上周刚发Science，John A. Rogers院士，再发Nature！

米测MeLab

2025-04-10

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研究背景

心脏起搏器是治疗心律失常的常见医疗设备，传统的临时起搏器通常通过侵入性手术进行植入，这不仅会带来较大的创伤风险，还可能导致异物排斥和长期依赖电池等问题，尤其对于儿童和不适合血管植入的病人来说，传统方法存在一定的局限性。因此，如何开发一种微创、可降解、无线控制的临时心脏起搏器，成为了心脏病治疗领域亟待解决的难题。

针对这一挑战，美国西北大学John A. Rogers院士、Igor R. Efimov、Rishi Arora、黄永刚院士、欧阳伟团队以及张亚敏（一作兼通讯）等人合作在“Nature”期刊上发表了题为“Millimetre-scale bioresorbable optoelectronic systems for electrotherapy”的最新论文。该团队开发了一种毫米级生物可吸收的光电装置，并成功应用于临时心脏起搏（目前为止是世界上最小的心脏起搏器）。这一研究创新性地将微型电池、光电传感器与生物组织无缝集成，通过自供电机制和无线光控技术，显著提高了起搏器的安全性与使用便捷性。不同于传统的依赖外部电源的起搏器，我们设计的起搏器直接利用体内电解液/组织作为电解液，配合体内微型电池电极实现自供电，从而减少了电池依赖并避免了二次手术的风险。

此外，我们还实现了光控无线操作，在不需要外部手术干预的情况下，通过近红外光远程控制起搏器，精准调节心律。该系统的可编程光控功能和智能心律监控模式，使得整个过程更为高效、智能，具备了自主闭环控制能力，进一步提升了患者的治疗效果。    

这一创新研究为心律失常患者提供了全新的治疗选择，具有重要的临床前景，并有望与其他医疗技术相结合，推动心血管疾病治疗的不断进步。同时，这项技术也为未来可穿戴设备、无线控制系统等方向的应用提供了全新的思路和可能。。

研究亮点

（1）实验首次提出并验证了一种毫米级可生物降解光电子系统，内置电源并具备无线光控功能，专为临时性心脏起搏设计。该系统首次在小鼠、大鼠、猪、犬及人类心脏模型中实现了有效的单点和多点起搏，展现出广泛的跨物种适应性。

（2）实验通过将该微型设备植入不同模型体内，采用经皮注射和血管内输送等微创方式，实现了设备的顺利部署，证实了其优异的生物相容性和临床可行性。

（3）实验将起搏器与贴附皮肤的无线设备进行配对，在检测到心律失常后可实现闭环控制，展示了自主化、智能化心律管理的可能性。

（4）研究进一步探索了与经导管主动脉瓣置换术（TAVR）系统的结合方案，将多个起搏器阵列集成于瓣膜支架框架上，提出了一种针对术后房室传导阻滞的新型解决策略。

图文解读

图1.具有无线光电控制的可注射、自供电、生物可吸收心脏起搏器的设计。

图2.人类和猪心脏的光电特性和体外起搏。

图3.犬模型中起搏器注射和闭胸起搏的体内演示。

图4.犬模型中多部位、时间同步起搏的体内演示。

图5.用于闭环心脏电疗的无线皮肤接口光电系统设计。 

图6.在人体心脏中使用与TAVR瓣膜集成的一组起搏器进行心脏起搏的体外演示。

结论展望

这里介绍的毫米级可生物降解光电子系统代表了一类独特的起搏技术，能够作为可注射的无线电刺激源，广泛应用于多种场景。这项技术在基本概念、工程参数和临床应用方面与以往报告的可生物降解电刺激器存在显著差异。

广泛的实验和计算研究揭示了材料科学、设备操作和临床应用的基本方面，后者通过小动物和大动物模型中的光学控制心脏起搏进行验证。微创植入技术的选项是这一技术的关键特点，特别对所有儿童患者和许多传统有线技术不适用的成人患者具有重要价值。设备对患者的负荷和风险最小化也在改善治疗效果方面发挥着重要作用。多点起搏技术基于波分复用（WDM）概念，能够支持如双心室起搏用于心脏再同步治疗和双腔起搏以实现生理一致的反应等先进起搏模式。兼容磁共振成像和计算机断层扫描技术还为先进的诊疗结合提供了机会。    

许多这些工程属性创造了独特的策略，例如与现有医疗植入物或临时设备的集成。具体示例显示，在TAVR支架上分布布置的设备阵列有潜力管理TAVR术后传导障碍，如房室传导阻滞。若在此情境下成功临床应用，可使患者在当天即可出院进行门诊治疗，而不再需要目前形式下的重症监护室设置。这一概念预示着一个心脏护理新时代的到来，在这个时代，结构性和电气支持在单一微创手术中融合，提供无缝的、以患者为中心的干预，按需激活。

该基础技术可以轻松适应更广泛的电刺激治疗应用。特别感兴趣的领域包括神经和骨再生的电刺激、创伤治疗、骨骼肌刺激和疼痛管理。未来研究的有前景方向包括通过材料和设备设计优化进一步微型化，引入刺激响应材料以实现主动控制降解，探索其他无线控制机制，提高手术交付的安全性，以及通过可生物降解粘合剂增强设备固定，适用于相对较小的心脏。另一个重要的机会是该技术在临床应用中的深入发展，以及与其他医疗手段的整合。

原文详情：

Zhang, Y., Rytkin, E., Zeng, L. et al. Millimetre-scale bioresorbable optoelectronic systems for electrotherapy. Nature 640, 77–86 (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41586-025-08726-4