南方周末特約撰稿 陳彬

起搏器安裝在心臟上的位置。

美國(guó)西北大學(xué)科學(xué)家研發(fā)的無(wú)線暫態(tài)臨時(shí)心臟起搏器，整個(gè)系統(tǒng)只有0.3克重，0.25毫米薄。

★美國(guó)科學(xué)家發(fā)明了一種新的心臟起搏器，這種起搏器不需要導(dǎo)線或者電池，而是通過(guò)無(wú)線的方式獲得能量和起搏指令。更神奇的是，起搏器會(huì)在使用結(jié)束后被體液逐漸溶解，無(wú)需取出。

2021年4月30日，國(guó)家藥品監(jiān)督管理局發(fā)布通告，首次批準(zhǔn)了國(guó)內(nèi)一家企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)的臨時(shí)心臟起搏器的注冊(cè)申請(qǐng)。第一例國(guó)產(chǎn)臨時(shí)心臟起搏器獲批上市將為醫(yī)療機(jī)構(gòu)提供更多的選擇，并有利于降低臨時(shí)心臟起搏器的價(jià)格。

作為一種緊急或者過(guò)渡性的治療工具，臨時(shí)心臟起搏器盡管早已獲得了廣泛應(yīng)用，但仍有一些不容忽視的缺陷，存在出現(xiàn)各類(lèi)并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。近日，美國(guó)西北大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然生物技術(shù)》上發(fā)表了一篇論文，介紹了一種他們新研發(fā)的臨時(shí)心臟起搏器。這種起搏器不需要導(dǎo)線或者電池，而是通過(guò)無(wú)線的方式獲得能量和起搏指令。更神奇的是，這種起搏器在使用結(jié)束后會(huì)被體液逐漸溶解，無(wú)需取出。

這是一款用后即溶的起搏器。

心臟怎么了？

人體的組織和器官要正常運(yùn)作，離不開(kāi)持續(xù)而穩(wěn)定的血液供應(yīng)，這就要求作為泵血器官的心臟需要以恰當(dāng)?shù)念l率有節(jié)律地搏動(dòng)。如果搏動(dòng)異常，供血就會(huì)出問(wèn)題，很多心臟病歸根結(jié)底都是這種搏動(dòng)異常導(dǎo)致的。

人的心臟分為左右兩個(gè)心房和心室，只有心房和心室充分配合，心臟才能以最高效的方式完成泵血。在右心房上，有一個(gè)叫竇房結(jié)的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域中有一類(lèi)特殊的細(xì)胞，能夠有節(jié)奏地產(chǎn)生興奮信號(hào)。這些信號(hào)會(huì)使心房負(fù)責(zé)收縮的心肌細(xì)胞收縮，把血液泵入心室。另一方面，興奮信號(hào)還會(huì)傳遞到右心房鄰近右心室的一個(gè)叫房室結(jié)的區(qū)域。在正常情況下，這里是興奮信號(hào)從心房傳遞到心室的唯一途徑。房室結(jié)不僅是興奮信號(hào)的“必經(jīng)之路”，還承擔(dān)著協(xié)調(diào)心房和心室收縮的任務(wù)：由于心臟結(jié)構(gòu)和組織自身的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)這里傳導(dǎo)到心室的興奮信號(hào)被“蓄意”延擱了很短的一段時(shí)間，這樣可以保證在一個(gè)心動(dòng)周期中心房先充分收縮，血液進(jìn)入心室，然后心室的肌肉細(xì)胞再收縮，把血液高效地泵出心臟。

如果這種有節(jié)律、講秩序的搏動(dòng)出現(xiàn)異常，心臟就無(wú)法為全身各處的組織和器官穩(wěn)定地提供充足的血液供應(yīng)。以一類(lèi)叫作房室傳導(dǎo)阻滯的心臟疾病為例，在這類(lèi)疾病中，從心房傳導(dǎo)到心室的興奮出現(xiàn)了部分或完全的中斷，輕則興奮信號(hào)傳導(dǎo)延擱的時(shí)間變得比正常時(shí)間更長(zhǎng)，重則興奮的傳導(dǎo)被完全阻滯（心室中也有一些會(huì)產(chǎn)生興奮信號(hào)的細(xì)胞，因此在這種情況下心室仍然會(huì)收縮，只是心房和心室的收縮變得完全各自為政）。如果阻滯程度嚴(yán)重，病人就需要植入心臟起搏器來(lái)幫助心臟正常運(yùn)行。

臨時(shí)起搏

每當(dāng)提到心臟起搏器，很多人的第一反應(yīng)也許仍然是“笨拙”“開(kāi)胸手術(shù)”這樣的字眼。但其實(shí)如今的心臟起搏技術(shù)已經(jīng)非常成熟，起搏器不僅非常小巧（尺寸僅為幾厘米），而且植入也不需要開(kāi)胸手術(shù)，而是以心臟介入手術(shù)的形式實(shí)現(xiàn)的。

在植入起搏器時(shí)，醫(yī)生會(huì)在病人胸部的皮膚上切開(kāi)一個(gè)小口，在皮下做一個(gè)囊袋。接著，在X射線透視的輔助引導(dǎo)下，醫(yī)生會(huì)通過(guò)靜脈穿刺把起搏導(dǎo)線通過(guò)靜脈血管送入需要放置的心臟腔室的合適位置，并把導(dǎo)線連接到起搏器上。在設(shè)置好起搏器的相關(guān)參數(shù)后，醫(yī)生最后會(huì)把起搏器放在此前做好的囊袋里，并縫合切口。根據(jù)設(shè)置好的參數(shù)，起搏器會(huì)以電脈沖的形式刺激心臟，幫助心臟正常運(yùn)行。這些起搏器由電池供電，在電量耗盡前就需要做手術(shù)更換（起搏器和電池是一體的）。

根據(jù)病情不同，有的時(shí)候病人并不需要植入一個(gè)永久性的起搏器，而只需要暫時(shí)性地輔助心臟的運(yùn)行。比如，如果預(yù)計(jì)病人的心動(dòng)異常只是短暫性的，有可能在短期后恢復(fù)正常，那么就不需要植入一個(gè)永久性的起搏器。基于這些情況，臨時(shí)心臟起搏器就應(yīng)運(yùn)而生了。無(wú)論是工作原理還是手術(shù)方式，這類(lèi)起搏器都和永久性的起搏器非常相似，但兩個(gè)微小的差別讓這類(lèi)起搏器存在一些缺陷。

首先，這種起搏器事實(shí)上并沒(méi)有被植入體內(nèi)，而是置于體外的，進(jìn)入體內(nèi)的只是起搏導(dǎo)線。這些導(dǎo)線的一端或主動(dòng)或被動(dòng)地固定在心臟的相關(guān)區(qū)域，另一端則伸出體外，與起搏器相連，這大大增加了發(fā)生感染的風(fēng)險(xiǎn)。第二，當(dāng)不再需要臨時(shí)起搏治療時(shí)，去除起搏導(dǎo)線的方式顯得非?！昂?jiǎn)單粗暴”：硬拔。由于起搏導(dǎo)線是或主動(dòng)或被動(dòng)地固定在心臟上的（導(dǎo)線的頭端有螺旋或者掛鉤），這有對(duì)心臟產(chǎn)生傷害的風(fēng)險(xiǎn)。

這篇《自然生物技術(shù)》研究中介紹的臨時(shí)起搏器則從根本上解決了這兩個(gè)問(wèn)題：這是一個(gè)無(wú)線裝置，利用無(wú)線信號(hào)來(lái)發(fā)送和接收刺激指令，大大減小了感染的風(fēng)險(xiǎn)；去除起搏裝置不會(huì)對(duì)身體造成可能的損傷，因?yàn)槠鸩b置最后是被體液溶解掉的。

隔空傳遞

這個(gè)臨時(shí)起搏器分為兩個(gè)彼此分離的部分，一個(gè)是使用電脈沖對(duì)心臟給予周期性刺激的起搏元件，一個(gè)是為起搏元件供能和發(fā)送指令的指令發(fā)送元件。只需要把起搏元件通過(guò)手術(shù)植入病人的心臟，手術(shù)切口就可以被徹底縫合。病人把指令發(fā)送元件放在距離起搏元件比較近的地方，比如胸口的兜里，與外接電源相連的指令發(fā)送元件就可以向起搏元件發(fā)送起搏信號(hào)。這種方法聽(tīng)起來(lái)或許很神奇，但事實(shí)上它的原理我們每天都會(huì)接觸到：無(wú)論是銀聯(lián)的閃付，手機(jī)上的虛擬門(mén)禁卡，還是無(wú)線充電，使用的都是這種被稱(chēng)為無(wú)線近場(chǎng)通信的技術(shù)。更進(jìn)一步地說(shuō)，這種技術(shù)基于每個(gè)人都很熟悉的電磁感應(yīng)。

在這個(gè)臨時(shí)起搏器中，指令發(fā)送元件上有一個(gè)線圈，負(fù)責(zé)發(fā)送信號(hào)，起搏元件上則有一對(duì)線圈，負(fù)責(zé)接收信號(hào)。當(dāng)給指令發(fā)送元件的發(fā)射線圈通交流電時(shí)，由于電磁感應(yīng)，起搏元件的接收線圈上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。通過(guò)調(diào)整給發(fā)射線圈通的交流電的頻率，就能控制起搏元件上接收線圈上產(chǎn)生的交變電流的頻率。但起搏元件中只包含這樣的接收線圈顯然是不行的：你不能用交變電流這樣“花式”的方法去刺激心臟。因此，研究人員還在起搏元件中添加了一個(gè)二極管。二極管的根本特性是只允許電流單向通過(guò)，因此在起搏元件上添加了這個(gè)二極管的情況下，發(fā)射線圈上的交流電信號(hào)在隔空傳導(dǎo)到起搏元件上之后，就轉(zhuǎn)變成了直流脈沖信號(hào)。除了接收線圈和二極管外，起搏元件上還有兩根電極，當(dāng)把整個(gè)起搏元件用可吸收的縫合線固定在心臟上后，起搏元件上的脈沖電流就可以通過(guò)這兩根電極刺激心臟，使心肌細(xì)胞按醫(yī)生的設(shè)置搏動(dòng)。

用后即溶

很顯然，這種無(wú)線控制的原理談不上新穎，真正讓人驚嘆的是科研人員在實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)上的高超技藝。在美國(guó)西北大學(xué)約翰·羅杰斯教授的領(lǐng)導(dǎo)下，這個(gè)團(tuán)隊(duì)把相關(guān)的技術(shù)運(yùn)用到了極致，制造出的這個(gè)臨時(shí)起搏器的起搏元件超輕、超小、超薄，當(dāng)不再需要時(shí)會(huì)被身體中的體液逐漸溶解，因此這樣的電子器件又被稱(chēng)為暫態(tài)電子器件（tran-sient electronic device）。你甚至還能給這個(gè)起搏器的壽命“編程”，設(shè)定它最終憑空消失的時(shí)間。

羅杰斯被業(yè)界公認(rèn)為柔性和暫態(tài)電子器件研究領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，一直在探索把這類(lèi)電子器件應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的可能性。在制作這個(gè)臨時(shí)起搏器的起搏元件時(shí)，研究人員使用了鎂、鎢、硅等具有良好生物相容性的材料來(lái)制造起搏元件中的接收線圈、電極以及二極管等組成部分。借助光刻、轉(zhuǎn)印、氣相沉積等技術(shù)手段，最后制造出的起搏元件長(zhǎng)寬只有大約1.5厘米，厚度只有大約50微米（0.05毫米）。這樣微小的尺度和材料使用量不僅使這個(gè)裝置有了一定的柔性，還賦予了它一種新的特性：放到液體中會(huì)慢慢溶解，最終徹底消失。在與水的反應(yīng)中，元件中的鎂和硅會(huì)分別轉(zhuǎn)變?yōu)闅溲趸V和氫氧化硅，而鎢則會(huì)轉(zhuǎn)變成鎢酸。這樣痕跡量的產(chǎn)物會(huì)被人體吸收或者排出體外，并且不會(huì)對(duì)機(jī)體有任何不良影響。

但如果這個(gè)信號(hào)接收和刺激裝置會(huì)被液體溶解，它又怎么正常工作呢？　研究人員的辦法是給它套上一個(gè)保護(hù)套，但這個(gè)保護(hù)套同樣會(huì)慢慢被液體溶解。研究人員使用了一種叫作聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）的物質(zhì)來(lái)制造這樣的保護(hù)套。這種高分子材料不僅無(wú)毒還很容易制備成一層層的膜或者一個(gè)包裹套，而且在液體中會(huì)逐漸水解成它的單體物質(zhì)乳酸和羥基乙酸，最終消失。在用一個(gè)厚度只有100微米（0.1毫米）的保護(hù)套包裹住起搏元件之后，整個(gè)系統(tǒng)只有大約0.3克重，厚度只有250微米（0.25毫米）。

由于這種高分子材料本身也是會(huì)逐漸水解的，這又為研究人員提供了一個(gè)可以對(duì)起搏元件的壽命“編程”的手段：只需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出保護(hù)套的厚度和保護(hù)套被徹底水解需要的時(shí)間的關(guān)系，就能以此為參照制造恰當(dāng)厚度的保護(hù)套，使起搏元件在指定的時(shí)間開(kāi)始被體液溶解，從而停止工作。盡管在這篇論文中研究人員并沒(méi)有進(jìn)一步展示這種“編程”的能力，但羅杰斯在接受科學(xué)媒體采訪時(shí)說(shuō)，他們“可以為這些裝置訂制可長(zhǎng)可短的壽命”（他的實(shí)驗(yàn)室在此前的研究中曾多次實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)）。

糾正心臟搏動(dòng)異常

在制造出這一款暫態(tài)的臨時(shí)心臟起搏器后，研究人員對(duì)這個(gè)裝置做了全面的檢測(cè)。除了未發(fā)現(xiàn)裝置會(huì)對(duì)機(jī)體產(chǎn)生不良影響外，實(shí)驗(yàn)還充分證明了其有效性：利用小鼠作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，這個(gè)起搏器成功地糾正了其心臟中出現(xiàn)的房室傳導(dǎo)阻滯。

研究人員首先從小鼠體內(nèi)取出心臟，然后通過(guò)人工方法誘發(fā)心臟損傷，使小鼠出現(xiàn)較為嚴(yán)重的房室傳導(dǎo)阻滯。

心電圖是檢測(cè)心臟搏動(dòng)是否正常的絕佳工具，其捕獲到的波形無(wú)比直觀，一目了然。在正常心臟的心電圖上，每出現(xiàn)心房的一個(gè)波形信號(hào)（P波），隨后都會(huì)出現(xiàn)一組心室的波形信號(hào)（QRS波群）。無(wú)論是這種一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系被破壞，還是兩種信號(hào)的時(shí)間間隔發(fā)生了變化，都意味著心臟的搏動(dòng)出現(xiàn)了異常。在這種人為誘發(fā)房室傳導(dǎo)阻滯的小鼠中，心電圖顯示出現(xiàn)了心室漏搏的現(xiàn)象，也就是說(shuō)有的心房波形信號(hào)后面并沒(méi)有心室的波形信號(hào)出現(xiàn)。

當(dāng)研究人員使用這個(gè)臨時(shí)的起搏器按照設(shè)置的頻率刺激小鼠的心室時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)小鼠心室的搏動(dòng)會(huì)徹底恢復(fù)正常，心電圖上心房的波形信號(hào)和心室的波形信號(hào)再次建立起了一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。進(jìn)一步在實(shí)驗(yàn)犬（心臟的尺寸更接近人）和自由活動(dòng)的大鼠上的檢驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，研究人員可以根據(jù)設(shè)置的頻率隨心所欲地刺激心房或者心室的搏動(dòng)，而且起搏元件的有效工作距離可以超過(guò)20厘米，也就是說(shuō)只要起搏元件和指令發(fā)送元件的距離在20厘米之內(nèi)，起搏器就能正常工作。這樣的距離已經(jīng)足夠滿足病人日常的需求，比如，病人只需要把指令發(fā)送元件貼身放在胸腹部就可以了。

對(duì)于包裹了100微米厚的高分子保護(hù)套的起搏元件，在動(dòng)物體內(nèi)的研究表明整個(gè)裝置會(huì)在植入體內(nèi)5-7周后被體液徹底溶解，也就無(wú)需取出了。

安全性和功能性的檢驗(yàn)都表明，與傳統(tǒng)的臨時(shí)起搏器相比，這種無(wú)線并且用后即溶的起搏器無(wú)疑更加理想。

仍有改進(jìn)空間

除了減小感染風(fēng)險(xiǎn)、不用取出外，整個(gè)系統(tǒng)還有另外一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)：便宜。羅杰斯在接受美國(guó)媒體采訪時(shí)介紹，整個(gè)系統(tǒng)的成本不到100美元，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一根起搏導(dǎo)線的價(jià)格。如果這種臨時(shí)起搏器能夠用于臨床，商業(yè)化生產(chǎn)無(wú)疑還會(huì)進(jìn)一步壓低成本，大大減輕病人和醫(yī)療系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

不過(guò)這種臨時(shí)起搏器目前還處在概念驗(yàn)證階段，仍然有改進(jìn)的空間。比如，起搏元件仍然是通過(guò)手術(shù)植入心臟的，暫時(shí)無(wú)法通過(guò)血管植入。但羅杰斯在接受媒體采訪時(shí)表示，他的團(tuán)隊(duì)目前正在探索通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，來(lái)使起搏元件可以通過(guò)血管植入心臟。

醫(yī)學(xué)界對(duì)這個(gè)暫態(tài)的臨時(shí)起搏器評(píng)價(jià)很高并寄予厚望。耶魯大學(xué)心臟病學(xué)教授、美國(guó)心臟病學(xué)學(xué)會(huì)領(lǐng)導(dǎo)理事會(huì)理事瑞秋·蘭伯特稱(chēng)贊這項(xiàng)發(fā)明非常吸引人，并說(shuō)心臟病醫(yī)師會(huì)非常期待這樣一款能夠用后即溶的起搏器。

然而羅杰斯的眼光顯然并沒(méi)有局限在這一個(gè)小小的起搏器上。在他看來(lái)，這個(gè)起搏器無(wú)線控制和用后即溶的策略完全可以被運(yùn)用到更多的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，比如通過(guò)植入一個(gè)暫態(tài)的外周神經(jīng)刺激裝置來(lái)輔助緩解病人在手術(shù)或者受傷后的疼痛感。用他一位合作者的話來(lái)說(shuō)，他希望用暫態(tài)電子器件為生物醫(yī)學(xué)研究和臨床醫(yī)學(xué)拉開(kāi)一個(gè)新篇章，創(chuàng)造出能夠監(jiān)測(cè)病情進(jìn)展和提供電刺激、化學(xué)藥物、細(xì)胞療法等各種形式治療手段的暫態(tài)電子醫(yī)療器件。