李舟/華偉/劉卓/王寧寧 Nat. Commun.：自供能心腔內起搏器研究取得進展
心臟起搏器作為植入式醫療電子器械的代表，能夠有效治療心律失常疾病。然而，心臟起搏器的電池續航能力有限，許多患者一生需更換多個起搏器，這無疑會增加患者的醫療負擔和手術并發癥風險。此外，傳統有導線起搏器在臨床實際應用中會引起導線磨損及斷裂、起搏器囊袋破潰和感染、穿刺血管的血栓與堵塞及疤痕局部疼痛等問題。如何提升心臟起搏器的服役時間協同實現無導線電刺激新模式一直是醫療電子器械領域研究的熱點和難點。
近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所李舟研究員團隊，與國家心血管中心/阜外醫院華偉主任、北京航空航天大學劉卓副教授、杭州電子科技大學王寧寧教授等研究團隊聯合在Nature Communications雜志在線發表了題為“A self-powered intracardiac pacemaker in swine model”的最新研究成果，介紹了一種新型自供能心腔內起搏器。 該研究團隊圍繞臨床疾病診療，一直聚焦基于納米發電機技術的自供能醫療電子器械的研究和開發。早在2006年，王中林院士首次在美國《科學》雜志（Science）上提出了納米發電機的概念(Science, 2006, 312(5771): 242-246)-單根氧化鋅納米線將機械能轉化為電能。自此，李舟研究員就開始嘗試通過納米發電機技術從生物體的運動中收集機械能并轉化為電能。2010年，成功研制了基于氧化鋅納米線的植入式壓電納米發電機，并成功收集了大鼠的心跳能量（Advanced Materials, 2010, 22(23): 2534-2537）。該納米發電機的輸出電壓和電流只有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動醫療電子器件？是要繼續攻克和解決的問題。
2012年摩擦納米發電機（TENG）的發明為提高納米發電機力電轉化效率提供了新的方案（Nano energy, 2012, 1(2): 328-334）。TENG不僅具有出色的電學輸出性能，在普通環境中可輸出上百伏的電壓，而且易于加工成各種尺寸、形狀和結構，可應用于不同的穿戴式和植入式場景。TENG成功實現了機械能到電能的高效轉化，能夠方便地存儲和驅動小型電子設備。2014年，研究團隊研制了一種基于植入式摩擦納米發電機（implantable TENG, iTENG），通過植入動物皮膚下可收集呼吸運動的能量，產生3.43 V的電壓和0.14 μA的電流，并且經過一段時間的電能存儲，可驅動一臺簡易的心臟起搏器原型機，實現對小型實驗動物心臟頻率的調控。該工作發表于國際學術期刊《先進材料》（Advanced Materials）上（Advanced materials, 2014, 26(33): 5851-5856）。英國《自然》（Nature）雜志2015年對該工作進行了亮點工作報道（Nature, 2015, 528(7580): 26），使iTENG及其在體內收集生物機械能來構建自供能醫療電子器械的研究工作引起了眾多關注。2014年至2019年，研究團隊在iTENG的結構改進、性能提升和應用研究等方面取得多項進展。針對植入式納米發電機的封裝問題，開發了有機/無機多層交互封裝方法和通用防水接口技術，為植入式納米發電機實現體內長效穩定工作奠定了基礎（Advanced Materials, 2016, 28, 846–852；ACS applied materials & interfaces, 2016, 8(40): 26697-26703）。此外，研究團隊通過引入新型的記憶合金龍骨設計和優化摩擦層材料等手段提高iTENG的輸出（ACS Nano, 2016, 10, 6510-6518；Nano letters, 2016, 16(10): 6042-6051）。
2019年，研究團隊受生物共生現象的啟發（例如根瘤菌與植物間的共生），提出了基于植入式摩擦電納米發電機（iTENG, implantable triboelectric nanogenerator）的共生型心臟起搏器（SPM, symbiotic cardiac pacemaker）(Nature Communications, 2019 10:1821)。SPM成功在大型動物（豬）體內實現了“全植入”的自驅動運行，并成功進行了心律不齊的治療。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“一次心跳，一次起搏”。該工作在iTENG的力電轉換效率有很大的提升，這對自供能心臟起搏器邁向臨床和產業化具有重要意義。然而，SPM系統的小型化，集成化和無導線化依舊是要持續攻關的難點，以期實現微創甚至是介入的方式植入，滿足臨床實際應用的發展要求。
2019年至今，研究團隊圍繞器件材料優化，結構設計，系統集成加工和大動物實驗評估，基于摩擦起電和靜電感應耦合效應研制了一款膠囊形狀的自供能心腔內無導線起搏器（self-powered intracardiac pacemaker, SICP）。項目團隊同時開發了具有能量存儲功能和電脈沖發送功能的微型低功耗起搏芯片（0.5 ms/1.5 V），以及與SICP尺寸匹配的心臟內固定裝置/介入遞送系統。該起搏器的直徑6.8 mm、體積約1.52 cc、質量僅1.75 g，在大型動物豬模型上成功通過靜脈介入手術植入到心腔內，并在右心室釋放固定在心室肌上。研究團隊建立了基于高分子材料構筑SICP自發電模塊的方法，可兼容核磁共振檢查。伴隨著心臟周期性的收縮舒展SICP開路電壓能夠達到6.0 V，短路電流為0.2 μA，整合微型低功耗起搏芯片，實現了對房室傳導阻滯疾病模型動物的有效起搏。持續3周的隨訪觀察，SICP保持良好的起搏性能，突破了目前自供能心臟起搏器在模型動物體內植入的最長時間紀錄，展示出SICP的有效性和安全性。該研究提出了一種轉化心臟運動的生物機械能為電能的新方法，突破了自供能心臟起搏器的小型化和集成化挑戰，為未來實現真正的“一次植入，永久工作”的無導線心臟起搏器臨床應用提供了一種全新的設計理念，對進一步推動心臟起搏器的升級變革具有重要的意義。
中國科學院北京納米能源與系統研究所李舟研究員，國家心血管病中心/中國醫學科學院阜外醫院心律失常中心華偉教授，杭州電子科技大學的王寧寧教授為本文的共同通訊作者。北京航空航天大學劉卓副教授，中國醫學科學院阜外醫院胡奕然博士，中國科學院北京納米能源與系統研究所曲學鋮博士、劉瑩為本文的共同第一作者。本研究工作得到了國家自然科學基金、中國醫學科學院高水平臨床研究項目、北京新曦顛覆性技術創新基金等資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-44510-6
