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你的心跳可,心功能评估与心脏监护的自驱动超

时间:2019-11-13 21:04来源:信息科学
植入式微小型电子器件和系统在日常生活中的应用日益举足轻重,如心脏起搏器、神经假体、胰岛素自动给药系统等,但如何实现长期、持续、稳定的供能成为实际应用的主要瓶颈。

植入式微小型电子器件和系统在日常生活中的应用日益举足轻重,如心脏起搏器、神经假体、胰岛素自动给药系统等,但如何实现长期、持续、稳定的供能成为实际应用的主要瓶颈。

扑通、扑通、扑通,当你的心脏欢呼跳跃时,只能任其自由狂奔?事实上,我们的身体存有大量可以利用的能量,心跳就是其中一个。如今,利用心跳发电这一看似不可能的梦想,正借助科技的力量照进现实。

近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员李舟与王中林研究团队、北京航空航天大学生物与医学工程学院教授樊瑜波研究团队,与第二军医大学附属长海医院胸心外科教授张浩团队三方合作,在自驱动心功能监测领域取得新进展,相关研究成果发表在最新一期的《先进功能材料》(Advanced Functional Materials你的心跳可,心功能评估与心脏监护的自驱动超灵敏心内压传感器研究获进展。)上。

信息科学技术学院张海霞教授课题组与中国人民解放军第二军医大学附属上海长海医院张浩博士课题组在心血管能量采集领域长期合作,提出了采用条带状聚偏氟乙烯薄膜环绕心脏升主动脉,构成压电式微型发电机,用来采集心脏搏动收缩过程中所产生的机械能并转化为电能的植入式微型能量采集器。

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心血管疾病的致死率在全球范围内不断攀升,严重危害人类健康。就心力衰竭而言,全世界约有2300万患者,且每年新增患者200万名。中国心衰患者约500万,五年生存率<50%。心衰是指由于心脏的收缩功能和舒张功能发生障碍,心脏泵血不足而发生的呼吸困难、无力、疲劳、劳动力丧失等,导致患者生活质量低下并带来沉重经济负担。心脏泵血能力的关键指标是心内压力,如心房和心室压力。心内压是评估心脏功能的关键参数,对心衰患者具有重要的临床意义。心内压通常通过侵入性心脏导管插入术来监测,价格昂贵且难以实现实时连续的数据采集。在实际应用中,间歇性测量也可能引起偶发性症状的遗漏而导致误诊。因此,临床上急需开发一种微创的、高灵敏度、低成本传感器来实时监测心内压,这在心血管疾病的诊断与治疗领域有着重要的意义。

课题组从体外、体内测试两方面对植入式压电式微型能量采集器进行深入研究。在体外测试中,搭建一个基于主动脉球囊反搏泵、心电监控仪、数据采集卡和乳胶管的测试平台,用于精确模拟心脏搏动收缩过程中升主动脉的形变,在体外条件下器件的最大瞬时输出达到10.3 V、400 nA和681 nW,单个脉冲信号充电能力达7~9 nC。在体内试验中,将采用PI整体封装后的器件成功植入成年比格犬体内,在心跳120 bpm和血压160/105 mmHg的条件下,器件输出电流和电压分别达到1.5 V和300 nA,且可以在40 s内将1 μF电容充电至1 V。可见,该可植入的压电式微型能量采集器能够成功地将心脏升动脉搏动能量收集并转化电能,有望成为植入式电子装置的新型稳定供能系统。

前不久,国际顶级学术期刊《自然—通讯》发表一篇论文,介绍了中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员李舟、中国科学院外籍院士王中林及其同事联合研发的一款可植入式自驱动心脏起搏器:无需电池供能,仅从心脏搏动中就能收集足够的能量,确保心脏起搏器工作。这项突破意味着,诸多患者今后不必再为更换电池失效的起搏器遭受多次手术之苦了。

先进功能材料、电子器件和纳米技术协同发展不断促进医学生理信号传感的升级。2012年王中林提出基于摩擦电和静电感应耦合的摩擦纳米发电机,此器件能够将机械能转换为电能。由于TENG具有研制材料来源广、低成本、力电转化效率高等特性,受到越来越多的科研人员的关注。李舟课题组长期探究TENG在生物医学领域的应用,特别聚焦于心血管系统。他提出的植入式摩擦纳米发电机可将不同形式的生物机械能转换成电能,并且iTENG的电学信号中蕴藏着丰富的生理信号,使得iTENG兼具能源器件和主动式传感器的特征。2014年开始,iTENG首次利用呼吸大鼠产生的电能驱动心脏起搏器(DOI: 10.1002/adma.201402064);2016年iTENG研究工作继续推进,应用到大型哺乳动物体内,该器件被植入小型猪的心包间隙,成功将心跳产生的机械能转化为电能,实现了自驱动的心率远程实时监控(DOI: 10.1021/acsnano.6b02693);2017年研发出无需信号放大就可蓝牙传输、针对心血管疾病进行预警和诊断的自驱动超高灵敏脉搏传感器(DOI: 10.1002/adma.201703456)。

日前,上述研究工作以题为《采集心脏升主动脉搏动能的微型柔性植入式压电能量采集器》的学术论文,发表于微纳能源领域的重要国际学术期刊《纳米能源》,张浩博士、张晓升博士和博士生程晓亮为论文共同第一作者,张海霞教授和徐志云教授为共同通讯作者。

现实:锂电池笨重寿命短

随着研究的不断深入,并且根据临床监测心内压的实际需求,李舟与其合作者继续推进微型化iTENG的研发,研制出能够通过微创手术进入心腔内实时监测心内压的自驱动心内压传感器。在该研究工作中,SEPS结合导管入心腔,需实现器件的微型化,微型化势必使得器件输出性能大打折扣。因此,要实现具有高输出、超灵敏度的微型iTENG,器件本身的研制就是一个不小的挑战。基于以上要求,在构建SEPS器件的过程中,博士研究生刘卓和欧阳涵运用高压电晕放电极化聚合物摩擦层,使得尺寸微型化的SEPS(1 cm × 1.5 cm × 0.1 cm)的最高输出电压达到6.2 V,比对照组高6倍。同时,研究者通过血液相容性、长效稳定性等实验,证明SEPS有良好的生物安全性,具有长期植入体内工作的能力。此外,体外模拟实验表明该器件对于压力变化有着高灵敏度 (1.195 mV/mmHg) 和优异的线性度。

提起心脏起搏器,很多人并不陌生,它是治疗心律失常和心力衰竭等严重心脏疾病的重要医疗设备。然而,包括心脏起搏器在内的众多植入式医疗电子器件都面临着一个尴尬的现实问题——由锂电池供能,笨重坚硬,续航能力有限。

基于体外实验的验证结果,在博士马也和石波璟协助下,SEPS结合导管通过微创手术进入大型哺乳动物——猪的心腔。相比大创口的手术,微创手术切口约2 cm,有效降低了术后感染概率和恢复难度。通过该器件电压输出与压强的线性关系,并使用心电图和股动脉压作为参照,SEPS进入心腔后实现了对心内压的实时监测,对于心房内的较低压力与心室内的较高压力都有很好的测量效果。利用肾上腺素辅助加强心脏收缩与舒张后,置于心室和心房内的SEPS数据均实现了实时匹配。对比分析SEPS在左心室最大输出值和股动脉压最大值,两者呈现良好的线性关系,符合临床实际。此外,在动物实验中偶发的心律失常事件,如早搏、室颤等,也被SEPS实时监测到。

“以普通心脏起搏器为例,电能供给只能维持7至10年。其中,电池占据了起搏器50%以上的体积和60%以上的重量。”李舟说。由此带来的问题绝不仅是换块电池那么简单。由于心脏起搏器位于人体内,一旦电力耗尽,就需要开展手术才能更换。对于患者来说,这不仅是一次痛苦的体验,甚至还会面临机体感染等风险。

综上,该工作是首个基于TENG构建植入式心内压监测器件的研究,进一步拓宽了基于iTENG的传感器的应用场景——从体表、皮下和心包间隙延伸进入心腔,能够获取更深层次的生理信息。该研究具有向医疗器件发展的重要潜力,为微型化植入式自驱动医疗传感器件的研究提供了新的思路。

延长植入式医疗电子器件使用寿命,同时减少其尺寸和重量——一部分科学家将研究目标对准了拥有更高能量密度的锂电池。那么,能否一劳永逸地解决电池问题呢?

该项工作得到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市拔尖人才、北京市自然科学基金以及国家万人计划“青年拔尖”人才的经费支持。

李舟等人另辟蹊径,开始探索研究其他的能量供给方案,比如,纳米发电机。这样的想法并非异想天开。早在2005年,王中林和他的学生就巧妙利用纳米材料的特性,研制出将机械能转化为电能的全球最小发电机——纳米发电机。在王中林的设想中,这一创新可以用来收集人体运动等产生的能量,并将这些能量转化为电能提供给相关电子器件,从而实现用电器件的“自驱动”。

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在王中林的启发下,2009年,李舟等人尝试从器官和肌肉的运动中收集生物机械能量。那时,他们制作了基于单根氧化锌纳米线的压电式纳米发电机,并成功收集了大鼠心跳和呼吸运动的能量。

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然而,理想很丰满,现实很骨感。“该装置输出的电能较低,无法驱动电子器件。”李舟坦陈。

图1 心衰疾病和常见心脏导管

探索:全新摩擦纳米发电机

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探索的脚步没有就此停滞。2012年,在原有研究基础上,王中林率先提出摩擦纳米发电机的概念,其基本工作原理是基于摩擦起电和静电感应的耦合,将微小的机械能转换为电能。

图2 体外实验

可是学过物理的人都知道,摩擦只产生电压,没有电流,无法利用。既然如此,如何发电?故事要从一次意外发现讲起。2011年,王中林的学生在测试一款纳米发电机时,偶然发现了3至5伏的电压信号。而一般情况下,电压信号仅为1至2伏。这一特殊现象究竟是何缘故?经过反复实验,王中林发现高出来的电压是由摩擦产生的。

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随后,王中林在历经一次次失败的实验后又发现,在两种高分子材料相接触的过程中,可以产生电荷分离,再利用静电感应效应,他带领研究团队构建了一个全新的纳米器件——摩擦纳米发电机。这一颠覆性的技术与传统电磁感应发电机相比,无需磁铁的累赘,轻便简捷,输出性能很好,为有效收集机械能提供了可能。

图3 大型哺乳动物——猪体内实验

“实验证明,摩擦纳米发电机可以从走路、说话等低频运动中收集能量。而人体本身蕴含着巨大的能量,其中肌肉和肢体运动中的生物机械能最为充沛。”王中林、李舟团队满怀热情投入到基于纳米发电机的植入式和穿戴式自驱动医疗电子器件的研究中。

“让心脏起搏器能够以自驱动的方式运行,这是一件很有意义但也极具挑战性的事。我们的研究重点在于,如何通过自驱动的方式大大延长目前植入式心脏起搏器的使用寿命,甚至实现‘一次植入,终生使用’。”李舟表示。

挑战:植入式器件小型化

2014年,李舟带领团队再接再厉,重新设计制备了可用于生物体内能量收集的植入式摩擦纳米发电机,并将其植入大鼠体内,成功收集并转化了大鼠呼吸运动所产生的能量,再以电能的形式储存起来,最终实现了心脏起搏器原型机的驱动。

向着科学的高峰继续攀登,如今,王中林、李舟等人研制出新一代、真正意义上的自驱动心脏起搏器——共生型心脏起搏器。试验显示,目前在每一个心脏运动周期SPM可获得能量0.495μJ,高于心脏起搏器发出一次起搏电脉冲的阈值能量(通常为0.377μJ)。换句话说,SPM在每次心动周期所收集的能量已经超过了起搏人类心脏所需要的能量。

“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。”李舟说,目前,研究团队在细胞层面验证了植入式共生心脏起搏器的生物相容性,之前的研究工作也证实这类器件具备良好的组织相容性和血液相容性。“可以说,器件的生物相容性是非常良好的。”李舟表示。

据介绍,SPM的工作原理是将一个纳米材料组装成的柔性薄片器件贴附在心脏表面,当心脏跳动时,薄片发生形变并产生电能。目前,SPM已在大型动物体内实现了“全植入”的自驱动运行,并成功开展了大动物模型心律不齐的治疗。

不过,植入式器件的生物安全性仍需要经过长期严谨的研究验证。“此外,虽然器件获得的能量已经达到0.495μJ,但要使其实现更多功能,满足更多应用场景的需求,这些能量仍然不够。”李舟透露,下一步,他们的研究重点是植入式器件的小型化、长效的生物安全性等,预计在5至10年内有望开展临床试验。

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