柔性电子大牛领衔，两位院士合作，Science之后，再发Nature!

临时起搏器对于术后和其他情况下短暂心动过缓患者的护理至关重要。传统设备需要进行侵入性开胸手术或微创血管内手术，这两种手术对儿科和成人患者都具有挑战性。其他并发症包括感染风险、心肌撕裂和穿孔，以及外部电源和控制系统移位。

鉴于此，美国西北大学John A. Rogers院士、Igor R. Efimov教授、Wei Ouyang、黄永刚院士、Yamin Zhang（一作兼通讯）介绍了一种毫米级生物可吸收光电系统，该系统具有板载电源和无线光学控制机制，具有电疗方面的通用功能和临时心脏起搏方面的特定应用机会。这些设备尺寸极小，可以进行微创植入，包括经皮注射和血管内输送。实验研究表明，在单点和多点位置，小鼠、大鼠、猪、犬和人类心脏模型中都可以有效起搏。与皮肤接口无线设备配对后，可以在检测到心律失常时进行自主闭环操作。进一步的研究展示了将这些微型设备与其他医疗植入物相结合的机会，例如在经导管主动脉瓣置换系统的框架上安装供个人或集体使用的起搏器阵列，以提供独特的解决方案，解决手术后房室传导阻滞的风险。这项基础技术可以很容易地适应电疗中的各种其他应用，例如神经和骨骼再生、伤口治疗和疼痛管理。相关研究成果以题为“Millimetre-scale bioresorbable optoelectronic systems for electrotherapy”发表在最新一期《nature》上。

【起搏器设计】

作者详细介绍了起搏器的设计（图1）。该设备非常紧凑（1.8毫米×3.5毫米×1毫米，大约是一粒米的大小），并使用电池电极作为起搏电极。阳极材料包括生物可吸收的镁(Mg)或锌(Zn)，与三氧化钼(MoO3)阴极配对。周围的心脏组织充当电解质，从而形成原电池。光学控制通过硅双极结光电晶体管进行管理，由外部来源的近红外(NIR)照明激活。重要的是，生物可吸收结构可确保患者风险最小，并且无需进行拔除手术。

图1.具有无线光电控制的可注射、自供电、生物可吸收心脏起搏器的设计

【性能】

起搏器具有快速响应能力（图2），通过NIR光的可变强度和脉冲宽度实现对起搏的精确控制。在Langendorff灌注的猪和人类心脏上进行的体外实验建立了强大的起搏能力。这些实验的关键电生理数据包括成功的捕获阈值（例如，基线电流为~0.18 mA，时效性为~2.8 ms），表明可靠的起搏性能适合临床应用。心电图记录进一步证明了成功的多部位起搏潜力，这对于心脏再同步等先进疗法至关重要。

图2.人类和猪心脏的光电特性和体外起搏

【体内演示】

作者通过使用犬类模型体内演示了这些起搏器的可行性（图3）。蒙特卡罗模拟验证了近红外光照射在临床相关深度（高达40毫米）下穿透生物组织的穿透效率，确保起搏器在安全阈值内激活。实际演示涉及荧光透视引导的微创注射技术，使起搏器能够部署到心外膜下心肌层中。心电图数据证实起搏成功，速度为240 bpm，并具有稳定的1:1捕获率，强调了起搏器在闭胸场景中的实际适用性。起搏寿命被证明可以可靠地延长超过典型的临时起搏需求的时间（Zn-MoO3设备最长可达20天）。

图3.犬模型中起搏器注射和闭胸起搏的体内演示

作者进一步扩展了多部位起搏，通过使用放置在光电晶体管顶部的光学滤波器的波分复用(WDM)来实现（图4）。这允许精确控制不同心脏部位的单个起搏器而不会产生干扰。在多个部位（例如左心房和心室）成功起搏显示出重要的临床意义，例如双心室和双腔起搏，显著改善了心室同步和生理上准确的起搏模式，这对于治疗充血性心力衰竭等疾病至关重要。

图4.犬模型中多部位、时间同步起搏的体内演示

【器件设计】

作者描述了这些起搏器与能够自主电疗的无线皮肤接口设备的创新集成（图5）。该设备监测心电图信号，自动检测心律失常并启动起搏反应。在大鼠模型中进行的实验通过检测心动过缓（低于220 bpm）并随后以240 bpm的校正速率起搏，成功展示了闭环操作。这种整合标志着朝着自主、患者响应式心脏护理迈出了重要一步。

图5.用于闭环心脏电疗的无线皮肤接口光电系统设计

【体外演示】

作者还探索了将这些微型起搏器直接集成到经导管主动脉瓣置换术 (TAVR) 支架上的独特应用（图6），解决了常见的术后传导障碍。在 TAVR 支架框架周围战略性放置的多个起搏器有效地在体外人体心脏中提供了心室起搏。心电图评估显示从瓣膜周围选定的位置成功起搏，证实了这种集成方法的临床可行性。这种整合提供了一种有效管理术后传导障碍的新颖解决方案，可能通过简化术后护理来改变患者的治疗结果。

图6.在人体心脏中使用与TAVR瓣膜集成的一组起搏器进行心脏起搏的体外演示

【总结】

总体而言，本文重点介绍了一种革命性的临时心脏起搏技术，利用生物可吸收的光电系统，在安全性、微创性和临床疗效方面具有显著优势。所展示的多部位同步起搏和与TAVR等先进心脏手术的集成有望显著改善心脏治疗的临床护理，并为再生医学和电疗法的更广泛应用铺平道路。

来源：高分子科学前沿

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