摘要：该起搏器比一粒米还小，与一个小型、柔软、灵活、无线的可穿戴设备配对，该设备安装在患者的胸部以控制起搏。当可穿戴设备检测到心律不齐时，它会自动发出光脉冲来激活起搏器。这些短脉冲穿透患者的皮肤、胸骨和肌肉，控制起搏。

美国西北大学的工程师们研制出了一种微型起搏器，它能够装入注射器尖端，从而实现非侵入性地注入体内。

尽管该起搏器可以适用于各种尺寸的心脏，但它特别适合患有先天性心脏缺陷的新生儿的微小、脆弱的心脏。

该起搏器比一粒米还小，与一个小型、柔软、灵活、无线的可穿戴设备配对，该设备安装在患者的胸部以控制起搏。当可穿戴设备检测到心律不齐时，它会自动发出光脉冲来激活起搏器。这些短脉冲穿透患者的皮肤、胸骨和肌肉，控制起搏。

该起搏器专为仅需临时起搏的患者设计，不再需要时可自行溶解。起搏器的所有组件均具有生物相容性，因此可自然溶解于人体生物体液中，无需手术取出。

这项研究将于 4 月 2 日发表在《自然》杂志上。该论文证明了该装置在一系列大型和小型动物模型以及已故器官捐献者的人类心脏中的有效性。

“据我们所知，我们已经开发出世界上最小的起搏器，”领导该设备开发的西北大学生物电子学先驱约翰·A·罗杰斯说。“在儿科心脏手术中，临时起搏器的需求非常迫切，而在这种情况下，尺寸的小型化非常重要。就设备对身体的负荷而言，越小越好。”

“我们的主要动机是儿童，”西北大学实验心脏病学家、这项研究的共同负责人伊戈尔·埃菲莫夫 (Igor Efimov) 说。“大约 1% 的儿童出生时患有先天性心脏缺陷——无论他们生活在资源匮乏的国家还是资源丰富的国家。好消息是，这些孩子只需要手术后暂时起搏。大约七天后，大多数患者的心脏就会自我修复。但这七天绝对至关重要。现在，我们可以将这个微型起搏器放在孩子的心脏上，用柔软、温和的可穿戴设备刺激它。而且不需要额外的手术来移除它。”

罗杰斯是西北大学材料科学与工程、生物医学工程和神经外科的路易斯·辛普森和金伯利·奎雷教授，他在西北大学麦考密克工程学院和范伯格医学院任职，同时还是奎雷·辛普森生物电子研究所的主任。埃菲莫夫是麦考密克的生物医学工程教授和范伯格的医学（心脏病学）教授。罗杰斯和埃菲莫夫与麦考密克的 Jan and Marcia Achenbach 机械工程和土木与环境工程教授黄永刚、达特茅斯学院工程学助理教授魏欧阳和芝加哥大学 Harold H. Hines Jr. 医学教授 Rishi Arora 共同领导了这项研究。

满足未满足的临床需求

这项工作建立在 Rogers 和 Efimov 之前的合作基础之上，他们开发了首个可溶解的临时起搏器。许多患者在心脏手术后都需要临时起搏器——无论是在等待永久起搏器期间，还是在康复期间帮助恢复正常心率。

目前的治疗标准是外科医生在手术过程中将电极缝在心肌上。电极上的导线从患者胸前伸出，连接到外部起搏器，起搏器通过电流控制心脏的节律。

当不再需要临时起搏器时，医生会移除起搏器电极。潜在的并发症包括感染、移位、组织撕裂或受损、出血和血栓。

“导线实际上从身体中伸出，连接到体外的起搏器上，”埃菲莫夫说。“当不再需要起搏器时，医生会将其拔出。导线可能会被疤痕组织包裹。因此，当导线被拔出时，可能会损害心肌。”

为了满足这一临床需求，罗杰斯、埃菲莫夫及其团队开发了可溶解起搏器，该起搏器于 2021 年在《自然生物技术》杂志上发表。这种轻薄、灵活、轻巧的设备无需笨重的电池和刚性硬件（包括电线）。罗杰斯的实验室此前发明了生物可吸收电子医疗的概念——电子设备为患者提供治疗益处，然后像可吸收缝合线一样无害地溶解在体内。通过改变这些设备中材料的成分和厚度，罗杰斯的团队可以控制它们在溶解前保持功能的精确天数。

体液供电电池

虽然最初的四分之一大小的可溶解起搏器在临床前动物研究中效果良好，但心脏外科医生询问是否有可能将该设备做得更小。这样它将更适合非侵入式植入并用于最小的患者。但该设备由近场通信协议供电——与智能手机用于电子支付和 RFID 标签的技术相同——这需要内置天线。

“我们原来的起搏器效果很好，”罗杰斯说。“它很薄，灵活，完全可吸收。但其接收天线的尺寸限制了我们将其小型化的能力。我们没有使用射频方案进行无线控制，而是开发了一种基于光的方案来启动起搏器并向心脏表面传送刺激脉冲。这一功能使我们能够大大减小尺寸。”

为了进一步缩小设备尺寸，研究人员还重新设计了它的电源。这种新型微型起搏器不使用近场通信供电，而是通过原电池（一种将化学能转化为电能的简单电池）的作用运行。具体来说，起搏器使用两种不同的金属作为电极，向心脏输送电脉冲。当与周围的生物流体接触时，电极形成一个电池。由此产生的化学反应导致电流流动，从而刺激心脏。

“当起搏器植入体内时，周围的生物流体充当导电电解质，将两个金属垫电连接起来，形成电池，”罗杰斯说。“电池另一侧有一个非常小的光激活开关，当光线从皮肤贴片穿过患者身体时，我们可以将设备从‘关闭’状态切换到‘开启’状态。”

研究团队使用了一种红外波长的光，这种光可以深入安全地穿透人体。如果患者的心率低于某个频率，可穿戴设备就会检测到这一情况并自动激活发光二极管。然后，灯光会以与正常心率相对应的频率闪烁。

“红外线可以很好地穿透人体，”埃菲莫夫说。“如果你把手电筒放在手掌上，你会看到光线透过手的另一侧照进来。事实证明，我们的身体是光的极佳导体。”

尽管该起搏器非常小——宽度仅为 1.8 毫米，长度仅为 3.5 毫米，厚度仅为 1 毫米——但它仍然可以发出与全尺寸起搏器一样多的刺激。

“心脏只需要微量的电刺激，”罗杰斯说。“通过缩小尺寸，我们大大简化了植入程序，减少了患者的创伤和风险，而且由于该装置可溶解，我们无需进行任何二次手术取出。”

更复杂的同步

由于这些设备非常小，医生可以将它们分散到心脏的各个部位。一种难以控制的灯光颜色可以单独控制特定的起搏器。以这种方式使用多个起搏器可以实现比传统起搏更复杂的同步。在特殊情况下，心脏的不同区域可以以不同的节奏起搏，例如，终止心律失常。

“我们可以在心脏外部部署多个这样的小型起搏器，并控制每个起搏器，”埃菲莫夫说。“然后我们可以实现更好的同步功能护理。我们还可以将我们的起搏器整合到其他医疗设备中，例如心脏瓣膜置换术，这可能会导致心脏阻塞。”

“由于体积非常小，这种起搏器几乎可以与任何类型的植入式设备集成，”罗杰斯说。“我们还展示了将这些设备集成到用作经导管主动脉瓣置换术的框架中。在这里，可以根据需要激活微型起搏器，以解决患者康复过程中可能出现的并发症。所以这只是我们如何通过提供更多功能刺激来增强传统植入物的一个例子。”

该技术的多功能性为生物电子医学的应用开辟了广泛的可能性，包括帮助神经和骨骼愈合、治疗伤口和缓解疼痛。

这项研究“用于电疗的毫米级生物可吸收光电系统”得到了 Querrey Simpson 生物电子研究所、Leducq 基金会和美国国立卫生研究院的支持（奖励编号 R01 HL141470）

来源：人工智能学家