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研究背景
心臟起搏器是治療心律失常的常見(jiàn)醫(yī)療設(shè)備，傳統(tǒng)的臨時(shí)起搏器通常通過(guò)侵入性手術(shù)進(jìn)行植入，這不僅會(huì)帶來(lái)較大的創(chuàng)傷風(fēng)險(xiǎn)，還可能導(dǎo)致異物排斥和長(zhǎng)期依賴電池等問(wèn)題，尤其對(duì)于兒童和不適合血管植入的病人來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)方法存在一定的局限性。因此，如何開(kāi)發(fā)一種微創(chuàng)、可降解、無(wú)線控制的臨時(shí)心臟起搏器，成為了心臟病治療領(lǐng)域亟待解決的難題。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，美國(guó)西北大學(xué)John A. Rogers院士、Igor R. Efimov、Rishi Arora、黃永剛院士、歐陽(yáng)偉團(tuán)隊(duì)以及張亞敏（一作兼通訊）等人合作在“Nature”期刊上發(fā)表了題為“Millimetre-scale bioresorbable optoelectronic systems for electrotherapy”的最新論文。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種毫米級(jí)生物可吸收的光電裝置，并成功應(yīng)用于臨時(shí)心臟起搏（目前為止是世界上最小的心臟起搏器）。這一研究創(chuàng)新性地將微型電池、光電傳感器與生物組織無(wú)縫集成，通過(guò)自供電機(jī)制和無(wú)線光控技術(shù)，顯著提高了起搏器的安全性與使用便捷性。不同于傳統(tǒng)的依賴外部電源的起搏器，我們?cè)O(shè)計(jì)的起搏器直接利用體內(nèi)電解液/組織作為電解液，配合體內(nèi)微型電池電極實(shí)現(xiàn)自供電，從而減少了電池依賴并避免了二次手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。
此外，我們還實(shí)現(xiàn)了光控?zé)o線操作，在不需要外部手術(shù)干預(yù)的情況下，通過(guò)近紅外光遠(yuǎn)程控制起搏器，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)心律。該系統(tǒng)的可編程光控功能和智能心律監(jiān)控模式，使得整個(gè)過(guò)程更為高效、智能，具備了自主閉環(huán)控制能力，進(jìn)一步提升了患者的治療效果。
這一創(chuàng)新研究為心律失常患者提供了全新的治療選擇，具有重要的臨床前景，并有望與其他醫(yī)療技術(shù)相結(jié)合，推動(dòng)心血管疾病治療的不斷進(jìn)步。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)也為未來(lái)可穿戴設(shè)備、無(wú)線控制系統(tǒng)等方向的應(yīng)用提供了全新的思路和可能。。
研究亮點(diǎn)
（1）實(shí)驗(yàn)首次提出并驗(yàn)證了一種毫米級(jí)可生物降解光電子系統(tǒng)，內(nèi)置電源并具備無(wú)線光控功能，專為臨時(shí)性心臟起搏設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)首次在小鼠、大鼠、豬、犬及人類心臟模型中實(shí)現(xiàn)了有效的單點(diǎn)和多點(diǎn)起搏，展現(xiàn)出廣泛的跨物種適應(yīng)性。
（2）實(shí)驗(yàn)通過(guò)將該微型設(shè)備植入不同模型體內(nèi)，采用經(jīng)皮注射和血管內(nèi)輸送等微創(chuàng)方式，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的順利部署，證實(shí)了其優(yōu)異的生物相容性和臨床可行性。
（3）實(shí)驗(yàn)將起搏器與貼附皮膚的無(wú)線設(shè)備進(jìn)行配對(duì)，在檢測(cè)到心律失常后可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，展示了自主化、智能化心律管理的可能性。
（4）研究進(jìn)一步探索了與經(jīng)導(dǎo)管主動(dòng)脈瓣置換術(shù)（TAVR）系統(tǒng)的結(jié)合方案，將多個(gè)起搏器陣列集成于瓣膜支架框架上，提出了一種針對(duì)術(shù)后房室傳導(dǎo)阻滯的新型解決策略。
圖文解讀
圖1.具有無(wú)線光電控制的可注射、自供電、生物可吸收心臟起搏器的設(shè)計(jì)。
圖2.人類和豬心臟的光電特性和體外起搏。
圖3.犬模型中起搏器注射和閉胸起搏的體內(nèi)演示。
圖4.犬模型中多部位、時(shí)間同步起搏的體內(nèi)演示。
圖5.用于閉環(huán)心臟電療的無(wú)線皮膚接口光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
圖6.在人體心臟中使用與TAVR瓣膜集成的一組起搏器進(jìn)行心臟起搏的體外演示。
結(jié)論展望
這里介紹的毫米級(jí)可生物降解光電子系統(tǒng)代表了一類獨(dú)特的起搏技術(shù)，能夠作為可注射的無(wú)線電刺激源，廣泛應(yīng)用于多種場(chǎng)景。這項(xiàng)技術(shù)在基本概念、工程參數(shù)和臨床應(yīng)用方面與以往報(bào)告的可生物降解電刺激器存在顯著差異。
廣泛的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究揭示了材料科學(xué)、設(shè)備操作和臨床應(yīng)用的基本方面，后者通過(guò)小動(dòng)物和大動(dòng)物模型中的光學(xué)控制心臟起搏進(jìn)行驗(yàn)證。微創(chuàng)植入技術(shù)的選項(xiàng)是這一技術(shù)的關(guān)鍵特點(diǎn)，特別對(duì)所有兒童患者和許多傳統(tǒng)有線技術(shù)不適用的成人患者具有重要價(jià)值。設(shè)備對(duì)患者的負(fù)荷和風(fēng)險(xiǎn)最小化也在改善治療效果方面發(fā)揮著重要作用。多點(diǎn)起搏技術(shù)基于波分復(fù)用（WDM）概念，能夠支持如雙心室起搏用于心臟再同步治療和雙腔起搏以實(shí)現(xiàn)生理一致的反應(yīng)等先進(jìn)起搏模式。兼容磁共振成像和計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)還為先進(jìn)的診療結(jié)合提供了機(jī)會(huì)。
許多這些工程屬性創(chuàng)造了獨(dú)特的策略，例如與現(xiàn)有醫(yī)療植入物或臨時(shí)設(shè)備的集成。具體示例顯示，在TAVR支架上分布布置的設(shè)備陣列有潛力管理TAVR術(shù)后傳導(dǎo)障礙，如房室傳導(dǎo)阻滯。若在此情境下成功臨床應(yīng)用，可使患者在當(dāng)天即可出院進(jìn)行門(mén)診治療，而不再需要目前形式下的重癥監(jiān)護(hù)室設(shè)置。這一概念預(yù)示著一個(gè)心臟護(hù)理新時(shí)代的到來(lái)，在這個(gè)時(shí)代，結(jié)構(gòu)性和電氣支持在單一微創(chuàng)手術(shù)中融合，提供無(wú)縫的、以患者為中心的干預(yù)，按需激活。
該基礎(chǔ)技術(shù)可以輕松適應(yīng)更廣泛的電刺激治療應(yīng)用。特別感興趣的領(lǐng)域包括神經(jīng)和骨再生的電刺激、創(chuàng)傷治療、骨骼肌刺激和疼痛管理。未來(lái)研究的有前景方向包括通過(guò)材料和設(shè)備設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)一步微型化，引入刺激響應(yīng)材料以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制降解，探索其他無(wú)線控制機(jī)制，提高手術(shù)交付的安全性，以及通過(guò)可生物降解粘合劑增強(qiáng)設(shè)備固定，適用于相對(duì)較小的心臟。另一個(gè)重要的機(jī)會(huì)是該技術(shù)在臨床應(yīng)用中的深入發(fā)展，以及與其他醫(yī)療手段的整合。
原文詳情：
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
