主动脉生物能供电系统的构建及其实验研究

Bradyarrhythmia is one of the most threatening cardiac disease and the implantable cardiac pacemaker is the mainstay therapy for this disease. However, the lifetime of the its batteries is about 5 to 10 years and become the critical limitation for its development and treatment. Aiming for this issue, we originally proposed the novel approach of harvesting the aortic energy to power the cardiac pacemaker based on our surgical clinic work. We first deployed the piezoelectric thinfilm materials to harvest the aortic energy and generate electricity, constructed the aortic bioenergetic powering system (ABPS) and demonstrated the feasibility of this novel approach through animal experiment. This original work was published on the top journal of international microenergy field, Nano Energy (IF 10.3) and chosen as the cover paper. In previous study, we published 5 papers (the IF for two of them > 10) as co-first/corresponding author and declared 7 patents for invention as the first inventor..On the basis of previous work and the practical request of the power source for implantable electric devices, we in this project would be engaged in the construction of ABPS with high output, high stability and power storage ability in order to provide innovative solutions for the power issue of cardiac pacemaker and other implantable electric devices.

缓慢型心律失常是一类严重威胁人类健康的心脏疾病，目前植入式电子心脏起搏器是治疗严重缓慢型心律失常疾病的最有效手段。然而现有的起搏器电池寿命仅有5-10年，已经成为制约心脏起搏器发展和疗效的难点问题。针对这一现状，本项目组基于外科临床工作的启发，原创性提出采集主动脉能量为心脏起搏器供电的新思路，率先应用压电薄膜材料采集主动脉能量并发电，设计和研制了主动脉生物能供电系统（ABPS），并通过动物实验证明了这一技术的可行性。这一原创性工作发表在国际微能源类顶级期刊Nano Energy（IF 10.3），并入选该期封面论文。前期工作累计发表SCI论文5篇（其中2篇IF>10），申报国家发明专利7项。.本项目拟在前期工作基础上，针对植入式电子设备对电源的实际需求，探索构建具有高输出、高稳定、可储电等特性的主动脉生物能供电系统，为心脏起搏器及其它植入式电子设备的电源问题提供创新性的解决方案。

目前植入式电子心脏起搏器是治疗严重缓慢型心律失常疾病的最有效手段。然而现有的起搏器电池寿命仅有5-10年，已经成为制约心脏起搏器发展和疗效的难点问题。针对这一现状，本项目组原创性提出采集主动脉能量为心脏起搏器供电的新思路，率先应用压电薄膜材料采集主动脉能量并发电，设计和研制了主动脉生物能供电系统。本项目拟在前期工作基础上，针对植入式电子设备对电源的实际需求，探索构建具有高输出、高稳定、可储电等特性的主动脉生物能供电系统，为心脏起搏器及其它植入式电子设备的电源问题提供创新性的解决方案。本项目主要研究内容包括提升能量采集效率、提升能量转化效率、建立能量储存技术、筛选新型封装材料以及优化长期植入效果。在本项目的研究过程中，我们利用生物能供电系统采集心脏搏动能量，使得最大输出电压和输出功率分别达到了65.2V和0.495 μJ（均高于植入式心脏起搏器的工作需求）。在此基础上制备了具有高压电性能的压电薄膜并采用生物相容性薄膜材料封装，不仅将最大输出电压和电流提高至20 V和15μA，并在国际上首次驱动植入式心脏起搏器。为了进一步提升供电能力，我们进一步设计了具有涤纶树脂（PET）弹力骨架结构的压电单晶薄膜，以提升其形变时的输出能量，首次制备了全植入式的生物能心脏起搏器，并成功起搏了实验动物的心脏。可以预见，随着这一技术的不断成熟和完善，将可用于各种植入式电子医疗设备的供电，如电子心脏起搏器、心脏除颤器、脑起搏器、胰岛素泵、神经刺激器等，因此具有非常广阔的临床应用前景和重大的科学价值。