首個磁動力微型神經刺激器誕生:比一粒米還要小真正做到無創植入

圖片來源：Jeff Fitlow/Rice University

萊斯大學的神經工程師發明了一種微型外科植入物，神奇之處在於不使用電池或有線電源的情況下就能用電刺激大腦和神經系統。

那麼，它的能量從而來呢？

原來，這種神經刺激器是從磁能中獲取能量，尺寸不超過一粒米的大小。這也是第一個磁動力神經刺激器，可以產生與臨床批准的電池驅動植入物相同的高頻信號，用於治療癲癇、帕金森氏症、慢性疼痛和其他疾病。

這項研究於當地時間6月8日發表在《神經元》期刊的網站上，論文題目為「Magnetoelectric Materials for Miniature, Wireless Neural Stimulation at Therapeutic Frequencies」，用於治療頻率的微型、無線神經刺激的磁電材料。

這種微型外科植入物的關鍵成分是一種「磁電」材料薄膜，它可以將磁能直接轉換成電壓。這種方法避免了無線電波、超聲波、光、甚至磁線圈的缺點，這些都曾被提議用於驅動微型無線植入物，並已被證明會干擾活組織或產生有害的熱量。 

為了證明磁電技術的可行性，研究人員在齧齒動物身上證明了植入物的作用，這些齧齒動物是完全清醒的，可以自由地在它們的籠子裡走動。

 「進行原理證明的演示真的很重要，因為從桌面演示到可能真正對治療人類有用的演示，是一個巨大的技術飛躍。」 新研究的通訊作者、萊斯大新神經工程項目的成員雅各布·羅賓遜(Jacob Robinson)說，「我們的研究結果表明，使用磁電材料進行無線電力傳輸不僅僅是一個新穎的想法。這些材料還是臨床級無線生物電子學的優秀候選材料。」 

能夠調節大腦和神經系統活動的微型植入物可能具有廣泛的意義。 雖然電池供電的植入物經常用於治療癲癇患者並減輕帕金森氏病的震顫，但研究表明，神經刺激可以用於治療抑鬱症、強迫症，超過三分之一的人患有慢性、頑固性的痛苦，常常會導致焦慮、抑鬱和阿片類藥物成癮。

羅賓遜還表示說，設備的小型化非常重要，因為使神經刺激療法更廣泛可用的關鍵是製造無電池的無線設備，該設備足夠小，無需進行大手術即可植入。 他說，一粒米大小的設備可以用一種微創的方法植入體內幾乎任何地方，類似於在堵塞的動脈中放置支架。

該研究的合著者和神經工程組織的成員Caleb Kemere說:「當你必須開發可以皮下植入小動物頭骨的東西時，你的設計限制就會發生顯著變化。在無限制的環境中將其用於齧齒動物，這迫使阿曼達·辛格（第一作者）將尺寸和體積降低到最小可能的程度。」 

在嚙齒類動物的測試中，研究人員將設備放置在嚙齒類動物的皮下，讓它們在籠子裡自由活動。這些嚙齒類動物更喜歡待在磁場激活刺激器並向大腦獎勵中心提供小電壓的地方。

辛格是羅賓遜實驗室的一名應用物理學學生，她通過將兩種截然不同的材料層連接在單個薄膜中，解決了無線電源的問題。第一層是由鐵、硼、矽和碳組成的磁致伸縮箔，放在磁場中會在分子水平上振動。第二種是壓電晶體，它將機械應力直接轉化為電壓。

「磁場在磁致伸縮材料中產生應力。」 辛格說，「它不會讓材料變得明顯更大或更小，但它會產生聲波，其中一些聲波的共振頻率會產生一種特殊的模式，我們稱之為聲學共振模式。」

磁致伸縮材料中的聲共振是導致大型變壓器發出嗡嗡聲的原因。在辛格的植入物中，聲學迴響激活了薄膜的壓電部分。

羅賓遜說，這種磁電薄膜可以獲得大量電能，但其工作頻率太高，對腦細胞影響不大。

「辛格解決的一個主要工程問題是創造出一種電路，以較低的頻率調節細胞的活動，使其對細胞產生反應。」 羅賓遜說，「這和AM收音機的工作原理類似。你會聽到這些非常高頻的波，但它們被調製到你能聽到的低頻。」 

辛格說，創造一種可調節的雙相信號，既能刺激神經元又不傷害它們，這是一個挑戰，就像小型化一樣。

「當我們第一次提交這篇論文時，我們還沒有微型植入版本。」她說，「在那之前，最重要的事情是弄清楚如何得到我們用來刺激的雙相信號，以及我們需要什麼電路元件來做到這一點。」

「當我們收到第一次提交後的評論時，評論是這樣的，『好吧，你說你可以把它變小。所以，請讓它變小。』」辛格說，「所以，我們又花了一年左右的時間把它做得很小，並證明它確實有效。這可能是最大的障礙。一開始，製造能夠工作的小型設備非常困難。」

羅賓遜說，這項研究總共花了五年多的時間，主要是因為辛格幾乎從頭做起。

「這種電力傳輸技術沒有基礎設施。」他說，「如果你使用射頻，你可以買射頻天線和射頻信號發生器。如果你在使用超聲波，並不像有人說的那樣，『哦，順便說一下，首先你得造出超聲波機器。』」

「辛格必須建立起整個系統，從產生磁場的設備到將磁場轉化為電壓的分層薄膜，再到調節磁場並將其轉化為臨床應用的電路元件。她必須製造所有的東西，打包，放在動物體內，為體內實驗創造測試環境和固定裝置，並完成這些實驗。除了磁致伸縮箔和壓電晶體，在這個項目中沒有任何東西可以從供應商那裡購買。」

相關研究

今年2月，同樣是來自萊斯大學的一個工程師團隊（與上文研究團隊部分成員重合）推出了首個可以通過磁場編程和遠程充電的神經植入物。他們的突破可能使嵌入設備成為可能，例如可穿戴皮帶上裝上電池供電的磁性發射器的脊髓刺激裝置。

這個集成的微系統，被稱為MagNI(磁電神經植入)，包含了磁電傳感器。這使得晶片能夠從人體外部的交變磁場中獲取能量。

該系統由電子與計算機工程副教授Kaiyuan Yang開發;電子計算機工程和生物工程副教授雅各布·羅賓遜;論文的共同第一作者Zhanghao Yu是一名研究生，Joshua Chen是研究生，他們都來自賴斯大學布朗工程學院。 

MagNI的目標是那些需要可編程的、電刺激神經元的應用程式，例如幫助癲癇或帕金森氏症患者。Kaiyuan Yang說:「這是第一次證明可以用磁場為植入體提供動力，也可以為植入體編程。通過將磁電傳感器與互補金屬氧化物半導體技術集成，我們為許多應用提供了生物電子平臺。CMOS對於傳感和信號處理任務來說是功能強大、高效和廉價的。」

他說，與目前的刺激方法(包括超聲波、電磁輻射、感應耦合和光學技術)相比，MagNI具有明顯的優勢。

「人們已經演示了這種規模的神經刺激器，甚至更小。」 Kaiyuan Yang說，「與電力和數據傳輸的主流方法相比，我們使用的磁電效應有很多好處。」

他說，組織不會像吸收其它類型的信號那樣吸收磁場，也不會加熱電磁、光輻射或感應耦合等組織。「超聲波沒有加熱問題，但是聲波會在不同介質的界面上反射，比如頭髮、皮膚、骨頭和其他肌肉。」

因為磁場也傳輸控制信號，Kaiyuan Yang說MagNI也「校準自由和魯棒。」「它不需要任何內部電壓或定時參考。」

原型設備的組件位於柔性聚醯亞胺基板上，只有三個組件：一個2×4毫米的磁電薄膜，它將磁場轉換為電場，一個CMOS晶片和一個臨時存儲能量的電容器。

該團隊通過將晶片浸泡在溶液中，在空氣和模擬組織環境的果凍狀瓊脂中進行測試，成功地測試了晶片的長期可靠性。

研究人員還通過刺激一種由羅賓遜實驗室發明的章魚狀小生物Hydra vulgaris來驗證這項技術。通過實驗室的微流控設備對Hydra進行約束，他們能夠看到與晶片接觸所引發的收縮相關的螢光信號。該團隊目前正在不同型號的設備上進行體內測試。

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

原文資料：

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

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