您當前的位置：檢測資訊 > 科研開發
嘉峪檢測網 2025-04-07 15:22
心臟起搏器是治療心律失常的常見醫療設備，傳統的臨時起搏器通常通過侵入性手術進行植入，這不僅會帶來較大的創傷風險，還可能導致異物排斥和長期依賴電池等問題，尤其對于兒童和不適合血管植入的病人來說，傳統方法存在一定的局限性。因此，如何開發一種微創、可降解、無線控制的臨時心臟起搏器，成為了心臟病治療領域亟待解決的難題。
針對這一挑戰，John A. Rogers教授、Igor R. Efimov教授、Rishi Arora教授、黃永剛教授、張亞敏教授、歐陽偉教授等人研究開發了一種毫米級的、生物可吸收的光電裝置，其集成自供電與無線光控機制，不僅具備臨時心臟起搏功能，還可應用于神經與骨骼再生、傷口愈合及緩解疼痛等多種電療場景。
2025年4月2日，相關工作在Nature期刊上發表了題為“Millimetre-scale bioresorbable optoelectronic systems for electrotherapy”論文。美國西北大學博士后張亞敏（2024年任職于新加坡國立大學助理教授）為第一作者兼通訊作者，美國西北大學John A. Rogers教授、Igor R. Efimov教授、黃永剛教授及芝加哥大學Rishi Arora教授、達特茅斯學院助理教授歐陽偉為共同通訊作者。
臨時心臟起搏器適用于短期心跳過緩的患者。傳統的臨時起搏器須經血管或者通過開胸手術放置起搏導線，通過侵入性的開胸手段會造成比較大的創口，而血管放置手段不適用于兒童以及不適合血管植入的病人。因此臨時起搏器帶來了諸如異物排斥、長期電池依賴、手術創傷大等難題。
該心臟起搏器尺寸僅為1.8毫米×3.5毫米×1毫米
這種可注射及可降解的微型臨時心臟起搏器。其大小（1.8 mm × 3.5 mm × 1 mm）與米粒相當，支持其以微創方式植入，能最大限度地減少裝置對患者的負荷和植入手術的風險，并能為新生兒提供治療的可能性。除此之外，該款裝置的各組件均應用了可被生物降解與吸收的材料，因此，在完成心臟起搏任務后，裝置將自行在體內逐漸降解，在1至2.5年的尺度下經由腎臟排出體外，從而完全規避了為取出裝置而進行的二次手術，進一步降低了裝置的使用風險。
核心創新：電池與生物系統的完美整合
這一突破性研究的技術核心在于其將微型電池、光電傳感器與生物組織有機結合，由張亞敏博士提出。同需要起搏導線連接獨立電源的傳統起搏器不同，該款裝置直接利用了電池電極作為起搏電極，并以人體體液/組織作為電解液，實現體內植入后的自供電，無須任何外在能源即可支持裝置的正常運行。
亮點介紹
本裝置集成了微型光控開關，用“光”遠程無線控制起搏器來實現精準的心律控制。我們選用了850 nm的近紅外光，光源只需要放置在心臟上方的皮膚表面，便可控制體內起搏器（植入6厘米深度以下）的工作。同時，還開發了一款體外可穿戴的皮膚貼片（歐陽偉教授設計）來控制體內的起搏器。這種皮膚貼片既能提供可編程的近紅外光照射，同時也集合了心電圖數據收集和分析功能，可進行實時的智能心律監控。在檢測到心律異常后，皮膚貼片將自動啟動近紅外光的照射功能引發起搏，從而實現該系統的完全自主閉環控制。最后，為驗證該系統進行心臟起搏的有效性，研究團隊在小鼠、大鼠、豬、犬（體內）和人（體外）的心臟模型中均完成了可控制的起搏工作。
臨床前景：適用于心律失?；颊咭约芭cTAVR系統集成
將該系統與皮膚器件設備配對，可在檢測到心律失常時進行自主閉環心臟電療；與經導管主動脈瓣置換術（TAVR）系統集成，可在瓣膜置入期間提供快速起搏以及術后提供常規起搏。
未來展望：交叉學科融合，推動醫療科技發展
該研究綜合了電池技術、光電技術、微納制造、生物相容性材料等多學科前沿技術，實現了新一代起搏器的開發。這項創新不僅推動了心血管疾病植入器械的發展，也為未來可植入器件、組織穿透無線控制等方向提供了新的思路。同時，這種全新的“無創、智能、自主供能”植入設備模式可為精準醫療帶來新的可能。
圖文解析
(圖1）詳細介紹了起搏器的設計。該設備非常緊湊（1.8毫米×3.5毫米×1毫米，大約是一粒米的大?。?，并使用電池電極作為起搏電極。陽極材料包括生物可吸收的鎂(Mg)或鋅(Zn)，與三氧化鉬(MoO3)陰極配對。周圍的心臟組織充當電解質，從而形成原電池。光學控制通過硅雙極結光電晶體管進行管理，由外部來源的近紅外(NIR)照明激活。重要的是，生物可吸收結構可確保患者風險最小，并且無需進行拔除手術。
圖1. 具有無線光電控制的可注射、自供電、生物可吸收心臟起搏器的設計
起搏器具有快速響應能力（圖2），通過NIR光的可變強度和脈沖寬度實現對起搏的精確控制。在Langendorff灌注的豬和人類心臟上進行的體外實驗建立了強大的起搏能力。這些實驗的關鍵電生理數據包括成功的捕獲閾值（例如，基線電流為~0.18 mA，時效性為~2.8 ms），表明可靠的起搏性能適合臨床應用。心電圖記錄進一步證明了成功的多部位起搏潛力，這對于心臟再同步等先進療法至關重要。
圖2. 人類和豬心臟的光電特性和體外起搏
通過使用犬類模型體內演示了這些起搏器的可行性（圖3）。蒙特卡羅模擬驗證了近紅外光照射在臨床相關深度（高達40毫米）下穿透生物組織的穿透效率，確保起搏器在安全閾值內激活。實際演示涉及熒光透視引導的微創注射技術，使起搏器能夠部署到心外膜下心肌層中。心電圖數據證實起搏成功，速度為240 bpm，并具有穩定的1:1捕獲率，強調了起搏器在閉胸場景中的實際適用性。起搏壽命被證明可以可靠地延長超過典型的臨時起搏需求的時間（Zn-MoO3設備最長可達20天）。
圖3.犬模型中起搏器注射和閉胸起搏的體內演示
進一步擴展了多部位起搏，通過使用放置在光電晶體管頂部的光學濾波器的波分復用(WDM)來實現（圖4）。這允許精確控制不同心臟部位的單個起搏器而不會產生干擾。在多個部位（例如左心房和心室）成功起搏顯示出重要的臨床意義，例如雙心室和雙腔起搏，顯著改善了心室同步和生理上準確的起搏模式，這對于治療充血性心力衰竭等疾病至關重要。
圖4. 犬模型中多部位、時間同步起搏的體內演示
描述了這些起搏器與能夠自主電療的無線皮膚接口設備的創新集成（圖5）。該設備監測心電圖信號，自動檢測心律失常并啟動起搏反應。在大鼠模型中進行的實驗通過檢測心動過緩（低于220 bpm）并隨后以240 bpm的校正速率起搏，成功展示了閉環操作。這種整合標志著朝著自主、患者響應式心臟護理邁出了重要一步。
圖5. 用于閉環心臟電療的無線皮膚接口光電系統設計
還探索了將這些微型起搏器直接集成到經導管主動脈瓣置換術 (TAVR) 支架上的獨特應用（圖6），解決了常見的術后傳導障礙。在 TAVR 支架框架周圍戰略性放置的多個起搏器有效地在體外人體心臟中提供了心室起搏。心電圖評估顯示從瓣膜周圍選定的位置成功起搏，證實了這種集成方法的臨床可行性。這種整合提供了一種有效管理術后傳導障礙的新穎解決方案，可能通過簡化術后護理來改變患者的治療結果。
圖6. 在人體心臟中使用與TAVR瓣膜集成的一組起搏器進行心臟起搏的體外演示
總之，重點介紹了一種革命性的臨時心臟起搏技術，利用生物可吸收的光電系統，在安全性、微創性和臨床療效方面具有顯著優勢。所展示的多部位同步起搏和與TAVR等先進心臟手術的集成有望顯著改善心臟治療的臨床護理，并為再生醫學和電療法的更廣泛應用鋪平道路。
關于制造過程中的挑戰，John A. Rogers教授表示：“自供電方法的概念是關鍵，同時還需要一個光學方案來控制設備。” 他坦言，自供電概念是由當時中國博士后張亞敏提出的。在美國佐治亞理工學院攻讀博士學位時，張亞敏研究電池技術，將這一想法帶入項目，促成了這一創新。
本次研究主要在動物模型和離體人體心臟組織上進行了驗證。至于未來在活體患者身上的應用，John A. Rogers教授表示需經過監管流程，“任何這類救生植入物都必須通過嚴格的監管流程”。此外，John A. Rogers教授表示，已有初創公司開始推動該研究的臨床轉化。
John A. Rogers教授預計在兩三年內啟動首次人體植入的研究，使這一技術進入臨床試驗階段，最終成為醫生日常使用的工具，為心動過緩患者帶來一項新型治療選擇。
原文鏈接
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08726-4
來源：化學與材料科學
