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王中林、李舟详解新型心脏起搏器:利用人体运动实现自供电

2010-08-13 00:00 王中林、李舟 科技日报 阅读 0
核心摘要: 本文详解了新型心脏起搏器自供电技术。传统起搏器电池寿命有限,更换手术风险高。王中林院士与李舟博士团队研发的纳米发电机,利用人体肌肉运动或心跳产生的机械能转化为电能,有望实现起搏器自供电。实验在大鼠心脏上验证了可行性,但人体应用仍需5-10年。该技术为植入式医疗设备提供了革命性的能源解决方案。

心脏起搏器示意图

近日,大连一位吴女士因心脏起搏器电池耗尽,一夜昏厥4次,不得不接受更换手术。这一事件再次引发公众对心脏起搏器电池寿命的关注。北京航空航天大学生物与医学工程学院李舟博士指出,传统心脏起搏器的电池寿命通常为6-8年,电池耗尽后患者面临心跳停止的风险,需及时更换。然而,能否实现心脏起搏器的自供电,从而一劳永逸地解决电池问题?中国科学院外籍院士王中林与李舟团队的最新研究给出了答案。

心脏起搏器的工作原理:心脏的“司令部”——窦房结,自动产生节律性电流,通过传导系统控制心肌收缩。当窦房结功能异常时,心脏起搏器可替代其发放脉冲电流,维持心脏正常跳动。起搏器由电池和电路组成,通过电极导线连接心脏,发放特定频率的脉冲。

纳米发电机:将机械能转化为电能:王中林团队在《先进材料》杂志上发表的研究《Muscle driven in-vivo nanogenerator》中,设计了一种微型纳米发电机,可植入动物体内,从生物活动中获取能量。该发电机利用特殊材料的纳米线,在肌肉运动等机械形变下产生压电效应,驱动电荷运动,从而将机械能转化为电能。李舟形象地将其比喻为“电荷泵”。

实验验证:心跳驱动纳米发电机:团队将纳米发电机固定在大鼠搏动的心脏表面,成功获得了稳定电流。单根纳米线可产生10毫伏特电压和5皮安培电流。通过增加纳米线数量(类似电池串联并联),可为植入式医疗器件(如心脏起搏器、血糖仪)提供足够电能。王中林表示,这一技术有望实现“心脏起搏器驱动心跳,心跳反过来为起搏器充电”的循环,彻底消除断电风险。

未来展望:该技术距离人体应用仍需5-10年,需在动物模型中验证其可靠性、稳定性,并优化纳米线数量与材料生物相容性。这一突破为植入式医疗设备的自供电提供了新思路,有望彻底改变心脏起搏器等设备的维护方式。

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