清華新聞網(wǎng)1月30日電 對(duì)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”。植入式生物電子設(shè)備憑借精準(zhǔn)調(diào)控細(xì)胞活動(dòng)的能力，不僅能修復(fù)心律功能，還廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)、視聽(tīng)功能恢復(fù)、疼痛管理及疾病診斷等領(lǐng)域，為重大疾病的早期干預(yù)、精準(zhǔn)治療和長(zhǎng)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)。然而，設(shè)備電池耗盡后需二次手術(shù)更換，成為一大難題。相比首次植入，二次手術(shù)創(chuàng)傷更大、風(fēng)險(xiǎn)更高，且?guī)?lái)沉重經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此，“終身免維護(hù)運(yùn)行”成為該領(lǐng)域的終極目標(biāo)，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵，在于突破終身供能的技術(shù)瓶頸。
為破解這一難題，北京清華長(zhǎng)庚醫(yī)院健康科技研發(fā)中心主任、研究員李舟團(tuán)隊(duì)跳出傳統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)思路，突破電子器件必須由電池或無(wú)線(xiàn)供電的固有認(rèn)知，提出通過(guò)人體自供電的方式實(shí)現(xiàn)植入式電子設(shè)備的能源供給。
研究團(tuán)隊(duì)于2014年研制了首款自供電心臟起搏器，2019年成功研制出共生型自供電心臟起搏器，并提出“共生生物電子（symbiotic bioelectronics）”創(chuàng)新理念。此后，團(tuán)隊(duì)持續(xù)拓展該自供電生物電子器件的應(yīng)用邊界，在骨修復(fù)、神經(jīng)調(diào)控及生物可吸收電子器件等領(lǐng)域接連取得重要進(jìn)展。
歷經(jīng)近七年聯(lián)合攻關(guān)，李舟及其合作者取得重要進(jìn)展——成功研發(fā)出膠囊尺寸的微型共生型自供電無(wú)導(dǎo)線(xiàn)心臟起搏器。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(guò)電磁感應(yīng)技術(shù)，從心臟自身的跳動(dòng)中捕獲動(dòng)能，并將其轉(zhuǎn)化為電能。測(cè)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(dòng)起搏電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)心臟節(jié)律的精準(zhǔn)調(diào)控。同時(shí)，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。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的極簡(jiǎn)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(dòng)閾值、高動(dòng)能轉(zhuǎn)換效率及穩(wěn)定的心內(nèi)平均輸出功率，同時(shí)簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜度，提升了設(shè)備的長(zhǎng)效穩(wěn)定性。
圖1.共生型自供電無(wú)導(dǎo)線(xiàn)心臟起搏器示意圖
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(gè)月的自主運(yùn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)期間，它持續(xù)實(shí)現(xiàn)能量自供給，同時(shí)穩(wěn)定發(fā)揮起搏治療功能，有效調(diào)控實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的心臟節(jié)律，充分驗(yàn)證了其臨床轉(zhuǎn)化可行性。
圖2.體內(nèi)植入過(guò)程示意圖與DR影像
這一技術(shù)突破有望將起搏器的使用壽命延長(zhǎng)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(kāi)辟了全新路徑。
研究成果以“共生型經(jīng)導(dǎo)管起搏器在疾病模型中實(shí)現(xiàn)終身能量再生與治療功能”（Symbiotic transcatheter pacemaker for lifelong energy regeneration and therapeutic function in porcine disease model）為題，于1月19日發(fā)表于《自然·生物醫(yī)學(xué)工程》（Nature Biomedical Engineering）。
北京清華長(zhǎng)庚醫(yī)院研究員李舟、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院教授華偉為論文通訊作者。中國(guó)科學(xué)院大學(xué)副教授歐陽(yáng)涵，北京大學(xué)第三醫(yī)院副研究員蔣東杰，中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院胡奕然博士、程思靜博士，杭州電子科技大學(xué)副教授張正民為論文第一作者。
中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士對(duì)該工作給予了重要支持。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、北京市自然科學(xué)基金、北京市科技新星計(jì)劃、北京新曦顛覆性技術(shù)創(chuàng)新基金以及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金的聯(lián)合資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41551-025-01604-4
供稿：北京清華長(zhǎng)庚醫(yī)院
編輯：李華山
審核：郭玲
