- 研究人員開發出可自發電的心臟起搏器電池，無需更換。
- 新裝置能從心臟的運動中生成電力，潛力巨大。
- 實驗室測試顯示，功率輸出顯著高於以往設計。
- 該裝置仍需改進，以適應心臟的自然運動。
一種不需要更換電池的心臟起搏器有望成為現實，這得益於一種能夠從自身調控的心跳中生成電力的裝置。威斯康辛大學麥迪遜分校的研究人員研發出一種納米發電機，尺寸足夠小，可以放入現有的無導線心臟起搏器中，這樣一來，單一植入物便有潛力為患者提供終身使用。該項目由博士後研究員陳鵬飛領導，指導教授為王旭東，團隊設計的裝置能夠適配當前市場上使用最廣泛的無導線心臟起搏器——美敦力 Micra。
無導線起搏器的挑戰
解決電池問題 無導線心臟起搏器直接植入心臟中，相較於傳統的胸部植入型號，能夠提供更快的恢復速度和更少的併發症。然而，其電池卻佔據了裝置總體積和重量的一半以上，且只可使用七至十年，便需更換。從心臟內部取出已耗盡的電池十分困難，因此醫生通常會將過期的起搏器留在體內，並在其旁邊植入新的起搏器。這對於需要多次更換手術的年輕患者而言，尤其成為一個問題。
在鈦合金外殼內 團隊研發了專用的摩擦電振蕩器，這些振蕩器可以安裝在起搏器電子元件包的上下方，並放置在其鈦合金外殼內部。每個振蕩器的電極板一側覆蓋銅，另一側則覆蓋氟化聚合物薄膜。當心臟跳動時，這種運動會壓縮振蕩器，使得帶有相反電荷的板相互靠近。在分離過程中，微小的運動會產生電荷，這些電荷可以直接為起搏器供電，或儲存在小型的板載電容器中。陳鵬飛表示，平衡穩定性和靈活性需要經過大量的試驗和錯誤，因為振蕩器需要承受數百萬次的重複壓縮，同時保持精確的機械行為。
團隊對每根電線的擺放及每片電極板的厚度進行了精細調整。
實驗室測試與豬心臟測試
在心臟內的測試 實驗室測試顯示其功率輸出為每立方厘米 276.6 微瓦，該數據比以往的納米發電機設計高出一個數量級，足以完全獨立為起搏器供電。王旭東表示，對於這樣一個尺寸受限的設備來説，功率密度而非原始能量輸出才是最重要的。研究人員將原型植入一隻豬的心臟中，並監測其性能和生物相容性達一個月。納米發電機在整個測試過程中成功為心臟刺激提供電力，並未引發除傳統電池驅動起搏器之外的其他併發症。
在豬的心臟內，該裝置的功率並未完全達到實驗室測試中測得的峯值。柔軟的心臟組織對振蕩器的機械運動的阻尼作用較硬的測試台更強。心臟的扭動運動也與振蕩器所需的上下壓縮運動有所不同，因此其無法產生最大輸出。王旭東和陳鵬飛目前正在改進設計，以更好地將心臟的自然不規則運動轉化為穩定的機械能量。
威斯康辛大學醫院的心臟電生理學家丹尼爾·莫達夫博士表示，他期待著單一植入物能夠為患者提供終身使用。該裝置已向威斯康辛校友研究基金會註冊，雖然臨牀試驗仍需數年時間。相關研究首次發表於《科學進展》期刊。
項目 規格 功率輸出 276.6 微瓦
自發電心臟起搏器的潛在影響
這項技術的發展標誌著心臟醫療設備的一個重要進步，特別是在減少手術需求和提高患者生活質量方面。傳統心臟起搏器的電池壽命有限，經常需要更換，這對患者造成額外的風險和不便。新型自發電裝置不僅可以解決這一問題，還有可能減少醫療成本。儘管目前在實際應用中仍面臨挑戰，但未來的臨床試驗將有助於驗證其安全性和有效性，進一步推進心臟病治療的技術革新。