Implantaten halen stroom uit het lichaam

Batterijen van medische hulpmiddelen verwisselen wordt overbodig als je energie uit het lichaam van de patiënt kunt opwekken.

Steek twee elektroden in een aardappel en je kunt een heel zwak lampje laten branden. Steek twee elektroden in het oor van een cavia en je oogst genoeg energie om een sensor te laten werken. Dat laatste demonstreerden medisch technologen van Harvard en MIT deze week in een artikel in Nature Biotechnology.

Ze gebruikten extreem kleine en efficiënte elektronica om het kleine beetje energie te winnen dat in een caviaoor besloten ligt. De energie in een oor is – in de toekomst, misschien – genoeg om er een oor- of hersenimplantaat mee aan te drijven, zonder dat er een batterij nodig is.

Het lichaam van de cavia, en dat van de mens, is een potentiële bron van energie. In de simpelste opzet drijft een cavia een looprad aan. En er zijn vast huisdierenliefhebbers die geprobeerd hebben om een lampje op het wiel aan te sluiten.

Maar er zijn subtielere vormen van energy harvesting, het ‘oogsten’ van energie dus. Vier jaar geleden publiceerde Science over een kniebeugel waarmee elektrisch vermogen was op te wekken tijdens het lopen – voor mensen, niet voor cavia’s. Het systeem leek op dat van een elektrische auto die zijn motor oplaadt tijdens het remmen. Inmiddels heeft bedenker Max Donelan de beugel verder ontwikkeld, samen met het Canadese leger. De PowerWalk-beugel levert 12 watt. Een uur ermee marcheren is genoeg om vier mobiele telefoons op te laden, staat op de website.

Batterijen opladen door te wandelen, dat is energie oogsten in het groot. Medisch technologen willen heel kleine beetjes energie oogsten uit inwendige lichaamsprocessen. Vorig jaar rustte een Amerikaanse biotechnoloog vijf kakkerlakken uit met een geïmplanteerde brandstofcel die elektriciteit opwekte uit de suikers die de insecten aten. Handig als de kakkerlak een taakje moet verrichten waarvoor elektra nodig is.

Maar ook in het oor is energie te halen. In het slakkenhuis in het binnenoor wordt de trilling van het trommelvlies omgezet in een elektrisch signaal voor de gehoorzenuw. Dat gebeurt via de endocochleaire potentiaal. Dat is het spanningsverschil in het slakkenhuis, dat het lichaam in stand houdt tussen twee met vocht gevulde compartimenten in dat slakkenhuis. Dat spanningsverschil (70 - 100 millivolt) in het binnenoor van een cavia gebruikten de medisch technologen van Harvard en MIT als batterij. De cavia was verdoofd tijdens de exercitie. Door een elektrode te prikken in elk van de twee compartimenten wekten ze gedurende vijf uur minimaal 1,12 nanowatt op.

Dat is tien miljard keer zo weinig als het vermogen van de kniebeugel. Toch was dat minuscule vermogen genoeg om een sensor aan te sturen die nu nog naast de cavia lag, maar geïmplanteerd zou kunnen worden. Die sensor gaf via een radiosignaal de sterkte van de endocochleaire potentiaal door – misschien is dat handig voor ooronderzoek bij proefdieren. Het gehoor van de cavia ging wel wat achteruit door de plaatsing van de elektroden. Voorlopig zien de auteurs daarom nog geen medische toepassing. Dan moeten elektroden eerst kleiner en efficiënter worden.

Medische toepassing ligt wellicht eerder in het verschiet voor een andere vorm van energy harvesting. Een week geleden meldde technoloog Amin Karami op een cardiologencongres dat zijn afdeling aan de University of Michigan in Ann Arbor werkt aan een apparaatje dat energie opwekt uit de klop van een hart. Nu werken pacemakers nog op batterijen, die elke 6 à 8 jaar vervangen moeten worden met een operatie.

Die operaties wil de groep van Karami overbodig maken. Het team toonde aan dat het apparaatje 1 miljoenste watt opwekt als het tegen een kloppend geiten- of varkenshart gelegd wordt. Dat vermogen zou genoeg zijn voor een pacemaker. Karami wil het apparaatje nu bij menselijke openhartoperaties gaan doormeten. Het implanteren van zo’n apparaat is nog een volgende stap.