舟行萬里 杏林新說
——記中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李舟研究員

本刊記者　徐芳芳

李舟與“植入式供電”模型

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

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

作為王中林院士的學生，中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李舟研究員領導著研究小組多年來沿著導師開創(chuàng)的前沿方向，在基于納米發(fā)電機構建的植入式醫(yī)療設備和穿戴式能源系統(tǒng)方面進行了卓有成效的研究，并取得了突破性進展。基于其出色成果，2017年李舟入選中組部第三批國家“萬人計劃”青年拔尖人才。2018年年初，又一喜訊傳來：由李舟研究團隊完成的“基于納米發(fā)電機的植入式人體自供電醫(yī)療器件研究”項目獲得2017年度北京市科學技術獎二等獎。

用心發(fā)電,能量不止

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

在武漢大學醫(yī)學院讀本科期間，李舟的夢想是成為一名懸壺濟世的醫(yī)生，憑借精湛的醫(yī)術救死扶傷。而隨著學習的深入和眼界的開闊，他逐漸認識到，現(xiàn)代醫(yī)學的發(fā)展離不開新技術和新型醫(yī)療裝備的發(fā)現(xiàn)，如X光機、CT、心臟起搏器等。因此，李舟開始對生物醫(yī)學工程技術產生了興趣，并最終選擇到北京大學工學院就讀研究生。2007年，李舟成功轉博，拜入著名國際材料學專家、時任北京大學工學院先進材料系系主任的王中林教授門下，成為導師手下唯一一名醫(yī)學背景的學生。

而這時候，王教授剛剛研制出首臺納米發(fā)電機，循著這個方向，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)表在材料學頂級學術期刊《先進材料》和《納米快報》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植入動物體內、可收集心臟跳動和呼吸運動的能量并轉化成電能的植入式納米發(fā)電機，這篇發(fā)表在頂級期刊《先進材料》上的論文，也被主編Peter Gregory選為“Top Articles（頂級文章）”。“如果按照學校當年的博士畢業(yè)要求，我可以畢業(yè)4次。”李舟開玩笑地說。

2010年，李舟加入國內醫(yī)療器械和康復輔具領域具有研究優(yōu)勢的北京航空航天大學生物與醫(yī)學工程學院，并直評副教授，成為當時全校最年輕的副教授之一，并入選北航“藍天新秀”、“卓越百人”人才支持計劃、教育部新世紀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)學和生物領域的特長，并組建團隊繼續(xù)從事自供能植入式電子醫(yī)療器件的工作。李舟應承下來，并迅速開始了納米能源與生物系統(tǒng)實驗室的籌建工作，目前已建成了25人左右的研究團隊，研制植入式納米發(fā)電機、自供電能源系統(tǒng)及其在生物、醫(yī)學和可穿戴健康領域的應用，并取得豐碩成果。

2014年，李舟和王中林領導的聯(lián)合攻關團隊研制了世界上首個呼吸運動驅動的植入式摩擦納米發(fā)電機并驅動了心臟起搏器原型機工作，可控制實驗動物的心臟搏動。有人或許要問，植入式醫(yī)療設備是否有必要使用納米發(fā)電機來驅動？使用電池并定期更換不可以嗎？

事實上，植入式醫(yī)療設備的發(fā)展勢頭非常迅速，2016年，中國植入式電子醫(yī)療器件的市場規(guī)模已經達到了1800億元。但是，植入式醫(yī)療設備面臨著一個共同的問題：驅動設備工作的電池壽命是有限的。當電池能量耗盡時，就需要再次進行手術，更換設備的電池。這不僅需要支付昂貴的醫(yī)療費用，還需要承擔一定的手術風險。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，比如李舟團隊制備的“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動中的摩擦起電和靜電感應耦合作用實現(xiàn)機械振動到電能的轉化的裝置，可以將生物體內機械能（呼吸、心跳、脈搏及肌肉運動）轉化為電能。如此一來，只要心臟還在跳動，納米發(fā)電機就可以一直產生電能輸出。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)護系統(tǒng)

對于李舟而言，基礎研究之后，當然是向臨床實驗轉化。在與臨床醫(yī)生進行交流時，李舟注意到，除了心臟起搏器之類的醫(yī)療設備之外，醫(yī)生們在做一些心肌修復手術時需要用到一些設備來在人體內產生電場，刺激細胞生長。對于這類設備，其需求依然是設備壽命問題，只是這次需要設備存在的時間極短，也就是說，它必須自我降解。

為此，2016年，李舟帶領研發(fā)團隊利用生物相容性良好的可降解高分子材料構建了全可降解植入式納米發(fā)電機，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械能，又做到了整個裝置可以在體內被吸收，而不需要通過額外的手術移除，建立了實現(xiàn)植入式電子設備全可降解的有效途徑。

其關于納米發(fā)電機驅動的植入式醫(yī)療設備研發(fā)工作得到了國內外的廣泛認可和高度評價，結果多發(fā)表于Science Advances（Science子刊）、Advanced Materials等國際頂級學術期刊中。目前，發(fā)明專利“植入式納米發(fā)電機”獲2016年中國發(fā)明協(xié)會金獎，另有9項專利獲得授權。其他已公開專利16項，并申請了4項國際專利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“先導與優(yōu)勢材料創(chuàng)新發(fā)展”成果發(fā)布會的專項代表性成果，并被北京市科委的專家評價為“有極大的應用前景，建議積極推進產業(yè)化”，獲得了2017年度北京市科學技術獎二等獎。

李舟心知，這類臨床醫(yī)療器械的真正應用過程是漫長的，因為需要經過多次試驗和審核。相比較而言，他認為能夠實現(xiàn)快速應用的反而是體外穿戴式的自驅動超靈敏脈搏傳感器。

可穿戴設備已成為目前各大科技公司搶占的戰(zhàn)略要地，而醫(yī)療健康領域又是競爭的重點。心血管疾病是全球最常見的死因之一，據統(tǒng)計每年有近兩千萬人死于心血管疾病，幸運的是90%的心血管疾病都是可以被預防的。前提是，必須及時進行檢查并治療。李舟團隊研發(fā)出的體外自驅動超高靈敏脈搏傳感器，基于摩擦納米發(fā)電技術，通過摩擦層相互運動中的摩擦起電和靜電感應耦合作用實現(xiàn)機械振動到電信號的轉化，無需供電即可得到一個包含脈搏信息的電信號，可針對心血管疾病進行預警和診斷。

利用該脈搏傳感系統(tǒng)，研究人員對一組健康成人和一組患者進行了對比試驗，成功地實現(xiàn)了對心律失常（房顫）的提示性診斷及對冠心病、房間隔缺損的鑒別性診斷。“也就是說，該設備可以在人體已經表現(xiàn)出冠心病等的癥狀，但本身尚未察覺時提出預警，此時是心血管疾病發(fā)病的前期，及時就醫(yī)就有極高概率挽救生命。”李舟說。

該工作首次驗證了基于摩擦納米發(fā)電機的自驅動傳感技術在心血管疾病診斷上的可行性，為移動智能健康醫(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、傳感器結構設計、信號傳輸方案及數(shù)據分析策略為基于納米發(fā)電機的自驅動移動醫(yī)療的研究及產業(yè)化應用打下了良好的基礎。

在李舟心中，懸壺濟世的夢想一直都沒變，變的不過只是方法：從拿起手術刀，變成了走進實驗室。