心肌组织在体生物电能量采集技术的突破：实现自供电心脏起搏的新范式

为解决植入式医疗设备因电源技术限制导致的寿命短、二次手术等问题，研究人员开发了基于TiN涂层微针电极的心肌组织在体生物电能量采集系统。该研究在猪模型中证实单次心跳可提取25 nJ能量，经14次心跳累积可转换为1 V输出信号，能量转换效率达7%。这一突破为开发自供电心脏起搏器提供了关键技术支撑，推动植入式设备向微型化、长效化发展。

　　

植入式医疗设备长期面临电源技术瓶颈——电池寿命有限导致需二次手术更换，笨重的电源模块限制设备微型化，这些问题直接影响治疗效果和患者生活质量。更棘手的是，现有能量采集方案如机械能收集、皮下光能转换等，或存在功率不足、或受限于生物相容性等问题。面对这一挑战，来自波兰弗罗茨瓦夫生命科学大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向人体内天然存在的生物电能量库，在《Heart Rhythm》发表了一项开创性研究，首次实现从跳动心脏中直接、连续采集生物电能量，为自供电心脏起搏技术铺平道路。

研究团队采用三大关键技术：首先开发了具有钛氮化物(TiN)涂层的分腔室微针电极系统，通过优化电极活性长度(7 mm)和直径(0.22 mm)实现低源阻抗(≈1 kΩ)；其次构建定制化电生理记录系统，可同步进行阻抗测量(1 kHz)、能量加载(1-68 kΩ)和阈值测试；最后设计主动整流升压电路，将20-30 mV心肌信号转换为1 V输出。实验采用45-65 kg猪模型，通过胸骨切开术在心外膜固定电极阵列，持续监测4小时。

B. Microneedle Electrogram Recordings
通过三种电极设计(TI1-TI3)迭代，TiN涂层使信号幅度提升2-3倍至26.7 mV，面积倍增。机械稳定性测试显示，120 bpm外力干扰下信号参数保持稳定，证实电极-组织界面可靠性。

C. Source Impedance of the Bioelectric Energy Source
阻抗分析揭示TiN涂层将源阻抗从TI1的20-100 kΩ降至TI3的0.8-1.3 kΩ，使1 kΩ负载下 harvesting current达15 μA，为能量高效提取奠定基础。

D. Bioelectric Energy Content
连续8分钟监测显示，单次心跳可稳定提供25.5±0.3 nJ能量。升压电路在14次心跳内累积23 nJ能量(1.7 nJ/次)，转换效率7%，输出1 V电压信号。

E. Pacing Thresholds
双相脉冲测试表明，微针电极组合仅需40 nJ/脉冲即可有效起搏，与25 nJ/心跳的能量预算形成可行性闭环。

这项研究开创性地证实：跳动心脏本身可作为生物电能量源，通过优化电极-组织界面(降低|Z_source
|)和阻抗匹配(1 kΩ)，单电极单次心跳可提取25 nJ能量。虽然当前转换效率(7%)和慢性植入稳定性仍需优化，但该技术从根本上改变了植入设备的供能范式——不同于依赖机械运动的压电材料或需光能输入的太阳能电池，生物电采集直接利用心肌细胞离子通道产生的跨膜电位(V_source
)，这种"内源性电源"具有三大优势：能量获取无需类型转换、电极可兼作起搏接口、器件尺寸可突破现有极限。研究者特别指出，结合超低功耗CMOS集成电路技术，未来有望开发出完全自供电的"心脏芯片"，不仅能解决起搏器供电问题，更为神经刺激器、生物传感器等植入设备开辟新的技术路线。

局限性与挑战同样明确：急性实验(4小时)未能评估纤维化对信号的影响；心内膜植入方案待开发；人体数据空缺。但正如研究者强调，这项原理验证工作"打开了利用生物电自主供能的大门"，其意义远超心脏起搏领域——任何产生电活动的组织(如神经元、肌肉)都可能成为下一代植入式医疗设备的"生物电池"。