世界最小心臟起搏器問世：比米粒還小，關鍵的自供電方法由中國博士後提出

來源：紅星新聞

美國西北大學團隊領銜，聯合新加坡國立大學、中國華中科技大學等多所大學的研究者，合作開發了世界上最小的心臟起搏器，體積比一粒米還小！

香港時間4月2日，《自然》期刊發表了一項由美國西北大學教授、生物電子研究所主任約翰·羅渣斯團隊領導的研究，介紹了這款堪稱目前世界上最小的心臟起搏器。

▲該心臟起搏器尺寸僅為1.8毫米×3.5毫米×1毫米

這款微型裝置的尺寸僅為1.8毫米×3.5毫米×1毫米。實驗顯示，它不僅能在動物模型和人類心臟組織中有效調控心跳，還能在使用完畢後自行溶解，無需手術取出。這項突破性成果或將為心動過緩患者提供一種潛在的更安全選擇，尤其對心臟手術後的臨時起搏需求具有重要意義。

對此，紅星新聞記者專訪了論文通訊作者羅渣斯，瞭解相關技術的誕生與前景。羅渣斯是美國國家科學院、工程院和藝術與科學院三院院士，長期致力於仿生電子器件和可穿戴生物醫學電子器件的研究。他在接受採訪時提到，這款起搏器的體積比目前已知最小的起搏器之一——美敦力Micra還小，「按體積計算，我們的設備大約小500倍。」

「體液」自供電，無需電源和電線

3毫米切口「注射式」植入

據介紹，這款微型心臟起搏器可以通過微創植入，極大降低傳統起搏器所需的侵入性手術風險，比如感染或心肌損傷。具體來說，它可以通過一種創傷很小的手術方式，即裝入導入器，通過寬度小於3毫米的皮膚切口，直接注射到心外膜下心肌淺層。這一結果甚至適用於新生兒，並支持使用微創技術進行植入。

▲約翰·羅渣斯

過去，傳統的臨時起搏器雖然在治療心動過緩（心率偏低）方面發揮著重要作用，但其侵入性的植入過程以及外部電源和導線帶來的潛在風險，尤其對於兒童和體型較小的患者而言，一直是一項挑戰。

令人好奇的是，這款微型心臟起搏器如何在沒有電池和導線的情況下工作？關於供電方式，羅渣斯表示：「我們有一個自供電機制來支持起搏器的運行。」其內置的電極由可生物吸收的材料組成：陽極（即負極）為鎂（或鋅），陰極（正極）為三氧化鉬。當電極接觸到心臟周圍的體液時，體液作為電解液，觸發陽極和陰極之間的電化學反應，產生電流。

「具體而言，一個活性可生物吸收的鎂合金或鋅復合材料作為陽極，一個更具電正性的可生物吸收三氧化鉬復合材料作為陰極。心臟組織及其相關生物液體作為電解質，形成原電池。」論文中如此描述。換句話說，這個起搏器不需要外部接入電源或替換電池，而是利用身體自身的環境「發電」，將電流傳遞給心臟，驅動它跳動。

光遙控起搏，配對貼片監測心電圖

發現心律失常自動發光電療

那麼，如何精確控制心跳的頻率和節奏？羅渣斯向紅星新聞記者介紹，這款起搏器通過「光」實現無線操控。「我們使用光電晶體管（光控開關）來控制傳遞給心臟的電脈衝的頻率和持續時間（以設定心率）。」他說。光電晶體管是一種由矽製成的微小組件，連接在陽極和陰極之間，起到開關作用。在沒有光照時，它阻斷電流，設備處於休眠狀態；當皮膚表面的無線單元發出近紅外光，光穿透組織照射到光電晶體管上時，它的電阻降低幾個數量級，電路接通，電流流向心臟。

▲皮膚貼片和起搏器將配合一起工作

「近紅外光具有深層組織穿透的特性，這使得光學方法變得很有吸引力。我們成功地用矽納米膜雙極結晶體管構建了一個可生物吸收的光控開關。」羅渣斯補充道。實驗中，無論是小鼠、豬，還是取自器官供體的人類心臟，這個微型起搏器都完成了控制心臟起搏。

起搏器會配合一個貼在皮膚上的無線皮膚界面一起工作。這個皮膚貼片支持心電圖數據收集、數據分析和近紅外範圍編程光發射，分析判斷是否有心律失常。發現心律失常後，皮膚設備會發出近紅外光，實現自主閉環心臟電療。

羅渣斯說：「這個系統減少了風險，消除了傳統有線臨時起搏解決方案的繁瑣性。」傳統起搏器需要導線穿過皮膚連接外部電源，患者活動受限且有感染風險，而這款裝置完全內置，依靠體液供電和光控，可以使患者擺脫束縛。

人體內可完全吸收

任務期後降解，2年多完全消失

羅渣斯告訴紅星新聞記者，該裝置使用一段時間後，可在體內無害溶解。

由於所有材料（包括電極、光電晶體管和封裝材料）都是可生物吸收的材料，設備在完成使命（豬和人類心臟上的體外起搏實驗顯示連續運行約16天）後會逐漸降解成無害物質，通過腎臟排出體外。完全生物吸收的時間尺度約為1.2-2.5年。未來適當選擇材料和設備設計，或可將完全吸收時間大大縮短。據悉，這項設計源於臨床需求，由美國西北紀念醫院的心臟外科醫生提出。