撰稿：阿经
校稿：Natt
随着元宇宙概念的崛起，一个由信息构成的新世界展现在了人类的视野之中，伴随而来的就是脑机接口在内的一系列生物电子医学概念再次活跃于社会大众的眼中。什么是生物电子医学？生物电子医学是干什么的？
所谓的生物电子医学就是利用人体的无处不在的电信号来改善疾病的诊断和治疗。这种方法可以说是从心脏起搏器问世就开始了，随着技术的不断发展现在已经扩展到耳蜗植入物、视网膜植入物、脊髓刺激器，甚至生物电子绷带等多种多样的设备。
在生物电子医学中，神经活动的生物电子治疗是最为重要的一个领域。神经活动的生物电子调节是治疗许多疾病的强大工具，特别是当这些疾病无法用常规疗法有效管理时。例如，刺激神经活动的电子设备可有效治疗帕金森病，癫痫，慢性疼痛，听力损失和瘫痪等疾病。这些装置在植入体内时最有效，它们可以选择性地刺激所需的神经目标;然而，植入的侵入性手术会给患者带来额外的风险，同时部分生理结构难以达到。侵入性植入物还可能导致慢性炎症等并发症，从而进一步降低设备功能并导致故障。
近日，莱斯大学的Kaiyuan Yang与Jacob T. Robinson 以及德克萨斯大学麦戈文医学院的Sunil A. Sheth等人共同开发了一种通过血管刺激周围神经的毫米级电磁植入物。该器件可通过经皮导管输送，并利用磁电材料实现可编程的数据与电力传输。将该装置直接植入大鼠坐骨神经的顶部和猪的股动脉时，允许无线刺激动物的坐骨神经和股神经，同时可以通过体外磁场频率编辑使得移植物释放指定强度序列的电刺激，实现信号的输入。
首先装置要实现设备小型化（直径＜3mm）的同时实现长时间运行，就需要抛弃笨重的电池供电设计，转而用一种无线的方式进行供能。常见的无线供电方式如远场射频辐射、近场电感耦合、中场电磁、超声波和光等都未被证明可以在数厘米深的组织中运行。而磁电技术的大功率密度与高不对中容忍度的特点使得这个技术可以有效运用于深层组织种的无线数据与功率传输。
在此基础上，作者团队使用层压双层设计构成磁电材料（ME），该材料由磁致伸缩层金属玻璃Metglas和压电层钛酸铅锆（PZT）组成。当对材料施加磁场时，磁致伸缩材料产生形变导致压电层表面出现位移，压电层进而产生电场。因此，通过施加交变磁场，有效地为植入物提供电力，还可以通过调节所施加磁场的频率将数据传输到植入物。通过ME将数据和功率输出与定制专用集成电路（ASIC）相结合，实现了完全封装时仅 3 × 2.15 × 14.8 mm³ 的微型器件。
示意图
ME-BIT的性能表征
为了研究通过磁场变化向移植物传输数据与电力，作者团队设计了一个磁场发射器，功率水平保持在1W以下，实现了＞1mT的场强，可以实现4cm深度的安全供电。选择了3个频率进行数据传输，以最高电压作为信号1以最低电压作为信号0，以400kHz作为数据传输的开始信号，实现了4.6kbps的数据传输速率。
与其他毫米级植入物相比，基于磁电的功率传输方法显示出对平移和角度不对中具有更好的容忍度。模拟表明，在组织中的深度为3厘米时测试15圈发射器线圈，发现确实可以为高于工作电压（>3.6 Vpp）的ME薄膜供电，并且可以容忍线圈内径6厘米不对中公差。这种错位容差是最近报道的毫米级超声供电植入物的27倍以上。这种高的不对中容忍对于未来开发的可穿戴式电刺激医疗设备开发有着巨大的意义。
图 ME-BIT 的时序和功能图
图 ME功率传输与不对中容忍性表征
ME-BIT于动物模型中电刺激功能表征
为了证明作者提出概念，作者团队对大鼠坐骨神经施以外部磁场，无线供电的ME-BITs会唤起大鼠可重复的复合肌肉动作电位（CMAPs）以及观察到的大鼠腿部运动。植入物不仅能够将其刺激幅度从0.3 V调整到3.3 V，它还能够改变其脉冲宽度和频率，以满足不同神经调节应用的需求，并为不同患者提供靶向治疗。
为了证明血管内神经刺激和临床转化的潜力，将ME-BIT植入猪体内，并使用无线供电设备从血管内演示了周围神经刺激。将ME-BIT植入猪的股动脉，通过体外不同频率磁场给予移植物信号，可以观察到相应的CAMPs，证明了作者开发的毫米级移植物可以产生足够功率的电刺激通过血管实现相邻神经刺激，说明了此移植物有通过经血管微创植入脉管系统实现神经刺激的潜力。
图 大鼠模型中的体内直接神经刺激
图 猪模型中的血管内周围神经刺激
小结
综上所述，研究团队开发了一种极具潜力的毫米级磁电生物移植物，可以有效提供针对神经的电刺激，有着优异的不对中容忍的与功率密度。
ME-BIT可以针对不同的磁场强度产生不同的电场强度，基于此特性，可以通过体外设计的编程性磁场信号实现不同病情不同治疗目的的个体化神经刺激治疗。同时可以通过血管刺激神经的功能，使得该移植物可以经皮导管完成移植。微创的手术术式，微小的移植装置使得手术风险进一步下降。
但是，不得不提出的是，研究团队并未研究此装置在血管内是否会引发血栓等副作用，同时，此装置的应用远远不止研究团队所指出的刺激神经这么一种，电刺激信号广泛存在于人体各处，如神经再生、心肌刺激等等方面都有巨大的应用潜力。此装置的信号输入特性也巨大的开发潜力，在此基础上可以开发出更多的生物电子治疗设备，推开了微创生物电子治疗的大门
参考文献：
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
