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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-75684
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7568/


Kerzenmacher, Sven

Abiotically catalyzed glucose fuel cells for powering energy-autonomous medical implants

Abiotisch katalysierte Glukosebrennstoffzellen zur Stromversorgung energieautarker medizinischer Implantate

Dokument1.pdf (32.261 KB) (md5sum: 8488a2d47adf8a217603820a2b74ba43)

Kurzfassung in Englisch

The overall goal of this doctoral thesis is the development of implantable glucose fuel cells employing abiotic catalyst (e.g. platinum, activated carbon) as power supply for energy-autonomous medical implants. Originally envisioned in the 1960s, this newly re-discovered approach uses the body’s own glucose as un-exhaustible source of chemical energy that is continuously transformed into electricity by electrochemical reaction with oxygen. This way the present need for regular surgical replacement of spent batteries may be circumvented which would dramatically improve the life-quality of patients relying on active medical implants.
In the first part of this thesis a fundamental framework for the advancement of abiotically catalyzed glucose fuel cells is provided. Thereto the state-of-the-art is critically reviewed, comparing the different embodiment concepts and historical achievements with special regard to their applicability as sustainable implant power supply. Motivated by the lack of comprehensive report on fuel cell fabrication and performance in the literature, a detailed manufacturing protocol for a fuel cell based on hydrogel-bound carbon particles is presented, together with the detailed analysis of its performance characteristics in neutral buffer containing glucose and oxygen. A novelty of this work is the characterization of fuel cell performance with individually resolved electrode potentials. Using this technique the major factors governing fuel cell power output have been identified as progressing deactivation of the anode catalyst, incomplete reactant separation, and a cathode reaction governed by oxygen mass-transfer under physiological conditions. Furthermore, a complete testing environment for the time-efficient simultaneous performance characterization of 24 biofuel cells is presented. It bridges the gap between the limited controllability of simple load resistors and the application of oversized (and thus costly) multi-channel potentiostat systems.
In the second part of this thesis two novel electrode structures based on porous Raney-platinum films are introduced. For the anode a fabrication route using zinc as alloying partner was developed that overcomes the biocompatibility concerns associated with carcinogenic nickel used in previous works. At the cathode the use of Raney-platinum film electrodes for oxygen reduction has so far not been possible due to their high glucose-sensitivity. Here it is for the first time shown that sufficiently glucose-tolerant cathodes can be fabricated from sub µm-thin Raney-platinum films. This enables the realization of a glucose fuel cell that employs platinum as catalyst at both electrodes, and that at the same time can also be mounted on an impermeable surface such as the implant casing. In contrast to previous fuel cells based on hydrogel-bound particle electrodes, the novel fuel cell exhibits excellent stability against oxidative and hydrolytic attack. Furthermore, its power density is by approx. 30% increased, amounting to (4.4 ± 0.2) µW cm-2 in neutral buffer containing physiological amounts of glucose and oxygen. This results from the higher catalytic activity of platinum cathodes and in particular the increased oxygen tolerance of the Raney-platinum film anodes introduced in this work.
In artificial tissue fluid containing endogenous amino acids, the Raney-platinum film cathodes exhibit a potential-loss of approximately 120 mV, compared to operation in neutral buffer with only glucose and oxygen. By application of a protective Nafion coating this potential-loss can be diminished to 90 mV, which corresponds to less than 20% of the total fuel cell voltage under typical operation conditions. In contrast, the Raney-platinum anodes in their present form are prone to progressing electrode poisoning by adsorbed reaction products and in particular endogenous amino acids. Here the Raney-platinum film concept is an excellent platform for further research and optimization. The abdication of polymeric hydrogel binders in electrode fabrication facilitates the optimization of their catalytic properties by versatile and promising methods such as ad-atom surface modification or the application of specifically designed protective polymers with controlled charge and mesh size.


Kurzfassung in Deutsch

Das übergeordnete Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Entwicklung implantierbarer Glukose-Brennstoffzellen auf Basis abiotischer Katalysatoren (z. B. Platin, Aktivkohle) als Energieversorgung für medizinische Implantate. Bei diesem Ansatz, der bereits in den 1960er Jahren verfolgt aber erst in den letzten Jahren wiederentdeckt wurde, dient körpereigene Glukose (Blutzucker) als quasi unerschöpfliche Energiequelle. Diese wird durch eine elektrochemische Reaktion mit Sauerstoff kontinuierlich in Elektrizität umgewandelt. Auf diese Weise könnte in Zukunft auf die bislang notwendigen chirurgischen Eingriffe zum Austausch erschöpfter Batterien verzichtet und die Lebensqualität betroffener Patienten erheblich gesteigert werden.
Im ersten Teil der Arbeit wird die Grundlage zur Weiterentwicklung der Technologie geschaffen. Hierzu wird der Stand der Technik umfassend dargestellt. Die unterschiedlichen Konstruktionskonzepte und historischen Errungenschaften werden unter dem Gesichtspunkt ihrer Eignung als implantierbare Stromversorgung bewertet. Da in der wissenschaftlichen Literatur bislang weder die Herstellung noch die Leistungscharakteristik einer implantierbaren Glukose-Brennstoffzelle mit abiotischen Katalysatoren im Detail beschrieben wurde, wird zudem erstmal ein umfassendes Herstellungsprotokoll für eine Brennstoffzelle auf Basis hydrogel-gebundener Kohlepartikel vorgestellt. Ein neuer Aspekt der detaillierten Untersuchung des Leistungsverhaltens der Brennstoffzelle ist die individuelle Betrachtung der Elektrodenpotentiale. Hierdurch konnten ein zunehmender Aktivitätsverlust des Anodenkatalysators, eine unvollständige Trennung der Reaktanden und die beschränkte Sauerstoff-Verfügbarkeit an der Kathode unter physiologischen Bedingungen als Haupteinflussfaktoren identifiziert werden. Weiterhin wird ein vollständiger Teststand für die zeiteffiziente, simultane Untersuchung von bis zu 24 Glukose-Brennstoffzellen eingeführt, der die Lücke zwischen einfachen Lastwiderständen und überdimensionierten (und deshalb kostspieligen) Mehrkanal-Potentiostaten schließt.
Im zweiten Teil der Arbeit werden neue Elektroden auf der Basis hochporöser Raney-Platin-Filme vorgestellt. Für die Brennstoffzellen-Anode wurde ein neues Herstellungsverfahren mit Zink als Legierungspartner entwickelt, wodurch auf das bislang verwendete und unter dem Gesichtspunkt der Biokompatibilität problematische Nickel verzichtet werden kann. An der Kathode wurden Raney-Platin-Film-Elektroden auf Grund ihrer hohen Empfindlichkeit gegenüber Glukose bislang nicht eingesetzt. In der vorliegenden Arbeit wird zum ersten Mal gezeigt, dass sich Raney-Platin-Kathoden mit ausreichender Glukosetoleranz durch Ausführung als dünne Schichten von weniger als 1 µm Dicke realisieren lassen. Diese Entwicklung ermöglicht erstmals die Verwendung von Platin an beiden Elektroden einer Glukosebrennstoffzelle, die sich auch auf einer undurchlässigen Oberfläche wie z. B. dem Gehäuse eines Implantats platzieren lässt. Im Gegensatz zur etablierten Brennstoffzelle auf Basis hydrogel-gebundener Kohlepartikel zeichnet sich diese neue Brennstoffzelle durch Stabilität gegenüber Oxidation und Hydrolyse, sowie durch eine um ca. 30 % erhöhte Leistungsdichte von (4.4 ± 0.2) µW cm-2 aus (in neutraler Pufferlösung mit physiologischen Konzentrationen von Glukose und Sauerstoff). Diese kann sowohl auf die höhere katalytische Aktivität der Raney-Platin-Film-Kathoden als auch auf die verbesserte Sauerstofftoleranz der neuen Raney-Platin-Film-Anoden zurückgeführt werden.
In künstlicher Körperflüssigkeit, die physiologische Aminosäuren enthält, zeigt die neue Kathode einen Potentialverlust von etwa 120 mV gegenüber dem Betrieb in gepufferter Glukoselösung. Durch Einsatz einer Schutzschicht aus Nafion-Polymer kann dieser Potentialverlust auf 90 mV verringert werden, was weniger als 20 % der typischen Betriebsspannung der Brennstoffzelle entspricht. Im Gegensatz dazu weisen die Anoden in ihrer jetzigen Form einen zunehmenden Aktivitätsverlust durch adsorbierte Reaktionsprodukte und insbesondere Aminosäuren auf. Für die notwendige zukünftige Optimierung sind die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellten Raney-Platin-Film-Elektroden eine hervorragende Basis. Im Gegensatz zu hydrogel-basierten Elektroden sind sie gezielten Oberflächenmodifikationen mit adsorbierten Fremdatomen oder polymeren Schutzschichten definierter Maschenweite und Ladung besonders zugänglich.


SWD-Schlagwörter: Bioelektrochemische Brennstoffzelle , Brennstoffzelle , Glucose , Platin , Implantat , Energy Harvesting
Freie Schlagwörter (englisch): biofuel cell , glucose , platinum , implantable , energy harvesting
NASA Thesaurus fuel cells , biochemical fuel cells , glucose
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Zengerle, Roland (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 07.06.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 16.06.2010
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