由美國西北大學約翰·羅杰斯（John A. Rogers）教授領導的團隊和新加坡國立大學張亞敏教授團隊近期在Nature發(fā)表研究成果，宣布開發(fā)出迄今最小的心臟起搏器。

這個僅有一粒米大小的設備可以通過注射器植入體內(nèi)，完成任務后會在人體內(nèi)自動溶解，無需手術(shù)取出。這項技術(shù)有望為需要臨時心臟起搏的患者，特別是患有先天性心臟病的新生兒，提供更安全、更便捷的治療選擇。

日前，相關論文以《用于電療的毫米級可生物降解光電子系統(tǒng)》（Millimetre-scale bioresorbable optoelectronic systems for electrotherapy）為題發(fā)表在Nature上 [1]。張亞敏是第一作者兼共同通訊作者，西北大學約翰·羅杰斯（John A. Rogers）教授、伊戈爾·埃菲莫夫（Igor R. Efimov）教授、里希·阿羅拉（Rishi Arora）教授、歐陽偉教授和黃永剛教授擔任共同通訊作者。

圖丨相關論文（Nature）

這款超微型起搏器的尺寸僅為 1.8 毫米×3.5 毫米 ×1 毫米，重量約 13.8 毫克，比傳統(tǒng)起搏器小 100 倍以上。盡管體積極小，但它仍能提供與全尺寸起搏器相當?shù)碾姶碳ばЧ?/p>

（Nature）

傳統(tǒng)的臨時起搏器需要通過導線連接到體外的電源裝置，導線穿透皮膚進入心臟，不僅增加了感染風險，在移除時還可能損傷心肌組織，甚至引發(fā)內(nèi)出血等嚴重并發(fā)癥。據(jù)報道，2012 年美國宇航員尼爾·奧爾登·阿姆斯特朗（Neil Alden Armstrong），就是因為移除臨時起搏器導線時發(fā)生內(nèi)出血導致去世。而新設備的出現(xiàn)有望徹底改變這一狀況。

新型起搏器的工作原理頗為獨特。設備本身采用自供電機制，其中鎂合金或鋅復合材料作為陽極，三氧化鉬復合材料作為陰極，心臟組織和體液則充當電解質(zhì)，形成一個原電池系統(tǒng)。起搏電極同時也是電池電極，無需外部電源。更關鍵的是，該設備通過光學方式進行控制——患者胸部佩戴一個柔軟的無線貼片設備，當檢測到心律異常時，貼片會發(fā)出近紅外光穿透皮膚和組織，激活體內(nèi)的光電晶體管，從而啟動起搏功能。

值得一提的是，該設備的所有材料幾乎都是可生物吸收的，包括電極、光電晶體管、導電漿料和封裝結(jié)構(gòu)。除了約 1.6% 重量的生物相容性炭黑作為陰極導電添加劑外，其他組件在完成任務后都會在體內(nèi)自然降解。研究顯示，設備完全生物吸收的時間約為 1.2 至 2.5 年，降解產(chǎn)物包括氫氧化鎂、鉬酸和硅酸等水溶性物質(zhì)，可被人體吸收或通過腎臟排出體外。

研究團隊在小鼠、大鼠、豬、犬和人類心臟模型中都驗證了設備的有效性。在犬類動物實驗中，研究人員通過微創(chuàng)注射方式將起搏器植入心臟表面，并成功實現(xiàn)了每分鐘 240 次的心臟起搏。設備不僅可以進行單點起搏，還能通過波分復用（WDM，wavelength-division multiplexing）技術(shù)實現(xiàn)多點同步起搏，包括雙腔起搏和雙心室起搏。

圖丨光電特性及人豬心臟離體起搏實驗（Nature）

這項技術(shù)的應用前景十分廣闊。據(jù)相關統(tǒng)計，“美國每年約有 4 萬名嬰兒出生時患有先天性心臟病，其中約四分之一需要在出生后第一年內(nèi)接受手術(shù)治療”。手術(shù)后，這些嬰兒通常需要臨時起搏器支持約一周時間，讓心臟有時間愈合并恢復自然節(jié)律。對于這些體型嬌小的患者來說，傳統(tǒng)的有線起搏器既不便植入，移除時的風險也更高。新設備的超小尺寸和可溶解特性完美地解決了這些問題。

除了兒科應用外，成年人在接受主動脈瓣置換術(shù)或冠狀動脈搭橋手術(shù)后，也可能需要臨時起搏支持。研究團隊還展示了將多個微型起搏器集成到經(jīng)導管主動脈瓣置換術(shù)（TAVR，transcatheter aortic valve replacement）支架上的可能性，這可以為術(shù)后傳導阻滯提供新的的管理方案。這種整合方式可能使原本需要在重癥監(jiān)護室進行的手術(shù)變?yōu)楫斎粘鲈旱拈T診手術(shù)。

（Nature）

該設備還具備與磁共振成像（MRI，magnetic resonance imaging）和計算機斷層掃描（CT，computed tomography）的兼容性，不會影響患者的常規(guī)醫(yī)學影像檢查。

伊戈爾·埃菲莫夫（Igor Efimov）教授對媒體表示，這項技術(shù)代表了電刺激治療方式的根本性改變。羅杰斯教授也補充說，其應用范圍遠不止于心臟，未來可擴展至神經(jīng)再生、骨骼修復、傷口治療和疼痛管理等多個生物電子醫(yī)學領域。目前，研究團隊已成立一家名為 NuSera Biosystems 的公司，負責該技術(shù)的商業(yè)化轉(zhuǎn)化，并正在向美國食品藥品監(jiān)督管理局申請臨床試驗批準，預計約五年后可啟動人體臨床試驗。

圖丨張亞敏（張亞敏）

當然，從實驗室走向臨床應用仍需時間和驗證。美國芝加哥大學電生理學家 納齊姆·阿庫姆（Nazem Akoum）博士在評價這項研究時指出，盡管現(xiàn)有數(shù)據(jù)顯示了極大的希望，但其在人體的安全性和有效性仍需嚴格的臨床試驗證實。他相信，一旦通過驗證，這項技術(shù)將在各種需要短期起搏的臨床場景中發(fā)揮巨大作用。

參考資料：

1.Zhang, Y., Rytkin, E., Zeng, L. et al. Millimetre-scale bioresorbable optoelectronic systems for electrotherapy.Nature640, 77–86 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08726-4

2.https://www.medscape.com/viewarticle/new-pacemaker-smaller-than-grain-rice-2025a1000b6z

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