上海交通大學電子信息與電氣工程學院微納電子學系教師楊斌及合作者在美國化學會國際著名期刊ACS Nano（影響因子為13.709）在線發表了題為《Direct Powering a Real Cardiac Pacemaker by Natural Energy of a Heartbeat》的論文。

自供能心臟起搏器設計圖

心臟起搏器是一種臨床上最為常見的輔助心功能的植入式醫療電子治療器件，通過脈沖發生器發放由電池提供能量的電脈沖，通過導線電極的傳導，刺激電極所接觸的心肌，使心臟激動和收縮，從而達到治療由于某些心律失常、心力不足等所致的心臟功能障礙的目的。值得注意的是，所有的這些植入式心臟起搏器都是帶有一塊內置電池，目前主要采用高能量密度的鋰離子電池作為能量的供應來源。然而，由于內置電池所存儲的電量是固定的，起搏器的使用壽命也必然是有限，一般5-12年，周期性地進行起搏器更換手術是起搏器植入患者目前無法避免的，這種周期性更換術大大增加了高發病率患者的健康風險，也會給患者帶來巨大的經濟負擔，甚至增加了潛在的死亡率。另外，為了保障起搏器有足夠的能量維持正常的使用壽命，起搏器在功能完善和小型化等方面的發展也受到了極大制約。半個多世紀以來，能源供給成為起搏器壽命的直接因素，也是發展到今天所面臨的最大限制性因素。通過能量采集技術轉化體內本身豐富的生物化學能、機械能等為起搏器供能成為一種醫療器件可持續供能的重要解決方案而得到廣泛研究。無電池的自供能心臟起搏器也成為心臟起搏器重要發展趨勢。

入式能量采集器供能于心臟起搏器

該研究基于塊體壓電陶瓷的高性能壓電效應，通過化學機械拋光技術對塊體壓電陶瓷材料進行厚度方向上的微尺度加工控制，使得脆性的壓電陶瓷在薄膜化后能很好的適應襯底的柔性變形，并保持著塊體的高性能壓電系數，進而為制備高輸出性能的植入式壓電能量采集器提供了關鍵材料基礎。再利用彈性結構設計的壓電能量采集器轉化心臟跳動過程中的機械能為心臟起搏器可利用的電能。本課題組和第二軍醫大學合作將研制的囊狀結構柔性壓電能量采集器植入到豬的體內，目前實現了輸出電流15 μA，相比之前報道提高8.5倍，使得這一輸出滿足心臟起搏器的功能需求。也通過將這一輸出直接供給拆除電池后的商用起搏器單元，首次成功驅動起搏器芯片產生有效的脈沖電壓信號，并在豬的體內驗證了這一脈沖信號對心臟的起搏刺激是有效的。

該研究成果被美國科學促進會(American Association for the Advancement of Science, AAAS)主辦的全球科技新聞服務網站EurekAlert以“Powering a pacemaker with a patient's heartbeat”為題報道，同時也被美國化學學會新聞網，英國路透社，美國科技媒體網（The Verge）, BioWorld MedTech， HealthDay news，德國科學畫報，意大利安莎通訊社，奧地利廣播公司等新聞媒體陸續報道。

上海交通大學電子信息與電氣工程學院博士研究生易志然和第二軍醫大學的博士研究生李寧和馬也為該論文的共同第一作者。上海交通大學電子信息與電氣工程學院微納電子學系劉景全教授課題組的楊斌副研究員和第二軍醫大學心外科張浩副主任醫師為該論文的共同通訊作者。該研究獲得國家863計劃項目、國家自然科學基金委、上海市科委和教委項目的資助。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/acsnano.8b08567

來源：上海交通大學