導(dǎo)     語(yǔ)

你是否想過(guò)，未來(lái)的心臟起搏器可以像米粒般微小，術(shù)后無(wú)需開(kāi)胸取器？《自然》最新研究帶來(lái)顛覆性突破！科學(xué)家團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一款毫米級(jí)生物可吸收光電子起搏系統(tǒng)，僅米粒大小（1.8×3.5×1毫米），卻集無(wú)線控制、自供電、多部位同步起搏于一身！傳統(tǒng)臨時(shí)起搏器需開(kāi)胸或血管手術(shù)植入，易引發(fā)感染、心肌損傷等風(fēng)險(xiǎn)。而這項(xiàng)“黑科技”可通過(guò)微創(chuàng)注射直接植入心肌，術(shù)后1-2年內(nèi)被人體自然吸收，免除二次手術(shù)痛苦！更神奇的是，設(shè)備搭載智能皮膚貼片，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心電圖，一旦發(fā)現(xiàn)心律失常，立即通過(guò)近紅外光無(wú)線觸發(fā)起搏，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)精準(zhǔn)治療！

1.研究背景

在臨床醫(yī)療場(chǎng)景中，臨時(shí)起搏器是救治術(shù)后等短期心動(dòng)過(guò)緩患者的關(guān)鍵技術(shù)，廣泛應(yīng)用于心臟術(shù)后護(hù)理、心梗急救及藥物過(guò)量等緊急情況，尤其對(duì)兒科和成年心臟手術(shù)患者而言不可或缺。然而，傳統(tǒng)臨時(shí)起搏器依賴心外膜或經(jīng)靜脈植入起搏導(dǎo)線，需實(shí)施開(kāi)胸手術(shù)或血管內(nèi)介入手術(shù) —— 前者伴隨術(shù)后恢復(fù)慢、住院周期長(zhǎng)及明顯手術(shù)瘢痕等問(wèn)題，后者對(duì)存在禁忌證的成年患者及體型小、生長(zhǎng)發(fā)育快的兒科患者操作難度大。此外，臨床實(shí)踐中還面臨導(dǎo)線感染、心肌撕裂穿孔、外部設(shè)備移位等并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)患者安全構(gòu)成威脅。盡管生物可吸收材料與植入設(shè)備的研究已取得進(jìn)展，但現(xiàn)有技術(shù)受限于物理尺寸、手術(shù)創(chuàng)傷、患者負(fù)擔(dān)及控制機(jī)制，難以滿足臨床對(duì)微創(chuàng)化、智能化電療設(shè)備的需求。

基于上述挑戰(zhàn)，本文聚焦一種毫米級(jí)生物可吸收光電子系統(tǒng)的研發(fā)，該系統(tǒng)集成內(nèi)置電源與無(wú)線光學(xué)控制機(jī)制，旨在通過(guò)超小尺寸實(shí)現(xiàn)經(jīng)皮注射、血管內(nèi)輸送等微創(chuàng)植入，為臨時(shí)心臟起搏及神經(jīng)再生、傷口治療等電療領(lǐng)域提供全新解決方案。

2.研究概述

針對(duì)傳統(tǒng)臨時(shí)起搏器依賴侵入性手術(shù)、并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)高及設(shè)備移除不便等臨床痛點(diǎn)，本文報(bào)道了一種毫米級(jí)生物可吸收光電子系統(tǒng)，通過(guò)跨學(xué)科設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了自供電、無(wú)線光學(xué)控制與微創(chuàng)植入的創(chuàng)新融合。 

該設(shè)備尺寸僅 1.8mm×3.5mm×1mm（約米粒大小），以鎂合金（陽(yáng)極）與三氧化鉬（陰極）為核心電極，利用心臟組織液作為電解質(zhì)形成原電池，通過(guò)近紅外光激活硅基光電晶體管控制電流輸出，無(wú)需外接導(dǎo)線或電池。

可注射、自供電、生物可吸收的無(wú)線光電子控制心臟起搏器設(shè)計(jì)

（圖片來(lái)自論文）

體外測(cè)試中，在 Langendorff 灌流的豬和人類心臟表面植入設(shè)備，證明其可通過(guò)光強(qiáng)、頻率和占空比精準(zhǔn)調(diào)控起搏電流、速率及脈沖寬度，成功實(shí)現(xiàn)單部位及多部位（左心室、右心室、希氏束）起搏。

人類和豬心臟的光電特性及離體起搏研究

（圖片來(lái)自論文）

體內(nèi)植入于小鼠、大鼠、犬類模型，經(jīng)皮注射或血管內(nèi)輸送后，近紅外光穿透皮膚激活設(shè)備，在犬類心臟實(shí)現(xiàn) 240 次 / 分穩(wěn)定起搏，閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)合皮膚接口設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心電圖，自動(dòng)觸發(fā)心律失常時(shí)的起搏干預(yù)。

犬類模型中起搏器注射及閉胸起搏的體內(nèi)演示

（圖片來(lái)自論文）

臨床場(chǎng)景拓展中，通過(guò)波長(zhǎng)分復(fù)用技術(shù)（WDM）實(shí)現(xiàn)雙腔及雙心室同步起搏，改善心力衰竭患者的心室電活動(dòng)同步性，并創(chuàng)新性地將多個(gè)設(shè)備集成于經(jīng)導(dǎo)管主動(dòng)脈瓣置換術(shù)（TAVR）支架，在離體人類心臟模型中驗(yàn)證了預(yù)防術(shù)后房室傳導(dǎo)阻滯的可行性。

犬類模型中多部位時(shí)間同步起搏的體內(nèi)演示

（圖片來(lái)自論文）

3.研究意義

該系統(tǒng)的核心優(yōu)勢(shì)在于：超微創(chuàng)植入（可通過(guò) < 3mm 直徑導(dǎo)管注射）、生物可吸收特性（材料降解產(chǎn)物為水溶性物質(zhì)，1.2-2.5 年內(nèi)完全吸收，避免二次手術(shù)移除）、兼容性（支持 MRI/CT 成像）及多功能拓展（可適配神經(jīng)再生、傷口治療等電療場(chǎng)景）。從材料篩選（鎂 / 鋅電極、聚酸酐封裝）到機(jī)制驗(yàn)證（有限元分析電流密度、蒙特卡洛模擬光穿透深度），再到多物種模型（小鼠至人類心臟）的跨尺度實(shí)驗(yàn)，研究系統(tǒng)性論證了其安全性與有效性，為短期電療設(shè)備提供了 “即置即用、無(wú)需移除” 的全新解決方案，推動(dòng)心臟起搏技術(shù)向微型化、智能化、生物整合化邁進(jìn)。

文章來(lái)源：Zhang, Y., Rytkin, E., Zeng, L. et al. Millimetre-scale bioresorbable optoelectronic systems for electrotherapy. Nature 640, 77–86 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08726-4