基于磁电效应的分布式无电池生物电子植入体网络功率传输效率提升
微型植入物网络可实现对心脏、中枢神经系统或周围神经系统等不同部位的同步感知与刺激。这种能力将支持精准的疾病追踪与治疗，或实现具有多自由度的假体技术。然而，无线能量传输和数据传输在生物组织中通常效率低下，尤其是随着植入设备数量的增加。本文研究表明，磁电无线数据与能量传输技术可支持毫米级生物电子植入物网络，且系统效率随设备数量增加而提升。我们展示了由1至6个植入物组成的无线无电池网络，系统总效率从0.2%提升至1.3%，每个节点在1厘米距离下可接收2.2毫瓦能量。通过高效稳定的无线能量传输技术，我们在大型动物中验证了微型脊髓刺激器与心脏起搏装置的概念验证网络。这些磁电植入物为下一代电子医学提供了可扩展的生物电子植入物网络架构。
文章创新点：
核心技术原理创新：首次实现“系统效率随植入物数量增加而提升”的无线传输，颠覆传统认知，解决规模化发展瓶颈。
系统架构与性能创新：构建可扩展网络架构，由多达6个毫米级、无线、无电池植入物协同工作；验证高效磁电无线能量与数据传输，1厘米组织距离下为节点供能2.2毫瓦，系统总效率提升。
应用与验证创新：在大型动物模型中实现多器官概念验证，演示用于脊髓刺激和心脏起搏的微型装置网络；为下一代电子医学开辟新范式，奠定精准疾病追踪治疗及多自由度假肢控制等技术基础。
该研究根本创新在于“网络效应”，使生物电子植入物迈向“网络化”时代，为电子医学发展提供新路径。
研究背景
增加体内刺激和记录位点数量并精准投射到特定解剖靶点，可改进电神经调节治疗效果。但构建个性化生物电子网络受限于IPG可连接触点数量，FDA批准的设备每台IPG最多支持4根导线。分布式无线生物电子设备网络无需体内布线，可实现数十个植入设备协同工作，近年来创新无线能量传输（WPT）技术已研发出微型生物电子植入物，但这些技术很少在大型动物模型中测试。
为最大化独立节点数量，可将植入物微型化至微米级并开发相应通信协议，但微型植入物能量传输能力有限。实现少数分布式节点接收数十毫瓦功率且能在体内数厘米范围内通信，对许多临床应用有益。射频无线能量传输在微型化设备中有效传输距离仅数毫米，近场感应耦合难以给微型化设备供电，超声、光和中场无线能量传输技术扩展至多个植入设备面临挑战，神经颗粒网络等系统也有局限性。
磁电（ME）无线能量传输有望支持构建可扩展生物电子网络：其一，可向毫米级生物电子植入物输送超高功率密度，因采用机械谐振器作接收器，能量传输效率随尺寸线性缩放；其二，设备工作频率为数百千赫兹，可在不超出人体暴露安全限值前提下提高发射功率；其三，无需将能量聚焦于每个接收器，有数厘米平移错位容差和近±30°角度错位容差。只要植入设备在发射器磁场范围内，即可在不同位置、角度和深度添加多个设备并同时供电，无需发射器额外增加功率。为验证，我们通过增加磁电接收元件数量表征功率传输效率，构建了由单个发射器供电和控制的12个无线无源设备网络，并在大型动物体内验证了可编程数字生物电子植入物网络的可行性。
研究流程
用环氧树脂将压电陶瓷（PZT）与金属玻璃（Metglas）粘成三层叠层结构（PZT两侧为Metglas），用飞秒激光切割成7.5×3立方毫米独立薄膜，切割采用对称图案。切割后测试谐振性能，保留开路峰峰值电压超25伏的样品（约80%合格），不合格因手工涂覆环氧树脂致粘合力和厚度有差异。因含铅等材料，需封装避免与组织或生物流体直接接触，此前研究证明玻璃封装的ME材料可在猪体内安全使用30天。
发射线圈（TX）用18 AWG利兹线制作，以1密耳厚聚酰亚胺胶带绝缘；通过高电流兼容电容调谐至LC谐振状态，由基于Apex SA310芯片的定制全H桥驱动器驱动。H桥控制信号由Analog Discovery 2中的自定义脚本和NUCLEO-H755ZI-Q开发板的定制固件生成。
设计定制印刷电路板组件，含肖特基二极管桥式整流器等，用于从ME薄膜接收能量并数字控制LED。ME薄膜（7.5×3立方毫米）通过聚四氟乙烯涂层铜线和导电环氧树脂连接至印刷电路板，折叠后与电路板平行放置；用钕磁铁将薄膜偏置至最佳谐振状态；用热缩管包裹薄膜并粘在电路板边缘保护。发射端采用单层平面螺旋线圈，优化后产生直径5厘米均匀磁场区域为薄膜供电，调谐至串联LC谐振状态，匹配薄膜220千赫兹谐振频率，发射功率10瓦，线圈表面磁场强度2毫特斯拉。逻辑控制由Analog Discovery Pro函数发生器实现，闪烁触发频率100赫兹、脉冲宽度1毫秒。此外，通过COMSOL Multiphysics模拟计算比吸收率（SAR），不同组织层的平均和最大SAR值均低于2瓦/千克安全限值。
用与闪烁网络演示相同的发射线圈，将6个薄膜置于发射线圈下方，测量输出交流电压，发射线圈输出功率保持1瓦。结果显示，从线圈到薄膜的PTE随薄膜数量增加呈线性增长，单个薄膜接收2.2毫瓦（PTE为0.22%），6个薄膜共接收2.2–13.2毫瓦（整个网络PTE约1.3%）。计算单个ME薄膜和ME薄膜网络的PTE时，将发射线圈功率与网络中每个ME薄膜的接收功率之和比较。
用交变磁场探头测量线圈下方不同位置磁场强度，与ME薄膜电压对比，ME薄膜接收电压与轴向磁场呈线性关系，对应PTE与磁场轴向分量的二次关系。在COMSOL Multiphysics中模拟发射线圈产生的磁场，结果与实验测得的轴向磁场值高度匹配，绘制体积效率分布。用相同模型计算发射线圈电感随网络规模的变化。
采用Woods等人所述的相同印刷电路板等制作硬膜外脊髓刺激（SCS）设备，手工组装两块印刷电路板面板并连接，测试设备功能后连接ME薄膜，固定钕偏置磁铁将ME薄膜偏置至最佳长度谐振模式。设备固件设计实现单独寻址。将经皮SCS导线末端触点连接至电路板的刺激触点，封装设备用于临时植入并测试。将设备置于特氟龙块上，用双层扁平线圈供电，用两台四通道示波器同时测量所有6个设备的输出。体内测试中，使用相同发射线圈和输出功率，通过用户界面实时控制刺激参数。
动物实验遵循相关规定，使用两只3月龄雌性尤卡坦小型猪，预麻醉后机械通气维持麻醉，进行椎板切除术植入经皮导线，电生理测试前改为全静脉麻醉方案。用皮下针电极记录肌电图（EMG），提取活动窗口，带通滤波数据，呈现EMG信号，绘制募集曲线，使用小波分解可视化不同通道的募集差异。
心脏起搏设备电路与“闪烁网络演示”部分相同，移除LED和2千欧电阻，制作3个设备按预期放置位置颜色编码。连接ME叠层至电路板，用钕磁铁偏置薄膜，焊接不锈钢针电极至电路板，将设备插入聚氨酯导管并密封。通过调制发射线圈通断时序发送3位通信数据包，实现3个位点单独起搏和LV、RV同时起搏。制作心脏运动模拟器表征起搏可靠性，设备由双层发射线圈供电。
动物实验遵循相关规定，在诱导心力衰竭的猪模型（n=3）中验证系统。植入双腔起搏器连接RV心尖部导线诱导心力衰竭，当LVEF降至35%以下时，动物用于非存活研究。动物麻醉后进行正中胸骨切开术，在右心房、右心室和左心室植入起搏节点提供双心室起搏，对不同动物进行不同测试并分析数据。
有关研究设计更多信息，参阅本文附带的《自然》系列报告摘要。
支持本研究结果的主要数据在论文及其补充信息中。图2a、c、d，图3b、d和图4f的原始数据可通过figshare获取。
结果解析
一个由无线、无电池、ME供电的设备组成的网络
ME网络的扩展极限
用于硬膜外脊髓电刺激的无线网络
用于心脏起搏的无线网络
研究结论
本研究展示磁电（ME）能量在构建可扩展无线无源神经刺激设备网络上的潜力。220千赫兹磁场在生物组织中损耗低，磁电设备可借毫特斯拉级磁场供电，此类磁场能延伸数厘米且安全，可同时为多个设备供电，发射线圈负载小，系统效率随网络规模扩大而提升。基于磁电能量的无线网络简洁稳健，能为植入式网络多种应用提供支持。虽此前有研究表明磁电材料在医疗植入物供电方面的潜力，但本研究首次证实该无线能量传输技术可同时为多达12个独立植入设备供电和同步刺激。与其他体内验证的无线网络相比，该系统仅需一个非植入式单频发射线圈，就能输送高功率刺激脉冲。
两项大型动物实验验证了磁电供电生物电子网络核心特性：可实现超10伏刺激电压，数厘米级位移下稳定工作，这是技术临床转化的关键。此前其他无线能量技术难以在数厘米级错位容差下向多个设备无线传输兆瓦级功率，阻碍大型生物电子网络验证。此类网络可增加刺激触点数量并精准部署，植入设备无需电池可微型化，简化微创手术植入流程。
磁电供电生物电子网络存在局限性：与大型无线供电植入物相比，功率传输效率（PTE）较低，导致发射器功耗高，需精心设计发射器或采用低占空比运行。不过其独特缩放特性可弥补不足：磁电能量随接收器面积线性缩放，220千赫兹磁场安全限值比射频能量传输高数个数量级。若无需微型化、网络化或高功率输出，磁电供电设备或非最佳无线供电方案。本研究关注植入式设备网络供电，实现分布式闭环系统还需解决无线通信、设备间干扰及实时算法实现等工程挑战。本研究采用的通信协议支持最高4千比特/秒下行速率，外部协同控制脉冲间延迟低至5毫秒；更高数据速率需更精密协议或其他通信方式。
分布式无线系统克服现有生物电子架构局限，可实现植入设备精准部署，减少设备封装复杂高密度馈通需求。两项体内验证对应不同需求生物电子应用，仅小幅调整网络核心元件即可满足。未来，将多功能生物电子平台与传感和数据上行链路结合，有望构建智能植入式和可穿戴设备网络，实现人体健康监测、调控与改善。
技术来源：https://doi.org/10.1038/s41551-025-01489-3
