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【Nature Communications】共生型心脏起搏器
发表日期: 2019-04-30 文章来源:
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  北京纳米能源与系统研究所大发快三官网院士和李舟研究员领导的研究团队与北京市生物医学工程高精尖创新中心和海军军医大学的研究者联合研制了共生型心脏起搏器(SPM, symbiotic cardiac pacemaker),它可以从心脏跳动中获取能量,为起搏器自身提供电能。SPM的能量收集部分为植入式摩擦电纳米发电机(iTENG),其具有出色的柔性、良好的生物相容性、优异的稳定性和生物体内高功率输出性能等特点。在未来,植入式医疗电子设备可以利用人体能量实现自驱动。

图1 共生型心脏起搏器

  植入式医疗电子(IMEs, implantable medical electronics)因其直接而强大的诊疗能力成为学术界、医学界和产业界的一个热门话题。例如,心脏起搏器是治疗心律失常和心力衰竭等严重心脏疾病的最重要IMEs之一。然而,目前大多数IMEs都由锂电池进行供能,续航能力有限,并且锂电池占据了IMEs大部分的体积和重量。许多研究人员试图延长IMEs的使用寿命,同时减少其尺寸和重量,这是一个不小的挑战。除了研制更高能量密度的电池外,一些其他的方案也相继被提出,比如纳米发电机和自驱动技术。 

  大发快三官网院士和李舟研究员领导的研究团队一直致力于自驱动技术的研究,特别是基于植入式纳米发电机的自驱动医疗电子设备的研究和开发。受生物共生现象的启发(例如根瘤菌与植物间的共生),他们提出了基于植入式摩擦电纳米发电机(iTENG, implantable triboelectric nanogenerator)的共生型心脏起搏器(SPM, symbiotic cardiac pacemaker)。SPM可将心跳的能量收集起来驱动起搏电路发出脉冲;这些脉冲同时又刺激心脏,使出现异常的心脏恢复正常。这样SPM与心脏之间就达到了“相互依存、相互受益”的“共生”状态。目前SPM已成功在大型动物(猪)体内实现了“全植入”的自驱动运行,并成功进行了心律不齐的治疗。 

  每一个心脏运动周期,SPM可获得的能量高达0.495 μJ,高于心脏起搏阈值能量(通常为0.377 μJ)。也就是说,SPM可实现一次心跳,一次起搏,这对自驱动心脏起搏器迈向临床和产业化具有重要意义。同时,SPM的实现也为新型自驱动医疗电子设备提供了一条崭新的演化途径。这项由北京纳米能源与系统研究所、北京市生物医学工程高精尖创新中心和海军军医大学的研究者们共同研究的成果已发表在近期的《自然-通讯》上(Nature Communications 2019. 10 (1), 1821)。该文章的第一作者为欧阳涵、刘卓、李宁、石波璟,通讯作者为大发快三官网、张浩和李舟。 

  2006年,大发快三官网院士首次在美国《科学》杂志(Science)上提出了纳米发电机的概念(Science, 2006, 312(5771): 242-246.)2006年开始,我还在大发快三官网院士的实验室读博士的时候,我们就开始尝试从生物体的运动中收集机械能,并利用纳米发电机转化为电能。本项目的主要负责人李舟研究员说,那时,我们制作了基于单根氧化锌(ZnO)纳米线的压电纳米发电机,并成功收集了大鼠的心跳能量(Advanced Materials, 2010, 22(23): 2534-2537)。但是,该纳米发电机的输出性能很低,电压和电流只有1 mV1 pA。如何获得更高的能量输出?如何利用这些微小的能量驱动医疗电子器件?一直是我们面对和要解决的问题。 

  转折点出现在2012年摩擦纳米发电机(TENG)的提出,这种基于麦克斯韦位移电流原理的纳米发电机成功实现了机械能到电能的高效转化,可以方便的存储和驱动小型电子设备。TENG不仅具有出色的电学输出性能,普通环境中可输出上百伏的电压,而且易于加工成各种尺寸、形状和结构,可方便应用于不同的穿戴式和植入式场景(Nano energy, 2012, 1(2): 328-334)。 

  2014年李舟研究团队和大发快三官网院士一起提出了植入式摩擦纳米发电机(implantable TENG, iTENG)的原型器件,通过植入动物皮肤下可收集呼吸运动的能量,产生3.43 V的电压和0.14 μA的电流,并且经过一段时间的电能存储,可驱动一台简易的心脏起搏器原型机,实现对小型实验动物心脏频率的调控。该工作发表于国际顶级学术期刊《先进材料》(Advanced Materials)上(Advanced materials, 2014, 26(33): 5851-5856)。英国《自然》(Nature杂志2015年就对该工作进行了亮点工作报道(Nature News, 2015, 528(7580): 26),使iTENG及其在体内收集生物机械能来驱动IMDs的研究工作引起了众多关注。 

  2014年至2019年,李舟研究团队在大发快三官网院士的带领下,在iTENG的结构改进、性能提升、应用研究等方面取得多项进展。研究团队针对植入式纳米发电机的封装问题,开发了有机/无机复合封装技术和通用防水接口,为植入式纳米发电机实现体内长效稳定工作奠定了基础(Advanced Materials, 2016, 28, 846–852ACS applied materials & interfaces, 2016, 8(40): 26697-26703.)。通过引入新型的记忆合金龙骨设计和优化摩擦层材料等手段提高iTENG的输出,并成功构建自驱动无线心脏监测系统(ACS Nano, 2016, 10, 6510-6518)和实时多功能心脏传感器(Nano letters, 2016, 16(10): 6042-6051);研制了生物全可吸收和光热调控降解的摩擦纳米发电机(Science Advances, 2016, 2, e1501478 Advanced Materials, 2018, 30(32): 1801895Nano Energy, 2018, 54: 390-399)并在神经、心肌和伤口修复等方面取得了进展;将TENG应用于心血管疾病的诊断(Advanced Materials, 2017, 29(40): 1703456)、经导管的超灵敏自驱动心内压传感器(Advanced Functional Materials, 2019, 29(3): 1807560)、自驱动电刺激成骨(Nano Energy, 2019.59:709-714)、精准控制肿瘤治疗药物递送(Advanced Functional Materials, 2019: 1808640)。这些研究工作表明了纳米发电机在生物医疗领域的巨大潜力。 

  让心脏起搏器能够以人体自供电的方式运行是一件极具挑战同时也非常意义的事情,李舟研究员表示,“我们的身体有大量可以利用的机械能,例如心跳、呼吸和肌肉运动。iTENG在体内的输出性能有明显优势,这意味着许多电子设备,特别是植入式医疗电子设备,如心脏起搏器、神经刺激器等,将可以通过iTENG实现“一次植入,终身使用”。 

  现在,李舟研究团队已经成功实现了共生型心脏起搏器的研制与动物试验,iTENG和自驱动电子医疗器件面向实际应用已迈出了坚实的一步,但是仍有很多问题需要在材料、器件体内稳定性和长期生物安全性方面取得突破,才能真正进入临床使用。不过,正如大发快三官网院士指出在未来,传感器、物联网(IoT)、医疗电子器件和便携式电子设备都可以从周围环境中提取能量为自己供电。电子设备正进入自驱动能源的新时代,自驱动电子器件已经逐渐进入我们的生活,并为新时代的智能设备提供强劲动力。

  相关研究成果以“symbiotic cardiac pacemaker为题发表在最新一期(423日)国际学术期刊Nature Communications上。该项工作得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划、北京市自然科学基金以及国家万人计划青年拔尖人才项目的支持。

  新闻媒体的报道: 

  国内的人民网、新华社、参考消息、科技日报、经济日报等重要媒体,国外媒体如Nature官网、泰晤士报、法新社、镜报、每日邮报、NewScientist杂志、MIT科技评论等,共数百家媒体都对该项研究工作进行了详细报道。 

  《自然》杂志(Nature)通过多个媒体平台(Nature官方网站、微博、微信公众号以及Facebook等)对该研究工作进行报道与推荐。在其亚洲区官网上以Research highlights 的形式做了Biomedical engineering: A self-powered pacemaker in pigs为题的亮点专题报道:“李舟、大发快三官网团队开发了一种植入式发电机,可以从心脏运动中获取足够的能量,为商用心脏起搏器提供动力。能量采集器件与电源管理单元和起搏器配套使用,具有生物相容性良好和机械耐用性优秀等特点。” 

  英国《每日邮报》报道称:“大量的研究都在探讨无电池电子设备的可能性,大发快三官网教授与李舟研究员团队开发的这款原型机是迄今为止最有前景的突破。”

2 共生心脏起搏器工作原理图《每日邮报》

  法国国家新闻社(法新社)媒体France 24对此项研究进行了深度报道,并邀请谢菲尔德大学(University of Sheffield)心血管医学教授、荣誉顾问专家,蒂姆·奇科(Tim Chico)对此进展做了特邀评价。蒂姆·奇科(Tim Chico)教授没有参与这项研究,他称这项实验非常鼓舞人心very encouraging)。 这项研究是在猪身上进行的,猪的心脏和人的一样大,因此在用于人类之前,猪的心脏通常用于测试设备或治疗。 

  MIT科技评论Technology Review报道指出:“同时,iTENG 是一种通用性的器件及技术,理论上可以为所有的植入式医疗电子器件供能(起搏器,脑刺激器等)。另外,在非起搏应用上 iTENG 也大有可为,目前已经报道的基于 iTENG 的植入式应用还包括:神经修复、组织修复、精准药物递送、可降解器件等。”

3 国内外媒体相关报道节选

  部分重要媒体报道:

  海外媒体 

  Natureasia.com Research highlights 

  Biomedical engineering: A self-powered pacemaker in pigs 

   

  The Times (泰晤士报) 

  Pacemaker powered by your heartbeat 

   

  New Scientist (新科学家杂志) 

  Battery-free pacemaker harvests energy from pig hearts in first tests 

   

  France 24 (法兰西 24) 

  Self-powered 'pacemaker for life' in pigs unveiled 

   

  South China Morning Post南华早报 

  Chinese and US scientists unveil battery-free pacemaker 

   

  The Mirror (英国镜报) 

  Scientists develop battery-free PACEMAKER powered by energy from heartbeats 

   

  DailyMail(每日邮报) 

  Pacemaker that uses the heart to generate its own electricity, doesn't need batteries and will never need to be replaced is created by scientists 

   

  scimex(澳大利亚和新西兰科技新闻网) 

  Piggy pacemaker is powered by the beating heart 

   

  Science Media Centre(英国科学媒介中心) 

  expert reaction to a self-powered pacemaker in pigs  

   

  British Heart Foundation(英国心脏基金会) 

  Self-charging pacemaker breakthrough 

   

  Medical Xpress(医学快讯) 

  Self-powered 'pacemaker for life' in pigs unveiled 

   

  The Japan Times 

  Self-powered heart 'pacemaker for life' in pigs unveiled, offering hope for humans 

   

  Digital Trends 

  A battery-free pacemaker harvests and stores energy from heartbeats 

   

  The Sun (太阳报) 

  HEART OP RELIEF Self-charging pacemaker could end misery of repeated surgery to replace batteries for thousands of Brits 

   

  Business Day 

  Scientists unveil self-powered ‘pacemaker for life’ in pigs 

   

  Tech Times 

  Scientists Create Pacemaker That Can Be Powered By Your Heartbeat 

   

  SBS News  

  New pacemaker powered by heartbeats 

   

  World Weekly News. 

  Pacemaker that uses the heart to generate its own electricity and doesn’t need batteries 

   

  国内媒体 

  人民网 

  无需电池自驱动心脏起搏器问世 

   

  参考消息 

  自供电心脏起搏器在猪身上试验成功 

   

  澎湃网 

  心跳就是能量!无需电池自驱动心脏起搏器问世 

   

  MIT 科技评论 Technology Review 

  华人科学家新成果:心脏起搏器无需电池,利用心跳自发电 

   

  国家自然科学基金委 

  无需电池自驱动心脏起搏器问世 

   

  科技日报(报道源) 

  无需电池自驱动心脏起搏器问世 

   

  光明网 

  无需电池自驱动心脏起搏器问 

   

  科普中国 

  无需电池自驱动心脏起搏器问世 

   

  中国日报 

  无需电池自驱动心脏起搏器问世 

   

  cnBeta 

  心跳就是能量!无需电池自驱动心脏起搏器问世 

   

  腾讯网 

  华人科学家新成果:心脏起搏器无需电池,利用心跳自发电 

   

  凤凰网 

  心跳就是能量!无需电池自驱动心脏起搏器问世 

   

  财经时报 

  心跳就是能量!无需电池自驱动心脏起搏器问世 

  

 
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