世界上最小的心脏起搏器问世：比米粒还小，中国博士后提出了关键的自供电方法

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由美国西北大学团队领导，与新加坡国立大学、中国华中科技大学等多所大学的研究人员合作开发了世界上最小的心脏起搏器，体积比一粒米小！

北京时间4月2日，由美国西北大学教授、生物电子研究所主任约翰·罗杰斯团队领导的《自然》杂志发表了一项研究，介绍了这款世界上最小的心脏起搏器。

▲这个心脏起搏器的大小只有1.8mm×3.5mm×1毫米

这个微型装置的尺寸只有1.8mm×3.5mm×1毫米。实验表明，它不仅可以有效控制动物模型和人类心脏组织中的心跳，还可以在使用后自行溶解，无需手术取出。这种突破性成果可能会为心跳缓慢的患者提供更安全的隐性选择，尤其是对心脏手术后的临时起搏需求。

对于这一点，红星新闻记者采访了论文通讯作者罗杰斯，了解了相关技术的诞生和前景。作为美国国家科学院、工程院、艺术与科学院三院教授，罗杰斯长期致力于仿生电子设备和可穿戴生物医学电子设备的研究。在一次采访中，他提到这个起搏器的体积比美敦力Micra小，这是目前已知的最小起搏器之一。“根据体积，我们的设备大约是500倍。”

“体液”自供电，无需电源和电线。

3mm切口“注入式”植入式

据报道，这种微型心脏起搏器可以通过微创植入来大大降低传统起搏器所需的侵入性手术风险，如感染或心肌损伤。具体来说，它可以通过一种创伤很小的手术方法直接注射到心外膜下的心脏浅层，即通过总宽度小于3毫米的皮肤切口放入导入器。这个结果甚至适用于新生儿，支持植入微创治疗。

▲约翰·罗杰斯

过去，虽然传统的临时起搏器在临床心跳缓慢(心率低)方面发挥着重要作用，但其侵入性植入过程和外部电源和导线带来的潜在风险一直是一个挑战，尤其是对儿童和体型较小的患者。

令人好奇的是，这个微型心脏起搏器是如何在没有电池和导线的情况下工作的？关于供电方式，罗杰斯说：“我们有一种支持起搏器运行的自供电机制。"其内置电极由可生物吸收的材料组成：阳极(即负极)为镁(或锌)，负极(正极)为三氧化钼。当电极接触到心脏周围的体液时，体液作为电解液，触发阳极和阴极之间的电化学反应，产生电流。

“具体来说，一种活性镁合金或锌复合材料可以作为阳极被生物吸收，一种更具电正性的三氧化钼复合材料可以作为负极被生物吸收。心脏组织及其相关生物液体作为电解质，形成原始电池。”文章描述了这一点。也就是说，起搏器利用自身环境“发电”，将电流传递到心脏，驱动其跳动，而不是从外部接入电源或更换电池。

光线遥控起搏，配合贴片监控心电图

发现心率异常自动发亮电疗。

所以，如何准确控制心跳的次数和节奏呢？罗杰斯告诉红星新闻记者，这个起搏器是通过“光”实现无线控制的。他说：“我们用光电晶体管(光控开关)来调节电脉冲传递给心脏的次数和持续时间(设定心率)。”他说。光晶管是一种由硅制成的细小部件，连接在阳极和阴极之间，起到开关的作用。当没有光照时，它阻挡了电流，设备处于休眠状态；当皮肤表面的无线模块发出近红外光，光线穿透组织照射到光电晶体管时，其电阻减少了几个数量级，电路连接，电流流向心脏。

▲皮肤贴片和起搏器将配合一起工作

“近红外线具有深层组织通过的特点，使光学方法非常有吸引力。我们成功地用硅纳米膜双极晶体管构建了一个可生物吸收的光控开关。”罗杰斯补充道。在实验中，这种微型起搏器完成了控制心脏起搏的工作，无论是老鼠、猪还是来自器官供体的人类心脏。

起搏器将与贴在皮肤上的无线皮肤界面一起工作。该皮肤贴片支持心电图数据采集、数据分析和近红外编程光发射，分析判断是否有心率异常。发现心率异常后，皮肤设备会发出近红外线，实现心脏自闭环电疗。

罗杰斯说:“这个系统降低了风险，消除了传统有线临时起搏解决方案的繁琐程度。”传统起搏器需要导线通过皮肤连接外部电源，患者活动有限，有感染风险。但是，这种设备完全内置，患者可以通过体液供电和光控来摆脱束缚。

人体可以完全吸收

任务期后降解，2年多完全消失。

罗杰斯告诉红星新闻记者，该装置使用一段时间后，可以在体内无害溶解。

因为所有的材料(包括电极、光电晶体管和封装材料)都是可以生物吸收的材料，系统会在不负使命的情况下逐渐降解成无害物质(猪和人类心脏上的体外起搏试验显示连续运行16天左右)，通过肾脏排出体外。在1.2-2.5年左右的时间里，完全生物吸收。在未来，材料和设备的适当选择可能会大大缩短完全吸收的时间。据报道，这一设计源于美国西北纪念医院的心脏外科医生提出的临床需求。

▲微型心脏起搏器的导入器

罗杰斯说:“自供电方法的概念是关键，需要光学方案来控制系统。”他承认自供电的概念是中国博士后张亚敏提出的。在美国佐治亚理工学院攻读博士学位时，张亚敏研究电池技术，将这一想法带入项目，促进了这一创新。

这项研究主要验证了动物模型和离体人体的心脏组织。至于未来在活物患者中的应用，罗杰斯表示需要经过一个控制过程，“任何这样的救生植入物都需要经过严格的监管过程”。此外，罗杰斯表示，一些创业公司已经开始推动探索的临床转型。

罗杰斯预计在两三年内开始第一次身体植入研究，使这项技术进入临床试验阶段，最终成为医生日常使用的工具，为心脏跳动缓慢的患者带来新的治疗选择。

红星新闻记者 邓纾怡

原题：“世界上最小的心脏起搏器问世：比米粒还小，中国博士后提出了关键的自供电方法”

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