中科院 | 共生型心臟起搏器研究取得突破性進展

中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林和李舟領(lǐng)導的研究團隊與北京市生物醫(yī)學工程高精尖創(chuàng)新中心和海軍軍醫(yī)大學的研究者聯(lián)合研制了共生型心臟起搏器（SPM, symbiotic cardiac pacemaker），它可以從心臟跳動中獲取能量，為起搏器自身提供電能。SPM的能量收集部分為植入式摩擦電納米發(fā)電機（iTENG），其具有出色的柔性、良好的生物相容性、優(yōu)異的穩(wěn)定性和生物體內(nèi)高功率輸出性能等特點。在未來，植入式醫(yī)療電子設(shè)備可以利用人體能量實現(xiàn)自驅(qū)動。

圖1 共生型心臟起搏器

植入式醫(yī)療電子（IMEs, implantable medical electronics）因其直接而強大的診療能力成為學術(shù)界、醫(yī)學界和產(chǎn)業(yè)界的一個熱門話題。例如，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IMEs之一。然而，目前大多數(shù)IMEs都由鋰電池進行供能，續(xù)航能力有限，并且鋰電池占據(jù)了IMEs大部分的體積和重量。許多研究人員試圖延長IMEs的使用壽命，同時減少其尺寸和重量，這是一個不小的挑戰(zhàn)。除了研制更高能量密度的電池外，一些其他的方案也相繼被提出，比如納米發(fā)電機和自驅(qū)動技術(shù)。

王中林和李舟領(lǐng)導的研究團隊一直致力于自驅(qū)動技術(shù)的研究，特別是基于植入式納米發(fā)電機的自驅(qū)動醫(yī)療電子設(shè)備的研究和開發(fā)。受生物共生現(xiàn)象的啟發(fā)（例如根瘤菌與植物間的共生），他們提出了基于植入式摩擦電納米發(fā)電機（iTENG, implantable triboelectric nanogenerator）的共生型心臟起搏器（SPM, symbiotic cardiac pacemaker）。SPM可將心跳的能量收集起來驅(qū)動起搏電路發(fā)出脈沖；這些脈沖同時又刺激心臟，使出現(xiàn)異常的心臟恢復正常。這樣SPM與心臟之間就達到了“相互依存、相互受益”的“共生”狀態(tài)。目前SPM已成功在大型動物（豬）體內(nèi)實現(xiàn)了“全植入”的自驅(qū)動運行，并成功進行了心律不齊的治療。

圖2 共生心臟起搏器工作原理圖

每一個心臟運動周期，SPM可獲得的能量高達0.495 μJ，高于心臟起搏閾值能量（通常為0.377 μJ）。也就是說，SPM可實現(xiàn)“一次心跳，一次起搏”，這對自驅(qū)動心臟起搏器邁向臨床和產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。同時，SPM的實現(xiàn)也為新型自驅(qū)動醫(yī)療電子設(shè)備提供了一條嶄新的演化途徑。這項由北京納米能源所、北京市生物醫(yī)學工程高精尖創(chuàng)新中心和海軍軍醫(yī)大學的研究者們共同研究的成果已發(fā)表在近期的《自然-通訊》上（Nature Communications 2019. 10 (1), 1821）。該文章的第一作者為歐陽涵、劉卓、李寧、石波璟，通訊作者為王中林、張浩和李舟。

2006年，王中林首次在美國《科學》雜志（Science）上提出了納米發(fā)電機的概念(Science, 2006, 312(5771): 242-246)。“從2006年開始，我還在王中林院士的實驗室讀博士的時候，我們就開始嘗試從生物體的運動中收集機械能，并利用納米發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能?！痹擁椖康闹饕撠熑死钪壅f，“那時，我們制作了基于單根氧化鋅（ZnO）納米線的壓電納米發(fā)電機，并成功收集了大鼠的心跳能量（Advanced Materials, 2010, 22(23): 2534-2537）。但是，該納米發(fā)電機的輸出性能很低，電壓和電流只有1 mV和1 pA。如何獲得更高的能量輸出？如何利用這些微小的能量驅(qū)動醫(yī)療電子器件？一直是我們面對和要解決的問題?！?/p>

轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在2012年摩擦納米發(fā)電機（TENG）的提出，這種基于麥克斯韋位移電流原理的納米發(fā)電機成功實現(xiàn)了機械能到電能的高效轉(zhuǎn)化，可以方便地存儲和驅(qū)動小型電子設(shè)備。TENG不僅具有出色的電學輸出性能，普通環(huán)境中可輸出上百伏的電壓，而且易于加工成各種尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)，可方便應用于不同的穿戴式和植入式場景（Nano energy, 2012, 1(2): 328-334）。

2014年李舟研究團隊和王中林一起提出了植入式摩擦納米發(fā)電機（implantable TENG, iTENG）的原型器件，通過植入動物皮膚下可收集呼吸運動的能量，產(chǎn)生3.43 V的電壓和0.14 μA的電流，并且經(jīng)過一段時間的電能存儲，可驅(qū)動一臺簡易的心臟起搏器原型機，實現(xiàn)對小型實驗動物心臟頻率的調(diào)控。該工作發(fā)表于國際學術(shù)期刊《先進材料》（Advanced Materials）上（Advanced materials, 2014, 26(33): 5851-5856）。英國《自然》（Nature）雜志2015年就對該工作進行了亮點工作報道（Nature News, 2015, 528(7580): 26），使iTENG及其在體內(nèi)收集生物機械能來驅(qū)動IMDs的研究工作引起了眾多關(guān)注。

2014年至2019年，李舟研究團隊在王中林的帶領(lǐng)下，在iTENG的結(jié)構(gòu)改進、性能提升、應用研究等方面取得多項進展。研究團隊針對植入式納米發(fā)電機的封裝問題，開發(fā)了有機/無機復合封裝技術(shù)和通用防水接口，為植入式納米發(fā)電機實現(xiàn)體內(nèi)長效穩(wěn)定工作奠定了基礎(chǔ)（Advanced Materials, 2016, 28, 846–852；ACS applied materials & interfaces, 2016, 8(40): 26697-26703）。通過引入新型的記憶合金龍骨設(shè)計和優(yōu)化摩擦層材料等手段提高iTENG的輸出，并成功構(gòu)建自驅(qū)動無線心臟監(jiān)測系統(tǒng)（ACS Nano, 2016, 10, 6510-6518）和實時多功能心臟傳感器（Nano letters, 2016, 16(10): 6042-6051）；研制了生物全可吸收和光熱調(diào)控降解的摩擦納米發(fā)電機（Science Advances, 2016, 2, e1501478； Advanced Materials, 2018, 30(32): 1801895；Nano Energy, 2018, 54: 390-399）并在神經(jīng)、心肌和傷口修復等方面取得了進展；將TENG應用于心血管疾病的診斷（Advanced Materials, 2017, 29(40): 1703456）、經(jīng)導管的超靈敏自驅(qū)動心內(nèi)壓傳感器（Advanced Functional Materials, 2019, 29(3): 1807560）、自驅(qū)動電刺激成骨（Nano Energy, 2019.59:709-714）、精準控制腫瘤治療藥物遞送（Advanced Functional Materials, 2019: 1808640）。這些研究工作表明了納米發(fā)電機在生物醫(yī)療領(lǐng)域的巨大潛力。

“讓心臟起搏器能夠以人體自供電的方式運行是一件極具挑戰(zhàn)同時也非常有意義的事情?！崩钪郾硎荆拔覀兊纳眢w有大量可以利用的機械能，例如心跳、呼吸和肌肉運動。iTENG在體內(nèi)的輸出性能有明顯優(yōu)勢，這意味著許多電子設(shè)備，特別是植入式醫(yī)療電子設(shè)備，如心臟起搏器、神經(jīng)刺激器等，將可以通過iTENG實現(xiàn)“一次植入，終身使用”。

現(xiàn)在，李舟團隊已經(jīng)成功實現(xiàn)了共生型心臟起搏器的研制與動物試驗，iTENG和自驅(qū)動電子醫(yī)療器件面向?qū)嶋H應用已邁出了堅實的一步，但是仍有很多問題需要在材料、器件體內(nèi)穩(wěn)定性和長期生物安全性方面取得突破，才能真正進入臨床使用。不過，正如王中林指出“在未來，傳感器、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、醫(yī)療電子器件和便攜式電子設(shè)備都可以從周圍環(huán)境中提取能量為自己供電。電子設(shè)備正進入自驅(qū)動能源的新時代”，自驅(qū)動電子器件已經(jīng)逐漸進入人們的生活，并為新時代的智能設(shè)備提供強勁動力。

相關(guān)研究成果以symbiotic cardiac pacemaker 為題于4月23日發(fā)表在國際學術(shù)期刊《自然-通訊》（Nature Communications）上。該項工作得到國家自然科學基金、科技部國家重點研發(fā)計劃、北京市自然科學基金以及國家萬人計劃“青年拔尖”人才項目的支持。

國內(nèi)外多家媒體對該項研究工作進行了報道。《自然》雜志（Nature）通過多個媒體平臺對該研究工作進行報道與推薦，在其亞洲區(qū)官網(wǎng)上以Research highlights 的形式做了Biomedical engineering: A self-powered pacemaker in pigs 為題的亮點專題報道：“李舟、王中林團隊開發(fā)了一種植入式發(fā)電機，可以從心臟運動中獲取足夠的能量，為商用心臟起搏器提供動力。能量采集器件與電源管理單元和起搏器配套使用，具有生物相容性良好和機械耐用性優(yōu)秀等特點?！庇睹咳锗]報》報道稱：“大量的研究都在探討無電池電子設(shè)備的可能性，王中林教授與李舟研究員團隊開發(fā)的這款原型機是迄今為止最有前景的突破。”