科学家研发全球最小心脏起搏器：米粒大小注射植入，用完自动溶解

由美国西北大学约翰·罗杰斯（John A. Rogers）教授领导的团队和新加坡国立大学张亚敏教授团队近期在Nature发表研究成果，宣布开发出迄今最小的心脏起搏器。

这个仅有一粒米大小的设备可以通过注射器植入体内，完成任务后会在人体内自动溶解，无需手术取出。这项技术有望为需要临时心脏起搏的患者，特别是患有先天性心脏病的新生儿，提供更安全、更便捷的治疗选择。

日前，相关论文以《用于电疗的毫米级可生物降解光电子系统》（Millimetre-scale bioresorbable optoelectronic systems for electrotherapy）为题发表在Nature上 [1]。张亚敏是第一作者兼共同通讯作者，西北大学约翰·罗杰斯（John A. Rogers）教授、伊戈尔·埃菲莫夫（Igor R. Efimov）教授、里希·阿罗拉（Rishi Arora）教授、欧阳伟教授和黄永刚教授担任共同通讯作者。

图丨相关论文（来源：Nature）

这款超微型起搏器的尺寸仅为 1.8 毫米×3.5 毫米 ×1 毫米，重量约 13.8 毫克，比传统起搏器小 100 倍以上。尽管体积极小，但它仍能提供与全尺寸起搏器相当的电刺激效果。

（来源：Nature）

传统的临时起搏器需要通过导线连接到体外的电源装置，导线穿透皮肤进入心脏，不仅增加了感染风险，在移除时还可能损伤心肌组织，甚至引发内出血等严重并发症。据报道，2012 年美国宇航员尼尔·奥尔登·阿姆斯特朗（Neil Alden Armstrong），就是因为移除临时起搏器导线时发生内出血导致去世。而新设备的出现有望彻底改变这一状况。

新型起搏器的工作原理颇为独特。设备本身采用自供电机制，其中镁合金或锌复合材料作为阳极，三氧化钼复合材料作为阴极，心脏组织和体液则充当电解质，形成一个原电池系统。起搏电极同时也是电池电极，无需外部电源。更关键的是，该设备通过光学方式进行控制——患者胸部佩戴一个柔软的无线贴片设备，当检测到心律异常时，贴片会发出近红外光穿透皮肤和组织，激活体内的光电晶体管，从而启动起搏功能。

值得一提的是，该设备的所有材料几乎都是可生物吸收的，包括电极、光电晶体管、导电浆料和封装结构。除了约 1.6% 重量的生物相容性炭黑作为阴极导电添加剂外，其他组件在完成任务后都会在体内自然降解。研究显示，设备完全生物吸收的时间约为 1.2 至 2.5 年，降解产物包括氢氧化镁、钼酸和硅酸等水溶性物质，可被人体吸收或通过肾脏排出体外。

研究团队在小鼠、大鼠、猪、犬和人类心脏模型中都验证了设备的有效性。在犬类动物实验中，研究人员通过微创注射方式将起搏器植入心脏表面，并成功实现了每分钟 240 次的心脏起搏。设备不仅可以进行单点起搏，还能通过波分复用（WDM，wavelength-division multiplexing）技术实现多点同步起搏，包括双腔起搏和双心室起搏。

图丨光电特性及人猪心脏离体起搏实验（来源：Nature）

这项技术的应用前景十分广阔。据相关统计，“美国每年约有 4 万名婴儿出生时患有先天性心脏病，其中约四分之一需要在出生后第一年内接受手术治疗”。手术后，这些婴儿通常需要临时起搏器支持约一周时间，让心脏有时间愈合并恢复自然节律。对于这些体型娇小的患者来说，传统的有线起搏器既不便植入，移除时的风险也更高。新设备的超小尺寸和可溶解特性完美地解决了这些问题。

除了儿科应用外，成年人在接受主动脉瓣置换术或冠状动脉搭桥手术后，也可能需要临时起搏支持。研究团队还展示了将多个微型起搏器集成到经导管主动脉瓣置换术（TAVR，transcatheter aortic valve replacement）支架上的可能性，这可以为术后传导阻滞提供新的的管理方案。这种整合方式可能使原本需要在重症监护室进行的手术变为当日出院的门诊手术。

（来源：Nature）

该设备还具备与磁共振成像（MRI，magnetic resonance imaging）和计算机断层扫描（CT，computed tomography）的兼容性，不会影响患者的常规医学影像检查。

伊戈尔·埃菲莫夫（Igor Efimov）教授对媒体表示，这项技术代表了电刺激治疗方式的根本性改变。罗杰斯教授也补充说，其应用范围远不止于心脏，未来可扩展至神经再生、骨骼修复、伤口治疗和疼痛管理等多个生物电子医学领域。目前，研究团队已成立一家名为 NuSera Biosystems 的公司，负责该技术的商业化转化，并正在向美国食品药品监督管理局申请临床试验批准，预计约五年后可启动人体临床试验。

图丨张亚敏（来源：张亚敏）

当然，从实验室走向临床应用仍需时间和验证。美国芝加哥大学电生理学家 纳齐姆·阿库姆（Nazem Akoum）博士在评价这项研究时指出，尽管现有数据显示了极大的希望，但其在人体的安全性和有效性仍需严格的临床试验证实。他相信，一旦通过验证，这项技术将在各种需要短期起搏的临床场景中发挥巨大作用。

参考资料：

1.Zhang, Y., Rytkin, E., Zeng, L. et al. Millimetre-scale bioresorbable optoelectronic systems for electrotherapy.Nature640, 77–86 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08726-4

2.https://www.medscape.com/viewarticle/new-pacemaker-smaller-than-grain-rice-2025a1000b6z

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