Implantaten aandrijven met energie uit het menselijk lichaam

Een sideraal is in staat 600 volt en 100 watt aan energie te genereren, die het vervolgens kan inzetten om een prooi te verdoven of zichzelf te verdedigen. Onderzoekers willen dit vermogen van de sideraal gebruiken om systeem te ontwikkelen dat kleine medische implantaten zoals pacemakers van energie kan voorzien. Het systeem moet in het menselijk lichaam energie uit bijvoorbeeld de spieren of metabolische energie winnen en opslaan, zodat deze vervolgens gecontroleerd kan worden afgegeven aan het implantaat.

Het gaat om een project van een onderzoeksteam van de University of Michigan, het Adolphe Merkle Institute van de University of Fribourg en de University of California-San Diego. Het team heeft onderzoek gedaan naar het orgaan van de sideraal dat het dier in staat stelt energie te genereren. Dit orgaan bestaat uit lange en dunne cellen die ook wel elektrolytencellen worden genoemd. Deze cellen worden aangestuurd door het brein van de sideraal en kunnen ieder een laag voltage genereren door sodium ionen naar één zijde van de cel te laten stromen, terwijl gelijktijdig potassium ionen naar de andere zijde van de cel vloeien. Beide ionen worden van elkaar gescheiden met een membraan.

600 volt en 100 watt

Indien de sideraal in rust is zijn de positieve en negatieve ionen in de cellen van elkaar gescheiden. Zodra de sideraal energie nodig heeft om bijvoorbeeld zijn prooi te verdoven stelt het membraan in de cellen de positieve en negatieve ionen in staat samen te komen, waardoor energie wordt gegenereerd. De sideraal kan op deze wijze 600 volt en 100 watt aan energie creëren “De sideraal polariseert en depolariseert duizenden cellen gelijktijdig om deze hoge voltages te leveren”, legt Max Shtein, hoofddocent materiële wetenschappen en techniek bij de University of Michigan, uit. 

Het onderzoeksteam heeft een energiebron gecreëerd die is geïnspireerd op dit orgaan van de sideraal. De energiebron genereert energie met behulp van het verschil in zoutgehalte tussen vers water en zout water. Het zoute water bevat positieve ionen (natrium) en negatieve ionen (chloride), die beide ook aanwezig zijn in keukenzout (natrium-chloride). Indien een compartiment met een poreus membraan gevuld met zout water in contact wordt gebracht met een vergelijkbaar compartiment gevuld met vers water, migreren zowel de positieve als negatieve ionen op natuurlijke wijze naar het compartiment met vers water totdat beide compartimenten hetzelfde zoutgehalte hebben. 

Positieve en negatieve ionen scheiden

Indien echter een speciaal membraan dat positieve ionen eenvoudiger doorlaat dan negatieve ionen tussen beide compartimenten wordt geplaatst, zorgt dit ervoor dat de positieve ionen uit het zeewater naar het compartiment met vers water stromen. De negatieve ionen blijven achter in het compartiment met zeewater en worden dus van de positieve ionen gescheiden. Dit fenomeen wordt ook wel omgekeerde elektrodialyse genoemd. Door duizenden van deze compartimenten en membranen achter elkaar te plaatsen is het mogelijk 110 volt aan energie te genereren uit enkel water en zout. 

Zowel de compartimenten als de membranen die the team hierbij gebruikt zijn gemaakt van een hydrogel en kunnen met behulp van een commercieel beschikbare 3D-printer worden geprint op een doorzichtig stuk plastic. De onderzoekers merken op dat – net als bij een sideraal – de energiebron een groot aantal compartimenten bevat die ieder een beperkte capaciteit hebben en een laag voltage genereren. Door alle cellen op hetzelfde moment in te zetten is het mogelijk tot hogere voltages te komen. Om dit mogelijk te maken zetten de onderzoekers een vouwmethode in die oorspronkelijk is ontwikkeld om zonnepanelen van satellieten in de ruimte te kunnen uitvouwen. 

Doorontwikkelen

De onderzoekers melden dat hun energiebron op dit moment niet in staat is een aanzienlijk lager voltage kan opwekken dan een sideraal. De onderzoekers wijzen er daarnaast op dat een sideraal zijn orgaan opnieuw kan opladen door te eten, terwijl het huidige prototype van de kunstmatige energiebron hiervoor een externe energiebron voor nodig heeft. Om bruikbaar te zijn voor het aandrijven van medische implantaten is het nodig een methode te vinden om de cellen opnieuw te activeren in een levend organisme, evenals betere en dunnere hydrogel membranen te ontwikkelen.

Hoogleraar biofysica Michael Mayer van het Adolphe Merkle Institute geeft aan dat de energie-eigenschappen van het kunstmatige elektrische orgaan op dit moment tenminste een factor 1.000 lager zijn dan die van de sideraal. “Op dit moment zijn we wellicht in staat apparaten met het laagste energieverbruik aan te drijven. Ik denk echter dat het realistisch is om de prestaties met een factor tien te verbeteren met behulp van betere membranen, en mogelijk nogmaals met een factor tien door efficiënter te bouwen”, aldus Mayer. 

Energie uit het menselijk lichaam gebruiken

Een belangrijke uitdaging is volgens Mayer het gebruik van de metabolische energie van het menselijk lichaam om de kunstmatige energiebron opnieuw op te laden. Hiervoor denkt de hoogleraar aan het inzetten van ionen in onder andere maagsappen of het converteren van energie uit spieren in elektrische energie, die vervolgens kan worden opgeslagen in en vrijgegeven door het kunstmatige elektrische orgaan.

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Bron: University of Michigan
Bron: Adolphe Merkle Institute van de University of Fribourg
Bron foto: Shutterstock