王中林李舟詳解新型心臟起搏器：只要能動就能發電

單根氧化鋅納米線發電機示意圖。上圖為沒有彎曲時的情況，電路中沒有電流。下圖為彎曲氧化鋅線的時候，電路中有電流流過。

　　7月27日，大連的吳女士一晚竟昏厥4次，送往醫院檢查才知道：心臟起搏器電池沒電，20年前裝的起搏器“罷工”了。

　　吳女士是不幸的，等待她的將是手術更換起搏器，這需要不菲的醫療費用。但和因起搏器電池耗盡而身亡的人相比，她又是幸運的。

　　北京航空航天大學生物與醫學工程學院教師李舟博士說：“一般而言，心臟起搏器的電池壽命是6—8年，電池耗完，病人就有心跳停止的風險，危及生命。所以必須及時更換起搏器。”

　　那為何起搏器一“罷工”，心臟就玩完？心臟起搏器能否自供電，一勞永逸呢？

　　“心臟有個‘司令部’，控制心肌細胞按特定的程序依次收縮、舒張，為全身各器官組織泵血，這個‘司令部’就是竇房結。”李舟說。

　　據了解，竇房結是位于人體心臟上的一個特殊小結節，它可以自動、有節律地產生電流。在心臟內存在龐大的傳導“網絡”，構成竇房結和心肌細胞之間的“橋梁”，竇房結產生的電流信號按這些傳導組織的順序傳送到心臟的各個部位，從而引起心肌細胞的收縮和舒張，因此，竇房結號稱心臟搏動的最高“司令部”。

　　“一旦竇房結出現問題，不能產生電流或產生異常電流，心肌細胞接收不到信號或是接收到異常信號，不能正常收縮和舒張，心臟就停止跳動或是異常跳動，從而產生各種生理反應，甚至死亡。”李舟說，“心臟起搏器能替代竇房結，使心臟有節律地跳動起來。”

　　原來，心臟起搏器是由電池和電路組成的脈沖發生器，能按照設定的程序，發放一定頻率的脈沖電流，起搏器通過電極導線連接到心臟上，其發放的脈沖電流可通過傳導組織，最終導致整個心房和（或）心室的收縮。

　　“不止是可以替代竇房結工作，即使是心臟傳導系統出現斷路，心臟起搏器也可以‘頂職’。”李舟說，“可以將電極連接到傳導系統斷路的下游，刺激這部分傳導組織所控制的心肌細胞收縮和舒張。”

　　“電池作為心臟起搏器的關鍵之一，一旦出現問題，起搏器就必須更換，患者不僅要再次手術，還得承擔不菲的費用。”中國科學院外籍院士王中林說，“因此，很多研究機構都在提高電池的壽命上下工夫。”

　　最初的人工心臟起搏器是上世紀初，電池裝在身體外部，只能在醫院內短期使用。經過近一個世紀的發展，起搏器電池越來越小，壽命也越來越長，目前，大部分的起搏器電池都可使用10年左右，有的甚至達到20年，如1988年，有論文報道一核動力起搏器，使用了微量的钚，可以持續應用20年，可惜難以推廣。近年來，隨著納米材料的發展，2005年，王中林開始著手研究納米發電機，希望利用該技術給心臟起搏器充電。

　　在近一期的《先進材料》雜志上刊登了佐治亞理工學院王中林等人的新研究《Muscle driven in-vivo nanogenerator》（肌肉驅動的體內納米發電機），該論文被雜志評為當期的“Top Article”（頂級論文）。在研究中，他們設計一種微型“納米發電機”植入動物體內，從生物活動中獲得能量，向動物活體內植入的傳感器（如心臟起搏器、植入性血糖儀等）提供電能。

　　作為該論文的作者之一，李舟解釋：實驗主要采用一種特殊材料制成的長條形納米線，通過生物活動，如肌肉運動，驅動納米線不斷彎曲、伸直或延伸縮短，變形的納米線可產生壓電效應使電荷發生運動。這種單根納米線發電機（SWG），形象的來說就像一個“電荷泵”，利用外力引起的機械形變驅動電路中的電荷運動。

　　“裝上足夠的納米線，只要能動，就能發電。”李舟說，“也就有可能給起搏器供電。”

　　“我們利用大鼠的心臟搏動驅動SWG，獲得了穩定電流。”李舟說。

　　在實驗中，他們把SWG用人工組織黏合劑固定在大鼠搏動的心臟表面。隨著心臟的收縮和舒張，SWG被拉伸和釋放，同時向外電路輸出交流電信號。盡管單根納米線只可產生10毫伏特電壓和5皮安培(picoamps)的電流，對外輸出的能量很小，但他們表示可以通過增加排列的納米線的數量，如同電池的串聯和并聯，為單個植入型生物醫學器件提供足夠電能。這些生物醫學器件包括血壓傳感器和葡萄糖傳感器，它們對于電流的需求適中，并且不要求持續的電流供給。

　　“而且，這一研究結果表明，SWG可以作為一種可行的轉化生物體內機械能的方法，可以將呼吸運動、心臟搏動、血液流動和血壓變化、肌肉收縮或者一些不規則的震動中的能量轉化為電能。”王中林說，“這樣，就有可能達到這樣的目的：心臟起搏器驅動心臟跳動的過程中，心跳又反過來給起搏器充電。形成循環，起搏器就無斷電之憂了。”

　　當提到該技術何時應用到人體，王中林坦言：“還需要進行5—10年的后續實驗。比如，還要繼續在動物身上驗證其可靠性和穩定性、組裝多少納米線才能達到能驅動竇房結的程度、使用何種材料對人體沒有毒副作用等等。”

　　王中林：中國科學院外籍院士，美國佐治亞理工學院終身校董事教授，杰出講席教授，歐洲科學院院士，美國物理學會、美國顯微學會、美國科學發展協會、美國材料學會會士，在國際一流刊物上發表論文600多篇，其中Nature及Science 15篇。

　　李舟：博士，北京航空航天大學生物與醫學工程學院教師，在國際一流刊物上發表論文8篇，主要研究納米生物醫用材料、微納米生物醫用器件。