《Advanced Healthcare Materials》报道南大电子学院与国家心血管疾病中心/阜外医院合作的径向结光电心脏起搏应用成果

可植入式心脏起搏器通过向机体发出电刺激信号来激励心脏组织响应以恢复正常的生理活动,改善生活质量和延长患者生命不可或缺的医疗工具。然而,传统的心脏起搏器通常体积大、刚性强的电子设备,且受电池使用寿命的限制,需要定期通过手术进行更换可能造成二次感染和伤害,增加了患者的痛苦和治疗成本。近期相关研究集中在寻找起搏器的替代电源,以消除对植入电池的需求,如将人体运动能量(包括呼吸,心跳,和血液循环)转化为电能。而通过植入的光电装置可以提供更为方便的起搏激励,但目前报道的植入光伏电池是由刚性材料制成,需要庞大的封装结构植入体内十分困难,而光电单元和心脏(心肌细胞)之间的额外电连接也大大增加了系统的复杂性操作风险。

为此,南京大学电子科学与工程学院余林蔚教授和中国医学科学院阜外医院心脏外科主任、国家心血管疾病中心潘湘斌教授合作,共同探索柔性硅基光电器件在心脏起搏中的应用。开发了一种更方便、柔软和生物界面友好的光电心脏起搏贴片技术。通过在柔性铝箔表面构建生物相容性好的氢化非晶硅径向结(Hydrogenated amorphous silicon radial p-i-n junctiona-Si:H RJ)光电单元(图1),获得自供电、共形接触心脏起搏器不需要外部电源支持,即可实现有效的心脏起搏功能值得一提的是,其中三维构架纳米线RJ单元由于其独特的应力适应能力(参见南大课题组前期工作Nano Energy 53, 83-90 (2018)),可以稳定工作于各种弯曲和拉扯应力表面,这位制备能够贴近不平整、运动的心肌表面的柔性光电单元提供了重要基础。工作系统地研究了a-Si:H RJ起搏贴片的光响应速度以及在组织覆盖下的光电性能和体外生物降解性。研究发现,外部光电刺激(650 nm激光)可以有效地控制实验动物心率,在活体实验中,使其从正常的101/分钟跳动的频率提高到128/分钟(图2)。此类可植入的a-Si:H-RJ光电刺激心脏起搏方式,为建立一种柔性自供电、生物相容有望适用于临床治疗的心脏起搏技术奠定了关键的基础,将可以大幅降低各种心脏疾病患者的手术成本、炎症反应以及二次手术带来的痛苦,具有巨大的临床实用价值。后续双方将继续合作,共同推进建立更为完备和实用化的新型心脏起搏技术应用!

柔性铝箔表面构建非晶硅径向结光电心脏起搏器的制备流程(a-c),获得器件的形貌及潜在的临床应用方式

柔性光电心脏起搏器用于模型动物心脏表面起搏评价



近期,该工作以“Photoelectric Cardiac Pacing by Flexible and Degradable Amorphous Si Radial Junction Stimulators”为题,在线发表在Advanced Healthcare Materials上,https://doi.org/10.1002/adhm.201901342。南京大学电子科学与工程学院刘宗光博士、研究生曹璐瑶和国家心血管病中心的研究生温彬为论文的共同第一作者,余林蔚教授和潘湘斌教授为共同通讯作者。相关工作得到了南京大学徐骏教授、施毅教授和王军转副教授的大力支持。该项研究工作受到国家自然科学基金委、江苏省杰出青年基金和双创人才计划资助。在此一并表示衷心的感谢!

 

文章链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adhm.201901342