原创 陈彬 2025-05-25 23:12 广东
▲ 起搏器竟然可以这么小，这有点超乎想象。（资料图）
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研究人员近日研发出了世界上最小的心脏起搏器，每个起搏器的尺寸小于一粒米，且这种无线起搏器在达到使用目的后还会被体液彻底溶解，排出体外。
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文｜南方周末特约撰稿 陈彬
责任编辑｜朱力远
随着人口老龄化现象的加速和不良生活习惯的流行，无论是在中国还是世界范围内，心血管疾病的患病人数一直在增长。在人口死亡原因的构成上，心血管疾病也是最重大的贡献者之一。以中国为例，根据中国国家心血管病中心最新的年度报告《中国心血管健康与疾病报告（2023）》（2024年版尚未发布），中国目前有心血管疾病患者3.3亿人，并且在中国人群死亡原因的构成比上，心血管疾病占近50%，位居首位。
在心血管疾病患者中，一部分人需要接受心脏起搏器植入手术。仅2022年一年，中国就开展了12万台起搏器植入手术。根据其目的，心脏起搏器植入可以分为两大类：永久性的和临时性的。对一部分严重心律失常的病人，需要起搏器长期帮助心脏以正确的方式和速度搏动，因此植入的是永久性起搏器；对另外一些情况，比如为永久性起搏器植入的必要性做评估和过渡、某些手术过程中和术后短期内的保护性起搏、突发心脏病后的抢救等，则需要（或者首先需要）植入临时性起搏器。
对于临时植入的起搏器，在达到目的（根据相关统计，平均仅需要4.2天）后需要拔除电极导线。对于永久起搏器，如果发生感染，也需要拔除电极导线，如果感染处理不当，会有很高的死亡率。此外，拔除电极导线时还可能导致心脏损伤。显然，如果起搏器没有电极导线，无疑将会大大增加起搏器的安全性和使用体验。
2012年，医学界开发出了无线心脏起搏器并将其投入临床应用，但应用还处于起步阶段。以中国为例，无线心脏起搏器直至2019年才获批上市。此外，无线起搏器的应用范围也不如有线起搏器广。
美国西北大学的科学家与合作者近日在《自然》杂志上发表了一项研究，介绍了他们研发的世界上尺寸最小的心脏起搏器。这种无线起搏器比一粒米还要小，达到使用目的后会被体液彻底溶解，排出体外。更为重要的是，这种起搏器的应用范围比传统的无线起搏器更广，而且可以与其他治疗手段相结合，开展多种治疗。
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起搏原理
心脏起搏器的目的非常简单：监测心脏的搏动，在搏动的异常程度超出预先设置的标准时就对心脏施加电刺激，矫正心脏的搏动。因此，心脏起搏器的工作原理也不复杂。以有线心脏起搏器为例，整个装置包括两部分：电极导线和脉冲发生器。
电极导线由导线和导线远端的电极构成。其任务分为两个方面：探测心脏的搏动和对心脏施加电脉冲刺激。
脉冲发生器的作用是将电极探测到的心脏搏动信号（如每分钟的心跳次数）与预设的标准加以比较，如果超出了预设的标准（心律过低），脉冲发生器就会产生电脉冲信号，信号经过导线传递到电极，由电极对心脏施加电刺激，矫正心脏的搏动。在心脏的搏动恢复到预设范围内之后，脉冲发生器就会停止产生脉冲信号。
绝大多数的起搏器植入手术都不需要开胸，医生是通过静脉血管，在实时的X射线透视影像的指引下，将电极导线送入体内，最终抵达心脏的正确部位的。
脉冲发生器有钥匙扣大小，不需要靠近心脏。医生会在病人锁骨下方的皮下组织做一个囊袋，将脉冲发生器装在这个“口袋”里。通过导线，脉冲发生器就能接收和发送信号。
无线起搏器则是把所有的元件集成于一体，整个装置只有一枚胶囊大小。无导线的设计也就避免了导线可能带来的伤害。但无线起搏器也有其局限性：有线起搏器最多可以植入到心脏的所有四个腔室（左右心房和左右心室），而所有的无线起搏器都是单腔起搏器，只能植入到右心室，直到2023年，全球第一种双腔无线起搏器（事实上是两个在实体上独立，但能协同工作的起搏器）才诞生。这意味着在执行较为复杂、需要多腔室协同的起搏程序上，无线起搏器不如有线起搏器。
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一石三鸟
美国西北大学的科学家研发出的这种新型起搏器设计非常精巧。
这个起搏器不需要额外的电池，因为它本身也是一个电池，能够自供电。作为电池的角色，这个起搏器使用一种镁合金或者锌复合物作为阳极，一种三氧化钼的复合物作为阴极，而心脏组织和体液则作为电解质。如果这个电路能够彻底连通，那么由于阴极和阳极化学性质的不同，它就成了一个原电池，能够在电路中产生刺激心脏所需的电流。
但很显然，不能让它就这样连通，因为刺激心脏需要的是频率恰当的电脉冲信号，而且在不必要的时候也不需要刺激心脏。为了解决这个问题，研究者想出了一个一石三鸟的办法，不仅使起搏器能够以准确的频率刺激心脏，同时也使起搏器的无线化成为可能，还为多个起搏器同时执行不同的任务提供了手段。他们使用的工具是光。
这些研究者没有把起搏器的阴极和阳极直接连通，而是在两者之间的一侧搭了一座“桥”。这座“桥”是一个叫作光敏三极管的元件。在没有光照的情况下，它有非常大的电阻，这使整个电路处于断开状态。但如果用光照射它，它的电阻就会降低约1万倍，从而连通电路。这意味着可以把它作为心脏起搏器的一个开关，并且用开关的频率来编码起搏信号：用光脉冲照射它，脉冲的频率是起搏器所需要的电刺激频率，电路就会按这样的频率不断开关，产生起搏器所需要的电刺激脉冲。
研究者还使用特殊的材料把整个起搏器包裹了起来，只有电极与心脏组织相接触，这样起搏器的电极就又扮演了心脏刺激电极的角色，只要电路中有电脉冲信号，就会对心脏施加起搏的电刺激。整个起搏器只有13.8毫克重，在尺寸上仅有1.8毫米×3.5毫米×1毫米，比1粒米还要小。对比可以更直观地展现这款起搏器小而轻的程度：一个有线起搏器通常重20-50克，长宽的尺寸4-5厘米；即便是传统的胶囊状的无线起搏器（以著名生产商美敦力的起搏器为例），直径也有6.7毫米，长26毫米，重2克。
使用光控的策略也省却了导线，研究者选择了使用近红外光来照射这个起搏器。这个波段的光对身体组织有很好的透过性，因此光源在体外照射就能控制起搏器。他们设计了一种尺寸小巧并且无线控制的心电探测和起搏触发装置。这个装置扮演的是有线起搏器中脉冲发生器的角色。把它贴在胸前，这个装置就可以持续监测分析人的心电特征，并在必要时用恰当频率的近红外光照射起搏器，触发其工作。
更妙的是，整个起搏器的所有元件都是用可以被体液溶解的生物可吸收材料制作的。在植入体内1.2-2.5年的时间后，整个起搏器会被彻底溶解，通过肾脏以尿液的形式排出体外。另据这些研究者估计，如果对材料的选用和设计方案做进一步的优化，起搏器的溶解速度还可以加快一倍，使其被尽快排出体外。
如此微小的尺寸使这款起搏器的植入变得非常容易。有线起搏器和传统的无线起搏器的植入都是通过血管递送。而这款世界上最小的起搏器的植入甚至不需要通过血管（如有必要，仍然可以），手术的侵入性达到了无法更小的程度：在体表切开一个不足3毫米的切口，使用一根极细的鞘管通过皮下注射的形式就能把起搏器植入心脏。
使用多种动物的心脏和活体动物，研究者对这款起搏器的植入便捷性和工作效能做了全面的测试，包括小鼠、大鼠、犬（心脏的大小、形状等解剖学特征以及电生理特征都与人很相似，因此有极高的参考价值）、猪、人（来自捐献者）。研究结果表明不仅起搏器很容易被植入心脏，而且整个系统能够灵敏监测心脏的搏动，在必要时对心脏施加准确的搏动刺激。
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再进一步
如此小巧的起搏器也为借助多个起搏器，完成更复杂、协同性要求更高的起搏刺激提供了可能。但如何做到起搏器之间的控制信号彼此不干扰呢？
这些研究者开展了使用两个起搏器，实施双腔起搏的探索。他们在A、B两个起搏器的光敏三极管上分别覆盖了一层不同的光学过滤材料（同样是可以溶解的可吸收材料），这两种材料分别只允许一个波段的近红外光通过，且两个波段没有重叠。这样，使用针对起搏器A的近红外光触发起搏器A就不会干扰到起搏器B，反之亦然。
不仅如此，这还使研究者可以对两种起搏器的光触发模式随心所欲地编程，组合成针对整个心脏的复杂起搏模式（在这个实验中是双腔起搏）。科学家使用活体实验犬分别开展了左心室–右心室以及左心房–左心室两种双腔起搏的概念验证性研究。研究表明，使用这样的双腔起搏能够比单腔起搏更好地使搏动异常的心脏恢复正常。
在另一项概念验证实验中，科学家甚至同时使用了6个起搏器。他们把这些起搏器用在了一种被称为“经导管主动脉瓣置换术”（Transcatheter Aortic Valve Replacement，TAVR）的心脏瓣膜手术中。主动脉瓣是左心室和主动脉之间的瓣膜，如果因为某些原因（如先天缺陷、主动脉瓣硬化等）导致主动脉瓣狭窄，就可能使心脏负荷加重。严重的主动脉瓣狭窄会导致全身供血不足，进而引起胸痛、头晕、晕厥等症状，甚至导致猝死。经导管主动脉瓣置换术也是一种微创手术，医生使用鞘管把人工瓣膜送到主动脉瓣的位置。与人工瓣膜一体的还有一个支架，它能扩张开已经狭窄的瓣膜，从而让支架内侧的人工瓣膜正常工作，执行原瓣膜的功能。
在开展主动脉瓣置换手术的过程中，需要植入临时的心脏起搏器，一方面使心脏在手术的过程中保持正常搏动，另一方面是为了应对可能出现的心电信号传导阻滞，因为有相当一部分人会在术中或者术后发生这种情况，导致心脏无法正常工作。虽然有一些病人在手术完成较短时间后（可能只有几天）这种传导阻滞的情况就会消失，可以拔除电极导线，但在另一些病人中，传导阻滞会始终持续下去，必须植入永久性的起搏器。因此，如果能把这种微小的无线临时起搏器用于主动脉瓣置换手术当中，就一方面可以暂时性地帮助心脏正常搏动，另一方面则可以为判断后续是否有必要植入永久性的起搏器提供时间和过渡，而且因为是无线起搏器，所以也就不需要拔除电极导线。
集成了多个起搏器的心脏瓣膜支架。（资料图）
研究人员在人工瓣膜支架的不同位置总共整合了6个这种起搏器，然后在离体的实验中按照常规的主动脉瓣置换手术方法将人工瓣膜植入人的心脏中。概念验证性的研究表明，无论植入手术期间瓣膜具体处在什么位置以及朝向什么方向，借助光照，这种多起搏器的策略都能可靠而精准地触发对心脏的刺激，确保心脏正常工作。这样的表现显著优于有线起搏器。据这些研究者评估，使用这种方法接受手术的病人当天就可以出院，不必像传统的手术（尽管已经是微创手术了）那样，病人需要留院观察。
除了心脏起搏器外，论文的作者还认为，其光控的触发原理也可以被用于其他一些涉及电刺激的医学应用领域，比如对神经施加电刺激，以促进其再生。这项研究的领导者是美国西北大学的材料科学家约翰·A. 罗杰斯（John A. Rogers），他的研究组一直在致力于研发有医学应用前景的可溶性电子器件和柔性电子器件，比如贴在胸前就能监测重症监护下的新生儿各种生命体征的“电子皮肤”、监测移植的器官是否出现排异反应的超薄贴片等。无论是这些研究所涉及的范围还是各种器件的设计之精巧，都让人大开眼界，同时也不免令人好奇，他实验室的下一个发明又能实现什么惊人之举？
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