleichmäßig verteilt und an der gewünschten Stelle haftet.

Das TUS-Team stimmte die Mischung auf den Siebdruck ab, bei dem Tinte durch ein Gewebe auf eine Oberfläche gedrückt wird, damit sie mit üblichen Geräten verarbeitet werden kann.

Poröses Kohlenstoffpulver nahm die Enzyme auf, während ein wasserbasiertes Bindemittel und ein Verdickungsmittel die Paste während der Druckläufe stabil hielten.

Weil die Tinte ohne aggressive Lösungsmittel auskam, bewahrten die Enzyme nach dem Druck mehr Aktivität – ein entscheidender Faktor für eine tragbare Energiezelle.

Drucken der Sauerstoffseite

Zum Schließen des Stromkreises wird eine sauerstoffaufnehmende Elektrode benötigt. Gerade diese Seite ließ sich bislang nur schwer sauber und reproduzierbar drucken.

Ingenieure nennen diese Elektrode Kathode – die Sauerstoff nutzende Seite, an der die Elektronen ankommen. Die dort verwendeten Enzyme sind besonders empfindlich und schwer zu stabilisieren.

Durch die Einbettung des sauerstoffverarbeitenden Enzyms in dieselbe druckbare Mischung konnte der neue Ansatz diese Kathode in einem Durchgang herstellen.

Dass beide Elektroden als Tinten gedruckt werden können, beseitigt einen wesentlichen Engpass. Das Papier muss jedoch weiterhin Schweiß, Bewegung und Abnutzung standhalten.

Messung der Leistungsabgabe

Prüfstandtests ergaben, dass die gedruckten Elektroden stärkere Ströme lieferten und länger aktiv blieben als ältere Beschichtungen, die tropfenweise aufgebracht wurden.

Beim Betrieb einer laktatbetriebenen Zelle erreichte sie bei maximaler Leistung etwa 1.065 Mikrowatt pro Quadratzoll 1.065 Mikrowatt pro Quadratzoll (etwa 165 Mikrowatt pro Quadratzentimeter) sowie 0,63 Volt im Leerlauf.

Eine Lagerung bei 5 °C unter Vakuum erhielt die Enzymaktivität am besten und deutet auf eine Möglichkeit für Versand und Haltbarkeit hin.

Trotz der verbesserten Leistung bleibt die erzeugte Energie gering, weshalb jedes Bauteil des Pflasters sparsam mit Strom umgehen muss.

Abgestimmt auf die Schweißchemie

Körperliche Belastung kann den Laktatgehalt im Schweiß erhöhen; diese Veränderung liefert ein direktes Signal dafür, wie intensiv die Muskeln arbeiten.

Eine veröffentlichte Übersichtsarbeit ordnete übliche Laktatwerte im Schweiß während sportlicher Aktivitäten im Bereich von etwa einem bis 25 Millimol pro Liter ein.

Die neue gedruckte Zelle war auf genau diesen Bereich ausgelegt und wandelte mit dem vom Schweiß gelieferten Brennstoff mehr Laktat in mehr Elektronen um.

Die Zusammenhänge zwischen Laktat im Schweiß und im Blut sind weiterhin komplex. Daher müssen gesundheitliche Aussagen sorgfältig unter realen Bedingungen überprüft werden.

Einsatzmöglichkeiten im Alltag

Trainer und Sportler wünschen sich Rückmeldungen ohne Fingerstich; Schweißlaktat ermöglicht eine schnelle Einschätzung zunehmender Belastung.

Ein selbstversorgendes Pflaster kann diese Chemie sowohl in elektrische Energie als auch in ein Sensorsignal umsetzen, sodass Daten in Echtzeit von der Haut übertragen werden können.

In der Pflege und Altenbetreuung könnte eine kontinuierliche Überwachung Dehydrierung, Infektionen oder Hitzestress früher erkennen lassen als gelegentliche Kontrollen.

Der praktische Nutzen hängt davon ab, ob Pflaster bequem sitzen, stabile Messwerte liefern und medizinischem Personal sowie Nutzern eindeutige Signale geben.

Nächste Schritte für tragbare Sensoren

Indem die TUS-Gruppe eine empfindliche Laborrezeptur in eine druckbare Tinte überführt, weist sie den Weg zu schweißbetriebenen Sensoren, die Fabriken tatsächlich herstellen können.

Marktreife Produkte benötigen längere Tragetests, zuverlässige Funkverbindungen und den Nachweis, dass die Messwerte bei unterschiedlichen Menschen und Bedingungen aussagekräftig bleiben.