基于植入式納米發(fā)電機的自驅(qū)動心臟實時監(jiān)控系統(tǒng)研制成功

植入式醫(yī)療器件如心臟起搏器，在當(dāng)今臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中占據(jù)了重要的地位，它極大地改善了患者的癥狀和生活質(zhì)量，具有顯著的社會價值和經(jīng)濟價值。作為新興的醫(yī)療器械發(fā)展方向，植入式醫(yī)療器件仍然面臨許多問題亟待突破，首先就是長效能源供給問題。現(xiàn)階段植入式器件主要依靠電池供電，工作壽命有限，一旦電池耗盡，病人不得不再次面對巨大的手術(shù)風(fēng)險和經(jīng)濟負擔(dān)。因此，開發(fā)長效的在體能源供給系統(tǒng)對于植入式醫(yī)療器件的發(fā)展意義重大。
2014年植入式摩擦納米發(fā)電機（iTENG）被應(yīng)用于生物體內(nèi)，并成功將運動產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為電能用于驅(qū)動下游器件，為發(fā)展可以替代或補償電池的植入式長效能源提供了新的思路和契機。但作為植入式長效能源，iTENG的體內(nèi)輸出性能和工作穩(wěn)定性仍需要進一步改善。
近期，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士和李舟研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究小組與上海長海醫(yī)院合作，在植入式長效能源系統(tǒng)和自驅(qū)動心臟功能無線監(jiān)控方面取得了進展，相關(guān)研究成果發(fā)表在新一期的ACS NANO（DOI :10.1021/acsnano.6b02693）。

上圖 植入式納米發(fā)電機的構(gòu)建及自驅(qū)動心率監(jiān)控系統(tǒng)工作示意圖；下圖 心率信號的實時采集和分析。
助理研究員鄭強、博士生石波璟共同研制了新型的可植入式的摩擦納米發(fā)電機，在上海長海醫(yī)院張浩副主任醫(yī)師的協(xié)助下，該器件被植入小型豬的心包間隙，成功的將心跳產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為電能。其體內(nèi)輸出電壓達到12伏，輸出電流達到5微安，分別較之前的工作提高3.5倍和25倍。另外，該工作探索了植入式的摩擦納米發(fā)電機的體內(nèi)長效穩(wěn)定性。在植入長達72小時后，該器件仍然保持了輸出特性，是目前納米發(fā)電機長的體內(nèi)連續(xù)工作記錄，顯示了其良好的工作穩(wěn)定性。更高的體內(nèi)輸出和更穩(wěn)定的體內(nèi)表現(xiàn)對于終實現(xiàn)iTENG作為電源驅(qū)動植入式醫(yī)療器件具有顯著的推動作用。
研究組成員還建立了iTENG輸出能量與心率的關(guān)聯(lián)性，并基于此設(shè)計制造了植入式自驅(qū)動心臟監(jiān)控裝置，可通過無線發(fā)射裝置實現(xiàn)了自驅(qū)動的心率遠程實時監(jiān)控。該結(jié)果對于發(fā)展基于摩擦納米發(fā)電機的主動傳感+系統(tǒng)具有重大意義。
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、北京市高創(chuàng)計劃的大力支持。
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.6b02693