導 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，可實現對脊髓和肌肉刺激的精細控制。該成果發表于《Nature Communications》。
1、研究背景
中樞和周圍神經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信號或增強神經可塑性促進康復。然而，該領域面臨的主要挑戰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為長期應用提供了解決方案，但當前系統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用，制造更為舒適的接口成為可能。這些柔性設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，傳統系統在應對不同應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，發展長期無線供電與控制的植入設備技術成為推動該領域應用的關鍵。
為克服這些挑戰，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。該設備通過被動諧振器優化的功率傳輸設計實現多通道、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，實現長期應用。
2、研究概述
基于功能化導電聚合物的設計，研究團隊設計了功能化聚苯胺基時序黏附水凝膠貼片。它可以實現心臟的同步機械生理監測和電耦合治療，并牢固附著在心臟表面監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化的功率傳輸技術，調整電感比和調整發射器與接收器之間的耦合，提高能量傳輸效率。其中采用結合無源諧振器和接收器的天線，應用強耦合磁共振系統概念，在所需電壓范圍內提供高功率傳輸。其次，結合柔性電子學技術和生物相容材料，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，以適應周圍的軟組織。通過設計脊狀島嶼和柔性互連的網絡，最小化器件對整體行為的影響。隨后，該設備應用特定集成電路設計電路，結合射頻移幅鍵控和紅外線調制，為植入物提供可靠的雙向通信，實現精確的電流和電壓控制。采用近場功率傳輸技術實現無線供電，消除外部電池和有線連接的需求。并設計相應的控制系統，以實現遠程精確控制和調節電刺激的目的（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、穩定性以及設備的長期可靠性。
圖1：無線通信、電極設計和表征（圖片來自原文）
為評估電刺激植入裝置的性能，研究人員將該設備完全植入大鼠背部和后腿，并提供不同程度的刺激。結果顯示，通過優化的無線供電系統，該設備在0.2cm²的體積內實現±20V的電壓兼容性，并提供超過300 mW的功率輸出。結合數字控制和遙測技術，可在自由行為的動物中實現多通道刺激操作（控制8個分布在外周和中樞神經系統基質的通道），并提供高達±24 mA的電流。初步的慢性實驗結果表明，在正常大鼠和脊髓受損大鼠中，該植入設備能夠持續運行超過6周，并產生對脊髓和肌肉刺激進行精細控制的效果。根據DeepLabCut對肢體運動學跟蹤的結果顯示，脊柱和肌肉部位誘發反應的幅度隨施加的電流系統的變化，從而產生可用于控制后肢運動的標準募集曲線。證實該植入設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有系統的局限性，具備高功率傳輸、電壓兼容性和電流控制刺激等特質。其提供的精確和多功能刺激適用于廣泛的應用領域。在健康和脊髓受傷動物中展現出一致的療效和穩定性，突顯了在治療和康復應用中的潛力。這一創新為神經電刺激康復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
