有时我们的身体需要提升。数以百万计的美国人依靠心脏起搏器，这是一种调节心脏电脉冲以保持心脏平稳跳动的小型设备。但为了减少并发症，研究人员希望使这些设备更小，侵入性更小。
芝加哥大学的一组研究人员开发了一种由光驱动的无线设备，可以植入该设备来调节体内的心血管或神经活动。羽毛状的膜比人的头发还细，可以通过微创手术插入，并且不包含任何活动部件。
该研究结果于2月21日发表在 《自然》杂志上 ，研究结果可能有助于减少心脏手术的并发症，并为未来的设备提供新的视野。
“早期的实验非常成功，我们对这种转化技术的未来充满希望，”芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究生、该论文的第一作者Pengju Li说。
“新领域”
田博智教授的实验室多年来一直在开发可以使用类似于太阳能电池的技术来刺激身体的设备。光伏发电在这方面很有吸引力，因为它们没有可能分解或侵入的运动部件或电线，这在心脏等脆弱组织中特别有用。研究人员无需使用电池，只需在旁边植入一根微小的光纤即可提供电力。
但为了获得最佳结果，科学家们不得不调整系统以用于生物目的，而不是通常如何设计太阳能电池。
“在太阳能电池中，你希望尽可能多地收集阳光，并沿着电池移动能量，无论电池板的哪个部分被击中，”Li解释说，“但对于这个应用，你希望能够在一个非常局部的区域发光，并且只激活那个区域。
例如，一种常见的心脏疗法被称为心脏再同步疗法，其中心脏的不同部分通过精确定时的电荷恢复同步。在目前的疗法中，这是通过电线实现的，电线可能有自己的并发症。
Li和团队着手创造一种光伏材料，这种材料只会在光线照射的地方激活。
他们最终确定的设计有两层称为P型的硅材料，它通过产生电荷来响应光。顶层有许多小孔，这种情况称为纳米孔隙率，可提高电气性能并集中电力而不会使其扩散。
结果是一个微小的柔性膜，可以通过一根微小的管子和光纤插入体内，这是一种微创手术。光纤以精确的模式点亮，膜将其拾取并转化为电脉冲。
这层膜只有一微米薄，比最细的人类头发小100倍，只有几厘米见方。它的重量不到五十分之一克;明显低于目前最先进的起搏器，后者的重量至少为 5 克。“设备越轻，对患者来说通常就越舒适，”李说。
此特定版本的设备仅供临时使用。它不是另一种侵入性手术来移除起搏器，而是随着时间的推移溶解成一种称为硅酸的无毒化合物。然而，研究人员表示，这些设备可以被设计成持续到不同的预期寿命，这取决于心脏刺激所需的时间。
“这一进步改变了心脏再同步化治疗的游戏规则，”芝加哥大学医学院外科教授、该研究的共同通讯作者Narutoshi Hibino说。“我们正处于一个新领域的风口浪尖，生物电子学可以与人体的自然功能无缝整合。
轻量化使用
虽然最初的试验是用心脏组织进行的，但研究小组表示，这种方法也可以用于神经调控 – 例如刺激帕金森氏症等运动障碍中的神经，或治疗慢性疼痛或其他疾病。Li为该领域创造了“光电学”一词。
田说，他们第一次在猪心脏试验中尝试心脏起搏器的那一天，猪心脏与人类的心脏非常相似，在他的记忆中仍然历历在目。“我记得那天，因为它在第一次试验中就奏效了，”他说。“这既是一个奇迹般的成就，也是对我们广泛努力的回报。”
Tian指出，Li开发的一种用于绘制各种硅基材料的光电化学输出的筛选方法也可以在其他地方使用，例如在新的电池技术，催化剂或光伏电池等领域。
该研究团队目前正在与芝加哥大学波尔斯基创业与创新中心合作，将该设备商业化。
该论文的其他芝加哥作者是Jing Zhang，Hidenori Hayashi，Jiping Yue，温 Li，Chuanwang Yang，Changxu Sun，Jiuyun Shi和Judah Huberman-Shlaes。这项研究使我们获得了芝加哥大学普利兹克分子工程学院的普利兹克纳米加工设施和伊利诺伊大学芝加哥研究资源中心的电子显微镜服务。
引文：“用于高时空平移光刺激的单片硅。Li 等人，《自然》，2024 年 2 月 21 日。
资助：美国国立卫生研究院、美国空军科学研究办公室、美国国家科学基金会、美国陆军研究办公室。
新闻旨在传播有益信息，英文版原文来自https://news.uchicago.edu/story/uchicago-scientists-invent-ultra-thin-minimally-invasive-pacemaker-controlled-light