Nature：世界上最小的“心脏守护者”!可溶解的微型起搏器

来源：100医药网 2025-04-07 12:42

来自美国西北大学等机构的科学家们通过研究开发了一种能装进注射器的微型起搏器，其不仅体积小到令人难以置信，还能在完成使命后自动溶解，且无需二次手术取出。

在医学领域，心脏起搏器一直是治疗的重要工具，然而传统的起搏器往往体积较大，植入过程复杂，且存在感染、组织损伤等风险。对于新生儿和儿童来说，这些问题尤为突出。

近日，一篇发表在国际杂志Nature上题为 Millimetre-scale bioresorbable optoelectronic systems for electrotherapy 的研究报告中，来自美国西北大学等机构的科学家们通过研究开发了一种能装进注射器的微型起搏器，其不仅体积小到令人难以置信，还能在完成使命后自动溶解，且无需二次手术取出。

在后或其它需要临时起搏的场景中，传统起搏器是必不可少的，然而这些设备通常需要通过侵入性的心脏手术或内手术植入，这对于儿童和成人患者来说都是一个巨大的挑战。此外传统起搏器还存在感染、心肌撕裂、及外部电源和控制系统移位等风险，对于新生儿和患有的儿童来说，这些问题尤为严重，因为其机体的心脏往往无法承受传统起搏器的负担。

这项研究中，研究人员开发了一种微型起搏器，其体积小到可以装进注射器的尖端，且能通过非侵入性的方式注入人体。这种起搏器不仅适用于所有大小的心脏，而且特别适合新生儿和患有先天性心脏病的儿童，其体积比一粒米还小，与一个小型、柔软、灵活、无线、可穿戴的设备配对，该设备能安装在患者的胸部以控制起搏。当可穿戴设备检测到心律不齐时就会自动发出光脉冲以激活起搏器，这些短脉冲能穿透患者的皮肤、胸骨和肌肉从而控制起搏。这种微型起搏器的设计初衷是为那些只需要临时起搏的患者服务。当其不再被需要时就会自然溶解，而且其所有组件都是生物相容的，能安全地溶解在人体的生物液体中无需手术取出。研究表明，这种起搏器在一系列大型和小型动物模型以及已故器官捐献者的人类心脏中都表现出良好的效果。

可注射、自供电、生物可吸收的无线、光电控制心脏起搏器的设计

研究者John A. Rogers教授说道，据我们所知，我们开发了世界上最小的起搏器。如今，在儿科心脏手术的背景下，临时起搏器的需求至关重要，而尺寸微型化在这里极为重要，就设备对身体的负担而言 越小越好。研究人员进行研究的主要动机是儿童，大约1%的儿童出生时就患有先天性心脏病，无论其生活在资源匮乏还是资源丰富的国家。但好消息是，这些儿童在手术后只需要临时起搏，而且大约七天左右大多数患者的心脏就会自我修复，但其中那七天绝对是关键的。如今，研究人员就能在儿童的心脏上放置这种新型微型起搏器，并通过一种柔软温和的可穿戴设备来刺激它，且不需要额外的手术来对其进行移除。

这种微型起搏器的另一个创新之处在于其供电方式。与传统的无线通信协议不同，这种起搏器通过一种简单的化学电池供电，这种电池将化学能转化为电能。具体而言，起搏器使用了两种不同的金属作为电极，当其与周围的生物液体接触时，电极就会形成一个电池从而产生电流刺激心脏；研究者表示，当起搏器植入人体时，机体周围的生物液体就会作为导电电解质将这两个金属垫电连接起来形成电池。一种非常小的光激活开关在电池的对面，其允许我们在从皮肤贴片传递的光的作用下，将设备从关闭状态切换到开启状态。

随后，研究人员使用了一种可以深入且安全地穿透人体的红外光；如果患者的心率低于某个设定值，可穿戴设备就会检测到这一事件并自动激活一个发光二极管，然后光就会以与正常心率相对应的频率闪烁。研究者说道，红外光可以很好地穿透人体，如果你把一个手电筒放在手掌上，你会看到光从手的另一侧透过来；而事实证明，我们的身体是光的良好导体。尽管这种起搏器体积非常小（宽度仅为1.8毫米，长度为3.5毫米，厚度为1毫米），但其仍然能提供与全尺寸起搏器相同的刺激效果。研究者指出，心脏只需要一点点电刺激。通过最小化体积，研究人员就能极大地简化植入程序并减少对患者的和风险，且由于设备的可溶解性，他们就能消除任何二次手术取出的需要。

这种微型起搏器不仅适用于心脏，还可以集成到其它医疗设备中，比如心脏瓣膜置换装置等，这些装置或会引起心脏传导阻滞，此外，这种技术的多功能性也为生物电子医学开辟了广泛的应用前景，包括帮助神经和骨骼愈合、治疗伤口和阻断疼痛等。最后研究者指出，由于其体积非常小，这种起搏器就能与几乎任何类型的植入式设备集成，同时研究人员还在跨瓣膜瓣置换的框架中展示了这些设备的集成，而在本文研究中，微型起搏器能根据需要被激活，从而解决患者恢复过程中可能出现的并发症，而这只是研究人员如何通过提供更功能性刺激来增强传统植入物的一个例子。

综上，本文研究不仅为心脏起搏器的发展带来了新的希望，也为未来医疗设备的小型化和智能化提供了新的方向，这种新型微型起搏器的出现有望改变科学家们对心脏疾病治疗的认知，并为无数患者带来更安全、更有效的治疗选择。（100yiyao.com）

参考文献：

Zhang, Y., Rytkin, E., Zeng, L.et al..Nature640, 77 86 (2025).doi：10.1038/s41586-025-08726-4

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