中科院纳米能源所李舟、北航刘卓、阜外医院华伟AM：可持续监测心脏功能的零偏置胶囊传感器

慢性心力衰竭的诊疗是一项全球性健康挑战，影响着全球约4500万人。心衰患者频繁的再次入院对医疗系统提出了巨大的挑战，也使患者经济负担不断增加，生活质量越来越差。临床实践表明，监测心衰进展情况，提供心力衰竭恶化的早期预警，并在需要干预以防止危机时提醒医生，可以有效控制病情，降低再住院率和死亡率，改善患者生活质量。目前，超声和多导联心电监护设备能够提供重要的心脏功能参数，在心衰诊断中发挥着重要的作用，但是患者需要定期去医院通过专业医生诊断，且无法持续监测。CardioMEMS能追踪肺动脉压力变化，促进了居家心衰监测技术的发展，其数据读取对设备有一定的依赖性。心衰最直接的表现是心脏收缩力的减弱，进而导致血压的变化。因此，开发一种能够持续监测并反馈心脏收缩力变化的微型介入式传感器，对实现心衰的患者全程化管理具有重要的临床意义。

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员、北京航空航天大学医学科学与工程学院刘卓副教授，以及阜外医院心律失常中心华伟主任团队，在《Advanced Materials》杂志在线发表了题为“Bias-Free Cardiac Monitoring Capsule”的最新研究成果。研究团队探索出一种适用于小腔体的“纳米自吸附”材料改性方法，显著提升了摩擦电效应器件的力电转换性能，为实现器件小型化协同高性能电学输出提供保障。基于此，提出了一种基于摩擦电效应的零偏置的心脏监测胶囊（BCMC），能够感知心室的舒张和收缩过程。通过心脏活动带动器件内部结构发生相对摩擦从而产生电信号，该信号可直接且原位地反映心脏机械活动的变化，实现对心脏收缩力的连续监测与评估。这种小巧轻便的胶囊可以通过介入导管递送到心脏而不会增加心脏负担。基于设备连续精确的数据，医生可以远程监测患者心脏收缩力的变化情况，从而进行心衰患者心脏功能深入评估，及时诊断预警。

BCMC系统由心腔内胶囊传感器单元和数据采集/无线传输模块组成。传感器的核心材料采用“纳米自吸附”方法增强电荷密度，并且其材质都具有优异稳定性的有机高分子材料和无机材料。胶囊传感器的外壳采用3D打印方法构筑，Parylene-C封装层为器件提供了良好的生物相容性，顶端钩状结构将传感器固定在心室肌束之间。当胶囊受到外力而产生位移时，带负电的颗粒材料将在两电极之间往复运动，打破了两电极之间的静电平衡，导致电极中的电荷重新排列从而产生电信号，电信号波形特征能够实时反馈心脏运动功能状态。研究团队通过调整颗粒材料的填充比例和掺杂量，使该设备的输出性能得到一个数量级的提升。即使在10Hz频率下以0.25毫米的微小位移进行移动，输出电压也能达到10毫伏，满足体内监测的实际需求。

图1. 零偏置的心脏监测胶囊(BCMC)系统概述图。

体外生物相容性实验验证了该传感器符合体内植入要求，通过自制的递送系统将胶囊传感器植入猪模型的右心室，其植入过程可通过DSA成像进行实时观察。同时，无线信号采集和传输装置被植入在猪模型的皮下，整个系统的紧凑设计有利于微创植入手术的顺利进行。基于多普勒超声技术，可以观察到BCMC在心脏内部的正常随动，对心脏血流动力学没有明显的影响。为了验证BCMC在体内的有效性，研究团队向模型猪的静脉注射了强心药物。结果显示，BCMC成功捕捉到了从药物注射后到代谢过程中心脏收缩力的增强和减弱过程。值得注意的是，心电图无法提供心脏收缩力的信息。相比之下，BCMC能够以一种直观且敏感的方式监测心脏机械活动的变化，并且受呼吸和血压等外部因素的影响较小。

图2. BCMC在动物模型体内监测整体心脏收缩力变化。

室性早搏（PVC）是一种常见的心律失常，其会影响到区域性心脏收缩力。为验证BCMC监测此类心脏收缩力变化的能力，研究团队对猪模型进行PVC造模。结果表明BCMC能够有效地检测到由心律失常引起的局部心脏收缩力异常变化。此外，BCMC还检测到两次非持续性室性心动过速（NSVT）。信号清晰地记录到了NSVT期间心脏收缩力的波动和频率变化。这些信号反映了心脏的真实活动状态，在NSVT发生期间经历高频低幅颤动。因此，该系统具备记录并警示潜在危及生命的心脏活动能力，使其成为临床监测和诊断的有效工具。

图3. BCMC在动物模型体内反馈室早以及室速引起的局部心脏收缩力异常变化。

本研究提出了一种新型的面向心脏功能监测的胶囊传感器BCMC，作为一种超小型、轻巧的设备，可用于持续监测心脏收缩力。该胶囊传感具有良好的灵敏度、高信噪比和快速响应性能。同时，研究团队探索出一种简单有效的功能材料纳米尺度自吸附方法，以改善基于静电效应的传感在小腔体中的输出性能。BCMC表现出良好的可靠性和生物相容性，符合作为体内植入式医疗监测设备的实际应用需求。通过导管微创植入到成年猪的右心室后，该设备成功监测了心脏收缩力的变化以及室性期前收缩和室性心动过速等情况的发生。相关信号可以通过植入在皮下组织的集成采集/传输模块无线传输至移动终端，实现对心脏状态的实时监测和分析。BCMC实现了对心脏收缩力的原位准确连续监测，信号在体内表现更加稳定。该设备在生理信号监测和疾病诊断领域展现出广阔前景，有望推动下一代植介入医学设备的发展。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员，北京航空航天大学医学科学与工程学院刘卓副教授，以及阜外医院心律失常中心华伟主任为论文的共同通讯研作者；曲学铖（中国科学院北京纳米能源与系统研究所、清华大学）、程思静（阜外医院）、刘莹（中国科学院北京纳米能源与系统研究所）和胡奕然（阜外医院、北京天坛医院）为论文的共同第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金，国家重点研发计划，博新计划等项目的资助。

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原文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202402457

来源：高分子科学前沿

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