現(xiàn)實：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尷尬的現(xiàn)實問題——由鋰電池供能，笨重堅硬，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。由此帶來的問題絕不僅是換塊電池那么簡單。由于心臟起搏器位于人體內(nèi)，一旦電力耗盡，就需要開展手術(shù)才能更換。對于患者來說，這不僅是一次痛苦的體驗，甚至還會面臨機(jī)體感染等風(fēng)險。
延長植入式醫(yī)療電子器件使用壽命，同時減少其尺寸和重量——一部分科學(xué)家將研究目標(biāo)對準(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題呢？
李舟等人另辟蹊徑，開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。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)新可以用來收集人體運動等產(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，從而實現(xiàn)用電器件的“自驅(qū)動”。
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動中收集生物機(jī)械能量。那時，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動的能量。
然而，理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感。“該裝置輸出的電能較低，無法驅(qū)動電子器件。”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)過物理的人都知道，摩擦只產(chǎn)生電壓，沒有電流，無法利用。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)生在測試一款納米發(fā)電機(jī)時，偶然發(fā)現(xiàn)了3至5伏的電壓信號。而一般情況下，電壓信號僅為1至2伏。這一特殊現(xiàn)象究竟是何緣故？經(jīng)過反復(fù)實驗，王中林發(fā)現(xiàn)高出來的電壓是由摩擦產(chǎn)生的。
隨后，王中林在歷經(jīng)一次次失敗的實驗后又發(fā)現(xiàn)，在兩種高分子材料相接觸的過程中，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)隊構(gòu)建了一個全新的納米器件——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，無需磁鐵的累贅，輕便簡捷，輸出性能很好，為有效收集機(jī)械能提供了可能。
“實驗證明，摩擦納米發(fā)電機(jī)可以從走路、說話等低頻運動中收集能量。而人體本身蘊含著巨大的能量，其中肌肉和肢體運動中的生物機(jī)械能最為充沛。”王中林、李舟團(tuán)隊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)動醫(yī)療電子器件的研究中。
“讓心臟起搏器能夠以自驅(qū)動的方式運行，這是一件很有意義但也極具挑戰(zhàn)性的事。我們的研究重點在于，如何通過自驅(qū)動的方式大大延長目前植入式心臟起搏器的使用壽命，甚至實現(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)隊再接再厲，重新設(shè)計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)化了大鼠呼吸運動所產(chǎn)生的能量，再以電能的形式儲存起來，最終實現(xiàn)了心臟起搏器原型機(jī)的驅(qū)動。
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)動心臟起搏器——共生型心臟起搏器（SPM）。試驗顯示，目前在每一個心臟運動周期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，SPM在每次心動周期所收集的能量已經(jīng)超過了起搏人類心臟所需要的能量。
“SPM可實現(xiàn)‘一次心跳，一次起搏’，這對自驅(qū)動心臟起搏器邁向臨床和產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。”李舟說，目前，研究團(tuán)隊在細(xì)胞層面驗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這類器件具備良好的組織相容性和血液相容性。“可以說，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)心臟跳動時，薄片發(fā)生形變并產(chǎn)生電能。目前，SPM已在大型動物（豬）體內(nèi)實現(xiàn)了“全植入”的自驅(qū)動運行，并成功開展了大動物模型心律不齊的治療。
不過，植入式器件的生物安全性仍需要經(jīng)過長期嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯框炞C。“此外，雖然器件獲得的能量已經(jīng)達(dá)到0.495μJ，但要使其實現(xiàn)更多功能，滿足更多應(yīng)用場景的需求，這些能量仍然不夠。”李舟透露，下一步，他們的研究重點是植入式器件的小型化、長效的生物安全性等，預(yù)計在5至10年內(nèi)有望開展臨床試驗。