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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2025-04-07 15:22
心臟起搏器是治療心律失常的常見醫(yī)療設(shè)備，傳統(tǒng)的臨時(shí)起搏器通常通過(guò)侵入性手術(shù)進(jìn)行植入，這不僅會(huì)帶來(lái)較大的創(chuàng)傷風(fēng)險(xiǎn)，還可能導(dǎo)致異物排斥和長(zhǎng)期依賴電池等問(wèn)題，尤其對(duì)于兒童和不適合血管植入的病人來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)方法存在一定的局限性。因此，如何開發(fā)一種微創(chuàng)、可降解、無(wú)線控制的臨時(shí)心臟起搏器，成為了心臟病治療領(lǐng)域亟待解決的難題。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，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(yáng)偉教授等人研究開發(fā)了一種毫米級(jí)的、生物可吸收的光電裝置，其集成自供電與無(wú)線光控機(jī)制，不僅具備臨時(shí)心臟起搏功能，還可應(yīng)用于神經(jīng)與骨骼再生、傷口愈合及緩解疼痛等多種電療場(chǎng)景。
2025年4月2日，相關(guān)工作在Nature期刊上發(fā)表了題為“Millimetre-scale bioresorbable optoelectronic systems for electrotherapy”論文。美國(guó)西北大學(xué)博士后張亞敏（2024年任職于新加坡國(guó)立大學(xué)助理教授）為第一作者兼通訊作者，美國(guó)西北大學(xué)John A. Rogers教授、Igor R. Efimov教授、黃永剛教授及芝加哥大學(xué)Rishi Arora教授、達(dá)特茅斯學(xué)院助理教授歐陽(yáng)偉為共同通訊作者。
臨時(shí)心臟起搏器適用于短期心跳過(guò)緩的患者。傳統(tǒng)的臨時(shí)起搏器須經(jīng)血管或者通過(guò)開胸手術(shù)放置起搏導(dǎo)線，通過(guò)侵入性的開胸手段會(huì)造成比較大的創(chuàng)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(shí)起搏器帶來(lái)了諸如異物排斥、長(zhǎng)期電池依賴、手術(shù)創(chuàng)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(shí)心臟起搏器。其大?。?.8 mm × 3.5 mm × 1 mm）與米粒相當(dāng)，支持其以微創(chuàng)方式植入，能最大限度地減少裝置對(duì)患者的負(fù)荷和植入手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)，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(yīng)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(wù)后，裝置將自行在體內(nèi)逐漸降解，在1至2.5年的尺度下經(jīng)由腎臟排出體外，從而完全規(guī)避了為取出裝置而進(jìn)行的二次手術(shù)，進(jìn)一步降低了裝置的使用風(fēng)險(xiǎn)。
核心創(chuàng)新：電池與生物系統(tǒng)的完美整合
這一突破性研究的技術(shù)核心在于其將微型電池、光電傳感器與生物組織有機(jī)結(jié)合，由張亞敏博士提出。同需要起搏導(dǎo)線連接獨(dú)立電源的傳統(tǒng)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(shí)現(xiàn)體內(nèi)植入后的自供電，無(wú)須任何外在能源即可支持裝置的正常運(yùn)行。
亮點(diǎn)介紹
本裝置集成了微型光控開關(guān)，用“光”遠(yuǎn)程無(wú)線控制起搏器來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)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(nèi)起搏器（植入6厘米深度以下）的工作。同時(shí)，還開發(fā)了一款體外可穿戴的皮膚貼片（歐陽(yáng)偉教授設(shè)計(jì)）來(lái)控制體內(nèi)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(shí)也集合了心電圖數(shù)據(jù)收集和分析功能，可進(jìn)行實(shí)時(shí)的智能心律監(jiān)控。在檢測(cè)到心律異常后，皮膚貼片將自動(dòng)啟動(dòng)近紅外光的照射功能引發(fā)起搏，從而實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的完全自主閉環(huán)控制。最后，為驗(yàn)證該系統(tǒng)進(jìn)行心臟起搏的有效性，研究團(tuán)隊(duì)在小鼠、大鼠、豬、犬（體內(nèi)）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(tǒng)集成
將該系統(tǒng)與皮膚器件設(shè)備配對(duì)，可在檢測(cè)到心律失常時(shí)進(jìn)行自主閉環(huán)心臟電療；與經(jīng)導(dǎo)管主動(dòng)脈瓣置換術(shù)（TAVR）系統(tǒng)集成，可在瓣膜置入期間提供快速起搏以及術(shù)后提供常規(guī)起搏。
未來(lái)展望：交叉學(xué)科融合，推動(dòng)醫(yī)療科技發(fā)展
該研究綜合了電池技術(shù)、光電技術(shù)、微納制造、生物相容性材料等多學(xué)科前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了新一代起搏器的開發(fā)。這項(xiàng)創(chuàng)新不僅推動(dòng)了心血管疾病植入器械的發(fā)展，也為未來(lái)可植入器件、組織穿透無(wú)線控制等方向提供了新的思路。同時(shí)，這種全新的“無(wú)創(chuàng)、智能、自主供能”植入設(shè)備模式可為精準(zhǔn)醫(yī)療帶來(lái)新的可能。
圖文解析
(圖1）詳細(xì)介紹了起搏器的設(shè)計(jì)。該設(shè)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(yáng)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(duì)。周圍的心臟組織充當(dāng)電解質(zhì)，從而形成原電池。光學(xué)控制通過(guò)硅雙極結(jié)光電晶體管進(jìn)行管理，由外部來(lái)源的近紅外(NIR)照明激活。重要的是，生物可吸收結(jié)構(gòu)可確?；颊唢L(fēng)險(xiǎn)最小，并且無(wú)需進(jìn)行拔除手術(shù)。
圖1. 具有無(wú)線光電控制的可注射、自供電、生物可吸收心臟起搏器的設(shè)計(jì)
起搏器具有快速響應(yīng)能力（圖2），通過(guò)NIR光的可變強(qiáng)度和脈沖寬度實(shí)現(xiàn)對(duì)起搏的精確控制。在Langendorff灌注的豬和人類心臟上進(jìn)行的體外實(shí)驗(yàn)建立了強(qiáng)大的起搏能力。這些實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵電生理數(shù)據(jù)包括成功的捕獲閾值（例如，基線電流為~0.18 mA，時(shí)效性為~2.8 ms），表明可靠的起搏性能適合臨床應(yīng)用。心電圖記錄進(jìn)一步證明了成功的多部位起搏潛力，這對(duì)于心臟再同步等先進(jìn)療法至關(guān)重要。
圖2. 人類和豬心臟的光電特性和體外起搏
通過(guò)使用犬類模型體內(nèi)演示了這些起搏器的可行性（圖3）。蒙特卡羅模擬驗(yàn)證了近紅外光照射在臨床相關(guān)深度（高達(dá)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(nèi)激活。實(shí)際演示涉及熒光透視引導(dǎo)的微創(chuàng)注射技術(shù)，使起搏器能夠部署到心外膜下心肌層中。心電圖數(shù)據(jù)證實(shí)起搏成功，速度為240 bpm，并具有穩(wěn)定的1:1捕獲率，強(qiáng)調(diào)了起搏器在閉胸場(chǎng)景中的實(shí)際適用性。起搏壽命被證明可以可靠地延長(zhǎng)超過(guò)典型的臨時(shí)起搏需求的時(shí)間（Zn-MoO3設(shè)備最長(zhǎng)可達(dá)20天）。
圖3.犬模型中起搏器注射和閉胸起搏的體內(nèi)演示
進(jìn)一步擴(kuò)展了多部位起搏，通過(guò)使用放置在光電晶體管頂部的光學(xué)濾波器的波分復(fù)用(WDM)來(lái)實(shí)現(xiàn)（圖4）。這允許精確控制不同心臟部位的單個(gè)起搏器而不會(huì)產(chǎn)生干擾。在多個(gè)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(zhǔn)確的起搏模式，這對(duì)于治療充血性心力衰竭等疾病至關(guān)重要。
圖4. 犬模型中多部位、時(shí)間同步起搏的體內(nèi)演示
描述了這些起搏器與能夠自主電療的無(wú)線皮膚接口設(shè)備的創(chuàng)新集成（圖5）。該設(shè)備監(jiān)測(cè)心電圖信號(hào)，自動(dòng)檢測(cè)心律失常并啟動(dòng)起搏反應(yīng)。在大鼠模型中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)通過(guò)檢測(cè)心動(dòng)過(guò)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(huán)操作。這種整合標(biāo)志著朝著自主、患者響應(yīng)式心臟護(hù)理邁出了重要一步。
圖5. 用于閉環(huán)心臟電療的無(wú)線皮膚接口光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
還探索了將這些微型起搏器直接集成到經(jīng)導(dǎo)管主動(dòng)脈瓣置換術(shù) (TAVR) 支架上的獨(dú)特應(yīng)用（圖6），解決了常見的術(shù)后傳導(dǎo)障礙。在 TAVR 支架框架周圍戰(zhàn)略性放置的多個(gè)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(píng)估顯示從瓣膜周圍選定的位置成功起搏，證實(shí)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(shù)后傳導(dǎo)障礙的新穎解決方案，可能通過(guò)簡(jiǎn)化術(shù)后護(hù)理來(lái)改變患者的治療結(jié)果。
圖6. 在人體心臟中使用與TAVR瓣膜集成的一組起搏器進(jìn)行心臟起搏的體外演示
總之，重點(diǎn)介紹了一種革命性的臨時(shí)心臟起搏技術(shù)，利用生物可吸收的光電系統(tǒng)，在安全性、微創(chuàng)性和臨床療效方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。所展示的多部位同步起搏和與TAVR等先進(jìn)心臟手術(shù)的集成有望顯著改善心臟治療的臨床護(hù)理，并為再生醫(yī)學(xué)和電療法的更廣泛應(yīng)用鋪平道路。
關(guān)于制造過(guò)程中的挑戰(zhàn)，John A. Rogers教授表示：“自供電方法的概念是關(guān)鍵，同時(shí)還需要一個(gè)光學(xué)方案來(lái)控制設(shè)備。” 他坦言，自供電概念是由當(dāng)時(shí)中國(guó)博士后張亞敏提出的。在美國(guó)佐治亞理工學(xué)院攻讀博士學(xué)位時(shí)，張亞敏研究電池技術(shù)，將這一想法帶入項(xiàng)目，促成了這一創(chuàng)新。
本次研究主要在動(dòng)物模型和離體人體心臟組織上進(jìn)行了驗(yàn)證。至于未來(lái)在活體患者身上的應(yīng)用，John A. Rogers教授表示需經(jīng)過(guò)監(jiān)管流程，“任何這類救生植入物都必須通過(guò)嚴(yán)格的監(jiān)管流程”。此外，John A. Rogers教授表示，已有初創(chuàng)公司開始推動(dòng)該研究的臨床轉(zhuǎn)化。
John A. Rogers教授預(yù)計(jì)在兩三年內(nèi)啟動(dòng)首次人體植入的研究，使這一技術(shù)進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，最終成為醫(yī)生日常使用的工具，為心動(dòng)過(guò)緩患者帶來(lái)一項(xiàng)新型治療選擇。
原文鏈接
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08726-4
來(lái)源：化學(xué)與材料科學(xué)
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