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近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院微纳电子学系教师杨斌及合作者在美国化学会国际著名期刊ACS Nano（影响因子为13.709）在线发表了题为“Direct Powering a Real Cardiac Pacemaker by Natural Energy of a Heartbeat”的论文。
心脏起搏器是一种临床上最为常见的辅助心功能的植入式医疗电子治疗器件，通过脉冲发生器发放由电池提供能量的电脉冲，通过导线电极的传导，刺激电极所接触的心肌，使心脏激动和收缩，从而达到治疗由于某些心律失常、心力不足等所致的心脏功能障碍的目的。值得注意的是，所有的这些植入式心脏起搏器都是带有一块内置电池，目前主要采用高能量密度的锂离子电池作为能量的供应来源。然而，由于内置电池所存储的电量是固定的，起搏器的使用寿命也必然是有限，一般5-12年，周期性的进行起搏器更换手术是起搏器植入患者目前无法避免的，这种周期性更换术大大增加了高发病率患者的健康风险，也会给患者带来巨大的经济负担，甚至增加了潜在的死亡率。另外，为了保障起搏器有足够的能量维持正常的使用寿命，起搏器在功能完善和小型化等方面的发展也受到了极大制约。半个多世纪以来，能源供给成为起搏器寿命的直接因素，也是发展到今天所面临的最大限制性因素。通过能量采集技术转化体内本身丰富的生物化学能、机械能等为起搏器供能成为一种医疗器件可持续供能的重要解决方案而得到广泛研究。无电池的自供能心脏起搏器也成为心脏起搏器重要发展趋势。
图1 自供能心脏起搏器设计图
该研究基于块体压电陶瓷的高性能压电效应，通过化学机械抛光技术对块体压电陶瓷材料进行厚度方向上的微尺度加工控制，使得脆性的压电陶瓷在薄膜化后能很好的适应衬底的柔性变形，并保持着块体的高性能压电系数，进而为制备高输出性能的植入式压电能量采集器提供了关键材料基础。再利用弹性结构设计的压电能量采集器转化心脏跳动过程中的机械能为心脏起搏器可利用的电能。本课题组和第二军医大学合作将研制的囊状结构柔性压电能量采集器植入到猪的体内，目前实现了输出电流15 µA，相比之前报道提高8.5倍，使得这一输出满足心脏起搏器的功能需求。也通过将这一输出直接供给拆除电池后的商用起搏器单元，首次成功驱动起搏器芯片产生有效的脉冲电压信号，并在猪的体内验证了这一脉冲信号对心脏的起搏刺激是有效的。
图2 植入式能量采集器供能于心脏起搏器
该研究成果被美国科学促进会(American Association for the Advancement of Science, AAAS)主办的全球科技新闻服务网站EurekAlert以“Powering a pacemaker with a patient's heartbeat”为题报道，同时也被美国化学学会新闻网，英国路透社，美国科技媒体网（The Verge）, BioWorld MedTech， HealthDay news，德国科学画报，意大利安莎通讯社，奥地利广播公司等新闻媒体陆续报道。
图3 相关媒体报道
上海交通大学电子信息与电气工程学院博士研究生易志然和第二军医大学的博士研究生李宁和马也为该论文的共同第一作者。上海交通大学电子信息与电气工程学院微纳电子学系刘景全教授课题组的杨斌副研究员和第二军医大学心外科张浩副主任医师为该论文的共同通讯作者。该研究获得国家863计划项目、国家自然科学基金委、上海市科委和教委项目的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/acsnano.8b08567
作者： 易志然
供稿单位： 学院概况微纳电子学系
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