心脏起搏器3——心脏起搏器发展趋势：新型自供能电池技术路线行业分析

心脏起搏器3——心脏起搏器发展趋势：新型自供能电池技术路线

发布时间：2022-12-22 09:25:37浏览次数：

【临床分类】 【应用领域】心脏节律管理 【作者】杜福崇

导读

和义广业【行业分析】之心脏起搏器，本篇开篇介绍心脏起搏器电源相关的性能参数，随后介绍了实验室探索阶段的新型自供能电池技术，包含：摩擦纳米发电技术、压电纳米发电技术、热释电技术、太阳能技术。重点介绍了基于摩擦纳米发电和压电纳米发电技术的新型自供能心脏起搏器的实验探索。

本篇共 4592 字，阅读时间预计 3-4 分钟

3.1 心脏植入设备电池要素与发展历程1：

电池占据了起搏器体积的1/2，是提供电流驱动起搏器脉冲发生器的基础。而电源耗竭也是心脏起搏器必然要面临的关键问题。

心脏植入设备（CIED）的能源动力的基本因素包含电压（最小、最大）、放电电流（初始、平均、最大）、电流脉冲的大小和持续时间（连续或间歇操作）、高比能量和功率、长保质期和能力在不同的环境条件（温度、压力）下表现良好的性能。最后，电池必须满足诸如生物相容性、耐腐蚀、密封性、重量轻、扁平、体积小，以及可靠性。

心脏植入设备的电池寿命也取决于使用频率和功能，例如使用三个电极的双心室起搏比仅使用一个电极的起搏消耗更多的能量。

表 CIEDs的要素、要求和能源需求总结

起搏器电池的发展历程：

1958年，Ake Senning发明的第一款植入式起搏器配备了可充电的镍镉电池，电池电压为1.25V，容量为190mAh。但可充电电池相比不可充电电池，容量较低，导致电池寿命较短；
早期的脉冲发生器是由串联连线的汞锌电池供电的，串联3-6个电池，提供4-8 V的输出电压。该技术路线主要的问题在于汞锌电池会在放电的同时释放氢气，而植入体内的密封装置无法在提供排气的同时防止液体泄漏，因此该技术已不再使用；
核电池也曾被研究人员纳入考虑，其优势为使用寿命超过30年，劣势为具有高毒性，体积较大；
1975年，推出锂碘电池，使得心脏起搏器电池的寿命大大延长，锂具有更高的能量密度，在货架寿命期5年内电池容量损失10%。

目前常规心脏起搏器的寿命基本上维持在10年左右，ICD以及CRT-D/P设备的寿命维持在4-6年，电池一旦能量耗尽，则需要更换新的脉冲发生器，患者需要再次进行手术，将新的起搏器植入皮下，同时增加了囊袋感染风险。

3.2 新型电池能源策略

为了减少因电池能源耗尽的问题，目前许多研究人员都在开发新型的能源，以期达到可以自供电，永久工作的效果，主要有以下类型的新能源，如下图所示2：

图 a摩擦电纳米发电机原理示意图（TENG），b压电纳米发电机（PENG），c热释电纳米发电机(PyENGs)和d太阳能电池

摩擦纳米发电机(TENG)由王中林院士团队于2012年发明，是一种基于机械界面摩擦起电与静电感应耦合效应的纳米能源技术。摩擦起电效应是指由于2种材料具有不同的得失电子能力，摩擦电荷极性不同的材料周期性的接触分离，从而产生持续供电的一种能源供给机制3，其主要有4种不同类型的工作模式，如下图所示：

图摩擦电纳米发电机的 4 种基本类型4: ( a) 垂直接触分离式，( b) 横向滑动式，( c) 单电极式，( d) 独立式

压电纳米发电机PENG是材料通过正压电效应实现能量转换的，如图所示，当压电材料发生形变产生极化电荷，极化电荷在材料内部形成电场，对电板上下表面的电子产生吸引或排斥; 当外界应力消失后，极化电场也会随之消失，之前累积的电子会通过外部负载沿着相反的方向移动，从而产生相反的电流，实现将机械能转化为电能5。

热释电（Pyroelectricity）定义为某些各向异性晶体中随温度变化的自发极化。热释电材料具有独特的极轴以及自发极化出口，可在时间温度变化期间产生偶极矩和电流/电势。在恒温条件下，材料晶体结构的极化强度不受影响，不会产生热释电电流。将热释电材料连接到外部电路，加热和冷却的循环可以产生热释电能量为电路供电。而温度-时间梯度在人体中不存在，因此PyENGs路线作为体内植入器械的能量发生器是无法实现的。

另外一种热释电是生物燃料电池，利用酶作为催化剂，将存在于生物液体中的分子的化学能转化为电能。葡萄糖是生物燃料细胞最常用的反应物，葡萄糖驱动的生物燃料电池是基于酶电极，利用葡萄糖氧化酶进行葡萄糖氧化酶和漆酶进行二氧还原。

然而生物燃料电池的主要挑战是其长期运行的稳定性，酶和辅助因子的寿命以及电极的退化和生物污垢都会影响电池的性能。酶的催化活性和稳定性与生理环境中的pH值、温度、氯浓度息息相关。同时相关电极以及酶的成本也是需要考虑的一个因素。

3.3 自供能心脏起搏器探索

3.3.1 摩擦纳米发电技术路线

中科院纳米能源所李舟教授团队

中国科学院北京纳米能源与系统研究所李舟教授团队于2019年研制了共生型心脏起搏器6（SPM, symbiotic cardiac pacemaker），可以从心脏跳动中获取能量，为起搏器提供电能。SPM的能量采集部分为植入式摩擦电纳米发电机（iTENG）。该系统由三部分组成:能量采集单元(iTENG)、电源管理单元(PMU)和起搏器单元。每一个心脏运动周期，SPM可获得的能量高达0.495 μJ，高于心脏起搏阈值能量（通常为0.377 μJ）。SPM可实现“一次心跳，一次起搏”。

iTENG的结构是由两层摩擦电层、支撑结构和两层封装层的壳体组成(图b-d)。纳米结构聚四氟乙烯(PTFE)薄膜作为一个摩擦电层(图e)。采用三维弹性海绵(乙烯-醋酸乙烯共聚物，EVA)作为垫片(图f)，记忆合金带(高弹性钛)作为龙骨。iTENG完全由柔性聚四氟乙烯薄膜和聚二甲基硅氧烷(PDMS)层包装，以增强其结构稳定性，避免环境液体对设备的破坏。

图李舟老师团队摩擦纳米发电相关原理以及结构图

团队通过动物实验评估了iTENG作为体内能量获取单元的性能。实验动物采用一头成年约克氏猪，雄性，45公斤，iTENG被放置在心脏和心包之间，PTFE侧面对左心室壁。心脏运动能够引起两摩擦电层的周期性接触和分离。iTENG产生的电能通过整流器存储在一个100μF的电容中。因此，在血压~100/70mmHg、心率~77 bpm的条件下，电容器电压可在190min内从0 ~ 3.55V充电。其中，体内VOC高达~65.2V, QSC为~13.6nC，对应的ISC为~0.5μA。并成功实现了大型动物模型的心脏起搏和窦性心率失常矫正。

图动物实验示意图

韩国水原成均馆大学

韩国水原成均馆大学先进材料科学与工程学院、高级纳米技术研究所和三星高级健康科学与技术研究所Sang-Woo Kim课题组展示了一种基于身体运动和重力作用的商用纽扣电池大小的高性能惯性驱动的体内摩擦纳米发电机（I-TENG），该发电机使用胺官能化聚乙烯醇（PVA-NH2）和全氟烷氧基 (PFA) 作为摩擦电材料7。

团队研发了一个半径为1.5厘米、高度为2.4毫米的圆柱形I-TENG器件。PFA层和 PVA-NH2层分别作为负摩擦电材料和正摩擦电材料，当身体向上移动时，整个I-TENG受到向上的作用力（只有PFA/Cu/PFA向上移动），随着身体开始向下移动，I-TENG的封装、基板、金 (Au) 和PVA-NH2也受到向下的力，利用惯性与顶部PVA-NH2摩擦电层接触。然后，重力将独立单元向下拖动以与底部PVA-NH2摩擦电层接触。在一天之中，这套动作多次重复，惯性能量被转换为电能。

当堆叠层的数量从1个增加到5个，峰值电压从36V增加到136V，和峰值电流密度体积从0.4μA/cm³增加到2μA/cm³。五层堆叠的I-TENG的最大功率为4.9μWRMS /cm3，具有约10MΩ 的匹配负载电阻，以及超过30,000次循环的稳定输出。

研究人员将该TENG电源管理和电池充电系统与心脏起搏器组成自我充电心脏起搏器，该自主充电心脏起搏器系统接收并分析心房和心室心电图(EGM)数据，并使用TENG为电池充电(见下图b)。图c中的方框图代表了整个系统的工作原理。心房和心室导联线感应 EGM 信号并在心动过缓发生时对心室起搏，TENG 收集能量并为电池充电。

图 d-f 展示了自充电心脏起搏器的VVI模式。心室起搏电压为 5V，脉冲宽度为1ms，心室感应电压为 1.4mV，起搏器的下速率间隔 (LRI) 为 90bpm。正常心率约为96bpm；腺苷注射后降至90bpm 以下。当心率低于90bpm时，可自行充电的心脏起搏器在心室起搏并将心率提高到90bpm。

大型动物实验中的临床前测试表明，I-TENG在生物机械能量和惯性的驱动下具有显著的动力性能。同时，研究人员还对插入体内的I-TENG进行了实时分析和监测。最后，成功地在狗身上利用自充电的心脏起搏器演示了使用心动过缓的VOO起搏模式和VVI起搏模式。

3.3.2 压电纳米发电技术路线

美国塞耶工程学院与达特茅斯学院团队

美国塞耶工程学院与达特茅斯学院团队探索了压电纳米发电的能源为起搏器进行供电，该团队采用一种紧凑的能量收集设计，使用先进的多孔薄膜能量转换材料，将能量收集设备与现有的起搏器或ICD电极导线集成，将心脏运动转换为电能如下图所示8。

能量来源是由于心脏的收缩和舒张而引起的导线的机械运动。该设计采用多层薄膜，多孔压电材料随导线变形，通过压电效应将心脏的弯曲和扭转运动转化为应变，进而产生电能。能量收集和传感方法都与现有的导线植入方法兼容，既可以合并到当前导线中，也可以作为独立的多功能导线作为能量来源，为心脏起搏器供电和为诊断应用传感血压。

图能量采集装置材料组成与微观图

多孔压电材料的功能膜，由6层多孔P(VDF-TrFE) EH器件共31层夹芯结构组成，包括金电极、封装层PDMS和固体P(VDF-TrFE)保护层。估算电容器的实际功率为0.3µW。考虑到总能量需求为1Ah，起搏器引线上安装15个六层EH器件，理论上可以将起搏器电池的寿命延长2.3年。

上海交通大学杨斌教授团队

上海交通大学杨斌教授团队采用压电技术，设计如下图所示能量采集单元，串联时最大输出Voc为~ 20V, I - sc为~ 8μA，并联时最大输出Voc为~12V, Isc为~15 μA。

该团队进行了猪体内实验（如下图所示）：

图(a) 移除板载锂电池的现代全功能心脏起搏器的照片。插图显示了完整的起搏器。(b) 以并联模式植入 iPEG 的照片，通过整流器连接到起搏器。(c) 为起搏器供电的体内实验电路图。(d) 由外部电池（上）或植入的 iPEG（下）供电的起搏器释放的可比脉冲。(e) 由 iPEG 驱动的起搏器起搏的代表性起搏心电图，上图：显示心脏连续起搏的不间断起搏心电图；下图：在一个完整的心动周期内放大的心电图波形显示典型的起搏信号及其起搏的 QRS 波群，表明由 iPEG 驱动的现代全功能起搏器成功完成心脏起搏。

法国Cairdac公司9

Cairdac是一家成立于2016年的法国创新医疗器械公司，其致力于自供能无线起搏器的开发，为起搏器提供无线能量，避免起搏器因无能量而更换，主要采用压电摩擦纳米发电技术。到目前为止，Cairdac公司拥有41项专利，用于保护压电能量收集模块、起搏器本身和电池的结构、锚定系统等不同模块的核心技术。

2022年3月31日，Cairdac宣布完成1700万欧元的A轮融资。

Cairdac主研产品ALPS™是一款无导线自供能心脏起搏器，是基于压电收集模块将心脏跳动转化为电池能量，压电模块整体小于1cm3。当与适配的电源管理单元(PMU)结合使用时，专用的大容量压电能量收集器(PEH)能够取代单个腔室无铅起搏器的主电池。

产品示意图如下所示，在起搏器内部还设置有储能模块，预期整体使用年限超过15年。如果能量收集装置损坏不能正常收集能量，储存模块的能量可以继续维持设备工作长达6个月。目前，ALPS™正处于长期的临床前的研发和测试阶段，预计2025年投放市场上市。

图产品示意图、架构图以及预期的使用场景

从现有的公开文献中发现，自供能心脏起搏器的设计思路主要有两种：一种是将人体的机械能量或者生物能量通过不同的技术路线转换为电能，将该发电模块整合到现有的心脏起搏器中为之充电；另一种是直接将相应的机械能量或生物能量转换为电能驱动心脏起搏器进行工作。现有的技术路线都在一定程度上可以驱动心脏起搏器工作并且能夺获原有的心电信号，实现简单的起搏，对于自供能材料有效的发电年限只有比现在起搏器寿命更长才有一定的临床意义，但是具体多长时间，目前并没有相应的共识。

参考文献：

[1] Moerke C, Wolff A, Ince H, Ortak J, Öner A. New strategies for energy supply of cardiac implantable devices. Herzschrittmacherther Elektrophysiol. 2022 Jun;33(2):224-231.

[2] Moerke C, Wolff A, Ince H, Ortak J, Öner A. New strategies for energy supply of cardiac implantable devices. Herzschrittmacherther Elektrophysiol. 2022 Jun;33(2):224-231..

[3] 董慧,韩文佳,沈逍安.柔性纳米发电机及器件的最新研究进展[J].中国材料进展,2021,40(06):470-480.

[4] WANG Z L，LIN L，WANG S H，et al． Nano Energy［J］，2015，11:436－462

[5] WANG Z L，LIN L，DOMMEＲ M． Nano Energy［J］，2012，1:356－371

[6] Ouyang H, Liu Z, Li N, Shi B, Zou Y, Xie F, Ma Y, Li Z, Li H, Zheng Q, Qu X, Fan Y, Wang ZL, Zhang H, Li Z. Symbiotic cardiac pacemaker. Nat Commun. 2019 Apr 23;10(1):1821..

[7] Ryu H, Park HM, Kim MK, Kim B, Myoung HS, Kim TY, Yoon HJ, Kwak SS, Kim J, Hwang TH, Choi EK, Kim SW. Self-rechargeable cardiac pacemaker system with triboelectric nanogenerators. Nat Commun. 2021 Jul 16;12(1):4374.

[8] Dong L, Closson AB, Jin C, Nie Y, Cabe A, Escobedo D, Huang S, Trase I, Xu Z, Chen Z, Feldman MD, Zhang JXJ. Multifunctional Pacemaker Lead for Cardiac Energy Harvesting and Pressure Sensing. Adv Healthc Mater. 2020 Jun;9(11):e2000053..

[9] 资料来源：Cairdac公司官网

封面图来源：图片来自网络，侵删

作者声明：感谢本文参考资料作者，文中观点仅供参考，不恰当之处还望包涵指正，资料内容侵删。

作者：DU

审核：李芳

排版：大大怪

上一篇：心脏起搏器2——弥补传统起搏器缺陷，无导线心脏起搏器简介

下一篇：【汇总篇】心脏起搏器+心脏电生理行业研究+法规库+指导原则+标准+成果转化政策库+医疗指南