舟行萬里 杏林新說

徐芳芳

大自然鬼斧神工，往往令制造出現(xiàn)代文明的人類驚嘆。將大自然中的風(fēng)能、水能轉(zhuǎn)化為電能，已經(jīng)是一件習(xí)以為常的事情。而與轉(zhuǎn)化自然界宏大機(jī)械能量的風(fēng)力發(fā)電站、水力發(fā)電站相比，納米發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化的是自然界中最為微小的機(jī)械能。作為世界上最小的發(fā)電器件，納米發(fā)電機(jī)的原理是在納米范圍內(nèi)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，應(yīng)用于精細(xì)作業(yè)。

2006年，北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長、中國科學(xué)院外籍院士、美國佐治亞理工學(xué)院終身校董事講席教授王中林首次基于具有壓電效應(yīng)的氧化鋅納米線提出了納米發(fā)電機(jī)的概念，并成功將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。2010年，基于單根氧化鋅納米線的納米發(fā)電機(jī)被首次植入生物體內(nèi)，用于采集生物體內(nèi)機(jī)械運(yùn)動(dòng)（心跳、呼吸等）產(chǎn)生的生物機(jī)械能，同時(shí)提出了利用生物機(jī)械能驅(qū)動(dòng)植入式醫(yī)療器件的設(shè)想。

作為王中林院士的學(xué)生，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李舟研究員領(lǐng)導(dǎo)著研究小組多年來沿著導(dǎo)師開創(chuàng)的前沿方向，在基于納米發(fā)電機(jī)構(gòu)建的植入式醫(yī)療設(shè)備和穿戴式能源系統(tǒng)方面進(jìn)行了卓有成效的研究，并取得了突破性進(jìn)展?；谄涑錾晒?，2017年李舟入選中組部第三批國家“萬人計(jì)劃”青年拔尖人才。2018年年初，又一喜訊傳來：由李舟研究團(tuán)隊(duì)完成的“基于納米發(fā)電機(jī)的植入式人體自供電醫(yī)療器件研究”項(xiàng)目獲得2017年度北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

用心發(fā)電，能量不止

能夠在生物醫(yī)學(xué)工程和納米材料與器件這樣多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域成果頻出，離不開李舟的醫(yī)學(xué)背景。

在武漢大學(xué)醫(yī)學(xué)院讀本科期間，李舟的夢(mèng)想是成為一名懸壺濟(jì)世的醫(yī)生，憑借精湛的醫(yī)術(shù)救死扶傷。而隨著學(xué)習(xí)的深入和眼界的開闊，他逐漸認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展離不開新技術(shù)和新型醫(yī)療裝備的發(fā)現(xiàn)，如X光機(jī)、CT、心臟起搏器等。因此，李舟開始對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)產(chǎn)生了興趣，并最終選擇到北京大學(xué)工學(xué)院就讀研究生。2007年，李舟成功轉(zhuǎn)博，拜入著名國際材料學(xué)專家、時(shí)任北京大學(xué)工學(xué)院先進(jìn)材料系系主任的王中林教授門下，成為導(dǎo)師手下唯一一名醫(yī)學(xué)背景的學(xué)生。

而這時(shí)候，王教授剛剛研制出首臺(tái)納米發(fā)電機(jī)，循著這個(gè)方向，李舟開展了兩年的博士課題研究。這兩年里，他完成了4篇第一作者SCI論文，其中有3篇發(fā)表在材料學(xué)頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)材料》和《納米快報(bào)》上，另外還發(fā)表了4篇合作論文。其中最重要的工作就是完成了世界上首個(gè)植入動(dòng)物體內(nèi)、可收集心臟跳動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)的能量并轉(zhuǎn)化成電能的植入式納米發(fā)電機(jī)，這篇發(fā)表在頂級(jí)期刊《先進(jìn)材料》上的論文，也被主編Peter Gregory選為“Top Articles（頂級(jí)文章）”。“如果按照學(xué)校當(dāng)年的博士畢業(yè)要求，我可以畢業(yè)4次?！崩钪坶_玩笑地說。

2010年，李舟加入國內(nèi)醫(yī)療器械和康復(fù)輔具領(lǐng)域具有研究?jī)?yōu)勢(shì)的北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，并直評(píng)副教授，成為當(dāng)時(shí)全校最年輕的副教授之一，并入選北航“藍(lán)天新秀”、“卓越百人”人才支持計(jì)劃、教育部新世紀(jì)人才和北京市科技新星。2012年年底，王教授回國開始新建中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所，希望李舟能到研究所工作，發(fā)揮他在醫(yī)學(xué)和生物領(lǐng)域的特長，并組建團(tuán)隊(duì)繼續(xù)從事自供能植入式電子醫(yī)療器件的工作。李舟應(yīng)承下來，并迅速開始了納米能源與生物系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的籌建工作，目前已建成了25人左右的研究團(tuán)隊(duì)，研制植入式納米發(fā)電機(jī)、自供電能源系統(tǒng)及其在生物、醫(yī)學(xué)和可穿戴健康領(lǐng)域的應(yīng)用，并取得豐碩成果。

2014年，李舟和王中林領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)研制了世界上首個(gè)呼吸運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的植入式摩擦納米發(fā)電機(jī)并驅(qū)動(dòng)了心臟起搏器原型機(jī)工作，可控制實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的心臟搏動(dòng)。有人或許要問，植入式醫(yī)療設(shè)備是否有必要使用納米發(fā)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)？使用電池并定期更換不可以嗎？

事實(shí)上，植入式醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展勢(shì)頭非常迅速，2016年，中國植入式電子醫(yī)療器件的市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到了1800億元。但是，植入式醫(yī)療設(shè)備面臨著一個(gè)共同的問題：驅(qū)動(dòng)設(shè)備工作的電池壽命是有限的。當(dāng)電池能量耗盡時(shí)，就需要再次進(jìn)行手術(shù)，更換設(shè)備的電池。這不僅需要支付昂貴的醫(yī)療費(fèi)用，還需要承擔(dān)一定的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。因此，植入式電子醫(yī)療器件的發(fā)展被《“十三五”規(guī)劃綱要》列入了國家的重大需求之列；而延長植入式電子醫(yī)療器件的工作壽命，就是新一代器件研發(fā)的核心問題。

因此，更換電池的方法是不可行的，必須另辟蹊徑，比如李舟團(tuán)隊(duì)制備的“iCharge”心臟起搏器。其核心為摩擦納米發(fā)電，是一種通過摩擦層相互運(yùn)動(dòng)中的摩擦起電和靜電感應(yīng)耦合作用實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)到電能的轉(zhuǎn)化的裝置，可以將生物體內(nèi)機(jī)械能（呼吸、心跳、脈搏及肌肉運(yùn)動(dòng)）轉(zhuǎn)化為電能。如此一來，只要心臟還在跳動(dòng)，納米發(fā)電機(jī)就可以一直產(chǎn)生電能輸出。這不僅是“用心發(fā)電”，而且是“生命不息，能量不止”，可以一勞永逸地解決植入式醫(yī)療器件工作壽命的問題。

打造心血管疾病的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

對(duì)于李舟而言，基礎(chǔ)研究之后，當(dāng)然是向臨床實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化。在與臨床醫(yī)生進(jìn)行交流時(shí)，李舟注意到，除了心臟起搏器之類的醫(yī)療設(shè)備之外，醫(yī)生們?cè)谧鲆恍┬募⌒迯?fù)手術(shù)時(shí)需要用到一些設(shè)備來在人體內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)，刺激細(xì)胞生長。對(duì)于這類設(shè)備，其需求依然是設(shè)備壽命問題，只是這次需要設(shè)備存在的時(shí)間極短，也就是說，它必須自我降解。

為此，2016年，李舟帶領(lǐng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)利用生物相容性良好的可降解高分子材料構(gòu)建了全可降解植入式納米發(fā)電機(jī)，輸出電壓為4V，輸出電流為0.2μA。既可以回收和利用人體生物機(jī)械能，又做到了整個(gè)裝置可以在體內(nèi)被吸收，而不需要通過額外的手術(shù)移除，建立了實(shí)現(xiàn)植入式電子設(shè)備全可降解的有效途徑。

其關(guān)于納米發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的植入式醫(yī)療設(shè)備研發(fā)工作得到了國內(nèi)外的廣泛認(rèn)可和高度評(píng)價(jià)，結(jié)果多發(fā)表于Science Advances（Science子刊）、Advanced Materials等國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊中。目前，發(fā)明專利“植入式納米發(fā)電機(jī)”獲2016年中國發(fā)明協(xié)會(huì)金獎(jiǎng)，另有9項(xiàng)專利獲得授權(quán)。其他已公開專利16項(xiàng)，并申請(qǐng)了4項(xiàng)國際專利PCT，初步建立了植入式長效自充電納米能源系統(tǒng)的核心專利庫。該研究入選北京市政府2015年“先導(dǎo)與優(yōu)勢(shì)材料創(chuàng)新發(fā)展”成果發(fā)布會(huì)的專項(xiàng)代表性成果，并被北京市科委的專家評(píng)價(jià)為“有極大的應(yīng)用前景，建議積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化”，獲得了2017年度北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

李舟心知，這類臨床醫(yī)療器械的真正應(yīng)用過程是漫長的，因?yàn)樾枰?jīng)過多次試驗(yàn)和審核。相比較而言，他認(rèn)為能夠?qū)崿F(xiàn)快速應(yīng)用的反而是體外穿戴式的自驅(qū)動(dòng)超靈敏脈搏傳感器。

可穿戴設(shè)備已成為目前各大科技公司搶占的戰(zhàn)略要地，而醫(yī)療健康領(lǐng)域又是競(jìng)爭(zhēng)的重點(diǎn)。心血管疾病是全球最常見的死因之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)每年有近兩千萬人死于心血管疾病，幸運(yùn)的是90%的心血管疾病都是可以被預(yù)防的。前提是，必須及時(shí)進(jìn)行檢查并治療。李舟團(tuán)隊(duì)研發(fā)出的體外自驅(qū)動(dòng)超高靈敏脈搏傳感器，基于摩擦納米發(fā)電技術(shù)，通過摩擦層相互運(yùn)動(dòng)中的摩擦起電和靜電感應(yīng)耦合作用實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)化，無需供電即可得到一個(gè)包含脈搏信息的電信號(hào)，可針對(duì)心血管疾病進(jìn)行預(yù)警和診斷。

利用該脈搏傳感系統(tǒng)，研究人員對(duì)一組健康成人和一組患者進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)心律失常（房顫）的提示性診斷及對(duì)冠心病、房間隔缺損的鑒別性診斷?！耙簿褪钦f，該設(shè)備可以在人體已經(jīng)表現(xiàn)出冠心病等的癥狀，但本身尚未察覺時(shí)提出預(yù)警，此時(shí)是心血管疾病發(fā)病的前期，及時(shí)就醫(yī)就有極高概率挽救生命。”李舟說。

該工作首次驗(yàn)證了基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)傳感技術(shù)在心血管疾病診斷上的可行性，為移動(dòng)智能健康醫(yī)療的發(fā)展提供了新的思路。該工作中提出的材料加工工藝、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、信號(hào)傳輸方案及數(shù)據(jù)分析策略為基于納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)移動(dòng)醫(yī)療的研究及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

在李舟心中，懸壺濟(jì)世的夢(mèng)想一直都沒變，變的不過只是方法：從拿起手術(shù)刀，變成了走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。