導(dǎo)語(yǔ)

在可吸收生物電子設(shè)備領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)毫米級(jí)可降解光電系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)心臟電刺激具有重要意義。本研究通過(guò)構(gòu)建包含鎂合金陽(yáng)極、三氧化鉬陰極和硅光敏晶體管的自供能心臟起搏器，結(jié)合無(wú)線光學(xué)控制機(jī)制，深入探究了可吸收材料在心臟起搏中的應(yīng)用潛力。研究發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備通過(guò)近紅外光激活，能夠在多種動(dòng)物模型中實(shí)現(xiàn)精確的心臟起搏，且無(wú)需外部電源，主要通過(guò)生物可吸收材料的電化學(xué)反應(yīng)提供動(dòng)力。實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)備在植入后可維持16天以上的穩(wěn)定運(yùn)行，且在植入后1.2至2.5年內(nèi)完全生物降解，無(wú)須二次手術(shù)取出。相關(guān)研究成果已發(fā)表在《Nature》期刊上，為未來(lái)可吸收醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了新的視角。

研究背景

傳統(tǒng)心臟起搏器依賴(lài)外部電源和導(dǎo)線傳輸能量，其工作原理基于電極與心肌組織的直接接觸，通過(guò)電信號(hào)刺激心臟收縮。然而，這種技術(shù)受限于侵入性手術(shù)、感染風(fēng)險(xiǎn)以及對(duì)患者的長(zhǎng)期生理負(fù)擔(dān)。為突破這些局限，本研究提出了一種基于生物可吸收材料的光電系統(tǒng)，通過(guò)自供能機(jī)制和無(wú)線光學(xué)控制實(shí)現(xiàn)心臟起搏。

該設(shè)備的核心原理在于利用鎂合金和三氧化鉬構(gòu)建原電池，通過(guò)心肌組織和生物液體作為電解質(zhì)形成電化學(xué)反應(yīng)。鎂的氧化反應(yīng)和三氧化鉬的還原反應(yīng)共同產(chǎn)生電流，而硅光敏晶體管則作為光學(xué)開(kāi)關(guān)，通過(guò)近紅外光信號(hào)調(diào)控電路的通斷。這種設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了完全的生物可吸收性，還通過(guò)光控機(jī)制實(shí)現(xiàn)了精確的電流調(diào)節(jié)，為心臟電刺激提供了一種全新的技術(shù)路徑。

此外，設(shè)備的毫米級(jí)尺寸和無(wú)線光學(xué)控制機(jī)制使其能夠通過(guò)微創(chuàng)注射或血管內(nèi)遞送植入，顯著降低了手術(shù)創(chuàng)傷和患者風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)備在多種動(dòng)物模型中的有效性，并展示了其在多點(diǎn)同步起搏和閉環(huán)控制方面的潛力。這一研究為心臟電刺激領(lǐng)域提供了原理性突破，同時(shí)為未來(lái)可吸收醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

2.研究概述

本研究聚焦于心臟電刺激技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，通過(guò)開(kāi)發(fā)一種毫米級(jí)可吸收光電系統(tǒng)，深入探索其在心臟起搏中的潛力。該設(shè)備基于自供能機(jī)制和無(wú)線光學(xué)控制，利用鎂合金陽(yáng)極、三氧化鉬陰極和硅光敏晶體管構(gòu)建電極系統(tǒng)，并結(jié)合生物可吸收材料實(shí)現(xiàn)完全降解。研究通過(guò)多種動(dòng)物模型，驗(yàn)證了設(shè)備在植入后能夠通過(guò)外部光強(qiáng)調(diào)節(jié)剛度和輸出電流，并在1.2至2.5年內(nèi)完全降解。實(shí)驗(yàn)采用微創(chuàng)注射和血管內(nèi)遞送方式植入設(shè)備，結(jié)合三維光學(xué)模擬和電生理記錄，驗(yàn)證了設(shè)備在不同深度組織中的穩(wěn)定運(yùn)行能力。研究結(jié)果表明，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)單點(diǎn)和多點(diǎn)同步起搏，并支持閉環(huán)控制系統(tǒng)，為心臟再同步治療和雙腔起搏提供了全新解決方案。此外，設(shè)備的材料設(shè)計(jì)和工程機(jī)制具有廣泛的適用性，可擴(kuò)展到神經(jīng)再生、骨骼修復(fù)和疼痛管理等電刺激療法中。本研究通過(guò)對(duì)可吸收材料與無(wú)線光學(xué)控制的創(chuàng)新結(jié)合，為心臟電刺激領(lǐng)域提供了突破性解決方案，同時(shí)為未來(lái)個(gè)性化醫(yī)療和精準(zhǔn)治療提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

圖1. 設(shè)備設(shè)計(jì)。尺寸：1.8毫米×3.5毫米×1毫米，與一粒米相當(dāng)。

（圖片來(lái)自論文）

圖2. 通過(guò)微創(chuàng)注射植入心肌。（圖片來(lái)自論文）

圖3. 通過(guò)外部光信號(hào)實(shí)現(xiàn)無(wú)線光學(xué)控制的閉環(huán)調(diào)節(jié)機(jī)制。光敏晶體管在光照下降低電阻，激活由陽(yáng)極、陰極和組織電解質(zhì)構(gòu)成的原電池。

（圖片來(lái)自論文）

圖4. 設(shè)備的生物可吸收性及其降解過(guò)程。鎂陽(yáng)極和三氧化鉬陰極分別生成氫氧化鎂和鉬酸，硅光敏晶體管和聚酸酐封裝材料最終降解為水溶性產(chǎn)物并被人體排出。

（圖片來(lái)自論文）

圖5. 起搏器在人體心臟模型中的應(yīng)用，以及起搏時(shí)的EDG信號(hào)（包括左心室、右心室和希氏束的起搏效果）。放置后效果良好。

（圖片來(lái)自論文）

圖6. （a）在大鼠中的植入位置；（b）設(shè)備實(shí)物圖；（c）設(shè)備結(jié)構(gòu)；（d）設(shè)備的硬件架構(gòu)和工作流程。在（d）中，設(shè)備通過(guò)透皮電極采集ECG信號(hào)，經(jīng)過(guò)模擬前端（AFE）放大和濾波后，由Cortex M4 CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。CPU通過(guò)藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備，并根據(jù)心率檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)控制LED的光刺激，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。

（圖片來(lái)自論文）

圖7. 在大鼠模型中的實(shí)驗(yàn)效果。ECG記錄顯示了設(shè)備在檢測(cè)到心率低于設(shè)定閾值（220 bpm）時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)起搏，將心率提升到240 bpm。

（圖片來(lái)自論文）

3.研究意義

本研究通過(guò)開(kāi)發(fā)毫米級(jí)可吸收光電心臟起搏器，提出了一種基于自供能機(jī)制和無(wú)線光學(xué)控制的全新技術(shù)路徑，揭示了生物可吸收材料在心臟電刺激領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。設(shè)備通過(guò)鎂合金陽(yáng)極、三氧化鉬陰極和硅光敏晶體管的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了完全的生物可吸收性，并通過(guò)外部光信號(hào)精確調(diào)控心臟起搏。這一技術(shù)不僅克服了傳統(tǒng)起搏器的侵入性、感染風(fēng)險(xiǎn)和術(shù)后護(hù)理負(fù)擔(dān)，還為心臟再同步治療和雙腔起搏提供了全新解決方案。設(shè)備的微創(chuàng)植入方式和廣泛適用性使其在神經(jīng)再生、骨骼修復(fù)和疼痛管理等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。此外，該技術(shù)為經(jīng)導(dǎo)管主動(dòng)脈瓣置換術(shù)（TAVR）術(shù)后傳導(dǎo)障礙的管理提供了創(chuàng)新解決方案，簡(jiǎn)化了手術(shù)流程并降低了術(shù)后并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)，顯著改善了患者的術(shù)后生活質(zhì)量。這一研究為心臟電刺激技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域的理論完善和臨床應(yīng)用提供了重要推動(dòng)作用。

文章來(lái)源：Yamin Zhang, Eric Rytkin, Liangsong Zeng, et al. Millimetre-scale bioresorbable optoelectronic systems for electrotherapy. Nature, 2025; 640: 77-86 DOI: 10.1038/s41586-025-08726-4