研究人員打造一種用光驅(qū)動的心臟起搏器

TIAN LAB, UNIVERSITY OF CHICAGO

近日，芝加哥大學(xué)的11名研究人員報告稱，他們已經(jīng)在活體動物身上安裝并測試了采用光能驅(qū)動的起搏器，其研究成果發(fā)表在《自然》雜志上，該論文僅聲稱“這是第一次對活體豬心臟進行微創(chuàng)光學(xué)刺激”。

他們似乎取得了更多的成就。

該團隊開創(chuàng)性地設(shè)計、制造和測試了一種新型無線超薄心臟起搏器。他們的技術(shù)方法也可以改變需要刺激神經(jīng)、肌肉或心臟的治療方法。

芝加哥研究小組評估了光伏材料，并開發(fā)了用于培養(yǎng)的心臟細胞、嚙齒動物心臟、小鼠和大鼠體內(nèi)實驗的設(shè)備，以及一只成年豬。他們最終開發(fā)的植入豬體內(nèi)的設(shè)備是一種柔性的兩厘米見方的光伏膜，通過微創(chuàng)手術(shù)植入。

研究生Pengju Li說，他從芝加哥的兩個實驗室——Bozhi Tian的生物和電子材料小組和Narutoshi Hibino的轉(zhuǎn)化心血管研究小組——召集了多學(xué)科研究團隊。

在最后的實驗中，芝加哥外科團隊在《自然》雜志的論文中報道稱，他們將4平方厘米的薄膜穿過動物肋骨之間皮膚上1厘米的縫隙。薄膜很?。喊雽?dǎo)體層只有4微米厚，穩(wěn)定在21μm的聚合物基質(zhì)上。這種薄膜也很輕——大約0.05克。傳統(tǒng)的起搏器，即使是新的無引線設(shè)計（它們“沒有導(dǎo)線”，而不是“沒有元件82”），重量也是100到1000倍。

因此，起搏器自行粘附在右心室上。實驗室負責人Bozhi Tian說，這種自然粘附足以在急性治療中短期應(yīng)用。

研究人員使用內(nèi)窺鏡和插入同一厘米縫隙的光纖，用一系列1毫秒的激光脈沖照亮起搏器上的一個選定點。（在早期的實驗中，他們使用窄至10μm的激光束來定位刺激。）

起搏器超過了心臟的正常節(jié)律，將其從每分鐘71次加速到約120次。他們還報告說，通過將光束從一個目標移動到另一個目標，他們實現(xiàn)了多部位激活——刺激右心室和左心室的肌肉，產(chǎn)生心臟再同步治療（CRT）中使心律失常心臟恢復(fù)正常跳動所需的收縮模式。

Tian說，該團隊的第一個臨床目標將是為有心臟性猝死風險的患者提供臨時CRT。在這些情況下，CRT需要幾天到幾個月的短暫植入。Tian說：“CRT肯定需要精確的多部位起搏，我們的目標是首先將其應(yīng)用于臨床應(yīng)用。”

無引線和微創(chuàng)

傳統(tǒng)的起搏器導(dǎo)線通常穿過主靜脈，進入其中一個心室，電極在那里接觸心壁。起搏器的電子設(shè)備和電池被塞在上胸部皮膚下的一個口袋里，并連接在心臟外的導(dǎo)線末端。

然而，導(dǎo)線有時會阻塞靜脈，干擾心臟瓣膜，或刺激心臟內(nèi)的組織，有時會造成嚴重甚至致命的后果。

自20世紀70年代以來，無導(dǎo)線起搏器就開始出現(xiàn)，并于2014年進入市場和診所。這些是小型、獨立的封裝，結(jié)合了超長壽命電池和起搏電子設(shè)備。這些小圓柱體只有幾克重，長3到4厘米，大小和形狀介于AAA電池和大型維生素膠囊之間。像傳統(tǒng)的起搏器一樣，它們被插入心臟，穿過主靜脈進入心室。

據(jù)悉，芝加哥團隊開發(fā)的原型確實需要在皮膚上有1厘米的切口，在心包（心臟周圍的囊）上有2厘米的窗口，以設(shè)置起搏器并允許光纖束傳輸激光。在原型中，激光器是由外部供電的。該團隊表示，在開發(fā)過程中，這些都是需要解決的挑戰(zhàn)。

Li和Tian還表示，他們開發(fā)了微創(chuàng)植入方法，以減輕受試者的壓力，促進康復(fù)。Tian說：“也許，對我來說最有成就感的是微創(chuàng)手術(shù)工具的初步設(shè)計。他說，看到整形外科醫(yī)生插入聚合物植入物修復(fù)撕裂的肌腱套，他受到了啟發(fā)。

起搏器的心臟

為了制造他們的起搏器，芝加哥團隊需要具有特定特性的材料。它必須產(chǎn)生足夠的電流來刺激心臟，并且電流必須在時間和空間上高度局部化。Li，Tian和他們的同事說，為了選擇最佳材料，他們轉(zhuǎn)向了太陽能電池，測試了一系列替代品，包括非晶硅和單晶硅。研究人員表示，他們使用的半導(dǎo)體——納米多孔單晶硅類型——在時間和空間上都產(chǎn)生了嚴格約束的電流。Tian說，從那時起，“Pengju已經(jīng)顯著地擴展了這個系統(tǒng)，包括通過其他合成方法產(chǎn)生的多孔/納米多孔硅異質(zhì)結(jié)?！?/p>

Tian說，到目前為止，“制造過程非常容易。具體來說，產(chǎn)生納米多孔結(jié)構(gòu)的蝕刻過程在溶液中只需要大約一分鐘或更短的時間。我相信這使得可擴展和低成本的制造變得可行?！?/p>

芝加哥西北大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教授Igor Efimov，在《自然》雜志論文的一篇評論中寫道，這項開發(fā)提供了“令人興奮的概念證明，顯示了這項技術(shù)的巨大潛力，并表明光電設(shè)備最終可以改變一系列療法，包括需要神經(jīng)、肌肉和心臟刺激的療法。”