長(zhǎng)在心臟里的“發(fā)電站”

李舟教授（左）、歐陽(yáng)涵副教授（右）利用電鏡表征起搏電極材料微結(jié)構(gòu)。受訪者供圖

　　實(shí)驗(yàn)成功后團(tuán)隊(duì)部分成員合影。受訪者供圖

　　手術(shù)室內(nèi)，一根導(dǎo)管從豬的下肢股靜脈緩緩探入，一粒維生素膠囊大小的器件精準(zhǔn)抵達(dá)心臟指定位置。中國(guó)科學(xué)院大學(xué)納米科學(xué)與工程學(xué)院副教授歐陽(yáng)涵、北京大學(xué)/北醫(yī)三院副研究員蔣東杰、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院主治醫(yī)師胡奕然盯著心電圖屏幕。

　　經(jīng)過(guò)一周左右的觀測(cè)，豬心跳正常、血壓穩(wěn)定、飲食正常、傷口愈合良好。當(dāng)每一次心跳轉(zhuǎn)化為電能，持續(xù)為這款共生型心臟起搏器供電時(shí)，他們知道，困擾心臟病患者多年的起搏器電池難題，終于有了創(chuàng)新性的解決方案。

　　2019年，共生型自供電心臟起搏器的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了植入式心臟起搏器發(fā)展歷程的重要突破。作為心臟病患者維持正常心律的唯一有效治療方式，多年來(lái)，植入式心臟起搏器卻始終受電池壽命的有限性所掣肘。即便是市面上最先進(jìn)的設(shè)備，電池壽命也僅能持續(xù)10年左右。一旦能源耗盡，患者必須接受二次手術(shù)植入新設(shè)備。

　　“想象一下，一個(gè)30歲的年輕患者，活到了60歲時(shí)，他的心臟里要塞入3個(gè)能量耗盡的起搏器，不僅嚴(yán)重影響患者心臟正常的收縮運(yùn)動(dòng)，而且更會(huì)給病人帶來(lái)沉重的心理壓力?！焙热徽f(shuō)。

　　7年后，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所、北京大學(xué)、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院等單位組成的團(tuán)隊(duì)攜手攻關(guān)，成功研發(fā)出膠囊尺寸的微型共生型自供電無(wú)導(dǎo)線心臟起搏器，相關(guān)成果的論文2026年在《自然—生物醫(yī)學(xué)工程》發(fā)表。“一旦進(jìn)入臨床，有望顯著減少心臟病患者的痛苦和治療費(fèi)用，也將推動(dòng)共生電子器件的創(chuàng)新理念成為現(xiàn)實(shí)。”歐陽(yáng)涵說(shuō)。近日，圍繞這項(xiàng)研發(fā)成果，團(tuán)隊(duì)正在全力建立平臺(tái)，加大資金投入，加速推動(dòng)科技成果轉(zhuǎn)化。

　　微型共生型自供電無(wú)導(dǎo)線心臟起搏器實(shí)物圖。受訪者供圖

微型共生型自供電無(wú)導(dǎo)線心臟起搏器實(shí)物圖。受訪者供圖

　　網(wǎng)住“心跳能量”

　　多年以來(lái)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，傳統(tǒng)植入式生物器件皆為“外來(lái)入侵者”，與人體形成鮮明的“對(duì)抗關(guān)系”。這種電池供電的模式存在有毒物質(zhì)泄漏的健康隱患，患者還必須在電量耗盡前更換設(shè)備。

　　讓植入式器件真正融入人體，與人體共存，在人體內(nèi)實(shí)現(xiàn)器件能量的永久自給自足——這在今天已不是科幻小說(shuō)的場(chǎng)景。

　　一個(gè)關(guān)鍵的突破口逐漸被科學(xué)家打開(kāi)：人本身就是一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)，更是一座蘊(yùn)藏著巨大潛能的能量場(chǎng)。

　　“心臟每一次跳動(dòng)釋放的能量約1瓦，是心臟起搏器每發(fā)放一次起搏器脈沖所需能量的10萬(wàn)倍。1克葡萄糖最多可釋放17千焦能量，足夠心臟起搏器工作20年以上了。”歐陽(yáng)涵解釋。

　　團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，從人體獲取能量為起搏器供電，這一思路在理論上完全行得通，也是最便捷的能量獲取方式。

　　2019年，歐陽(yáng)涵聯(lián)合清華大學(xué)李舟教授團(tuán)隊(duì)提出“共生生物電子”創(chuàng)新理念，并研制出初期的共生型心臟起搏器，相關(guān)研究成果在《自然—通訊》刊發(fā)。此后7年，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所、北京大學(xué)、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院、杭州電子科技大學(xué)等多家單位組成的青年研究團(tuán)隊(duì)，在李舟教授、華偉教授、王中林院士等科學(xué)家的支持下，展開(kāi)微型共生型自供電無(wú)導(dǎo)線心臟起搏器的研發(fā)工作。

　　體外預(yù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果讓所有人振奮。

　　在人體內(nèi)，心臟跳動(dòng)一次，收縮時(shí)間約十幾毫秒，轉(zhuǎn)瞬即逝。但發(fā)電模塊在一次心跳驅(qū)動(dòng)下，釋放的能量卻足以支撐40個(gè)燈泡工作幾十毫秒。

　　“人體能量的回收值得探索?！睔W陽(yáng)涵說(shuō)。

　　要捕獲心臟的能量，團(tuán)隊(duì)的研究思路是，給起搏器集成能量回收模塊，讓心臟起搏器能感知心臟機(jī)械振動(dòng)，快速將心臟動(dòng)能變成電能。

　　而一旦捕捉到能量，如何“網(wǎng)住”能量，如何利用人體心臟的動(dòng)能來(lái)穩(wěn)定供電，是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。

　　蔣東杰提出的磁懸浮構(gòu)型，為團(tuán)隊(duì)找到了一條關(guān)鍵技術(shù)路徑，即將心臟單次的脈沖跳動(dòng)轉(zhuǎn)化為持續(xù)的脈沖運(yùn)動(dòng)。

　　“心跳一次，發(fā)電模塊的磁鐵便能持續(xù)振動(dòng)產(chǎn)生一組能量，在零點(diǎn)幾秒內(nèi)，把間斷的心跳動(dòng)能轉(zhuǎn)化為連續(xù)的電能，實(shí)現(xiàn)了能量的高效收集，又降低了器件的啟動(dòng)門檻?！笔Y東杰說(shuō)。

　　“就好像蕩秋千，如果與地面接觸會(huì)有摩擦，很快就會(huì)停止；如果懸浮在空中，只需輕輕推一下，就能保持來(lái)回運(yùn)動(dòng)?！睔W陽(yáng)涵解釋，器件發(fā)電模塊最高輸出功率可達(dá)120微瓦，而起搏器正常工作僅需5-10微瓦，超過(guò)起搏器工作所需能量的10倍。

　　“能量供給的核心問(wèn)題就此得到解決。”歐陽(yáng)涵說(shuō)。

　　穩(wěn)定為心臟“供電”

　　在心臟內(nèi)發(fā)電、放電，聽(tīng)起來(lái)似乎是一件頗為“危險(xiǎn)”的事情。發(fā)電過(guò)程中設(shè)備發(fā)熱是否會(huì)損傷心臟？心跳不規(guī)律是否會(huì)影響發(fā)電效率？設(shè)備是否存在漏電風(fēng)險(xiǎn)？

　　在進(jìn)入動(dòng)物實(shí)驗(yàn)前，團(tuán)隊(duì)先對(duì)全球所有心臟起搏設(shè)備的功耗數(shù)據(jù)展開(kāi)全面調(diào)研，針對(duì)心臟運(yùn)動(dòng)的生理特點(diǎn)，如跳動(dòng)幅度、加速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行精密計(jì)算，確定發(fā)電模塊的數(shù)值。

　　人在睡覺(jué)、運(yùn)動(dòng)等不同狀態(tài)下，心臟跳動(dòng)的狀況也會(huì)隨之變化。在進(jìn)入動(dòng)物實(shí)驗(yàn)前，團(tuán)隊(duì)完成了0-90度全姿態(tài)測(cè)試，模擬人體平躺、側(cè)臥等不同姿勢(shì)下的心臟狀態(tài)。即便人體平躺時(shí)，在心臟收縮與發(fā)電模塊形成30度夾角的不利情況下，起搏器依然能實(shí)現(xiàn)每秒10微瓦以上的穩(wěn)定供電，滿足心臟跳動(dòng)的供能需求。

　　“這意味著，未來(lái)對(duì)于心跳過(guò)緩的患者，起搏器收集到的能量足以幫助他們恢復(fù)正常心跳節(jié)奏，也能適應(yīng)感冒發(fā)燒、運(yùn)動(dòng)等潛在不利因素的影響?！睔W陽(yáng)涵說(shuō)。

　　團(tuán)隊(duì)不僅在穩(wěn)定發(fā)電上反復(fù)測(cè)試，還在起搏器的“體型”上多次商討。從一個(gè)火柴盒大小，再到一顆膠囊大小，團(tuán)隊(duì)讓這款微型共生型自供電無(wú)導(dǎo)線心臟起搏器的“體型”變得輕巧纖細(xì)。

　　很難想象，在一顆僅有1.5立方厘米膠囊大小的微型器件中，完整集成了備用電池、起搏電路、能量管理系統(tǒng)與發(fā)電模塊。方寸之間，五臟俱全。

　　其中，為進(jìn)一步保障供電穩(wěn)定，團(tuán)隊(duì)在器件中裝入了一款備用電池，可實(shí)現(xiàn)約一個(gè)月的應(yīng)急供電，為臨床處理預(yù)留了充足時(shí)間。

　　“小型化設(shè)計(jì)對(duì)于器件的性能要求極高?！笔Y東杰解釋，團(tuán)隊(duì)在器件裝置設(shè)計(jì)上迭代了十余版，圍繞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不斷驗(yàn)證穩(wěn)定性提升、損耗降低的辦法，幾經(jīng)完善，最終在如膠囊大小的器件里完成能量回收與釋放，實(shí)現(xiàn)了利用人體生態(tài)系統(tǒng)的能量為器件供電的設(shè)想。

　　2025年，當(dāng)科研成果進(jìn)入專家評(píng)審環(huán)節(jié)時(shí)，評(píng)審專家提問(wèn)：這款起搏器收集但未被釋放的能量，是否會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生影響？

　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)，多余的能量導(dǎo)致電子器件溫度上升不超過(guò)0.01攝氏度，“對(duì)器件本身和心臟的影響幾乎可以忽略不計(jì)。”歐陽(yáng)涵說(shuō)。

　　有望為心臟病患者安上“充電寶”

　　作為全程參與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的臨床大夫，胡奕然的目標(biāo)無(wú)比明確——要和團(tuán)隊(duì)一起做一款能跟著患者一輩子的無(wú)導(dǎo)線心臟起搏器。

　　臨床中心臟病患者大都呈現(xiàn)心跳過(guò)緩的病理狀態(tài)。團(tuán)隊(duì)搭建起完全模擬臨床的動(dòng)物疾病模型。一開(kāi)始，遞送裝置沒(méi)法精準(zhǔn)送到心臟的指定位置，有時(shí)候不得不“拽回來(lái)”重新遞送。胡奕然回憶，“操作過(guò)程需要小心謹(jǐn)慎，避免損傷動(dòng)物的心臟瓣膜，也要避免并發(fā)癥的出現(xiàn)?！?/p>

　　2021年12月，一條精準(zhǔn)的“快遞通道”逐步形成：器件像放在傳送帶上一樣，能順著血管通路抵達(dá)心臟目標(biāo)位置。

　　為了更精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)起搏器的工作狀態(tài)，團(tuán)隊(duì)還為動(dòng)物實(shí)驗(yàn)豬配備了穿戴式全程心電貼片，進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月的持續(xù)監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)顯示，起搏器始終穩(wěn)定工作，依靠自發(fā)電模塊持續(xù)為心臟起搏器供能實(shí)現(xiàn)心臟起搏。

　　實(shí)驗(yàn)豬一切正常。

　　“當(dāng)前，心臟起搏器是心跳過(guò)緩疾病唯一有效的治療方式?！弊鳛橐幻R床大夫，胡奕然明白，早期的有導(dǎo)線心臟起搏器是患者無(wú)奈的選擇——皮膚下要埋置火柴盒大小的脈沖發(fā)生器，兩根導(dǎo)線連接心臟和脈沖發(fā)生器，電池和導(dǎo)線都藏在體內(nèi)。

　　“不僅影響外觀，感染的風(fēng)險(xiǎn)很高，而且導(dǎo)線的平均使用壽命也僅有十幾年，磨損后只能重新植入新的導(dǎo)線到心臟內(nèi)部，每一次操作，都是對(duì)患者身體的又一次考驗(yàn)。”胡奕然說(shuō)。

　　隨著技術(shù)發(fā)展，如今臨床應(yīng)用的無(wú)導(dǎo)線心臟起搏器，雖解決了導(dǎo)線的麻煩，但仍然面臨電池壽命只有10年左右的困局。目前國(guó)內(nèi)上市應(yīng)用的無(wú)導(dǎo)線心臟起搏器均來(lái)自外國(guó)進(jìn)口，售價(jià)動(dòng)輒16萬(wàn)元上下，患者要承擔(dān)昂貴費(fèi)用。即便能在短期緩解，可10年后，新的難題又接踵而至。

　　胡奕然解釋，廢置的無(wú)導(dǎo)線起搏器早已與心臟組織緊密纏繞，強(qiáng)行拆除輕則撕破心肌，重則導(dǎo)致心臟立即破裂。

　　也正因如此，這款微型共生型自供電無(wú)導(dǎo)線心臟起搏器的研發(fā)，讓胡奕然看到了真正造福心臟病患者的希望——不再受電池壽命的限制，無(wú)需反復(fù)手術(shù)植入，減輕治療費(fèi)用。“如果這款產(chǎn)品未來(lái)運(yùn)用到臨床，無(wú)論什么年齡段的患者，都能一次植入，終身受益。”胡奕然說(shuō)。

　　七年磨一劍，微型共生型自供電無(wú)導(dǎo)線心臟起搏器已經(jīng)通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。而從實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)驗(yàn)證到臨床的實(shí)際應(yīng)用，還有一段更艱難的路程要走。2026年，團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是，進(jìn)一步提升心臟起搏器的運(yùn)行穩(wěn)定性，確保達(dá)到終身工作狀態(tài)。

　　在歐陽(yáng)涵看來(lái)，“共生生物電子”理念在未來(lái)有著無(wú)限可能性。若將此技術(shù)擴(kuò)展到其他生命器件之中，開(kāi)拓組織工程、神經(jīng)調(diào)控、腦機(jī)接口等領(lǐng)域的應(yīng)用新場(chǎng)景，將會(huì)推動(dòng)生物醫(yī)療產(chǎn)品的迭代，惠及更多患者。

來(lái)源：中國(guó)青年報(bào)