导语

在可吸收生物电子设备领域，开发毫米级可降解光电系统以实现心脏电刺激具有重要意义。本研究通过构建包含镁合金阳极、三氧化钼阴极和硅光敏晶体管的自供能心脏起搏器，结合无线光学控制机制，深入探究了可吸收材料在心脏起搏中的应用潜力。研究发现，该设备通过近红外光激活，能够在多种动物模型中实现精确的心脏起搏，且无需外部电源，主要通过生物可吸收材料的电化学反应提供动力。实验表明，该设备在植入后可维持16天以上的稳定运行，且在植入后1.2至2.5年内完全生物降解，无须二次手术取出。相关研究成果已发表在《Nature》期刊上，为未来可吸收医疗设备的设计和应用提供了新的视角。

 

研究背景

传统心脏起搏器依赖外部电源和导线传输能量，其工作原理基于电极与心肌组织的直接接触，通过电信号刺激心脏收缩。然而，这种技术受限于侵入性手术、感染风险以及对患者的长期生理负担。为突破这些局限，本研究提出了一种基于生物可吸收材料的光电系统，通过自供能机制和无线光学控制实现心脏起搏。

该设备的核心原理在于利用镁合金和三氧化钼构建原电池，通过心肌组织和生物液体作为电解质形成电化学反应。镁的氧化反应和三氧化钼的还原反应共同产生电流，而硅光敏晶体管则作为光学开关，通过近红外光信号调控电路的通断。这种设计不仅实现了完全的生物可吸收性，还通过光控机制实现了精确的电流调节，为心脏电刺激提供了一种全新的技术路径。

此外，设备的毫米级尺寸和无线光学控制机制使其能够通过微创注射或血管内递送植入，显著降低了手术创伤和患者风险。实验验证了该设备在多种动物模型中的有效性，并展示了其在多点同步起搏和闭环控制方面的潜力。这一研究为心脏电刺激领域提供了原理性突破，同时为未来可吸收医疗设备的设计奠定了理论和实验基础。

 

 

2.研究概述

本研究聚焦于心脏电刺激技术的创新应用，通过开发一种毫米级可吸收光电系统，深入探索其在心脏起搏中的潜力。该设备基于自供能机制和无线光学控制，利用镁合金阳极、三氧化钼阴极和硅光敏晶体管构建电极系统，并结合生物可吸收材料实现完全降解。研究通过多种动物模型，验证了设备在植入后能够通过外部光强调节刚度和输出电流，并在1.2至2.5年内完全降解。实验采用微创注射和血管内递送方式植入设备，结合三维光学模拟和电生理记录，验证了设备在不同深度组织中的稳定运行能力。研究结果表明，该设备能够实现单点和多点同步起搏，并支持闭环控制系统，为心脏再同步治疗和双腔起搏提供了全新解决方案。此外，设备的材料设计和工程机制具有广泛的适用性，可扩展到神经再生、骨骼修复和疼痛管理等电刺激疗法中。本研究通过对可吸收材料与无线光学控制的创新结合，为心脏电刺激领域提供了突破性解决方案，同时为未来个性化医疗和精准治疗提供了坚实的技术基础。

 

图1. 设备设计。尺寸：1.8毫米×3.5毫米×1毫米，与一粒米相当。

（图片来自论文）

图2. 通过微创注射植入心肌。（图片来自论文）

图3. 通过外部光信号实现无线光学控制的闭环调节机制。光敏晶体管在光照下降低电阻，激活由阳极、阴极和组织电解质构成的原电池。

（图片来自论文）

图4. 设备的生物可吸收性及其降解过程。镁阳极和三氧化钼阴极分别生成氢氧化镁和钼酸，硅光敏晶体管和聚酸酐封装材料最终降解为水溶性产物并被人体排出。

（图片来自论文）

图5. 起搏器在人体心脏模型中的应用，以及起搏时的EDG信号（包括左心室、右心室和希氏束的起搏效果）。放置后效果良好。

（图片来自论文）

 

图6. （a）在大鼠中的植入位置；（b）设备实物图；（c）设备结构；（d）设备的硬件架构和工作流程。在（d）中，设备通过透皮电极采集ECG信号，经过模拟前端（AFE）放大和滤波后，由Cortex M4 CPU进行数据处理。CPU通过蓝牙模块将数据传输到外部设备，并根据心率检测结果自动控制LED的光刺激，实现闭环调节。

（图片来自论文）

 

图7. 在大鼠模型中的实验效果。ECG记录显示了设备在检测到心率低于设定阈值（220 bpm）时自动启动起搏，将心率提升到240 bpm。

（图片来自论文）

 

3.研究意义

本研究通过开发毫米级可吸收光电心脏起搏器，提出了一种基于自供能机制和无线光学控制的全新技术路径，揭示了生物可吸收材料在心脏电刺激领域的应用潜力。设备通过镁合金阳极、三氧化钼阴极和硅光敏晶体管的协同作用，实现了完全的生物可吸收性，并通过外部光信号精确调控心脏起搏。这一技术不仅克服了传统起搏器的侵入性、感染风险和术后护理负担，还为心脏再同步治疗和双腔起搏提供了全新解决方案。设备的微创植入方式和广泛适用性使其在神经再生、骨骼修复和疼痛管理等领域具有重要应用前景。此外，该技术为经导管主动脉瓣置换术（TAVR）术后传导障碍的管理提供了创新解决方案，简化了手术流程并降低了术后并发症风险，显著改善了患者的术后生活质量。这一研究为心脏电刺激技术及相关领域的理论完善和临床应用提供了重要推动作用。

 

文章来源：Yamin Zhang, Eric Rytkin, Liangsong Zeng, et al. Millimetre-scale bioresorbable optoelectronic systems for electrotherapy. Nature, 2025; 640: 77-86 DOI: 10.1038/s41586-025-08726-4

来源：Internet

关键词： 起搏器 可吸收生物电子设备