王中林李舟详解新型心脏起搏器:只要能动就能发电

2010-8-11 09:41 来源: 科技日报
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单根氧化锌纳米线发电机示意图。上图为没有弯曲时的情况,电路中没有电流。下图为弯曲氧化锌线的时候,电路中有电流流过。

  7月27日,大连的吴女士一晚竟昏厥4次,送往医院检查才知道:心脏起搏器电池没电,20年前装的起搏器“罢工”了。

  吴女士是不幸的,等待她的将是手术更换起搏器,这需要不菲的医疗费用。但和因起搏器电池耗尽而身亡的人相比,她又是幸运的。

  北京航空航天大学生物与医学工程学院教师李舟博士说:“一般而言,心脏起搏器的电池寿命是6—8年,电池耗完,病人就有心跳停止的风险,危及生命。所以必须及时更换起搏器。”

  那为何起搏器一“罢工”,心脏就玩完?心脏起搏器能否自供电,一劳永逸呢?

“司令”出错,起搏器顶职

  “心脏有个‘司令部’,控制心肌细胞按特定的程序依次收缩、舒张,为全身各器官组织泵血,这个‘司令部’就是窦房结。”李舟说。

  据了解,窦房结是位于人体心脏上的一个特殊小结节,它可以自动、有节律地产生电流。在心脏内存在庞大的传导“网络”,构成窦房结和心肌细胞之间的“桥梁”,窦房结产生的电流信号按这些传导组织的顺序传送到心脏的各个部位,从而引起心肌细胞的收缩和舒张,因此,窦房结号称心脏搏动的最高“司令部”。

  “一旦窦房结出现问题,不能产生电流或产生异常电流,心肌细胞接收不到信号或是接收到异常信号,不能正常收缩和舒张,心脏就停止跳动或是异常跳动,从而产生各种生理反应,甚至死亡。”李舟说,“心脏起搏器能替代窦房结,使心脏有节律地跳动起来。”

  原来,心脏起搏器是由电池和电路组成的脉冲发生器,能按照设定的程序,发放一定频率的脉冲电流,起搏器通过电极导线连接到心脏上,其发放的脉冲电流可通过传导组织,最终导致整个心房和(或)心室的收缩。

  “不止是可以替代窦房结工作,即使是心脏传导系统出现断路,心脏起搏器也可以‘顶职’。”李舟说,“可以将电极连接到传导系统断路的下游,刺激这部分传导组织所控制的心肌细胞收缩和舒张。”

肌肉运动,可转化成电能

  “电池作为心脏起搏器的关键之一,一旦出现问题,起搏器就必须更换,患者不仅要再次手术,还得承担不菲的费用。”中国科学院外籍院士王中林说,“因此,很多研究机构都在提高电池的寿命上下工夫。”

  最初的人工心脏起搏器是上世纪初,电池装在身体外部,只能在医院内短期使用。经过近一个世纪的发展,起搏器电池越来越小,寿命也越来越长,目前,大部分的起搏器电池都可使用10年左右,有的甚至达到20年,如1988年,有论文报道一核动力起搏器,使用了微量的钚,可以持续应用20年,可惜难以推广。近年来,随着纳米材料的发展,2005年,王中林开始着手研究纳米发电机,希望利用该技术给心脏起搏器充电。

  在近一期的《先进材料》杂志上刊登了佐治亚理工学院王中林等人的新研究《Muscle driven in-vivo nanogenerator》(肌肉驱动的体内纳米发电机),该论文被杂志评为当期的“Top Article”(顶级论文)。在研究中,他们设计一种微型“纳米发电机”植入动物体内,从生物活动中获得能量,向动物活体内植入的传感器(如心脏起搏器、植入性血糖仪等)提供电能。

  作为该论文的作者之一,李舟解释:实验主要采用一种特殊材料制成的长条形纳米线,通过生物活动,如肌肉运动,驱动纳米线不断弯曲、伸直或延伸缩短,变形的纳米线可产生压电效应使电荷发生运动。这种单根纳米线发电机(SWG),形象的来说就像一个“电荷泵”,利用外力引起的机械形变驱动电路中的电荷运动。

  “装上足够的纳米线,只要能动,就能发电。”李舟说,“也就有可能给起搏器供电。”

心跳发电,起搏器无断电之忧

  “我们利用大鼠的心脏搏动驱动SWG,获得了稳定电流。”李舟说。

  在实验中,他们把SWG用人工组织黏合剂固定在大鼠搏动的心脏表面。随着心脏的收缩和舒张,SWG被拉伸和释放,同时向外电路输出交流电信号。尽管单根纳米线只可产生10毫伏特电压和5皮安培(picoamps)的电流,对外输出的能量很小,但他们表示可以通过增加排列的纳米线的数量,如同电池的串联和并联,为单个植入型生物医学器件提供足够电能。这些生物医学器件包括血压传感器和葡萄糖传感器,它们对于电流的需求适中,并且不要求持续的电流供给。

  “而且,这一研究结果表明,SWG可以作为一种可行的转化生物体内机械能的方法,可以将呼吸运动、心脏搏动、血液流动和血压变化、肌肉收缩或者一些不规则的震动中的能量转化为电能。”王中林说,“这样,就有可能达到这样的目的:心脏起搏器驱动心脏跳动的过程中,心跳又反过来给起搏器充电。形成循环,起搏器就无断电之忧了。”

  当提到该技术何时应用到人体,王中林坦言:“还需要进行5—10年的后续实验。比如,还要继续在动物身上验证其可靠性和稳定性、组装多少纳米线才能达到能驱动窦房结的程度、使用何种材料对人体没有毒副作用等等。”

专家介绍
 

  王中林:中国科学院外籍院士,美国佐治亚理工学院终身校董事教授,杰出讲席教授,欧洲科学院院士,美国物理学会、美国显微学会、美国科学发展协会、美国材料学会会士,在国际一流刊物上发表论文600多篇,其中Nature及Science 15篇。

  李舟:博士,北京航空航天大学生物与医学工程学院教师,在国际一流刊物上发表论文8篇,主要研究纳米生物医用材料、微纳米生物医用器件。