Rogers院士这篇Science，很走心！

所有生命系统都通过复杂的生理反馈回路网络的相互作用来维持体内平衡。用于治疗疾病的工程方法，例如基于心脏起搏器的方法，利用概念上类似的闭环控制方法，实现一个或多个基本生理参数的自主自适应调节，以达到目标设定值，而无需人工干预。

然而，这些和其他现有平台由于依赖传统的电子硬件、监控方案和与身体的接口而存在着关键的局限性：

1）首先，此类系统通常需要物理系带和经皮接入点，这可能导致全身感染。

2）其次，连接到外部模块的电源、传感、控制和其他基本功能限制了患者的移动性，阻碍了临床护理。

3）第三，移除或更换电子元件（如导线或电池）需要外科手术，这会给患者带来额外的风险和负担。

这些特征会延长患者的住院时间，而且通常是在重症监护病房。例如，通常在心脏手术后 5 至 7 天内发生的短期缓慢性心律失常必须使用临时经皮起搏系统进行治疗，通常会延长住院时间，并且启动物理治疗的能力也有限。最近报道的用于临时治疗的无线、生物可吸收电子植入物解决了其中的一些挑战，但它们仍然需要外部的、墙插式设备来进行监测、供电和控制。

鉴于此，西北大学John A. Rogers院士、Igor R. Efimov和Rishi K. Arora等人开发了一种可生物降解的闭环传感器-执行器系统，用于心率监测和控制，最终目的有望实现控制有心动过缓（心率缓慢）术后风险的患者的心脏功能。

三大模块、七个组件

该系统包含一个时间同步的无线网络，该网络具有七个关键组件：

(i) 瞬态的、可生物吸收的、可拉伸的心外膜起搏器；

(ii) 一种生物可吸收的类固醇洗脱界面，可最大限度地减少局部炎症和纤维化；

(iii) 皮下可生物吸收的能量收集装置；

(iv) 一组柔软的皮肤接口传感器，用于捕获心电图 (ECG)、心率 (HR)、呼吸信息、身体活动和脑血流动力学，以对患者进行生理监测；

(v) 一个无线射频 (RF) 模块，用于将电力传输到收集单元；

(vi)通过机械振动进行通信的柔软的皮肤界面触觉致动器；

(vii) 带有用于实时可视化、存储和分析自动自适应控制的数据的软件应用程序的手持设备。

这些组件集成到一个完全可植入的、生物可吸收的模块中[(i)-(iii)]；一组皮肤接口模块 [(iv) -(vi)]；和一个外部控制模块 (vii)。

技术细节

研究人员使用该系统进行临时心脏起搏（图1A）。生物可吸收模块无线接收用于心外膜起搏的电力。皮肤接口模块网络通过蓝牙低功耗 (BLE) 协议将各种生理数据传输到控制模块，以实现实时数据可视化和算法控制。触觉模块向患者提供触觉反馈。经过一段时间的治疗后，生物可吸收模块在体内溶解，并通过将其从皮肤上剥离来移除与皮肤接触的模块。系统的这些“瞬态”特性消除了对手术切除的需要，并允许通过门诊就结束治疗。图1B说明了将这些模块互连成无线网络的闭环方案。柔软且延展性的设计可以将模块放置到身体的不同目标位置。

图1|用于临时心脏起搏的瞬态闭环系统

生物可降解模块

生物可吸收模块由一个射频功率采集器组成，它包括一个感应接收器 (Rx) 线圈 [钼 (Mo)] 和一个 PIN 二极管 [硅纳米膜 (SiNM)]、一对可拉伸的互连线(Mo)，以及在心肌界面处集成类固醇洗脱贴片的刺激电极。实验证明了基于聚乳酸-乙醇酸共聚物 (PLGA) 的类固醇洗脱贴片在几个月的过程中释放醋酸地塞米松 (DMA)，以最大限度地减少心脏起搏期间的局部炎症和纤维化。此外，生物可吸收导体 (Mo) 的缓慢溶解速率能够在模拟生理条件下实现 > 1 个月的功能寿命。

保证生物和数据安全性

这种瞬态闭环系统的主要特点之一是皮肤接口心脏模块消除了对用于功率传输和控制植入式起搏器的壁插式外部硬件的要求。犬全心模型的体内研究证明了它的能力，且还使用啮齿动物模型的研究证明了连续、长期的起搏和生物相容性。此外，为确保安全的医疗数据存储和处理，接口应用程序兼容超文本传输协议安全 (HTTPS) 传输层安全性 (TLS 1.2) 以及加密和解密算法。传感器内加密 [高级加密标准–128 (AES-128)] 和符合健康保险流通与责任法案 (HIPAA) 的云数据存储进一步保护了患者数据。（毕竟是一个可以控制心脏的设备）

图2|材料和设计特点

自主治疗！

该系统的另一个功能是基于异常心脏活动的心电图特征的算法识别进行自主治疗。例如，如果固有速率低于某个阈值，则滞后起搏会提供程序化的电刺激。离体人类全心研究证明了这种治疗暂时性心动过缓的方法。膜电位的各向异性激活证实了生物可吸收模块是心脏激活的驱动源。如图 3E所示，瞬态闭环系统检测到心动过缓 [在这种情况下，心动过缓阈值设置为每分钟 54 次 (bpm)] 并自动启动起搏 (~100 bpm)。在预定的起搏持续时间（10 秒）后，系统会自动停止起搏并评估潜在的内在 ECG 信号以确定是否需要额外的起搏治疗。当心脏从暂时性心动过缓中恢复时，系统会检测到正常心率（~60 bpm）并停止提供按需起搏。

图3|治疗暂时性心动过缓

触觉通知用户

图4中的示意图总结了该研究的最复杂的系统配置。该模块网络还包括通过不同的振动模式提供触觉输入的选项，以通知患者 (i) 剩余电池寿命，(ii)心脏模块的正常运行，(iii) 其他模块的故障情况，和(iv) 心动过缓的症状。触觉模块也可以被激活以促进心脏模块在安装过程中的定位，这在设备更换以进行再充电的过程中特别重要。

图4|患者反馈和自适应起搏功能

小结：

综上所述，这种瞬态闭环系统代表了一种分布式无线生物电子技术，可在符合术后需求的时间范围内提供自主电疗。该技术可以改善门诊监测，从而可以使得患者更早地从医院出院，并对生活在医疗服务不足地区的患者进行远程监测。

参考文献：

YeonSik Choi, et al., A transient, closed-loop network of wireless, body-integrateddevices for autonomous electrotherapy. Science 2022.

DOI:10.1126/science.abm1703

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm1703

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