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華人科學家新成果:心臟起搏器無需電池,利用心跳自發電

日期:2019-04-24 來源:DeepTech深科技 作者:王新凱 瀏覽量:
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每一次心跳,都在釋放能量。研究人員開發了一種新裝置,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研究所李舟研究員團隊的這項最新成果。


研究人員開發的這種可植入式發電機,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。


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  (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,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療電子器件,實現自驅動,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,自驅動技術的出現將改變現有醫療電子器件(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,全球有數百萬患者的生命健康依賴于植入式醫療電子設備(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 IMEDs 都由鋰電池進行供能,這些電池不僅笨重堅硬,而且續航能力有限。


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圖 | 傳統的心臟起搏器(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。


2012 年,王中林提出了摩擦納米發電機(TENG),并成功實現了機械能到電能的轉化、存儲及利用?;?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電機(iTENG, implantable TENG),并實現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。摩擦納米發電機也已被開發為用于自供電 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所需的能量遠低于人類。同時,生理調節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


受生物共生現象的啟發,李舟團隊發明了基于植入式摩擦納米發電機(iTENG)的植入式共生起搏器(SPM),并成功實現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的共生系統,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,實現了起搏器能量的自給自足。


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圖 | 共生心臟起搏器系統(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,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。


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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“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,該研究成果發表在當時的《先進材料》(Advanced Materials)上。


盡管這一系統還需在尺寸、效率和長期生物安全性方面做進一步優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。


參考:


https://www.nature.com/articles/s41467-019-09851-1

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