可降解植入电子医疗器件有望告别“二次手术”

 
可降解植入电子医疗器件有望告别“二次手术”  
 

常见可植入医疗电子器件

■本报记者 李惠钰

小型化可植入的生物全可吸收电容器，为微型化、可降解和可植入的能源器件提供了新的解决方案，具有向未来可降解植入电子医疗器件发展的重要潜力。

从心脏起搏器、人工耳蜗、脊髓刺激器，到各种植入性电极，形形色色的植入性电子医疗器件已成为医疗器械的重要分支。据统计，全球每年有超过50万个心脏起搏器被植入人体。

然而，对于大多数植入电子医疗器械而言，几乎都需要使用电池来为自身供能，一旦电池电源耗尽，就意味着患者必须二次手术以更换新电池。如何在可降解的基础上，实现植入电子医疗器件的安全高效、长期稳定的电能供给，成为科研界攻关的难题。

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所研究员李舟与王中林研究团队，以及北京航空航天大学生物与医学工程学院教授樊瑜波研究团队，研制出小型化可植入的生物全可吸收电容器，为微型化、可降解和可植入的能源器件提供了新的解决方案，具有向未来可降解植入电子医疗器件发展的重要潜力。相关研究成果已发表在新一期《先进科学》（Advanced Science）上。

无须取出但需诸多条件

对于传统植入电子器件而言，由于基底材料及电子元器件不可降解，当电子器件完成指定诊疗任务后，往往需要再次手术取出，对患者造成二次创伤，并可能引发伤口感染和化脓等多种并发症，同时会增加医疗成本。

生物可降解电子器件作为一种新型电子器件，具有完全不同于传统电子器件持久工作的特点。李舟告诉《中国科学报》，可降解电子器件能够在发挥作用的时限内，保持结构稳定并且整体实现高性能运转；在完成功能后，又能在一定时间内实现器件自行降解或被生物体吸收。

李舟表示，生物降解电子器件植入人体需要满足很多条件，良好的生物相容性以保证人体免疫系统对植入体不产生排异反应；良好的生物可降解性和生物可吸收性，以保证器件在完成指定功能后按照预先设定的速率进行部分降解或全部消失；器件尺寸需微型化，以满足临床微创植入的要求；还要满足生理液态环境下器件可正常工作的要求。

而植入电子医疗器械要想被人体吸收，材料的研发就摆在重要位置。比如，可降解高分子材料常用作器件的支撑和封装材料；可降解无机材料常用作器件的支撑材料或元部件；可降解金属及其氧化物常用作器件的功能化元件。

近年来，镁合金的研发就十分热门，但该可降解金属材料很难达到植入物在人体所需要的“服役期”。对此，皇家墨尔本理工大学副教授李云苍研究开发出镁锆—锶—稀土元素合金，成功增强了镁合金的腐蚀和生物学行为，以可控的方式达成镁合金在体内的降解，这项研究也被认为是镁合金在医疗器械领域的突破性进步。

能源供给器件是必要条件

可降解能源供给器件是维持可降解电子器件正常工作的必要组成部分，但迄今为止对其能源供给研究却十分有限。相比无线传感供能及商用电池供能，可降解植入式能源器件需同时满足小型化、良好生物相容性以及生物可吸收性的要求，以此达到临床微创手术长期植入无须取出的目的。

为此，李舟团队提出多种可能的能源解决方案：首先是开发自驱动功能器件（如生物可降解摩擦纳米发电机、压电纳米发电机等），该类器件无需外部电源，在生物体内纳米发电机将动物体机械能转化为电能，并用于指定任务；其次是开发体内植入式可降解电源或体外可降解无线充电装置，为可植入可降解医疗电子器件供能。

随着研究的不断深入，并根据可植入医疗电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电容器（BC），首次实现了液体环境中可降解储能器件的长时间稳定工作，为未来可降解植入式电子器件的供能提供了可行方案。

与此同时，研究者通过体外细胞培养实验及动物植入实验证明了BC的良好生物相容性，整个器件在生物体内达到预定工作时间后，可被实验动物（大鼠）逐步分解吸收，不需要手术取出。

李舟表示，要想为可植入医疗电子器件提供正常工作的供能需求，未来还将围绕植入式无线供电系统、新型能量传递模型、生物燃料电池技术、光电供电技术、核能技术等方面展开研究。例如，利用酶或者微生物组织作为催化剂，将化学能转变为电能；利用功能性光电材料的光电效应，将外部的光辐射能量转化为电能；等等。

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