收集人體能量,利用心跳供電的心臟起搏器

每一次心跳，都在釋放能量。研究人員開發(fā)了一種新裝置，可以收集心跳產生的能量，并以此給心臟起搏器供能。

本周二，《自然通訊》發(fā)表了美國佐治亞理工學院教授、中國科學院外籍院士王中林和中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李舟研究員團隊的這項最新成果。

研究人員開發(fā)的這種可植入式發(fā)電機，可以從心臟搏動中收集足夠的能量，為商用起搏器供能。這個能量收集器具有良好的生物相容性和機械耐久性，另配有一個電源管理單元和一個起搏器。研究團隊在豬體內證實，這個可植入系統(tǒng)不僅可以進行心臟起搏，還能糾正竇性心律不齊，防止病情惡化（如竇性停搏和心室顫動），避免可能導致的死亡。

（來源：Nature Communications）

李舟在接受 DeepTech 采訪時表示，“讓心臟起搏器能夠以自驅動的方式運行是一件極具挑戰(zhàn)，同時也很有意義的事情?！?/p>

人體有大量可以利用的能量，例如心跳和呼吸。若能將這些能量收集起來用于驅動心臟起搏器或其他植入式醫(yī)療電子器件，實現(xiàn)自驅動，將大大延長其使用壽命，甚至可以“一次植入，終生使用”。李舟認為，自驅動技術的出現(xiàn)將改變現(xiàn)有醫(yī)療電子器件（尤其是植入式器件）的使用和運行方式，并造福人類。

收集人體能量

目前，全球有數(shù)百萬患者的生命健康依賴于植入式醫(yī)療電子設備（IMEDs）。近幾十年來，憑借微/納電子技術的巨大進步，IMEDs 的電子電路已經具有超低功耗、小型化和更加靈活等特性。

心臟起搏器是治療心律失常和心力衰竭等嚴重心臟疾病的最重要 IMEDs 之一。然而，目前大多數(shù) IMEDs 都由鋰電池進行供能，這些電池不僅笨重堅硬，而且續(xù)航能力有限。

圖 | 傳統(tǒng)的心臟起搏器（來源：U. Leone ? Deutschland/Pixabay）

已有研究證明，各種能量收集裝置能夠為 IMEDs 補充電量以延長電池壽命，也可以作為獨立電源供電。這些裝置可以利用壓電/摩擦電、電磁、熱電和電化學效應等，從心臟跳動、肌肉拉伸、葡萄糖氧化和內耳蝸電位中獲取能量。

在所有這些可能的途徑中，器官機械運動是體內最豐富的能量來源。這也使得從心臟跳動、呼吸運動和血液流動中獲取生物力學能量的自供電 IMEDs 成為可能。

從 2009 年開始，李舟團隊已經在嘗試從器官和肌肉的運動中收集生物機械能量，并制作了基于單根氧化鋅（ZnO）納米線的壓電型納米發(fā)電機，成功收集了大鼠的心跳能量。但是，該裝置的輸出能量較低，如何利用這些微小的能量是一個挑戰(zhàn)。

2012 年，王中林提出了摩擦納米發(fā)電機（TENG），并成功實現(xiàn)了機械能到電能的轉化、存儲及利用。基于 TENG 的器件與技術，李舟團隊在 2014 年重新設計制備了可用于生物體內能量收集的植入式摩擦納米發(fā)電機（iTENG, implantable TENG），并實現(xiàn)了大鼠呼吸能量的收集與心臟起搏器原型機的驅動。

目前，可植入自供電系統(tǒng)已經應用于小動物和細胞尺度的心臟起搏、深部腦刺激、神經刺激、組織工程等。摩擦納米發(fā)電機也已被開發(fā)為用于自供電 IMEDs 的潛在生物力學能量收集器，其在植入式應用中顯示出許多獨特的優(yōu)點，例如柔韌性、期望的生物相容性和重量輕。

然而，小型動物和細胞生理調節(jié)所需的能量遠低于人類。同時，生理調節(jié)總是需要可控的刺激信號來保證其效果。未來這項技術要應用于臨床，就迫切需要開發(fā)高輸出的植入式能量采集器，為人體的 IMEDs 提供可控輸出刺激信號的電量供應。

利用心跳供電的心臟起搏器

受生物共生現(xiàn)象的啟發(fā)，李舟團隊發(fā)明了基于植入式摩擦納米發(fā)電機（iTENG）的植入式共生起搏器（SPM），并成功實現(xiàn)了大型動物模型的心臟起搏和竇性心律失常矯正。

基于 iTENG 的心臟起搏器和身體形成互聯(lián)的共生系統(tǒng)，能夠從心臟跳動攝取能量以維持操作，同時，身體從 SPM 獲得電刺激以調節(jié)心臟生理活動。也就是說，SPM 的能量源和作用目標都是心臟。

現(xiàn)在，李舟團隊研制的新一代共生型心臟起搏器, 只含有 iTENG，能量管理模塊和心臟起搏器三個模塊，不含有通常心臟起搏器所攜帶的、超過其體積 1/2 的電池，實現(xiàn)了起搏器能量的自給自足。

圖 | 共生心臟起搏器系統(tǒng)（來源：Nature Communications）

因為豬的心臟尺寸和人接近，是一個理想的動物模型。研究人員將這種共生起搏器成功植入豬體內，并且證實 SPM 能夠糾正竇性心律失常，防止竇性停搏和心室顫動的病情惡化。

基于豬的大動物實驗驗證，意味著共生型心臟起搏器離臨床應用越來越近。

此外，研究人員還驗證了 iTENG 的體內輸出性能，結果令人印象深刻。從每個心臟跳動周期收集的能量為 0.495μJ，高于豬和人類的起搏閾值能量。

也就是說，這套共生起搏器系統(tǒng)，通過心臟跳動一次所收集的電量，足夠支撐一次心臟起搏器起搏。

圖 | 豬體內共生心臟起搏器的植入和試驗過程（來源：Nature Communications）

研究人員認為，iTENG 提供了一種收集體內生物力學能量的有前途的方法，具有材料選擇廣泛、柔韌性好、重量輕、耐用性好和成本低等優(yōu)點。

此外，iTENG 已經顯示出顯著的機械耐久性（1 億個機械刺激周期）和細胞相容性，這是長期可植入裝置的決定因素。這對自驅動心臟起搏器邁向臨床和產業(yè)化具有重要意義。

SPM 與目前植入式心臟起搏器相比，最大意義就是其使用壽命大大延長，甚至可以實現(xiàn)“一次植入，終生使用”。

同時，iTENG 是一種通用性的器件及技術，理論上可以為所有的植入式醫(yī)療電子器件供能（起搏器，腦刺激器等）。另外，在非起搏應用上 iTENG 也大有可為，目前已經報道的基于 iTENG 的植入式應用還包括：神經修復、組織修復、精準藥物遞送、可降解器件等。除了植入式方面，iTENG 還可以用于穿戴式電子器件，李舟團隊還在 2017 年基于 iTENG 構建了超靈敏橈動脈搏傳感器，該研究成果發(fā)表在當時的《先進材料》（Advanced Materials）上。

盡管這一系統(tǒng)還需在尺寸、效率和長期生物安全性方面做進一步優(yōu)化才能最終用于人體，但李舟向 DeepTech 表示，他們下一步的研究重點在于小型化、高能量效率、長效的生物安全性等方面，并預計在 5-10 年內可以進行臨床試驗。