科學也可以如此靠近

撲通撲通撲通,你的心跳可「發電」

4月
27
2019

2019年4月27日14時 經濟日報

經濟日報

撲通、撲通、撲通,當你的小心臟歡呼跳躍時,只能任其自由狂奔?其實,我們的身體有大量可以利用的能量,心跳就是其中一個。

若能將這些能量收集起來用於驅動心臟起搏器或其他植入式醫療電子器件,實現自驅動,或許可以實現「一次植入,終生使用」。

圖片說明:共生心臟起搏器(SPM)系統示意圖。(論文配圖)

這一看起來遙不可及的夢想如今正一點點變為現實。日前《自然—通訊》發表的一篇論文,介紹了一種無需電池、可以收集心跳產生的能量的裝置,以給心臟起搏器供能。這一裝置被植入成年豬體內後,還能糾正竇性心律不齊(一種心臟節律不規則)。

圖片說明:論文首頁。

植入式醫療電子器件是學術界、醫學界和產業界的一個熱門話題。例如,心臟起搏器是治療心律失常和心力衰竭等嚴重心臟疾病的最重要植入式醫療電子器件之一。然而,目前大多數植入式醫療電子器件都由鋰電池進行供能,這些電池不僅笨重堅硬,而且壽命較短。

「一般的起搏器其電能供給只能維持7-10年,它們占據了起搏器50%以上的體積和60%以上的重量。如果僅僅依靠傳統的電池為起搏器供能,目前新型的柔性及可拉伸電子醫療器件都難以實現。」論文的作者之一、中國科學院北京納米能源與系統研究所研究員李舟說。

延長植入式醫療電子器件的使用壽命,同時減少其尺寸和重量,一部分科學家將研究目標對準更高能量密度的電池,李舟等人則另闢蹊徑,考慮一些其他的能量供給方案,比如,納米發電機和自驅動技術。

這樣的想法並非靈光乍現。早在2009年,李舟等人已經嘗試從器官和肌肉的運動中收集生物機械能量。那時,他們製作了基於單根氧化鋅納米線的壓電型納米發電機,並成功收集了大鼠的心跳能量。

理想很豐滿,現實很骨感。李舟坦陳,該裝置的輸出性能較低,如何利用這些微小的能量是一個挑戰。

故事的轉折發生在2012年。這一年,論文的另一位作者、中科院外籍院士王中林提出了摩擦納米發電機和自驅動的設想:自驅動器件可以從環境中採集能量維持運行,並成功實現了機械能到電能的轉化、存儲及利用。

「人體本身蘊含著巨大的能量,其中器官和肢體的機械運動最為充沛。」在王中林的啟發下,2014年李舟團隊再接再厲,重新設計製備了可用於生物體內能量收集的植入式摩擦納米發電機,並實現了大鼠呼吸能量的收集與心臟起搏器原型機的驅動。植入式摩擦納米發電機的工作原理基於摩擦起電和靜電感應的耦合效應,而摩擦起電和靜電感應都是生活中常見的現象。

圖片說明:可彎曲的植入式摩擦納米發電機。(論文配圖)

咬住青山不放鬆,如今李舟等人研製了新一代的、真正意義上自驅動心臟起搏器——共生心臟起搏器(SPM)。目前,每一個心臟運動周期的SPM可獲得的能量高達0.495μJ(微焦耳),高於心臟起搏閾值能量(通常為0.377μJ)。換句話說,每次心動周期所收集的能量已經超過了人類心臟起搏所需要的能量。

「SPM可實現『一次心跳,一次起搏』,這對自驅動心臟起搏器的邁向臨床和產業化具有重要意義。」李舟說,目前研究團隊在細胞層面驗證了植入式共生心臟起搏器的生物相容性,之前的研究工作也證實這類器件良好的組織相容性和血液相容性。「可以說,這類器件的生物相容性是非常良好的。」

圖片說明:植入式共生心臟起搏器已成功進行動物實驗。(論文配圖)

他告訴記者,目前植入式共生心臟起搏器已在大型動物(豬)體內實現了「全植入」的自驅動運行,並成功進行了心律不齊的治療。但是植入式器件的生物安全性往往需要嚴謹的長期的研究驗證,這還需要一定的時間。此外,他們的器件可獲得的能量雖然已經達到0.495μJ,但是要使其實現更多的功能,滿足更多的應用場景的需求,這些能量還是不夠的。下一步,他們的研究重點是植入式器件的小型化、高能量效率、長效的生物安全性等,預計在5—10年內可以進行臨床試驗。


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