近日，中国科学院大学欧阳涵副教授和合作者研发了一款人机共生型经导管起搏器，能把心脏跳动的机械能转化为电能。该起搏器在猪体内连续工作了一个月后，成功治疗了严重的猪心律失常。
在猪体内的实验中，起搏器植入右心室后，随着心脏跳动，开路电压最高 2.5 伏，短路电流 1.3 毫安，有效输出功率 120 微瓦。
要知道，心脏起搏器正常工作只需要 5 到 10 微瓦，从结果来看，输出量是需求量的 10 倍以上——研究团队甚至用它直接点亮了 50 个 LED 灯。电池的存电量也是一个亮点，100 秒内就能从 0 伏充到 1.8 伏。
研究团队还做了加速疲劳测试，在每秒 15 次的频率下连续震动 3 亿次，相当于以每分钟 60 次的心跳工作大约 10 年，发电机的输出电压依然稳定在 6 伏左右，输出衰减不超过 4%。
这颗起搏器的核心是一个微型直线发电机。整机只有 3－4 厘米长，重量不到 5 克。它被密封在钛合金外壳里，可以通过大腿根部的血管，用一根细细的导管送到心脏右心室。
到了指定位置后，起搏器上的镍钛合金钩齿会像船锚一样扎入心肌牢牢固定。整个植入过程是微创的，不用开胸，病人恢复起来要快得多。
研究团队用线性马达模拟心跳，测出了这颗发电机的性能。当加速度达到 10 米每二次方秒、位移 8.7 毫米时，开路电压有 3.5 伏，短路电流 1.5 毫安，单次跳动产生的能量是 175 微焦，能量转换效率高达 24%。
而之前没有磁悬浮结构的发电机，电压只有 0.01 到 0.7 伏，效率更是低到 0.0003%，这个提升相当于从一滴水变成了一桶水的跃迁。
最关键的验证是用这颗起搏器治疗疾病。研究团队用射频消融技术制造了严重心动过缓的猪模型，心率只有 47 次每分钟，血压 85/45 毫米汞柱，左心室射血分数不到 45%，情况危急。
起搏器植入后，猪的心率稳定在预设的 98 次每分钟，血压回升到 110/70 毫米汞柱，射血分数从 43% 提高到 61%。术后 1 天、14 天和 30 天，起搏器一直在工作，心电图上的起搏尖峰清晰可见。组织切片检查显示，起搏器与心肌结合良好，没有明显的炎症反应。
他们还发现了一个有趣的现象：发电机的输出电压跟血压差成正比。血压差小于 5 毫米汞柱时几乎没有输出，之后每增加 1 毫米汞柱，电压就增加 0.055 伏。这意味着这颗起搏器不仅能供电，还能顺便监测心脏泵血情况。
据了解，这款起搏器里面有一个可以上下移动的磁铁，底下固定着另一块小磁铁。两块磁铁同性相斥，上面的磁铁就悬浮着，几乎不跟任何东西接触。心脏每跳动一次，起搏器就跟着晃动，里面的悬浮磁铁也会上下运动，穿过线圈产生电流。
磁悬浮结构最大的好处是几乎没有摩擦和碰撞，能量损失极小。传统电磁发电机需要很大的加速度才能启动，而这个结构的启动阈值接近零，心脏最微弱的搏动也能让它发电。本次起搏器在模拟正常心跳参数驱动发电机工作时，能量转换效率达到了 20% 以上，比之前提高了好几个数量级。
目前，相关论文发表在《自然·生物医学工程》上。合作者来自清华大学、中国科学院北京纳米能源所、阜外医院、北京大学、杭州电子科技大学等多家单位。
欧阳涵告诉 DeepTech，他们已经在投资机构的资金支持下成立了初创公司，名为北京心能医疗，完成了专利转让与融资。欧阳涵担任首席技术顾问，清华大学的李舟教授任首席科学顾问，中国医学科学院阜外医院的华伟教授任首席医学顾问。
团队的目标是到 2030 年前后完成型式检验之后启动临床试验，最终做出一款能够在人体内终身工作的起搏器。让这个钛合金小装置变成与人体共生的伙伴，陪伴一个人从植入到老去，再也不用因为电池耗尽而反复开胸手术。
据了解，本次研究的背景在于，目前起搏器的电池容量已接近物理极限。心脏起搏器每年拯救数百万人的生命，但它有一个绕不开的缺点：电池只能用8到10年，最长也不过十几年，远不及人类的寿命。
更换电池意味着再次手术，不仅增加经济负担，还带来感染和出血的风险，同时也会造成医疗资源的浪费。
那么，能不能让起搏器从跳动的心脏中自己获取能量？无线供电方式效率低，人体作为导体会产生电磁屏蔽作用，而且电磁干扰还可能影响起搏器的正常工作。
于是，研究团队换了一个思路。他们发现，在人类社会和自然界中，一个系统要想长期稳定存在，一定离不开互利共生的关系。比如植物与菌根真菌，彼此依赖，缺一不可。
真核细胞起源的“内共生理论”也指出，细胞内的能量器——线粒体和叶绿体——源于好氧细菌和蓝藻被吞噬后，与宿主细胞形成的互利共生关系。现有的起搏器与人体之间是单向依赖关系：人依赖起搏器，起搏器却不从人体获取任何东西。
研究团队希望改变这种关系，让起搏器能够从人体自身的运动中获取能量，实现双向互利。
欧阳涵补充说道，关于本次研究的想法从 2018 年就开始落地了。那一年，阜外医院的华伟教授到中国科学院北京纳米能源与系统研究所交流，介绍了最新的无导线起搏器进展。
2019 年，美敦力的无导线起搏器在中国正式上市，华伟教授是首批植入者之一。
无导线起搏器体积只有以前的十分之一，但电池也更小，而且一旦耗尽，回收更换极其困难，唯一的办法是在旁边再植入一枚。如果两枚都耗尽了，患者就只能回到有导线的老路上去。
为此，研究团队决定用自己的自供电技术来扭转这个困境。他们调研了摩擦发电、压电发电和电磁发电三种技术路线，并发现电磁发电的平均功率最可观。
不过电磁发电有个大问题：它依赖快速的磁通量变化，在高频区间有优势，但心脏跳动是低频运动，之前所有心内的电磁发电研究，输出电压都没超过 0.5 伏，离电子器件工作需要的 1.5 伏以上差得远。正因此，他们设计了上述磁悬浮能量缓存结构。
跟之前的研究相比，这颗起搏器有两个显著的进步。
第一，它是一个完整的、全植入式的设备，能量采集和起搏电路都集成在同一个钛壳里，符合现有的介入手术指南。之前的很多研究只是在手术中临时验证一下发电效果，并没有真正用发的电来驱动起搏器治疗疾病。
第二，它的平均输出功率是目前已报道的、可植入能量采集器中最高的，比其他同类设备高出一个数量级。有些压电或摩擦发电机也能达到类似的功率，但它们需要开胸手术，把设备贴在心脏外壁和心包之间，创伤相比要大很多。
当然，这项发明距离真正用到人身上还有相当一段路要走。还需要做更长时间的大型动物实验，开展一年以上的观察，或者确认一下磁铁会不会干扰其他电子设备。未来还要把通信、传感等功能集成进去做成专用的芯片，以便进一步缩小体积。
参考资料：
相关论文 https://doi.org/10.1038/s41551-025-01604-4
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