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Könnten interne Batterien die nächste Generation von Wearables antreiben und sogar Krebs bekämpfen?
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Wearable-Technologie gestaltet unser tägliches Leben bereits seit einiger Zeit neu und wird von hier aus nur noch weiter wachsen, wie der Markt für Wearable-Geräte zeigt, der 2022 mit 61,30 Milliarden US‑Dollar bewertet wurde. Allein in diesem Jahr wurden über 490 Millionen Wearable‑Einheiten an Verbraucher ausgeliefert.
Durch Innovationen haben Wearables Trends geformt, die Branchen von ökologischer Nachhaltigkeit bis hin zum Gesundheitswesen umfassen, wo solche Elektronik die Gesundheitsüberwachung, Therapien, Krankheitsdiagnostik und Wundheilung transformiert hat. Um zuverlässig zu funktionieren, benötigen diese Geräte Batterien, die nicht nur biokompatibel, sondern auch ausreichend leistungsfähig sind.
Die Mehrheit implantierbarer Geräte wird von herkömmlichen Batterien wie Ag‑Zn (Silber‑Zink) und Li‑I2 (Lithium‑Jod) betrieben. Diese konventionellen Batterien haben jedoch eine begrenzte Kapazität und stellen ein Sicherheitsrisiko durch Leckage organischer Elektrolyte dar.
Versiegelt und zum Betrieb implantierbarer Geräte eingesetzt, wird die Kapazität von Ag‑Zn‑ und Li‑I2‑Batterien durch ihr Gewicht begrenzt, was ihre Lebensdauer einschränkt. Hier schlägt eine neue Studie vor, natürlich vorkommende Komponenten von Lebewesen zu nutzen. Diese Komponenten umfassen Schweiß, Enzyme, Glukose und gelösten Sauerstoff, die als kontinuierliche Energiequellen für Batterien verwendet werden können.
Die Verwendung aktiver Komponenten wie O₂ und Glukose als Kathoden/Anoden, die kontinuierlich durch den Stoffwechsel gewonnen werden können, zeigt sowohl in vitro als auch in vivo eine gute elektrochemische Leistung.
Veröffentlicht in Cell Press schlägt die Studie Metall‑O₂‑Batterien vor, die O₂ als aktive Komponente in der Kathode verwenden und mit einer Metallanode aufgebaut werden. Auf diese Weise bieten sie extrem hohe Energiedichten, die 5‑ bis 10‑mal höher sind als die derzeit verfügbaren implantierbaren Batterien.
Theoretisch bieten Li‑O₂‑ und Natrium‑Sauerstoff‑ (Na‑O₂‑) Batterien unterschiedliche Energiedichten von 3.458 bzw. 1.605 Wh/kg. Diese Werte übertreffen die aktueller Lithium‑Ion‑Batterien bei weitem.
Die Studie wurde von Yang Lv, Xizheng Liu, Jiucong Liu und Yi Ding durchgeführt, die alle dem Labor für fortschrittliche funktionelle poröse Materialien, Institut für neue Energiematerialien & niedrig‑Kohlenstoff‑Technologien, Fachbereich Materialwissenschaft und -technik, Tianjin University of Technology, China, angehören.
Weitere Forschende waren Shuang Wu und Pingli Wu vom College of Chemistry and Materials Science, Institut für Lebenswissenschaften und grüne Entwicklung, Hebei University, China; Shuangyong Sun von der School of Pharmacy, Tianjin Medical University; sowie Yonggang Wang von der Abteilung Chemie und dem Shanghai Key Laboratory für molekulare Katalyse und innovative Materialien, Institut für neue Energie, iChEM, Fudan University, China.
Die Studie erhielt finanzielle Unterstützung von der National Natural Science Foundation of China, dem National Key Research and Development Program of China und dem National Science Fund for Distinguished Young Scholars.
Implantierbare und biokompatible Na‑O₂‑Batterie
Sauerstoff ist lebensnotwendig und in lebenden Geweben allgegenwärtig. Ebenso ist Natrium, ein weiteres essentielles Element, in unserem Körper in Form von Na⁺ weit verbreitet. Diese Allgegenwart macht Metall‑O₂‑Batterien zu einer vielversprechenden Option für ständig nachfüllbare Energiequellen.
Während Natrium als vielversprechende Anode für wiederaufladbare Batterien entwickelt wurde, sind Na‑O₂‑Batterien besonders beliebt wegen ihrer niedrigen Kosten, hohen theoretischen Energiedichten und ihres Potenzials für den Einsatz in intelligenten Netzen und tragbarer Elektronik. Darüber hinaus kann das Entladungsprodukt von Na‑O₂‑Batterien leicht in Leber und Nieren metabolisiert werden, was ihre Attraktivität erhöht.
Auf diese Weise können Na‑O₂‑Batterien sowohl die Anforderungen einer kontinuierlichen Rohstoffversorgung als auch die des in‑vivo‑Produktstoffwechsels erfüllen.
Daher ist dies nicht das erste Mal, dass Forschende sich auf Na‑O₂‑Batterien konzentrieren. 2018 notierte eine Studie ihr Potenzial aufgrund ihrer hohen theoretischen Energiedichte und reichlichen Ressourcen, wies jedoch auf ihre trägen Kinetiken hin, die durch die Bildung großformatiger Entladungsprodukte mit kubischen oder unregelmäßigen Partikelformen verursacht werden.
Ein weiteres Papier von Hossein Yadegari und Xueliang Sun aus der Abteilung für Maschinen- und Materialtechnik an der University of Western Ontario stellte fest, dass Na‑O₂‑Batterien als energieeffiziente Alternative zu Li‑O₂‑Batterien aufgetreten sind. Sie basieren auf reversibler Superoxid‑Chemie, wobei ihre Zellen im Vergleich zu den Li‑Gegenstücken ein geringeres Überspannungs‑Laden zeigen, was in eine hohe Zyklusleistung übersetzt werden kann.
Allerdings wies sie darauf hin, dass die Wechselwirkung zwischen dem Ionenpaar nicht ausreicht, um den nukleophilen Angriff von O₂ auf das Zell‑Elektrolyt zu verhindern. Zudem stellen die intrinsische Stabilität von NaO₂ und die höhere chemische Reaktivität von metallischem Na Herausforderungen für die Weiterentwicklung von Na‑O₂‑Batterien dar. Obwohl es relativ wenige Berichte über diese Batterien gibt, unterstreichen die erheblichen potenziellen Vorteile implantierbarer Metall‑O₂‑Batterien die Notwendigkeit, die bestehenden Herausforderungen zu adressieren.
Die neueste Studie hebt die Notwendigkeit hervor, dass Batterien, die in vivo eingesetzt werden, eine offene Architektur besitzen müssen, um die Adsorption von O₂ aus den Körperflüssigkeiten zu gewährleisten. Darüber hinaus betont sie die Wichtigkeit, Batteriekomponenten auszuwählen, die gute Biokompatibilität aufweisen, um Abstoßungen und Reaktionen zu vermeiden. Zusätzlich muss die aufgrund ihrer hohen Reaktivität die Na‑basierte Anode gut geschützt sein. Das Batteriedesign muss zudem flexibel sein, um einen stabilen und engen Kontakt mit weichem Gewebe zu ermöglichen.
Infolgedessen schlägt das Team ein neuartiges Na‑O₂‑Batteriedesign vor, das eine stabile Na‑basierte Legierung (NaGaSn) als Anode (von der aus Strom fließt) und eine nanoporenreiche Gold‑Kathode (NPG) (zu der Strom fließt) verwendet, getrennt durch eine Ionen‑Austausch‑Membran (Nafion).
Anstatt reines metallisches Na zu verwenden, entschieden sich die Forschenden für eine ternäre NaGaSn‑Legierung, um die Sicherheits‑ und Korrosionsbeständigkeit in lebenden Organismen zu verbessern. Gleichzeitig wurde das NPG als Kathode in Metall‑Luft‑Batterien für die Sauerstoff‑Reduktions‑Reaktion eingesetzt. Während der Entladung wird O₂ kontinuierlich aus den Körperflüssigkeiten zugeführt und durch NPG‑Katalyse reduziert.
Vielversprechende Ergebnisse, potenzielle Anwendungen
Da implantierbare Elektronik zunehmend an Bedeutung gewinnt, weil sie das Potenzial hat, die personalisierte Gesundheitsüberwachung und Präzisionstherapie zu revolutionieren, steigt die Bedeutung implantierbarer Batterien entsprechend. Hier kann die Nutzung aktiver Komponenten aus Lebewesen langfristige Energiequellen bereitstellen, wodurch der Bedarf an wiederholtem Batteriewechsel durch chirurgische Eingriffe reduziert wird und eine nachhaltigere Langzeitlösung entsteht.
Die Studie entwickelte erfolgreich eine implantierbare und biokompatible Na‑O₂‑Batterie mit einer offenen Kathodenstruktur, die reibungslos funktioniert. Bei Ratten erreichte die laminierte Batterie eine Leistungsdichte von 2,6 µW/cm² bei 1,3 V und zeigte damit hervorragende Biokompatibilität in vivo.
Die Ergebnisse zeigten keine signifikante Entzündung um die implantierten Batterien. Darüber hinaus regenerieren die Kapillaren um die Kathode gut und stellen eine kontinuierliche O₂‑Quelle für die Batterie bereit.
Gleichzeitig ermöglichte der NPG‑Kathodenkatalysator der Batterie eine ausgezeichnete Stabilität, was laut Studie NPG zur „unvermeidlichen Wahl“ als Kathode der Na‑O₂‑Batterie macht. Die durch Elektrospinnen hergestellte PLCL‑Membran verbesserte die Biokompatibilität, und die poröse Struktur der Membran, die als Kanäle für den Transport von Masse und Elektrolyt dient, erlaubte das Eindringen von Körperflüssigkeit und die Diffusion von O₂.
Die während des Entladevorgangs erzeugten Na⁺‑ und OH⁻‑Ionen gelangten ins Blut, ohne ein Elektrolyt‑Ungleichgewicht zu verursachen, und ihr Stoffwechsel im Körper führte zu keinen Auffälligkeiten in Leber und Nieren.
Die Studienergebnisse zeigten zudem ein vielversprechendes Potenzial als Energiequelle für die Stromversorgung mikro‑implantierbarer Elektronik. Darüber hinaus unterstreicht der Verbrauch von O₂ aus Körperflüssigkeiten die potenziellen Anwendungen der Na‑O₂‑Batterie in biologischen und medizinischen Forschungsbereichen. Laut der Studie:
“Unsere Na‑O₂‑Batterie revolutioniert das Konzept implantierbarer Batterien, der Verbrauch von O₂ während der Entladung führt zu einer Desoxygenierungsfunktion, die zudem einen neuen Weg bietet, bioelektronische Implantate und Biotherapie für Krankheiten in anaeroben Umgebungen zu kombinieren.”
Damit hat die Na‑O₂‑Batterie eindeutig großes Potenzial, ist jedoch nicht nur auf die Stromversorgung von Wearables beschränkt; sie kann vielmehr in viel größeren Bereichen eingesetzt werden, einschließlich Krebsanwendungen und der Überwachung der Wundheilung.
Die Studie stellte zudem fest, dass senile Demenz und Krebs eng mit dem Sauerstoffgehalt in den jeweiligen Geweben zusammenhängen. Eine kürzlich berichtete, sich selbst aufladende Salzwasserbatterie für die Antitumor‑Therapie, die O₂ verbraucht, eröffnet einen neuen Weg, bioelektronische Implantate und Biotherapie zu kombinieren.
Die präzise Steuerung der O₂‑Konzentration in der aktuellen Batterie zeigt potenzielle therapeutische Fähigkeiten gegen Krankheiten, die durch Sauerstoffansammlungen oder pathogene Bakterien verursacht werden. Darüber hinaus können die Katalysatoren in der Kathode von Na‑O₂‑Batterien die Superoxid‑Radikale reduzieren, die senile Demenz verursachen, was ebenfalls ihre potenziellen Anwendungen in diesen Bereichen hervorhebt.
Obwohl noch viele Herausforderungen zu bewältigen sind, ist die Na‑O₂‑ (Natrium‑Sauerstoff‑) Batterie laut Studie „hochversprechend und kann eine neue Revolution im Bereich implantierbarer Geräte auslösen, die zur Entwicklung neuer Methoden zur Behandlung verschiedener Krankheiten führt“.
Biotech-Wearable-Lösungen in Entwicklung
Wearable‑Technologie bezieht sich hauptsächlich auf elektronische Geräte, die am Körper getragen werden, um Messwerte zu überwachen. Heute treiben diese Geräte eine Vielzahl von Branchen voran, von Medizin, Sport und FinTech bis hin zu Fertigung und mehr.
In der Sportindustrie bieten Wearable‑Geräte Athleten Echtzeitdaten und Feedback zu ihrer Leistung. Smarte Sonnenbrillen, Schuhe und Kleidung nutzen Sensoren, um Herzfrequenz, Schritte und körperliche Aktivität sowie weitere Messwerte zu erfassen und zu überwachen. Diese Informationen können dann genutzt werden, um bestimmte Bereiche zu verbessern und Fitness‑ und Trainingspläne entsprechend anzupassen.
Im Fertigungssektor helfen diese Geräte, die Arbeitssicherheit zu gewährleisten, indem sie Echtzeit‑Warnungen und Informationen zu potenziell gefährlichen Situationen bereitstellen. Gleichzeitig ermöglichen sie durch das Tracking von Arbeitseffizienz und Produktivität die Identifizierung von Verbesserungsbereichen und entsprechende Anpassungen der Arbeitsabläufe.
Es ist jedoch in der Gesundheitsbranche, dass Wearable‑Technologie durch Geräte wie Smartwatches, Fitness‑Tracker, Biosensoren, Blutdruckmessgeräte und Elektrokardiogramm‑ (EKG‑)Monitore wirklich für Aufsehen sorgt.
Wearables ermöglichen es den Nutzern, ihre eigenen Gesundheitsdaten zu sammeln und darauf basierend zu handeln. Gesundheitsfachkräfte können lebensbedrohliche Situationen durch Echtzeit‑Patientenmonitoring abmildern, was mit Wearables erleichtert wird.
Diese Geräte erfassen und überwachen Vitalzeichen und Gesundheitsdaten, sodass Ärzte und Pflegekräfte potenzielle Gesundheitsprobleme erkennen und rechtzeitig intervenieren können. Sie liefern zudem Forschern und Ärzten wertvolle Einblicke, um die klinische Forschung voranzutreiben und neue Therapien und Behandlungen zu entwickeln.
Gleichzeitig können Anbieter und Versicherer diese Geräte nutzen, um genauere und personalisierte Gesundheitspläne anzubieten. Organisationen setzen sie zudem ein, um gesunde Gewohnheiten bei Mitarbeitern zu fördern.
Im Biotech‑Sektor ermöglichen Wearables die nicht‑invasive Überwachung des physiologischen Zustands sowie von Krankheits- und Toxinexpositionen. Sie können in der Präzisionsmedizin sehr hilfreich sein, indem sie Forschern und Wissenschaftlern ermöglichen, potenzielle Nebenwirkungen zu identifizieren. Darüber hinaus bieten Wearables Einblicke in Umweltbedingungen wie Temperatur und Luftqualität, um deren Auswirkungen auf biologische Systeme zu untersuchen.
Werfen wir nun einen Blick auf einige Unternehmen, die Wearable‑Lösungen entwickeln.
#1. Google-Acquired Fitbit
Dies ist ein ziemlich bekannter Name in der Wearable‑Branche für seine Fitness‑Tracker, die verschiedene Gesundheitsmetriken wie Aktivitätslevel, Herzfrequenz und Schlafmuster überwachen. Darüber hinaus bietet es eine Coaching‑Plattform, die Lösungen für Forschende, Gesundheitssysteme und betriebliche Wellness bereitstellt. Fitbit konzentriert sich hauptsächlich auf Verbraucher‑Fitness und arbeitet mit Gesundheitsunternehmen zusammen.
Anfang dieses Jahres ging Googles Fitbit eine Partnerschaft mit dem Labortest‑Unternehmen Quest Diagnostics (DGX ) ein, um zu untersuchen, wie Wearable‑Technologien die Stoffwechselgesundheit verbessern und möglicherweise Krankheiten wie Schlaganfall, Diabetes und Demenz verhindern können. Eine weitere Zusammenarbeit bestand mit ViviHealth für prädiktive und präskriptive Analysen zur Transformation von Zentren für Verhaltensgesundheit.
GOOGL Preisdiagramm
Google ist ein Unternehmen mit einer Marktkapitalisierung von 1,9 Billionen US‑Dollar, dessen Aktie bei 153,16 $ liegt, ein Anstieg von 9,5 % im Jahresverlauf. Der Umsatz (TTM) des Unternehmens beträgt 307,39 Mrd. $, das EPS (TTM) liegt bei 5,80 und das KGV (TTM) bei 26,41.
#2. Garmin
Das Unternehmen produziert Wearable‑Geräte für Fitness‑Aktivitäten mit Funktionen zur Überwachung von Herzfrequenz, Stresslevel und sogar Pulsoximetrie. Die Venu‑Serie verfolgt Körpermuster und Schlafqualität und lässt sich für zusätzlichen Komfort mit Android‑ und Apple (AAPL ) ‑Smartphones koppeln. Durch seine Geräte unterstützt Garmin Nutzer dabei, Gesundheitsziele zu erreichen, und strebt an, die allgemeine gesellschaftliche Gesundheit zu verbessern, Wellness zu fördern und den Gesundheitsverbrauch zu reduzieren.
Das Unternehmen begann vor drei Jahrzehnten mit seinen hochmodernen GPS‑Navigationsprodukten für die Luftfahrtindustrie und expandierte später in die Marine-, Automobil-, Outdoor‑ und Fitnessmärkte. Der aktuelle Fokus liegt auf der Expansion im indischen Markt und der Erschließung der wachsenden Mittelklasse‑Konsumentenbasis.
#3. Abbott Laboratories
Das Unternehmen entwickelt verschiedene medizinische Geräte, einschließlich Wearable‑Technologien. Dazu gehört FreeStyle Libre, ein kleiner runder Sensor, der am Oberarm befestigt wird und Menschen mit Diabetes Echtzeit‑Glukosewerte liefert, um ihre Erkrankung effektiver zu managen. Der marktführende Wearable‑Glukosesensor hat weltweit über 5 Millionen Nutzer.
ABT Preisdiagramm
Neben Diabetes bietet das in Illinois ansässige Unternehmen auch Dienstleistungen im Bereich körperliche Bewegung und Kardiologie an. Mit einer Marktkapitalisierung von 193,62 Mrd. $ werden die Aktien des Unternehmens zu 111,56 $ gehandelt, ein Anstieg von 1,53 % im Jahresverlauf. Der Umsatz (TTM) des Unternehmens beträgt 40,10 Mrd. $, das EPS (TTM) liegt bei 3,27 und das KGV (TTM) bei 34,10.
#4. BioTelemetry Inc.
Jetzt Teil von Philips, bietet BioTelemetry Fernüberwachungssysteme im medizinischen Bereich, einschließlich Wearable‑Geräte für die Herzüberwachung. Diese Wearable‑Sensoren erfassen Herzrhythmusstörungen und andere kardiale Messwerte in Echtzeit. Ende 2020 erwarb Philips BioTelemetry in einem Deal über 2,8 Mrd. $.
Fazit
Der Markt für Wearable‑Technologien boomt und wird voraussichtlich bis 2026 $118 Mrd. überschreiten. Schließlich dringen Wearables in ein breites Spektrum von Branchen ein, von Fitness, Bildung und Unterhaltung bis hin zu Reisen und Mode.
Allerdings haben Wearables angesichts zunehmender Gesundheitsbedenken besonders bedeutende Auswirkungen auf unsere Gewohnheiten, Gesundheit und unser Leben. Obwohl diese Geräte immer ausgefeilter werden, ist das Batterieproblem ein zu lösendes Problem.
Wie wir hier sehen können, werden Studien durchgeführt, um die Lebensdauer von Wearables zu verlängern und sie im Kampf gegen Krankheiten wie Krebs zu unterstützen. In Zukunft werden technologische Fortschritte und Forschung Wearables noch besser darin machen, personalisierte Pflege zu bieten und die Behandlungsergebnisse der Patienten signifikant zu verbessern.
