撰稿：阿經
校稿：Natt
隨著元宇宙概念的崛起，一個由信息構成的新世界展現在了人類的視野之中，伴隨而來的就是腦機接口在內的一系列生物電子醫學概念再次活躍于社會大眾的眼中。什么是生物電子醫學？生物電子醫學是干什么的？
所謂的生物電子醫學就是利用人體的無處不在的電信號來改善疾病的診斷和治療。這種方法可以說是從心臟起搏器問世就開始了，隨著技術的不斷發展現在已經擴展到耳蝸植入物、視網膜植入物、脊髓刺激器，甚至生物電子繃帶等多種多樣的設備。
在生物電子醫學中，神經活動的生物電子治療是最為重要的一個領域。神經活動的生物電子調節是治療許多疾病的強大工具，特別是當這些疾病無法用常規療法有效管理時。例如，刺激神經活動的電子設備可有效治療帕金森病，癲癇，慢性疼痛，聽力損失和癱瘓等疾病。這些裝置在植入體內時最有效，它們可以選擇性地刺激所需的神經目標;然而，植入的侵入性手術會給患者帶來額外的風險，同時部分生理結構難以達到。侵入性植入物還可能導致慢性炎癥等并發癥，從而進一步降低設備功能并導致故障。
近日，萊斯大學的Kaiyuan Yang與Jacob T. Robinson 以及德克薩斯大學麥戈文醫學院的Sunil A. Sheth等人共同開發了一種通過血管刺激周圍神經的毫米級電磁植入物。該器件可通過經皮導管輸送，并利用磁電材料實現可編程的數據與電力傳輸。將該裝置直接植入大鼠坐骨神經的頂部和豬的股動脈時，允許無線刺激動物的坐骨神經和股神經，同時可以通過體外磁場頻率編輯使得移植物釋放指定強度序列的電刺激，實現信號的輸入。
首先裝置要實現設備小型化（直徑＜3mm）的同時實現長時間運行，就需要拋棄笨重的電池供電設計，轉而用一種無線的方式進行供能。常見的無線供電方式如遠場射頻輻射、近場電感耦合、中場電磁、超聲波和光等都未被證明可以在數厘米深的組織中運行。而磁電技術的大功率密度與高不對中容忍度的特點使得這個技術可以有效運用于深層組織種的無線數據與功率傳輸。
在此基礎上，作者團隊使用層壓雙層設計構成磁電材料（ME），該材料由磁致伸縮層金屬玻璃Metglas和壓電層鈦酸鉛鋯（PZT）組成。當對材料施加磁場時，磁致伸縮材料產生形變導致壓電層表面出現位移，壓電層進而產生電場。因此，通過施加交變磁場，有效地為植入物提供電力，還可以通過調節所施加磁場的頻率將數據傳輸到植入物。通過ME將數據和功率輸出與定制專用集成電路（ASIC）相結合，實現了完全封裝時僅 3 × 2.15 × 14.8 mm3 的微型器件。
示意圖
ME-BIT的性能表征
為了研究通過磁場變化向移植物傳輸數據與電力，作者團隊設計了一個磁場發射器，功率水平保持在1W以下，實現了＞1mT的場強，可以實現4cm深度的安全供電。選擇了3個頻率進行數據傳輸，以最高電壓作為信號1以最低電壓作為信號0，以400kHz作為數據傳輸的開始信號，實現了4.6kbps的數據傳輸速率。
與其他毫米級植入物相比，基于磁電的功率傳輸方法顯示出對平移和角度不對中具有更好的容忍度。模擬表明，在組織中的深度為3厘米時測試15圈發射器線圈，發現確實可以為高于工作電壓（>3.6 Vpp）的ME薄膜供電，并且可以容忍線圈內徑6厘米不對中公差。這種錯位容差是最近報道的毫米級超聲供電植入物的27倍以上。這種高的不對中容忍對于未來開發的可穿戴式電刺激醫療設備開發有著巨大的意義。
圖 ME-BIT 的時序和功能圖
圖 ME功率傳輸與不對中容忍性表征
ME-BIT于動物模型中電刺激功能表征
為了證明作者提出概念，作者團隊對大鼠坐骨神經施以外部磁場，無線供電的ME-BITs會喚起大鼠可重復的復合肌肉動作電位（CMAPs）以及觀察到的大鼠腿部運動。植入物不僅能夠將其刺激幅度從0.3 V調整到3.3 V，它還能夠改變其脈沖寬度和頻率，以滿足不同神經調節應用的需求，并為不同患者提供靶向治療。
為了證明血管內神經刺激和臨床轉化的潛力，將ME-BIT植入豬體內，并使用無線供電設備從血管內演示了周圍神經刺激。將ME-BIT植入豬的股動脈，通過體外不同頻率磁場給予移植物信號，可以觀察到相應的CAMPs，證明了作者開發的毫米級移植物可以產生足夠功率的電刺激通過血管實現相鄰神經刺激，說明了此移植物有通過經血管微創植入脈管系統實現神經刺激的潛力。
圖 大鼠模型中的體內直接神經刺激
圖 豬模型中的血管內周圍神經刺激
小結
綜上所述，研究團隊開發了一種極具潛力的毫米級磁電生物移植物，可以有效提供針對神經的電刺激，有著優異的不對中容忍的與功率密度。
ME-BIT可以針對不同的磁場強度產生不同的電場強度，基于此特性，可以通過體外設計的編程性磁場信號實現不同病情不同治療目的的個體化神經刺激治療。同時可以通過血管刺激神經的功能，使得該移植物可以經皮導管完成移植。微創的手術術式，微小的移植裝置使得手術風險進一步下降。
但是，不得不提出的是，研究團隊并未研究此裝置在血管內是否會引發血栓等副作用，同時，此裝置的應用遠遠不止研究團隊所指出的刺激神經這么一種，電刺激信號廣泛存在于人體各處，如神經再生、心肌刺激等等方面都有巨大的應用潛力。此裝置的信號輸入特性也巨大的開發潛力，在此基礎上可以開發出更多的生物電子治療設備，推開了微創生物電子治療的大門
參考文獻：
Joshua C. Chen, Peter Kan, Zhanghao Yu, et al. A wireless millimetric magnetoelectric implant for the endovascular stimulation of peripheral nerves. Nat Biomed Eng . 2022 Mar 31.
https://www.nature.com/articles/s41551-022-00873-7
