核心来源：某机构（原西北大学）
日期：2025年4月2日
完整报道
某机构工程师开发出一种极其微小的起搏器，小到可以装入注射器针头尖端，并能以非侵入方式注射入体内。
虽然它适用于各种大小的心脏，但该起搏器尤其适合患有先天性心脏缺陷的新生婴儿细小而脆弱的心脏。
该起搏器比一粒米还小，与一个安装在患者胸部、用于控制起搏的小型、柔软、灵活、无线的可穿戴设备配对使用。当可穿戴设备检测到心律不齐时，会自动发出光脉冲激活起搏器。这些短脉冲光穿透患者的皮肤、胸骨和肌肉，控制起搏节奏。
该起搏器专为只需临时起搏的患者设计，在不再需要后会自行溶解。起搏器的所有组件都具有生物相容性，会自然溶解于体内的生物体液中，无需手术取出。
该研究于4月2日发表在《Nature》期刊上。论文通过一系列大、小动物模型以及从已故器官捐献者获得的人类心脏，展示了该器件的有效性。
“我们开发出了据我们所知世界上最小的起搏器，”领导器件开发的生物电子学专家说道，“在儿科心脏手术背景下，对临时起搏器有着关键需求，而这是一个尺寸微型化极其重要的用例。就器件对人体的负担而言，越小越好。”
“我们的主要动机是儿童，”共同领导该研究的实验心脏病学家说，“大约1%的儿童天生患有先天性心脏缺陷——无论他们生活在资源匮乏还是资源丰富的国家。好消息是，这些儿童在手术后只需要临时起搏。大约七天左右，大多数患者的心脏会自我修复。但那七天绝对至关重要。现在，我们可以将这个微小的起搏器放在儿童心脏上，并通过一个柔软、温和的可穿戴设备来刺激它。而且无需额外手术将其取出。”
满足未尽的临床需求
这项工作建立在先前合作的基础上，当时他们开发了首个用于临时起搏的可溶解器件。许多患者在心脏手术后需要临时起搏——要么在等待永久起搏器期间，要么在恢复期帮助恢复正常心率。
在当前的标准护理中，外科医生在手术期间将电极缝在心肌上。来自电极的导线从患者胸部前部引出，连接到一个外部起搏盒，该起搏盒提供电流来控制心脏节律。
当不再需要临时起搏器时，医生会取出起搏器电极。潜在的并发症包括感染、移位、组织撕裂或损伤、出血和血栓。
“导线 literally 从身体中伸出，连接到体外的起搏器，”心脏病学家说，“当不再需要起搏器时，医生会将其拔出。导线可能被疤痕组织包裹。因此，当拔出导线时，可能会损伤心肌。”
为响应这一临床需求，研究团队开发了可溶解起搏器，于2021年发表在《Nature Biotechnology》上。这种薄、柔、轻的器件消除了对 bulky 电池和刚性硬件（包括导线）的需求。该实验室此前发明了生物可吸收电子药物的概念——这种电子产品为患者提供治疗效果，然后像可吸收缝线一样无害地在体内溶解。通过改变这些器件中材料的成分和厚度，可以精确控制它们在溶解前保持功能的确切天数。
体液驱动的电池
虽然原始的如四分之一大小般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可能将器件做得更小。这样它就更适合非侵入性植入，并用于最小的患者。但该器件由近场通信协议供电——与智能手机中用于电子支付和RFID标签的技术相同——这需要内置天线。
“我们最初的起搏器效果很好，”工程师说，“它薄、柔且完全可吸收。但其接收天线的尺寸限制了我们将其微型化的能力。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学的方案来开启起搏器并向心脏表面输送刺激脉冲。这是使我们能够大幅缩小尺寸的一个特点。”
为了进一步减小器件尺寸，研究人员还重新设计了其电源。新的微型起搏器不再使用近场通信供电，而是通过原电池的作用运行，这是一种将化学能转化为电能的简单电池。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。当与周围的生物体液接触时，电极形成一个电池。由此产生的化学反应导致电流流动以刺激心脏。
“当起搏器植入体内时，周围的生物体液充当导电电解质，电气连接那两个金属垫，形成电池，”工程师说，“电池另一侧的一个非常微小的光激活开关，使得我们能够在接收到来自皮肤贴片、穿过患者身体的光时，将器件从‘关闭’状态切换到‘开启’状态。”
用光脉冲控制
研究团队使用了一种能深入且安全穿透身体的红外光波长。如果患者心率降至某个速率以下，可穿戴设备会检测到该事件，并自动激活一个发光二极管。然后，该光以与正常心率相对应的速率闪烁。
“红外光能很好地穿透身体，”心脏病学家说，“如果你把手电筒贴近手掌，你会看到光从手的另一侧透过来。事实证明，我们的身体是很好的光导体。”
尽管起搏器非常微小——尺寸仅为宽1.8毫米、长3.5毫米、厚1毫米——但它仍能提供与全尺寸起搏器相当的刺激量。
“心脏只需要微量的电刺激，”工程师说，“通过最小化尺寸，我们极大地简化了植入程序，减少了对患者的创伤和风险，并且凭借器件的可溶解特性，消除了任何二次手术提取程序的需要。”
更复杂的同步化
由于器件非常微小，医生可以在心脏上分布多个起搏器。可以使用不同颜色的光来独立控制特定的起搏器。以这种方式使用多个起搏器，与传统起搏相比，能够实现更复杂的同步化。在特殊情况下，心脏的不同区域可以以不同的节律起搏，例如，用于终止心律失常。
“我们可以在心脏外部部署许多这样的小型起搏器，并分别控制每一个，”心脏病学家说，“然后我们就能实现改进的同步化功能护理。我们还可以将我们的起搏器整合到其他医疗器械中，如心脏瓣膜置换物，后者可能导致心脏传导阻滞。”
“因为它非常小，这种起搏器几乎可以与任何类型的植入式器件集成，”工程师说，“我们还演示了将这些器件的集合集成到作为经导管主动脉瓣置换物的框架上。这样，微小的起搏器可以在需要时被激活，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性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药物领域的其他广泛应用开辟了广阔可能性，包括帮助神经和骨骼愈合、治疗伤口以及阻断疼痛。
该研究题为“用于电疗的毫米级生物可吸收光电系统”，得到了某生物电子学研究所、某基金会以及美国国立卫生研究院的资助。FINISHED
