真正意義上的植入式自驅(qū)動醫(yī)療電子器件

北京納米能源與系統(tǒng)研究所、北航生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心和海軍軍醫(yī)大的科學(xué)家們成功研制了共生型心臟起搏器（SPM, symbiotic cardiac pacemaker），它可以從心臟跳動中獲取能量，為自己提供電能。SPM的能量采集部分為植入式摩擦電納米發(fā)電機(jī)（iTENG），其具有柔性、良好的生物相容性、優(yōu)異的穩(wěn)定性和體內(nèi)高輸出性能等特點(diǎn)。在未來，植入式醫(yī)療電子設(shè)備可以利用人體能量實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動。

植入式醫(yī)療電子（IMEs, implantable medical electronics）是學(xué)術(shù)界、醫(yī)學(xué)界和產(chǎn)業(yè)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(yán)重心臟疾病的最重要IMEs之一。然而，目前大多數(shù)IMEs都由鋰電池進(jìn)行供能，續(xù)航能力有限，并且鋰電池占據(jù)了IMEs大部分的體積和重量。許多研究人員試圖延長IMEs的使用壽命，同時減少其尺寸和重量，這著實(shí)是一個不小的挑戰(zhàn)。除了研制更高能量密度的電池外，一些其他的方案也應(yīng)該值得關(guān)注，比如納米發(fā)電機(jī)和自驅(qū)動技術(shù)。

王中林院士和李舟研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)一直致力于自驅(qū)動技術(shù)的研究，特別是基于植入式納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動醫(yī)療電子設(shè)備的研究和開發(fā)。受生物共生現(xiàn)象的啟發(fā)（例如根瘤菌與植物間的共生），他們提出了基于植入式摩擦電納米發(fā)電機(jī)（iTENG, implantable triboelectric nanogenerator）的共生型心臟起搏器（SPM, symbiotic cardiac pacemaker）。SPM可將心跳的能量收集起來驅(qū)動起搏電路發(fā)出脈沖；這些脈沖同時又刺激心臟，使出現(xiàn)異常的心臟恢復(fù)正常。這樣SPM與心臟之間就達(dá)到了“相互依存、相互受益”的“共生”狀態(tài)。目前SPM已成功在大型動物（豬）體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了“全植入”的自驅(qū)動運(yùn)行，并成功進(jìn)行了心律不齊的治療。

每一個心臟運(yùn)動周期SPM可獲得的能量高達(dá)0.495 μJ，高于心臟起搏閾值能量（通常為0.377 μJ）。也就是說，SPM可實(shí)現(xiàn)“一次心跳，一次起搏”，這對自驅(qū)動心臟起搏器邁向臨床和產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。同時，SPM的實(shí)現(xiàn)也為新型自驅(qū)動醫(yī)療電子設(shè)備提供了一條嶄新的演化途徑。這項(xiàng)由北京納米能源與系統(tǒng)研究所、北航生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心和海軍軍醫(yī)大的科學(xué)家們共同研究的成果與2019年4月23日發(fā)表在 Nature CommunicaTIons ，標(biāo)題為SymbioTIc cardiac pacemaker 。

“從2009年開始，我們嘗試從器官和肌肉的運(yùn)動中收集生物機(jī)械能量。”項(xiàng)目的主要負(fù)責(zé)人之一李舟研究員說，“那時，我們制作了基于單根氧化鋅（ZnO）納米線的壓電型納米發(fā)電機(jī)，并成功收集了大鼠的心跳能量。但是，該裝置的輸出性能較低（1 mV開路電壓和1 pA短路電流），如何利用這些微小的能量是另一個挑戰(zhàn)?！?/p>

轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在2012年，王中林院士首次提出了基于摩擦起電和靜電感應(yīng)效應(yīng)的摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG），并用其實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化、存儲及電子設(shè)備的自驅(qū)動。TENG具有出色的輸出性能和能量轉(zhuǎn)化效率，更重要的是，TENG易于加工成多種不同的尺寸和結(jié)構(gòu)，以便用于不同的穿戴式和植入式應(yīng)用場景。

2014年，李舟研究員及其團(tuán)隊(duì)重新對TENG進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，使其能夠用于體內(nèi)的能量收集。考慮到體內(nèi)復(fù)雜的生化環(huán)境，他們采用了生物相容性好的高分子材料對TENG進(jìn)行封裝--這就是植入式摩擦納米發(fā)電機(jī)（iTENG）。iTENG的體內(nèi)輸出性能更加優(yōu)良：植入在大鼠皮下，利用呼吸的能量，可產(chǎn)生3.43 V的開路電壓和0.14 μA的短路電流。同時，他們利用這些電能成功驅(qū)動了心臟起搏器原型機(jī)。

《自然》雜志對上述這項(xiàng)發(fā)表在 Advanced Materials 的工作進(jìn)行了特色報道：“在大鼠體內(nèi)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，通過只有幾頁紙那么薄的器件來產(chǎn)生微瓦的能量，現(xiàn)在他們正在豬的體內(nèi)開展這項(xiàng)技術(shù)研究”（原文：began tesTIng the system in rats, creaTIng milliwatts of energy from a device the thickness of a few sheets of paper. Now his team is testing the same technology in pigs）。iTENG和基于iTENG的自驅(qū)動心臟起搏器引起了學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。

“讓心臟起搏器能夠以自驅(qū)動的方式運(yùn)行是一件極具挑戰(zhàn)同時也很有意義的事情，”李舟研究員說到，“我們的身體有大量可以利用的能量，例如心跳和呼吸。iTENG的體內(nèi)輸出性能明顯優(yōu)于壓電型納米發(fā)電機(jī)。這意味著許多電子設(shè)備，特別是植入式醫(yī)療電子設(shè)備，如起搏器等，可以通過iTENG實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動”。

現(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了共生型心臟起搏器，這是iTENG和自驅(qū)動醫(yī)療電子設(shè)備走向?qū)嶋H應(yīng)用和臨床使用邁出的堅(jiān)實(shí)一步。正如王中林教授所說，“在未來，傳感器、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、醫(yī)療電子器件和便攜式電子設(shè)備都可以從周圍環(huán)境中提取能量為自己供電。電子設(shè)備正進(jìn)入自驅(qū)動時代”，更為便捷的生活方式和更加智能的電子設(shè)備已經(jīng)逐漸進(jìn)入我們的生活并將改變世界。