华人科学家新成果:心脏起搏器无需电池,利用心跳自发电

每一次心跳,都在释放能量。研究人员开发了一种新装置,可以收集心跳产生的能量,并以此给心脏起搏器供能。

本周二,《自然通讯》发表了美国佐治亚理工学院教授、中国科学院外籍院士王中林和中国科学院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员团队的这项最新成果。

研究人员开发的这种可植入式发电机,可以从心脏搏动中收集足够的能量,为商用起搏器供能。这个能量收集器具有良好的生物相容性和机械耐久性,另配有一个电源管理单元和一个起搏器。研究团队在猪体内证实,这个可植入系统不仅可以进行心脏起搏,还能纠正窦性心律不齐,防止病情恶化(如窦性停搏和心室颤动),避免可能导致的死亡。

(来源:Nature Communications)

李舟在接受 DeepTech 采访时表示,“让心脏起搏器能够以自驱动的方式运行是一件极具挑战,同时也很有意义的事情。”

人体有大量可以利用的能量,例如心跳和呼吸。若能将这些能量收集起来用于驱动心脏起搏器或其他植入式医疗电子器件,实现自驱动,将大大延长其使用寿命,甚至可以“一次植入,终生使用”。李舟认为,自驱动技术的出现将改变现有医疗电子器件(尤其是植入式器件)的使用和运行方式,并造福人类。

收集人体能量

目前,全球有数百万患者的生命健康依赖于植入式医疗电子设备(IMEDs)。近几十年来,凭借微/纳电子技术的巨大进步,IMEDs 的电子电路已经具有超低功耗、小型化和更加灵活等特性。

心脏起搏器是治疗心律失常和心力衰竭等严重心脏疾病的最重要 IMEDs 之一。然而,目前大多数 IMEDs 都由锂电池进行供能,这些电池不仅笨重坚硬,而且续航能力有限。

图 | 传统的心脏起搏器(来源:U. Leone ? Deutschland/Pixabay)

已有研究证明,各种能量收集装置能够为 IMEDs 补充电量以延长电池寿命,也可以作为独立电源供电。这些装置可以利用压电/摩擦电、电磁、热电和电化学效应等,从心脏跳动、肌肉拉伸、葡萄糖氧化和内耳蜗电位中获取能量。

在所有这些可能的途径中,器官机械运动是体内最丰富的能量来源。这也使得从心脏跳动、呼吸运动和血液流动中获取生物力学能量的自供电 IMEDs 成为可能。

从 2009 年开始,李舟团队已经在尝试从器官和肌肉的运动中收集生物机械能量,并制作了基于单根氧化锌(ZnO)纳米线的压电型纳米发电机,成功收集了大鼠的心跳能量。但是,该装置的输出能量较低,如何利用这些微小的能量是一个挑战。

2012 年,王中林提出了摩擦纳米发电机(TENG),并成功实现了机械能到电能的转化、存储及利用。基于 TENG 的器件与技术,李舟团队在 2014 年重新设计制备了可用于生物体内能量收集的植入式摩擦纳米发电机(iTENG, implantable TENG),并实现了大鼠呼吸能量的收集与心脏起搏器原型机的驱动。

目前,可植入自供电系统已经应用于小动物和细胞尺度的心脏起搏、深部脑刺激、神经刺激、组织工程等。摩擦纳米发电机也已被开发为用于自供电 IMEDs 的潜在生物力学能量收集器,其在植入式应用中显示出许多独特的优点,例如柔韧性、期望的生物相容性和重量轻。

然而,小型动物和细胞生理调节所需的能量远低于人类。同时,生理调节总是需要可控的刺激信号来保证其效果。未来这项技术要应用于临床,就迫切需要开发高输出的植入式能量采集器,为人体的 IMEDs 提供可控输出刺激信号的电量供应。

利用心跳供电的心脏起搏器

受生物共生现象的启发,李舟团队发明了基于植入式摩擦纳米发电机(iTENG)的植入式共生起搏器(SPM),并成功实现了大型动物模型的心脏起搏和窦性心律失常矫正。

基于 iTENG 的心脏起搏器和身体形成互联的共生系统,能够从心脏跳动摄取能量以维持操作,同时,身体从 SPM 获得电刺激以调节心脏生理活动。也就是说,SPM 的能量源和作用目标都是心脏。

现在,李舟团队研制的新一代共生型心脏起搏器, 只含有 iTENG,能量管理模块和心脏起搏器三个模块,不含有通常心脏起搏器所携带的、超过其体积 1/2 的电池,实现了起搏器能量的自给自足。

图 | 共生心脏起搏器系统(来源:Nature Communications)

因为猪的心脏尺寸和人接近,是一个理想的动物模型。研究人员将这种共生起搏器成功植入猪体内,并且证实 SPM 能够纠正窦性心律失常,防止窦性停搏和心室颤动的病情恶化。

基于猪的大动物实验验证,意味着共生型心脏起搏器离临床应用越来越近。

此外,研究人员还验证了 iTENG 的体内输出性能,结果令人印象深刻。从每个心脏跳动周期收集的能量为 0.495μJ,高于猪和人类的起搏阈值能量。

也就是说,这套共生起搏器系统,通过心脏跳动一次所收集的电量,足够支撑一次心脏起搏器起搏。

图 | 猪体内共生心脏起搏器的植入和试验过程(来源:Nature Communications)

研究人员认为,iTENG 提供了一种收集体内生物力学能量的有前途的方法,具有材料选择广泛、柔韧性好、重量轻、耐用性好和成本低等优点。

此外,iTENG 已经显示出显著的机械耐久性(1 亿个机械刺激周期)和细胞相容性,这是长期可植入装置的决定因素。这对自驱动心脏起搏器迈向临床和产业化具有重要意义。

SPM 与目前植入式心脏起搏器相比,最大意义就是其使用寿命大大延长,甚至可以实现“一次植入,终生使用”。

同时,iTENG 是一种通用性的器件及技术,理论上可以为所有的植入式医疗电子器件供能(起搏器,脑刺激器等)。另外,在非起搏应用上 iTENG 也大有可为,目前已经报道的基于 iTENG 的植入式应用还包括:神经修复、组织修复、精准药物递送、可降解器件等。除了植入式方面,iTENG 还可以用于穿戴式电子器件,李舟团队还在 2017 年基于 iTENG 构建了超灵敏桡动脉搏传感器,该研究成果发表在当时的《先进材料》(Advanced Materials)上。

尽管这一系统还需在尺寸、效率和长期生物安全性方面做进一步优化才能最终用于人体,但李舟向 DeepTech 表示,他们下一步的研究重点在于小型化、高能量效率、长效的生物安全性等方面,并预计在 5-10 年内可以进行临床试验。