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共生心脏起搏器丨真正意义上的植入式自驱动医疗电子器件
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共生心脏起搏器丨真正意义上的植入式自驱动医疗电子器件

2019-10-22 15:38:08 来源:稀世知真 点击:1305

【大比特导读】京纳米能源与系统研究所、北航生物医学工程高精尖创新中心和海军军医大的科学家们成功研制了共生型心脏起搏器(SPM, symbiotic cardiac pacemaker),它可以从心脏跳动中获取能量,为自己提供电能。

植入式医疗电子(IMEs, implantable medical electronics)是学术界、医学界和产业界的一个热门话题。例如,心脏起搏器是治疗心律失常和心力衰竭等严重心脏疾病的最重要IMEs之一。然而,目前大多数IMEs都由锂电池进行供能,续航能力有限,并且锂电池占据了IMEs大部分的体积和重量。许多研究人员试图延长IMEs的使用寿命,同时减少其尺寸和重量,这着实是一个不小的挑战。除了研制更高能量密度的电池外,一些其他的方案也应该值得关注,比如纳米发电机和自驱动技术。

王中林院士和李舟研究员领导的研究团队一直致力于自驱动技术的研究,特别是基于植入式纳米发电机的自驱动医疗电子设备的研究和开发。受生物共生现象的启发(例如根瘤菌与植物间的共生),他们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)。SPM可将心跳的能量收集起来驱动起搏电路发出脉冲;这些脉冲同时又刺激心脏,使出现异常的心脏恢复正常。这样SPM与心脏之间就达到了“相互依存、相互受益”的“共生”状态。目前SPM已成功在大型动物(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”,这对自驱动心脏起搏器迈向临床和产业化具有重要意义。同时,SPM的实现也为新型自驱动医疗电子设备提供了一条崭新的演化途径。这项由北京纳米能源与系统研究所、北航生物医学工程高精尖创新中心和海军军医大的科学家们共同研究的成果与2019年4月23日发表在 Nature Communications ,标题为Symbiotic cardiac pacemaker 。

“从2009年开始,我们尝试从器官和肌肉的运动中收集生物机械能量。”项目的主要负责人之一李舟研究员说,“那时,我们制作了基于单根氧化锌(ZnO)纳米线的压电型纳米发电机,并成功收集了大鼠的心跳能量【1】。但是,该装置的输出性能较低(1 mV开路电压和1 pA短路电流),如何利用这些微小的能量是另一个挑战。”

转折点出现在2012年,王中林院士首次提出了基于摩擦起电和静电感应效应的摩擦纳米发电机(TENG),并用其实现了机械能到电能的转化、存储及电子设备的自驱动。TENG具有出色的输出性能和能量转化效率,更重要的是,TENG易于加工成多种不同的尺寸和结构,以便用于不同的穿戴式和植入式应用场景【2】。

2014年,李舟研究员及其团队重新对TENG进行设计改造,使其能够用于体内的能量收集。考虑到体内复杂的生化环境,他们采用了生物相容性好的高分子材料对TENG进行封装--这就是植入式摩擦纳米发电机(iTENG)。iTENG的体内输出性能更加优良:植入在大鼠皮下,利用呼吸的能量,可产生3.43 V的开路电压和0.14 μA的短路电流。同时,他们利用这些电能成功驱动了心脏起搏器原型机【3】。

《自然》杂志对上述这项发表在 Advanced Materials 的工作进行了特色报道【4】:“在大鼠体内进行了实验,通过只有几页纸那么薄的器件来产生微瓦的能量,现在他们正在猪的体内开展这项技术研究”(原文:began testing the system in rats, creating milliwatts of energy from a device the thickness of a few sheets of paper. Now his team is testing the same technology in pigs)。iTENG和基于iTENG的自驱动心脏起搏器引起了学术界的高度关注。

“让心脏起搏器能够以自驱动的方式运行是一件极具挑战同时也很有意义的事情,”李舟研究员说到,“我们的身体有大量可以利用的能量,例如心跳和呼吸。iTENG的体内输出性能明显优于压电型纳米发电机。这意味着许多电子设备,特别是植入式医疗电子设备,如起搏器等,可以通过iTENG实现自驱动”。

现在,科学家们已经成功实现了共生型心脏起搏器,这是iTENG和自驱动医疗电子设备走向实际应用和临床使用迈出的坚实一步。正如王中林教授所说,“在未来,传感器、物联网(IoT)、医疗电子器件和便携式电子设备都可以从周围环境中提取能量为自己供电。电子设备正进入自驱动时代”,更为便捷的生活方式和更加智能的电子设备已经逐渐进入我们的生活并将改变世界。

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