對心臟病患者而言，植入式心臟起搏器是恢復(fù)正常心律的“救命神器”。但長期以來，一個棘手問題困擾著醫(yī)生和患者：植入式設(shè)備電池耗盡后，患者必須接受二次手術(shù)更換設(shè)備。這種手術(shù)不僅創(chuàng)傷遠(yuǎn)超首次植入，還伴隨著更高的醫(yī)療風(fēng)險，同時帶來沉重的經(jīng)濟(jì)壓力。
為破解這一難題，中國科學(xué)院大學(xué)副教授歐陽涵聯(lián)合清華大學(xué)教授李舟團(tuán)隊(duì)跳出傳統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)思路，聯(lián)想到植物與菌根微生物存在緊密共生關(guān)系等思路，于2019年提出“共生生物電子”創(chuàng)新理念，并成功研制出共生型心臟起搏器。歷經(jīng)7年聯(lián)合攻關(guān)，成功研發(fā)出膠囊尺寸的微型共生型自供電無導(dǎo)線心臟起搏器。相關(guān)研究成果于1月19日在《自然生物醫(yī)學(xué)工程》上發(fā)表。
長期以來，植入式生物電子設(shè)備憑借精準(zhǔn)調(diào)控細(xì)胞活動的能力，不僅能修復(fù)心律功能，還廣泛應(yīng)用于運(yùn)動、視聽功能恢復(fù)及疼痛管理、疾病診斷等領(lǐng)域，為重大疾病的早期干預(yù)、精準(zhǔn)治療和長期管理提供關(guān)鍵支撐，顯著改善患者生活質(zhì)量并減輕家庭照護(hù)負(fù)擔(dān)。而如何滿足終身服務(wù)所需的臨界能量供應(yīng)，是該領(lǐng)域面臨的核心挑戰(zhàn)。
論文發(fā)表截圖。中國科學(xué)院大學(xué)供圖
這款起搏器的核心創(chuàng)新是集成了高效能量再生模塊。它能通過電磁感應(yīng)技術(shù)，從心臟自身的跳動中捕獲動能，并將其轉(zhuǎn)化為電能。測試顯示，其輸出功率已突破起搏器終身運(yùn)行的臨界能量閾值，可穩(wěn)定驅(qū)動起搏電路，實(shí)現(xiàn)對心臟節(jié)律的精準(zhǔn)調(diào)控。同時，器件采用高度微型化設(shè)計(jì)，兼具優(yōu)異的生物相容性與血液相容性，支持經(jīng)導(dǎo)管微創(chuàng)植入，大幅降低手術(shù)創(chuàng)傷。
此外，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的極簡磁懸浮能量緩存結(jié)構(gòu)，不僅最大限度減少了能量損耗和機(jī)械摩擦，還實(shí)現(xiàn)了近零啟動閾值、高動能轉(zhuǎn)換效率及穩(wěn)定的心內(nèi)平均輸出功率，同時簡化系統(tǒng)復(fù)雜度，提升了設(shè)備的長效穩(wěn)定性。
共生型自供電無導(dǎo)線心臟起搏器示意圖。中國科學(xué)院大學(xué)供圖
體內(nèi)植入過程示意圖與DR影像。中國科學(xué)院大學(xué)供圖
目前，在豬三度房室傳導(dǎo)阻滯心律失常模型中，該共生型起搏器完成了為期一個月的自主運(yùn)行測試。實(shí)驗(yàn)期間，它持續(xù)實(shí)現(xiàn)能量自供給，同時穩(wěn)定發(fā)揮起搏治療功能，有效調(diào)控實(shí)驗(yàn)動物的心臟節(jié)律，充分驗(yàn)證了其臨床轉(zhuǎn)化可行性。
這一技術(shù)突破有望將起搏器的使用壽命延長至與自然心臟一致的水平，徹底解決二次手術(shù)的痛點(diǎn)，為植入式電子器件實(shí)現(xiàn)真正意義上的“終身免維護(hù)”和“人機(jī)共生”開辟了全新路徑。
