李舟教授（左）、欧阳涵副教授（右）利用电镜表征起搏电极材料微结构。受访者供图

　　实验成功后团队部分成员合影。受访者供图

　　手术室内，一根导管从猪的下肢股静脉缓缓探入，一粒维生素胶囊大小的器件精准抵达心脏指定位置。中国科学院大学纳米科学与工程学院副教授欧阳涵、北京大学/北医三院副研究员蒋东杰、中国医学科学院阜外医院主治医师胡奕然盯着心电图屏幕。

　　经过一周左右的观测，猪心跳正常、血压稳定、饮食正常、伤口愈合良好。当每一次心跳转化为电能，持续为这款共生型心脏起搏器供电时，他们知道，困扰心脏病患者多年的起搏器电池难题，终于有了创新性的解决方案。

　　2019年，共生型自供电心脏起搏器的研发，实现了植入式心脏起搏器发展历程的重要突破。作为心脏病患者维持正常心律的唯一有效治疗方式，多年来，植入式心脏起搏器却始终受电池寿命的有限性所掣肘。即便是市面上最先进的设备，电池寿命也仅能持续10年左右。一旦能源耗尽，患者必须接受二次手术植入新设备。

　　“想象一下，一个30岁的年轻患者，活到了60岁时，他的心脏里要塞入3个能量耗尽的起搏器，不仅严重影响患者心脏正常的收缩运动，而且更会给病人带来沉重的心理压力。”胡奕然说。

　　7年后，中国科学院大学、清华大学、中国科学院北京纳米能源与系统研究所、北京大学、中国医学科学院阜外医院等单位组成的团队携手攻关，成功研发出胶囊尺寸的微型共生型自供电无导线心脏起搏器，相关成果的论文2026年在《自然—生物医学工程》发表。“一旦进入临床，有望显著减少心脏病患者的痛苦和治疗费用，也将推动共生电子器件的创新理念成为现实。”欧阳涵说。近日，围绕这项研发成果，团队正在全力建立平台，加大资金投入，加速推动科技成果转化。

　　微型共生型自供电无导线心脏起搏器实物图。受访者供图

　　微型共生型自供电无导线心脏起搏器实物图。受访者供图

　　网住“心跳能量”

　　多年以来，在生物医学领域，传统植入式生物器件皆为“外来入侵者”，与人体形成鲜明的“对抗关系”。这种电池供电的模式存在有毒物质泄漏的健康隐患，患者还必须在电量耗尽前更换设备。

　　让植入式器件真正融入人体，与人体共存，在人体内实现器件能量的永久自给自足——这在今天已不是科幻小说的场景。

　　一个关键的突破口逐渐被科学家打开：人本身就是一个完整的生态系统，更是一座蕴藏着巨大潜能的能量场。

　　“心脏每一次跳动释放的能量约1瓦，是心脏起搏器每发放一次起搏器脉冲所需能量的10万倍。1克葡萄糖最多可释放17千焦能量，足够心脏起搏器工作20年以上了。”欧阳涵解释。

　　团队发现，从人体获取能量为起搏器供电，这一思路在理论上完全行得通，也是最便捷的能量获取方式。

　　2019年，欧阳涵联合清华大学李舟教授团队提出“共生生物电子”创新理念，并研制出初期的共生型心脏起搏器，相关研究成果在《自然—通讯》刊发。此后7年，中国科学院大学、清华大学、中国科学院北京纳米能源与系统研究所、北京大学、中国医学科学院阜外医院、杭州电子科技大学等多家单位组成的青年研究团队，在李舟教授、华伟教授、王中林院士等科学家的支持下，展开微型共生型自供电无导线心脏起搏器的研发工作。

　　体外预实验的结果让所有人振奋。

　　在人体内，心脏跳动一次，收缩时间约十几毫秒，转瞬即逝。但发电模块在一次心跳驱动下，释放的能量却足以支撑40个灯泡工作几十毫秒。

　　“人体能量的回收值得探索。”欧阳涵说。

　　要捕获心脏的能量，团队的研究思路是，给起搏器集成能量回收模块，让心脏起搏器能感知心脏机械振动，快速将心脏动能变成电能。

　　而一旦捕捉到能量，如何“网住”能量，如何利用人体心脏的动能来稳定供电，是一个至关重要的问题。

　　蒋东杰提出的磁悬浮构型，为团队找到了一条关键技术路径，即将心脏单次的脉冲跳动转化为持续的脉冲运动。

　　“心跳一次，发电模块的磁铁便能持续振动产生一组能量，在零点几秒内，把间断的心跳动能转化为连续的电能，实现了能量的高效收集，又降低了器件的启动门槛。”蒋东杰说。

　　“就好像荡秋千，如果与地面接触会有摩擦，很快就会停止；如果悬浮在空中，只需轻轻推一下，就能保持来回运动。”欧阳涵解释，器件发电模块最高输出功率可达120微瓦，而起搏器正常工作仅需5-10微瓦，超过起搏器工作所需能量的10倍。

　　“能量供给的核心问题就此得到解决。”欧阳涵说。

　　稳定为心脏“供电”

　　在心脏内发电、放电，听起来似乎是一件颇为“危险”的事情。发电过程中设备发热是否会损伤心脏？心跳不规律是否会影响发电效率？设备是否存在漏电风险？

　　在进入动物实验前，团队先对全球所有心脏起搏设备的功耗数据展开全面调研，针对心脏运动的生理特点，如跳动幅度、加速度等数据进行精密计算，确定发电模块的数值。

　　人在睡觉、运动等不同状态下，心脏跳动的状况也会随之变化。在进入动物实验前，团队完成了0-90度全姿态测试，模拟人体平躺、侧卧等不同姿势下的心脏状态。即便人体平躺时，在心脏收缩与发电模块形成30度夹角的不利情况下，起搏器依然能实现每秒10微瓦以上的稳定供电，满足心脏跳动的供能需求。

　　“这意味着，未来对于心跳过缓的患者，起搏器收集到的能量足以帮助他们恢复正常心跳节奏，也能适应感冒发烧、运动等潜在不利因素的影响。”欧阳涵说。

　　团队不仅在稳定发电上反复测试，还在起搏器的“体型”上多次商讨。从一个火柴盒大小，再到一颗胶囊大小，团队让这款微型共生型自供电无导线心脏起搏器的“体型”变得轻巧纤细。

　　很难想象，在一颗仅有1.5立方厘米胶囊大小的微型器件中，完整集成了备用电池、起搏电路、能量管理系统与发电模块。方寸之间，五脏俱全。

　　其中，为进一步保障供电稳定，团队在器件中装入了一款备用电池，可实现约一个月的应急供电，为临床处理预留了充足时间。

　　“小型化设计对于器件的性能要求极高。”蒋东杰解释，团队在器件装置设计上迭代了十余版，围绕实验数据不断验证稳定性提升、损耗降低的办法，几经完善，最终在如胶囊大小的器件里完成能量回收与释放，实现了利用人体生态系统的能量为器件供电的设想。

　　2025年，当科研成果进入专家评审环节时，评审专家提问：这款起搏器收集但未被释放的能量，是否会对人体产生影响？

　　根据实验，多余的能量导致电子器件温度上升不超过0.01摄氏度，“对器件本身和心脏的影响几乎可以忽略不计。”欧阳涵说。

　　有望为心脏病患者安上“充电宝”

　　作为全程参与动物实验的临床大夫，胡奕然的目标无比明确——要和团队一起做一款能跟着患者一辈子的无导线心脏起搏器。

　　临床中心脏病患者大都呈现心跳过缓的病理状态。团队搭建起完全模拟临床的动物疾病模型。一开始，递送装置没法精准送到心脏的指定位置，有时候不得不“拽回来”重新递送。胡奕然回忆，“操作过程需要小心谨慎，避免损伤动物的心脏瓣膜，也要避免并发症的出现。”

　　2021年12月，一条精准的“快递通道”逐步形成：器件像放在传送带上一样，能顺着血管通路抵达心脏目标位置。

　　为了更精准地监测起搏器的工作状态，团队还为动物实验猪配备了穿戴式全程心电贴片，进行长达一个月的持续监测。数据显示，起搏器始终稳定工作，依靠自发电模块持续为心脏起搏器供能实现心脏起搏。

　　实验猪一切正常。

　　“当前，心脏起搏器是心跳过缓疾病唯一有效的治疗方式。”作为一名临床大夫，胡奕然明白，早期的有导线心脏起搏器是患者无奈的选择——皮肤下要埋置火柴盒大小的脉冲发生器，两根导线连接心脏和脉冲发生器，电池和导线都藏在体内。

　　“不仅影响外观，感染的风险很高，而且导线的平均使用寿命也仅有十几年，磨损后只能重新植入新的导线到心脏内部，每一次操作，都是对患者身体的又一次考验。”胡奕然说。

　　随着技术发展，如今临床应用的无导线心脏起搏器，虽解决了导线的麻烦，但仍然面临电池寿命只有10年左右的困局。目前国内上市应用的无导线心脏起搏器均来自外国进口，售价动辄16万元上下，患者要承担昂贵费用。即便能在短期缓解，可10年后，新的难题又接踵而至。

　　胡奕然解释，废置的无导线起搏器早已与心脏组织紧密缠绕，强行拆除轻则撕破心肌，重则导致心脏立即破裂。

　　也正因如此，这款微型共生型自供电无导线心脏起搏器的研发，让胡奕然看到了真正造福心脏病患者的希望——不再受电池寿命的限制，无需反复手术植入，减轻治疗费用。“如果这款产品未来运用到临床，无论什么年龄段的患者，都能一次植入，终身受益。”胡奕然说。

　　七年磨一剑，微型共生型自供电无导线心脏起搏器已经通过动物实验。而从实验室的技术验证到临床的实际应用，还有一段更艰难的路程要走。2026年，团队的目标是，进一步提升心脏起搏器的运行稳定性，确保达到终身工作状态。

　　在欧阳涵看来，“共生生物电子”理念在未来有着无限可能性。若将此技术扩展到其他生命器件之中，开拓组织工程、神经调控、脑机接口等领域的应用新场景，将会推动生物医疗产品的迭代，惠及更多患者。

　　中青报·中青网记者 杨洁来源：中国青年报

　　2026年03月27日 08版