共生式经导管起搏器在猪疾病模型中实现终身能量再生与治疗功能
第一， 研究的主要作者、机构及发表信息
本研究由Han Ouyang、Dongjie Jiang、Yiran Hu、Sijing Cheng、Zhengmin Zhang、Bojing Shi 等12位并列第一作者，以及Wei Hua与Zhou Li作为共同通讯作者领导的国际团队合作完成。参与机构包括中国科学院大学纳米科学与工程学院、清华大学附属北京清华长庚医院/清华大学临床医学院、北京纳米能源与系统研究所、中国医学科学院阜外医院、北京大学第三医院、北京航空航天大学、杭州电子科技大学等国内外多个顶尖科研与医疗机构。该研究成果以题为“Symbiotic transcatheter pacemaker for lifelong energy regeneration and therapeutic function in porcine disease model”的论文形式，发表于Nature Biomedical Engineering期刊，在线发表时间为2025年12月10日（接受日期），正式出版日期为2025年某月某日（具体日期待定）。
第二， 研究的学术背景
本研究属于生物医学工程领域，具体聚焦于植入式电子医疗器械，特别是心脏起搏器的能源供给革命。心脏起搏器是维持数百万心动过缓患者生命的关键设备，其发展经历了经皮、可穿戴、可植入到如今的经导管（transcatheter）无导线起搏器。2016年问世的经导管起搏器因其微小尺寸（如“维生素药丸”大小）可与身体高度集成，代表了该技术的重要里程碑。然而，其使用寿命（通常为8-10年）受限于内置电池的容量，远低于人体自然器官的寿命周期。当电池耗尽时，患者需要再次手术进行更换，带来了额外的创伤、感染风险和医疗成本。
因此，实现终身起搏是心脏起搏器发展的终极目标之一。解决这一问题的核心挑战在于满足终身服务的“临界能量条件”，即设备产生的能量需持续大于其消耗。人体心脏本身蕴含丰富的机械能（约1.4瓦），远超起搏器工作所需（约10微瓦）。理论上，每次心跳可提供约400-800微焦耳的机械能用于发电。近年来，从生物体活动中收集能量的技术，如电磁发电机、压电纳米发电机和摩擦纳米发电机等，为植入式设备供电提供了新思路。然而，现有技术或难以持续为起搏器供电（受限于平均功率和能量转换效率），或与现有临床介入手术指南不兼容，需要额外开胸手术，增加了患者风险和创伤。
基于此，本研究旨在提出并验证一种“共生系统”概念：通过从生物体自身运动（特别是心脏运动）中再生电能，来延长植入式电子设备的服务寿命，使其趋近于自然器官水平。具体目标是开发一种“共生式经导管起搏器”，它能够通过介入方式植入，利用心脏跳动进行高效能量收集，并实现长期、稳定、自主的治疗功能。
第三， 研究的详细工作流程
本研究是一项综合性极强的生物医学工程研究，涵盖了器件设计、体外性能测试、生物相容性评估、大型动物体内实验及长期概念验证等多个紧密衔接的阶段。研究共使用了11只实验用约克夏猪进行探索、优化和最终验证。
1. STPM器件的设计与制造： * 核心能量再生模块（ERM）：这是研究的核心创新。ERM本质上是一个微型线性发电机，采用了一种新颖的“磁悬浮能量缓存结构”。该结构包含一个可移动的圆柱形钕磁铁（N52，5mm×10mm）、一个底部固定的微型磁铁（用于提供磁斥力以抵消重力实现磁悬浮）、一个绕制在钛合金衬管上的电感线圈（约2300匝，使用直径40微米的漆包铜线）。其工作原理是：心脏收缩舒张带动整个起搏器装置运动，导致内部磁悬浮的磁铁相对于线圈往复运动，从而改变磁通量，在线圈中产生感应电流（电磁感应）。 * 整体集成：研究者采用了“一体化”设计，将能量再生模块、整流桥、可充电锂电池（ML621）、起搏电路（基于MSP430微控制器）以及起搏电极全部集成在一个微型装置内。起搏电极为弹簧结构，阴极由镍钛合金制成，阳极则为钛壳的裸露部分。装置通过镍钛合金钩齿（FlexFix tines）锚定在右心室内膜。整个装置封装在钛壳和聚四氟乙烯（PTFE）插头中，总质量约4.2克，直径约7.8毫米，长度约30毫米，符合经导管介入输送的尺寸要求。 * 介入输送系统：设计了一种可操控的输送导管系统，可通过26 Fr鞘管经股静脉或颈静脉路径，将STPM输送至右心室并精准释放、锚定。
2. 体外性能与安全性评估： * ERM性能测试：使用线性电机模拟心脏运动（加速度2-16 m/s²，位移8.7 mm），系统评估了ERM的输出性能。关键发现包括：采用10毫米高移动磁铁时性能最优；磁悬浮结构将能量转换效率从非磁悬浮结构的约0.0003%大幅提升至24%；在模拟心跳加速度（6.7-15.8 m/s²）下，开路电压可达1.8-4.8 V，短路电流达1.5 mA，单次心跳能量输出约169微焦耳；峰值功率在1300欧姆负载下达到1.1毫瓦。 * 长期稳定性测试：在磷酸盐缓冲液（PBS）中对ERM进行了3亿次循环（相当于心率60次/分下约10年）的加速疲劳测试，其输出电压稳定保持在6V，证明了其卓越的长期可靠性。 * 机械与生物相容性测试：测试证实钩齿结构的展开力（≥2 N）和回收力（≥2.6 N）以及锚定力（≥1 N）满足介入手术要求。细胞培养（L929成纤维细胞）和血液相容性（溶血、血小板激活与粘附）测试表明，装置所用材料（钛、镍钛合金、PTFE、聚对二甲苯）具有良好的生物相容性和血液相容性。起搏模块在PBS中浸泡231天并经历3亿次循环后功能完好。
3. 大型动物体内能量再生实验： * 实验对象与流程：使用3只大型约克夏猪（70-90公斤）进行体内能量收集性能评估。在荧光透视引导下，通过可操控输送系统将STPM植入猪的右心室心尖部并锚定。 * 性能测量：将ERM连接至测量仪器或负载（如LED），实时测量其开路电压、短路电流和输出功率。同时监测股动脉血压和心电图。 * 关键体内结果：当猪心率为138 bpm，血压为130/85 mmHg时，ERM的最大开路电压、短路电流和均方根输出功率分别达到2.5 V、1.3 mA和120 µW。该电能成功点亮了50个LED。研究还发现了血压差（收缩压与舒张压之差）与输出电压在5-45 mmHg范围内呈线性关系。ERM可在约100秒内将锂电池从0 V充电至1.8 V。在3次大型动物试验中，ERM的输出电压均高于2 V，电流接近1 mA，完全满足了起搏模块的能量（>10 µW）和电压（>1.5 V）需求。
4. 为期一个月的大型动物概念验证试验： * 疾病模型建立：首先通过射频消融术构建猪的严重心动过缓（三度房室传导阻滞）模型，使心率降至约47 bpm，血压降至85/45 mmHg，左心室射血分数低于45%。 * STPM植入与治疗：随后，将预先充电的STPM植入模型猪的右心室。装置依靠心脏运动再生的电能自主工作。 * 长期随访与评估：在植入后第1、14、30天进行随访。通过数字放射成像确认装置位置稳定；通过心电图和血压监测评估起搏功能；通过经胸超声心动图评估心脏功能恢复情况。 * 组织学分析：试验结束后，取出心脏样本进行组织学检查，评估装置与心肌组织的整合情况及炎症反应。
第四， 研究的主要结果
本研究取得了一系列从基础性能到临床应用潜力的多层次、系统性成果。
在器件性能层面，研究证实了磁悬浮能量缓存结构的巨大优势。该设计几乎消除了机械碰撞和摩擦，实现了接近零的启动阈值和高达24%的动能转换效率。ERM在模拟心脏运动条件下能稳定输出满足起搏器工作需求的电压（2-2.5 V）和功率，并且通过了相当于10年使用寿命的加速疲劳测试，展现了前所未有的长期稳定性。与文献中其他可植入右心室的能量收集装置相比，STPM的ERM在输出功率（120 µW RMS）和长期稳定性（3亿次循环）方面均呈现出一个数量级的提升。
在大型动物体内能量收集实验中，结果直接验证了STPM在真实生理环境中的可行性。ERM能够从心脏跳动中持续产生显著的电能输出，其均方根功率（120 µW）远超目前临床起搏器所需的功耗（5-10 µW）。这首次在大型动物体内实现了经导管植入式能量收集器满足并大幅超越起搏器工作的“临界能量条件”。输出电压与血压差的线性关系也为未来可能的生理传感功能提供了线索。
在为期一个月的概念验证试验中，结果更具临床意义。植入STPM后，严重心动过缓模型猪的心率从47 bpm成功提升至预设的98 bpm，血压从85/45 mmHg改善至110/70 mmHg，左心室射血分数从43%显著提升至61%。术后1、14、30天的随访显示，起搏功能持续稳定，心电图可见清晰的起搏信号。动物术后恢复良好。一个月后的组织学检查未发现明显的急性炎症反应，表明STPM具有良好的组织相容性。这些结果综合证明，STPM不仅能够高效收集能量，更能利用这些能量实现持续、有效的心脏起搏治疗，其治疗效果与电池供电的传统起搏器相当。
第五， 研究的结论与价值
本研究成功报道并验证了一种创新的“共生式经导管起搏器”。该装置通过电磁感应原理，从心脏运动中原位再生电能，在一个月的大型动物概念验证试验中实现了完全自主的持续运作和有效的疾病治疗功能。
其科学价值在于：1) 提出了“磁悬浮能量缓存结构”这一创新设计，从根本上解决了微型动能收集装置中的机械损耗和启动阈值问题，实现了高效率的能量转换；2) 首次将高效能量收集模块与成熟的经导管起搏技术无缝集成，实现了“采集-存储-使用”一体化的微型化、全植入式自供电系统；3) 在大型活体动物模型中，系统性地证明了基于能量收集的起搏器可以达到与电池供电设备同等的治疗效果，为“终身起搏”这一终极目标提供了切实可行的技术路径。
其应用价值巨大：STPM的设计（形状、材料、输送过程）与现有介入手术指南兼容，有望以微创方式植入，减少患者创伤、缩短手术时间并改善术后康复。若能成功转化临床，将可能彻底解决起搏器因电池耗尽而需反复手术更换的难题，极大提升患者生活质量和医疗经济效益，是下一代心脏起搏器极具潜力的发展方向。
第六， 研究的亮点
第七， 其他有价值的内容
研究也客观讨论了STPM迈向临床实践仍需解决的局限性：1) 长期安全性：需要更严格、更全面的测试支持，例如年水平的大型动物长期实验和更长时间的体外加速测试。2) 磁干扰或MRI兼容性：装置中的磁体可能干扰其他电子元件或影响MRI检查，尽管当前实验中未观察到实质性干扰，但需要更彻底的评估。3) 功能集成问题：未来若需集成通信、传感和计算模块，可能会增加电路尺寸，因此需要开发专用的集成电路芯片和嵌入式代码，并进一步实现小型化。这些讨论为后续研究指明了方向。
这项研究代表了植入式电子设备能源供给范式的重要转变，从“储存能量”转向“捕获环境能量”，为开发与人体共生的终身电子医疗器械开辟了崭新的道路。