世界首例心脏纳米发电技术在长海医院心外科实施

导读：心脏起搏器现在广泛应用于严重心律失常患者，尤其是缓慢型心律失常患者，拯救了无数的生命。

植入式医疗器件如心脏起搏器，在当今临床医学领域中占据着重要的地位，众所周知心脏病是导致人类死亡的第二大疾病，人工心脏——心脏起搏器则是可以暂时或者永久地部分或完全代替心脏功能的人工装置。

和青霉素的发现一样，心脏起搏器也是一种意外发明，其发明人约翰•霍普斯在开展一项针对低体温症的研究中注意到：如果心脏因为低温停止跳动，可以通过人工刺激的方式来恢复心跳。

受到约翰•霍普斯的启发，1932年，美国生理学家阿尔伯特•海曼（AlbertHyman）他的兄弟Charles在前人研究的基础上，将一个电子装置装在了自己的身上，并连接一部手摇发电机，从而制造出了第一台有实用价值的心脏起搏器。这是一台重达7.2Kg的电脉冲发生器，在动物实验中可以使已经停跳15分钟的兔的心脏恢复跳动，Hyman将之称为人工心脏起搏器(artificial pacemaker)，该名词被广泛接受，一直沿用至今。

（第一台人工起搏器）

心脏起搏器是一种植入于体内的电子治疗仪器，通过脉冲发生器发放由电池提供能量的电脉冲，通过导线电极的传导，刺激电极所接触的心肌，使心脏激动和收缩，从而达到治疗的目的。

形象地说，起搏器就是“发电机+电线”。起搏器通常埋植在上胸部的皮下，导线通过静脉到达心脏。导线顶端的电极固定在心脏的内侧面心肌上。起搏器工作时，脉冲发生器发出电脉冲，经导线、电极传到心肌，心肌感受到电脉冲刺激产生收缩。同时，起搏器电极也将心脏的电活动收集起来存入脉冲发生器的芯片内，以便进行分析。

什么情况下需要安置心脏起搏器？

人工心脏起搏器是治疗缓慢性心律失常的最有效办法，目前应用非常广泛。根据近年来循征医学研究的结果来看，各国心血管病专业委员会制定了非常详尽的植入永久性心脏起搏器指南，当前国际社会公认的起搏器适应症包括：

① 病态窦房结综合征（SSS）：同时出现与缓慢心律失常直接相关的症状。如心动过缓导致的心输出量下降，引起类似头晕、黑朦、心力衰竭和晕厥等症状；心动过缓-心动过速综合征，这类患者必须用药才能控制心动过速。

②房室传导阻滞（AVB）：主要取决于有无症状和阻滞部位。II度以上的AVB（不论有无症状和类型）；无症状的II度以上AVB，心室率＜40次/分或证实心脏停搏＞3秒；由高度AVB诱发的快速异位心律失常且需药物治疗者；三分支传导阻滞。

③其它

颈动脉窦过敏：明确反复晕厥或轻压颈动脉引起＞3秒的心脏停搏；

肥厚性梗阻性心肌病：通过右心室心尖部起搏以减轻左心室流出道梗阻；

严重收缩功能不全性心力衰竭：通过双心室同步化起搏来治疗心力衰竭。

四类心脏起搏器

目前，植入性的心脏起搏器主要分单腔、双腔（Pacemaker）、三腔起搏器（又称再同步化， CRT）和三腔除颤起搏器四种。

单腔起搏器为低端产品，疗效有限，可维持病人基本需求，但可能会发生起搏器综合征；双腔起搏器为设计升级版本，原理是在心房心室各放臵一个电极，更好地模拟正常心脏生理状态；三腔起搏器可以治疗左、右心室不同步相关的心衰；三腔除颤起搏器则是三腔起搏器和除颤器的组合，对于扩张性心肌病患者有显著疗效，但售价也最高。

下表总结了不同类型起搏器的组成、原理、适用人群及国内售价的区别——

新一代纳米发电心脏起搏器

作为新兴的医疗器械发展方向，植入式医疗器件仍然面临许多问题亟待突破，首先就是长效能源供给问题。现阶段的人工心脏起搏器主要依靠电池供电，工作寿命有限，一旦电池耗尽，病人不得不再次面对巨大的手术风险和经济负担。因此，开发长效的在体能源供给系统对于植入式医疗器件的发展意义重大。

2012年，研究人员提出了一种将机械能转化为电能的摩擦纳米发电机(TENG)，该技术近年来得到了飞速发展，实现了对人体运动能、风能、声波能、海洋能等各种机械能的收集。其中植入式摩擦纳米发电机(iTENG)可将生物体内的心跳、呼吸肌运动等生物机械能转化为电能并驱动有源植入式医疗器件，可显著提高可植入式医疗器件的使用寿命。（以人体毛发为参照点，人体毛发直径通常为50微米，而1纳米则只有毛发直径的八万分之一。）2014年植入式摩擦纳米发电机（iTENG）被首次应用于生物体内，并成功将运动产生的机械能转化为电能用于驱动下游器件，为发展可以替代或补偿电池的植入式长效能源提供了新的思路和契机。

简单地说，这款可植入式摩擦纳米发电机（iTENG）使用的是两块不同的材料——一张电子供体和一张电子受体。两块材料接触时，电子由一张材料流向另一张材料。而当两块材料分离时，其中一块材料保有电荷，电荷由两块材料之间的空隙隔离开来。接下来，如果将一个电负载连接到两块材料表面外缘的两个电极上，就会产生小股流动，从而平衡电荷。

不久之前，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和李舟研究员领导的研究小组与上海长海医院合作，在植入式长效能源系统和自驱动心脏功能无线监控方面取得了突破性进展，相关研究成果发表在ACS NANO（DOI :10.1021/acsnano.6b02693）。

助理研究员郑强、博士生石波璟共同研制了新型的可植入式摩擦纳米发电机，在长海医院张浩博士的协助下，该器件被植入小型猪的心包间隙，成功的将心跳产生的机械能转化为电能。其体内输出电压达到12伏，输出电流达到5微安，分别较之前的工作提高3.5倍和25倍。另外，该工作首次探索了植入式摩擦纳米发电机的体内长效稳定性。在植入长达72小时后，该器件仍然保持了输出特性，创造了目前纳米发电机最长的体内连续工作记录，显示了其良好的工作稳定性。更高的体内输出和更稳定的体内表现对于最终实现iTENG作为电源驱动植入式医疗器件具有显著的推动作用。

研究组成员还建立了iTENG输出能量与心率的关联性，并基于此设计制造了植入式自驱动心脏监控装置，可通过无线发射装置实现了自驱动的心率远程实时监控，该结果对于发展基于摩擦纳米发电机的主动传感系统具有重大意义。 

（上图植入式纳米发电机的构建及自驱动心率监控系统工作示意图；下图心率信号的实时采集和分析）

根据理论计算，试验对象每呼吸5次，通过可植入摩擦纳米发电机收集的能量即可成功驱动心脏起搏器工作1次。如果用到人体，仅通过呼吸就能够连续驱动心脏起搏器，使其正常工作。

这种基于生物体自身能量在体转化的供能系统将极大地改善现有电池供能的弊端，延长植入式医疗器件的使用寿命，在植入式医疗领域中具有极大的应用前景。相信随着植入式自驱动能源系统的进一步优化和完善，在未来将有望真正实现“生命不息，供能不止”，为广大重症患者带来重生的福音！