摘要：心脏起搏器是一种植入人体的生物医疗设备，通过电极将电刺激传导至心脏的一个或多个腔室，帮助维持正常心律。早期的心脏起搏器依赖电池供电，通常植入皮下，并通过导线与心脏组织连接。这种设计缺点显而易见，更换电池必须进行手术，导线也可能引发慢性炎症等健康问题。近年来，无

心脏起搏器是一种植入人体的生物医疗设备，通过电极将电刺激传导至心脏的一个或多个腔室，帮助维持正常心律。早期的心脏起搏器依赖电池供电，通常植入皮下，并通过导线与心脏组织连接。这种设计缺点显而易见，更换电池必须进行手术，导线也可能引发慢性炎症等健康问题。近年来，无线植入式医疗设备成为研究热点，不仅可以通过无线方式供电，甚至具备生物降解的能力，无需再次手术取出设备，还能实现远程控制，在未来医疗保健中展示出巨大的潜力 [1, 2]。

植入式医疗器械的设计与应用。图片来源：Adv. Healthcare Mater. [1]

近期，美国西北大学John A. Rogers、Igor R. Efimov、Rishi K. Arora、Wei Ouyang、Yonggang Huang、Yamin Zhang等研究者在Nature 杂志上发表论文，开发出一款超微型心脏起搏器，其尺寸比一粒米还小，甚至可以装入注射器针头中，通过微创手术植入。这种超微型心脏起搏器与一个外部的小型柔性无线可穿戴设备配合使用，该可穿戴设备可贴在患者胸口皮肤上，当它检测到心律不齐时，会自动发出光脉冲来激活超微型起搏器，调控心脏节律。这款起搏器甚至适用于患有先天性心脏缺陷的新生儿，其微小体积非常适合用于婴幼儿娇小而脆弱的心脏。此外，该超微型心脏起搏器所有组件均具备良好的生物相容性，对于临时需要心脏起搏的患者在使用期结束后可在体内自然降解，无需通过手术取出。

从左至右，传统起搏器、无导线起搏器和超微型起搏器。图片来源：Northwestern University [3]

超微型心脏起搏器与无线可穿戴设备工作演示。图片来源：Northwestern University [3]

早在2021年，Rogers课题组就曾在Nature Biotechnology 杂志上报道过一款可生物体内降解的心脏起搏器 [4]。尽管该装置在动物模型中的临床前实验表现出色，但其硬币大小的体积仍让外科医生提出疑问：能否进一步缩小，以实现真正的非侵入式植入？

可生物体内降解的心脏起搏器设计。图片来源：Nat. Biotechnol.[4]

这款新开发的起搏器体积则仅为3.5×1.8×1mm，植入时只需在皮肤开一个小于3 mm的切口，大大减轻了患者负担和手术风险。其重量虽仅有13.8 mg，却能提供与传统起搏器相当的电刺激。为了实现这种超小型化，研究者重新设计了电源系统，摒弃了以往的近场通讯供电的方式，转而采用一种“原电池”结构，让电池电极兼作起搏电极。具体而言，正极采用可生物降解的活性金属镁（Mg），负极则是可降解的三氧化钼（MoO3），而心脏组织和体液则充当天然电解质，从而在体内直接产生电流，刺激心脏跳动。

超微型生物可吸收心脏起搏器的设计。图片来源：Nature

将起搏器浸泡在pH=7.4的磷酸缓冲液（95 °C）中40天后，转移至pH=10的缓冲液中数小时，即可完成降解过程。结合模拟分析，在体内完全吸收所需时间大约为1.2~2.5年。降解产物如Mg(OH)2、H2MoO4、Si(OH)4等，剂量不会对人体造成危害，可通过肾脏代谢排出体外。

可降解实验。图片来源：Nature

超微型起搏器采用红外光进行控制，这种光可以安全且深入地穿透人体组织。当患者的心率低于设定阈值时，系统可以自动激活一个发光二极管，触发起搏器向心脏发送电脉冲，反应时间小于25微秒，远快于临床所需的响应速度。通过对猪心以及人体心脏（器官捐献）的体外实验，该起搏器均能产生超过起搏阈值两倍的电流，并可通过调整光照强度与频率调节电流幅度、频率和脉冲宽度。起搏器还可植入于心脏的不同区域，如左心室、右心室和房室束，具备良好的适应性。

光电子特性测试及其在猪和人体心脏的体外起搏实验。图片来源：Nature

在实际应用中，光在体内组织中的传播会受到一定阻碍。研究显示，当组织深度分别为10、20、30和40 mm时，光透过率仅为28%、3.0%、0.49%和0.08%。为实现0.64 mA的输出电流，所需皮肤表面的光强从0.18 mW mm-2（10 mm）递增至61.7 mW mm-2（40 mm）。模拟结果表明，起搏器在体内60 mm深度仍可稳定工作。犬类心脏结构与人类相似，进一步的大型犬在体实验中，在第六肋间隙皮肤表面放置近红外LED并以脉冲模式照射，成功诱导出每分钟240次的起搏反应，验证了深部光控起搏的可行性。同时，大鼠在体实验还显示，基于Mg–MoO3和Zn–MoO3电极的起搏器分别可在体内稳定工作6天和20天，超过目前临时起搏器平均持续时间（约4.2天）的临床需求。

大型犬在体实验与闭胸起搏演示。图片来源：Nature

得益于其微型化设计，该起搏器可以以多点方式植入心脏表面，并通过不同颜色的光源分别激活，实现比传统方式更复杂的同步控制。犬类的在体实验验证了这一策略的可行性：两个起搏器分别植入左心房与左心室侧壁，实现“双腔起搏”，同步调节多个心腔的节律，有望为心律不齐等复杂心脏病患者提供更精准有效的治疗方案。

大型犬体内的多点、时序同步起搏演示。图片来源：Nature

起搏器还可与皮肤贴附式光电子装置配合使用，构建一个自主、闭环的心脏电刺激系统。该系统集成了单导联心电图（ECG）记录、数据无线传输、实时可视化、基于算法的心律失常自动识别，以及LED程序化控制实现精准起搏等多项功能，并在小鼠体内实验中完成了初步探索。

闭环的心脏电刺激系统设计。图片来源：Nature

此外，经导管主动脉瓣置换术（TAVR）是一种广泛应用的微创手术，常用于治疗重度主动脉瓣狭窄患者。然而，多达30%的TAVR患者在术后会出现显著的房室传导阻滞，需植入起搏器，从而增加了手术复杂性和患者风险。而这种超小型起搏器可与TAVR所使用的支架系统直接集成，几乎无需改变现有手术流程即可同步植入，不仅降低了术中风险和并发症，还简化了操作流程，优化了术后管理。

TAVR技术与超微型心脏起搏器集成的体外演示。图片来源：Nature

“据我所知，这是世界上最小的心脏起搏器”，John Rogers教授表示，“我们此前开发的体内可降解起搏器虽性能良好，但接收天线的尺寸限制了进一步微型化的可能。因此，我们转而采用光激活方案，这一改变显著缩小了设备体积。事实上，心脏所需的电刺激极小，设备越小，对患者的创伤就越小。”他补充道：“当起搏器植入体内后，体液会充当电解质。我们在电池的另一侧设计了一个微小的光激活开关。当外部贴附于皮肤的装置发出光线穿透组织时，开关就能将起搏器从‘关闭’状态切换为‘开启’状态。” [3]

Rogers教授与超微起搏器。图片来源：Northwestern University [3]

“我们最初的动机是为了帮助孩子”，Igor Efimov教授补充道，“全球约有1%的新生儿患有先天性心脏缺陷，无论他们生活在资源充裕还是匮乏的地区。好消息是，这些孩子术后通常只需短期起搏支持，大约七天后，大多数人的心脏便能自行恢复。但这七天至关重要。宇航员Neil Armstrong在接受搭桥手术后曾安装临时起搏器，结果在移除导线时发生内出血，最终不幸去世。如今，我们这款微型起搏器无需导线，仅通过柔软温和的可穿戴设备即可完成刺激，更无需二次手术将其取出，大大降低了风险。” [3]

超微型起搏器与其他商业化和文献报道对比。图片来源：Nature

Millimetre-scale bioresorbable optoelectronic systems for electrotherapy

Yamin Zhang, Eric Rytkin, Liangsong Zeng, Jong Uk Kim, Lichao Tang, Haohui Zhang, Aleksei Mikhailov, Kaiyu Zhao, Yue Wang, Li Ding, Xinyue Lu, …… , Yonggang Huang, Wei Ouyang, Rishi K. Arora, Igor R. Efimov & John A. Rogers

Nature 2025, 640, 77-86. DOI: 10.1038/s41586-025-08726-4

参考文献：

[1] R. Singh, et al. A Review of Bioresorbable Implantable Medical Devices: Materials, Fabrication, and Implementation. Adv. Healthcare Mater.2020, 9, 2000790. DOI: 10.1002/adhm.202000790

[2] L. Chen, et al. Wireless bioelectronic devices for next-generation electrotherapy. Cell Biomaterials 2025, DOI: 10.1016/j.celbio.2025.100054

[3] World’s smallest pacemaker is activated by light

[4] Y. S. Choi, et al. Fully implantable and bioresorbable cardiac pacemakers without leads or batteries. Nat. Biotechnol. 2021, 39, 1228-1238. DOI: 10.1038/s41587-021-00948-x

（本文由小希供稿）

来源：X一MOL资讯