近日，中國科學(xué)院大學(xué)歐陽涵副教授和合作者研發(fā)了一款人機(jī)共生型經(jīng)導(dǎo)管起搏器，能把心臟跳動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。該起搏器在豬體內(nèi)連續(xù)工作了一個(gè)月后，成功治療了嚴(yán)重的豬心律失常。

在豬體內(nèi)的實(shí)驗(yàn)中，起搏器植入右心室后，隨著心臟跳動(dòng)，開路電壓最高 2.5 伏，短路電流 1.3 毫安，有效輸出功率 120 微瓦。

要知道，心臟起搏器正常工作只需要 5 到 10 微瓦，從結(jié)果來看，輸出量是需求量的 10 倍以上——研究團(tuán)隊(duì)甚至用它直接點(diǎn)亮了 50 個(gè) LED 燈。電池的存電量也是一個(gè)亮點(diǎn)，100 秒內(nèi)就能從 0 伏充到 1.8 伏。

（來源：https://doi.org/10.1038/s41551-025-01604-4）

研究團(tuán)隊(duì)還做了加速疲勞測試，在每秒 15 次的頻率下連續(xù)震動(dòng) 3 億次，相當(dāng)于以每分鐘 60 次的心跳工作大約 10 年，發(fā)電機(jī)的輸出電壓依然穩(wěn)定在 6 伏左右，輸出衰減不超過 4%。

（來源：https://doi.org/10.1038/s41551-025-01604-4）

這顆起搏器的核心是一個(gè)微型直線發(fā)電機(jī)。整機(jī)只有 3－4 厘米長，重量不到 5 克。它被密封在鈦合金外殼里，可以通過大腿根部的血管，用一根細(xì)細(xì)的導(dǎo)管送到心臟右心室。

到了指定位置后，起搏器上的鎳鈦合金鉤齒會(huì)像船錨一樣扎入心肌牢牢固定。整個(gè)植入過程是微創(chuàng)的，不用開胸，病人恢復(fù)起來要快得多。

研究團(tuán)隊(duì)用線性馬達(dá)模擬心跳，測出了這顆發(fā)電機(jī)的性能。當(dāng)加速度達(dá)到 10 米每二次方秒、位移 8.7 毫米時(shí)，開路電壓有 3.5 伏，短路電流 1.5 毫安，單次跳動(dòng)產(chǎn)生的能量是 175 微焦，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 24%。

而之前沒有磁懸浮結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)，電壓只有 0.01 到 0.7 伏，效率更是低到 0.0003%，這個(gè)提升相當(dāng)于從一滴水變成了一桶水的躍遷。

（來源：https://doi.org/10.1038/s41551-025-01604-4）

最關(guān)鍵的驗(yàn)證是用這顆起搏器治療疾病。研究團(tuán)隊(duì)用射頻消融技術(shù)制造了嚴(yán)重心動(dòng)過緩的豬模型，心率只有 47 次每分鐘，血壓 85/45 毫米汞柱，左心室射血分?jǐn)?shù)不到 45%，情況危急。

起搏器植入后，豬的心率穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的 98 次每分鐘，血壓回升到 110/70 毫米汞柱，射血分?jǐn)?shù)從 43% 提高到 61%。術(shù)后 1 天、14 天和 30 天，起搏器一直在工作，心電圖上的起搏尖峰清晰可見。組織切片檢查顯示，起搏器與心肌結(jié)合良好，沒有明顯的炎癥反應(yīng)。

他們還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象：發(fā)電機(jī)的輸出電壓跟血壓差成正比。血壓差小于 5 毫米汞柱時(shí)幾乎沒有輸出，之后每增加 1 毫米汞柱，電壓就增加 0.055 伏。這意味著這顆起搏器不僅能供電，還能順便監(jiān)測心臟泵血情況。

據(jù)了解，這款起搏器里面有一個(gè)可以上下移動(dòng)的磁鐵，底下固定著另一塊小磁鐵。兩塊磁鐵同性相斥，上面的磁鐵就懸浮著，幾乎不跟任何東西接觸。心臟每跳動(dòng)一次，起搏器就跟著晃動(dòng)，里面的懸浮磁鐵也會(huì)上下運(yùn)動(dòng)，穿過線圈產(chǎn)生電流。

磁懸浮結(jié)構(gòu)最大的好處是幾乎沒有摩擦和碰撞，能量損失極小。傳統(tǒng)電磁發(fā)電機(jī)需要很大的加速度才能啟動(dòng)，而這個(gè)結(jié)構(gòu)的啟動(dòng)閾值接近零，心臟最微弱的搏動(dòng)也能讓它發(fā)電。本次起搏器在模擬正常心跳參數(shù)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)工作時(shí)，能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了 20% 以上，比之前提高了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

目前，相關(guān)論文發(fā)表在《自然·生物醫(yī)學(xué)工程》上。合作者來自清華大學(xué)、中國科學(xué)院北京納米能源所、阜外醫(yī)院、北京大學(xué)、杭州電子科技大學(xué)等多家單位。

（來源：https://doi.org/10.1038/s41551-025-01604-4）

歐陽涵告訴 DeepTech，他們已經(jīng)在投資機(jī)構(gòu)的資金支持下成立了初創(chuàng)公司，名為北京心能醫(yī)療，完成了專利轉(zhuǎn)讓與融資。歐陽涵擔(dān)任首席技術(shù)顧問，清華大學(xué)的李舟教授任首席科學(xué)顧問，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院的華偉教授任首席醫(yī)學(xué)顧問。

團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是到 2030 年前后完成型式檢驗(yàn)之后啟動(dòng)臨床試驗(yàn)，最終做出一款能夠在人體內(nèi)終身工作的起搏器。讓這個(gè)鈦合金小裝置變成與人體共生的伙伴，陪伴一個(gè)人從植入到老去，再也不用因?yàn)殡姵睾谋M而反復(fù)開胸手術(shù)。

圖 | 歐陽涵（來源：受訪者）

據(jù)了解，本次研究的背景在于，目前起搏器的電池容量已接近物理極限。心臟起搏器每年拯救數(shù)百萬人的生命，但它有一個(gè)繞不開的缺點(diǎn)：電池只能用8到10年，最長也不過十幾年，遠(yuǎn)不及人類的壽命。

更換電池意味著再次手術(shù)，不僅增加經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，還帶來感染和出血的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也會(huì)造成醫(yī)療資源的浪費(fèi)。

那么，能不能讓起搏器從跳動(dòng)的心臟中自己獲取能量？無線供電方式效率低，人體作為導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生電磁屏蔽作用，而且電磁干擾還可能影響起搏器的正常工作。

于是，研究團(tuán)隊(duì)換了一個(gè)思路。他們發(fā)現(xiàn)，在人類社會(huì)和自然界中，一個(gè)系統(tǒng)要想長期穩(wěn)定存在，一定離不開互利共生的關(guān)系。比如植物與菌根真菌，彼此依賴，缺一不可。

真核細(xì)胞起源的“內(nèi)共生理論”也指出，細(xì)胞內(nèi)的能量器——線粒體和葉綠體——源于好氧細(xì)菌和藍(lán)藻被吞噬后，與宿主細(xì)胞形成的互利共生關(guān)系?，F(xiàn)有的起搏器與人體之間是單向依賴關(guān)系：人依賴起搏器，起搏器卻不從人體獲取任何東西。

研究團(tuán)隊(duì)希望改變這種關(guān)系，讓起搏器能夠從人體自身的運(yùn)動(dòng)中獲取能量，實(shí)現(xiàn)雙向互利。

（來源：https://doi.org/10.1038/s41551-025-01604-4）

歐陽涵補(bǔ)充說道，關(guān)于本次研究的想法從 2018 年就開始落地了。那一年，阜外醫(yī)院的華偉教授到中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所交流，介紹了最新的無導(dǎo)線起搏器進(jìn)展。

2019 年，美敦力的無導(dǎo)線起搏器在中國正式上市，華偉教授是首批植入者之一。

無導(dǎo)線起搏器體積只有以前的十分之一，但電池也更小，而且一旦耗盡，回收更換極其困難，唯一的辦法是在旁邊再植入一枚。如果兩枚都耗盡了，患者就只能回到有導(dǎo)線的老路上去。

為此，研究團(tuán)隊(duì)決定用自己的自供電技術(shù)來扭轉(zhuǎn)這個(gè)困境。他們調(diào)研了摩擦發(fā)電、壓電發(fā)電和電磁發(fā)電三種技術(shù)路線，并發(fā)現(xiàn)電磁發(fā)電的平均功率最可觀。

（來源：https://doi.org/10.1038/s41551-025-01604-4）

不過電磁發(fā)電有個(gè)大問題：它依賴快速的磁通量變化，在高頻區(qū)間有優(yōu)勢，但心臟跳動(dòng)是低頻運(yùn)動(dòng)，之前所有心內(nèi)的電磁發(fā)電研究，輸出電壓都沒超過 0.5 伏，離電子器件工作需要的 1.5 伏以上差得遠(yuǎn)。正因此，他們設(shè)計(jì)了上述磁懸浮能量緩存結(jié)構(gòu)。

跟之前的研究相比，這顆起搏器有兩個(gè)顯著的進(jìn)步。

第一，它是一個(gè)完整的、全植入式的設(shè)備，能量采集和起搏電路都集成在同一個(gè)鈦殼里，符合現(xiàn)有的介入手術(shù)指南。之前的很多研究只是在手術(shù)中臨時(shí)驗(yàn)證一下發(fā)電效果，并沒有真正用發(fā)的電來驅(qū)動(dòng)起搏器治療疾病。

第二，它的平均輸出功率是目前已報(bào)道的、可植入能量采集器中最高的，比其他同類設(shè)備高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。有些壓電或摩擦發(fā)電機(jī)也能達(dá)到類似的功率，但它們需要開胸手術(shù)，把設(shè)備貼在心臟外壁和心包之間，創(chuàng)傷相比要大很多。

當(dāng)然，這項(xiàng)發(fā)明距離真正用到人身上還有相當(dāng)一段路要走。還需要做更長時(shí)間的大型動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，開展一年以上的觀察，或者確認(rèn)一下磁鐵會(huì)不會(huì)干擾其他電子設(shè)備。未來還要把通信、傳感等功能集成進(jìn)去做成專用的芯片，以便進(jìn)一步縮小體積。

參考資料：

相關(guān)論文 https://doi.org/10.1038/s41551-025-01604-4