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

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图片来历:Jeff Fitlow/Rice University

莱斯大学的神经工程师创造晰一种微型外科植入物,奇特之处在于不运用电池或有线电源的情况下就能用电影响大脑和神经体系。

那么,它的能量从而来呢?

本来,这种神经影响器是从磁能中获取能量,尺度不超越一粒米的巨细。这也是榜首个磁动力神经影响器,可以发作与临床同意的电池驱动植入物相同的高频信号,用于医治癫痫、帕金森氏症、缓慢苦楚和其他疾病。

这项研讨于当地时刻6月8日宣布在《神经元》期刊的网站上,论文标题为“Magnetoelectric Materials for Miniature, Wireless Neural Stimulation at Therapeutic Frequencies”,用于医治频率的微型、无线神经影响的磁电材料。

这种微型外科植入物的要害成分是一种“磁电”材料薄膜,它可以将磁能直接转换成电压。这种办法避免了无线电波、超声波、光、乃至磁线圈的缺陷,这些都曾被提议用于驱动微型无线植入物,并已被证明会搅扰活安排或发作有害的热量。 

为了证明磁电技能的可行性,研讨人员在啮齿动物身上证明晰植入物的效果,这些啮齿动物是彻底清醒的,可以自在地在它们的笼子里走动。

 “进行原理证明的演示真的很重要,由于从桌面演示到或许真实对医治人类有用的演示,是一个巨大的技能腾跃。” 新研讨的通讯作者、莱斯大新神经工程项目的成员雅各布·罗宾逊(Jacob Robinson)说,“咱们的研讨结果标明,运用磁电材料进行无线电力传输不仅仅是一个新颖的主意。这些材料仍是临床级无线生物电子学的优异候选材料。” 

可以调理大脑和神经体系活动的微型植入物或许具有广泛的含义。 尽管电池供电的植入物常常用于医治癫痫患者并减轻帕金森氏病的震颤,但研讨标明,神经影响可以用于医治郁闷症、强迫症,超越三分之一的人患有缓慢、顽固性的苦楚,常常会导致焦虑、郁闷和阿片类药物成瘾。

罗宾逊还表明说,设备的小型化十分重要,由于使神经影响疗法更广泛可用的要害是制作无电池的无线设备,该设备满足小,无需进行大手术即可植入。 他说,一粒米巨细的设备可以用一种微创的办法植入体内简直任何当地,相似于在阻塞的动脉中放置支架。

该研讨的合著者和神经工程安排的成员Caleb Kemere说:“当你有必要开发可以皮下植入小动物头骨的东西时,你的规划束缚就会发作显着改变。在无束缚的环境中将其用于啮齿动物,这迫使阿曼达·辛格(榜首作者)将尺度和体积降低到最小或许的程度。” 

在啮齿类动物的测验中,研讨人员将设备放置在啮齿类动物的皮下,让它们在笼子里自在活动。这些啮齿类动物更喜爱待在磁场激活影响器并向大脑奖赏中心供给小电压的当地。

辛格是罗宾逊试验室的一名运用物理学学生,她经过将两种天壤之别的材料层连接在单个薄膜中,处理了无线电源的问题。榜首层是由铁、硼、硅和碳组成的磁致弹性箔,放在磁场中会在分子水平上振荡。第二种是压电晶体,它将机械应力直接转化为电压。

“磁场在磁致弹性资猜中发作应力。” 辛格说,“它不会让材料变得显着更大或更小,但它会发作声波,其间一些声波的共振频率会发作一种特别的形式,咱们称之为声学共振形式。”

磁致弹性资猜中的声共振是导致大型变压器宣布嗡嗡声的原因。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许多电能,但其作业频率太高,对脑细胞影响不大。

“辛格处理的一个首要工程问题是创造出一种电路,以较低的频率调理细胞的活动,使其对细胞发作反响。” 罗宾逊说,“这和AM收音机的作业原理相似。你会听到这些十分高频的波,但它们被调制到你能听到的低频。” 

辛格说,创造一种可调理的双相信号,既能影响神经元又不损伤它们,这是一个应战,就像小型化相同。

“当咱们榜首次提交这篇论文时,咱们还没有微型植入版别。”她说,“在那之前,最重要的作业是弄清楚怎么得到咱们用来影响的双相信号,以及咱们需求什么电路元件来做到这一点。”

“当咱们收到榜首次提交后的谈论时,谈论是这样的,‘好吧,你说你可以把它变小。所以,请让它变小。’”辛格说,“所以,咱们又花了一年左右的时刻把它做得很小,并证明它的确有用。这或许是最大的妨碍。一开始,制作可以作业的小型设备十分困难。”

罗宾逊说,这项研讨一共花了五年多的时刻,首要是由于辛格简直从头做起。

“这种电力传输技能没有基础设施。”他说,“假如你运用射频,你可以买射频天线和射频信号发作器。假如你在运用超声波,并不像有人说的那样,‘哦,趁便说一下,首要你得造出超声波机器。’”

“辛格有必要建立起整个体系,从发作磁场的设备到将磁场转化为电压的分层薄膜,再到调理磁场并将其转化为临床运用的电路元件。她有必要制作一切的东西,打包,放在动物体内,为体内试验创造测验环境和固定设备,并完结这些试验。除了磁致弹性箔和压电晶体,在这个项目中没有任何东西可以从供货商那里购买。”

相关研讨

本年2月,同样是来自莱斯大学的一个工程师团队(与上文研讨团队部分成员重合)推出了首个可以经过磁场编程和长途充电的神经植入物。他们的打破或许使嵌入设备成为或许,例如可穿戴皮带上装上电池供电的磁性发射器的脊髓影响设备。

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

该体系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;论文的一起榜首作者Zhanghao Yu是一名研讨生,Joshua Chen是研讨生,他们都来自赖斯大学布朗工程学院。 

MagNI的方针是那些需求可编程的、电影响神经元的运用程序,例如协助癫痫或帕金森氏症患者。Kaiyuan Yang说:“这是榜首次证明可以用磁场为植入体供给动力,也可认为植入体编程。经过将磁电传感器与互补金属氧化物半导体技能集成,咱们为许多运用供给了生物电子渠道。CMOS关于传感和信号处理使命来说是功能强大、高效和廉价的。”

他说,与现在的影响办法(包含超声波、电磁辐射、感应耦合和光学技能)比较,MagNI具有显着的优势。

“人们现已演示了这种规划的神经影响器,乃至更小。” Kaiyuan Yang说,“与电力和数据传输的干流办法比较,咱们运用的磁电效应有许多优点。”

他说,安排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安排。“超声波没有加热问题,可是声波会在不同介质的界面上反射,比方头发、皮肤、骨头和其他肌肉。”

由于磁场也传输操控信号,Kaiyuan Yang说MagNI也“校准自在和鲁棒。”“它不需求任何内部电压或守时参阅。”

原型设备的组件坐落柔性聚酰亚胺基板上,只要三个组件:一个2×4毫米的磁电薄膜,它将磁场转换为电场,一个CMOS芯片和一个暂时存储能量的电容器。

该团队经过将芯片浸泡在溶液中,在空气和模仿安排环境的果冻状琼脂中进行测验,成功地测验了芯片的长时间可靠性。

研讨人员还经过影响一种由罗宾逊试验室创造的章鱼状小生物Hydra vulgaris来验证这项技能。经过试验室的微流控设备对Hydra进行束缚,他们可以看到与芯片触摸所引发的缩短相关的荧光信号。该团队现在正在不同类型的设备上进行体内测验。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

原文材料:

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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