Nanoenergy and Biosystem Lab
Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems, Chinese Academy of Sciences

[Science Bulletin] 基于复合式纳米发电机的闭环自供电低水平迷走神经刺激系统用于心房颤动治疗

心房颤动是一种全世界普遍存在的心血管疾病,是全球发病率和死亡率最高的疾病之一。房颤发生机制是房颤与自主神经系统重构的相互作用,从而形成恶性循环,使病情恶化。而低水平迷走神经刺激可以抑制自主神经系统重构,阻止恶性循环,因此是一种很有效的治疗方法。但是现有的神经刺激器并不能按需进行低水平迷走神经刺激治疗,而且在刺激器件的安全性、小型化和持久性方面仍有较多缺陷。

为了解决这一问题,本文提出了一种基于复合式纳米发电机 (Hybrid Nanogenerator, H-NG) 的闭环自供电低水平迷走神经刺激系统。该系统利用PENG传感器从皮肤中提取脉搏波并通过蓝牙模块传输数据。而后通过手机和应用程序分析脉搏波来监测房颤的发生,实时提醒患者。最后患者用手驱动设备以达到治疗效果。这种闭环式的控制系统有效降低了长时程的迷走神经刺激带来的副作用。

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图1. 基于H-NG的闭环自供电低水平迷走神经刺激系统的概述及原理。

H-NG 刺激器是闭环式迷走神经刺激系统的重要组成部分。它主要由摩擦电、压电和封装模块组成。压电和摩擦电模块是H-NG 的核心部件,将外部机械能转化为电能。压电材料是极化的聚偏氟乙烯,其表面覆盖有两层 Ag 电极层。对于摩擦电模块,Ag电极和极化的聚四氟乙烯被用作摩擦电层的材料。此外,硅酸钠硅酮混合物用作隔离物并且是半填充的。该设计有效降低了误触对H-NG的影响,显着提高了系统的稳定性。整个器件采用薄聚二甲基硅氧烷封装,以确保性能并防止设备被体液侵入。

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图2. H-NG的表征

动物实验表明,经H-NG的低水平迷走神经刺激治疗后,大鼠的房颤持续时间显著降低了90%(图3),由房颤引起的心脏的各种病理变化也明显减缓(图4,图5)。对比低水平迷走神经电刺激的其他工作,本文用更安全的输出,以及自驱动,智能化,便携式的植入式器件,达到了更优异的治疗效果。因此,在未来有望用于其他慢性病的管理和治疗。

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图3. 房颤大鼠的心电图表征

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图4. 房颤大鼠的病理变化特征

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图5. H-NG的抗炎作用

相关成果以“Hybrid Nanogenerator based Closed-loop Self-powered Low-level Vagus Nerves Stimulation System for Atrial Fibrillation Treatment”为题近日发表于Science Bulletin期刊。论文的第一作者是硕士生孙宇和博士生晁盛宇,通讯作者是杨军教授毛更生教授封红青副研究员李舟研究员。此项工作的得到了中国科学院纳米能源与系统研究所的支持。


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