現(xiàn)實(shí)：鋰電池笨重壽命短
提起心臟起搏器，很多人并不陌生，它是治療心律失常和心力衰竭等嚴(yán)重心臟疾病的重要醫(yī)療設(shè)備。然而，包括心臟起搏器在內(nèi)的眾多植入式醫(yī)療電子器件都面臨著一個(gè)尷尬的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題——由鋰電池供能，笨重堅(jiān)硬，續(xù)航能力有限。
“以普通心臟起搏器為例，電能供給只能維持7至10年。其中，電池占據(jù)了起搏器50%以上的體積和60%以上的重量。”李舟說(shuō)。由此帶來(lái)的問(wèn)題絕不僅是換塊電池那么簡(jiǎn)單。由于心臟起搏器位于人體內(nèi)，一旦電力耗盡，就需要開(kāi)展手術(shù)才能更換。對(duì)于患者來(lái)說(shuō)，這不僅是一次痛苦的體驗(yàn)，甚至還會(huì)面臨機(jī)體感染等風(fēng)險(xiǎn)。
延長(zhǎng)植入式醫(yī)療電子器件使用壽命，同時(shí)減少其尺寸和重量——一部分科學(xué)家將研究目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)了擁有更高能量密度的鋰電池。那么，能否一勞永逸地解決電池問(wèn)題呢？
李舟等人另辟蹊徑，開(kāi)始探索研究其他的能量供給方案，比如，納米發(fā)電機(jī)。這樣的想法并非異想天開(kāi)。早在2005年，王中林和他的學(xué)生就巧妙利用納米材料的特性，研制出將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的全球最小發(fā)電機(jī)——納米發(fā)電機(jī)。在王中林的設(shè)想中，這一創(chuàng)新可以用來(lái)收集人體運(yùn)動(dòng)等產(chǎn)生的能量，并將這些能量轉(zhuǎn)化為電能提供給相關(guān)電子器件，從而實(shí)現(xiàn)用電器件的“自驅(qū)動(dòng)”。
在王中林的啟發(fā)下，2009年，李舟等人嘗試從器官和肌肉的運(yùn)動(dòng)中收集生物機(jī)械能量。那時(shí)，他們制作了基于單根氧化鋅納米線的壓電式納米發(fā)電機(jī)，并成功收集了大鼠心跳和呼吸運(yùn)動(dòng)的能量。
然而，理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。“該裝置輸出的電能較低，無(wú)法驅(qū)動(dòng)電子器件。”李舟坦陳。
探索：全新摩擦納米發(fā)電機(jī)
探索的腳步?jīng)]有就此停滯。2012年，在原有研究基礎(chǔ)上，王中林率先提出摩擦納米發(fā)電機(jī)的概念，其基本工作原理是基于摩擦起電和靜電感應(yīng)的耦合，將微小的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。
可是學(xué)過(guò)物理的人都知道，摩擦只產(chǎn)生電壓，沒(méi)有電流，無(wú)法利用。既然如此，如何發(fā)電？故事要從一次意外發(fā)現(xiàn)講起。2011年，王中林的學(xué)生在測(cè)試一款納米發(fā)電機(jī)時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了3至5伏的電壓信號(hào)。而一般情況下，電壓信號(hào)僅為1至2伏。這一特殊現(xiàn)象究竟是何緣故？經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，王中林發(fā)現(xiàn)高出來(lái)的電壓是由摩擦產(chǎn)生的。
隨后，王中林在歷經(jīng)一次次失敗的實(shí)驗(yàn)后又發(fā)現(xiàn)，在兩種高分子材料相接觸的過(guò)程中，可以產(chǎn)生電荷分離，再利用靜電感應(yīng)效應(yīng)，他帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)全新的納米器件——摩擦納米發(fā)電機(jī)。這一顛覆性的技術(shù)與傳統(tǒng)電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)相比，無(wú)需磁鐵的累贅，輕便簡(jiǎn)捷，輸出性能很好，為有效收集機(jī)械能提供了可能。
“實(shí)驗(yàn)證明，摩擦納米發(fā)電機(jī)可以從走路、說(shuō)話等低頻運(yùn)動(dòng)中收集能量。而人體本身蘊(yùn)含著巨大的能量，其中肌肉和肢體運(yùn)動(dòng)中的生物機(jī)械能最為充沛。”王中林、李舟團(tuán)隊(duì)滿懷熱情投入到基于納米發(fā)電機(jī)的植入式和穿戴式自驅(qū)動(dòng)醫(yī)療電子器件的研究中。
“讓心臟起搏器能夠以自驅(qū)動(dòng)的方式運(yùn)行，這是一件很有意義但也極具挑戰(zhàn)性的事。我們的研究重點(diǎn)在于，如何通過(guò)自驅(qū)動(dòng)的方式大大延長(zhǎng)目前植入式心臟起搏器的使用壽命，甚至實(shí)現(xiàn)‘一次植入，終生使用’。”李舟表示。
挑戰(zhàn)：植入式器件小型化
2014年，李舟帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)再接再厲，重新設(shè)計(jì)制備了可用于生物體內(nèi)能量收集的植入式摩擦納米發(fā)電機(jī)，并將其植入大鼠體內(nèi)，成功收集并轉(zhuǎn)化了大鼠呼吸運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的能量，再以電能的形式儲(chǔ)存起來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)了心臟起搏器原型機(jī)的驅(qū)動(dòng)。
向著科學(xué)的高峰繼續(xù)攀登，如今，王中林、李舟等人研制出新一代、真正意義上的自驅(qū)動(dòng)心臟起搏器——共生型心臟起搏器（SPM）。試驗(yàn)顯示，目前在每一個(gè)心臟運(yùn)動(dòng)周期SPM可獲得能量0.495μJ（微焦耳），高于心臟起搏器發(fā)出一次起搏電脈沖的閾值能量（通常為0.377μJ）。換句話說(shuō)，SPM在每次心動(dòng)周期所收集的能量已經(jīng)超過(guò)了起搏人類心臟所需要的能量。
“SPM可實(shí)現(xiàn)‘一次心跳，一次起搏’，這對(duì)自驅(qū)動(dòng)心臟起搏器邁向臨床和產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。”李舟說(shuō)，目前，研究團(tuán)隊(duì)在細(xì)胞層面驗(yàn)證了植入式共生心臟起搏器的生物相容性，之前的研究工作也證實(shí)這類器件具備良好的組織相容性和血液相容性。“可以說(shuō)，器件的生物相容性是非常良好的。”李舟表示。
據(jù)介紹，SPM的工作原理是將一個(gè)納米材料組裝成的柔性薄片器件貼附在心臟表面，當(dāng)心臟跳動(dòng)時(shí)，薄片發(fā)生形變并產(chǎn)生電能。目前，SPM已在大型動(dòng)物（豬）體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了“全植入”的自驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，并成功開(kāi)展了大動(dòng)物模型心律不齊的治療。
不過(guò)，植入式器件的生物安全性仍需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯框?yàn)證。“此外，雖然器件獲得的能量已經(jīng)達(dá)到0.495μJ，但要使其實(shí)現(xiàn)更多功能，滿足更多應(yīng)用場(chǎng)景的需求，這些能量仍然不夠。”李舟透露，下一步，他們的研究重點(diǎn)是植入式器件的小型化、長(zhǎng)效的生物安全性等，預(yù)計(jì)在5至10年內(nèi)有望開(kāi)展臨床試驗(yàn)。