研究背景

        心脏起搏器是治疗心动过缓等心律失常疾病的生命维持装置，全球年植入量已超过160万例。无导线心腔内起搏器(LIP)自2016年获美国食品药品监督管理局(FDA)批准以来，以其微创经静脉植入、无导线相关并发症等优势，显著改善了患者的生活质量。然而，当前LIP仍依赖一次性锂电池供电，电池占据设备约50%的体积和近60%的重量，使用寿命仅5至10年。电池耗竭后，患者需接受二次手术植入新设备，伴随感染、血管损伤、心包填塞等风险，年轻患者一生中可能面临多次更换，医疗负担沉重。

        此前，Nanostim LIP因电池故障率高达40.8%而被召回，凸显了电池技术对LIP发展的制约。而生物机械能采集技术成为破解能源瓶颈的重要方向。2026年8月，《科学进展》(Science Advances)杂志发表了一篇题为“Self-sustaining leadless intracardiac pacemaker powered by triboelectric nanogenerator”的文章，该研究提出了一种基于摩擦纳米发电机(TENG)的自供能无导线心腔内起搏器(T-LIP)，实现了从心脏跳动中直接获取能量并驱动起搏功能，为“一次植入、终身使用”的愿景提供了工程解决方案。

        研究方法

        本研究是一项临床前动物实验，旨在开发一种利用心脏跳动自行发电的无导线起搏器。研究者将两个摩擦纳米发电机对称安装于商业起搏器电子元件两侧，利用电子元件作为惯性质量，随心肌收缩产生往复运动，通过摩擦起电将机械能转化为电能，经整流储存后驱动起搏电路。整个装置封装于直径6.7 mm的钛合金壳内，与现有商业起搏器尺寸一致。体外实验通过电机模拟心脏运动测试发电性能;体内实验将装置植入12只猪的心脏，通过影像学和血液学检查评估安全性，并验证其直接驱动心脏起搏的能力。

        研究结果

        ▌双TENG结构实现高功率密度能量转换

        T-LIP的电学输出性能在体外实验中得到了系统验证。单TENG单元采用7块电极板配置时，开路电压随电极板数量增加呈近似线性增长，16板配置可达240 V以上。双TENG设计相比单单元，电压输出提升3.0倍、电流提升2.5倍、累积电荷提升2.5倍。在0.915 g惯性质量下，单次模拟心搏可产生约300 nC的电荷。在加速度2至16 m·s⁻²范围内，T-LIP输出电压从7.83 V增至53.19 V，单次振荡累积电荷从35.8 nC增至294.2 nC;当加速度超过6 m·s⁻²时，电荷量超过93.4 nC。平均功率从0.34 μW(2 m·s⁻²)增至12.24 μW(16 m·s⁻²);在8 m·s⁻²时平均功率达4.03 μW，已接近或超过现代LIP的典型功耗(2.9至5.5 μW)。即使在位移降至2.6 mm的减弱收缩条件下，10 m·s⁻²加速度仍可维持4.75 μW的平均功率。T-LIP的体积功率密度达到276.6 μW/cm³，较既往方案提升超过100%。设备在300百万次循环(相当于60 bpm心率下10年运行)的加速疲劳试验中输出保持稳定(图1)。

        注：(A)开路电压随电极板对数增加而升高;(B)双TENG较单TENG输出提升2.5倍;(C)0.915 g质量下单次激励电荷约300 nC;(D)加速度2～16 m·s⁻²，电压7.83～53.19 V，电荷35.8～294.2 nC;(E)300百万次循环(等效10年)输出稳定。

        图1 T-LIP输出性能

        ▌多方向运动适应性确保全场景可靠供能

        T-LIP在XZ平面和XY平面全角度倾斜测试中，于临床相关加速度下输出电压均稳定高于3 V的起搏器工作阈值。在XZ平面±Z方向驱动时，50 MΩ负载下峰值功率达193.63 μW、平均功率12.24 μW;在XY平面±X方向驱动时，峰值功率154.66 μW、平均功率14.45 μW。

        ▌长期植入安全性与生物相容性良好

        在为期4周的慢性植入实验中，系列X线片确认设备位置稳定，无移位或脱位。经胸超声心动图显示，植入前、即刻、2周及4周均未观察到三尖瓣反流、心包积液或瓣膜运动受干扰。心电图和动脉血压(140/79 mmHg)在整个研究期间稳定，无心律失常或传导异常。血液学指标WBC、NEU、LYM及PLT均在正常参考范围内。大体解剖显示无血栓形成、瓣膜损伤或心肌穿孔。组织学检查显示植入部位存在局限性纤维化和局部组织反应，与商业Micra LIP的已知病理表现一致，远离植入部位的心肌组织保持正常组织学架构(图2)。

        图24周植入期间X线示T-LIP位置稳定、结构完整

        ▌体内实时能量采集与起搏功能直接验证

        高速X线透视显示T-LIP随心动周期发生规律性机械形变：于心室收缩期(133.3 ms)达到最大压缩位，经多次阻尼振荡后于266.7 ms恢复初始状态。在92 bpm心率下，T-LIP产生高度周期性的电输出：峰值电压14.2 V、峰值电流1.1 μA、峰值电荷9.3 nC，每心动周期平均累积电荷32.6 nC。输出呈现明确的心率依赖性，62 bpm时电压7.8 V，82 bpm时升至10.1 V。T-LIP成功将10 μF电容器充电至3.0 V(84 bpm下耗时653 s)，并直接驱动商业起搏器电子模块实现心脏起搏。在 intrinsic heart rate 为92 bpm时，T-LIP将心率稳定提升至100 bpm，ECG间期从0.65 s缩短至0.6 s。动脉收缩压从89.1 mmHg轻度下降至75.9 mmHg(降幅14.8%)，停止供电后血压恢复正常。在更高需求测试中，T-LIP成功将心率从75 bpm提升至120 bpm。供电切换试验证实，从电池转为T-LIP供能时，起搏信号连续无中断，电学支持效果与常规电池等效。

        总结

        本研究成功构建了一种与商业起搏器尺寸完全兼容的自供能无导线心腔内起搏器，其核心突破在于将心脏跳动的机械能直接转化为驱动起搏器所需的电能，在大型动物模型中实现了无需外部电源、无需经皮充电的稳定心脏起搏。这一成果不仅以276.6 μW/cm³的体积功率密度刷新了植入式纳米发电机技术的记录，更通过标准化尺寸设计与现有临床递送系统的无缝对接，为“一次植入、终身免维护”的起搏器愿景提供了切实可行的工程路径，标志着心脏电子器械从依赖有限寿命电池向利用人体自身能量持续自供能运行的关键转变。

        参考文献

        CHEN P, WANG R, SCHMUCK E,et al. Self-sustaining leadless intracardiac pacemaker powered by triboelectric nanogenerator[J]. Sci Adv,2026;12(34):eaef8903.DOI:10.1126/sciadv.aef8903

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