首个磁动力微型神经刺激器诞生：比一粒米还要小真正做到无创植入

图片来源：Jeff Fitlow/Rice University

莱斯大学的神经工程师发明了一种微型外科植入物，神奇之处在于不使用电池或有线电源的情况下就能用电刺激大脑和神经系统。

那么，它的能量从而来呢？

原来，这种神经刺激器是从磁能中获取能量，尺寸不超过一粒米的大小。这也是第一个磁动力神经刺激器，可以产生与临床批准的电池驱动植入物相同的高频信号，用于治疗癫痫、帕金森氏症、慢性疼痛和其他疾病。

这项研究于当地时间6月8日发表在《神经元》期刊的网站上，论文题目为“Magnetoelectric Materials for Miniature, Wireless Neural Stimulation at Therapeutic Frequencies”，用于治疗频率的微型、无线神经刺激的磁电材料。

这种微型外科植入物的关键成分是一种“磁电”材料薄膜，它可以将磁能直接转换成电压。这种方法避免了无线电波、超声波、光、甚至磁线圈的缺点，这些都曾被提议用于驱动微型无线植入物，并已被证明会干扰活组织或产生有害的热量。 

为了证明磁电技术的可行性，研究人员在啮齿动物身上证明了植入物的作用，这些啮齿动物是完全清醒的，可以自由地在它们的笼子里走动。

 “进行原理证明的演示真的很重要，因为从桌面演示到可能真正对治疗人类有用的演示，是一个巨大的技术飞跃。” 新研究的通讯作者、莱斯大新神经工程项目的成员雅各布·罗宾逊(Jacob Robinson)说，“我们的研究结果表明，使用磁电材料进行无线电力传输不仅仅是一个新颖的想法。这些材料还是临床级无线生物电子学的优秀候选材料。” 

能够调节大脑和神经系统活动的微型植入物可能具有广泛的意义。 虽然电池供电的植入物经常用于治疗癫痫患者并减轻帕金森氏病的震颤，但研究表明，神经刺激可以用于治疗抑郁症、强迫症，超过三分之一的人患有慢性、顽固性的痛苦，常常会导致焦虑、抑郁和阿片类药物成瘾。

罗宾逊还表示说，设备的小型化非常重要，因为使神经刺激疗法更广泛可用的关键是制造无电池的无线设备，该设备足够小，无需进行大手术即可植入。 他说，一粒米大小的设备可以用一种微创的方法植入体内几乎任何地方，类似于在堵塞的动脉中放置支架。

该研究的合著者和神经工程组织的成员Caleb Kemere说:“当你必须开发可以皮下植入小动物头骨的东西时，你的设计限制就会发生显著变化。在无限制的环境中将其用于啮齿动物，这迫使阿曼达·辛格（第一作者）将尺寸和体积降低到最小可能的程度。” 

在啮齿类动物的测试中，研究人员将设备放置在啮齿类动物的皮下，让它们在笼子里自由活动。这些啮齿类动物更喜欢待在磁场激活刺激器并向大脑奖励中心提供小电压的地方。

辛格是罗宾逊实验室的一名应用物理学学生，她通过将两种截然不同的材料层连接在单个薄膜中，解决了无线电源的问题。第一层是由铁、硼、硅和碳组成的磁致伸缩箔，放在磁场中会在分子水平上振动。第二种是压电晶体，它将机械应力直接转化为电压。

“磁场在磁致伸缩材料中产生应力。” 辛格说，“它不会让材料变得明显更大或更小，但它会产生声波，其中一些声波的共振频率会产生一种特殊的模式，我们称之为声学共振模式。”

磁致伸缩材料中的声共振是导致大型变压器发出嗡嗡声的原因。在辛格的植入物中，声学回响激活了薄膜的压电部分。

罗宾逊说，这种磁电薄膜可以获得大量电能，但其工作频率太高，对脑细胞影响不大。

“辛格解决的一个主要工程问题是创造出一种电路，以较低的频率调节细胞的活动，使其对细胞产生反应。” 罗宾逊说，“这和AM收音机的工作原理类似。你会听到这些非常高频的波，但它们被调制到你能听到的低频。” 

辛格说，创造一种可调节的双相信号，既能刺激神经元又不伤害它们，这是一个挑战，就像小型化一样。

“当我们第一次提交这篇论文时，我们还没有微型植入版本。”她说，“在那之前，最重要的事情是弄清楚如何得到我们用来刺激的双相信号，以及我们需要什么电路元件来做到这一点。”

“当我们收到第一次提交后的评论时，评论是这样的，‘好吧，你说你可以把它变小。所以，请让它变小。’”辛格说，“所以，我们又花了一年左右的时间把它做得很小，并证明它确实有效。这可能是最大的障碍。一开始，制造能够工作的小型设备非常困难。”

罗宾逊说，这项研究总共花了五年多的时间，主要是因为辛格几乎从头做起。

“这种电力传输技术没有基础设施。”他说，“如果你使用射频，你可以买射频天线和射频信号发生器。如果你在使用超声波，并不像有人说的那样，‘哦，顺便说一下，首先你得造出超声波机器。’”

“辛格必须建立起整个系统，从产生磁场的设备到将磁场转化为电压的分层薄膜，再到调节磁场并将其转化为临床应用的电路元件。她必须制造所有的东西，打包，放在动物体内，为体内实验创造测试环境和固定装置，并完成这些实验。除了磁致伸缩箔和压电晶体，在这个项目中没有任何东西可以从供应商那里购买。”

相关研究

今年2月，同样是来自莱斯大学的一个工程师团队（与上文研究团队部分成员重合）推出了首个可以通过磁场编程和远程充电的神经植入物。他们的突破可能使嵌入设备成为可能，例如可穿戴皮带上装上电池供电的磁性发射器的脊髓刺激装置。

这个集成的微系统，被称为MagNI(磁电神经植入)，包含了磁电传感器。这使得芯片能够从人体外部的交变磁场中获取能量。

该系统由电子与计算机工程副教授Kaiyuan Yang开发;电子计算机工程和生物工程副教授雅各布·罗宾逊;论文的共同第一作者Zhanghao Yu是一名研究生，Joshua Chen是研究生，他们都来自赖斯大学布朗工程学院。 

MagNI的目标是那些需要可编程的、电刺激神经元的应用程序，例如帮助癫痫或帕金森氏症患者。Kaiyuan Yang说:“这是第一次证明可以用磁场为植入体提供动力，也可以为植入体编程。通过将磁电传感器与互补金属氧化物半导体技术集成，我们为许多应用提供了生物电子平台。CMOS对于传感和信号处理任务来说是功能强大、高效和廉价的。”

他说，与目前的刺激方法(包括超声波、电磁辐射、感应耦合和光学技术)相比，MagNI具有明显的优势。

“人们已经演示了这种规模的神经刺激器，甚至更小。” Kaiyuan Yang说，“与电力和数据传输的主流方法相比，我们使用的磁电效应有很多好处。”

他说，组织不会像吸收其它类型的信号那样吸收磁场，也不会加热电磁、光辐射或感应耦合等组织。“超声波没有加热问题，但是声波会在不同介质的界面上反射，比如头发、皮肤、骨头和其他肌肉。”

因为磁场也传输控制信号，Kaiyuan Yang说MagNI也“校准自由和鲁棒。”“它不需要任何内部电压或定时参考。”

原型设备的组件位于柔性聚酰亚胺基板上，只有三个组件：一个2×4毫米的磁电薄膜，它将磁场转换为电场，一个CMOS芯片和一个临时存储能量的电容器。

该团队通过将芯片浸泡在溶液中，在空气和模拟组织环境的果冻状琼脂中进行测试，成功地测试了芯片的长期可靠性。

研究人员还通过刺激一种由罗宾逊实验室发明的章鱼状小生物Hydra vulgaris来验证这项技术。通过实验室的微流控设备对Hydra进行约束，他们能够看到与芯片接触所引发的收缩相关的荧光信号。该团队目前正在不同型号的设备上进行体内测试。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

原文资料：

https://medicalxpress.com/news/2020-06-rice-team-tiny-magnetically-powered.html

https://www.cell.com/neuron/pdf/S0896-6273(20)30365-2.pdf?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0896627320303652%3Fshowall%3Dtrue

https://techxplore.com/news/2020-02-magnet-controlled-bioelectronic-implant-relieve-pain.html