导 语
近日，亚利桑那大学研究人员提出一种全植入式、无电池的高功率刺激装置，可实现对脊髓和肌肉刺激的精细控制。该成果发表于《Nature Communications》。
1、研究背景
中枢和周围神经电刺激已成为治疗多种疾病的有效方法，其通过替代丢失的电神经信号或增强神经可塑性促进康复。然而，该领域面临的主要挑战之一是如何可靠地提供和维持所需的电源，以满足治疗效果所需的电流和电压。对于小型动物实验，传统的外部电缆连接方式存在感染风险且限制活动自由。尽管近场电力传输系统为长期应用提供了解决方案，但当前系统的功率收集仍然受到限制，急需提高在慢性电刺激下的传输功率。
随着新型柔性电路和生物相容性材料的应用，制造更为舒适的接口成为可能。这些柔性设备几乎无法被宿主察觉，同时具有强大的生物相容性，适用于长期使用。然而，传统系统在应对不同应用中的电流和电压需求方面存在限制，无法提供多功能编程，缺乏通用平台。因此，发展长期无线供电与控制的植入设备技术成为推动该领域应用的关键。
为克服这些挑战，亚利桑那大学提出一种全植入式、无电池的高功率电刺激装置。该设备通过被动谐振器优化的功率传输设计实现多通道、双相、电流控制操作。采用柔性电子制造，最大限度减少对动物行为的干扰，实现长期应用。
2、研究概述
基于功能化导电聚合物的设计，研究团队设计了功能化聚苯胺基时序黏附水凝胶贴片。它可以实现心脏的同步机械生理监测和电耦合治疗，并牢固附着在心脏表面监测心脏的机械运动和电活动。
首先，研究人员采用无源谐振器优化的功率传输技术，调整电感比和调整发射器与接收器之间的耦合，提高能量传输效率。其中采用结合无源谐振器和接收器的天线，应用强耦合磁共振系统概念，在所需电压范围内提供高功率传输。其次，结合柔性电子学技术和生物相容材料，制造灵活电子器件。器件由聚酰亚胺背衬的双层柔性电路板和填充集成电路的镀金铜迹线组成，以适应周围的软组织。通过设计脊状岛屿和柔性互连的网络，最小化器件对整体行为的影响。随后，该设备应用特定集成电路设计电路，结合射频移幅键控和红外线调制，为植入物提供可靠的双向通信，实现精确的电流和电压控制。采用近场功率传输技术实现无线供电，消除外部电池和有线连接的需求。并设计相应的控制系统，以实现远程精确控制和调节电刺激的目的（图1）。最后进行必要的测试和验证，包括功率传输效率、电流和电压控制的准确性、稳定性以及设备的长期可靠性。
图1：无线通信、电极设计和表征（图片来自原文）
为评估电刺激植入装置的性能，研究人员将该设备完全植入大鼠背部和后腿，并提供不同程度的刺激。结果显示，通过优化的无线供电系统，该设备在0.2cm²的体积内实现±20V的电压兼容性，并提供超过300 mW的功率输出。结合数字控制和遥测技术，可在自由行为的动物中实现多通道刺激操作（控制8个分布在外周和中枢神经系统基质的通道），并提供高达±24 mA的电流。初步的慢性实验结果表明，在正常大鼠和脊髓受损大鼠中，该植入设备能够持续运行超过6周，并产生对脊髓和肌肉刺激进行精细控制的效果。根据DeepLabCut对肢体运动学跟踪的结果显示，脊柱和肌肉部位诱发反应的幅度随施加的电流系统的变化，从而产生可用于控制后肢运动的标准募集曲线。证实该植入设备能够精确控制施加于脊柱和肌肉部位的刺激的时间和幅度（图2）。
图2：刺激程序与诱发的运动学（图片来自原文）
3、研究意义
该全植入式、无电池的高功率刺激装置克服了现有系统的局限性，具备高功率传输、电压兼容性和电流控制刺激等特质。其提供的精确和多功能刺激适用于广泛的应用领域。在健康和脊髓受伤动物中展现出一致的疗效和稳定性，突显了在治疗和康复应用中的潜力。这一创新为神经电刺激康复研究带来潜在的临床意义。
参考文献：
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
