Science 重磅｜体内通信网络问世！穿戴设备和植入治疗器件终于可以互联互通

生物电子传感器和执行器的网络使闭环疗法能够连接远端相关的生理动态。目前，器件相互作用受限于穿透组织的通信方式，这些方式穿透组织效率低，且需要笨重的组件。受神经系统的离子信号启发，我们设计了一个通信平台，利用组织作为导电介质，通过表皮、皮下、腹腔内和胃肠道空间在植入物和可穿戴设备之间传递信号。器件产生瞬态电场，在接收到触发其特定晶体管电路的脉冲时，选择性地激活其他器件。植入物可注射注射，在监听状态下功耗极低，且比蓝牙提供>10×更高的组织通信覆盖。在大鼠体内，我们展示了协调的全身传感器和神经接口网络，实现无线双肢运动控制。

该研究以题为“An in-body networking system for communication between wearable and implantable therapeutics”发表在Science上。

图1

体内通信可实现可穿戴及可植入治疗设备的低功耗网络。(A) Smart Wireless Autonomous Networking System (swans) 的概述。(B) swans 用例示例：可穿戴传感器通过检测前肢运动，独立控制后肢运动控制。(C 和 D) swans 植入体（尺寸：3 mm × 1.1 mm × 17 mm）。(E) 将 swans 接收器以注射器形式植入大鼠皮下空间。(F 和 G) 通过 swans 的体内离子通信 (IBC)、近场通信 (NFC) 和低功耗蓝牙 (BLE) 控制的植入式神经调控生物电子设备的理论（柱状图）与实验（点状数据，均值 ± 标准差，n = 3 台设备）功率特性。电池续航时间采用与平台相匹配的电池进行计算（IBC：26 mAh，1.55 V；BLE：20 mAh，3.0 V；NFC：20 mAh，3.3 V）。(H) 在离体鸡胸组织上施加逐渐增强的脉冲电压时，跨晶体管栅极测得的电压。阴影区域表示阈值电压（黑线代表平均值；灰线代表单次测试；n = 9次试验）。(I) 在鸡胸离体样本中，于接收垫与NPN晶体管基极之间加入电阻（NPN-R）会提高开关所需的施加电压（黑线代表平均值；灰线代表单次测试；n = 10次试验）。

图2

体内通信架构。(A)定制 fPCB 持续监测应变传感器，并自动发射可变（0 至 12 V）方波脉冲，以触发可植入式网络。生物电子器件可单独或协同切换。(B)通过体内离子通信对可植入式执行器进行闭环控制与监测的框图。组件包括模数转换器（ADC）、微控制器单元（MCU）、发射器（TX）和接收器（RX）。(C)可穿戴 fPCB 的照片。(D)不锈钢微针的照片，这些微针可使可穿戴枢纽的信号绕过角质层（插图比例尺，1 mm）。(E)带有电压接收焊盘和神经套管的可植入式 fPCB 的照片。(F)使用具有不同针高且与皮肤接触的微针电极在大鼠体内产生的代表性（4 V、1 Hz、1 ms）方波脉冲。(G)在大鼠体内使用不同皮肤接触电极时测得的峰值注入电流（n = 18 次试验，数据来自三只大鼠；图中绘制了标准差）。

图3

体内 IBC 可在不引起细胞损伤的情况下产生体内电压梯度。（A–C）在体内大鼠组织上施加幅度逐渐增大的脉冲时，测量跨晶体管栅极的电压。接收端电极以 2.5 cm 的间距分别置于皮下（SQ）(A)或腹腔内（IP）(B)；发射端电极和接地电极则置于皮肤上方、间距为 4 cm 的位置。在(C)中，接收端电极以 1 cm 的间距置于胃内，采用胃内放置（IG）方式。阴影区域表示晶体管栅极电压和阈值电压［黑线表示平均值，灰线表示单次测试结果；(A)n = 3 只大鼠的 27 次试验，(B)n = 3 只大鼠的 9 次试验，(C)n = 1 只大鼠的 10 次试验］。(D)当接收端电极以不同朝向相对于可穿戴信号注入电极放置时，体内接收端电极的峰值接收电压（n = 1 只大鼠的 5 次试验）。接收端电极以 2.5 cm 的间距置于皮肤下方。发射端电极和接地电极则置于皮肤上方不同空间位置，包括与植入物对齐的位置（蓝色）、偏离植入物一定距离的位置（紫色）、动物背部和腹部的位置（粉色）、沿身体对角线放置的位置（橙色）以及位于植入物对侧的位置（绿色）（n = 5 次试验；线条表示平均值）。

图4

用于神经刺激的生物集成电子网络。(A)配备 Swan 神经刺激系统的大鼠示意图及图像，以及从静息状态（半透明）到屈曲状态（不透明）的腿部抽搐代表性图像。(B)当任一前肢检测到刺激时，可穿戴电路板会输出不同的脉冲幅度和宽度，从而触发不同的植入物启动工作。(C)采用高压短脉冲的 NPN 植入物产生的电流输出；(D)采用低压短脉冲的 PNP 植入物产生的电流输出；以及(E)采用较长中压脉冲的 NPN + 电容器（NPN-C）植入物产生的电流输出。虚线以上的点表示腿部发生屈曲。(F)在同一个动物体内，同时触发 NPN 和 PNP 植入物会导致先仅触发 PNP，随后在电压逐渐升高的情况下触发 NPN + PNP。

总结

针对植入物与可穿戴设备穿组织通信效率低、组件笨重的问题，作者从神经系统的离子信号借思路，把组织本身当作导电介质，通过瞬态电场和脉冲触发特定晶体管电路，让器件之间能选择性唤醒。植入物可注射，监听状态下功耗很低，通信覆盖比蓝牙高一个数量级以上。

在大鼠体内，作者把全身传感器和神经接口连成网络，实现了无线双肢运动控制，说明这种通信方式能支撑闭环疗法中远端生理动态的连接。后续值得关注的是多植入物协同、长期低功耗运行、生物安全性和临床转化。

参考文献：

DOI: 10.1126/science.adz5300

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