原標(biāo)題：世界最小心臟起搏器問世：比米粒還小，關(guān)鍵的自供電方法由中國博士后提出
美國西北大學(xué)團(tuán)隊領(lǐng)銜，聯(lián)合新加坡國立大學(xué)、中國華中科技大學(xué)等多所大學(xué)的研究者，合作開發(fā)了世界上最小的心臟起搏器，體積比一粒米還小!
北京時間4月2日，《自然》期刊發(fā)表了一項由美國西北大學(xué)教授、生物電子研究所主任約翰·羅杰斯團(tuán)隊領(lǐng)導(dǎo)的研究，介紹了這款堪稱目前世界上最小的心臟起搏器。
這款微型裝置的尺寸僅為1.8毫米×3.5毫米×1毫米。實驗顯示，它不僅能在動物模型和人類心臟組織中有效調(diào)控心跳，還能在使用完畢后自行溶解，無需手術(shù)取出。這項突破性成果或?qū)樾膭舆^緩患者提供一種潛在的更安全選擇，尤其對心臟手術(shù)后的臨時起搏需求具有重要意義。
對此，紅星新聞記者專訪了論文通訊作者羅杰斯，了解相關(guān)技術(shù)的誕生與前景。羅杰斯是美國國家科學(xué)院、工程院和藝術(shù)與科學(xué)院三院院士，長期致力于仿生電子器件和可穿戴生物醫(yī)學(xué)電子器件的研究。他在接受采訪時提到，這款起搏器的體積比目前已知最小的起搏器之一——美敦力Micra還小，“按體積計算，我們的設(shè)備大約小500倍。”
“體液”自供電，無需電源和電線
3毫米切口“注射式”植入
據(jù)介紹，這款微型心臟起搏器可以通過微創(chuàng)植入，極大降低傳統(tǒng)起搏器所需的侵入性手術(shù)風(fēng)險，比如感染或心肌損傷。具體來說，它可以通過一種創(chuàng)傷很小的手術(shù)方式，即裝入導(dǎo)入器，通過寬度小于3毫米的皮膚切口，直接注射到心外膜下心肌淺層。這一結(jié)果甚至適用于新生兒，并支持使用微創(chuàng)技術(shù)進(jìn)行植入。
過去，傳統(tǒng)的臨時起搏器雖然在治療心動過緩(心率偏低)方面發(fā)揮著重要作用，但其侵入性的植入過程以及外部電源和導(dǎo)線帶來的潛在風(fēng)險，尤其對于兒童和體型較小的患者而言，一直是一項挑戰(zhàn)。
令人好奇的是，這款微型心臟起搏器如何在沒有電池和導(dǎo)線的情況下工作?關(guān)于供電方式，羅杰斯表示：“我們有一個自供電機(jī)制來支持起搏器的運行。”其內(nèi)置的電極由可生物吸收的材料組成：陽極(即負(fù)極)為鎂(或鋅)，陰極(正極)為三氧化鉬。當(dāng)電極接觸到心臟周圍的體液時，體液作為電解液，觸發(fā)陽極和陰極之間的電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電流。
“具體而言，一個活性可生物吸收的鎂合金或鋅復(fù)合材料作為陽極，一個更具電正性的可生物吸收三氧化鉬復(fù)合材料作為陰極。心臟組織及其相關(guān)生物液體作為電解質(zhì)，形成原電池。”論文中如此描述。換句話說，這個起搏器不需要外部接入電源或替換電池，而是利用身體自身的環(huán)境“發(fā)電”，將電流傳遞給心臟，驅(qū)動它跳動。
光遙控起搏，配對貼片監(jiān)測心電圖
發(fā)現(xiàn)心律失常自動發(fā)光電療
那么，如何精確控制心跳的頻率和節(jié)奏?羅杰斯向紅星新聞記者介紹，這款起搏器通過“光”實現(xiàn)無線操控。“我們使用光電晶體管(光控開關(guān))來控制傳遞給心臟的電脈沖的頻率和持續(xù)時間(以設(shè)定心率)。”他說。光電晶體管是一種由硅制成的微小組件，連接在陽極和陰極之間，起到開關(guān)作用。在沒有光照時，它阻斷電流，設(shè)備處于休眠狀態(tài);當(dāng)皮膚表面的無線單元發(fā)出近紅外光，光穿透組織照射到光電晶體管上時，它的電阻降低幾個數(shù)量級，電路接通，電流流向心臟。
“近紅外光具有深層組織穿透的特性，這使得光學(xué)方法變得很有吸引力。我們成功地用硅納米膜雙極結(jié)晶體管構(gòu)建了一個可生物吸收的光控開關(guān)。”羅杰斯補(bǔ)充道。實驗中，無論是小鼠、豬，還是取自器官供體的人類心臟，這個微型起搏器都完成了控制心臟起搏。
起搏器會配合一個貼在皮膚上的無線皮膚界面一起工作。這個皮膚貼片支持心電圖數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析和近紅外范圍編程光發(fā)射，分析判斷是否有心律失常。發(fā)現(xiàn)心律失常后，皮膚設(shè)備會發(fā)出近紅外光，實現(xiàn)自主閉環(huán)心臟電療。
羅杰斯說：“這個系統(tǒng)減少了風(fēng)險，消除了傳統(tǒng)有線臨時起搏解決方案的繁瑣性。”傳統(tǒng)起搏器需要導(dǎo)線穿過皮膚連接外部電源，患者活動受限且有感染風(fēng)險，而這款裝置完全內(nèi)置，依靠體液供電和光控，可以使患者擺脫束縛。
人體內(nèi)可完全吸收
任務(wù)期后降解，2年多完全消失
羅杰斯告訴紅星新聞記者，該裝置使用一段時間后，可在體內(nèi)無害溶解。
由于所有材料(包括電極、光電晶體管和封裝材料)都是可生物吸收的材料，設(shè)備在完成使命(豬和人類心臟上的體外起搏實驗顯示連續(xù)運行約16天)后會逐漸降解成無害物質(zhì)，通過腎臟排出體外。完全生物吸收的時間尺度約為1.2-2.5年。未來適當(dāng)選擇材料和設(shè)備設(shè)計，或可將完全吸收時間大大縮短。據(jù)悉，這項設(shè)計源于臨床需求，由美國西北紀(jì)念醫(yī)院的心臟外科醫(yī)生提出。
關(guān)于制造過程中的挑戰(zhàn)，羅杰斯表示：“自供電方法的概念是關(guān)鍵，同時還需要一個光學(xué)方案來控制設(shè)備。”他坦言，自供電概念是由中國博士后張亞敏提出的。在美國佐治亞理工學(xué)院攻讀博士學(xué)位時，張亞敏研究電池技術(shù)，將這一想法帶入項目，促成了這一創(chuàng)新。
本次研究主要在動物模型和離體人體心臟組織上進(jìn)行了驗證。至于未來在活體患者身上的應(yīng)用，羅杰斯表示需經(jīng)過監(jiān)管流程，“任何這類救生植入物都必須通過嚴(yán)格的監(jiān)管流程”。此外，羅杰斯表示，已有初創(chuàng)公司開始推動該研究的臨床轉(zhuǎn)化。
羅杰斯預(yù)計在兩三年內(nèi)啟動首次人體植入的研究，使這一技術(shù)進(jìn)入臨床試驗階段，最終成為醫(yī)生日常使用的工具，為心動過緩患者帶來一項新型治療選擇。
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