Nanoenergy and Biosystem Lab
《Cardiac Research》：清华大学李舟、邹洋教授团队发表综述，自供能心血管医疗设备：从监测到治疗
研究概况  心血管疾病（Cardiovascular Diseases, CVDs）是全球范围内致死率最高的疾病之一，每年约导致2000万人死亡，严重危害人类健康。常见疾病如心律失常、心力衰竭和冠心病，往往具有突发性强、并发症多、病程复杂的特点，对诊断与治疗提出了严峻挑战。目前，临床上广泛应用的心血管监测设备（如心电图、动态血压仪、超声多普勒等）以及治疗手段（如起搏器、除颤器）虽然成熟，但仍存在一些固有局限性：设备体积庞大、依赖电池供能、寿命有限，需要二次手术更换电源，患者负担沉重。尤其在长期、连续、个性化监测和干预方面，传统器械难以满足需求。 近年来，随着自供能技术（self-powered technology）的快速发展，研究者提出了新的解决思路。通过收集人体自身的机械能、热能或生化能（如心跳、血流、体温、葡萄糖等）自供能系统不仅能够实现无电池驱动的生理信号监测，还可以为植入式和穿戴式医疗设备持续供能，大幅提升了便携性、稳定性和安全性。 本综述系统梳理了当前自供能心血管医疗器械的研究进展，重点介绍了其在监测（穿戴式、植入式）和治疗（心脏干预、神经调控）两大方向的代表性成果，并对面临的挑战与未来的发展趋势进行了展望。作为一种集能量采集、信号感知与智能反馈于一体的新技术范式，自供能心血管器械有望为早期诊断、精准干预与个性化医疗提供全新的技术支撑。  自供能技术及其工作原理 自供能技术指的是能够收集并转换周围环境或人体产生的能量（如机械能、热能或生化能）为电能，从而驱动传感、数据传输或治疗功能的系统。与依赖电池或外部电源的传统设备不同，自供能系统能够持续自主运行，这使其特别适合于需要长期运行、小型化和生物相容性的可穿戴和可植入医疗设备。自供能设备具有几个独特的优势：可持续性、小型化、生物相容性、可集成性。在心血管医学领域，自供能技术为实现实时、长期且生理适应性的健康监测和干预提供了新途径。目前备受关注的自供能技术包括：摩擦纳米发电机、压电纳米发电机、热电发电机、热释电纳米发电机、电磁发电机和生物燃料电池。在实际研究中，需要根据监测对象、使用环境和性能需求等因素合理选择能量收集技术。  图2 自供能技术及其工作机制  可穿戴自供能心血管监测设备 目前，临床上对血压、心电图、心音和血氧饱和度的监测是早期诊断和管理心血管疾病的标准方法。然而，传统临床设备因体积庞大，限制了其在长期监测和便携使用方面的适用性。自供能技术的迅速发展，正加速推动无电池、可长期工作的心血管监测解决方案的开发。未来工作应着重于提高能源效率和信号稳定性，提升基于人工智能的数据分析能力，推动设备的高度集成和柔性设计，并加快标准化验证和临床转化进程，以促进自供能心血管监测设备在实际场景中的应用。  图3 机制驱动的可穿戴自供能心血管监测设备  图4 面向应用的可穿戴自供能心血管监测系统 植入式自供能心血管监测设备 尽管可穿戴式传感器在便利性和微创性方面具有显著优势，但其准确性和分辨率却受限于其与心脏的距离。这使得它们更容易受到由其他胸腔内结构（如肺部和骨骼肌）产生的运动伪影和噪声的影响。相比之下，植入式传感器直接固定于心脏或动脉血管，不仅能够更精确地监测心血管参数，其准确性和分辨率也均高于可穿戴设备，能够实现对心脏和血管参数直接且持续的监测。然而，此类可植入系统在长期生物相容性、与软组织的机械匹配、无线数据传输以及体内稳定的能量供应等方面仍面临较为长期的挑战。  图5 植入式自供能心血管监测设备 自供能直接心脏干预治疗设备 穿戴式和植入式监测设备所获取的多参数生理信息，为临床医生提供了更全面的诊断依据，然而，准确的诊断只是疾病管理的**步。随着病情发展，尤其在明确诊断后，临床治疗对于控制疾病进程、改善预后和提升生活质量至关重要。目前临床常用的治疗手段包括心脏起搏器植入、射频消融、药物治疗，以及瓣膜置换或移植等外科手术，这些方法被广泛用于治疗心律失常、房颤和主动脉瓣狭窄。自供能心脏干预治疗设备（如自供能心脏起搏器、心脏贴片等）在心律失常治疗和心肌梗死后心脏修复方面展现出了显著的潜力，弥补了现有起搏器等设备在寿命、体积等方面的局限性，避免了反复手术的需要。但目前这些技术仍处于研究阶段，尚未广泛应用于临床。未来还需要提高能量收集效率和柔性封装技术，推进大动物实验和临床验证。  图6 自供能心脏干预治疗设备 自供能神经调节治疗设备 近年来，研究人员越来越关注通过调节神经系统来治疗心血管疾病，这源于对脑心轴的平行研究。以迷走神经刺激（VNS）为代表的治疗策略，通过调节自主神经系统来实现对心脏电活动和血压的精细调控，为诸如房颤、高血压和心律失常等疾病提供了新的治疗思路。与直接心脏干预治疗策略相比，神经调节疗法所需的能量更少，侵入性也更低。未来，有望构建一种“直接心脏干预 + 神经调节”的闭环自供能治疗系统，通过结合局部心脏修复和自主神经系统调节，实现对复杂心血管疾病的个性化和精准干预。  图7 自供能神经调节治疗设备 总结与展望 总体而言，自供能心血管医疗设备有望在便携性、可持续性和远程使用等方面突破传统设备的瓶颈，有望重塑现有的临床干预模式，为心血管疾病的个性化管理和精准治疗提供新的发展方向。值得注意的是，目前不同类型的自供能心血管医疗设备在临床可行性方面存在显著差异。例如，以可穿戴脉搏、心音和血压监测设备为代表的外部监测系统，由于其低能耗、非侵入性和易于集成柔性电子设备等特点，已接近临床应用阶段。因此，优先进行大规模的验证和标准化工作将有加速其临床应用进程。 相比之下，尽管诸如起搏器和人造血管等可植入的自供能心血管治疗设备展现出了良好前景，但它们仍面临长期稳定性验证、能量效率不足、体内封装和生物安全性等挑战。因此，有必要着重进行材料升级、封装技术和能源管理优化，以明确其临床转化路径。 综上所述，尽管该领域发展迅速，但在关键技术和临床转化方面仍面临诸多挑战，迫切需要在以下方面持续推进。 能量效率和稳定性 需要开发更高性能的能量转换材料，优化设备结构，并引入高效的能量存储和调节策略，以实现持续、高效、稳定的供能，满足临床实际需求。 组织适应性和生物相容性 需要着力开发软性材料、仿生材料、可降解的柔性设备，以及具有组织黏附性和低免疫原性的界面改性技术，以提升设备的长期生物相容性、稳定性和安全性。 集成和封装 实现高效集成和可靠封装是当前的核心技术瓶颈。需要解决如何在有限体积内实现多功能集成并维持系统稳定运行的问题。此外，封装材料必须具有柔性、防水性、透气性和生物稳定性，这对制造工艺提出了极高要求。 智能化和个性化 未来需要加强“能量-数据-决策”闭环系统的开发，构建一个能够根据患者状况动态调整的智能平台。同时，应结合个体差异进行算法训练，推动设备转变为真正的“精准医疗助手”。 标准化和临床转化 目前，自供能医疗设备缺乏统一的技术标准和评估体系，限制了不同机构和学科之间的协同发展。同时，大多数研究仍处于动物实验或体外验证阶段，缺乏系统的临床试验和长期随访数据。未来，应建立从设备安全性评估、伦理审查到产品注册的完整转化路径，并加强临床研究、标准制定和政策支持，推动自供能心血管医疗设备从实验室走向现实生活。  图8 自供能心血管医疗设备在关键技术和临床转化方面面临的主要挑战 |
