導(dǎo) 語
近日，亞利桑那大學研究人員提出一種全植入式、無電池的高功率刺激裝置，可實現(xiàn)對脊髓和肌肉刺激的精細控制。該成果發(fā)表于《Nature Communications》。
1、研究背景
中樞和周圍神經(jīng)電刺激已成為治療多種疾病的有效方法，其通過替代丟失的電神經(jīng)信號或增強神經(jīng)可塑性促進康復(fù)。然而，該領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)之一是如何可靠地提供和維持所需的電源，以滿足治療效果所需的電流和電壓。對于小型動物實驗，傳統(tǒng)的外部電纜連接方式存在感染風險且限制活動自由。盡管近場電力傳輸系統(tǒng)為長期應(yīng)用提供了解決方案，但當前系統(tǒng)的功率收集仍然受到限制，急需提高在慢性電刺激下的傳輸功率。
隨著新型柔性電路和生物相容性材料的應(yīng)用，制造更為舒適的接口成為可能。這些柔性設(shè)備幾乎無法被宿主察覺，同時具有強大的生物相容性，適用于長期使用。然而，傳統(tǒng)系統(tǒng)在應(yīng)對不同應(yīng)用中的電流和電壓需求方面存在限制，無法提供多功能編程，缺乏通用平臺。因此，發(fā)展長期無線供電與控制的植入設(shè)備技術(shù)成為推動該領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。
為克服這些挑戰(zhàn)，亞利桑那大學提出一種全植入式、無電池的高功率電刺激裝置。該設(shè)備通過被動諧振器優(yōu)化的功率傳輸設(shè)計實現(xiàn)多通道、雙相、電流控制操作。采用柔性電子制造，最大限度減少對動物行為的干擾，實現(xiàn)長期應(yīng)用。
2、研究概述
基于功能化導(dǎo)電聚合物的設(shè)計，研究團隊設(shè)計了功能化聚苯胺基時序黏附水凝膠貼片。它可以實現(xiàn)心臟的同步機械生理監(jiān)測和電耦合治療，并牢固附著在心臟表面監(jiān)測心臟的機械運動和電活動。
首先，研究人員采用無源諧振器優(yōu)化的功率傳輸技術(shù)，調(diào)整電感比和調(diào)整發(fā)射器與接收器之間的耦合，提高能量傳輸效率。其中采用結(jié)合無源諧振器和接收器的天線，應(yīng)用強耦合磁共振系統(tǒng)概念，在所需電壓范圍內(nèi)提供高功率傳輸。其次，結(jié)合柔性電子學技術(shù)和生物相容材料，制造靈活電子器件。器件由聚酰亞胺背襯的雙層柔性電路板和填充集成電路的鍍金銅跡線組成，以適應(yīng)周圍的軟組織。通過設(shè)計脊狀島嶼和柔性互連的網(wǎng)絡(luò)，最小化器件對整體行為的影響。隨后，該設(shè)備應(yīng)用特定集成電路設(shè)計電路，結(jié)合射頻移幅鍵控和紅外線調(diào)制，為植入物提供可靠的雙向通信，實現(xiàn)精確的電流和電壓控制。采用近場功率傳輸技術(shù)實現(xiàn)無線供電，消除外部電池和有線連接的需求。并設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)遠程精確控制和調(diào)節(jié)電刺激的目的（圖1）。最后進行必要的測試和驗證，包括功率傳輸效率、電流和電壓控制的準確性、穩(wěn)定性以及設(shè)備的長期可靠性。
圖1：無線通信、電極設(shè)計和表征（圖片來自原文）
為評估電刺激植入裝置的性能，研究人員將該設(shè)備完全植入大鼠背部和后腿，并提供不同程度的刺激。結(jié)果顯示，通過優(yōu)化的無線供電系統(tǒng)，該設(shè)備在0.2cm²的體積內(nèi)實現(xiàn)±20V的電壓兼容性，并提供超過300 mW的功率輸出。結(jié)合數(shù)字控制和遙測技術(shù)，可在自由行為的動物中實現(xiàn)多通道刺激操作（控制8個分布在外周和中樞神經(jīng)系統(tǒng)基質(zhì)的通道），并提供高達±24 mA的電流。初步的慢性實驗結(jié)果表明，在正常大鼠和脊髓受損大鼠中，該植入設(shè)備能夠持續(xù)運行超過6周，并產(chǎn)生對脊髓和肌肉刺激進行精細控制的效果。根據(jù)DeepLabCut對肢體運動學跟蹤的結(jié)果顯示，脊柱和肌肉部位誘發(fā)反應(yīng)的幅度隨施加的電流系統(tǒng)的變化，從而產(chǎn)生可用于控制后肢運動的標準募集曲線。證實該植入設(shè)備能夠精確控制施加于脊柱和肌肉部位的刺激的時間和幅度（圖2）。
圖2：刺激程序與誘發(fā)的運動學（圖片來自原文）
3、研究意義
該全植入式、無電池的高功率刺激裝置克服了現(xiàn)有系統(tǒng)的局限性，具備高功率傳輸、電壓兼容性和電流控制刺激等特質(zhì)。其提供的精確和多功能刺激適用于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。在健康和脊髓受傷動物中展現(xiàn)出一致的療效和穩(wěn)定性，突顯了在治療和康復(fù)應(yīng)用中的潛力。這一創(chuàng)新為神經(jīng)電刺激康復(fù)研究帶來潛在的臨床意義。
參考文獻：
Burton, A., Wang, Z., Song, D. et al. Fully implanted battery-free high power platform for chronic spinal and muscular functional electrical stimulation. Nat Commun 14, 7887 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-43669-2
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