臨時起搏器對于術(shù)后和其他情況下短暫心動過緩患者的護理至關(guān)重要。傳統(tǒng)設(shè)備需要進(jìn)行侵入性開胸手術(shù)或微創(chuàng)血管內(nèi)手術(shù)，這兩種手術(shù)對兒科和成人患者都具有挑戰(zhàn)性。其他并發(fā)癥包括感染風(fēng)險、心肌撕裂和穿孔，以及外部電源和控制系統(tǒng)移位。
鑒于此，美國西北大學(xué)John A. Rogers院士、Igor R. Efimov教授、Wei Ouyang、黃永剛院士、Yamin Zhang（一作兼通訊）介紹了一種毫米級生物可吸收光電系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有板載電源和無線光學(xué)控制機制，具有電療方面的通用功能和臨時心臟起搏方面的特定應(yīng)用機會。這些設(shè)備尺寸極小，可以進(jìn)行微創(chuàng)植入，包括經(jīng)皮注射和血管內(nèi)輸送。實驗研究表明，在單點和多點位置，小鼠、大鼠、豬、犬和人類心臟模型中都可以有效起搏。與皮膚接口無線設(shè)備配對后，可以在檢測到心律失常時進(jìn)行自主閉環(huán)操作。進(jìn)一步的研究展示了將這些微型設(shè)備與其他醫(yī)療植入物相結(jié)合的機會，例如在經(jīng)導(dǎo)管主動脈瓣置換系統(tǒng)的框架上安裝供個人或集體使用的起搏器陣列，以提供獨特的解決方案，解決手術(shù)后房室傳導(dǎo)阻滯的風(fēng)險。這項基礎(chǔ)技術(shù)可以很容易地適應(yīng)電療中的各種其他應(yīng)用，例如神經(jīng)和骨骼再生、傷口治療和疼痛管理。相關(guān)研究成果以題為“Millimetre-scale bioresorbable optoelectronic systems for electrotherapy”發(fā)表在最新一期《nature》上。
【起搏器設(shè)計】
作者詳細(xì)介紹了起搏器的設(shè)計（圖1）。該設(shè)備非常緊湊（1.8毫米×3.5毫米×1毫米，大約是一粒米的大小），并使用電池電極作為起搏電極。陽極材料包括生物可吸收的鎂(Mg)或鋅(Zn)，與三氧化鉬(MoO3)陰極配對。周圍的心臟組織充當(dāng)電解質(zhì)，從而形成原電池。光學(xué)控制通過硅雙極結(jié)光電晶體管進(jìn)行管理，由外部來源的近紅外(NIR)照明激活。重要的是，生物可吸收結(jié)構(gòu)可確?；颊唢L(fēng)險最小，并且無需進(jìn)行拔除手術(shù)。
圖1.具有無線光電控制的可注射、自供電、生物可吸收心臟起搏器的設(shè)計
【性能】
起搏器具有快速響應(yīng)能力（圖2），通過NIR光的可變強度和脈沖寬度實現(xiàn)對起搏的精確控制。在Langendorff灌注的豬和人類心臟上進(jìn)行的體外實驗建立了強大的起搏能力。這些實驗的關(guān)鍵電生理數(shù)據(jù)包括成功的捕獲閾值（例如，基線電流為~0.18 mA，時效性為~2.8 ms），表明可靠的起搏性能適合臨床應(yīng)用。心電圖記錄進(jìn)一步證明了成功的多部位起搏潛力，這對于心臟再同步等先進(jìn)療法至關(guān)重要。
圖2.人類和豬心臟的光電特性和體外起搏
【體內(nèi)演示】
作者通過使用犬類模型體內(nèi)演示了這些起搏器的可行性（圖3）。蒙特卡羅模擬驗證了近紅外光照射在臨床相關(guān)深度（高達(dá)40毫米）下穿透生物組織的穿透效率，確保起搏器在安全閾值內(nèi)激活。實際演示涉及熒光透視引導(dǎo)的微創(chuàng)注射技術(shù)，使起搏器能夠部署到心外膜下心肌層中。心電圖數(shù)據(jù)證實起搏成功，速度為240 bpm，并具有穩(wěn)定的1:1捕獲率，強調(diào)了起搏器在閉胸場景中的實際適用性。起搏壽命被證明可以可靠地延長超過典型的臨時起搏需求的時間（Zn-MoO3設(shè)備最長可達(dá)20天）。
圖3.犬模型中起搏器注射和閉胸起搏的體內(nèi)演示
作者進(jìn)一步擴展了多部位起搏，通過使用放置在光電晶體管頂部的光學(xué)濾波器的波分復(fù)用(WDM)來實現(xiàn)（圖4）。這允許精確控制不同心臟部位的單個起搏器而不會產(chǎn)生干擾。在多個部位（例如左心房和心室）成功起搏顯示出重要的臨床意義，例如雙心室和雙腔起搏，顯著改善了心室同步和生理上準(zhǔn)確的起搏模式，這對于治療充血性心力衰竭等疾病至關(guān)重要。
圖4.犬模型中多部位、時間同步起搏的體內(nèi)演示
【器件設(shè)計】
作者描述了這些起搏器與能夠自主電療的無線皮膚接口設(shè)備的創(chuàng)新集成（圖5）。該設(shè)備監(jiān)測心電圖信號，自動檢測心律失常并啟動起搏反應(yīng)。在大鼠模型中進(jìn)行的實驗通過檢測心動過緩（低于220 bpm）并隨后以240 bpm的校正速率起搏，成功展示了閉環(huán)操作。這種整合標(biāo)志著朝著自主、患者響應(yīng)式心臟護理邁出了重要一步。
圖5.用于閉環(huán)心臟電療的無線皮膚接口光電系統(tǒng)設(shè)計
【體外演示】
作者還探索了將這些微型起搏器直接集成到經(jīng)導(dǎo)管主動脈瓣置換術(shù) (TAVR) 支架上的獨特應(yīng)用（圖6），解決了常見的術(shù)后傳導(dǎo)障礙。在 TAVR 支架框架周圍戰(zhàn)略性放置的多個起搏器有效地在體外人體心臟中提供了心室起搏。心電圖評估顯示從瓣膜周圍選定的位置成功起搏，證實了這種集成方法的臨床可行性。這種整合提供了一種有效管理術(shù)后傳導(dǎo)障礙的新穎解決方案，可能通過簡化術(shù)后護理來改變患者的治療結(jié)果。
圖6.在人體心臟中使用與TAVR瓣膜集成的一組起搏器進(jìn)行心臟起搏的體外演示
【總結(jié)】
總體而言，本文重點介紹了一種革命性的臨時心臟起搏技術(shù)，利用生物可吸收的光電系統(tǒng)，在安全性、微創(chuàng)性和臨床療效方面具有顯著優(yōu)勢。所展示的多部位同步起搏和與TAVR等先進(jìn)心臟手術(shù)的集成有望顯著改善心臟治療的臨床護理，并為再生醫(yī)學(xué)和電療法的更廣泛應(yīng)用鋪平道路。
來源：高分子科學(xué)前沿
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