复旦邓珏/MIT赵选贺等《科学·转化医学》：生物粘附心脏起搏纤维器件

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在心脏手术的围手术期，患者常面临术后心律失常、心肌梗塞等风险。为保护患者，植入临时性心外膜起搏纤维是临床的金标准。每年约有20多万例心脏外科手术后需要植入此类心脏起搏纤维。这类起搏纤维器件一端与患者心脏相连，另一端与外部起搏器相接，为患者按需提供电刺激起搏，在患者体内停留1-2周后，通过拔除的方式从体内取出（图1）。传统起搏纤维电极通过直接插入心肌组织的方式固定，通过非二次手术的方式拔出，这种侵入性、高创伤性的植入和取出方法可能导致出血、心脏组织损伤、心包积液、电生理信号监测和调控功能不稳定等不良后果，危及患者健康。

图1. 临时心脏起搏器件的临床应用

为解决上述问题，复旦大学邓珏青年研究员、麻省理工学院赵选贺教授、Hyunwoo Yuk博士和梅奥医院Christoph S. Nabzdyk教授、Leigh G. Griffiths教授共同报道了一种生物粘附心脏起搏纤维器件，支持通过微创的方式植入体内，与跳动的心脏稳定集成，提供微创且稳定的电生理信号监测和调控，并可按需移除（图2A, B）。相关研究成果在最新一期的Science Translational Medicine上发表，题为“A bioadhesive pacing lead for atraumatic cardiac monitoring and stimulation in rodent and porcine models” 。该成果同时被Science网站主页以封面图片报道。

【设计策略、制备与表征】

组织粘附导电界面是电子器件与体内组织的非侵入式集成的一种有效手段，该团队之前的研究工作率先报道了组织粘附导电界面材料，实现了与湿润、动态组织的快速、稳定且微创的集成（Nat. Mater. 2021, 20, 229-236）。基于上述基础，在本项工作中，通过在聚氨酯上接枝聚合聚丙烯酸，并与导电高分子PEDOT:PSS混合的方式，发展出适用于3D打印技术的组织粘附导电材料（图2C, D）。得益于该材料与先进制造技术如3D打印的兼容性，可实现医疗器件的制备和加工。利用多材料3D打印技术，构建了一体化集成的生物粘附心脏起搏纤维器件（图2E, F）。

图2. 生物粘附起搏纤维器件的设计和制备

生物粘附导电界面展现出良好的柔性、延展性和组织粘附性，使心脏起搏纤维器件可与心脏形成快速、无缝合且稳定的集成。器件整体具有与心肌组织匹配的力学性能，与心脏融合的同时，不影响其他正常生理运动。与心脏表面形成的物理和化学交联，有助于器件与心脏长期稳定的集成和电生理交互（图3A-C）。一体化的心脏起搏纤维器件内嵌了微流控通道和输液腔，用于注入生物相容性良好的分离液，快速破坏器件与心脏组织间的物理和化学交联，从而实现器件整体的无损伤、无残留移除（图3D-I）。

图3. 生物粘附起搏纤维器件与组织匹配的力学性能和强韧的粘附性

同时，生物粘附起搏纤维器件具有优异且稳定的电学性能。在与电刺激起搏密切相关的电荷注入容量中，生物粘附起搏纤维器件的性能约为临床应用的起搏电极的3倍（图4A-C），并且在200万次测试循环后，性能依旧保持稳定（图4D）。在温湿的生理环境中2周，阻抗、电荷注入容量等关键电学性能均无明显变化，充分验证了优异的电学稳定性（图4E，F）。

图4. 生物粘附起搏纤维器件的电学性能

【验证与应用】

在两类动物模型（大鼠和猪）中，验证了生物粘附起搏纤维器件能实现连续可靠的心脏监测和起搏，并且该设备展现出比现有商业产品更优异的性能，监测的心律信号振幅更大，能以更低的阈值实现电刺激起搏。由于植入和取出过程均不会引起心肌组织的损伤，并展现出更优异的组织集成性，有效避免了组织损伤引起的炎症和器件组织间的不稳定界面，实现了电学监测和调控的高稳定性和高可靠性（图5）。

图5. 生物粘附起搏纤维器件的无创集成和移除，以及高效的心律监测和起搏。

此外，生物粘附起搏纤维器件与当前临床使用的体外式或植入式起搏器无缝兼容，有利于其临床转化。将该器件与植入式心脏起搏器结合并植入猪的体内，植入期间设备始终与心肌组织稳定粘附，且界面处未发生明显的炎症反应。通过外部遥感设备，实现了心外膜心电信号的长期稳定的监测，同时通过过速起搏验证了心脏起搏功能的稳定性（图6）。此设备不仅在健康的动物模型中展现出优异的性能，进一步在更接近于临床的心肌缺血-再灌注模型中验证了有效性。

图6. 猪模型中的连续和遥测心脏监测及起搏。

【总结】

这项研究报道了一种生物粘附起搏纤维器件，可实现微创植入、连续心脏监测和起搏以及按需体内取出。同时，发展出了一类新型的可3D打印的生物粘附界面材料，为生物粘附电子器件的先进制造提供了更多的兼容性和灵活性。优于商用设备的心律监测和调控性能，突出了该设备的临床转化前景。生物粘附起搏纤维器件的开发，解决了现有临床设备中存在创伤性和性能稳定性差的问题，为心脏疾病的微创诊断和治疗提供了一个新策略和方法，有望为心脏手术患者提供更加安全、有效的治疗方案，同时，为开发一系列新型的生物粘附电子器件提供了范例。

【作者简介与招聘信息】

作者简介：邓珏，复旦大学工程与应用技术研究院青年研究员、博导、国家级青年人才。2013年本科毕业于中山大学化学与化学工程学院，2018年博士毕业于复旦大学高分子科学系，随后在美国麻省理工学院机械工程系从事博士后研究。2023年9月加入复旦大学工程与应用技术研究院生物医学工程技术研究所。近年来在可穿戴柔性电子、生物医用材料与植介入设备等方向开展研究工作，在Nat. Mater.、Sci. Transl. Med.、Nat. Common.、Nat. Protoc.和Adv. Mater.等学术期刊上发表论文50余篇，累计引用8000余次，申请中国专利8项，美国专利2项。相关研究工作获上海市领军人才（海外）项目、广东省自然科学一等奖（第三完成人）等奖项。

课题组招聘：博士、博士后和研究助理，有意者请将将个人简历（包括教育和工作经历、主要科研内容、发表论文）以及可入职时间，以“应聘岗位+姓名”为主题发送至邮箱：dengj@fudan.edu.cn。

研究方向：生物医用材料、柔性可穿戴电子技术和植介入医疗器械的基础研究和产业化应用。

课题组主页：
https://juedeng.fudan.edu.cn

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来源 | 高分子科学前沿、复旦工研院

审核 | 医工学人理事会

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