Abfallkaffeesatz könnte eines Tages helfen, Gehirnströme zu erkennen

Es gibt nichts Besseres als eine dampfende Tasse Joe, um Ihrem Morgen einen schnellen Schub zu geben. Jetzt gibt es noch einen weiteren Grund, das Getränk zu lieben. Heute berichten Forscher über die erste Anwendung von gebrauchtem Kaffeesatz als umweltfreundliche Elektrodenbeschichtung für empfindliche neurochemische Messungen. Das Material könnte Wissenschaftlern schließlich dabei helfen, die Gehirnaktivität besser in den Griff zu bekommen und kleinste Konzentrationen von Neurotransmittern zu erkennen.

Die Forscher stellen ihre Ergebnisse auf der Frühjahrstagung der American Chemical Society (ACS) vor.

Aus verbrauchtem Kaffeesatz wurden früher poröse Kohlenstoff-Superkondensatoren zur Energiespeicherung hergestellt. Aber jetzt hat eine neue Forschung unter der Leitung von Forschungsleiterin Ashley Ross, Ph.D., recycelten Kaffeeabfall in eine andere, biologischere Richtung gelenkt. Sie und ihr Team haben gezeigt, dass Elektroden, die mit Kohlenstoff aus diesem Abfall beschichtet sind, Spuren von Biomolekülen in vitro nachweisen können. Laut Ross ist dies das erste Beispiel für die Wiederverwendung von Kaffeesatzrückständen für Biosensorik-Anwendungen.

„Ich habe Papiere über die Verwendung von verbrauchtem Boden zur Herstellung von porösem Kohlenstoff für die Energiespeicherung gesehen, und ich dachte, wir könnten dieses leitfähige Material vielleicht in unserer neurochemischen Detektionsarbeit verwenden“, sagt Ross. „Und ich dachte auch, das wäre ein guter Vorwand, um viel Kaffee für das Labor zu kaufen!“ Ross, die an der University of Cincinnati studiert, und mehrere Mitglieder ihres Teams sind bekennende Kaffeeliebhaber.

Die traditionellen Mikroelektroden, die Neurowissenschaftler verwenden, bestehen üblicherweise aus Kohlenstofffasern – feinen, festen Kohlenstoffsträngen, die gebündelt sind. Ihre Herstellung ist in der Regel ein mühsamer und teurer Prozess, der mehrere Schritte und aggressive Chemikalien umfasst. Letztendlich will Ross ganze Elektroden mit Kohlenstoff aus Kaffeesatz herstellen, weil dieser Ansatz kostengünstig und umweltfreundlich wäre. In einem ersten Schritt zur Verwirklichung dieses Ziels passten die Forscher das Material aus der Masse als Beschichtung für herkömmliche Elektroden an.

Kamya Lapsley, eine Sommerstudentin in Ross‘ Labor und derzeit Studentin an der Kent State University, nahm diese erste Herausforderung an. Sie und andere Mitglieder des Labors trockneten gebrauchten Kaffeesatz und erhitzten ihn in einem Röhrenofen bei etwa 1.300 F. Als nächstes fügten sie das Material einer Kaliumhydroxidlösung hinzu, um den Kohlenstoff zu aktivieren und Löcher in der Struktur zu öffnen. Dann erhitzten die Forscher die Mischung erneut unter Stickstoffgas, um alle unerwünschten Nebenprodukte zu entfernen. Was übrig blieb, war eine tintenschwarze Aufschlämmung voller poröser Kohlenstoffflecken. Als letzten Schritt verdünnten die Forscher den Schlamm mit Wasser, in das sie die Kohlefaserelektroden tauchten, um sie mit einer Schicht aus porösem Kohlenstoff zu überziehen, die fast hundertmal dünner ist als der Durchmesser eines menschlichen Haares.

Die Forscher verglichen die Leistung von beschichteten und unbeschichteten Elektroden zur Erfassung kleiner Mengen von Dopamin, einem Neurotransmitter, mit zyklischer Voltammetrie mit schneller Abtastung. Bei dieser Technik legten sie eine schnell variierende Spannung an die Elektrode an, um Dopamin abwechselnd zu oxidieren und zu reduzieren. Die Technik ist schnell genug, um die Freisetzung von Neurotransmittern im Sekundenbruchteil nachzuweisen, wie dies im Gehirn geschehen würde. Die Forscher fanden heraus, dass mit porösem Kohlenstoff beschichtete Elektroden in Gegenwart von Dopamin mehr als dreimal höhere oxidative Stromstärken erreichten als blanke Kohlenstofffasern, was darauf hinweist, dass die beschichtete Elektrode eine empfindlichere Oberfläche für den Nachweis von Dopamin bot. Die poröse Struktur lässt aufgrund der großen Oberfläche der Beschichtung nicht nur mehr Dopaminmoleküle an der Reaktion teilnehmen, sondern fängt Dopaminmoleküle auch vorübergehend in den Spalten der Elektrode ein, sagt Ross. Diese Eigenschaften erhöhen die Empfindlichkeit und ermöglichen den Forschern schnellere Messungen. Die Gruppe untersucht nun, wie sich diese porösen Beschichtungen auf die zeitliche Auflösung der Technik auswirken.

Als nächstes wird das Team Kohlefaserelektroden aus porösem Kohlenstoff aus Kaffeesatzabfällen von Grund auf neu herstellen, was den Elektroden nicht nur auf der Oberfläche, sondern auch durch und durch eine gleichmäßige Porosität verleihen würde. Ross sagt voraus, dass dies ihre neurochemischen Erkennungsfähigkeiten verbessern wird, da eine noch größere Gesamtoberfläche der Elektrode freigelegt wird, um die Dopaminmoleküle zu adsorbieren. Gleichzeitig plant Ross, die aktuellen kaffeebeschichteten Elektroden im Gehirn von lebenden Ratten zu testen.

In der Zwischenzeit wird es nicht an Ausgangsmaterialien für die nächsten Schritte des Projekts mangeln, denn das gesamte Labor scheint sein Gebräu zu lieben. „Die Doktoranden stellten ziemlich viel Kaffeesatz zur Verfügung – mehr als wir jemals brauchen werden“, sagt Ross. „Mein gesamtes Labor hat dieses Projekt wirklich geliebt.“