光透过皮肤。”
这项研究将于4月2日发表在期刊《自然》上。该论文展示了该设备在一系列大动物和小动物模型以及来自去世器官捐赠者的人类心脏中的有效性。
“我们开发的设备是目前已知的世界上最小的心脏起搏器，”负责设备开发的西北大学生物电子学先锋约翰·A·罗杰斯说。“在儿科心脏手术的背景下，临时起搏器的需求至关重要，而这是一个对尺寸微型化极其重要的用例。从设备对身体的负担来说，越小越好。”
“我们的主要动机是儿童，”共同领导该研究的西北大学实验心脏病学家伊戈尔·艾菲莫夫说。“大约1%的儿童出生时有先天性心脏缺陷——无论他们生活在资源匮乏的国家还是资源丰富的国家。好消息是，这些儿童在手术后只需要临时起搏。大约七天左右，大多数患者的心脏会自我修复。但是这七天绝对是关键的。现在，我们可以将这个微小的起搏器放置在孩子的心脏上，并用一个柔软、温和的可穿戴设备刺激它。不需要进行额外的手术来移除它。”
罗杰斯是西北大学材料科学与工程、生物医学工程和神经外科的路易斯·辛普森和金伯莉·奎瑞教授，兼任麦考密克工程学院和芬伯格医学院的职位，并且是奎瑞·辛普森生物电子学研究所的主任。艾菲莫夫是麦考密克学院的生物医学工程教授和芬伯格医学院的医学（心脏病）教授。罗杰斯和艾菲莫夫与杨刚·黄共同领导该研究，黄是麦考密克学院机械工程与土木环境工程的詹和马尔西亚·阿亨巴赫教授；魏·欧阳是达特茅斯学院的助理工程教授；而瑞希·阿罗拉则是芝加哥大学的哈罗德·H·海因斯教授。
满足未满足的临床需求
这项工作建立在罗杰斯和艾菲莫夫之间的早期合作基础上，他们开发了首个用于临时起搏的可溶解设备。许多患者在心脏手术后需要临时起搏——要么是在等待永久起搏器的期间，要么是帮助在恢复期间恢复正常的心率。
在当前的护理标准下，外科医生在手术过程中将电极缝合到心脏肌肉上。电极的导线从患者胸部前方突出，连接到一个外部起搏器，该起搏器提供电流以控制心脏的节律。
当临时起搏器不再需要时，医生会移除起搏器电极。潜在的并发症包括感染、脱位、撕裂或损伤的组织、出血和血栓。
“导线实际上从身体外突出来，连接到身体外部的起搏器，”艾菲莫夫说。“当起搏器不再需要时，医生将其拔出。导线可能会被瘢痕组织包裹。因此，当导线被拔出时，这可能会损伤心脏肌肉。”
为了应对这一临床需求，罗杰斯、艾菲莫夫及其团队开发了可溶解起搏器，该设备于2021年在《自然生物技术》上首次介绍。这种薄、柔韧、轻便的设备消除了对笨重电池和刚性硬件（包括导线）的需求。罗杰斯的实验室之前发明了生物可再吸收电子医学的概念——电子设备为患者提供治疗益处，然后像可吸收缝合线一样在体内无害地溶解。通过改变这些设备材料的组成和厚度，罗杰斯的团队可以控制其功能的具体天数，然后再开始溶解。
体液驱动的电池
虽然最初的四分之一大小的可溶解起搏器在临床前动物研究中表现良好，但心脏外科医生询问是否可以将设备做得更小。这样它将更适合非侵入性植入并用于最小的患者。但是，该设备是通过近场通信协议供电的——这种技术用于智能手机的电子支付和RFID标签——这需要内置天线。
“我们最初的起搏器工作良好，”罗杰斯说。“它很薄、柔韧且完全可再吸收。但是接收天线的大小限制了我们微型化的能力。我们不再使用无线控制的无线电频率方案，而是开发了基于光的方案，以激活起搏器并向心脏表面发出刺激脉冲。这是一个允许我们显著缩小尺寸的特征。”
为了进一步减小设备的体积，研究人员还重新构思了其电源。新的微型起搏器通过电池材料的电化学反应供电，具体而言，起搏器使用两种不同的金属作为电极，以向心脏提供电脉冲。当这些电极接触到周围的生物液体时，形成电池。随之而来的化学反应导致电流流动刺激心脏。
“当起搏器植入体内时，周围的生物液体充当导电电解质，电气上将这两个金属垫连接在一起以形成电池，”罗杰斯说。“一个非常微小的光激活开关位于电池的对侧，允许我们在接收到穿过患者体内由皮肤贴片发出的光时，将设备从’关闭’状态转变为’打开’状态。”
用光脉冲
该团队使用了一种红外波长的光，能够深深安全地穿透身体。如果患者的心率降到某一特定值以下，可穿戴设备将检测到这一事件并自动激活发光二极管。然后，光以与正常心率相对应的频率闪烁。
“红外光能很好地穿透体内，”艾菲莫夫说。“如果你将手电筒放在手掌上，你将看到光透过皮肤。”
光透过你手的另一侧。事实证明，我们的身体是光的极佳导体。
尽管这个起搏器非常小——宽度仅为1.8毫米，长度为3.5毫米，厚度为1毫米——它仍能提供与全尺寸起搏器一样多的刺激。
“心脏只需要少量的电刺激，”罗杰斯说。“通过缩小尺寸，我们大大简化了植入程序，减少了患者的创伤和风险，并且由于设备的可溶性质，我们消除了任何二次手术取出程序的需要。”
更复杂的同步
由于这些设备非常小，医生可以在心脏上分布多组设备。一种难以控制的光可以独立控制特定的起搏器。以这种方式使用多个起搏器相比传统的起搏更能实现更复杂的同步。在特殊情况下，心脏的不同区域可以按照不同的节律来起搏，例如，终止心律失常。
“我们可以将多台这样的小起搏器部署在心脏的外侧，并控制每一个，”埃菲莫夫说。“然后我们可以实现更好的同步功能护理。我们还可以将我们的起搏器集成到其他医疗设备中，如心脏瓣膜替换，这可能导致心脏传导阻滞。”
“因为它太小了，这种起搏器几乎可以与任何类型的植入设备集成，”罗杰斯说。“我们还展示了这些设备在作为经导管的主动脉瓣替换框架中的集成。在这里，这些微型起搏器可以在必要时被激活，以应对患者恢复过程中可能出现的并发症。因此，这只是一个例子，说明我们如何通过提供更多的功能性刺激来增强传统植入物。”
该技术的多功能性为生物电子医学的其他应用打开了广阔的可能性，包括帮助神经和骨骼愈合、治疗伤口和阻止疼痛。
这项研究“毫米级、生物可吸收光电系统用于电疗”得到了奎瑞辛普森生物电子学研究所、勒杜克基金会和美国国立卫生研究院（奖号R01 HL141470）的支持。
