中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林和李舟領導的研究團隊與北京市生物醫學工程高精尖創新中心和海軍軍醫大學的研究者聯合研制了共生型心臟起搏器（SPM, symbiotic cardiac pacemaker），它可以從心臟跳動中獲取能量，為起搏器自身提供電能。SPM的能量收集部分為植入式摩擦電納米發電機（iTENG），其具有出色的柔性、良好的生物相容性、優異的穩定性和生物體內高功率輸出性能等特點。在未來，植入式醫療電子設備可以利用人體能量實現自驅動。

圖1 共生型心臟起搏器

植入式醫療電子（IMEs, implantable medical electronics）因其直接而強大的診療能力成為學術界、醫學界和產業界的一個熱門話題。例如，心臟起搏器是治療心律失常和心力衰竭等嚴重心臟疾病的最重要IMEs之一。然而，目前大多數IMEs都由鋰電池進行供能，續航能力有限，并且鋰電池占據了IMEs大部分的體積和重量。許多研究人員試圖延長IMEs的使用壽命，同時減少其尺寸和重量，這是一個不小的挑戰。除了研制更高能量密度的電池外，一些其他的方案也相繼被提出，比如納米發電機和自驅動技術。

王中林和李舟領導的研究團隊一直致力于自驅動技術的研究，特別是基于植入式納米發電機的自驅動醫療電子設備的研究和開發。受生物共生現象的啟發（例如根瘤菌與植物間的共生），他們提出了基于植入式摩擦電納米發電機（iTENG, implantable triboelectric nanogenerator）的共生型心臟起搏器（SPM, symbiotic cardiac pacemaker）。SPM可將心跳的能量收集起來驅動起搏電路發出脈沖；這些脈沖同時又刺激心臟，使出現異常的心臟恢復正常。這樣SPM與心臟之間就達到了“相互依存、相互受益”的“共生”狀態。目前SPM已成功在大型動物（豬）體內實現了“全植入”的自驅動運行，并成功進行了心律不齊的治療。

圖2 共生心臟起搏器工作原理圖

每一個心臟運動周期，SPM可獲得的能量高達0.495 μJ，高于心臟起搏閾值能量（通常為0.377 μJ）。也就是說，SPM可實現“一次心跳，一次起搏”，這對自驅動心臟起搏器邁向臨床和產業化具有重要意義。同時，SPM的實現也為新型自驅動醫療電子設備提供了一條嶄新的演化途徑。這項由北京納米能源所、北京市生物醫學工程高精尖創新中心和海軍軍醫大學的研究者們共同研究的成果已發表在近期的《自然-通訊》上（Nature Communications 2019. 10 (1), 1821）。該文章的第一作者為歐陽涵、劉卓、李寧、石波璟，通訊作者為王中林、張浩和李舟。

2006年，王中林首次在美國《科學》雜志（Science）上提出了納米發電機的概念(Science, 2006, 312(5771): 242-246)。“從2006年開始，我還在王中林院士的實驗室讀博士的時候，我們就開始嘗試從生物體的運動中收集機械能，并利用納米發電機轉化為電能。”該項目的主要負責人李舟說，“那時，我們制作了基于單根氧化鋅（ZnO）納米線的壓電納米發電機，并成功收集了大鼠的心跳能量（Advanced Materials, 2010, 22(23): 2534-2537）。但是，該納米發電機的輸出性能很低，電壓和電流只有1 mV和1 pA。如何獲得更高的能量輸出？如何利用這些微小的能量驅動醫療電子器件？一直是我們面對和要解決的問題。”

轉折點出現在2012年摩擦納米發電機（TENG）的提出，這種基于麥克斯韋位移電流原理的納米發電機成功實現了機械能到電能的高效轉化，可以方便地存儲和驅動小型電子設備。TENG不僅具有出色的電學輸出性能，普通環境中可輸出上百伏的電壓，而且易于加工成各種尺寸、形狀和結構，可方便應用于不同的穿戴式和植入式場景（Nano energy, 2012, 1(2): 328-334）。

2014年李舟研究團隊和王中林一起提出了植入式摩擦納米發電機（implantable TENG, iTENG）的原型器件，通過植入動物皮膚下可收集呼吸運動的能量，產生3.43 V的電壓和0.14 μA的電流，并且經過一段時間的電能存儲，可驅動一臺簡易的心臟起搏器原型機，實現對小型實驗動物心臟頻率的調控。該工作發表于國際學術期刊《先進材料》（Advanced Materials）上（Advanced materials, 2014, 26(33): 5851-5856）。英國《自然》（Nature）雜志2015年就對該工作進行了亮點工作報道（Nature News, 2015, 528(7580): 26），使iTENG及其在體內收集生物機械能來驅動IMDs的研究工作引起了眾多關注。

2014年至2019年，李舟研究團隊在王中林的帶領下，在iTENG的結構改進、性能提升、應用研究等方面取得多項進展。研究團隊針對植入式納米發電機的封裝問題，開發了有機/無機復合封裝技術和通用防水接口，為植入式納米發電機實現體內長效穩定工作奠定了基礎（Advanced Materials, 2016, 28, 846–852；ACS applied materials & interfaces, 2016, 8(40): 26697-26703）。通過引入新型的記憶合金龍骨設計和優化摩擦層材料等手段提高iTENG的輸出，并成功構建自驅動無線心臟監測系統（ACS Nano, 2016, 10, 6510-6518）和實時多功能心臟傳感器（Nano letters, 2016, 16(10): 6042-6051）；研制了生物全可吸收和光熱調控降解的摩擦納米發電機（Science Advances, 2016, 2, e1501478； Advanced Materials, 2018, 30(32): 1801895；Nano Energy, 2018, 54: 390-399）并在神經、心肌和傷口修復等方面取得了進展；將TENG應用于心血管疾病的診斷（Advanced Materials, 2017, 29(40): 1703456）、經導管的超靈敏自驅動心內壓傳感器（Advanced Functional Materials, 2019, 29(3): 1807560）、自驅動電刺激成骨（Nano Energy, 2019.59:709-714）、精準控制腫瘤治療藥物遞送（Advanced Functional Materials, 2019: 1808640）。這些研究工作表明了納米發電機在生物醫療領域的巨大潛力。

“讓心臟起搏器能夠以人體自供電的方式運行是一件極具挑戰同時也非常有意義的事情。”李舟表示，“我們的身體有大量可以利用的機械能，例如心跳、呼吸和肌肉運動。iTENG在體內的輸出性能有明顯優勢，這意味著許多電子設備，特別是植入式醫療電子設備，如心臟起搏器、神經刺激器等，將可以通過iTENG實現“一次植入，終身使用”。

現在，李舟團隊已經成功實現了共生型心臟起搏器的研制與動物試驗，iTENG和自驅動電子醫療器件面向實際應用已邁出了堅實的一步，但是仍有很多問題需要在材料、器件體內穩定性和長期生物安全性方面取得突破，才能真正進入臨床使用。不過，正如王中林指出“在未來，傳感器、物聯網（IoT）、醫療電子器件和便攜式電子設備都可以從周圍環境中提取能量為自己供電。電子設備正進入自驅動能源的新時代”，自驅動電子器件已經逐漸進入人們的生活，并為新時代的智能設備提供強勁動力。

相關研究成果以symbiotic cardiac pacemaker 為題于4月23日發表在國際學術期刊《自然-通訊》（Nature Communications）上。該項工作得到國家自然科學基金、科技部國家重點研發計劃、北京市自然科學基金以及國家萬人計劃“青年拔尖”人才項目的支持。

國內外多家媒體對該項研究工作進行了報道。《自然》雜志（Nature）通過多個媒體平臺對該研究工作進行報道與推薦，在其亞洲區官網上以Research highlights 的形式做了Biomedical engineering: A self-powered pacemaker in pigs 為題的亮點專題報道：“李舟、王中林團隊開發了一種植入式發電機，可以從心臟運動中獲取足夠的能量，為商用心臟起搏器提供動力。能量采集器件與電源管理單元和起搏器配套使用，具有生物相容性良好和機械耐用性優秀等特點。”英國《每日郵報》報道稱：“大量的研究都在探討無電池電子設備的可能性，王中林教授與李舟研究員團隊開發的這款原型機是迄今為止最有前景的突破。”