心功能評估與心臟監護的自驅動超靈敏心內壓感測器研究獲進展

最新 12-01

近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所研究員李舟與王中林研究團隊、北京航空航天大學生物與醫學工程學院教授樊瑜波研究團隊，與第二軍醫大學附屬長海醫院胸心外科教授張浩團隊三方合作，在自驅動心功能監測領域取得新進展，相關研究成果發表在最新一期的《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上。

心血管疾病的致死率在全球範圍內不斷攀升，嚴重危害人類健康。就心力衰竭（簡稱心衰）而言，全世界約有2300萬患者，且每年新增患者200萬名。中國心衰患者約500萬，五年生存率＜50％。心衰是指由於心臟的收縮功能和（或）舒張功能發生障礙，心臟泵血不足而發生的呼吸困難、無力、疲勞、勞動力喪失等，導致患者生活質量低下並帶來沉重經濟負擔。心臟泵血能力的關鍵指標是心內壓力，如心房和心室壓力。心內壓是評估心臟功能的關鍵參數，對心衰患者具有重要的臨床意義。心內壓通常通過侵入性心臟導管插入術來監測，價格昂貴且難以實現實時連續的數據採集。在實際應用中，間歇性測量也可能引起偶發性癥狀的遺漏而導致誤診。因此，臨床上急需開發一種微創的、高靈敏度、低成本感測器來實時監測心內壓，這在心血管疾病的診斷與治療領域有著重要的意義。

先進功能材料、電子器件和納米技術協同發展不斷促進醫學生理信號感測的升級。2012年王中林提出基於摩擦電和靜電感應耦合的摩擦納米發電機（TENG），此器件能夠將機械能轉換為電能。由於TENG具有研製材料來源廣、低成本、力電轉化效率高等特性，受到越來越多的科研人員的關注。李舟課題組長期探究TENG在生物醫學領域的應用，特別聚焦於心血管系統。他提出的植入式摩擦納米發電機（iTENG）可將不同形式的生物機械能轉換成電能，並且iTENG的電學信號中蘊藏著豐富的生理信號，使得iTENG兼具能源器件和主動式感測器的特徵。2014年開始，iTENG首次利用呼吸大鼠產生的電能驅動心臟起搏器（DOI: 10.1002/adma.201402064）；2016年iTENG研究工作繼續推進，應用到大型哺乳動物體內，該器件被植入小型豬的心包間隙，成功將心跳產生的機械能轉化為電能，實現了自驅動的心率遠程實時監控（DOI: 10.1021/acsnano.6b02693）；2017年研發出無需信號放大就可藍牙傳輸、針對心血管疾病進行預警和診斷的自驅動超高靈敏脈搏感測器（DOI: 10.1002/adma.201703456）。

隨著研究的不斷深入，並且根據臨床監測心內壓的實際需求，李舟與其合作者繼續推進微型化iTENG的研發，研製出能夠通過微創手術進入心腔內實時監測心內壓的自驅動心內壓感測器（SEPS）。在該研究工作中，SEPS結合導管入心腔，需實現器件的微型化，微型化勢必使得器件輸出性能大打折扣。因此，要實現具有高輸出、超靈敏度的微型iTENG，器件本身的研製就是一個不小的挑戰。基於以上要求，在構建SEPS器件的過程中，博士研究生劉卓和歐陽涵運用高壓電暈放電極化聚合物摩擦層，使得尺寸微型化的SEPS（1 cm × 0.5 cm × 0.1 cm）的最高輸出電壓達到6.2 V，比對照組高6倍。同時，研究者通過血液相容性、長效穩定性等實驗，證明SEPS有良好的生物安全性，具有長期植入體內工作的能力。此外，體外模擬實驗表明該器件對於壓力變化有著高靈敏度 (1.195 mV/mmHg) 和優異的線性度（R2=0.997）。

基於體外實驗的驗證結果，在博士馬也和石波璟協助下，SEPS結合導管通過微創手術進入大型哺乳動物——豬的心腔。相比大創口的手術，微創手術切口約2 cm，有效降低了術後感染概率和恢復難度。通過該器件電壓輸出與壓強的線性關係，並使用心電圖和股動脈壓作為參照，SEPS進入心腔後實現了對心內壓的實時監測，對於心房內的較低壓力與心室內的較高壓力都有很好的測量效果。利用腎上腺素輔助加強心臟收縮與舒張後，置於心室和心房內的SEPS數據均實現了實時匹配。對比分析SEPS在左心室最大輸出值和股動脈壓最大值，兩者呈現良好的線性關係，符合臨床實際。此外，在動物實驗中偶發的心律失常事件，如早搏、室顫等，也被SEPS實時監測到。

綜上，該工作是首個基於TENG構建植入式心內壓監測器件的研究，進一步拓寬了基於iTENG的感測器的應用場景——從體表、皮下和心包間隙延伸進入心腔，能夠獲取更深層次的生理信息。該研究具有向醫療器件發展的重要潛力，為微型化植入式自驅動醫療感測器件的研究提供了新的思路。

該項工作得到科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市拔尖人才、北京市自然科學基金以及國家萬人計劃「青年拔尖」人才的經費支持。