导 语
近日，Shaolei Wang和加州大学洛杉矶分校科学家组成的研究小组设计了一种生物相容性无线微电子设备——血管内植入和起搏的微管起搏器。该成果发表在 《Science Advances》上。
1、研究背景
微刺激器被广泛植入心脏、胃、神经和泌尿系统等设备中以维持生命。然而，现有的起搏导线容易出现脱位、断裂和绝缘缺陷等问题，导致并发症的发生率较高。开发下一代无导线、无电池的起搏器并能通过微创手术植入，是生物医学工程领域现存的挑战。
为了解决起搏导线相关并发症，已经开发了无导线起搏器。然而，目前的无导线起搏器仍存在装置植入、穿透心肌和脱位等问题，并且仅能用于单腔起搏。
在供电方面，近年来，已经出现了使用不同能量收集机制的柔性自供电设备，以实现无电池操作。然而，由于操作稳定性和输出功率不佳，自供电起搏器仍处于研究阶段。另一种可行的策略是通过无线能量传输（如磁感应、无线电频率和超声波）在体内给起搏器充电。然而，目前的方法需要开胸手术将生物电子贴片植入心外膜，但这种方法是否会引起长期心包炎和装置迁移的问题尚待确定。
2、研究概述
基于功能化导电聚合物的设计，研究团队设计了功能化聚苯胺基时序黏附水凝胶贴片。它可以实现心脏的同步机械生理监测和电耦合治疗，并牢固附着在心脏表面监测心脏的机械运动和电活动。
研究人员开发出一种自组装的可植入微管式起搏器，该起搏器轻巧且无需导线，能够为血管内心肌起搏和机械耦合提供高电输出和操作稳定性。这种微管起搏器旨在减少由于装置固定在心肌上而造成的机械负担以及与起搏导线相关的医疗并发症。无线射频模块嵌入在薄柔性聚酰亚胺膜中，用于接收外部发射器的电力传输。聚酰亚胺膜用弹性体层封装，与电路绝缘。这种封装为用于血管内部署和植入的微管装置的滚动自组装过程提供了粘性。
图1：用于无线起搏的植入式微管起搏器
（图片来自原文）
为了优化微管起搏器的功率传输效率，研究人员还设计了一种便携式射频功率发射器，能够将 5 V 的直流脉冲传输到双极电极（阳极和阴极）以进行电刺激。
图2：血管内植入微管起搏器以恢复血液动力学血流
A)、B) ECG 和 SpO 2监测响应 70 至 120 bpm 的心脏收缩。C) 示意图说明了双工超声的放置以及所检测到股动脉血流。D) 脉冲波多普勒检测到响应心脏收缩的脉动动脉血流。E) t1至t4表示不同心动周期的多普勒信号。t1对应舒张期，t2对应收缩早期，t3对应收缩中期，t4对应收缩末期。颜色梯度表示流向后肢的血流速度的方向和大小。F)脉冲波多普勒检测到股动脉血流量响应 70 至 120 bpm 的心脏起搏。
（图片来自原文）
研究人员在将该起搏器植入心前静脉（ACV）后，证实微管起搏器能够为停跳心脏重新提供能量。
该文献还介绍了实验所用材料和该装置的制造方法。
3、研究意义
这种自组装的微管式起搏器为血管内部署起搏器提供了一种新方法，转化后成果对心脏、胃、神经和泌尿系统的刺激也具有一定意义。自组装的微管式起搏器能够使快速复苏停跳心脏或者执行超速起搏。这种实施方案消除了生物电子学中储存电荷的需求，并避免了开放式胸腔轮廓切开术所带来的风险和相关医疗负担。
参考文献：Shaolei Wang et al.,A self-assembled implantable microtubular pacemaker for wireless cardiac electrotherapy.Sci. Adv.9,eadj0540(2023).DOI:10.1126/sciadv.adj0540
