可降解植入電子醫(yī)療器件有望告別“二次手術(shù)”

小型化可植入的生物全可吸收電容器，為微型化、可降解和可植入的能源器件提供了新的解決方案，具有向未來(lái)可降解植入電子醫(yī)療器件發(fā)展的重要潛力。

從心臟起搏器、人工耳蝸、脊髓刺激器，到各種植入性電極，形形色色的植入性電子醫(yī)療器件已成為醫(yī)療器械的重要分支。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年有超過(guò)50萬(wàn)個(gè)心臟起搏器被植入人體。

然而，對(duì)于大多數(shù)植入電子醫(yī)療器械而言，幾乎都需要使用電池來(lái)為自身供能，一旦電池電源耗盡，就意味著患者必須二次手術(shù)以更換新電池。如何在可降解的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)植入電子醫(yī)療器件的安全高效、長(zhǎng)期穩(wěn)定的電能供給，成為科研界攻關(guān)的難題。

近日，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員李舟與王中林研究團(tuán)隊(duì)，以及北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院教授樊瑜波研究團(tuán)隊(duì)，研制出小型化可植入的生物全可吸收電容器，為微型化、可降解和可植入的能源器件提供了新的解決方案，具有向未來(lái)可降解植入電子醫(yī)療器件發(fā)展的重要潛力。相關(guān)研究成果已發(fā)表在新一期《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）上。

對(duì)于傳統(tǒng)植入電子器件而言，由于基底材料及電子元器件不可降解，當(dāng)電子器件完成指定診療任務(wù)后，往往需要再次手術(shù)取出，對(duì)患者造成二次創(chuàng)傷，并可能引發(fā)傷口感染和化膿等多種并發(fā)癥，同時(shí)會(huì)增加醫(yī)療成本。

生物可降解電子器件作為一種新型電子器件，具有完全不同于傳統(tǒng)電子器件持久工作的特點(diǎn)。李舟告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，可降解電子器件能夠在發(fā)揮作用的時(shí)限內(nèi)，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并且整體實(shí)現(xiàn)高性能運(yùn)轉(zhuǎn)；在完成功能后，又能在一定時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)器件自行降解或被生物體吸收。

而植入電子醫(yī)療器械要想被人體吸收，材料的研發(fā)就擺在重要位置。比如，可降解高分子材料常用作器件的支撐和封裝材料；可降解無(wú)機(jī)材料常用作器件的支撐材料或元部件；可降解金屬及其氧化物常用作器件的功能化元件。

近年來(lái)，鎂合金的研發(fā)就十分熱門(mén)，但該可降解金屬材料很難達(dá)到植入物在人體所需要的“服役期”。對(duì)此，皇家墨爾本理工大學(xué)副教授李云蒼研究開(kāi)發(fā)出鎂鋯—鍶—稀土元素合金，成功增強(qiáng)了鎂合金的腐蝕和生物學(xué)行為，以可控的方式達(dá)成鎂合金在體內(nèi)的降解，這項(xiàng)研究也被認(rèn)為是鎂合金在醫(yī)療器械領(lǐng)域的突破性進(jìn)步。

可降解能源供給器件是維持可降解電子器件正常工作的必要組成部分，但迄今為止對(duì)其能源供給研究卻十分有限。相比無(wú)線傳感供能及商用電池供能，可降解植入式能源器件需同時(shí)滿足小型化、良好生物相容性以及生物可吸收性的要求，以此達(dá)到臨床微創(chuàng)手術(shù)長(zhǎng)期植入無(wú)須取出的目的。

為此，李舟團(tuán)隊(duì)提出多種可能的能源解決方案：首先是開(kāi)發(fā)自驅(qū)動(dòng)功能器件（如生物可降解摩擦納米發(fā)電機(jī)、壓電納米發(fā)電機(jī)等），該類(lèi)器件無(wú)需外部電源，在生物體內(nèi)納米發(fā)電機(jī)將動(dòng)物體機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并用于指定任務(wù)；其次是開(kāi)發(fā)體內(nèi)植入式可降解電源或體外可降解無(wú)線充電裝置，為可植入可降解醫(yī)療電子器件供能。

隨著研究的不斷深入，并根據(jù)可植入醫(yī)療電子器件正常工作的供能需求，李舟等人研制出小型化可植入的生物全可吸收電容器（BC），首次實(shí)現(xiàn)了液體環(huán)境中可降解儲(chǔ)能器件的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，為未來(lái)可降解植入式電子器件的供能提供了可行方案。

與此同時(shí)，研究者通過(guò)體外細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)及動(dòng)物植入實(shí)驗(yàn)證明了BC的良好生物相容性，整個(gè)器件在生物體內(nèi)達(dá)到預(yù)定工作時(shí)間后，可被實(shí)驗(yàn)動(dòng)物（大鼠）逐步分解吸收，不需要手術(shù)取出。

不過(guò)，李舟坦言，可降解植入電子醫(yī)療器件的研發(fā)尚處于起步階段，其應(yīng)用還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，距離臨床應(yīng)用還有很多科學(xué)問(wèn)題需要解決。其次，由于可降解功能材料種類(lèi)相對(duì)局限，因此可降解電子器件種類(lèi)較少，能對(duì)外提供的功能可選擇性較弱，其他很多特定功能的可降解電子器件均有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

未來(lái)，智能化也將成為可降解植入電子醫(yī)療器械的一大趨勢(shì)。例如，將具有計(jì)算功能的芯片植入到人體內(nèi)與神經(jīng)連接或放置到皮膚或者肌肉當(dāng)中，人類(lèi)和計(jì)算機(jī)將能夠形成一種全新的協(xié)同形式，實(shí)現(xiàn)腦—機(jī)互動(dòng)、生理信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及多種疾病的診斷和治療。