楔子
植入型心律調節器(implantable pacemaker)是種主動式植入型醫療器材,通過電刺激心肌控制心率。許多患者因為短期心臟問題,如:心臟手術後恢復期間的心動緩慢,故需要安裝臨時性心律調節器。傳統的臨時性心律調節器需要透過侵入性外科手術植入和到期時移除器材。進行外科手術過程存在甚大風險,如:感染引起併發症或心肌損傷。西北大學生物醫學工程和心臟病學教授伊格.艾菲莫(Igor Efimov)表示,這些併發症就是Neil Armstrong死亡的原因。他在心臟搭橋手術後安裝臨時型心律調節器,但在移除導線時發生致命的內出血,導致死亡。
由美國西北大學團隊領銜,聯合新加坡國立大學、中國華中科技大學等多所大學的研究人員,合作開發出目前世界上最小的心臟心律調節器,整個器材的體積比一粒米還小。4月2日的《Nature自然》期刊(https://www.nature.com/articles/s41586-025-08726-4)。發表一項由美國西北大學教授、生物醫學與神經外科研究所主任約翰.羅傑斯(John Rogers)團隊,另外參見西北大學生物醫學工程和心臟病學教授Igor Efimov教授的研究成果,介紹該款堪稱目前世界上最小的植入式心臟心律調節器。
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歷史回顧
為避免因移除心律調節器而產生的問題,艾菲莫教授及其生物醫學工程研究所的同仁在2021年研發出首個可融解的心律調節器。(https://news.northwestern.edu/stories/2021/06/first-ever-transient-pacemaker-harmlessly-dissolves-in-body/)。儘管這個四分之一大小(約為常見尺寸的四分之一)的植入式醫療器材在動物實驗中表現良好,但心臟外科醫生仍然不時詢問,是否有可能進一步將此種小型心律調節器微小化,可以應用在小兒科的嬰兒期臨床醫療。艾菲莫教授說明:「我們研發的動機源自於一種尚未被滿足的醫療需求:患有先天性心臟缺陷的兒童,」。
艾菲莫教授展示研發的微型器材時,提及「此種心律調節器的極小尺寸真的是前所未見,」。
器材概述
該款微型器材的重量為13.8毫克,尺寸僅為3.5公釐(長)×1.8公釐(寬)×1.0公釐(高)。參見圖一。實驗顯示,該器材不僅在動物模型和人類心臟組織中有效調控心跳頻率,亦能在使用完畢後自行融解,無需另行以外科手術取出。此項突破性成果或許有希望為心臟跳動過緩的病患提供潛在地更為安全的醫療選擇項,尤其對心臟手術後的臨時型心律調節需求具有重要意義。該篇論文的通訊作者羅傑斯,概略地敘述相關技術的誕生與預期展望。羅傑斯教授是美國國家科學院、工程院和藝術與科學院三院院士,長期致力於仿生電子器材和可穿戴式生物醫學電子器材的研究。據其說明,該款心律調節器的體積比目前已知最小的心律調節器之一:Medtronic美敦力的Micra還要更小,「按體積計算,我們的器材大約小500倍。」《人體體液》的患者自體供電,無需內建或外接電源和電線,3公釐的切割開口、「注射方式」的植入過程,可以稱之為多項創新發明的綜合效果。預期使用及效應
據其介紹,該款微型心臟心律調節器可以通過微創植入過程,極大地降低傳統心律調節器所需的外科侵入性手術風險,比如感染引起併發症或心肌損傷。具體來說,可以通過一種創傷很小的手術方式,經由不足3公釐的注射器,通過寬度不超過3公釐的皮膚切割開口,直接定點式注射到心外膜下心肌淺層。此種植入過程甚至適用於新生嬰兒,並支援使用微創技術進行植入。過去,傳統的臨時性心律調節器雖然在治療心動過緩(心率偏低)方面發揮著重要作用,但其侵入性的植入過程,加上必要的外部電源和導線,仍會帶來潛在醫療風險,尤其對於兒童和體型較小的患者而言,一直是臨床醫學上的挑戰。
器材的工作原理
相關人員最為好奇的是,該款微型心臟心律調節器如何在沒有電池和導線的情況下運作?關於電力供電方式,羅傑斯教授表示:「我們設計了一個自行供電機制支援心律調節器的運作。」其內置的電極由可生物吸收的材料組成:陽極(即負極)為鎂(或鋅),陰極(正極)為三氧化鉬。當電極接觸到心臟周圍的體液時,體液作為電解液,觸發陽極和陰極之間的電化學反應,產生微小的電流。「具體而言,一個活性可生物吸收的鎂合金或鋅複合材料作為陽極,一個具備電正性的可生物吸收三氧化鉬複合材料作為陰極。心臟組織及其相關生物液體作為電解質,形成生物作用型電池。」論文中如此描述。換句話說,此種心律調節器不需要外部接入電源或替換電池,而是利用身體自身的環境「發出電力」,將微小電流傳遞到心臟心肌,驅動心臟跳動。配對貼片監測心電圖,發現心律失常時,自行啟動,發出近紅外線光,光遙控觸發心律調節器運作。如何精確控制心跳的頻率和節奏?
羅傑斯教授進一步說明,該款心律調節器通過《近紅外線光波》實現無線操控。一個小巧、柔軟、有彈性的可穿戴貼片搭配植入式心律調節器使用,該貼片須貼附在患者胸部。參見圖二。當貼片偵測到心律不整時,便會自動發射近紅外線光脈衝。該脈衝穿透患者的皮膚、胸骨和肌肉,無線觸發與控制心律調節器,得以啟動期望心率相對應的頻率閃爍開啟和關閉。圖二:
「我們使用光電電晶體(光控開關)控制傳遞給心臟的電脈衝的頻率和持續時間(以設定心率)。」按照其說明,光電型電晶體是一種由矽製成的微小元件,連接在陽極和陰極之間,起到開與關的作用。在沒有光照時,它阻斷電流,器材處於休眠狀態;當皮膚表面的無線單元發出近紅外線光,光穿透人體骨骼與肌肉組織,照射到光電電晶體上時,後者的電阻值降低幾個數量級,內部電路接通,發出的微小電流傳送到心臟心肌。
羅傑斯教授補充說明,「近紅外線光具有深層組織穿透的特性,這使得光學方法變得很有吸引力。我們成功地用矽納米膜雙極結晶體管建構一個可生物吸收的光控開關。」。實驗過程中,無論是小白鼠、豬,還是取自器官供體的人類心臟,這個微型心律調節器都完成預期的控制心臟心律調節。心律調節器會配合一個貼在皮膚上的無線皮膚界面配件一起運作。該皮膚貼片支援心電圖的資料收集、資料分析和近紅外線範圍程序設計光發射,分析判斷是否有心律失常。發現心律失常後,皮膚界面配件器材會發出近紅外線光,實現自主閉環式心臟電刺激治療。儘管自身的體積很小,但它提供的心臟刺激足以匹敵全尺寸心律調節器的作用。
優勢與利益
羅傑斯教授繼續說明:「此種自主閉環式治療系統減少傳統臨床治療的常見風險,消除傳統經由導線型臨時性心律調節器解決方案的繁瑣性。」傳統心律調節器需要導線穿過皮膚連接外部電源,患者活動受到束縛,且存在感染風險,而新款的器材係以一個整體內置於患者體內,依靠人體體液觸發供電和紅外線光控制,可以使患者擺脫導線及外部電源的束縛。此種心律調節器尺寸非常小,艾菲莫教授說明,研究人員得以在心臟的各個不同位置安全地部署數個器材陣列。此種配置能夠對心臟的多個區域進行更繁複的刺激作用,有助於恢復正常的心跳頻率。科學家們補充說明,他們還可以將此種新型心律調節器整合到其他醫療器材中,例如:心臟瓣膜置換術中,以幫助心臟病專家解決患者康復期間可能出現的併發症。
此種新器材是以可生物降解的物質做成,在其使用壽命結束後會在人體內融解並被人體組織吸收,因此無需追加外科手術移除。此種心律調節器也不會干擾核磁共振成像(MRI)和電腦斷層掃描(CT)的檢查過程,此點對需要通常且必要之醫學影像檢查的患者大有助益。
人體可完全吸收運作時期之後的器材降解,估計在二年之後將完全消融於人體內
羅傑斯教授表示,該器材使用一段時間後,可在人體內無害融解。由於所有材料(包括電極、光電電晶體和封裝材料)都是可生物吸收的材料,器材在完成使命(豬和人類心臟上的體外起搏實驗顯示連續運行期間大約是16天)後會逐漸降解成無害物質,通過腎臟排出體外。完全生物吸收的時間尺度約為1.2到2.5年。未來適當選擇材料和器材設計,或可將完全吸收時間大大縮短。據悉,此項設計源於醫療臨床需求,由美國西北紀念醫院的心臟外科醫生提出。關於製造過程中的挑戰,羅傑斯教授表示:「自體供電方法的概念是關鍵,同時還需要一個光學方案來控制器材。」他坦言,自體供電概念是由中國籍的博士後研究人員張亞敏提出的。在美國喬治亞理工學院攻讀博士學位時,張亞敏研究電池技術,將該想法帶入專案,促成此項創新思維直到實踐。
未來展望
該研究事項主要在動物模型和體外的人體心臟組織上進行的查證和確效。至於未來在活體患者身上的應用,羅傑斯表示需經過主管機關的監理管制過程,「任何此類臨床救治型主動植入物都必須通過嚴格的監理管制過程」。此外,羅傑斯教授表示,已有若干新創公司開始推動該研究的臨床轉化階段。羅傑斯教授預計在兩三年內啟動首次人體植入物的臨床研究,使該技術進入臨床試驗階段,最終成為臨床專科醫生日常使用的標準程序,為心動過緩患者帶來一項新型治療選擇。艾菲莫教授指出,此種小型可生物降解的主動式植入物可能在心臟治療之外,另行開發出更多使用方式。例如:研究人員表示,該等器材亦可適用於促進神經和骨骼再生、傷口治療以及疼痛管理中的電刺激器。
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