不換電池的起搏器來了：磁懸浮從心跳中收集能量，功率超需求10倍

近日，中國科學院大學歐陽涵副教授和合作者研發了一款人機共生型經導管起搏器，能把心臟跳動的機械能轉化為電能。該起搏器在豬體內連續工作了一個月后，成功治療了嚴重的豬心律失常。

在豬體內的實驗中，起搏器植入右心室后，隨著心臟跳動，開路電壓最高 2.5 伏，短路電流 1.3 毫安，有效輸出功率 120 微瓦。

要知道，心臟起搏器正常工作只需要 5 到 10 微瓦，從結果來看，輸出量是需求量的 10 倍以上——研究團隊甚至用它直接點亮了 50 個 LED 燈。電池的存電量也是一個亮點，100 秒內就能從 0 伏充到 1.8 伏。

（來源：https://doi.org/10.1038/s41551-025-01604-4）

研究團隊還做了加速疲勞測試，在每秒 15 次的頻率下連續震動 3 億次，相當于以每分鐘 60 次的心跳工作大約 10 年，發電機的輸出電壓依然穩定在 6 伏左右，輸出衰減不超過 4%。

（來源：https://doi.org/10.1038/s41551-025-01604-4）

這顆起搏器的核心是一個微型直線發電機。整機只有 3－4 厘米長，重量不到 5 克。它被密封在鈦合金外殼里，可以通過大腿根部的血管，用一根細細的導管送到心臟右心室。

到了指定位置后，起搏器上的鎳鈦合金鉤齒會像船錨一樣扎入心肌牢牢固定。整個植入過程是微創的，不用開胸，病人恢復起來要快得多。

研究團隊用線性馬達模擬心跳，測出了這顆發電機的性能。當加速度達到 10 米每二次方秒、位移 8.7 毫米時，開路電壓有 3.5 伏，短路電流 1.5 毫安，單次跳動產生的能量是 175 微焦，能量轉換效率高達 24%。

而之前沒有磁懸浮結構的發電機，電壓只有 0.01 到 0.7 伏，效率更是低到 0.0003%，這個提升相當于從一滴水變成了一桶水的躍遷。

（來源：https://doi.org/10.1038/s41551-025-01604-4）

最關鍵的驗證是用這顆起搏器治療疾病。研究團隊用射頻消融技術制造了嚴重心動過緩的豬模型，心率只有 47 次每分鐘，血壓 85/45 毫米汞柱，左心室射血分數不到 45%，情況危急。

起搏器植入后，豬的心率穩定在預設的 98 次每分鐘，血壓回升到 110/70 毫米汞柱，射血分數從 43% 提高到 61%。術后 1 天、14 天和 30 天，起搏器一直在工作，心電圖上的起搏尖峰清晰可見。組織切片檢查顯示，起搏器與心肌結合良好，沒有明顯的炎癥反應。

他們還發現了一個有趣的現象：發電機的輸出電壓跟血壓差成正比。血壓差小于 5 毫米汞柱時幾乎沒有輸出，之后每增加 1 毫米汞柱，電壓就增加 0.055 伏。這意味著這顆起搏器不僅能供電，還能順便監測心臟泵血情況。

據了解，這款起搏器里面有一個可以上下移動的磁鐵，底下固定著另一塊小磁鐵。兩塊磁鐵同性相斥，上面的磁鐵就懸浮著，幾乎不跟任何東西接觸。心臟每跳動一次，起搏器就跟著晃動，里面的懸浮磁鐵也會上下運動，穿過線圈產生電流。

磁懸浮結構最大的好處是幾乎沒有摩擦和碰撞，能量損失極小。傳統電磁發電機需要很大的加速度才能啟動，而這個結構的啟動閾值接近零，心臟最微弱的搏動也能讓它發電。本次起搏器在模擬正常心跳參數驅動發電機工作時，能量轉換效率達到了 20% 以上，比之前提高了好幾個數量級。

目前，相關論文發表在《自然·生物醫學工程》上。合作者來自清華大學、中國科學院北京納米能源所、阜外醫院、北京大學、杭州電子科技大學等多家單位。

（來源：https://doi.org/10.1038/s41551-025-01604-4）

歐陽涵告訴 DeepTech，他們已經在投資機構的資金支持下成立了初創公司，名為北京心能醫療，完成了專利轉讓與融資。歐陽涵擔任首席技術顧問，清華大學的李舟教授任首席科學顧問，中國醫學科學院阜外醫院的華偉教授任首席醫學顧問。

團隊的目標是到 2030 年前后完成型式檢驗之后啟動臨床試驗，最終做出一款能夠在人體內終身工作的起搏器。讓這個鈦合金小裝置變成與人體共生的伙伴，陪伴一個人從植入到老去，再也不用因為電池耗盡而反復開胸手術。

圖 | 歐陽涵（來源：受訪者）

據了解，本次研究的背景在于，目前起搏器的電池容量已接近物理極限。心臟起搏器每年拯救數百萬人的生命，但它有一個繞不開的缺點：電池只能用8到10年，最長也不過十幾年，遠不及人類的壽命。

更換電池意味著再次手術，不僅增加經濟負擔，還帶來感染和出血的風險，同時也會造成醫療資源的浪費。

那么，能不能讓起搏器從跳動的心臟中自己獲取能量？無線供電方式效率低，人體作為導體會產生電磁屏蔽作用，而且電磁干擾還可能影響起搏器的正常工作。

于是，研究團隊換了一個思路。他們發現，在人類社會和自然界中，一個系統要想長期穩定存在，一定離不開互利共生的關系。比如植物與菌根真菌，彼此依賴，缺一不可。

真核細胞起源的“內共生理論”也指出，細胞內的能量器——線粒體和葉綠體——源于好氧細菌和藍藻被吞噬后，與宿主細胞形成的互利共生關系。現有的起搏器與人體之間是單向依賴關系：人依賴起搏器，起搏器卻不從人體獲取任何東西。

研究團隊希望改變這種關系，讓起搏器能夠從人體自身的運動中獲取能量，實現雙向互利。

（來源：https://doi.org/10.1038/s41551-025-01604-4）

歐陽涵補充說道，關于本次研究的想法從 2018 年就開始落地了。那一年，阜外醫院的華偉教授到中國科學院北京納米能源與系統研究所交流，介紹了最新的無導線起搏器進展。

2019 年，美敦力的無導線起搏器在中國正式上市，華偉教授是首批植入者之一。

無導線起搏器體積只有以前的十分之一，但電池也更小，而且一旦耗盡，回收更換極其困難，唯一的辦法是在旁邊再植入一枚。如果兩枚都耗盡了，患者就只能回到有導線的老路上去。

為此，研究團隊決定用自己的自供電技術來扭轉這個困境。他們調研了摩擦發電、壓電發電和電磁發電三種技術路線，并發現電磁發電的平均功率最可觀。

（來源：https://doi.org/10.1038/s41551-025-01604-4）

不過電磁發電有個大問題：它依賴快速的磁通量變化，在高頻區間有優勢，但心臟跳動是低頻運動，之前所有心內的電磁發電研究，輸出電壓都沒超過 0.5 伏，離電子器件工作需要的 1.5 伏以上差得遠。正因此，他們設計了上述磁懸浮能量緩存結構。

跟之前的研究相比，這顆起搏器有兩個顯著的進步。

第一，它是一個完整的、全植入式的設備，能量采集和起搏電路都集成在同一個鈦殼里，符合現有的介入手術指南。之前的很多研究只是在手術中臨時驗證一下發電效果，并沒有真正用發的電來驅動起搏器治療疾病。

第二，它的平均輸出功率是目前已報道的、可植入能量采集器中最高的，比其他同類設備高出一個數量級。有些壓電或摩擦發電機也能達到類似的功率，但它們需要開胸手術，把設備貼在心臟外壁和心包之間，創傷相比要大很多。

當然，這項發明距離真正用到人身上還有相當一段路要走。還需要做更長時間的大型動物實驗，開展一年以上的觀察，或者確認一下磁鐵會不會干擾其他電子設備。未來還要把通信、傳感等功能集成進去做成專用的芯片，以便進一步縮小體積。

參考資料：

相關論文 https://doi.org/10.1038/s41551-025-01604-4