心肌梗死(MI)是发病率和死亡率的罪魁祸首。MI发生时，由于心肌细胞(CMs)弱的再生能力，梗死心肌出现电活动盲区，导致电生理和结构重构，这是心源性猝死的主要原因。导电心脏补片(CCPs)可以重建梗死心肌的电活性微环境，但其修复作用主要依赖于携带的种子细胞或药物。心梗修复成功的关键是将电刺激与CCP创造的微环境有效地结合。此外，由于心脏病患者高的再入院率，一个远程的医疗设备将为成功的修复奠定基础。

2024年5月16日，广州医科大学王乐禹教授及加拿大曼尼托巴大学Malcolm Xing教授等团队报道了一种微型自供电仿生三位一体的摩擦电纳米发电机（TRI-TENG），它具有独特的双间隔结构，集合了能量收集、心梗治疗和信号监测三种功能于一体（图1）。摩擦电纳米发电机导电心脏贴片（TCP）可以改善梗死心脏的电活动，并显著提高小型猪梗死心脏的心功能。同时，该TCP还可以通过蓝牙装置将监测到的心电信号无线传送到移动设备上进行诊断。大鼠心脏RNA测序结果显示，这种三位一体的TCP在体内主要调控心肌收缩相关、能量代谢相关、血管调节相关的mRNA表达。这项研究正在产生一种真正集成了功能性心脏贴片的电刺激和自供电电子护理远程诊断传感器的设备。该研究成果“E-cardiac patch to sense and repair infarcted myocardium”为题发表在Nature Communications上。

研究者制备的摩擦电纳米发电机，具有独特的双间隔结构，第一个间隔位于心肌上，将其作为TRI-TENG的一个组成部分。由第一个间隔片构建的PDA-rGO电极可以作为产生摩擦电荷的摩擦电极，同时作为治疗电极可以在心肌上建立电场，避免了对额外治疗电极的需求。第二个间隔层位于PDA-rGO电极的顶部，促进了PDA-rGO与另外一个摩擦电层的接触和分离(图1)。

图1. TRI-TENG的制备、表征、作用机理及应用前景。

进一步研究了TRI-TENG作为体内心脏传感装置的性能，在活体猪心脏和Langendorff灌流离体大鼠心脏中同时记录心电信号和TRI-TENG的电输出电压，结果发现TRI-TENG输出的开路电压（V_OC）的波动频率与心电图的心跳频率一致，并且V_OC会随着心跳频率减慢或加快也显著下降或上升。无线传输是用于治疗后监测的植入式传感器必不可少的。考虑到TRI-TENG能够灵敏地检测正常心脏和缺血心脏的电压变化，作者利用外部装置(Pokit meter)检测并无线传输大鼠心脏在不同状态下驱动TRI-TENG的体内输出电压信号，并通过手机接收无线传输的信号进行实时分析(图2)。

图2. TRI-TENG作为活体实时心电传感器的应用潜力。

为了评估TRI-TENG对心脏电生理的影响，通过电标测和光标测技术检测和分析了左室壁的电活动。如图3A, D，可以发现MI后出现了电信号不均匀传导、传导速度减慢的现象，而TRI-TENG可显著加速健康心肌和梗死心肌之间的兴奋传导，TRI-TENG移植在移植组中获得了最高的传导速度。MI延长了APD90和CaD90，经TRI-TENG移植修复4周后，缺血心肌紊乱的电生理功能恢复，延长的APD90和CaD90明显降低（图3）。TRI-TENG在增强电活性方面的优异表现暗示了其对损伤的心肌组织有很好的修复作用，研究发现心脏贴片移植4周后，对小型猪梗死模型的梗死心脏均具有促进血管再生、提高心功能的修复效（图4）。

图3. 心脏贴片移植四周后，促进梗死心脏的电生理恢复。

图4. TRI-TENG心脏贴片对小型猪心肌梗死的治疗效果。

【小结】

综上所述，作者开发的摩擦电纳米发电机心脏贴片展示了心脏贴片、TENG供电电极和传感器作为一个设备的三个方面的统一性。具体来说，该TCP具有三个功能：(i)作为治疗电极，向梗死组织传递电刺激，促进正常组织和梗死组织之间的电信号传输；(ii)将生物机械能转换为电能；(iii)作为潜在的无线诊断设备。利用电导率和发电机的组合特性，TCP通过增强的电活动重建对小型猪心肌梗死模型的梗死心脏产生显著的修复作用，超过了最近报道的小型猪心肌梗死治疗方法的治疗效果。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-48468-x