Ergebnisse und Probleme bei der Langzeitanwendung biogalvanischer Elemente zur Energieversorgung von Herzschrittmachern

Zusammenfassung

Für die Energieversorgung implantierbarer Herzschrittmacher gewinnen insbesondere biogalvanische Elemente und biologische Brennstoffzellen besondere Bedeutung, da die bisher angewandten chemischen Energiequellen oder die oft erwähnten Isotopenbatterien bisher keine wesentliche Verlängerung der Betriebsdauer ermöglichten.

Die ursprünglich benutzten biogalvanischen Elemente Zn/Zn⁺⁺//Ag AgCl/Ag erwiesen sich für die Energiegewinnung im menschlichen Organismus als wenig geeignet, da es nach 12 bis 18 monatigem Betrieb zu Gewebereaktionen kam, die auf das Auftreten freier oder komplex gebundener Metallionen zurückzuführen sind. Obwohl ursprünglich angenommen wurde, daß das Zinkoxid eine sehr stabile chemische Verbindung sei, konnte eine Fremdkörperreaktion auf Grund des endlichen Löslichkeitsproduktes ausgelöst werden. Es besteht ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Menge des gebildeten Zinkoxids, den Durchblutungsverhältnissen in dem das biogalvanische Element umgebenden Gewebe und dem Einsetzen der Abstoßungsreaktion. Dieses Verhalten erklärt die verhältnismäßig lange Funktionsdauer im lebenden Organismus bei intramuskulärer Implantation.

Durch Verwendung von Aluminiumanoden gelang es, derartige durch das Metall bedingte Fremdkörperreaktionen zu vermeiden. Auch große Aluminiumoxidmengen, die Versuchstieren subkutan injiziert wurden, hatten keine Reaktionen zur Folge, wie sie beim Zinkoxid beobachtet wurden.

Es werden technische und klinische Erfahrungen über ein kombiniertes Elektrodensystem berichtet, deren Anode aus einem galvanischen Halbelement besteht und an deren Kathode der molekulare Sauerstoff katalytisch mit Hilfe einer Eisenphthalocyaninelektrode reduziert wird. An einem vollständigen Brennstoffelement wird zunächst unter Laborbedingungen geprüft, inwieweit auch im menschlichen Körper für eine Langzeitanwendung durch katalytische Reduktion des Sauerstoffs und Oxydation der Glukose eine ausreichende Energie zum Betrieb eines Herzschrittmachers gewonnen werden kann.

Summary

Biogalvanic elements and biological power cells are of particular value as energy sources for implantable cardiac pacemakers because the chemical energy sources used previously or the often quoted isotope batteries have been unable to increase the period of use significantly.

The biogalvanic elements Zn/Zn⁺⁺//Ag AgCl/ Ag originally used have proved to be unsuitable for human use as tissue reactions occur after 12 to 18 months due to the appearance of free or complexed metal ions. Although it was originally assumed that zinc oxide represents an extremely stable chemical binding, a foreign body reaction could be released by the soluble end products. There is a clear relationship between the amount of zinc oxide formed, the circulatory conditions in the tissues surrounding the biogalvanic element and the onset of the rejection reaction. This relationship explains the relatively long functional period in the living organism when the element is implanted intramusculary.

The foreign body reaction could be largely avoided by using aluminium anodes. Even large amounts of aluminium oxide injected subcutaneously into experimental animals showed no reaction in contrast to zinc oxide.

The technical and clinical results obtained with a combined electrode system are reported. The anode consisted of a galvanic half element. Molecular oxygen is reduced on the cathode catalytically with the help of an iron phthalocyanin electrode. A complete power element was first tested under laboratory conditions to see whether sufficient energy for long-term use to run a pacemaker in the human body could be obtained by the catalytic reduction of oxygen and the oxydation of the glucose.

Résumé

Pour la livraison de l'énergie des stimulateurs cardiaques implantes, les éléments biogalvaniques et les éléments biologiques inflammables prennent une importance toute particulière car les sources d'énergie chimiques utilisées jusqu'à maintenant ou les batteries a isotopes souvent mentionnées ne permettent pas d'obtenir une prolongation importante de la durée de l'utilisation.

Les éléments biogalvaniques utilisés privitivement Zn/Zn⁺⁺//Ag/AgCl/Ag sont peu adaptés a un gain d'énergie dans l'organisme humain car aprés une utilisation de 12 a 18 mois il se produit des réactions des tissus qui proviennent de l'apparition de ions métalliques libres ou liés. Bien que primitivement il fut admis que l'oxyde de zinc constitue une combinaison chimique tres stable il a été possible d'obtenir une réaction de corps étranger en utilisant cet oxyde de zinc en raison d'un produit de dissolution.

Il existe un rapport indéniable entre la quantité de l'oxyde de zinc utilisé et les rapports de la circulation dans le tissu entourant l'élément biogalvanique ainsi qu'au déclenchement de la réaction de refoulement. Le processus explique la durée fonctionnelle relativement longue dans l'organisme vivant lors d'implantations intra-musculaires.

En utilisant les anodes en aluminium il fut possible d'éviter des réactions dues à un corps étranger. Méme des quantités importantes d'oxyde d'aluminium qui ont été injectées par voie sous-cutanée chez des animaux n'ont produit aucune des réactions qui se recontrent en utilisant l'oxyde de zinc. L'auteur nous communique les expériences techniques et cliniques qu'il a recueillies en utilisant un Systeme d'électrodes combinées dont l'anode est constituée par un demi élément galvanique et où dans la cathode l'oxygéne moléculaire est catalisé à l'aide d'une électrode de phthalocyanine de fer. C'est sur un élément inflammatoire complet et dans des conditions de laboratoire que l'auteur étudie dans quelle proportion une énergie suffisante peut être gagnée pour faire marcher un stimulateur cardiaque en utilisant la réduction catalitique de l'oxygéne et l'oxydation du glucose pour une longue période.