李舟/华伟/刘卓/王宁宁 Nat. Commun.：自供能心腔内起搏器研究取得进展
心脏起搏器作为植入式医疗电子器械的代表，能够有效治疗心律失常疾病。然而，心脏起搏器的电池续航能力有限，许多患者一生需更换多个起搏器，这无疑会增加患者的医疗负担和手术并发症风险。此外，传统有导线起搏器在临床实际应用中会引起导线磨损及断裂、起搏器囊袋破溃和感染、穿刺血管的血栓与堵塞及疤痕局部疼痛等问题。如何提升心脏起搏器的服役时间协同实现无导线电刺激新模式一直是医疗电子器械领域研究的热点和难点。
近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员团队，与国家心血管中心/阜外医院华伟主任、北京航空航天大学刘卓副教授、杭州电子科技大学王宁宁教授等研究团队联合在Nature Communications杂志在线发表了题为“A self-powered intracardiac pacemaker in swine model”的最新研究成果，介绍了一种新型自供能心腔内起搏器。 该研究团队围绕临床疾病诊疗，一直聚焦基于纳米发电机技术的自供能医疗电子器械的研究和开发。早在2006年，王中林院士首次在美国《科学》杂志（Science）上提出了纳米发电机的概念(Science, 2006, 312(5771): 242-246)-单根氧化锌纳米线将机械能转化为电能。自此，李舟研究员就开始尝试通过纳米发电机技术从生物体的运动中收集机械能并转化为电能。2010年，成功研制了基于氧化锌纳米线的植入式压电纳米发电机，并成功收集了大鼠的心跳能量（Advanced Materials, 2010, 22(23): 2534-2537）。该纳米发电机的输出电压和电流只有1 mV和1 pA，如何获得更高的能量输出？如何利用这些微小的能量驱动医疗电子器件？是要继续攻克和解决的问题。
2012年摩擦纳米发电机（TENG）的发明为提高纳米发电机力电转化效率提供了新的方案（Nano energy, 2012, 1(2): 328-334）。TENG不仅具有出色的电学输出性能，在普通环境中可输出上百伏的电压，而且易于加工成各种尺寸、形状和结构，可应用于不同的穿戴式和植入式场景。TENG成功实现了机械能到电能的高效转化，能够方便地存储和驱动小型电子设备。2014年，研究团队研制了一种基于植入式摩擦纳米发电机（implantable TENG, iTENG），通过植入动物皮肤下可收集呼吸运动的能量，产生3.43 V的电压和0.14 μA的电流，并且经过一段时间的电能存储，可驱动一台简易的心脏起搏器原型机，实现对小型实验动物心脏频率的调控。该工作发表于国际学术期刊《先进材料》（Advanced Materials）上（Advanced materials, 2014, 26(33): 5851-5856）。英国《自然》（Nature）杂志2015年对该工作进行了亮点工作报道（Nature, 2015, 528(7580): 26），使iTENG及其在体内收集生物机械能来构建自供能医疗电子器械的研究工作引起了众多关注。2014年至2019年，研究团队在iTENG的结构改进、性能提升和应用研究等方面取得多项进展。针对植入式纳米发电机的封装问题，开发了有机/无机多层交互封装方法和通用防水接口技术，为植入式纳米发电机实现体内长效稳定工作奠定了基础（Advanced Materials, 2016, 28, 846–852；ACS applied materials & interfaces, 2016, 8(40): 26697-26703）。此外，研究团队通过引入新型的记忆合金龙骨设计和优化摩擦层材料等手段提高iTENG的输出（ACS Nano, 2016, 10, 6510-6518；Nano letters, 2016, 16(10): 6042-6051）。
2019年，研究团队受生物共生现象的启发（例如根瘤菌与植物间的共生），提出了基于植入式摩擦电纳米发电机（iTENG, implantable triboelectric nanogenerator）的共生型心脏起搏器（SPM, symbiotic cardiac pacemaker）(Nature Communications, 2019 10:1821)。SPM成功在大型动物（猪）体内实现了“全植入”的自驱动运行，并成功进行了心律不齐的治疗。每一个心脏运动周期，SPM可获得的能量高达0.495 μJ，高于心脏起搏阈值能量（通常为0.377 μJ）。也就是说，SPM可实现“一次心跳，一次起搏”。该工作在iTENG的力电转换效率有很大的提升，这对自供能心脏起搏器迈向临床和产业化具有重要意义。然而，SPM系统的小型化，集成化和无导线化依旧是要持续攻关的难点，以期实现微创甚至是介入的方式植入，满足临床实际应用的发展要求。
2019年至今，研究团队围绕器件材料优化，结构设计，系统集成加工和大动物实验评估，基于摩擦起电和静电感应耦合效应研制了一款胶囊形状的自供能心腔内无导线起搏器（self-powered intracardiac pacemaker, SICP）。项目团队同时开发了具有能量存储功能和电脉冲发送功能的微型低功耗起搏芯片（0.5 ms/1.5 V），以及与SICP尺寸匹配的心脏内固定装置/介入递送系统。该起搏器的直径6.8 mm、体积约1.52 cc、质量仅1.75 g，在大型动物猪模型上成功通过静脉介入手术植入到心腔内，并在右心室释放固定在心室肌上。研究团队建立了基于高分子材料构筑SICP自发电模块的方法，可兼容核磁共振检查。伴随着心脏周期性的收缩舒展SICP开路电压能够达到6.0 V，短路电流为0.2 μA，整合微型低功耗起搏芯片，实现了对房室传导阻滞疾病模型动物的有效起搏。持续3周的随访观察，SICP保持良好的起搏性能，突破了目前自供能心脏起搏器在模型动物体内植入的最长时间纪录，展示出SICP的有效性和安全性。该研究提出了一种转化心脏运动的生物机械能为电能的新方法，突破了自供能心脏起搏器的小型化和集成化挑战，为未来实现真正的“一次植入，永久工作”的无导线心脏起搏器临床应用提供了一种全新的设计理念，对进一步推动心脏起搏器的升级变革具有重要的意义。
中国科学院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员，国家心血管病中心/中国医学科学院阜外医院心律失常中心华伟教授，杭州电子科技大学的王宁宁教授为本文的共同通讯作者。北京航空航天大学刘卓副教授，中国医学科学院阜外医院胡奕然博士，中国科学院北京纳米能源与系统研究所曲学铖博士、刘莹为本文的共同第一作者。本研究工作得到了国家自然科学基金、中国医学科学院高水平临床研究项目、北京新曦颠覆性技术创新基金等资助。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-44510-6
