李舟/曾柱/郑强团队Device：无电池心脏起搏器的能量获取策略与前沿进展

原创 Cell Press CellPress细胞科学

物质科学

Physical science

心脏起搏器在治疗心律失常方面发挥着至关重要的作用。如何为心脏起搏器提供稳定且无需频繁更换的能源，是提升其治疗心律失常效果、降低患者手术风险与医疗成本的关键所在。

2025年3月19日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员团队和贵州医科大学曾柱、郑强教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上发表了一篇题为“Choosing Energy Sources for Battery-Free Pacemakers”的观点论文。该研究系统性阐述了无电池心脏起搏器的能量获取策略，并综述了最新研究进展。分析对比了不同技术方案的优缺点，并展望了未来发展方向与挑战。

无电池心脏起搏器相关研究旨在开发一种无需频繁更换电池、降低手术风险并提升患者生活质量的新型医疗设备。在未来，随着技术的不断进步，无电池心脏起搏器有望成为治疗心律失常的重要手段，其能量供应的稳定性和长期可靠性对于保障患者安全和设备效能至关重要。本文展示了人体不同类型的能量来源（机械能、热能、光能、生物化学能等）及其转换机制，深入探讨了当前无电池心脏起搏器能量获取技术的关键性进展和未来挑战。同时，本文提出通过系统集成和材料创新的新方向优化能量采集效率和设备的生物相容性，从而推动无电池心脏起搏器技术的实际应用和未来发展。

图1 心脏起搏器的不同类型能量来源

自供能起搏器的核心技术

本文首先详细介绍了当前无电池心脏起搏器的六大能量获取方式，涵盖了摩擦电（TENG）与压电（PENG）能量采集、热电（TEG）能量采集、光伏（Photovoltaic）能量采集、生物燃料电池（BFC）以及无线能量传输（RF）等技术（图1）。这些方法通过将人体的机械运动、体温差、光能、生物化学能等转化为电能，为心脏起搏器提供了多样化的能量来源。例如，摩擦电和压电能量采集利用心脏跳动或体内机械运动将机械能转化为电能；热电能量采集则通过体温与外部环境的温差驱动热电材料发电；光伏能量采集利用皮下植入的光伏电池将外部光能转化为电能；生物燃料电池通过血液中的葡萄糖进行氧化还原反应提供持续电力；而无线能量传输则通过射频或超声波技术实现从体外向体内起搏器的无线供电。

然而，单一的能量获取方式往往存在局限性，例如能量转换效率较低、受环境条件影响较大或生物相容性不足等问题，难以满足起搏器长时间稳定供能的需求。因此，未来的研究方向应聚焦于多种能量采集技术的整合与优化，通过系统集成和材料创新，提高能量采集的效率和稳定性。同时，结合智能控制技术，实现不同能量源之间的动态切换和互补，以确保起搏器在复杂生理环境中的可靠运行。此外，进一步缩小设备尺寸、提升生物相容性也是未来研究的重要方向，从而推动无电池心脏起搏器技术的临床应用和普及。

图2 人体能量转换与利用技术概述

无电池心脏起搏器的里程碑事件

接着本文回顾了无电池心脏起搏器能量获取技术的发展历程（图3）。研究发现，尽管传统起搏器在治疗心律失常方面取得了显著成效，但其依赖电池供能的特性导致了频繁更换手术的需求，增加了患者的痛苦和医疗成本。为了克服这一技术瓶颈，国内外学者在自供能起搏器领域展开了深入研究。本文将相关研究依据不同能量获取方式主要划分为两类关键能量获取方式（体内能量供给和体外能量传输），并总结了各领域关于自供能心脏起搏器的核心技术及其进展。

图3 心脏起搏器驱动能量的发展历程

多种无电池起搏器技术的应用进展

近年来，随着生物力学、热电、光伏、生物燃料电池和无线能量传输等技术的不断发展，无电池起搏器在动物模型和临床前研究中取得了显著进展（图4）。例如，基于摩擦电和压电效应的起搏器已在猪和大鼠模型中成功实现心脏起搏功能；光伏起搏器通过皮下植入的太阳能电池为起搏器提供稳定的能量供应；生物燃料电池利用血液中的葡萄糖进行能量转换，展示了良好的长期稳定性；无线能量传输技术则通过体外设备为植入式起搏器提供能量，避免了传统电池的限制。这些技术的应用不仅减少了因电池更换带来的手术风险，还显著提升了患者的舒适度和生活质量。

然而，尽管这些无电池起搏器技术在实验环境中表现出色，但其在实际临床应用中仍面临诸多挑战。例如，部分技术的能量转换效率有待提高，以满足起搏器的长期稳定运行需求；一些材料的生物相容性仍需优化，以减少潜在的免疫反应；此外，如何确保设备在复杂生理环境中的长期可靠性也是亟待解决的问题。未来的研究方向应聚焦于多技术的集成与优化，通过跨学科合作，进一步提高能量采集和管理系统的效率与稳定性。同时，结合智能监测和反馈控制功能，未来的无电池起搏器有望实现更精准的能量管理，并更好地适应个体化治疗需求，为心律失常患者提供更安全、更高效的治疗方案。

图4 无电池心脏起搏器在体内的应用进展

无导线心脏起搏器的最新研究

本文重点介绍了两篇最新无电池心脏起搏器的应用进展（图5）。这些研究展示了无电池起搏器技术在临床前和临床应用中的最新突破。例如，基于摩擦电和静电感应耦合效应的胶囊形自供能心脏起搏器（SICP）利用心脏运动产生的机械能，为心脏起搏器提供持续的动力支持。在猪模型中，SICP成功实现了长达3周的稳定起搏功能，证明了其在复杂生理环境中的可行性和有效性。这一成果不仅展现了摩擦电纳米发电机在生物医学领域的巨大潜力，还为无电池起搏器的临床应用奠定了坚实的基础。

其次，利用光刺激的硅基径向节光电起搏器（a-Si:H RJ）也在猪模型中实现了精准的心脏起搏。该技术通过植入体内的光敏元件，将外部光能转化为电能，驱动起搏器工作。实验结果表明，光能驱动的起搏器能够实现精准的心脏起搏，展示了光能驱动技术的巨大潜力。这一研究不仅验证了光能驱动起搏器在动物模型中的实际应用价值，还为未来开发更高效、更精准的无电池起搏器提供了重要的实验依据和数据支持。

图5 无导线心脏起搏器的最新研究

未来发展方向与挑战

最后探讨了无电池心脏起搏器面临的未来发展方向与挑战。尽管无电池起搏器技术在能量采集、系统集成和生物相容性方面取得了显著进展，但仍需解决诸多关键问题。首先，提高能量转换效率是实现无电池起搏器长期稳定运行的核心。目前，各种能量采集技术（如压电、摩擦电、热电和光伏等）虽然在实验室环境中表现良好，但在人体复杂生理环境中的效率仍需优化。其次，材料的生物相容性至关重要。长期植入可能导致免疫反应、炎症或组织损伤，因此需要开发更安全、更稳定的生物材料。此外，无电池起搏器的长期可靠性仍面临挑战，尤其是在面对人体复杂的生理动态变化时。未来的研究需要在系统集成、能量管理、智能控制和临床应用之间找到平衡，以确保无电池起搏器的安全性和有效性。同时，结合实时健康监测和远程控制功能，未来的无电池起搏器有望为患者提供更个性化、更精准的治疗方案。

总结

本文从生物力学、热电、光伏、生物燃料电池和无线能量传输等多领域的能量来源和转换机制出发（表1），系统回顾了无电池心脏起搏器在能量获取技术方面的应用进展和面临的挑战。通过利用心跳产生的生物机械能、体温、生物化学反应以及环境光、超声波和电磁波的能量，无电池心脏起搏器正朝着自供能的方向迈进。无电池技术的进步也推动了这些设备的微型化和系统集成化。

然而，仍需解决若干关键挑战。进一步提高能量转换效率以及材料的生物相容性至关重要，以防止植入后可能出现的不良反应，如免疫反应和炎症。此外，确保无电池心脏起搏器的长期稳定性和可靠性仍然是一个挑战，尤其是在面对人体内复杂的动态生理条件时。为了实现最佳性能，未来的研究必须专注于增强系统集成、优化协同能量利用以及推进智能控制系统的发展。将先进的监测功能整合到起搏器中是另一个有前景的方向。通过无线通信技术实现实时健康监测和远程控制，未来的起搏器不仅能够维持心脏节律，还能提供有价值的数据，从而实现及时干预和个性化治疗。这些技术的不断发展有望彻底改变心脏护理模式，改善患者的生活质量，减少手术干预的频率，并降低整体医疗风险。

▌论文标题：

Choosing Energy Sources for Battery-Free Pacemakers

▌论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666998625000596

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.device.2025.100746

Device现已加入Cell Press MJS多刊审稿！的前身Cell Press Community Review模式于2021年推出。对于通过Cell Press Multi-Journal Submission“多刊审稿”模式投稿的作者，我们将提供稿件被多本期刊同时考虑的机会。超过80%通过Cell Press Multi-Journal Submission“多刊审稿”模式投稿的文章获得了至少一个或多个期刊的评审。

CellPress细胞出版社

原标题：《李舟/曾柱/郑强团队Device：无电池心脏起搏器的能量获取策略与前沿进展 | Cell Press论文速递》

阅读原文