植入心髒起搏器是治療慢性心率失常的主要方式，心髒起搏器植入患者體內之後可能至少需要運行數十年，因此需要穩定的電力供應。目前，為心髒起搏器供能的主要是電池，電池不僅笨重堅硬，且壽命較短，需要更換。除了特殊型號的心髒起搏器之外，一般單控起搏器電池壽命≥8年，雙控起搏器電池壽命≥6年，三強起搏器電池壽命≥4年。由於更換電池需要進行手術，為了實現心髒起搏器植入患者體內之後便可一勞永逸，無需更換電池，科學家一直在探索。

        利用人體葡萄糖供能

        心髒起搏器或無需更換電池

        在理想狀態下，若能為植入式心髒起搏器設計出一款可以利用人體細胞內物質為其供能的電池，便有望實現一次植入可一勞永逸。近日，來自麻省理工學院和慕尼黑工業大學的研究人員開發出了一款葡萄糖燃料電池，可以將血糖的化學能量轉化為電能，為植入式設備永久供能。該項研究成果以“A Ceramic-Electrolyte Glucose Fuel Cell for Implantable Electronics”為題，發表在Advanced Materials上。

        研究表明，研究人員設計出的這款新型葡萄糖燃料電池厚度僅400nm，是迄今為止最小的植入式電源，盡管體積小，但其每平方厘米可產生約43微瓦的電力，實現了至今為止葡萄糖燃料電池的最高功率密度[1]。因此，研究人員認為，這款迄今為止最小的潛在植入式電池，是下一代高度微型化植入式醫療設備的可行選擇。

        這款基於陶瓷的葡萄糖燃料電池(圖2)由質子傳導電解質、二氧化鈰和多孔鉑電極膜組成，分別用於葡萄糖和氧氣的轉化。植入式心髒起搏器的電池需要在其所需的高溫滅菌過程中保持穩定，而該款葡萄糖燃料電池的核心正是由陶瓷組成，因此即使在高溫環境中也可保持其電化學特性。研究人員在矽芯片上製造了150個單獨的葡萄糖燃料電池，每個厚度約400nm，寬度約300μm，測量葡萄糖溶液流過電池頂部時，這些電池的電輸出量。經測量，燃料電池產生的峰值電壓約為80mV，即相當於每平方厘米輸出電量達43微瓦。這是迄今為止葡萄糖燃料電池中功率密度最高，並足以為心髒起搏器這樣的植入式醫療產品供電的設備。

        為了使用陶瓷葡萄糖燃料電池為植入式心髒起搏器供電，傳感器或神經刺激器等設備的供電需要具備長期穩定性。值得強調的是，葡萄糖燃料電池可暴露在葡萄糖溶液中長達140小時，表明其具有長期穩定性。

        對此，研究人員表示：“這是第一次將電陶瓷材料中的質子傳導用於葡萄糖能量的轉換，定義了一種新型電化學。它將材料從氫燃料電池擴展到新的、令人興奮的葡萄糖轉換模式。”這款新型葡萄糖燃料電池使用的陶瓷無毒、便宜，而且對人體內條件和植入前滅菌條件都呈惰性，因此為植入式傳感器和其他功用的微型電池開辟了一條新途徑。

        無需電池、可降解

        更智能的新一代心髒起搏器

        1. 心跳就是能量，無需電池的自驅動心髒起搏器

        2019年，一項題為“Symbiotic cardiac pacemaker”的研究(圖3)指出，研究人員開發了一種嶄新的裝置，可以收集心跳產生的能量，並以此給心髒起搏器供能。這項來自美國佐治亞理工學院教授、中國科學院外籍院士王中林和中國科學院北京納米能源與係統研究所李舟研究院團隊的研究成果，被發表在Nature Communciations上。受生物共生現象啟發，該研究團隊發明了基於植入式摩擦納米發電機(implantable triboelectric nanogenerator，iTENG)的植入式共生起搏器(symbiotic pacemaker，SPM)，並成功實現了大型動物模型的心髒起搏和竇性心率失常矯正。

        SPM(圖4)由三部分組成，分別是能量收集單元、電源管理單元和起搏器單元，其工作原理是將一個納米材料組成的柔性薄片器件貼附在心髒表麵，當心髒跳動時，薄片發生形變並產生電能，進而調節患者心髒生理活動，其能量源以及作用目標均是心髒。為了檢測共生起搏器心髒起搏的性能，研究人員將此係統植入豬體內，結果證實其能成功實現大型動物的心髒起搏，且具有糾正心率失常的能力，從而阻止病情惡化。此外，研究人員還證實，SPM在每個心髒運動周期可獲得0.495μJ，高於心髒起搏器發出一次起搏電脈衝的閾值能量(通常為0.377μJ[2]。也就是說，SPM每個周期收集的能量完全足夠支撐人類心髒起搏。

        SPM可實現“一次心跳，一次起搏”，這對自驅動心髒起搏器邁向臨床和產業化具有重要意義。與目前的植入式心髒起搏器相比，SPM最大的價值在於不用定期更換電池，可實現一次植入，終生使用。

        2. 全球首個體內可降解心髒起搏器

        2021年，Nature Biotechology上發表了一篇題為“Fully implantable and bioresorbable cardiac pacemakers without leads or batteries”的研究論文(圖5)。該項研究提出，科學家開發出了一種幾個月內可以無害降解的臨時心髒起搏器，安全無線且無需拆除[3]。

        在這項研究中，研究人員通過一係列動物研究，發現這種臨時心髒起搏器技術具備生物可吸收性、生物相容性和電功能性。該心髒起搏器可以有效捕捉和維持不同物種的心率，包括人類、小鼠、兔子和狗。用犬模型進行的體內試驗表示，這種起搏器係統完全適用於成人患者。該設備在植入大鼠體內3個月後，可完全被吸收。研究人員表示，該方法克服了傳統臨時起搏裝置的劣勢，同時，這一結果為生物可吸收電子技術奠定了基礎，有望解決心髒病患者重要護理領域尚未得到滿足的需求。

        社會老齡化加劇

        國產心髒起搏器研發正當時

        1. 創領心率醫療：擁有首個國產可兼容MRI的心髒起搏器產品

        今年4月，微創醫療旗下子公司創領心率管理醫療器械(上海)有限公司生產的Rega®心係列磁共振條件安全植入式心髒起搏器或NMPA批準，成為第一個可安全進行磁共振成像(MRI)檢查的國產心髒起搏器係列。該係列起搏器擁有先進的AutoMRI™技術，將引領國產心髒起搏器發展快速進入新時代。

        AutoMRI™技術使起搏器在探測到MRI設備的磁場後，自動開啟MRI檢查模式，並在離開MRI設備後，自動關閉MRI檢查模式，且返回原先的設置，這確保了起搏器在MRI環境前後，盡可能多的保持合適的參數設置狀態，減少患者的不適和心律失常風險，同時，也減少了不必要的醫療幹預以及醫生的工作負擔。

        2. 先健科技：與美敦力深化戰略合作，開啟國產MRI兼容起搏新時代

        2014年7月，先健科技與美敦力達成戰略聯盟，借助美敦力的技術和渠道優勢快速發展，並於2018年8月完成首例心髒起搏器植入。2021年12月16日，先健科技宣布與美敦力就“進一步擴大‘芯彤’國產心髒起搏器項目的戰略合作”完成係列補充協議簽署，雙方將針對中國市場日益發展的治療需求，啟動國產核磁兼容(MRI兼容)起搏係統的項目合作，並致力於推近新合作產品在中國市場的快速商業化落地。

        美敦力的技術轉移使先健科技成為國內第二家擁有完整植入式心髒起搏器產品線的中國本土企業。其自主研發的8301型臨時起搏器於2019年和2020年上半年獲FDA和CE批準上市，國內於2019年進入“綠色通道”，2021年4月獲批上市。該產品是一款起搏/分析二合一的多功能產品，適用於為心動過緩患者提供單腔體外臨時起搏，也適用於在起搏器和除顫器植入手術中進行起搏係統分析。此外，該設備還可以連續測量起搏導聯係統的阻抗和感知幅度，以及實時連續顯示腔內心電圖，適合主動電極導線植入後的損傷電流的臨床觀察。

        隨著人口老齡化的發展以及磁共振檢查技術的革新，兼容MRI的心髒植入式電子器械需求量越來越大。同時，由於社會經濟的發展以及患者相關意識的提升，MRI兼容心髒植入式電子器械的植入量近年來也較為迅速。在以往很多年裏，國內市場一直處於被進口品牌壟斷的局麵，近年來，部分國產企業開始布局這一賽道，期待國產品牌可以快速搶占市場。