无缆续航，心随律动：科学家打造心跳供电起搏新纪元
无缆续航，心随律动：科学家打造心跳供电起搏新纪元
ongwu 科技观察 | 深度解析
在人类与心律失常的漫长抗争中，心脏起搏器无疑是现代医学最杰出的发明之一。自1958年第一台植入式起搏器问世以来，这项技术已拯救了数百万生命。然而，其核心设计——依赖电池供电并通过导线连接心脏——始终存在两大瓶颈：电池寿命有限与导线相关并发症。前者迫使患者每隔5至10年接受一次更换手术，后者则可能导致感染、导线断裂或血栓形成。
如今，这一局面正被彻底改写。我国科研团队成功研发出一种无导线、自供电心脏起搏器，其能量来源竟是我们自身的心跳。这一突破性成果发表于国际顶级期刊《自然·生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering），标志着心脏起搏技术迈入“无缆续航、心随律动”的新纪元。
一、传统起搏器的“阿喀琉斯之踵”
传统起搏器的结构由三部分组成：脉冲发生器（含电池）、电极导线和植入工具。尽管技术不断精进，但其根本缺陷始终未解。
首先，电池寿命限制是最大痛点。目前主流起搏器电池容量约为1安时，平均功耗在20–30微瓦之间，理论续航可达7–10年。但实际使用中，因个体差异、起搏频率变化及程控参数调整，许多患者需在5–7年内接受更换手术。每一次更换都意味着一次开胸或经静脉手术，伴随感染、气胸、导线移位等风险，尤其对老年或体弱患者构成显著负担。
其次，导线系统隐患重重。全球每年植入起搏器超百万台，导线相关并发症发生率高达10%–15%。导线长期在血管和心脏内摩擦，易发生断裂、绝缘层破损或接口松动；更严重的是，导线可能成为细菌定植的“桥梁”，引发感染性心内膜炎，死亡率高达15%–30%。此外，导线移除手术复杂且高风险，常需激光辅助或外科干预。
正因如此，无导线起搏器（Leadless Pacemaker）应运而生。2016年，美敦力推出全球首款无导线起搏器Micra，体积仅胶囊大小，直接植入右心室，避免了导线问题。但其仍依赖内置锂电池，续航约7–12年，无法根本解决电池更换难题。
ongwu 指出：“无导线是形态的革新，但若无能源革命，仍难称颠覆。”
二、心跳供电：从科幻到现实的跨越
此次我国科学家实现的突破，正是将“无导线”与“自供电”两大理想合二为一。其核心在于一种名为摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）的技术，能够将心脏搏动的机械能转化为电能。
研究团队由中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队主导，联合多家医院共同完成。他们设计了一种柔性、生物相容性极佳的TENG装置，厚度仅0.3毫米，可贴合于心脏表面或心外膜下。当心脏收缩与舒张时，装置内部两层材料（如聚四氟乙烯与金电极）发生周期性接触与分离，产生静电荷，从而输出电流。
实验数据显示，该装置在模拟心脏跳动频率（60–100次/分钟）下，平均输出功率可达120微瓦，峰值瞬时功率超过300微瓦。这一数值不仅满足微型起搏器的能耗需求（通常需50–100微瓦），还具备为传感器、无线传输模块等附加功能供电的潜力。
更令人振奋的是，该装置在动物实验中表现优异。研究人员将自供电起搏器植入猪体内，持续监测6个月，结果显示：设备稳定运行，未发生移位、炎症或组织损伤；心电图显示起搏信号清晰，心律调控精准；能量输出波动小于5%，证明其具备长期可靠性。
ongwu 评价：“120微瓦，看似微小，却是心脏起搏从‘外部供能’迈向‘内生驱动’的关键阈值。”
三、技术原理深度解析：TENG如何“捕捉”心跳？
TENG的工作原理基于接触起电（Contact Electrification）与静电感应（Electrostatic Induction）的耦合效应。当两种不同材料接触时，电子从一种材料转移到另一种，形成电荷分离；当两者分离时，电势差驱动外部电路产生电流。
在本研究中，团队采用了一种多层叠层结构：顶层为柔性聚合物（如PDMS），底层为金属电极，中间夹有微结构化的摩擦层。心脏跳动时，装置随心肌起伏，摩擦层周期性接触与分离，产生交变电流。通过优化材料选择（如高介电常数聚合物）、表面微结构设计（纳米柱阵列）和电路整流效率，团队将能量转换效率提升至15%以上，远超早期TENG原型。
此外，装置还集成了能量管理模块，包括整流桥、储能电容和电压调节器，确保输出电流稳定、电压适配起搏电路。为防止能量波动影响起搏精度，系统采用“按需供电”策略：仅在检测到心律异常时启动起搏，其余时间处于低功耗待机状态。
ongwu 强调：“TENG并非新概念，但将其微型化、生物化并集成于起搏系统，是工程与医学的完美融合。”
四、临床意义：从“设备依赖”到“生理共生”
自供电起搏器的问世，不仅解决了电池与导线问题，更开启了生理能量采集（Physiological Energy Harvesting）的新范式。
首先，它实现了真正的终身植入。理论上，只要心脏跳动，设备就能持续工作，患者无需再担心电池耗尽。这对于年轻患者尤为重要——他们可能需起搏器工作数十年，传统设备将面临多次更换，而新技术可一劳永逸。
其次，它推动了多功能集成。未来，该设备可集成血氧、血压、心肌应变等传感器，实现实时生理监测；还可通过无线通信将数据传至外部设备，助力远程医疗与个性化治疗。更进一步，能量盈余甚至可为药物释放系统或神经刺激器供电，拓展至心力衰竭、心律失常综合管理。
再者，它降低了医疗成本与风险。据估算，一次起搏器更换手术费用约10–15万元，全球每年因此产生的医疗支出超百亿元。自供电技术若普及，可显著减少手术次数，减轻医保负担，提升患者生活质量。
ongwu 展望：“这不仅是起搏器的进化，更是植入式医疗设备的范式转移——从‘外部干预’走向‘内在协同’。”
五、挑战与未来：走向临床的漫漫长路
尽管前景广阔，自供电起搏器仍面临诸多挑战。
生物相容性与长期稳定性是首要问题。装置需在潮湿、动态、免疫活跃的心脏环境中工作数十年，材料降解、纤维包裹、钙化等均可能影响性能。目前动物实验仅持续6个月，人类长期数据尚属空白。
能量输出的个体差异也需关注。不同患者心跳强度、频率、体型各异，可能导致供电不稳定。未来需开发自适应能量采集算法，或结合微型超级电容实现“能量缓冲”。
监管与伦理门槛同样不可忽视。作为全新类别的植入设备，其安全标准、审批流程尚无先例。FDA与NMPA（国家药监局）需建立新的评估体系，涵盖能量采集效率、电磁兼容性、故障应急机制等。
此外，成本与可及性也是现实考量。TENG制造工艺复杂，初期成本可能高于传统起搏器。如何推动规模化生产、纳入医保，将是普及的关键。
ongwu 提醒：“技术突破只是第一步，真正的胜利在于能否安全、可靠、公平地惠及每一位患者。”
六、结语：心随律动，未来已来
从依赖外部电池，到利用心跳自供能源，人类对心脏起搏器的想象正一步步变为现实。我国科学家的这一成果，不仅展示了中国在纳米能源与生物医学工程领域的领先地位，更预示着一场植入式医疗设备的静默革命。
“无缆续航，心随律动”——这八个字背后，是无数科研人员的智慧结晶，是工程与生命的深度对话，更是医学向“生理共生”迈出的坚实一步。
未来，我们或许将不再谈论“起搏器更换”，而是关注“心跳如何为健康续航”。当设备真正融入生命节律，医疗的边界将被重新定义。
ongwu 结语：“技术终将服务于人。当一颗心不再被电线束缚，当每一次跳动都成为能量的源泉，我们离‘无感医疗’的理想，又近了一步。”
本文基于公开科研论文与权威媒体报道撰写，旨在传播科学进展，不构成医疗建议。
ongwu 科技观察，专注前沿技术深度解析。