舟行万里 杏林新说——记中国科学院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员

本刊记者　徐芳芳

李舟与“植入式供电”模型

大自然鬼斧神工，往往令制造出现代文明的人类惊叹。将大自然中的风能、水能转化为电能，已经是一件习以为常的事情。而与转化自然界宏大机械能量的风力发电站、水力发电站相比，纳米发电机转化的是自然界中最为微小的机械能。作为世界上最小的发电器件，纳米发电机的原理是在纳米范围内将机械能转化成电能，应用于精细作业。

2006年，北京纳米能源与系统研究所所长、中国科学院外籍院士、美国佐治亚理工学院终身校董事讲席教授王中林首次基于具有压电效应的氧化锌纳米线提出了纳米发电机的概念，并成功将机械能转化为电能。2010年，基于单根氧化锌纳米线的纳米发电机被首次植入生物体内，用于采集生物体内机械运动（心跳、呼吸等）产生的生物机械能，同时提出了利用生物机械能驱动植入式医疗器件的设想。

作为王中林院士的学生，中国科学院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员领导着研究小组多年来沿着导师开创的前沿方向，在基于纳米发电机构建的植入式医疗设备和穿戴式能源系统方面进行了卓有成效的研究，并取得了突破性进展。基于其出色成果，2017年李舟入选中组部第三批国家“万人计划”青年拔尖人才。2018年年初，又一喜讯传来：由李舟研究团队完成的“基于纳米发电机的植入式人体自供电医疗器件研究”项目获得2017年度北京市科学技术奖二等奖。

用心发电,能量不止

能够在生物医学工程和纳米材料与器件这样多学科交叉的研究领域成果频出，离不开李舟的医学背景。

在武汉大学医学院读本科期间，李舟的梦想是成为一名悬壶济世的医生，凭借精湛的医术救死扶伤。而随着学习的深入和眼界的开阔，他逐渐认识到，现代医学的发展离不开新技术和新型医疗装备的发现，如X光机、CT、心脏起搏器等。因此，李舟开始对生物医学工程技术产生了兴趣，并最终选择到北京大学工学院就读研究生。2007年，李舟成功转博，拜入著名国际材料学专家、时任北京大学工学院先进材料系系主任的王中林教授门下，成为导师手下唯一一名医学背景的学生。

而这时候，王教授刚刚研制出首台纳米发电机，循着这个方向，李舟开展了两年的博士课题研究。这两年里，他完成了4篇第一作者SCI论文，其中有3篇发表在材料学顶级学术期刊《先进材料》和《纳米快报》上，另外还发表了4篇合作论文。其中最重要的工作就是完成了世界上首个植入动物体内、可收集心脏跳动和呼吸运动的能量并转化成电能的植入式纳米发电机，这篇发表在顶级期刊《先进材料》上的论文，也被主编Peter Gregory选为“Top Articles（顶级文章）”。“如果按照学校当年的博士毕业要求，我可以毕业4次。”李舟开玩笑地说。

2010年，李舟加入国内医疗器械和康复辅具领域具有研究优势的北京航空航天大学生物与医学工程学院，并直评副教授，成为当时全校最年轻的副教授之一，并入选北航“蓝天新秀”、“卓越百人”人才支持计划、教育部新世纪人才和北京市科技新星。2012年年底，王教授回国开始新建中科院北京纳米能源与系统研究所，希望李舟能到研究所工作，发挥他在医学和生物领域的特长，并组建团队继续从事自供能植入式电子医疗器件的工作。李舟应承下来，并迅速开始了纳米能源与生物系统实验室的筹建工作，目前已建成了25人左右的研究团队，研制植入式纳米发电机、自供电能源系统及其在生物、医学和可穿戴健康领域的应用，并取得丰硕成果。

2014年，李舟和王中林领导的联合攻关团队研制了世界上首个呼吸运动驱动的植入式摩擦纳米发电机并驱动了心脏起搏器原型机工作，可控制实验动物的心脏搏动。有人或许要问，植入式医疗设备是否有必要使用纳米发电机来驱动？使用电池并定期更换不可以吗？

事实上，植入式医疗设备的发展势头非常迅速，2016年，中国植入式电子医疗器件的市场规模已经达到了1800亿元。但是，植入式医疗设备面临着一个共同的问题：驱动设备工作的电池寿命是有限的。当电池能量耗尽时，就需要再次进行手术，更换设备的电池。这不仅需要支付昂贵的医疗费用，还需要承担一定的手术风险。因此，植入式电子医疗器件的发展被《“十三五”规划纲要》列入了国家的重大需求之列；而延长植入式电子医疗器件的工作寿命，就是新一代器件研发的核心问题。

因此，更换电池的方法是不可行的，必须另辟蹊径，比如李舟团队制备的“iCharge”心脏起搏器。其核心为摩擦纳米发电，是一种通过摩擦层相互运动中的摩擦起电和静电感应耦合作用实现机械振动到电能的转化的装置，可以将生物体内机械能（呼吸、心跳、脉搏及肌肉运动）转化为电能。如此一来，只要心脏还在跳动，纳米发电机就可以一直产生电能输出。这不仅是“用心发电”，而且是“生命不息，能量不止”，可以一劳永逸地解决植入式医疗器件工作寿命的问题。

打造心血管疾病的监护系统

对于李舟而言，基础研究之后，当然是向临床实验转化。在与临床医生进行交流时，李舟注意到，除了心脏起搏器之类的医疗设备之外，医生们在做一些心肌修复手术时需要用到一些设备来在人体内产生电场，刺激细胞生长。对于这类设备，其需求依然是设备寿命问题，只是这次需要设备存在的时间极短，也就是说，它必须自我降解。

为此，2016年，李舟带领研发团队利用生物相容性良好的可降解高分子材料构建了全可降解植入式纳米发电机，输出电压为4V，输出电流为0.2μA。既可以回收和利用人体生物机械能，又做到了整个装置可以在体内被吸收，而不需要通过额外的手术移除，建立了实现植入式电子设备全可降解的有效途径。

其关于纳米发电机驱动的植入式医疗设备研发工作得到了国内外的广泛认可和高度评价，结果多发表于Science Advances（Science子刊）、Advanced Materials等国际顶级学术期刊中。目前，发明专利“植入式纳米发电机”获2016年中国发明协会金奖，另有9项专利获得授权。其他已公开专利16项，并申请了4项国际专利PCT，初步建立了植入式长效自充电纳米能源系统的核心专利库。该研究入选北京市政府2015年“先导与优势材料创新发展”成果发布会的专项代表性成果，并被北京市科委的专家评价为“有极大的应用前景，建议积极推进产业化”，获得了2017年度北京市科学技术奖二等奖。

李舟心知，这类临床医疗器械的真正应用过程是漫长的，因为需要经过多次试验和审核。相比较而言，他认为能够实现快速应用的反而是体外穿戴式的自驱动超灵敏脉搏传感器。

可穿戴设备已成为目前各大科技公司抢占的战略要地，而医疗健康领域又是竞争的重点。心血管疾病是全球最常见的死因之一，据统计每年有近两千万人死于心血管疾病，幸运的是90%的心血管疾病都是可以被预防的。前提是，必须及时进行检查并治疗。李舟团队研发出的体外自驱动超高灵敏脉搏传感器，基于摩擦纳米发电技术，通过摩擦层相互运动中的摩擦起电和静电感应耦合作用实现机械振动到电信号的转化，无需供电即可得到一个包含脉搏信息的电信号，可针对心血管疾病进行预警和诊断。

利用该脉搏传感系统，研究人员对一组健康成人和一组患者进行了对比试验，成功地实现了对心律失常（房颤）的提示性诊断及对冠心病、房间隔缺损的鉴别性诊断。“也就是说，该设备可以在人体已经表现出冠心病等的症状，但本身尚未察觉时提出预警，此时是心血管疾病发病的前期，及时就医就有极高概率挽救生命。”李舟说。

该工作首次验证了基于摩擦纳米发电机的自驱动传感技术在心血管疾病诊断上的可行性，为移动智能健康医疗的发展提供了新的思路。该工作中提出的材料加工工艺、传感器结构设计、信号传输方案及数据分析策略为基于纳米发电机的自驱动移动医疗的研究及产业化应用打下了良好的基础。

在李舟心中，悬壶济世的梦想一直都没变，变的不过只是方法：从拿起手术刀，变成了走进实验室。