長在心臟里的“發電站”

李舟教授（左）、歐陽涵副教授（右）利用電鏡表征起搏電極材料微結構。受訪者供圖

　　實驗成功后團隊部分成員合影。受訪者供圖

　　手術室內，一根導管從豬的下肢股靜脈緩緩探入，一粒維生素膠囊大小的器件精準抵達心臟指定位置。中國科學院大學納米科學與工程學院副教授歐陽涵、北京大學/北醫三院副研究員蔣東杰、中國醫學科學院阜外醫院主治醫師胡奕然盯著心電圖屏幕。

　　經過一周左右的觀測，豬心跳正常、血壓穩定、飲食正常、傷口愈合良好。當每一次心跳轉化為電能，持續為這款共生型心臟起搏器供電時，他們知道，困擾心臟病患者多年的起搏器電池難題，終于有了創新性的解決方案。

　　2019年，共生型自供電心臟起搏器的研發，實現了植入式心臟起搏器發展歷程的重要突破。作為心臟病患者維持正常心律的唯一有效治療方式，多年來，植入式心臟起搏器卻始終受電池壽命的有限性所掣肘。即便是市面上最先進的設備，電池壽命也僅能持續10年左右。一旦能源耗盡，患者必須接受二次手術植入新設備。

　　“想象一下，一個30歲的年輕患者，活到了60歲時，他的心臟里要塞入3個能量耗盡的起搏器，不僅嚴重影響患者心臟正常的收縮運動，而且更會給病人帶來沉重的心理壓力。”胡奕然說。

　　7年后，中國科學院大學、清華大學、中國科學院北京納米能源與系統研究所、北京大學、中國醫學科學院阜外醫院等單位組成的團隊攜手攻關，成功研發出膠囊尺寸的微型共生型自供電無導線心臟起搏器，相關成果的論文2026年在《自然—生物醫學工程》發表。“一旦進入臨床，有望顯著減少心臟病患者的痛苦和治療費用，也將推動共生電子器件的創新理念成為現實。”歐陽涵說。近日，圍繞這項研發成果，團隊正在全力建立平臺，加大資金投入，加速推動科技成果轉化。

　　微型共生型自供電無導線心臟起搏器實物圖。受訪者供圖

微型共生型自供電無導線心臟起搏器實物圖。受訪者供圖

　　網住“心跳能量”

　　多年以來，在生物醫學領域，傳統植入式生物器件皆為“外來入侵者”，與人體形成鮮明的“對抗關系”。這種電池供電的模式存在有毒物質泄漏的健康隱患，患者還必須在電量耗盡前更換設備。

　　讓植入式器件真正融入人體，與人體共存，在人體內實現器件能量的永久自給自足——這在今天已不是科幻小說的場景。

　　一個關鍵的突破口逐漸被科學家打開：人本身就是一個完整的生態系統，更是一座蘊藏著巨大潛能的能量場。

　　“心臟每一次跳動釋放的能量約1瓦，是心臟起搏器每發放一次起搏器脈沖所需能量的10萬倍。1克葡萄糖最多可釋放17千焦能量，足夠心臟起搏器工作20年以上了。”歐陽涵解釋。

　　團隊發現，從人體獲取能量為起搏器供電，這一思路在理論上完全行得通，也是最便捷的能量獲取方式。

　　2019年，歐陽涵聯合清華大學李舟教授團隊提出“共生生物電子”創新理念，并研制出初期的共生型心臟起搏器，相關研究成果在《自然—通訊》刊發。此后7年，中國科學院大學、清華大學、中國科學院北京納米能源與系統研究所、北京大學、中國醫學科學院阜外醫院、杭州電子科技大學等多家單位組成的青年研究團隊，在李舟教授、華偉教授、王中林院士等科學家的支持下，展開微型共生型自供電無導線心臟起搏器的研發工作。

　　體外預實驗的結果讓所有人振奮。

　　在人體內，心臟跳動一次，收縮時間約十幾毫秒，轉瞬即逝。但發電模塊在一次心跳驅動下，釋放的能量卻足以支撐40個燈泡工作幾十毫秒。

　　“人體能量的回收值得探索。”歐陽涵說。

　　要捕獲心臟的能量，團隊的研究思路是，給起搏器集成能量回收模塊，讓心臟起搏器能感知心臟機械振動，快速將心臟動能變成電能。

　　而一旦捕捉到能量，如何“網住”能量，如何利用人體心臟的動能來穩定供電，是一個至關重要的問題。

　　蔣東杰提出的磁懸浮構型，為團隊找到了一條關鍵技術路徑，即將心臟單次的脈沖跳動轉化為持續的脈沖運動。

　　“心跳一次，發電模塊的磁鐵便能持續振動產生一組能量，在零點幾秒內，把間斷的心跳動能轉化為連續的電能，實現了能量的高效收集，又降低了器件的啟動門檻。”蔣東杰說。

　　“就好像蕩秋千，如果與地面接觸會有摩擦，很快就會停止；如果懸浮在空中，只需輕輕推一下，就能保持來回運動。”歐陽涵解釋，器件發電模塊最高輸出功率可達120微瓦，而起搏器正常工作僅需5-10微瓦，超過起搏器工作所需能量的10倍。

　　“能量供給的核心問題就此得到解決。”歐陽涵說。

　　穩定為心臟“供電”

　　在心臟內發電、放電，聽起來似乎是一件頗為“危險”的事情。發電過程中設備發熱是否會損傷心臟？心跳不規律是否會影響發電效率？設備是否存在漏電風險？

　　在進入動物實驗前，團隊先對全球所有心臟起搏設備的功耗數據展開全面調研，針對心臟運動的生理特點，如跳動幅度、加速度等數據進行精密計算，確定發電模塊的數值。

　　人在睡覺、運動等不同狀態下，心臟跳動的狀況也會隨之變化。在進入動物實驗前，團隊完成了0-90度全姿態測試，模擬人體平躺、側臥等不同姿勢下的心臟狀態。即便人體平躺時，在心臟收縮與發電模塊形成30度夾角的不利情況下，起搏器依然能實現每秒10微瓦以上的穩定供電，滿足心臟跳動的供能需求。

　　“這意味著，未來對于心跳過緩的患者，起搏器收集到的能量足以幫助他們恢復正常心跳節奏，也能適應感冒發燒、運動等潛在不利因素的影響。”歐陽涵說。

　　團隊不僅在穩定發電上反復測試，還在起搏器的“體型”上多次商討。從一個火柴盒大小，再到一顆膠囊大小，團隊讓這款微型共生型自供電無導線心臟起搏器的“體型”變得輕巧纖細。

　　很難想象，在一顆僅有1.5立方厘米膠囊大小的微型器件中，完整集成了備用電池、起搏電路、能量管理系統與發電模塊。方寸之間，五臟俱全。

　　其中，為進一步保障供電穩定，團隊在器件中裝入了一款備用電池，可實現約一個月的應急供電，為臨床處理預留了充足時間。

　　“小型化設計對于器件的性能要求極高。”蔣東杰解釋，團隊在器件裝置設計上迭代了十余版，圍繞實驗數據不斷驗證穩定性提升、損耗降低的辦法，幾經完善，最終在如膠囊大小的器件里完成能量回收與釋放，實現了利用人體生態系統的能量為器件供電的設想。

　　2025年，當科研成果進入專家評審環節時，評審專家提問：這款起搏器收集但未被釋放的能量，是否會對人體產生影響？

　　根據實驗，多余的能量導致電子器件溫度上升不超過0.01攝氏度，“對器件本身和心臟的影響幾乎可以忽略不計。”歐陽涵說。

　　有望為心臟病患者安上“充電寶”

　　作為全程參與動物實驗的臨床大夫，胡奕然的目標無比明確——要和團隊一起做一款能跟著患者一輩子的無導線心臟起搏器。

　　臨床中心臟病患者大都呈現心跳過緩的病理狀態。團隊搭建起完全模擬臨床的動物疾病模型。一開始，遞送裝置沒法精準送到心臟的指定位置，有時候不得不“拽回來”重新遞送。胡奕然回憶，“操作過程需要小心謹慎，避免損傷動物的心臟瓣膜，也要避免并發癥的出現。”

　　2021年12月，一條精準的“快遞通道”逐步形成：器件像放在傳送帶上一樣，能順著血管通路抵達心臟目標位置。

　　為了更精準地監測起搏器的工作狀態，團隊還為動物實驗豬配備了穿戴式全程心電貼片，進行長達一個月的持續監測。數據顯示，起搏器始終穩定工作，依靠自發電模塊持續為心臟起搏器供能實現心臟起搏。

　　實驗豬一切正常。

　　“當前，心臟起搏器是心跳過緩疾病唯一有效的治療方式。”作為一名臨床大夫，胡奕然明白，早期的有導線心臟起搏器是患者無奈的選擇——皮膚下要埋置火柴盒大小的脈沖發生器，兩根導線連接心臟和脈沖發生器，電池和導線都藏在體內。

　　“不僅影響外觀，感染的風險很高，而且導線的平均使用壽命也僅有十幾年，磨損后只能重新植入新的導線到心臟內部，每一次操作，都是對患者身體的又一次考驗。”胡奕然說。

　　隨著技術發展，如今臨床應用的無導線心臟起搏器，雖解決了導線的麻煩，但仍然面臨電池壽命只有10年左右的困局。目前國內上市應用的無導線心臟起搏器均來自外國進口，售價動輒16萬元上下，患者要承擔昂貴費用。即便能在短期緩解，可10年后，新的難題又接踵而至。

　　胡奕然解釋，廢置的無導線起搏器早已與心臟組織緊密纏繞，強行拆除輕則撕破心肌，重則導致心臟立即破裂。

　　也正因如此，這款微型共生型自供電無導線心臟起搏器的研發，讓胡奕然看到了真正造福心臟病患者的希望——不再受電池壽命的限制，無需反復手術植入，減輕治療費用。“如果這款產品未來運用到臨床，無論什么年齡段的患者，都能一次植入，終身受益。”胡奕然說。

　　七年磨一劍，微型共生型自供電無導線心臟起搏器已經通過動物實驗。而從實驗室的技術驗證到臨床的實際應用，還有一段更艱難的路程要走。2026年，團隊的目標是，進一步提升心臟起搏器的運行穩定性，確保達到終身工作狀態。

　　在歐陽涵看來，“共生生物電子”理念在未來有著無限可能性。若將此技術擴展到其他生命器件之中，開拓組織工程、神經調控、腦機接口等領域的應用新場景，將會推動生物醫療產品的迭代，惠及更多患者。

來源：中國青年報