中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，中國科學(xué)院北京納米能源與系統研究所研究員李舟與王中林研究團隊、北京航空航天大學(xué)生物與醫學(xué)工程學(xué)院教授樊瑜波研究團隊，與第二軍醫大學(xué)附屬長(cháng)海醫院胸心外科教授張浩團隊三方合作，在自驅動(dòng)心功能監測領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在最新一期的《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上。
心血管疾病的致死率在全球范圍內不斷攀升，嚴重危害人類(lèi)健康。就心力衰竭（簡(jiǎn)稱(chēng)心衰）而言，全世界約有2300萬(wàn)患者，且每年新增患者200萬(wàn)名。中國心衰患者約500萬(wàn)，五年生存率＜50％。心衰是指由于心臟的收縮功能和（或）舒張功能發(fā)生障礙，心臟泵血不足而發(fā)生的呼吸困難、無(wú)力、疲勞、勞動(dòng)力喪失等，導致患者生活質(zhì)量低下并帶來(lái)沉重經(jīng)濟負擔。心臟泵血能力的關(guān)鍵指標是心內壓力，如心房和心室壓力。心內壓是評估心臟功能的關(guān)鍵參數，對心衰患者具有重要的臨床意義。心內壓通常通過(guò)侵入性心臟導管插入術(shù)來(lái)監測，價(jià)格昂貴且難以實(shí)現實(shí)時(shí)連續的數據采集。在實(shí)際應用中，間歇性測量也可能引起偶發(fā)性癥狀的遺漏而導致誤診。因此，臨床上急需開(kāi)發(fā)一種微創(chuàng )的、高靈敏度、低成本傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監測心內壓，這在心血管疾病的診斷與治療領(lǐng)域有著(zhù)重要的意義。
先進(jìn)功能材料、電子器件和納米技術(shù)協(xié)同發(fā)展不斷促進(jìn)醫學(xué)生理信號傳感的升級。2012年王中林提出基于摩擦電和靜電感應耦合的摩擦納米發(fā)電機（TENG），此器件能夠將機械能轉換為電能。由于TENG具有研制材料來(lái)源廣、低成本、力電轉化效率高等特性，受到越來(lái)越多的科研人員的關(guān)注。李舟課題組長(cháng)期探究TENG在生物醫學(xué)領(lǐng)域的應用，特別聚焦于心血管系統。他提出的植入式摩擦納米發(fā)電機（iTENG）可將不同形式的生物機械能轉換成電能，并且iTENG的電學(xué)信號中蘊藏著(zhù)豐富的生理信號，使得iTENG兼具能源器件和主動(dòng)式傳感器的特征。2014年開(kāi)始，iTENG首次利用呼吸大鼠產(chǎn)生的電能驅動(dòng)心臟起搏器（DOI: 10.1002/adma.201402064）；2016年iTENG研究工作繼續推進(jìn)，應用到大型哺乳動(dòng)物體內，該器件被植入小型豬的心包間隙，成功將心跳產(chǎn)生的機械能轉化為電能，實(shí)現了自驅動(dòng)的心率遠程實(shí)時(shí)監控（DOI: 10.1021/acsnano.6b02693）；2017年研發(fā)出無(wú)需信號放大就可藍牙傳輸、針對心血管疾病進(jìn)行預警和診斷的自驅動(dòng)超高靈敏脈搏傳感器（DOI: 10.1002/adma.201703456）。
隨著(zhù)研究的不斷深入，并且根據臨床監測心內壓的實(shí)際需求，李舟與其合作者繼續推進(jìn)微型化iTENG的研發(fā)，研制出能夠通過(guò)微創(chuàng )手術(shù)進(jìn)入心腔內實(shí)時(shí)監測心內壓的自驅動(dòng)心內壓傳感器（SEPS）。在該研究工作中，SEPS結合導管入心腔，需實(shí)現器件的微型化，微型化勢必使得器件輸出性能大打折扣。因此，要實(shí)現具有高輸出、超靈敏度的微型iTENG，器件本身的研制就是一個(gè)不小的挑戰?；谝陨弦?，在構建SEPS器件的過(guò)程中，博士研究生劉卓和歐陽(yáng)涵運用高壓電暈放電極化聚合物摩擦層，使得尺寸微型化的SEPS（1 cm × 0.5 cm × 0.1 cm）的最高輸出電壓達到6.2 V，比對照組高6倍。同時(shí)，研究者通過(guò)血液相容性、長(cháng)效穩定性等實(shí)驗，證明SEPS有良好的生物安全性，具有長(cháng)期植入體內工作的能力。此外，體外模擬實(shí)驗表明該器件對于壓力變化有著(zhù)高靈敏度 (1.195 mV/mmHg) 和優(yōu)異的線(xiàn)性度（R2=0.997）。
基于體外實(shí)驗的驗證結果，在博士馬也和石波璟協(xié)助下，SEPS結合導管通過(guò)微創(chuàng )手術(shù)進(jìn)入大型哺乳動(dòng)物——豬的心腔。相比大創(chuàng )口的手術(shù)，微創(chuàng )手術(shù)切口約2 cm，有效降低了術(shù)后感染概率和恢復難度。通過(guò)該器件電壓輸出與壓強的線(xiàn)性關(guān)系，并使用心電圖和股動(dòng)脈壓作為參照，SEPS進(jìn)入心腔后實(shí)現了對心內壓的實(shí)時(shí)監測，對于心房?jì)鹊妮^低壓力與心室內的較高壓力都有很好的測量效果。利用腎上腺素輔助加強心臟收縮與舒張后，置于心室和心房?jì)鹊腟EPS數據均實(shí)現了實(shí)時(shí)匹配。對比分析SEPS在左心室最大輸出值和股動(dòng)脈壓最大值，兩者呈現良好的線(xiàn)性關(guān)系，符合臨床實(shí)際。此外，在動(dòng)物實(shí)驗中偶發(fā)的心律失常事件，如早搏、室顫等，也被SEPS實(shí)時(shí)監測到。
綜上，該工作是首個(gè)基于TENG構建植入式心內壓監測器件的研究，進(jìn)一步拓寬了基于iTENG的傳感器的應用場(chǎng)景——從體表、皮下和心包間隙延伸進(jìn)入心腔，能夠獲取更深層次的生理信息。該研究具有向醫療器件發(fā)展的重要潛力，為微型化植入式自驅動(dòng)醫療傳感器件的研究提供了新的思路。
該項工作得到科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市拔尖人才、北京市自然科學(xué)基金以及國家萬(wàn)人計劃“青年拔尖”人才的經(jīng)費支持。
圖1 心衰疾病和常見(jiàn)心臟導管
圖2 體外實(shí)驗
圖3 大型哺乳動(dòng)物——豬體內實(shí)驗
