面向心血管疾病诊疗的新范式：自供能医疗设备前沿进展综述

作者与发表信息 本文由Peng Cheng（程鹏，北京纳米能源与系统研究所、中国科学院大学）和Yuan Xi Meng（孟元熙，北京纳米能源与系统研究所、北京航空航天大学）作为共同第一作者，Yang Zou（邹洋，清华大学临床医学院、清华大学附属北京清华长庚医院）和Zhou Li（李舟，清华大学临床医学院、清华大学附属北京清华长庚医院、清华大学生物医学工程系）作为共同通讯作者撰写。该综述论文发表于期刊 *Cardiac Research*，于2025年在线发表。

论文主题 本文是一篇系统性综述，聚焦于自供能技术在心血管医疗设备领域的应用。文章旨在全面梳理和总结各种自供能技术的工作原理，并系统阐述其在心血管监测与治疗两大应用方向上的最新研究进展、代表性成果、面临的挑战以及未来前景。该综述的核心论点是：自供能技术有望突破传统心血管医疗设备在便携性、可持续性和长期适用性方面的瓶颈，为心血管疾病的个性化管理和精准治疗提供新的发展方向。

主要观点与论述

第一，心血管疾病管理的现状与挑战催生了自供能技术的需求。 文章开篇指出，心血管疾病是全球首要死因，其高发病率、突发性和并发症多的特点给诊疗带来巨大挑战。传统管理依赖医院内大型复杂设备（如心电图、动态血压监测仪），难以满足便携、长期、连续监测的需求。现有的植入式治疗设备（如起搏器、除颤器）则受限于电池寿命有限、体积大、需要二次手术更换等问题。因此，研发新一代小型化、可长期工作的心血管监测与治疗设备成为迫切需求。近年来，自供能技术的快速发展为这一领域开辟了新途径。这些技术能够从生理活动（如运动、体温、心跳、血流）中采集能量，实现无源传感或为设备供电，从而为开发下一代用于连续监测和治疗干预的心血管医疗设备展现出巨大潜力。

第二，多种自供能技术机制各异，为设备设计提供了多样化选择。 文章详细介绍了六种主要的自供能技术的工作原理、输出特性及适用场景： 1. 摩擦纳米发电机：基于接触起电和静电感应效应，将机械能转化为电能。其输出特点是高电压、低电流，对机械变形敏感，适用于收集脉搏、心跳、身体运动等生物机械能。 2. 压电纳米发电机：利用压电材料的直接压电效应，将机械应力转化为电信号。输出为低电压、低电流，同样适用于收集心跳、呼吸等周期性生理活动能量。其逆压电效应还可用于产生机械应变，实现治疗性电刺激。 3. 电磁发电机：基于电磁感应定律，将动能转化为电能。输出特点是高电流、低电压，适用于收集较大幅度的规律性机械运动能量。 4. 生物燃料电池：利用酶等生物催化剂，将体液（如血液）中的葡萄糖、氧气等生化物质的化学能直接转化为电能。其优势在于与生理环境高度兼容，可实现长期稳定运行。 5. 热释电纳米发电机：利用热释电效应，将随时间变化的温差（热流）转化为电能。输出取决于温度变化速率，可用于监测人体体温或内部器官的温度波动。 6. 热电发电机：基于塞贝克效应，利用空间上的稳定温差（热梯度）发电。输出电流大，功率密度相对较高，适合收集人体皮肤与环境空气的稳定温差为可穿戴设备供电。 文章指出，这些技术各有特点，应用场景互补。TENGs和PENGs因对机械变形的高灵敏度和与软组织界面的良好兼容性而受到广泛关注。选择何种技术需综合考虑监测对象、使用环境、性能追求等因素。

第三，在心血管监测领域，自供能设备正朝着可穿戴与植入式两个方向蓬勃发展，并融合智能化。 * 可穿戴自供能监测设备：致力于实现无创、连续、个性化的心血管健康管理。代表性进展包括： * 血压监测：例如，基于异质分层压电复合材料的可穿戴血压传感器阵列，能测量局部脉搏波速度，计算结果与临床多普勒超声方法高度一致。更先进的系统集成了压电传感器阵列、主动压力适配单元、信号处理模块和机器学习算法，实现了高精度（>98%）、连续、动态的血压监测。 * 脉搏与心音监测：基于仿生结构（如蝉翼纳米柱）的摩擦电脉搏传感器，结合个性化机器学习模型，可实现无袖带连续血压监测。基于TENG的听诊器，通过优化声学腔体结构，实现了高达36 dB的信噪比，并结合机器学习能诊断多种心脏疾病，准确率达97%。 * 系统集成与智能化：研究趋势是开发集成多模态传感（如压电与光电容积脉搏波）、无线传输和人工智能算法的智能系统。例如，双模态睡眠呼吸暂停监测系统，利用自供能的PENG进行初步筛查，仅在检测到可疑事件时才激活功耗较高的PPG传感器，结合视觉Transformer深度学习模型，在保证高检测精度的同时显著降低了功耗。 * 植入式自供能监测设备：直接接触心脏或血管，能实现更精确、抗干扰能力更强的监测。 * 心脏功能监测：如“无偏置心脏监测胶囊”（Bias-free Cardiac Monitoring Capsule, BCMC），可植入心腔，利用心脏自然舒缩驱动内部的滚动式TENG产生电信号，直接、实时、准确地反映心肌收缩力，甚至能检测非持续性室性心动过速等事件。 * 血管健康监测：将柔性传感器集成到仿生血管移植物中，形成“电子血管”，可在术后无线、原位监测再狭窄和血栓形成。直接3D打印的嵌入压电传感器的人工动脉，也能敏感检测早期血管闭塞。 * 液态生物电子学：如“永久性流体磁铁”（Permanent Fluid Magnet, PFM）系统，解决了固体材料与生物组织间的机械失配问题。将PFM注射到心包表面，通过电磁感应检测心脏机械运动产生的信号，比传统心电图信号更稳健，抗机械干扰能力更强。

第四，在心血管治疗领域，自供能设备为直接心脏干预和神经调控疗法带来了革新。 * 自供能直接心脏干预治疗： * 心脏起搏器：传统起搏器面临电池寿命和手术更换的挑战。研究提出了毫米级、可生物降解的临时光电子心脏起搏器，可通过微创手术植入，并实现多部位同步起搏。更有研究开发了基于TENG的自供能、无导线心内起搏器，能从心脏运动中采集能量，在猪模型中实现了长达三周的稳定起搏功能，为解决起搏器长期供电问题提供了新思路。 * 心脏补片：用于心肌梗死后的心脏修复。例如，基于TENG的三位一体心脏补片（Tri-TENG），能收集心跳的生物机械能来刺激心肌细胞，增强梗死区域电活动，在大鼠和猪的心肌梗死模型中均显著改善了心功能。另一种燃料电池补片（Fuel Cell Patch, FCP）则能提供原位电刺激和缺氧微环境，协同促进组织修复。 * 自供能神经调控治疗：通过调节自主神经系统（特别是迷走神经）来治疗心血管疾病，具有能量需求低、侵入性小的优点。 * 迷走神经刺激：例如，闭环自供能低强度迷走神经刺激（LL-VNS）系统，用于治疗心房颤动（AF）。该系统能显著缩短AF持续时间，减轻心肌损伤，其抗炎作用通过NF-κB和AP-1通路介导。另一种基于PENG的自供能VNS装置，能从颈动脉搏动中采集能量来刺激迷走神经，成功降低了模型犬的心率。

第五，尽管前景广阔，自供能心血管医疗设备迈向临床转化仍面临多重关键挑战。 文章在结论部分系统性地指出了该领域未来发展必须攻克的五大挑战： 1. 能量效率与稳定性：当前TENG、PENG等技术的输出功率和效率仍较低，难以支持无线通信等高功耗模块。长期运行中的材料老化、结构变形、输出不稳定以及能量管理能力薄弱也是问题。未来需开发高性能能量转换材料、优化器件结构、引入高效储能与调控策略。 2. 组织适应性与生物相容性：设备需在长期接触心脏、血管等组织时具备良好的机械适应性和生物相容性。现有材料在柔韧性、与生物组织的机械匹配方面仍有不足，可能导致运动伪影、局部组织炎症或纤维化。需进一步发展软材料、仿生材料、可降解柔性器件及界面改性技术。 3. 集成与封装：设备涉及能量采集、感知、处理、反馈等多个功能模块，实现高效集成和可靠封装是技术瓶颈。如何在保持系统稳定运行的同时实现多功能、高集成度，并对封装材料提出柔性、防水、透气、生物稳定等极高工艺要求，是亟待突破的问题。 4. 智能化与个性化：设备需向智能化方向发展，实现自适应调节和个性化干预。目前嵌入边缘计算和机器学习用于心律识别、疾病预警的研究仍有限。未来应加强“能量-数据-决策”闭环系统开发，结合个体差异进行模型训练，推动设备向真正的“精准医疗助手”转变。 5. 标准化与临床转化：该领域缺乏统一的技术标准和评价体系，大多数研究仍处于动物实验或体外验证阶段，缺乏系统的临床试验和长期数据积累。未来需要建立从设备安全评估、伦理审查到产品注册的完整转化路径，加强临床研究、标准制定和政策支持。

论文的价值与意义 本综述论文具有重要的学术价值和指导意义： 1. 全面性与时效性：文章不仅系统回顾了TENG、PENG等已广受关注的技术，还及时纳入了PFM等新兴液态生物电子学、以及神经调控治疗等前沿方向，提供了该领域最新、最全面的研究图景。 2. 清晰的架构与对比：文章从“技术原理”到“监测应用”再到“治疗应用”，逻辑清晰。在监测和治疗部分又细分可穿戴与植入式、直接干预与神经调控，并辅以表格总结代表性设备，使读者能快速把握各类技术的特性与适用范围。 3. 指向临床转化的批判性视角：文章不仅展示成果，更在结论部分深刻剖析了领域面临的五大核心挑战，为后续研究者指明了明确的技术攻关方向和临床转化路径，具有强烈的现实指导意义。 4. 跨学科桥梁作用：本文深度融合了材料科学、纳米技术、生物医学工程、电子工程和临床医学等多个学科的知识，为从事相关领域的研究人员提供了宝贵的交叉学科参考，有助于激发新的研究思路与合作。

这篇综述清晰地表明，自供能心血管医疗设备作为一个新兴的、融合能量采集、信号传感和智能响应的医疗技术体系，不仅展现出改善心血管疾病早期诊断和治疗的巨大潜力，也为未来的个性化医疗和精准干预奠定了坚实基础。其发展将深刻影响心血管疾病的诊疗模式。