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科技成果转化：植入式自驱动心脏起搏器 | 高校院所访谈

2021

01/22

思宇研究院官方

A-

A+

心脏是人体的发动机，人必须依靠心脏所提供的动力才能实现血液流动。正常心跳次数为60～100次/分，如果心跳次数过低(<40次/分)，就会影响心脏供血，就可能需要安装心脏起搏器。提起心脏起搏器，相信大家都不陌生。它是治疗心律失常和心力衰竭等严重心脏疾病的重要医疗设备。然而，普通的心脏起搏器，电能供给只能维持7至10年。其中，电池占据了起搏器50%以上的体积和60%以上的重量。这就意味着一旦电力耗尽，患者不得不面临二次手术更换新的心脏起搏器。对于患者来说，这不仅是一次痛苦的体验，甚至还会面临机体感染等风险。

那么能否有一款心脏起搏器一次植入到体内，就永远不需要更换，实现心脏起搏器的永久运行呢？

部分科学家将如何提高锂电池的能量密度作为自己的研发方向，而李舟研究员领导的研究团队作为一支致力于研究自驱动技术的科研队伍，将研究方向锁定在了纳米发电机和自驱动技术，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。经过多年的潜心钻研和探索，他们提出了基于植入式摩擦电纳米发电机（implantable triboelectric nanogenerator, iTENG）的共生型心脏起搏器（symbiotic pacemaker, SPM）——一款植入式自驱动心脏起搏器。

据介绍，SPM利用贴附在心脏表面的薄膜型iTENG将心脏搏动的能量转化为电能，用于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。

核心技术：纳米发动机

纳米发电机的基本工作原理是基于摩擦起电和静电感应效应的耦合，可将微小的机械能转换为电能。早在2006年，王中林院士就在美国《科学》杂志（Science）上提出了纳米发电机这一概念。起初，师从王中林院士的李舟制作了基于单根氧化锌（ZnO）纳米线的压电纳米发电机，并成功收集了大鼠的心跳能量。但是，该纳米发电机的输出性能很低，电压和电流只有1mV和1pA。为克服这一瓶颈问题，王中林院士团队于2012年研制出摩擦纳米发电机（TENG），这种基于麦克斯韦位移电流原理的纳米发电机成功实现了机械能到电能的高效转化，可以方便的存储和驱动小型电子设备。TENG不仅具有出色的电学输出性能，可输出上百伏的电压，而且易于加工成各种尺寸、形状和结构，可方便应用于不同的穿戴式和植入式场景。随着进一步研究和探索，2014年李舟研究员团队又研制出了植入式摩擦纳米发电机（iTENG）的原型器件，通过植入动物皮下收集呼吸运动的能量，可产生3.43V的电压和0.14μA的电流。经过一段时间的电能存储，可驱动一台简易的心脏起搏器原型机，实现对小型实验动物心脏节律的调控。截至目前，团队已申报相关专利40余件，其中11件已授权。

潜力无限，充满挑战

我们的身体有大量可以利用的机械能，例如心跳、呼吸和肌肉运动等。iTENG在体内的输出性能有明显优势，这意味着许多电子设备，特别是植入式医疗电子设备，如心脏起搏器、神经刺激器等，未来有望通过iTENG实现“一次植入，终身使用”。

于此同时，植入式器件的生物安全性需要经过长期严谨的研究验证，想要进入临床应用，自驱动植入式器件仍面临诸多挑战，在材料制备、性能提升、柔性封装及器件体内稳定性等方面亟待更重大的突破。不过，相信随着自驱动技术的不断发展与团队的不懈努力突破，自驱动心脏起搏器终将面世，造福广大患者。

图1 共生型心脏起搏

近日，小编有幸对中科院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员与北航生物医学工程高精尖创新中心石波璟博士进行了专访。

Q1：Gloria：

石老师，请问您当初选择从事这一技术领域的初衷？

A1：石老师：

心脏起搏器属于高端医疗电子器械，我国每年心脏起搏器手术台数约8万台，目前大部分依赖进口。无论是从国家的健康战略层面还是从患者的使用体验来看，发展具有自主知识产权的新型自驱动心脏起搏器都有着迫切的实际需求。我本人作为科技工作者，有责任和义务响应国家号召发展高端医疗电子技术，帮助患者解减少治病痛苦、减轻经济压力。

说起读书时为何要从事自驱动医疗电子的研究，得益于师长的谆谆教诲言传身教，以及研究所的发展特点。李舟老师是我硕博士期间的导师，他具有临床医学和材料科学的专业背景；而我本人在来李老师课题组之前就读于电子科技大学，具有电子技术的专业背景。随着我们对专业知识和研究所的发展方向有了更深一层的理解之后，我们一致认为人体自驱动技术在新型医疗电子器械，尤其是植入式器件这一领域具有十分有广阔的发展前景。本着致力于解决电池续航及终身使用这一问题的初心，我们决定在这一领域深耕，并一直坚持到现在。

Q2:Gloria：

请问我们的这一技术其他国家如美国、韩国技术相比有什么先进性或者面临哪些挑战吗？

A2:石老师：

我们的项目和国际上如美国、新加坡及韩国的同类项目在关系上既是竞争也是互相学习互相进步。相较于传统的压电器件来说，我们的摩擦纳米发电机具有材料来源更广、生物相容性更好的等优点。加之我国临床病例多，国家支持力度大，都将会让我们的技术得以加速发展。

Q3:Gloria：

请问您在自驱动心脏起搏器产业化道路上遇到了哪些阻碍？想要得到哪些帮助？

A3:石老师：

我们在向产业化发展上主要面临两方面的问题，一方面是资金的问题，由于该产品开发周期长，研发成本高，需要一定资本的支持。另一方面是对人才的需求，我们的团队多为技术人员，我们希望找到全职、专业的既懂技术又懂产业化的运营人员及团队来打通自驱动心脏起搏器从实验室到医疗器械产品的转化壁垒。

写在最后

让心脏起搏器能够以自驱动的方式运行，这是一件很有意义但也极具挑战性的事情。这一路走来，每一个阶段都充斥着不同的困难与挑战。但团队始终没有停下探索的脚步。我想，正是凭借着这种开拓进取的精神和十分饱满的热情才能使他们在这一领域越扎越深，越走越远。

未来，随着这一技术的产品化，最终将造福大量患者，造福社会。正如石老师所言，医疗器械创新创业是一个多学科交叉且需要产业化支持的过程。打造一个聚集医疗器械产业链全过程资源的生态环境，对加速产业发展尤为重要。

编辑｜戚万琪