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利用心跳供电的心脏起搏器

文章分类:电脑医生 作者:登云网址导航编辑整理 来源:www.denyun.com 发表时间:2019/4/24 12:58:32 推荐给朋友
每1次心跳,都在释放能量。研究人员开发了1种新装置,可以搜集心跳产生的能量,并以此给心脏起搏器供能。

本周2,《自然通讯》发表了美国佐治亚理工学院教授、中国科学院外籍院士王中林和中国科学院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员团队的这项最新成果。

研究人员开发的这类可植入式发电机,可以从心脏搏动中搜集足够的能量,为商用起搏器供能。这个能量搜集用具有良好的生物相容性和机械耐久性,另配有1个电源管理单元和1个起搏器。研究团队在猪体内证实,这个可植入系统不但可以进行心脏起搏,还能纠正窦性心律不齐,避免病情恶化(如窦性停搏和心室颤动),避免可能致使的死亡。


李舟在接受 DeepTech 采访时表示,“让心脏起搏器能够以自驱动的方式运行是1件极具挑战,同时也很有意义的事情。”

人体有大量可以利用的能量,例如心跳和呼吸。若能将这些能量搜集起来用于驱动心脏起搏器或其他植入式医疗电子器件,实现自驱动,将大大延长其使用寿命,乃至可以“1次植入,毕生使用”。李舟认为,自驱动技术的出现将改变现有医疗电子器件(尤其是植入式器件)的使用和运行方式,并造福人类。

搜集人体能量

目前,全球有数百万患者的生命健康依赖于植入式医疗电子设备(IMEDs)。近几十年来,凭仗微/纳电子技术的巨大进步,IMEDs 的电子电路已具有超低功耗、小型化和更加灵活等特性。

心脏起搏器是医治心律失常和心力衰竭等严重心脏疾病的最重要 IMEDs 之1。但是,目前大多数 IMEDs 都由锂电池进行供能,这些电池不但笨重坚固,而且续航能力有限。

已有研究证明,各种能量搜集装置能够为 IMEDs 补充电量以延长电池寿命,也可以作为独立电源供电。这些装置可以利用压电/磨擦电、电磁、热电和电化学效应等,从心脏跳动、肌肉拉伸、葡萄糖氧化和内耳蜗电位中取得能量。

在所有这些可能的途径中,器官机械运动是体内最丰富的能量来源。这也使得从心脏跳动、呼吸运动和血液活动中取得生物力学能量的自供电 IMEDs 成为可能。

从 2009 年开始,李舟团队已在尝试从器官和肌肉的运动中搜集生物机械能量,并制作了基于单根氧化锌(ZnO)纳米线的压电型纳米发电机,成功搜集了大鼠的心跳能量。但是,该装置的输出能量较低,如何利用这些微小的能量是1个挑战。

2012 年,王中林提出了磨擦纳米发电机(TENG),并成功实现了机械能到电能的转化、存储及利用。基于 TENG 的器件与技术,李舟团队在 2014 年重新设计制备了可用于生物体内能量搜集的植入式磨擦纳米发电机(iTENG, implantable TENG),并实现了大鼠呼吸能量的搜集与心脏起搏器原型机的驱动。

目前,可植入自供电系统已利用于小动物和细胞尺度的心脏起搏、深部脑刺激、神经刺激、组织工程等。磨擦纳米发电机也已被开发为用于自供电 IMEDs 的潜伏生物力学能量搜集器,其在植入式利用中显示出许多独特的优点,例如柔韧性、期望的生物相容性和重量轻。

但是,小型动物和细胞生理调理所需的能量远低于人类。同时,生理调理总是需要可控的刺激信号来保证其效果。未来这项技术要利用于临床,就迫切需要开发高输出的植入式能量搜集器,为人体的 IMEDs 提供可控输出刺激信号的电量供应。

利用心跳供电的心脏起搏器

受生物共生现象的启发,李舟团队发明了基于植入式磨擦纳米发电机(iTENG)的植入式共生起搏器(SPM),并成功实现了大型动物模型的心脏起搏和窦性心律失常改正。

基于 iTENG 的心脏起搏器和身体构成互联的共生系统,能够从心脏跳动摄取能量以保持操作,同时,身体从 SPM 取得电刺激以调理心脏生理活动。也就是说,SPM 的能量源和作用目标都是心脏。

现在,李舟团队研制的新1代共生型心脏起搏器, 只含有 iTENG,能量管理模块和心脏起搏器三个模块,不含有通常心脏起搏器所携带的、超过其体积 1/2 的电池,实现了起搏器能量的自给自足。

由于猪的心脏尺寸和人接近,是1个理想的动物模型。研究人员将这类共生起搏器成功植入猪体内,并且证实 SPM 能够纠正窦性心律失常,避免窦性停搏和心室颤动的病情恶化。

基于猪的大动物实验验证,意味着共生型心脏起搏器离临床利用愈来愈近。

另外,研究人员还验证了 iTENG 的体内输出性能,结果使人印象深入。从每1个心脏跳动周期搜集的能量为 0.495μJ,高于猪和人类的起搏阈值能量。

也就是说,这套共生起搏器系统,通过心脏跳动1次所搜集的电量,足够支持1次心脏起搏器起搏。


研究人员认为,iTENG 提供了1种搜集体内生物力学能量的有前途的方法,具有材料选择广泛、柔韧性好、重量轻、耐用性好和本钱低等优点。

另外,iTENG 已显示出显著的机械耐久性(1 亿个机械刺激周期)和细胞相容性,这是长时间可植入装置的决定因素。这对自驱动心脏起搏器迈向临床和产业化具有重要意义。

SPM 与目前植入式心脏起搏器相比,最大意义就是其使用寿命大大延长,乃至可以实现“1次植入,毕生使用”。

同时,iTENG 是1种通用性的器件及技术,理论上可以为所有的植入式医疗电子器件供能(起搏器,脑刺激器等)。另外,在非起搏利用上 iTENG 也大有可为,目前已报导的基于 iTENG 的植入式利用还包括:神经修复、组织修复、精准药物递送、可降解器件等。除植入式方面,iTENG 还可以用于穿着式电子器件,李舟团队还在 2017 年基于 iTENG 构建了超灵敏桡动脉搏传感器,该研究成果发表在当时的《先进材料》(Advanced Materials)上。

虽然这1系统还需在尺寸、效力和长时间生物安全性方面做进1步优化才能终究用于人体,但李舟向 DeepTech 表示,他们下1步的研究重点在于小型化、高能量效力、长效的生物安全性等方面,并预计在5-10 年内可以进行临床实验。

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