中科院北京纳米能源所魏迪研究员、王中林院士团队Science Advances：毫米级磁控胶囊能源系统驱动无导线临时起搏

临时心脏起搏是应对短暂性缓慢性心律失常不可或缺的临床手段，通常需要持续数天至数周，既可作为永久植入前的过渡桥梁，也可为术后、心梗或药物过量等导致的短暂性心动过缓提供救命干预。然而，现有临时起搏系统仍受限于器件尺寸、手术复杂度、患者负担以及固有工作原理等多重瓶颈。即便感染发生率不高，一旦涉及发生器囊袋或导线，后果往往十分严重；体外囊袋控制模块在护理过程中容易发生意外脱位，而导线拔除则可能因电极尖端纤维化包裹导致心肌撕裂或穿孔。对于存在经静脉起搏禁忌的成年患者，以及体型小、生长快、需接受创伤更大的心外膜途径的婴幼儿而言，经静脉起搏尤为棘手。商用无导线起搏器虽已针对导线相关并发症进行了优化，可通过微创手术递送至心室，但其更广泛的临床转化仍受制于器件尺寸、植入要求、集成电池，以及心肌穿孔和器件脱位风险。电池始终是起搏器微型化与功能扩展的主要障碍。为此，基于无线能量传输与能量收集的无电池方案被积极探索，然而许多心外膜起搏系统仍需开胸植入，显著增加患者负担与恢复时间；植入式能量接收器在深部组织中高效工作的小型化难题，以及满足通用安全法规的功率暴露限值，同样构成重大技术挑战。能量收集策略则普遍受限于器件小型化、功率密度不足、动态生物组织内的可靠固定与长期生物安全性，多数自供电概念仍停留于研究阶段。光学方法则受限于高功耗、强水吸收，以及植入式光电晶体管对体表朝向的严苛要求与术后易位移等固有局限。

与易被生物组织吸收的电磁波不同，磁场穿越此类介质时衰减极小，几乎等同于自由空间传播，且对心脏运动引发的动态扰动相对不敏感。受商用无导线起搏器胶囊状几何构型启发，同时保持与现有经静脉及微创植入流程的兼容性，中国科学院北京纳米能源与系统研究所的魏迪研究员、王中林院士团队联合首都医科大学附属北京安贞医院孙卫平教授、清华大学任天令教授、北京邮电大学周安福教授等团队，首次提出并实现了一种脉冲磁控毫米级胶囊能源系统，用于无导线临时心脏起搏。该系统重量仅约43.18 mg，尺寸约φ1.8 mm × 5 mm，比一粒大麦还小，尺寸低于迄今报道的最紧凑胶囊状起搏器，质量仅为最轻同类器件的一半左右。与平面设计相比，胶囊构型具有紧凑的外形，可容纳于小直径（约2.67 mm）的8 Fr导入鞘中，天然兼容鞘辅助的微创经皮注射与血管内递送。得益于亚毫米级尺寸与超轻质量，该器件适用于类似已报道微尺度器件的微创植入，降低器件负担与手术风险，甚至有望应用于新生儿。与以往报道的传统磁控干簧管起搏器不同，该系统通过将电极材料直接集成于微型干簧管表面，实现了单片式微型化架构，利用脉冲磁场无线驱动间歇性开关，从而实现可控放电，并在比格犬和巴马猪等大动物中验证了稳健的心脏起搏性能。进一步构建的概念验证闭环系统，为未来与可穿戴电子模块集成、实现心律失常检测后的自主电疗奠定了基础。

该成果以“Magnetically gated millimetre-scale capsule power system for leadless electrotherapy” 为题发表在近期的Science Advances期刊上。论文的共同第一作者分别为中国科学院北京纳米能源与系统研究所的杨飞要、首都医科大学附属北京安贞医院的田雨、清华大学的张恩溢，共同通讯作者分别为中国科学院北京纳米能源与系统研究所的魏迪研究员和王中林院士、首都医科大学附属北京安贞医院的孙卫平教授、清华大学的任天令教授。

图1. 胶囊能源系统设计。（A）系统示意图（左）及对应爆炸图（右）。（B）系统照片，比一粒大麦还小。（C）系统可容纳于8 Fr导入鞘管中的照片。（D）基于鞘管的注射植入示意图。

图2. 胶囊器件的电化学表征。（A）两端连接测试线的器件架构。（B）在PBS（pH 7.2 - 7.4, 0.01 M）中0.5 mA恒流放电曲线（25°C，80%相对湿度）。（C）在PBS（pH 7.2 - 7.4, 0.01 M）中10 mV s-1扫速的电流-电压特性曲线（25°C，80%相对湿度）。（D）在鸡肉组织中脉冲磁场驱动下的输出电流（37°C，80%相对湿度）。（E）生理条件下（37°C，80%相对湿度）琼脂糖凝胶在1 kHz下的阻抗幅值。（F）在琼脂糖凝胶中脉冲磁场驱动下器件输出电流随时间变化（37°C，80%相对湿度）。以60次/分钟的频率触发脉冲放电，脉宽为5毫秒（占空比0.5%），并每日记录输出电流。30天内的累计放电时间约为3.6小时。

图3. 胶囊器件的表征。（A）对照组（无样本）和各器件组的细胞存活率，以活细胞百分比表示。（B）植入器件后大鼠与对照组的体重变化轨迹。（C）在1 kHz脉冲磁场频率下，电极间间隙为1 mm时，磁场强度和磁力线的空间分布。（D）不同电极间隙尺寸下磁场透射率随频率的变化。（E）不同频率下磁场屏蔽效果随间隙尺寸的变化。（F）在1 kHz频率下，电极间间隙为1 mm时，钼和锌圆柱体中涡流密度的横截面分布。（G）植入猪心浅层心外膜下层的器件照片，插图：4倍放大视图。（H）在脉冲磁场刺激下，心脏起搏前及起搏期间获得的心电图（ECG）记录。

图4. 闭环心脏起搏。（A）概念验证系统架构。（B）逻辑控制流程图。（C）心电图记录显示，当检测到心率低于心动过缓阈值（120次/分钟）时，系统将自动以150次/分钟的频率进行起搏，脉冲宽度为5毫秒。

结论

本研究提出了一种磁控毫米级胶囊能源系统，通过外部施加脉冲磁场实现无线、按需的临时心脏起搏激活。通过将微型干簧管直接集成到电化学架构中，以电极材料的共形组装方式，器件将能量产生与干簧管结合于单一单片结构中，消除了植入体对控制电路和独立电源的需求，大幅减小了器件尺寸。与光学控制方法需严格对准和植入深度约束不同，磁激活与磁控制提供了不依赖器件朝向和组织穿透深度的鲁棒无线控制。与传统起搏器中干簧管仅作为植入体内部电子电路的开关不同，本系统中的干簧管作为电化学能量转换架构的集成组件，代表了一种独特的植入式电疗系统设计策略。该平台通过可编程脉冲磁场实现起搏激活、频率和脉冲宽度的外部调控，同时保持超微型化植入架构。脉冲磁场由外部控制模块产生，驱动胶囊能源系统的间歇性开关，从而在植入体无嵌入式控制电子芯片的情况下实现可控脉冲放电。此外，胶囊几何构型天然兼容鞘辅助经皮注射、导管部署和现有经静脉工作流程。与临床CT成像的兼容性进一步拓展了图像引导植入和未来诊断/治疗应用的机会。在比格犬和巴马猪中利用外部控制模块产生脉冲磁场展示了可靠的起搏性能，并在比格犬中进一步验证了集成ECG采集、基于微控制器的ECG反馈控制和无线脉冲磁驱动的概念验证闭环系统。这项工作建立了一种通过磁场介导的能量开关将植入治疗硬件与外部控制智能解耦的替代策略。通过将控制功能移至体外，实现了高度微型化的植入架构，所提方法解决了与器件尺寸、植入复杂度和患者负担相关的长期挑战。除临时心脏起搏外，底层概念可适用于更广泛的电疗系统，包括心脏、神经和再生刺激技术，以及其他生物电子应用。

作者的话

该工作是魏迪研究员近期关于离子电子学研究的最新进展之一，其研究纳米限域空间内离子动力学过程，摩擦电场影响及离子-电子耦合关系，为新能源、传感、类脑计算及限域化学反应等前沿领域提供了全新研究范式。以离子为信号载体的离子电子学（lontronics）是研究纳米尺度下离子行为的交叉学科。魏迪教授课题组介绍请登录https://iontronics.group/。课题组长期招聘研究生、博士后和科研助理，有意者欢迎登录课题组网站联系。