传统心脏起搏器的组成部分包括脉冲发生器（含电池）、起搏电极导线，是一项高精密度心脏治疗仪器。其工作原理为通过脉冲发生器产生电子脉冲，模拟心脏冲动，刺激心肌收缩，进而达到治疗心律失常的目的。
传统起搏器由脉冲发生器及导线构成。脉冲发生器囊袋感染及导线相关并发症是传统起搏器应用中最常见的不良反应。研究表明，植入起搏器的患者发生起搏器感染的比例高达 0.67%，而且每次更换会增加感染的风险。一旦发生感染，起搏系统必须移除，使得患者面临拔除术中心脏破裂等风险。 据统计，导线植入 2~6 个月，并发症发生率高达1.4%~9.5%，主要与起搏器和（或）导线的植入有关。另一项研究表明，5.2%的植入起搏器患者会发生导线故障。导线故障会导致阈值升高、失夺获等事件，严重危及患者生命安全。起搏导线通常经静脉穿刺植入心腔，可能导致气胸、血气胸等并发症。 基于传统心脏起搏器存在的两大弊端：术后并发症感染及续航能力有限，新型起搏器的研究有如下几种思路： 1、无导线心脏起搏器，可改善囊袋感染及导线相关并发症，目前美敦力、雅培都有相关产品已上市； 2、研究新型电源，延长起搏器使用年限，减少更换次数； 3、生物起搏，通过生物细胞计数或基因技术重构患者电信号传导系统，彻底解决患者的房室传导阻滞及心衰问题。
无导线心脏起搏器
无导线起搏器具有体积小、重量轻的优点，其植入手术操作简便、微创、手术时间短，无须手术切口制作囊袋和植入导线，避免了传统起搏器因制作囊袋和植入电极所导致的并发症风险。其植入后不仅不影响患者的外观，胸部没有瘢痕，而且最大限度减少了起搏器植入后对患者的活动限制，患者的心理接受度高。
目前，临床常用的无导线起搏器有两种，美敦力公司研发的Micra TPS经皮起搏系统和雅培（圣犹达）公司开发的Aveir无导线心脏起搏器系统。
美敦力的Micra TPS Micra TPS分为Micra™ VR单腔起搏器和Micra ™ AV双腔起搏器两款。 Micra™ VR长2.59cm，宽0.66cm，重约1.75g，体积较LCP更小，预期使用寿命可达7~15年（在1.5V/0.24ms、60次/min、阻抗500Ω、100%起搏比率下的预测电池寿命为 9.6 年）,起搏模式为 VVI/VVIR，仅有心室单腔起搏功能，兼容 1.5T 及 3.0T 磁共振检查7。该产品已分别于2015年、2016年和2019年在欧盟、美国以及中国上市，是目前市场上植入量最多的无导线心脏起搏器。截止目前，全世界Micra™ VR植入量已达7万台，中国植入量已超1000台。 美国 FDA 于2020 年2月批准了美敦力公司生产的第二代无导线起搏器Micra ™ AV的临床应用，使其无导线起搏器进入了第二代，具有了一定的房室同步功能，相当于VDD 型无导线起搏器。产品简介如下图所示：
Micra AV与传统 VDD 起搏器不同，该起搏器植于右室，无感知电极位于心房，但其通过一个特殊的三轴加速度传感器可感知右房收缩（下图中箭头指示）。当感知器感知到心房 P 波引起的心房收缩时，将延迟 80ms 触发心室起搏而起到房室同步起搏（图C）。2020 年 JACC 杂志发表的文章表明，第二代无导线起搏器可使 95%的植入者具有 70%以上的房室同步。
雅培（圣犹达）的Aveir雅培的Aveir前身为Nanostim。Nanostim 起搏器最早由成立于加州 Sunnyvale 的 Nanostim 公司推出。该产品于2013 年获得CE认证后，Nanostim 公司被圣犹达公司以 1.23 亿美元收购。在2016年，雅培宣布以250亿美元收购圣犹达。
Nanostim主要用于心室单腔起搏，长4.14cm，宽 0.59cm，重约2g，预期使用寿命可达9~10年（电池容量 248mAh），起搏模式为VVI/VVIR。该产品由于电池提前耗竭、按钮（Docking Button）脱落等质量问题已经被迫退市。
其后，雅培对Nanostim进行升级优化后，开发出新一代产品Aveir 。2022年4月，Aveir VR（单腔）获得FDA批准，是目前为止第三款成熟无线起搏器，前两款为分别为美敦力的Micra VR 和 Micra AV。Aveir是世界上唯一一款具有独特映射功能的无导线起搏器，可在放置前评估正确定位。Aveir旨在提高心室节律，仅在需要时才触发电脉冲，以使缓慢的心脏重回正轨，而不是保持恒定的频率。Aveir螺旋式锚定设计，可以允许医生在电池耗尽时，通过静脉快速取出，无需开胸。
图片来源：雅培
根据雅培介绍，Aveir电池寿命长达12至13年，是同类产品的两倍。目前数据显示，Aveir主要克服了Nanostim电池不稳定、按钮脱落等问题，其它性能和Nanostim类似。2022年2月，雅培宣布，其在研型 Aveir™ DR双腔无引线起搏器完成了全球首例患者植入，这也是全世界第一个双腔无线起搏器。Aveir DR 双腔起搏器提供右心房和心脏右心室的同步、逐次跳起搏。其采用了i2i技术，能够实现两个无导线起搏器之间相互通讯，从而实现房室同步。
尽管无导线起搏器有诸多优势，但在临床应用中也存在如下问题：其一，更换较为困难。无导线起搏器长期植入，起搏导线在电极-心肌界面处可能被纤维化组织包裹，电源能量耗尽后，装置的取出可能会导致心肌撕裂和穿孔。雅培的Aveir螺旋式锚定设计允许医生在电源耗尽后取出，但该产品尚未经过临床大规模应用检验。其二，起搏模式较为单一，目前仅能提供VOO、VVI单腔起搏以及VDD、VDI等特殊型双腔起搏，无法提供DDD全能型双腔起搏以及除颤功能。其三，设备更换成本高，目前无导线心脏起搏器并未纳入集采，其终端价格在15万左右，且未进入医保。
受限于以上因素，无导线起搏目前并未作为常规治疗方式推广，更多作为一种替代疗法。更多适应症参见：《无导线起搏器临床应用中国专家共识(2022)》。
就目前而言，众多学者以及奥地利心脏学会专家共识认为其适应人群主要为单腔起搏且预期心室起搏率低的患者。在全球的起搏器应用中，单腔起搏器仅占起搏器植入量的15%左右。无导线起搏器是治疗缓慢性心律失常的一个重大突破，临床试验和真实世界数据都表明，无导线起搏器能够减少与起搏器植入相关的急性和长期并发症。目前，无导线起搏的应用主要受限于其有限的心房感应和起搏能力，以及电池寿命和其可回收性。研究正朝着同步心室起搏解决方案、设备对设备通信以及电池技术的进步方向发展，从而使其在不同人群中得到广泛应用。
心脏植入设备电池要素与发展历程
电池占据了起搏器体积的1/2，是提供电流驱动起搏器脉冲发生器的基础。而电源耗竭也是心脏起搏器必然要面临的关键问题。
心脏植入设备（CIED）的能源动力的基本因素包含电压（最小、最大）、放电电流（初始、平均、最大）、电流脉冲的大小和持续时间（连续或间歇操作）、高比能量和功率、长保质期和能力在不同的环境条件（温度、压力）下表现良好的性能。最后，电池必须满足诸如生物相容性、耐腐蚀、密封性、重量轻、扁平、体积小，以及可靠性。
心脏植入设备的电池寿命也取决于使用频率和功能，例如使用三个电极的双心室起搏比仅使用一个电极的起搏消耗更多的能量。
起搏器电池的发展历程：
1958年，Ake Senning发明的第一款植入式起搏器配备了可充电的镍镉电池，电池电压为1.25V，容量为190mAh。但可充电电池相比不可充电电池，容量较低，导致电池寿命较短；
早期的脉冲发生器是由串联连线的汞锌电池供电的，串联3-6个电池，提供4-8 V的输出电压。该技术路线主要的问题在于汞锌电池会在放电的同时释放氢气，而植入体内的密封装置无法在提供排气的同时防止液体泄漏，因此该技术已不再使用；
核电池也曾被研究人员纳入考虑，其优势为使用寿命超过30年，劣势为具有高毒性，体积较大；
1975年，推出锂碘电池，使得心脏起搏器电池的寿命大大延长，锂具有更高的能量密度，在货架寿命期5年内电池容量损失10%。
目前常规心脏起搏器的寿命基本上维持在10年左右，ICD以及CRT-D/P设备的寿命维持在4-6年，电池一旦能量耗尽，则需要更换新的脉冲发生器，患者需要再次进行手术，将新的起搏器植入皮下，同时增加了囊袋感染风险。
新型电池能源策略
为了减少因电池能源耗尽的问题，目前许多研究人员都在开发新型的能源，以期达到可以自供电，永久工作的效果，主要有以下类型的新能源，如下图所示：
摩擦纳米发电机(TENG)由王中林院士团队发明，是一种基于机械界面摩擦起电与静电感应耦合效应的纳米能源技术。摩擦起电效应是指由于2种材料具有不同的得失电子能力，摩擦电荷极性不同的材料周期性的接触分离，从而产生持续供电的一种能源供给机制，其主要有4种不同类型的工作模式，如下图所示：
图摩擦电纳米发电机的4 种基本类型4: ( a)垂直接触分离式，( b)横向滑动式，( c)单电极式，( d)独立式
压电纳米发电机PENG是材料通过正压电效应实现能量转换的，如图所示，当压电材料发生形变产生极化电荷，极化电荷在材料内部形成电场，对电板上下表面的电子产生吸引或排斥; 当外界应力消失后，极化电场也会随之消失，之前累积的电子会通过外部负载沿着相反的方向移动，从而产生相反的电流，实现将机械能转化为电能。
热释电（Pyroelectricity）定义为某些各向异性晶体中随温度变化的自发极化。热释电材料具有独特的极轴以及自发极化出口，可在时间温度变化期间产生偶极矩和电流/电势。在恒温条件下，材料晶体结构的极化强度不受影响，不会产生热释电电流。将热释电材料连接到外部电路，加热和冷却的循环可以产生热释电能量为电路供电。而温度-时间梯度在人体中不存在，因此PyENGs路线作为体内植入器械的能量发生器是无法实现的。
另外一种热释电是生物燃料电池，利用酶作为催化剂，将存在于生物液体中的分子的化学能转化为电能。葡萄糖是生物燃料细胞最常用的反应物，葡萄糖驱动的生物燃料电池是基于酶电极，利用葡萄糖氧化酶进行葡萄糖氧化酶和漆酶进行二氧还原。然而生物燃料电池的主要挑战是其长期运行的稳定性，酶和辅助因子的寿命以及电极的退化和生物污垢都会影响电池的性能。酶的催化活性和稳定性与生理环境中的pH值、温度、氯浓度息息相关。同时相关电极以及酶的成本也是需要考虑的一个因素。
文章来源：和义广业创新平台
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