光控毫米级可吸收起搏器技术

世界最小起搏器：光控、可注射、体内溶解

该微型装置可通过注射器植入，无需使用时会在体内自然溶解。

关键日期： 2025年4月2日

资料来源： 某机构（原西北大学）

核心摘要： 这种比米粒还小的新型起搏器特别适用于患有先天性心脏缺陷的新生儿脆弱的小心脏。该微型起搏器与一个置于患者胸部的柔软、柔性可穿戴贴片配对使用。可穿戴贴片检测到心律不齐后，会自动发出光脉冲。然后，光以与正确起搏频率相对应的速率闪烁。当不再需要这个微型起搏器后，它会在体内自行溶解。

完整内容

某机构（原西北大学）的工程师开发出一种微型起搏器，其体积小到可以装入注射器针头末端，并能以非侵入方式注入体内。

虽然该起搏器适用于各种大小的心脏，但它尤其适合患有先天性心脏缺陷的新生儿那微小而脆弱的心脏。

这种起搏器比一粒米还小，与一个柔软、柔性、无线的可穿戴设备配对使用。该设备安装在患者胸部，用于控制起搏。当可穿戴设备检测到心律不齐时，它会自动发出光脉冲来激活起搏器。这些短脉冲光能够穿透患者的皮肤、胸骨和肌肉，从而控制起搏节奏。

该起搏器专为只需临时起搏的患者设计，在不再需要后会自然溶解。其所有组件都具有生物相容性，因此会自然溶解于体内的生物体液中，无需通过手术取出。

这项研究于4月2日发表在《自然》期刊上。论文通过在多个大型和小型动物模型以及已故器官捐献者的心脏上的实验，展示了该设备的有效性。

“我们开发出了我们所知的世界上最小的起搏器，”领导该设备开发的某机构（原西北大学）生物电子学先驱表示。“在儿科心脏手术中，对临时起搏器有着迫切需求，而这是一个尺寸微型化至关重要的应用场景。就设备对人体的负担而言，越小越好。”

“我们的主要动机是儿童，”共同领导该研究的某机构（原西北大学）实验心脏病学家表示。“大约1%的儿童天生患有先天性心脏缺陷——无论他们生活在资源丰富还是资源匮乏的国家。好消息是，这些儿童在手术后只需要临时起搏。大约七天内，大多数患者的心脏会自我修复。但那七天绝对关键。现在，我们可以将这个微型起搏器放在孩子的心脏上，并用一个柔软、温和的可穿戴设备来刺激它。并且无需额外手术来取出它。”

满足未被满足的临床需求

这项工作建立在之前某两个机构（原西北大学）科学家之间的合作基础上，当时他们开发了首个用于临时起搏的可溶解设备。许多患者在心脏手术后需要临时起搏——要么在等待永久起搏器期间，要么在康复期间帮助恢复正常心率。

在当前的护理标准中，外科医生在手术期间将电极缝在心肌上。从电极引出的导线从患者胸部前方穿出，连接到外部起搏器盒，该盒子提供电流来控制心脏节律。

当不再需要临时起搏器时，医生会拔除起搏器电极。潜在的并发症包括感染、移位、组织撕裂或损伤、出血和血栓。

“导线实际上是从身体中伸出来的，连接到体外的起搏器上，”该心脏病学家说。“当不再需要起搏器时，医生会把它拉出来。导线可能会被疤痕组织包裹。因此，当导线被拉出时，可能会损伤心肌。”

为应对这一临床需求，科学家及其团队开发了可溶解起搏器。这种薄、柔性、轻便的设备消除了对 bulky 电池、刚性硬件（包括导线）的需求。该工程实验室此前提出了生物可吸收电子药物的概念——这类电子设备为患者提供治疗效果，然后像可吸收缝线一样无害地在体内溶解。通过改变这些设备中材料的成分和厚度，团队可以精确控制它们在溶解前保持功能的确切天数。

体液驱动的电池

虽然最初的四分之一尺寸可溶解起搏器在临床前动物研究中表现良好，但心脏外科医生询问是否可能将设备做得更小。这样它就更适合非侵入性植入，并用于体型最小的患者。但该设备由近场通信协议（与智能手机中用于电子支付和RFID标签的技术相同）供电，这需要一个内置天线。

“我们最初的起搏器工作良好，”该生物电子学先驱说。“它薄、灵活且完全可吸收。但其接收天线的大小限制了我们将其微型化的能力。我们没有使用射频方案进行无线控制，而是开发了一种基于光学的方案来开启起搏器并向心脏表面传递刺激脉冲。这一特性使我们能够大幅缩小尺寸。”

为了进一步减小设备尺寸，研究人员还重新设计了其电源。新的微型起搏器不再使用近场通信来供电，而是通过原电池（一种将化学能转化为电能的新型简单电池）的作用来运行。具体来说，起搏器使用两种不同的金属作为电极，向心脏传递电脉冲。当与周围的生物体液接触时，电极形成一个电池。由此产生的化学反应使电流流动，从而刺激心脏。

“当起搏器植入体内时，周围的生物体液充当导电电解质，将两个金属片电连接起来形成电池，”该生物电子学先驱说。“电池另一侧的一个非常小的光激活开关使我们能够在接收到穿过患者身体、来自皮肤贴片的光时，将设备从‘关闭’状态切换到‘开启’状态。”

光脉冲控制

团队使用了一种红外光波长，该波长能深入且安全地穿透身体。如果患者心率低于某个阈值，可穿戴设备会检测到该事件并自动激活一个发光二极管。然后，光以对应于正常心率的速率闪烁。

“红外光能很好地穿透身体，”该心脏病学家说。“如果你把手电筒贴在手掌上，你会看到光线穿透你的手背。事实证明，我们的身体是很好的光导体。”

尽管起搏器非常微小——宽度仅为1.8毫米，长度为3.5毫米，厚度为1毫米——但它仍能提供与全尺寸起搏器一样多的刺激量。

“心脏只需要微量的电刺激，”该生物电子学先驱说。“通过最小化尺寸，我们大大简化了植入程序，减少了对患者的创伤和风险，并且由于设备的可溶解特性，我们消除了任何二次手术取出的需要。”

更复杂的同步化

由于这些设备非常微小，医生可以将它们分布在心脏各处。不同颜色的光可以独立控制特定的起搏器。以这种方式使用多个起搏器，可以实现比传统起搏更复杂的同步化。在特殊情况下，心脏的不同区域可以以不同的节律起搏，例如，用于终止心律失常。

“我们可以在心脏外部部署多个这样的小型起搏器，并分别控制每一个，”该心脏病学家说。“然后我们可以实现改进的同步化功能护理。我们还可以将我们的起搏器整合到其他医疗设备中，如心脏瓣膜置换物，后者可能导致心脏传导阻滞。”

“由于它非常小，这种起搏器几乎可以与任何类型的植入式设备集成，”该生物电子学先驱说。“我们还展示了将这些设备的集合集成到作为经导管主动脉瓣置换物的框架上。这样，微型起搏器可以在需要时被激活，以解决患者康复过程中可能出现的并发症。这只是一个例子，说明我们如何通过提供更多功能性刺激来增强传统植入物。”

该技术的多功能性为生物电子药物开辟了广泛的其他应用可能性，包括帮助神经和骨骼愈合、治疗伤口和阻断疼痛。

本研究（题为“用于电疗的毫米级生物可吸收光电子系统”）得到了某生物电子学研究所、某基金会以及美国国立卫生研究院的支持。FINISHED