心房顫動(AF)是全球發(fā)病率和死亡率最高的心血管疾病之一。在Global Burden of Disease項目中，估計有4630萬人患有房顫，預計到2050年，亞洲的房顫人數(shù)將至少增加7200萬。AF的發(fā)生機制顯示，AF與自主神經(jīng)系統(tǒng)重構相互作用構成了一個惡性循環(huán)，使病情迅速惡化。許多研究已經(jīng)應用低水平迷走神經(jīng)刺激(LL-VNS)來抑制房顫。電刺激迷走神經(jīng)而不降低竇性心率或房室傳導被稱為LL-VNS。LL-VNS是一種很有前途的房顫治療方法，可以抑制自主神經(jīng)系統(tǒng)重構，防止惡性循環(huán)。在臨床試驗中，LL-VNS的房顫治療結(jié)果令人振奮。此外，LL-VNS可用于避免迷走神經(jīng)刺激(VNS)的不良后果，如心動過緩和心臟衰竭。LL-VNS由于其良好的安全性和較少的副作用，已廣泛應用于癲癇、心肌梗死、心力衰竭等疾病。然而，在生物電刺激裝置的靈活性、小型化和持久性方面仍存在一些基本的挑戰(zhàn)。這些問題也會對LL-VNS的未來使用產(chǎn)生影響。王中林和他的同事在2012年提出了摩擦電納米發(fā)電機(TENGs)，它可以將環(huán)境中的微觀機械能轉(zhuǎn)化為電能。從那時起，摩擦電納米發(fā)電機及其應用已被廣泛地應用于發(fā)電、生物醫(yī)學、人工智能等領域。納米發(fā)電機(NGs)在植入設備中顯示出了明顯的好處：它們可以收集人體內(nèi)外的機械能，并將其轉(zhuǎn)化為電能，這就消除了植入設備頻繁更換電池的需要。此外，NGs具有高靈活性和小型化的特點，確保了植入式醫(yī)療器械的生物相容性。近年來，NGs及其相關設備被廣泛用于刺激神經(jīng)。這些研究說明了NGs作為一種植入式神經(jīng)刺激器具有一定的優(yōu)勢。

在之前的研究中，大多數(shù)神經(jīng)刺激劑在沒有實時監(jiān)測患者的身體狀態(tài)的情況下進行。這種類型的開環(huán)神經(jīng)刺激可能無法達到預期的目標，并導致并發(fā)癥。此外，持續(xù)的副交感神經(jīng)刺激與發(fā)燒、聲音嘶啞、呼吸困難和咳嗽的發(fā)展有關。許多研究表明，與普通刺激物相比，閉環(huán)神經(jīng)刺激治療癲癇、病理震顫和膀胱過度活動有更好的實驗效果。基于納米發(fā)電機的閉環(huán)神經(jīng)刺激系統(tǒng)可應用于LL-VNS，進一步提高其對房顫的治療效果。

作者設計了一種基于復合式納米發(fā)電機(H-NG)的閉環(huán)自供電LL-VNS系統(tǒng)，用于房顫患者的常規(guī)治療，并測試了其穩(wěn)定性和生物相容性。然后，確定了影響心率(HR)的閾值的輸出范圍，并驗證了基于H-NG的LL-VNS對大鼠的影響。結(jié)果顯示H-NG可縮短房顫持續(xù)時間，緩解房顫癥狀。值得注意的是，作者檢測了由NF-κB和AP-1通路介導的LL-VNS的抗炎作用。此外，H-NG在5~15 μA(峰對峰)范圍內(nèi)的輸出有利于治療?？傊撓到y(tǒng)具有自主發(fā)電能力和智能化的優(yōu)勢，可以為慢性病的治療帶來新的見解。

作者設計了一種基于摩擦電納米熱發(fā)電技術的閉環(huán)自供電LL-VNS系統(tǒng)。該系統(tǒng)被分為傳感、信號處理和治療三個模塊(圖1a)。該傳感模塊由一個PENG傳感器、腕帶和藍牙模塊組成。PENG傳感器從皮膚中提取脈搏波，并通過藍牙模塊傳輸數(shù)據(jù)。信號處理模塊主要依賴于手機和應用程序。通過分析脈搏波形來監(jiān)測房顫的發(fā)生，實時提醒患者。當發(fā)生房顫時，腕帶會及時發(fā)出警告信息。用戶可利用該裝置，通過抑制迷走神經(jīng)的活動來發(fā)揮其抗膽  .堿能作用，從而防止房顫的誘導，達到治療效果。同時，用戶可以在手機上看到自己的脈搏，并實時監(jiān)控自己的健康狀況。圖1c為該系統(tǒng)的電路圖。

作者設計了一種基于H-NG的閉環(huán)自供電LL-VNS刺激系統(tǒng)，可用于房顫患者的日常護理。該系統(tǒng)通過腕帶實時監(jiān)測佩戴者的脈搏波，并通過手機識別出房顫的發(fā)生情況。因此，治療模塊針對H-NG刺激器提供了驅(qū)動力。使用該設備可以在手動范圍內(nèi)產(chǎn)生5-15μA(峰到峰)的輸出。該裝置的閉環(huán)設計可以有效地減少持續(xù)刺激的副作用，提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。此研究還創(chuàng)新性地使用了一種特殊構建的NG作為迷走神經(jīng)刺激器，并證明了其產(chǎn)生的超低強度輸出可以有效地治療房顫。同時，作者通過大量的生物學實驗探索了刺激參數(shù)，并證明了其可靠性，這對進一步的研究具有指導意義。

持久性也是影響迷走神經(jīng)刺激裝置有效性的一個重要因素。大多數(shù)現(xiàn)有的神經(jīng)刺激裝置使用芯片作為控制器來產(chǎn)生電脈沖。這些設備往往有非常穩(wěn)定的輸出，但由于電池的容量，通常能用于長時間的使用。隨著納米發(fā)電機技術的發(fā)展，NG因其低能耗、高生物安全性的特點，被廣泛應用于神經(jīng)刺激領域。研究中使用的H-NG可以直接將機械能轉(zhuǎn)化為電能，消除了對電池的需要，從而大大提高了設備的使用壽命。H-NG在手動范圍內(nèi)可以產(chǎn)生5-15μA(峰到峰)，而在此范圍內(nèi)的LL-VNS在動物實驗和其他生物實驗中已被證明是有效的。此外，H-NG在5-20N范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的線性關系，進一步證明了H-NG在日常生活中的可靠性。該系統(tǒng)還可以通過優(yōu)化自動化和閉環(huán)控制、閉環(huán)設計，有效地提高治療效率，提高患者的生活質(zhì)量。

總之，閉環(huán)VNS系統(tǒng)已應用于癲癇和帕金森病等疾病。LL-VNS的刺激強度遠低于VNS，這意味著對器官的影響較小，不良影響較少。在作者設計的閉環(huán)系統(tǒng)中，當房顫發(fā)生時，可以提醒患者及時按需治療。同時，基于納米發(fā)電機的閉環(huán)LL-VNS具有良好的抗心律失常和抗炎特性，可以大大提高刺激治療的靶向性。在未來，該系統(tǒng)可以幫助促進家庭健康監(jiān)測，并降低臨床治療的成本。