每一次心跳，都在釋放能量。研究人員開(kāi)發(fā)了一種新裝置，可以收集心跳產(chǎn)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(guó)佐治亞理工學(xué)院教授、中國(guó)科學(xué)院外籍院士王中林和中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李舟研究員團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)最新成果。

研究人員開(kāi)發(fā)的這種可植入式發(fā)電機(jī)，可以從心臟搏動(dòng)中收集足夠的能量，為商用起搏器供能。這個(gè)能量收集器具有良好的生物相容性和機(jī)械耐久性，另配有一個(gè)電源管理單元和一個(gè)起搏器。研究團(tuán)隊(duì)在豬體內(nèi)證實(shí)，這個(gè)可植入系統(tǒng)不僅可以進(jìn)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(dòng)），避免可能導(dǎo)致的死亡。

（來(lái)源：Nature Communications）

李舟在接受 DeepTech 采訪時(shí)表示，“讓心臟起搏器能夠以自驅(qū)動(dòng)的方式運(yùn)行是一件極具挑戰(zhàn)，同時(shí)也很有意義的事情。”

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(lái)用于驅(qū)動(dòng)心臟起搏器或其他植入式醫(yī)療電子器件，實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)，將大大延長(zhǎng)其使用壽命，甚至可以“一次植入，終生使用”。李舟認(rèn)為，自驅(qū)動(dòng)技術(shù)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(yùn)行方式，并造福人類(lèi)。

收集人體能量

目前，全球有數(shù)百萬(wàn)患者的生命健康依賴于植入式醫(yī)療電子設(shè)備（IMEDs）。近幾十年來(lái)，憑借微/納電子技術(shù)的巨大進(jìn)步，IMEDs 的電子電路已經(jīng)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(yán)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(jìn)行供能，這些電池不僅笨重堅(jiān)硬，而且續(xù)航能力有限。

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

已有研究證明，各種能量收集裝置能夠?yàn)?IMEDs 補(bǔ)充電量以延長(zhǎng)電池壽命，也可以作為獨(dú)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(xué)效應(yīng)等，從心臟跳動(dòng)、肌肉拉伸、葡萄糖氧化和內(nèi)耳蝸電位中獲取能量。

在所有這些可能的途徑中，器官機(jī)械運(yùn)動(dòng)是體內(nèi)最豐富的能量來(lái)源。這也使得從心臟跳動(dòng)、呼吸運(yùn)動(dòng)和血液流動(dòng)中獲取生物力學(xué)能量的自供電 IMEDs 成為可能。

從 2009 年開(kāi)始，李舟團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在嘗試從器官和肌肉的運(yùn)動(dòng)中收集生物機(jī)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(jī)，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(gè)挑戰(zhàn)。

2012 年，王中林提出了摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG），并成功實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)及利用。基于 TENG 的器件與技術(shù)，李舟團(tuán)隊(duì)在 2014 年重新設(shè)計(jì)制備了可用于生物體內(nèi)能量收集的植入式摩擦納米發(fā)電機(jī)（iTENG, implantable TENG），并實(shí)現(xiàn)了大鼠呼吸能量的收集與心臟起搏器原型機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

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

然而，小型動(dòng)物和細(xì)胞生理調(diào)節(jié)所需的能量遠(yuǎn)低于人類(lèi)。同時(shí)，生理調(diào)節(jié)總是需要可控的刺激信號(hào)來(lái)保證其效果。未來(lái)這項(xiàng)技術(shù)要應(yīng)用于臨床，就迫切需要開(kāi)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(hào)的電量供應(yīng)。

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(tuán)隊(duì)發(fā)明了基于植入式摩擦納米發(fā)電機(jī)（iTENG）的植入式共生起搏器（SPM），并成功實(shí)現(xiàn)了大型動(dòng)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(dòng)攝取能量以維持操作，同時(shí)，身體從 SPM 獲得電刺激以調(diào)節(jié)心臟生理活動(dòng)。也就是說(shuō)，SPM 的能量源和作用目標(biāo)都是心臟。

現(xiàn)在，李舟團(tuán)隊(duì)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(gè)模塊，不含有通常心臟起搏器所攜帶的、超過(guò)其體積 1/2 的電池，實(shí)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(lái)源：Nature Communications）

因?yàn)樨i的心臟尺寸和人接近，是一個(gè)理想的動(dòng)物模型。研究人員將這種共生起搏器成功植入豬體內(nèi)，并且證實(shí) SPM 能夠糾正竇性心律失常，防止竇性停搏和心室顫動(dòng)的病情惡化。

基于豬的大動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，意味著共生型心臟起搏器離臨床應(yīng)用越來(lái)越近。

此外，研究人員還驗(yàn)證了 iTENG 的體內(nèi)輸出性能，結(jié)果令人印象深刻。從每個(gè)心臟跳動(dòng)周期收集的能量為 0.495μJ，高于豬和人類(lèi)的起搏閾值能量。

也就是說(shuō)，這套共生起搏器系統(tǒng)，通過(guò)心臟跳動(dòng)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(nèi)共生心臟起搏器的植入和試驗(yàn)過(guò)程（來(lái)源：Nature Communications）

研究人員認(rèn)為，iTENG 提供了一種收集體內(nèi)生物力學(xué)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(diǎn)。

此外，iTENG 已經(jīng)顯示出顯著的機(jī)械耐久性（1 億個(gè)機(jī)械刺激周期）和細(xì)胞相容性，這是長(zhǎng)期可植入裝置的決定因素。這對(duì)自驅(qū)動(dòng)心臟起搏器邁向臨床和產(chǎn)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(zhǎng)，甚至可以實(shí)現(xiàn)“一次植入，終生使用”。

同時(shí)，iTENG 是一種通用性的器件及技術(shù)，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(yīng)用上 iTENG 也大有可為，目前已經(jīng)報(bào)道的基于 iTENG 的植入式應(yīng)用還包括：神經(jīng)修復(fù)、組織修復(fù)、精準(zhǔn)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(tuán)隊(duì)還在 2017 年基于 iTENG 構(gòu)建了超靈敏橈動(dòng)脈搏傳感器，該研究成果發(fā)表在當(dāng)時(shí)的《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。

盡管這一系統(tǒng)還需在尺寸、效率和長(zhǎng)期生物安全性方面做進(jìn)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(diǎn)在于小型化、高能量效率、長(zhǎng)效的生物安全性等方面，并預(yù)計(jì)在 5-10 年內(nèi)可以進(jìn)行臨床試驗(yàn)。