在心臟手術的圍手術期，患者常面臨術後心律不整、心肌梗塞等風險。為保護患者，植入臨時性心外膜起搏纖維是臨床的金標準。每年約有20多萬例心臟外科手術後需要植入此類心臟起搏纖維。這類起搏纖維器件一端與患者心臟相連，另一端與外部起搏器相接，為患者按需提供電刺激起搏，在患者體內停留1-2周後，透過拔除的方式從體內取出（圖1）。傳統起搏纖維電極透過直接插入心機組織的方式固定，透過非二次手術的方式拔出，這種侵入性、高創傷性的植入和取出方法可能導致出血、心臟組織損傷、心包積液、電生理訊號監測和調控功能不穩定等不良後果，危及患者健康。
圖1.臨時心臟起搏器件的臨床套用
為解決上述問題，復旦大學鄧玨青年研究員、麻省理工學院趙選賀教授、Hyunwoo Yuk博士和梅歐醫院Christoph S. Nabzdyk教授、Leigh G. Griffiths教授共同報道了一種生物粘附心臟起搏纖維器件，支持透過微創的方式植入體內，與跳動的心臟穩定整合，提供微創且穩定的電生理訊號監測和調控，並可按需移除（圖2A, B）。相關研究成果在最新一期的Science Translational Medicine上發表，題為「A bioadhesive pacing lead for atraumatic cardiac monitoring and stimulation in rodent and porcine models」 。
【設計策略、制備與表征】
組織粘附導電界面是電子器件與體內組織的非侵入式整合的一種有效手段，該團隊之前的研究工作率先報道了組織粘附導電界面材料，實作了與濕潤、動態組織的快速、穩定且微創的整合（Nat. Mater.2021, 20, 229-236）。基於上述基礎，在本項工作中，透過在聚氨酯上接枝聚合聚丙烯酸，並與導電高分子PEDOT:PSS混合的方式，發展出適用於3D打印技術的組織粘附導電材料（圖2C, D）。得益於該材料與先進制造技術如3D打印的相容性，可實作醫療器件的制備和加工。利用多材料3D打印技術，構建了一體化整合的生物粘附心臟起搏纖維器件（圖2E, F）。
圖2. 生物粘附起搏纖維器件的設計和制備
生物粘附導電界面展現出良好的柔性、延展性和組織粘附性，使心臟起搏纖維器件可與心臟形成快速、無縫合且穩定的整合。器件整體具有與心肌組織匹配的力學效能，與心臟融合的同時，不影響其他正常生理運動。與心臟表面形成的物理和化學交聯，有助於器件與心臟長期穩定的整合和電生理互動（圖3A-C）。一體化的心臟起搏纖維器件內嵌了微流控通道和輸液腔，用於註入化石相容性良好的分離液，快速破壞器件與心臟組織間的物理和化學交聯，從而實作器件整體的無失真傷、無殘留移除（圖3D-I）。
圖3.生物粘附起搏纖維器件與組織匹配的力學效能和強韌的粘附性
同時，生物粘附起搏纖維器件具有優異且穩定的電學效能。在與電刺激起搏密切相關的電荷註入容量中，生物粘附起搏纖維器件的效能約為臨床套用的起搏電極的3倍（圖4A-C），並且在200萬次測試迴圈後，效能依舊保持穩定（圖4D）。在溫濕的生理環境中2周，阻抗、電荷註入容量等關鍵電學效能均無明顯變化，充分驗證了優異的電學穩定性（圖4E，F）。
圖4.生物粘附起搏纖維器件的電學效能
【驗證與套用】
在兩類動物模型（大鼠和豬）中，驗證了生物粘附起搏纖維器件能實作連續可靠的心臟監測和起搏，並且該裝置展現出比現有商業產品更優異的效能，監測的心律訊號振幅更大，能以更低的閾值實作電刺激起搏。由於植入和取出過程均不會引起心肌組織的損傷，並展現出更優異的組織整合性，有效避免了組織損傷引起的炎癥和器件組織間的不穩定界面，實作了電學監測和調控的高穩定性和高可靠性（圖5）。
圖5.生物粘附起搏纖維器件的無創整合和移除，以及高效的心律監測和起搏。
此外，生物粘附起搏纖維器件與當前臨床使用的體外式或植入式起搏器無縫相容，有利於其臨床轉化。將該器件與植入式心臟起搏器結合並植入豬的體內，植入期間裝置始終與心肌組織穩定粘附，且界面處未發生明顯的炎癥反應。透過外部遙感裝置，實作了心外膜心電訊號的長期穩定的監測，同時透過過速起搏驗證了心臟起搏功能的穩定性（圖6）。此裝置不僅在健康的動物模型中展現出優異的效能，進一步在更接近於臨床的心肌缺血-再灌註模型中驗證了有效性。
圖6.豬模型中的連續和遙測心臟監測及起搏。
【總結】
這項研究報道了一種生物粘附起搏纖維器件，可實作微創植入、連續心臟監測和起搏以及按需體內取出。同時，發展出了一類新型的可3D打印的生物粘附界面材料，為生物粘附電子器件的先進制造提供了更多的相容性和靈活性。優於商用裝置的心律監測和調控效能，突出了該裝置的臨床轉化前景。生物粘附起搏纖維器件的開發，解決了現有臨床裝置中存在創傷性和效能穩定性差的問題，為心臟疾病的微創診斷和治療提供了一個新策略和方法，有望為心臟手術患者提供更加安全、有效的治療方案，同時，為開發一系列新型的生物粘附電子器件提供了範例。
【作者簡介與招聘資訊】
作者簡介：鄧玨，復旦大學工程與套用技術研究院青年研究員、博導、國家級青年人才。2013年本科畢業於中山大學化學與化學工程學院，2018年博士畢業於復旦大學高分子科學系，隨後在美國麻省理工學院機械工程系從事博士後研究。2023年9月加入復旦大學工程與套用技術研究院生物醫學工程技術研究所。近年來在可穿戴柔性電子、生物醫用材料與植介入裝置等方向開展研究工作，在 Nat. Mater.、 Sci. Transl. Med.、 Nat. Common.、 Nat. Protoc.和 Adv. Mater.等學術期刊上發表論文50余篇，累計參照8000余次，申請中國專利8項，美國專利2項。相關研究工作獲上海市領軍人才（海外）計畫、廣東省自然科學一等獎（第三完成人）等獎項。
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