Advanced Functional Materials:心脏穿戴的无电池无线起搏器

心脏起搏器是一种临床上最为常见的辅助心功能的植入式医疗电子治疗器件,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,从而达到治疗由于某些心律失常、心力不足等所致的心脏功能障碍的目的。当前,数以百万计的生命依靠诸如心脏起搏器之类的可植入医疗设备来维持正常的生命体征。在过去的半个世纪中,起搏器取得了一些重大进步,例如基于互联网的远程监控。但基于导线穿过静脉系统接触心肌组织的血管外脉冲发生器的基本系统形式和基于电池的基本供电方法始终保持不变。然而许多与起搏器相关的并发症,例如感染、气胸、导线失效和无效起搏等多数与这种基本形式有关,其中主要是由电池和导线引起的。此外,为确保充足的电力供应,定期更换电池是不可避免的,这大大增加了患者的健康风险。因此,开发无线且无电池的心脏起搏器已成为未来心脏起搏器的主要发展方向。

上海交通大学微纳电子学系杨斌与合作者海军军医大学附属长海医院张浩围绕柔性屈曲压电能量采集器的植入式应用展开,提出利用柔性屈曲压电能量采集器转换心跳动能为电能,探究能量采集器的输出特性,以及其在实现心脏起搏器无电池方面的表现,同时提出心外膜原位起搏策略,探究无电池无导线心脏起搏器的实现方法。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202000477)上。

该研究团队充分考虑心脏跳动过程中的动态作用过程和体内环境设计了一种用于心脏挤压动能采集的柔性屈曲压电能量采集器,探究其制备工艺,封装方法,以及植入方式等,评估其力学和电学可靠性,最终植入的柔性屈曲压电能量采集器在成年猪体内最大短路电流可实现30 µA,高于同类型研究15倍以上。将输出电能接入摘除电池的商用心脏起搏器,通过获得的有效脉冲信号验证了植入的柔性屈曲压电能量采集器采集的心跳动能是足以维持这种商用起搏器正常工作的,说明了基于植入的压电能量采集技术在实现无电池心脏起搏器方面的可行性。同时,又提出心外膜起搏策略,通过植入的柔性屈曲压电能量采集器驱动起搏器产生电脉冲,经心外膜直接刺激心肌组织,达到起搏的效果,证明了原位心外膜起搏策略的可行性,这种方法可以避免将器件或导线放置在心腔内,有望实现无导线起搏。无导线和无电池正在被探索为心脏起搏器的基本构造形式,可持续的能量供应和有效的起搏是此无引线无电池起搏策略的两个关键部分,为未来起搏器发展提供了更多可能性,对新型心脏起搏器的发展具有重要研究意义和应用价值。