自驅(qū)動超靈敏心內(nèi)壓傳感器研究獲進(jìn)展

近日，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員李舟與王中林研究團(tuán)隊、北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院教授樊瑜波研究團(tuán)隊，與第二軍醫(yī)大學(xué)附屬長海醫(yī)院胸心外科教授張浩團(tuán)隊三方合作，在自驅(qū)動心功能監(jiān)測領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在最新一期的《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上。

圖1 心衰疾病和常見心臟導(dǎo)管

心血管疾病的致死率在全球范圍內(nèi)不斷攀升，嚴(yán)重危害人類健康。就心力衰竭（簡稱心衰）而言，全世界約有2300萬患者，且每年新增患者200萬名。中國心衰患者約500萬，五年生存率＜50％。心衰是指由于心臟的收縮功能和（或）舒張功能發(fā)生障礙，心臟泵血不足而發(fā)生的呼吸困難、無力、疲勞、勞動力喪失等，導(dǎo)致患者生活質(zhì)量低下并帶來沉重經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。心臟泵血能力的關(guān)鍵指標(biāo)是心內(nèi)壓力，如心房和心室壓力。心內(nèi)壓是評估心臟功能的關(guān)鍵參數(shù)，對心衰患者具有重要的臨床意義。心內(nèi)壓通常通過侵入性心臟導(dǎo)管插入術(shù)來監(jiān)測，價格昂貴且難以實現(xiàn)實時連續(xù)的數(shù)據(jù)采集。在實際應(yīng)用中，間歇性測量也可能引起偶發(fā)性癥狀的遺漏而導(dǎo)致誤診。因此，臨床上急需開發(fā)一種微創(chuàng)的、高靈敏度、低成本傳感器來實時監(jiān)測心內(nèi)壓，這在心血管疾病的診斷與治療領(lǐng)域有著重要的意義。

先進(jìn)功能材料、電子器件和納米技術(shù)協(xié)同發(fā)展不斷促進(jìn)醫(yī)學(xué)生理信號傳感的升級。2012年王中林提出基于摩擦電和靜電感應(yīng)耦合的摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG），此器件能夠?qū)?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/1472/" target="_blank">機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。由于TENG具有研制材料來源廣、低成本、力電轉(zhuǎn)化效率高等特性，受到越來越多的科研人員的關(guān)注。李舟課題組長期探究TENG在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，特別聚焦于心血管系統(tǒng)。他提出的植入式摩擦納米發(fā)電機(jī)（iTENG）可將不同形式的生物機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，并且iTENG的電學(xué)信號中蘊(yùn)藏著豐富的生理信號，使得iTENG兼具能源器件和主動式傳感器的特征。2014年開始，iTENG首次利用呼吸大鼠產(chǎn)生的電能驅(qū)動心臟起搏器（DOI: 10.1002/adma.201402064）；2016年iTENG研究工作繼續(xù)推進(jìn)，應(yīng)用到大型哺乳動物體內(nèi)，該器件被植入小型豬的心包間隙，成功將心跳產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)了自驅(qū)動的心率遠(yuǎn)程實時監(jiān)控（DOI: 10.1021/acsnano.6b02693）；2017年研發(fā)出無需信號放大就可藍(lán)牙傳輸、針對心血管疾病進(jìn)行預(yù)警和診斷的自驅(qū)動超高靈敏脈搏傳感器（DOI: 10.1002/adma.201703456）。

圖2體外實驗

隨著研究的不斷深入，并且根據(jù)臨床監(jiān)測心內(nèi)壓的實際需求，李舟與其合作者繼續(xù)推進(jìn)微型化iTENG的研發(fā)，研制出能夠通過微創(chuàng)手術(shù)進(jìn)入心腔內(nèi)實時監(jiān)測心內(nèi)壓的自驅(qū)動心內(nèi)壓傳感器（SEPS）。在該研究工作中，SEPS結(jié)合導(dǎo)管入心腔，需實現(xiàn)器件的微型化，微型化勢必使得器件輸出性能大打折扣。因此，要實現(xiàn)具有高輸出、超靈敏度的微型iTENG，器件本身的研制就是一個不小的挑戰(zhàn)?；谝陨弦?，在構(gòu)建SEPS器件的過程中，博士研究生劉卓和歐陽涵運用高壓電暈放電極化聚合物摩擦層，使得尺寸微型化的SEPS（1 cm×0.5 cm×0.1 cm）的最高輸出電壓達(dá)到6.2 V，比對照組高6倍。同時，研究者通過血液相容性、長效穩(wěn)定性等實驗，證明SEPS有良好的生物安全性，具有長期植入體內(nèi)工作的能力。此外，體外模擬實驗表明該器件對于壓力變化有著高靈敏度(1.195 mV/mmHg)和優(yōu)異的線性度（R2=0.997）。

圖3大型哺乳動物——豬體內(nèi)實驗

基于體外實驗的驗證結(jié)果，在博士馬也和石波璟協(xié)助下，SEPS結(jié)合導(dǎo)管通過微創(chuàng)手術(shù)進(jìn)入大型哺乳動物——豬的心腔。相比大創(chuàng)口的手術(shù)，微創(chuàng)手術(shù)切口約2 cm，有效降低了術(shù)后感染概率和恢復(fù)難度。通過該器件電壓輸出與壓強(qiáng)的線性關(guān)系，并使用心電圖和股動脈壓作為參照，SEPS進(jìn)入心腔后實現(xiàn)了對心內(nèi)壓的實時監(jiān)測，對于心房內(nèi)的較低壓力與心室內(nèi)的較高壓力都有很好的測量效果。利用腎上腺素輔助加強(qiáng)心臟收縮與舒張后，置于心室和心房內(nèi)的SEPS數(shù)據(jù)均實現(xiàn)了實時匹配。對比分析SEPS在左心室最大輸出值和股動脈壓最大值，兩者呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，符合臨床實際。此外，在動物實驗中偶發(fā)的心律失常事件，如早搏、室顫等，也被SEPS實時監(jiān)測到。

綜上，該工作是首個基于TENG構(gòu)建植入式心內(nèi)壓監(jiān)測器件的研究，進(jìn)一步拓寬了基于iTENG的傳感器的應(yīng)用場景——從體表、皮下和心包間隙延伸進(jìn)入心腔，能夠獲取更深層次的生理信息。該研究具有向醫(yī)療器件發(fā)展的重要潛力，為微型化植入式自驅(qū)動醫(yī)療傳感器件的研究提供了新的思路。