Science：开发出智能的瞬时起搏器，在植入后无需取出，可在体内无害地溶解

去年夏天，来自美国西北大学的研究人员推出了有史以来第一种瞬时起搏器（transient pacemaker）---一种完全可植入的无线设备，在不再需要它之后会在体内无害地溶解。如今，在一项新的研究中，他们推出了一款新的智能版本，该版本集成了由四个柔软、灵活、无线、可穿戴的传感器和控制单元组成的协调网络，这些传感器和控制单元放置在上半身周围。相关研究结果发表在2022年5月27日的Science期刊上，论文标题为“A transient, closed-loop network of wireless, body-integrated devices for autonomous electrotherapy”。论文通讯作者为西北大学的John A. Rogers、Igor R. Efimov和Rishi Arora博士。

这些传感器相互沟通，持续监测身体的多种生理功能，包括体温、氧气水平、呼吸、肌肉张力、身体活动和心脏的电活动。然后，这种系统使用算法来分析这一组合活动，以便自主检测异常的心律，并决定何时和以何种速度进行心率调整。所有这些信息都传输到智能手机或平板电脑上，这样医生就可以远程监控他们的病人。

这种新的瞬时起搏器和传感器/控制网络可用于心脏手术后需要临时起搏的病人或等待永久性起搏器的病人。这种瞬时起搏器以无线方式从这种网络中的一个节点获取能量---这是一种小型无线设备，可以柔软地附着在病人的胸部。这项技术消除了对外部硬件的需求，包括电线（即导线）。

为了使这种系统能够与病人沟通，这些作者加入了一种小型的、可穿戴的触觉反馈装置（haptic-feedback device），它可以穿戴在身体的任何地方。当这些传感器检测到一个问题（如电池电量不足、设备位置不正确或起搏器故障）时，这种触觉反馈装置会以特定的模式振动，提醒佩戴者并告知他们问题所在。

来自专家们的新见解

Rogers说，“这标志着我们首次将柔软的、可穿戴的电子产品与瞬时电子平台配对使用。这种方法可以改变患者接受治疗的方式，通过传感器和刺激器组成的无线网络对基本生理过程进行多节闭环控制，该无线网络的运作方式受到控制生物体行为的复杂生物反馈回路的启发。对于临时心脏起搏，该系统将患者从将他们限制在医院环境中的监控和刺激设备中解放出来。相反，病人可以在自己家里舒适地康复，同时保持由医生远程监控带来的安心感。这也将降低医疗保健的成本，并为其他病人腾出医院的床位。”

Efimov说，“在目前的情况下，临时起搏器需要一根连接到刺激心脏的外部发电机的导线。当心脏重新获得适当的自我刺激能力时，必须将电线拔出。正如你可能想象的那样，拔出连接到心脏的电线是一个相当戏剧性的过程。我们决定从一个不同的角度来解决这个问题。我们创造了一种起搏器，它可以简单地溶解，不需要被移除。这就避免了拔出电线的危险步骤。”

Arora说，“目前的起搏器相当智能对病人不断变化的需求反应良好。但是，这些可穿戴模块可以做传统起搏器所做的一切，甚至更多。病人基本上在他们的胸前戴上一个小贴片，并获得实时反馈来控制这种瞬时起搏器。不仅这种瞬时起搏器本身是生物可吸收的，而且它还由一个柔软的可穿戴贴片控制，从而使这种起搏器能够对日常的生活活动作出反应，而不需要植入式传感器。”

“身体区域网络（Body-area network）”

作为生物电子学的先驱，Rogers和他的实验室近二十年来一直在开发柔软、灵活、无线的可穿戴设备和生物可吸收电子技术。在这项新的研究中，Rogers和他的合作者将他们的生物可吸收无铅起搏器与四种不同的皮肤接口设备结合并协调起来，共同工作。这些安装在皮肤上的设备是柔软的、灵活的，使用后可以轻轻地剥离，消除了手术切除的需要。这种瞬时起搏器在使用一段时间后会在体内自然溶解。

这种“身体区域网络”包括：（1）一种无电池的瞬时生物可吸收起搏器，用于暂时为心脏起搏；（2）一种位于胸部的心脏模块，为这种植入的心脏起搏器提供电源并控制刺激参数，以及感知心脏的电活动和声音；（3）一种位于前额的血液动力学模块，用于感知脉搏氧饱和度、组织氧饱和度和血管张力；（4）一种呼吸模块，位于喉咙底部，监测咳嗽和呼吸活动；（5）一种多触觉反馈模块，以各种模式振动和发送脉冲而与病人交流。

Rogers说，“我们想证明有可能部署多种不同类型的设备，每种设备都以无线协调的方式在整个身体内执行基本功能。有些提供传感功能。有些是提供电力。有些提供刺激。有些提供控制信号。但它们都在一起工作，交换信息，根据算法做出决定，并对不断变化的条件做出反应。多种生物电子装置相互交谈并在不同的相关解剖位置发挥不同功能，这是我们未来将继续追求的前沿领域。”

新进展，按需起搏

自从一年前西北大学开发的瞬时起搏器首次推出以来，这些作者已经进行了多项改进，以推进该技术。尽管以前的设备是灵活的，但是这种新的设备是灵活的、有弹性的，使它能够更好地适应心脏跳动的变化性质。

这种新的迭代还使用了Rogers实验室和Efimov实验室开发的一种生物相容性粘合剂。这种粘合剂使这种轻、薄的设备能够柔软地贴在心脏的表面，而不需要缝合。另一个新的好处是：随着这种瞬时起搏器缓慢而无害地溶解，它如今释放出一种抗炎药物，以防止异物反应。

心脏起搏器，图片来自NIH。

也许最有影响的进展是这种设备能够根据病人的需要，按需提供起搏。安装在胸前的心脏模块与起搏器同步，实时记录心电图以监测心脏活动。在这项新的研究中，这些作者将这种无线技术与黄金标准的心电图进行了比较，发现它与临床级系统一样准确和精确。

Efimov解释说，“心脏模块实际上是告诉这种起搏器对心脏施加刺激。如果恢复了正常活动，那么它就停止起搏。这很重要，因为如果在没有必要的时候刺激心脏，那么就有可能诱发心律失常。”

论文共同第一作者、Rogers实验室博士后研究员Yeon Sik Choi说，“这种起搏系统是完全自主的。它可以自动检测问题并进行处理。它简单且自成一体，对外部的需求很小。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Yeon Sik Choi et al. A transient, closed-loop network of wireless, body-integrated devices for autonomous electrotherapy. Science, 2022, doi:10.1126/science.abm1703.

Wolfram-Hubertus Zimmermann. Remote control of the heart and beyond. Science, 2022, doi:10.1126/science.abq0605.